Nghiên cứu công nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mêtan ở mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê
1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Trần Tuân NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG MẠO KHÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT Nguyễn Trần Tuân NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ ĐỂ THÁO KHÍ MÊ TAN Ở MỎ THAN HẦM LÒ VÙNG MẠO KHÊ Ngành: Kỹ thuật dầu khí Mã số: 62.52.06.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Trần Đình Kiên 2. TS Nguyễn Xuân Thảo HÀ NỘI - 2014 3 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án 4 MỤC LỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN THÁO KHÍ Ở CÁC MỎ THAN KHAI THÁC HẦM LÒ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 6 1.1. Nhu cầu cần thiết thu hồi khí Mêtan ở các mỏ than khai thác hầm lò trên thế giới 6 1.2. Công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở các mỏ than hầm lò trên thế giới 9 1.2.1. Phương pháp tháo khí Mêtan bằng các lỗ khoan từ trên mặt đất 9 1.2.2. Phương pháp tháo và thu hồi khí Mêtan bằng các lỗ khoan trong hầm lò 13 1.2.3. Công nghệ khoan các lỗ khoan tháo và thu hồi khí Mêtan trong hầm lò 17 1.3. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan tháo khí Mêtan ở Việt Nam 19 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, HIỆN TRẠNG KHAI THÁC ẢNH HƢỞNG TỚI CÔNG TÁC KHOAN VÀ TÌNH TRẠNG KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 24 2.1. Đặc điểm địa chất và tính chất cơ lý đá 24 2.1.1. Đặc điểm cấu trúc địa tầng 24 2.1.2. Đặc điểm kiến tạo và hệ thống đứt gẫy 25 2.1.3. Tính chất cơ lý đá 26 2.2. Đặc điểm và tính chất các vỉa than ở mỏ Mạo Khê 29 2.3. Hiện trạng khai thác than và tình trạng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 30 2.3.1. Hiện trạng khai thác than ở mỏ Mạo Khê 31 2.3.2. Đặc điểm tiềm tàng khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 34 2.3.3. Các giải pháp an toàn phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò 38 5 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 41 3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang 41 3.1.1. Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng cụ phá hủy đá 41 3.1.2 Đặc điểm cong xiên các lỗ khoan ngang 45 3.1.3. Các dạng phức tạp trong khoan ngang 47 3.2. Nghiên cứu lựa chọn công nghệ khoan ngang hợp lý tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51 3.2.1. Hiện trạng khoan tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51 3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê 55 3.2.3. Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 58 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM PHƢƠNG PHÁP KHOAN XOAY - ĐẬP ĐỂ KHOAN CÁC LỖ KHOAN NGANG THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 66 4.1. Thiết bị khoan thử nghiệm 67 4.2. Kết quả nghiên cứu thử nghiệm ảnh hƣởng của các yếu tố chế độ công nghệ khoan ngang tới tốc độ cơ học khoan 70 4.3. Kết quả thử nghiệm lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập hợp lý 79 4.4. Hiệu quả khoan tháo khí tại khu vực vỉa 9 cánh Đông mức -80 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 