Ứng dụng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch để tăng tuổi thọ và công suất các giếng khoan khai thác nước ngầm vùng Hà Nội

Công nghệ khoan đập cáp và khoan xoay tuần hoàn thuận là những công nghệ đã làm chặt tầng chứa nước ở các mức độ khác nhau và sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan đã bít trát tầng chứa nước là những yếu tố chính gây suy thoái nhanh các giếng khoan khai thác nước ngầm ở vùng Hà Nội.

ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ KHOAN XOAY TUẦN HỒN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI THỌ VÀ CÔNG SUẤT CÁC GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƯỚC NGẦM VÙNG HÀ NỘI NGUYỄN DUY TUẤN* NGUYỄN VĂN TÚC** Appling Reverse circulation rotary drilling technology for undergrournd water exploiting wells in Hanoi Uptonow, the drilling wells for underground water exploitation in Hanoi area are exercuted by the cable drop drilling or rotary drilling technology With this technology, longevity of exloitating wells and capacity of water extraction are reduced Accordring to expricence from the Nhon Trach- Dong Nai area where the hydrogeological condition is the same of in Hanoi, the paper confirme that the reverse circulation rotary drilling technology can be effective in Hanoi area CÔNG NGHỆ KHOAN LÀ YẾU TỐ CHÍNH GÂY SUY THỐI NHANH GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM Ở VÙNG HÀ NỘI * 1.1 Công nghệ khoan giếng khai thác nƣớc ngầm Hà Nội qua thời kỳ Trong kỷ khai thác nƣớc ngầm chứa tầng chứa nƣớc cát cuội sỏi Pleistocen (đƣợc nhà ĐCTV gọi tầng chứa nƣớc qp) giếng khoan đƣờng kính lớn đƣợc thi công với công nghệ khoan khác qua thời kỳ - Trƣớc năm 1954, ngƣời Pháp sử dụng phƣơng pháp khoan dộng ống chống, dùng ống chống để giữ thành giếng khoan, - Từ năm 1954 đến 1962 sử dụng phƣơng pháp khoan đập cáp máy khoan YKC-22 YKC-30 Liên Xô (cũ) viện trợ dùng mai chữ (-) để phá vỡ cuội sỏi dùng dung * ** Viện Công nghệ Khoan Viện Địa chất, Nước Môi trường ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 dịch sét để giữ thành giếng khoan - Từ 1962 đến sử dụng đồng thời phƣơng pháp khoan đập cáp khoan xoay tuần hoàn thuận với dung dịch sét giữ thành giếng khoan 1.2 Tuổi thọ giếng khoan đƣợc thi công qua thời kỳ Hà Nội Trƣớc nhà máy nƣớc Sông Đà vào hoạt động (năm 2009), nƣớc ngầm chứa tầng cát cuội sỏi nằm độ sâu từ 3040m đến 70-80m nguồn nƣớc đáp ứng nhu cầu cấp nƣớc cho Thủ đô Nguồn nƣớc ngầm Hà Nội đƣợc ngƣời Pháp đƣa vào khai thác từ đầu kỷ 20 đƣợc bắt đầu nhà máy nƣớc Yên Phụ nằm bên bờ sông Hồng giếng khoan Lƣợng khai thác nƣớc ngầm ngày tăng theo phát triển Thành phố Thành phố phát triển đến đâu, giếng khoan khai thác nƣớc ngầm đƣợc phát triển đến Bắt đầu Yên Phụ (1929) lan sang Đồn 49 Thủy (1931) nằm bên bờ sông Hồng, tiếp đến Ngọc Hà (1939), Ngô Sĩ Liên (1943) v.v Đến nay, địa phận TP Hà Nội có 15 nhà máy nƣớc với khoảng 300 giếng khoan đƣờng kính lớn, hàng ngày khai thác khoảng 700.000 m3/ngày, đáp ứng