Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng giếng và công suất khai thác, các tác giả đã nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng Nai thay thế các giếng đã hư hỏng.
NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ KHOAN TUẦN HỒN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI NGUYỄN XUÂN THẢO* NGUYỄN DUY TUẤN NGUYỄN THẾ VINH** Research on applying reverse circulation technology by using erlift pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the application of forward circulation drilling technology This method consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary layers in Nhon Trach A number of researches on reverse circulation drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon Trach, Dong Nai will be presented in this article.The advantage of this method is that the components are extruded from the boreholes such as gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the wellbores and aquifer characteristics This has a positive impact on the life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use of wells ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong năm gần đây, nhu cầu nước cho sinh hoạt khu công nghiệp Nhơn Trạch-Đồng Nai ngày gia tăng; lưu lượng giếng khai thác nước ngầm ngày suy giảm Sau năm vận hành khai thác, hầu hết giếng giảm lưu lượng khai thác so với thiết kế ban đầu; có số giếng bị hư hỏng nặng Một nguyên nhân gây suy giảm lưu lượng khai thác hư hỏng giếng thi công phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận truyền thống Đây phương pháp có nhiều nhược điểm khoan khai thác nước ngầm * Viện Công nghệ Khoan; ĐD: 0912 015 585; E-mail: thao.vimsat@gmail.com ĐD: 0913537739; E-mail: tuannd.vk@gmail.com ** Trường Đại học Mỏ -Địa chất ĐD: 098 365 5056; E-mail: thao.vimsat@gmail.com ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 địa tầng trầm tích bở rời Nhơn Trạch - Đồng Nai Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng giếng công suất khai thác, tác giả nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift để khoan giếng bổ sung khai thác nước ngầm địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng Nai thay giếng hư hỏng NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM 2.1 Sơ lược cấu tạo nguyên lý làm việc bơm erlift Bơm erlift (Airlift pump) áp dụng rộng rãi cơng nghiệp mỏ để bơm nước tháo khơ mỏ; khai thác khoáng sản rắn phương pháp thủy lực; khai thác cát làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy văn, v.v Trong khoan thăm dò, bơm erlift áp dụng để trì dòng nước rửa tuần hồn nghịch khoan điều kiện địa chất phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan thăm dò sa khống thềm lục địa khoan giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng; ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút Hình Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc bơm erlift (Airlift pump) 1- ống nâng; 2- ống dẫn khí; 3-buồng phối khí; 4- ống hút Trong trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm dung dịch mùn khoan (2 pha) phía buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất buồng hòa trộn khí, hỗn hợp pha hút vào buồng hòa trộn khí qua ống hút hòa trộn với khí tạo thành hỗn hợp pha gồm dung dịchmùn khoan- khí Sau hòa trộn, hỗn hợp pha vận chuyển lên bề mặt qua ống Mức độ hòa trộn khí với hỗn hợp pha để tạo thành hỗn hợp pha có khối lượng riêng nhỏ phụ thuộc vào lưu lượng áp suất khí truyền vào buồng hòa trộn khí Hỗn hợp pha vận chuyển lên bề mặt qua ống nâng nhờ lượng tạo từ khí nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn khí Năng lượng cần thiết khí nén để nâng hỗn hợp pha xác định sau [4,5,6]: h N Qk Pa ln(1 ) (1) 10 N - lượng cần thiết khí nén để nâng hỗn hợp pha,J; Qk - lưu lượng khí nén, m3/s; Pa - áp suất khí quyển, N/m2 ; h0 chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí so với mực nước động, m; 2.2 Tính tốn lưu lượng áp suất khí nén cần thiết để nâng hỗn hợp pha cột cần khoan Cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch cơng nghệ khoan tuần hồn thuận cần đảm bảo rửa mùn khoan đáy giếng Đây yếu tố định tới chất lượng suất khoan Để đảm bảo rửa mùn khoan cần tính tốn lưu lượng tốc độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan, đặc điểm tính chất đất đá khoan qua Lưu lượng cần thiết bơm erlift để rửa tải mùn khoan lên bề mặt xác định theo công thức sau: Q 0,785D 2V0 (2) Trong đó: Q - lưu lượng cần thiết để rửa mùn khoan đáy giếng, m3/s; D - đường kính cần khoan, m; V - vận tốc trung bình dòng hỗn hợp pha chảy cần khoan, m/s Khi nghiên cứu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp pha dọc theo cần khoan lên mặt đất, tác giả xác định vận tốc dòng chảy hỗn hợp pha phụ thuộc vào lưu lượng khí truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn đường kính cần khoan theo cơng thức: 4(Q Qk K n ) V 0 (3) D 3600 đó: Qk - lưu lượng khí cần thiết để tạo lượng nâng hỗn hợp pha lên bề mặt, m3/h; K n - hệ số nén khí áp suất cột dung dịch cần khoan phía buồng hòa trộn khí xác định theo công thức: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 10 (4) K n 0,5( 1) 10 h0 ) Vận tốc Vh dòng chảy hỗn hợp pha (dung dịch mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng hòa trộn khí xác định theo công thức sau: 4Q (5) Vh Dh2 3600 Vh - vận tốc dòng chảy pha từ đáy giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; Dh đường kính cần khoan phía buồng hòa trộn khí,m; Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp pha lên bề mặt xác định theo công thức sau [4,6]: QH Qk (6) h0 23 lg( 1) 10 H - chiều cao nâng hỗn hợp pha bơm erlift, m; - hệ số hữu ích bơm erlift Từ biểu thức (6),ta tính lưu lượng bơm erlift phụ thuộc vào lưu lượng khí chiều cao nâng hỗn hợp pha: h 23Q k lg( 1) 10 Q (7) H Hệ số hữu ích bơm erlift xác định theo công thức [4,6]: QH g (8) h0 Qk Pa lg(1 ) 10 - khối lượng riêng hỗn hợp pha, kg/m3; Lưu lượng bơm bơm erlift không phụ thuộc vào lưu lượng khí đường kính cần khoan mà phụ thuộc vào hệ số nhấn chìm bơm lòng giếng Mối quan hệ hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí chiều cao nâng hỗn hợp pha bơm erlift lòng giếng xác định theo cơng thức sau: h0 (9) h0 H ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 - hệ số nhấn chìm Kết nghiên cứu [ 4,5,6] cho thấy đường đặc tính bơm phụ thuộc vào lưu lượng khí, hệ số chiều sâu nhấn chìm bơm erlift chiều cao nâng sức kháng chuyển động hỗn hợp pha không thay đổi mơ tả hình Đối với loại bơm erlift, thay đổi mực nước động giếng khoan dẫn tới thay đổi đặc tính bơm, chiều sâu nhấn chìm bơm erlift phụ thuộc vào mực nước động giếng khoan KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CƠNG NGHỆ KHOAN TUẦN HỒN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI 3.1 Đặc điểm địa chất thủy văn địa tầng chứa nước Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa nước trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch tầng Pliocen (N2) nằm tầng Pleistocen; chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m 65m; lưu lượng đạt từ l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày Hình Đường đặc tính bơm bơm erlift thay đổi hệ số chiều sâu nhấn chìm Cột địa tầng trầm tích khu cơng nghiệp Nhơn Trạch gồm lớp đất đá bền vững, liên kết yếu : sét pha cát, cát hạt trung đến thô; lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước Tầng chứa nước tầng cát hạt trung đến hạt thô lẫn sạn sỏi Kết nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến thô (từ 1mm-0,5mm) thô (từ 2mm-1mm) Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước từ mm-2mm (tới 6,6%) Hầu hết lớp sét pha chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước lớn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước nhỏ từ 10-5mm chiếm tới 13,3% Các lớp cát pha hạt thơ thơ có khối lượng riêng từ 2,63 g/cm3 đến 2,67 g/cm3; độ rỗng dao động từ 34-35%; hệ số rỗng dao động từ 0,511-0,579; cường độ kháng nén lớn dao động từ 13,73 N/cm2 đến 14,58 N/cm2; lực dính kết dao động từ 0,49 N/cm2 đến 0,63 N/cm2 Các lớp sét pha sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ 2,70 g/cm3 đến 2,77 g/cm3; độ rỗng dao động từ 37-44%; hệ số rỗng dao động từ 0,582-0,795; cường độ kháng nén lớn dao động từ 9,48 N/cm2 đến 11,85 N/cm2; lực dính kết dao động từ 1,76 N/cm2 đến 2,83 N/cm2 3.2 Yêu cầu kỹ thuật giếng khai thác nước ngầm thiết bị, dụng cụ khoan Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm Nhơn Trạch- Đồng Nai khoan thăm dò đường kính 120 mm từ 0m-80 m Sau theo yêu cầu thiết kế, giếng khai thác nước khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78 m công nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch Cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift áp dụng khoan 18 giếng bổ sung thay giếng khai thác nước ngầm bị hư hỏng khu công nghiệp Nhơn TrạchĐồng Nai Hình mơ tả cấu trúc giếng khai thác nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn Trạch khoan cơng nghệ tuần hồn nghịch bơm erlift Để khoan thử nghiệm tác giả lựa chọn thiết bị dụng cụ khoan sau: Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 cải tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước ngầm cơng nghệ tuần hồn nghịch Dụng cụ khoan gồm: cần khoan đường kính ngồi 127mm, dày mm, dài m, nối với mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27 mm,dài m, lắp đối xứng cạnh bề mặt ngồi cần khoan Chòong khoan ba cánh đường kính 650mm; 550 mm; Hình Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm Máy nén khí PDS -750 Sơ đồ cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift xem hình Chế độ khoan sau: - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: 2500 N- 3000 N; - Tốc độ vòng quay: 25-30 v/ph - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 MPa; Lưu lượng khí nén: 6-7 m3/ph Trong trình khoan sử dụng dung dịch sét để ngăn ngừa sập lở thành giếng khoan Các thông số dung dịch khoan sau: Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu kiến 22-24 s; độ thải nước - 10 cm3/30 ph Sau khoan đến chiều sâu thiết kế, giếng khoan thực công đoạn xây ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm khoan tuần hoàn thuận 3.3 Đánh giá kết thử nghiệm Các kết thử nghiệm (bảng 1) áp dụng cơng nghệ tuần hồn nghịch bơm erlift để khoan giếng khai thác nước ngầm Nhơn TrạchĐồng Nai cho thấy tiêu kinh tế - kỹ thuật đạt giá trị cao so với cơng nghệ tuần hồn thuận điều kiện Nhơn Trạch - Đồng Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng, chiều sâu công suất khai thác) khí; 9.t dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14 mực nước động; 15 hố dung dịch; 16 chng khoan Hình Hình ảnh sỏi cát lấy từ giếng khai thác nước ngầm Nhơn Trạch khoan tuần hoàn nghịch bơm erlift Hình Sơ đồ cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift 1.cần khoan phía buồng hòa trộn khí;2 buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí; ống định hướng; 7.bong bóng khí; máy nén Hình mơ tả số hình ảnh thành phần kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ giếng khai thác nước ngầm vùng Nhơn Trạch ĐồngNai khoan tuần hoàn nghịch bơm erlift Bảng So sánh kết khoan giếng khai thác nước ngầm Nhơn Trạch cơng nghệ tuần hồn nghịch thuận Các tiêu - Thời gian trung bình khoan, h/giếng - Tiến độ khoan trung bình, m/h - Thời gian rửa làm giếng, h/giếng - Lưu lượng bình quân giếng, m3/h ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 Cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch 55, 1,45 24 115 Cơng nghệ khoan tuần hồn thuận 67,8 1,12 52 83 Tỷ lệ tăng giảm so với tuần hoàn thuận Giảm 18% Tăng 29,5% Giảm 53,8% Tăng 39% KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu thử nghiệm áp dụng cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift để khoan giếng khai thác nước ngầm Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy: - Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bơm erlift cho phép khoan giếng khai thác nước ngầm đường kính đến 550 mm địa tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu Ưu điểm phương pháp thành phần đẩy lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa mùn khoan (dòng pha) khơng tác động trực tiếp đến thành giếng khoan đặc tính tầng chứa nước Điều nhiều có tác động tích cực tới tuổi thọ giếng nâng cao hiệu sử dụng giếng - Trong điều kiện địa tầng Nhơn Trạch, áp dụng cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift cho phép tăng lưu lượng khai thác đến 39%; tốc độ học tăng 29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian thổi rửa làm giếng giảm 53,8% so với cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch -Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan, đường kính cần khoan, lưu lượng áp suất khí, cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift nâng cột dung dịch với hàm lượng mùn khoan tới 60%-70% kích thước hạt mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Kim Đồng nnk Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công nghệ khoan tuần hồn thuận sang cơng nghệ khoan tuần hồn ngược khoan khai thác nước đất điều kiện Việt Nam Tp Hồ Chí Minh-2006 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo Kết áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược giếng khai thác nước đất Nhơn Trạch- Đồng Nai Tạp chí Khoa học kỹ thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr 62-65 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân Báo cáo kết khoan thăm dò khai thác nước đất khu cơng nghiệp Nhơn Trạch Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015 Drilling technique manual 1981, Wirth Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; Germal-1981 Xu Liu Wan Air Lift Reverse Circulation Drilling Technique in Water Well Construction Institute of Exploration Techniques China Academy of Geosciences, Beijing 2004 Гейер В Г Эрлифтные установки Донецк-1982 Người phản biện:GS.TS TRƯƠNG BIÊN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 ... vùng Nhơn Trạch ĐồngNai khoan tuần hoàn nghịch bơm erlift Bảng So sánh kết khoan giếng khai thác nước ngầm Nhơn Trạch cơng nghệ tuần hồn nghịch thuận Các tiêu - Thời gian trung bình khoan, h /giếng. .. hoàn nghịch bơm erlift để khoan giếng khai thác nước ngầm Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy: - Cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch bơm erlift cho phép khoan giếng khai thác nước ngầm đường kính đến 550... cơng nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch Cơng nghệ khoan tuần hoàn nghịch bơm erlift áp dụng khoan 18 giếng bổ sung thay giếng khai thác nước ngầm bị hư hỏng khu công nghiệp Nhơn Trạch ồng Nai Hình