PHẦN PHỤ LỤC 117 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT API: Viện dầu khí Mỹ B: Hƣớng Bắc DDK: Dung dịch khoan Đ: Hƣớng Đông ĐCCT-ĐCTV: Địa chất công trình, địa chất thủy văn E: Năng lƣợng phá hủy đá, kW.h/m F.A; F.B; F.340: Đứt gãy F.A; Đứt gãy F.B; Đứt gãy F.340 K: Độ thẩm thấu, m 2 K otb : Hệ số thu hồi khí Mêtan từ lỗ khoan L: Chiều dài lỗ khoan, m LK: Lỗ khoan MK: Mạo Khê n: Tốc độ quay cột cần khoan, v/ph n đ : Tần số đập, lần/ph N: Hƣớng Nam OML: Ống mẫu luồn P: Tải trọng chiều trục, N P đ : Tải trọng chiều trục do năng lƣợng đập trong khoan xoay đập, kW P O : Tải trọng chiều trục trong khoan xoay, kN P s : Độ cứng của đá, MPa q: Trọng lƣợng riêng một mét cần khoan, N/m Q: Lƣu lƣợng nƣớc rửa, l/ph 7 Q o : Lƣợng khí Mêtan thoát ra từ lỗ khoan, kg/s Q MK : Khối lƣợng khí Mêtan thu hồi tại khu vực khai thác, m 3 /tháng TKV: Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam T. IIIA: Tuyến III A T: Hƣớng Tây V.9: Vỉa than thứ 9 Vimsat: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin V m : Vận tốc cơ học khoan, m/h 8 DANH MC CC BNG BIU Bng 1.1. Cỏc v tai nn in hỡnh liờn quan ti n khớ Mờtan cỏc m than hm lũ ca mt s nc trờn th gii 7 Bng 2.1. Mc phong húa, nt n ỏ m Mo Khờ 25 Bảng 2.2. Tính chất cơ lý đặc tr-ng cho các loại đá ở mỏ than hầm lò Mạo Khê 28 Bng 2.3. Cụng sut khai thỏc ca m Mo Khờ t nm 2010 n nm 2015 32 Bng 2.4. cha khớ v tr lng khớ m than Mo Khờ theo chiu sõu 35 Bng 2.5. Kt qa quan trc thc t v d bỏo lng khớ Mờtan thoỏt ra t lũ ch khai thỏc cỏc va than m Mo khờ 37 Bng 3.1. Cỏc thụng s ch khoan xoay - p 64 Bng 4.1. c tớnh k thut ca thit b khoan xoay - p RPD-130SL-F2W v mỏy bm nc ra MG-15 67 Bng 4.2. c tớnh k thut b ng mu lun khoan ngang PS-89 70 Bng 4.3. Mc nh hng ca cỏc thụng s ch khoan ti tc c hc trong khoan ngang bng b ng mu lun PS-89 72 Bng 4.4. Mc nh hng ca tc quay ct cn khoan ti tc c hc khi khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS- 89 trong ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; ti trng chiu trc P o = 9000 - 13000N; Q= 45-50l/ph; dung dch khoan - nc ló 73 Bng 4.5. Mc nh hng ca ti trng chiu trc ti tc c hc khi khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS-89 trong ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; tc quay ct cn khoan n = 80- 200v/ph; Q= 45-50l/ph; dung dch khoan - nc ló 74 Bng 4.6. Mc nh hng ca lu lng nc ra ti tc c hc khi khoan ngang bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b OML PS-89 trong ỏ cỏt kt ht nh mn cp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; tc quay ct cn khoan n = 80 - 200v/ph; P o =9000-13000N; dung dch khoan - nc ló 75 Bng 4.7. Mc nh hng ca tc quay ct cn khoan ti tc c 9 học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS- 89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, P s = 2000 -3000MPa; tải trọng chiều trục P o = 6000- 7000N; Q=50-60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 76 Bảng 4.8. Mức độ ảnh hƣởng của tải trọng chiều trục tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, P s = 2000 -3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; Q= 50 -60l/ph; dung dịch khoan - nƣớc lã 77 Bảng 4.9. Mức độ ảnh hƣởng của lƣu lƣợng nƣớc rửa tới tốc độ cơ học khi khoan ngang bằng thiết bị khoan RPD-130SL và bộ OML PS-89 trong đá bột kết cấp VII-VIII, P s = 2000-3000MPa; tốc độ quay cột cần khoan n = 80- 200v/ph; tải trọng chiều trục P o = 6000- 7000N; dung dịch khoan - nƣớc lã 78 Bảng 4.10. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P S =2000-3000MPa 81 Bảng 4.11. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P S = 2000-3000MPa; n đ = 800lần/ph 83 Bảng 4.12. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P S = 2000-3000MPa; n đ = 1000lần/ph 85 Bảng 4.13. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá bột kết, đồng nhất cấp V-VIII, P S = 2000-3000MPa; n đ = 1200lần/ph 87 Bảng 4.14. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay bằng thiết bị RPD 130-SL-F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000 MPa 89 10 Bảng 4.15. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; n đ - 800lần/ph 91 Bảng 4.16. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; n đ = 1000lần/ph 93 Bảng 4.17. Sự phụ thuộc tốc độ cơ học và năng lƣợng phá hủy đá vào các thông số chế độ khoan, khi khoan xoay - đập bằng thiết bị RPD 130-SL- F2W trong đá cát kết hạt nhỏ mịn cấp IX- X, P s = 5000 -7000MPa; n đ = 1200lần/ph 95 Bảng 4.18. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng P s = 2000-3000MPa 97 Bảng 4.19. So sánh các chỉ tiêu khoan xoay và khoan xoay - đập trong đá có độ cứng P s = 5000-7000MPa 99 Bảng 4.20. Thông số chế độ khoan xoay - đập hợp lý bằng thiết bị khoan RPD-130SL-F2W và bộ ống mẫu luồn PS -89 102 [...]... cong l khoan ngang do lch tõm b dng c khoan 46 Hỡnh 3.5 Hng cong l khoan ngang 46 Hỡnh 3.6 Kh nng l khoan b lch hng khi gp lp ỏ cú cng khỏc nhau 46 Hỡnh 3.7 Lch hng l khoan khi khoan trong va than 47 Hỡnh 3.8 Hỡnh dng thnh trờn ca l khoan ngang trong tng ỏ nt n 48 Hỡnh 3.9 Trng thỏi khi ỏ bao quanh thnh trờn l khoan ngang 49 Hỡnh 3.10 S to rónh ph trong l khoan ngang 50 Hỡnh 3.11 S tỏc dng cn khoan. .. ngh khoan ngang thỏo khớ Mờtan m than hm lũ Mo Khờ bng phng phỏp khoan xoay - p v cụng ngh khoan ng mu lun thay th cho khoan xoay truyn thng Th nghim trong iu kin sn xut, la chn cỏc thụng s ch khoan xoay - p hp lý khoan cỏc l khoan ngang thỏo khớ Mờtan trong iu kin m Mo Khờ 8 Lun im bo v - p dng phng phỏp khoan xoay - p bng thit b khoan RPD130SL-F2W v b dng c khoan ng mu lun PS-89 khoan cỏc l khoan. .. dng cho cỏc m khai thỏc than hm lũ Vit Nam cú nhu cu khoan thỏo khớ 3 i tng v phm vi nghiờn cu - i tng nghiờn cu: la chn cụng ngh khoan ngang hp lý bng thit b khoan xoay - p RPD-130SL-F2W v b dng c khoan ng mu lun PS-89 khoan cỏc l khoan ngang thỏo khớ phự hp vi iu kin a cht, iu kin khai thỏc m than Mo Khờ - Phm vi nghiờn cu: nghiờn cu c im cụng ngh khoan ngang; cụng ngh khoan xoay - p trong iu... m than hm lũ l phng phỏp khoan [4, 6] Vỡ vy, t nm 2003 mt s m than hm lũ vựng than Qung Ninh ó tin hnh th nghim khoan 35 cỏc l khoan thỏo khớ, ly mu khớ phõn tớch thnh phn v hm lng khớ Mờtan trong cỏc va than cỏc m than khai thỏc hm lũ c bit, ti gng lũ va 9 cỏnh Bc mc -80 ó khoan ba l khoan ngang di 65m-70m trong va than thỏo khớ trc khi