nhu cầu cấp nƣớc Thủ đô, nhƣng hàng năm tổng công suất cấp nƣơc Thành phố bị suy giảm 10%, giếng khoan bị suy thối nhanh mạnh Năm 1983, trƣớc có Chƣơng trình cấp nƣớc Phần Lan, Cơng ty cấp nƣớc Hà Nội (Công ty nƣớc Hà Nội nay) có thống kê chƣa đầy đủ trạng lý (tuổi thọ) 20 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm thuộc nhà máy nƣớc vùng nội thành (bảng 1) Bảng 1: Hiện trạng lý giếng khoan khai thác nƣớc ngầm Hà Nội Số hiệu giếng Năm đƣa vào khai thác 1929 1929 STT Nhà máy nƣớc Yên Phụ 1929 1929 1929 1929 1929 1978 1980 1960 1978 1978 49 51 31 49 49 Đồn Thủy 1931 1931 1980 1980 49 49 10 Ngọc Hà 1939 1970 31 11 1944 1982 28 12 1958 1961 1958 1961 14 1962 1982 20 15 1969 1975 1953 1970 17 1962 1980 18 1962 1982 19 1963 1980 17 1965 1975 10 13 16 Ngô Sĩ Liên Lƣơng Yên 17 18 Tƣơng Mai 19 20 Hạ Đình Từ bảng cho thấy: giếng khoan đƣợc thi công thời Pháp thuộc (trƣớc năm 1954) có tuổi thọ cao, từ 49-51 năm, 1728 năm; giếng khoan đƣợc thi cơng sau năm 1954, tuổi thọ cao 17-19 năm, trung bình 10 năm có 3-6 năm, nhƣ giếng nhà máy nƣớc 50 1980 1980 Tuổi thọ (năm) 51 51 Năm lý Ngô Sĩ Liên: 02 giếng số tồn năm (1958-1961) giếng số tồn năm (1969-1975) Gần giếng nhà máy nƣớc Nam Dƣ quận Hoàng Mai đƣợc bố trí theo dạng hành lang dọc bờ sơng Hồng đƣợc thi công vào cuối năm 90 kỷ trƣớc đầu năm 2000, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 nhƣng đến phải phục hồi lại hàng loạt công nghệ “thay tầng lọc” TS Hồng Văn Hƣng, có nghĩa tuổi thọ chúng không 20 năm 1.3 Nguyên nhân gây suy thoái nhanh giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội Sự ổn định hoạt động giếng khoan đƣợc xác định đại lƣợng: lƣu lƣợng nƣớc bơm lên trị số hạ thấp mực nƣớc giếng khoan đƣợc biểu thị tỷ lƣu lƣợng giếng khoan tỷ số lƣu lƣợng độ hạ thấp mực nƣớc giếng khoan Tỷ lƣu lƣợng giếng khoan giảm, độ suy thoái giếng khoan tăng, tức tuổi thọ giếng khoan giảm Từ bảng trình bày tuổi thọ giếng khoan đƣợc thi công qua thời kỳ cho thấy: - Các giếng khoan đƣợc thi cơng trƣớc năm 1954 có tuổi thọ lâu, từ 49-51 năm, 17-28 năm đƣợc thi công công nghệ khoan dộng ống chống sử dụng ống chống để giữ thành giếng khoan, nên độ thấm tầng chứa nƣớc đƣợc giữ nguyên, dẫn đến tuổi thọ giếng khoan dài - Các giếng khoan đƣợc thi công sau năm 1954 có tuổi thọ cao 17-19 năm, trung bình có 10 năm, chí có giếng khoan tồn 3-6 năm chúng đƣợc thi công công nghệ khoan đập cáp khoan xoay tuần hồn thuận cơng nghệ làm chặt tầng chứa nƣớc mức độ khác sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan, nên làm bít trát tầng chứa nƣớc, làm cho tuổi thọ giếng khoan suy giảm nhanh, tức độ suy thoái giếng khoan khai thác nƣớc ngầm tăng nhanh Vậy công nghệ khoan yếu tố (ngun nhân) gây suy thối giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HỒN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI THỌ VÀ CƠNG SUẤT CỦA CÁC GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM VÙNG HÀ NỘI 2.1 Đặt vấn đề Ở Việt Nam từ trƣớc tới nay, để khoan giếng khoan khai thác nƣớc ngầm sử dụng công nghệ khoan truyền thống khoan đập cáp khoan xoay Trong công nghệ khoan xoay, dựa vào chiều (hƣớng) tuần hoàn (di chuyển) dung dịch khoan mùn khoan cần khoan giếng khoan lại chia làm loại công nghệ khoan xoay khác khoan tuần hoàn thuận khoan tuần hoàn nghịch Ở Việt Nam, từ trƣớc đến sử dụng cơng nghệ khoan tuần hồn thuận để khoan giếng khoan khai thác nƣớc ngầm đá gốc gắn kết lẫn đá gốc nứt nẻ trầm tích bở rời; khoan xoay tuần hoàn nghịch đƣợc nghiên cứu ứng dụng năm gần đây, nhƣng đem lại hiệu kỹ thuật kinh tế cao, cần phải đƣợc áp dụng rộng rãi 2.2 Nguyên lý vận hành cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch Sự khác biệt cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch so với tuần hoàn thuận nguyên lý tuần hoàn (di chuyển) dung dịch khoan, mùn khoan cần khoan giếng khoan Trong cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch, nƣớc dung dịch đƣợc cấp từ miệng giếng khoan xuống đáy giếng khoan, sau mùn khoan đƣợc máy bơm (ly tâm, chân khơng, nén khí ) hút bên cần khoan để đƣa lên mặt đất, tức theo chiều ngƣợc lại so với cơng nghệ khoan tuần hồn thuận Hai yếu tố quan trọng phƣơng pháp trì nƣớc rửa tuần hồn nghịch giếng khoan khí nén lƣu lƣợng khí nén để vận chuyển mùn khoan dòng nƣớc rửa lên mặt đất hệ số ngập buồng phối khí giếng khoan 51 - Lưu lượng khí cần thiết để vận chuyển mùn khoan dòng nƣớc rửa lên mặt đất đƣợc xác định theo cơng thức: Trong đó: - Lƣu lƣợng khí cần thiết để vận chuyển mùn khoan dòng nƣớc rửa lên mặt đất - Lƣu lƣợng dòng nƣớc rửa vận chuyển lên mặt đất (m3/s) - Áp suất giếng khoan tạo chiều sâu đặt buồng phối khí – Mpa – Áp suất khí (áp suất khơng khí miệng giếng khoan) – Mpa - Hiệu suất vận chuyển, lấy Kết thực cho thấy thay đổi phụ thuộc vào tốc độ dòng khí nén Giá trị nhỏ tốc độ dòng khí 1m/s - Hệ số ngập buồng phối khí đƣợc xác định cơng thức Trong đó: - hE- chiều sâu ngập buồng phối khí tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m - H= hE + ho - Tổng chiều cao đẩy cột nƣớc tính từ chiều sâu đặt buồng phối khí – m Hình Sơ đồ trì nước rửa tuần hồn ngược khí nén h0- chiều cao đẩy cột nƣớc tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m; hE- chiều sâu ngập buồng phối khí tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m hU- chiều sâu lại lỗ khoan 52 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Từ hình cho thấy, khí nén từ máy nén khí theo t ống dẫn khí 10 hàn gắn kết với cần khoan xuống buồng phối khí Khi khí nén vào buồng tạo lên chênh áp dƣới tác dụng áp suất khí nén, nƣớc rửa mùn khoan đƣợc vận chuyển lên phía ngồi 2.3 Tính ƣu việt cơng nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch Hình Sơ đồ cấu tạo nguyên lý làm việc công nghệ khoan tuần hồn nghịch khí nén 1- ống nâng; 2- ống dẫn khí; 3-buồng phối khí; 4- ống hút Trong cơng nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch phƣơng pháp trì nƣớc rửa tuần hồn ngƣợc khí nén có ƣu điểm vƣợt trội, thành phần đƣợc