tin hnh khai thỏc Cỏc l khoan thỏo khớ ti gng lũ va 9 c khoan. .. rói trong khoan thỏo khớ Mờtan cỏc m khai thỏc than hm lũ Nht Bn ó ỏp dng rng rói phng phỏp khoan ngang bng b ng mu lun trong ỏ vỏch thỏo v thu hi khớ Mờtan cỏc m Taiheiyo, chiu di l khoan 500m-700m, ng kớnh khoan 32 76mm c ó khoan cỏc l khoan ngang di 600m ng kớnh 93mm qua cỏc tng ỏ vỏch thỏo khớ cỏc khu vc, cỏc va than trc khi a vo khai thỏc c, Nga v Nht Bn, khi khoan cỏc l khoan ngang di... thp s liu thc t v cụng ngh khoan xoay - p khi khoan ngang thỏo khớ trong iu kin m Mo Khờ; - ng dng phng phỏp toỏn xỏc sut thng kờ, phõn tớch v x lý cỏc s liu quan trc thc t la chn cụng ngh khoan ngang hp lý 6 í ngha khoa hc v thc tin - í ngha khoa hc: Nghiờn cu ỏp dng cụng ngh khoan xoay - p bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b dng c khoan ng mu lun PS89 khoan cỏc l khoan ngang thỏo khớ trong iu kin... cu trỳc l khoan c la chn ph thuc vo v trớ cn thỏo khớ, chiu di khu vc khai thỏc Hỡnh1.8 Cỏc l khoan ngang thỏo khớ trc khi khai thỏc 1- cỏc l khoan ngang thỏo khớ khu vc s khai thỏc; 2- cỏc l khoan ngang khu vc lõn cn vựng khai thỏc Chiu di cỏc l khoan trong hm lũ c chia thnh 3 nhúm: Nhúm l khoan ngn t 15m - 50m; nhúm l khoan trung bỡnh t 50m-150m; nhúm l khoan di t 150m v ln hn cỏc m than hm lũ... cn khoan vi thnh di ca l khoan ngang trong quỏ trỡnh khoan 50 Hỡnh 3.12 V trớ l khoan thỏo khớ khu vc va 9 chun b khai thỏc 54 Hỡnh 3.13 Cu trỳc l khoan ngang thu hi khớ ti va 9 54 Hỡnh 3.14 Mụ hỡnh phỏ hu ỏ trong cỏc phng phỏp khoan 61 Hình 4.1 Thiết bị khoan RPD-130SL-F2W 69 Hỡnh 4.2 B ng mu lun PS 89 69 Hỡnh 4.3 Mc nh hng ca cỏc thụng s ch khoan ti tc c hc trong khoan ngang bng b ng mu lun PS-89... khi khoan bng phng phỏp khoan xoay, m cũn nõng cao tc c hc khoan, hiu qu thỏo khớ Kt qu nghiờn cu l c s khoa hc, lun chng la chn cụng ngh khoan thỏo khớ cỏc m than khai thỏc hm lũ vựng Qung Ninh - í ngha thc tin: la chn cỏc thụng s ch khoan ngang hp lý thỏo khớ m Mo Khờ bng thit b khoan RPD-130SL-F2W v b dng c khoan ng mu lun PS-89 phự hp vi iu kin a cht, iu kin khai thỏc 18 nõng cao hiu qu khoan. .. phỏp khoan, cụng ngh khoan ngang hp lý khoan cỏc l khoan thỏo khớ m Mo Khờ phự hp vi iu kin a cht m, iu kin khai thỏc m Mo Khờ nhm m bo an ton khai thỏc, gim ụ nhim mụi trng l rt cn thit, cú tớnh khoa hc v thc tin ỏp ng cỏc nhu cu sn xut khụng ch riờng m Mo Khờ hin nay, m cũn cho cỏc m than khai thỏc hm lũ Vit Nam 2 Mc ớch nghiờn cu ca ti Nghiờn cu la chn phng phỏp v cụng ngh khoan ngang hp lý khoan . khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 51 3.2.2. Cơ sở lựa chọn công nghệ khoan ngang tháo khí ở mỏ Mạo Khê 55 3.2.3. Lựa chọn phương pháp và chế độ công nghệ khoan ngang tháo khí Mêtan ở mỏ Mạo Khê 58 CHƢƠNG. lý, phù hợp với yêu cầu, mục đích tháo khí Mêtan của mỏ. Vì vậy, việc nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp khoan, công nghệ khoan ngang hợp lý để khoan các lỗ khoan tháo khí ở mỏ Mạo Khê phù hợp với. phòng ngừa khí Mêtan xuất hiện trong lò 38 5 CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN NGANG HỢP LÝ THÁO KHÍ MÊTAN Ở MỎ THAN MẠO KHÊ 41 3.1. Đặc điểm công nghệ khoan ngang 41