đẩy lên mặt đất từ giếng khoan gồm khí, nƣớc mùn khoan (dòng ba pha) khơng tác động trực tiếp đến thành giếng khoan nhƣ phƣơng pháp khoan xoay tuần hoàn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 thuận thành giếng khoan đƣợc giữ áp lực cột nƣớc từ mặt đất (miệng giếng), không làm chặt tầng chứa nƣớc nhƣ phƣơng pháp khoan đập cáp bị bít trát thành giếng khoan, nên làm ảnh hƣởng đến đặc tính thấm tầng chứa nƣớc Vì công suất cấp nƣớc giếng khoan ổn định hơn, bị suy giảm (xem hình 2) 2.4 Kết áp dụng cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch khoan giếng khai thác nƣớc ngầm vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai, nơi có điều kiện địa chất - địa chất thủy văn gần tƣơng tự vùng Hà Nội a) Điều kiện địa chất - địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch - Địa tầng: gần tƣơng tự nhƣ vùng Hà Nội, trầm tích bở rời tuổi Pliocen (N2) dày 70-80m gồm: + Trên trầm tích hạt mịn gồm: cát sét, sét cát, cát, đơi nơi có lẫn sạn sỏi; phần bị phong hóa mạnh, màu loang lổ chứa nhiều hạt sạn sỏi laterit màu nâu gụ, gần tƣơng tự nhƣ trầm tích Holocen thuộc hệ tầng Thái Bình Hải Hƣng vùng Hà Nội + Tiếp theo phía dƣới lớp sét bột cách nƣớc phân bố tồn diện tích vùng Nhơn Trạch Đây tầng cách nƣớc, gần tƣơng tự nhƣ tầng sét thuộc hệ tầng Vĩnh Phú vùng Hà Nội + Dƣới tầng chứa nƣớc với thành phần cát lẫn sạn sỏi tuổi Pliocen dầy 36-60m; gần tƣơng tự nhƣ tầng cát cuội sỏi tuổi Pleistocen thuộc hệ tầng Hà Nội - tầng chứa nƣớc qp để kết cấu ống lọc giếng khoan khai thác nƣớc ngầm từ kỷ đáp ứng nhu cầu cấp nƣớc TP Hà Nội - Điều kiện địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch Kết quan trắc thống kê từ 38 giếng khoan vùng Nhơn Trạch cho thấy: lƣu lƣợng (công suất) đạt từ 3-19 l/s, hệ số dẫn nƣớc Km 53 đạt 300-720m2/ngày, mực nƣớc tĩnh nằm độ sâu 5-20m, hàng năm dao động 17-19m b, Máy móc thiết bị sử dụng cho cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch - Máy khoan: Dùng máy khoan УРБЗАМ-500 đƣợc cải tiến để khoan giếng khoan khai thác nƣớc ngầm cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch - Dụng cụ khoan: Bộ cần khoan đƣờng kính ngồi 127mm, dày 9mm, dài 3,0m có hàn ống dẫn khí nén CS 33x27mm - Chòong khoan: Loại cánh đƣờng kính 650mm 550mm - Máy nén khí: Hiệu PDS -750 c, Áp dụng cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch Nhơn Trạch Trƣớc khoan giếng khai thác vị trí giếng khoan khoan hố khoan thăm dò đƣờng kính 120mm, sâu 80m để xác định địa tầng phục vụ cho thiết kế giếng khoan khai thác Theo yêu cầu thiết kế, giếng khoan khai thác đƣợc khoan đƣờng kính 550mm đến độ sâu 78m cơng nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch với chế độ khoan nhƣ sau: - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: 2500-3000N - Tốc độ vòng quay: 25-30 vòng/phút - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 Mpa - Sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan với thông số nhƣ sau: trọng lƣợng riêng:1,05 - 1,1 g/cm3, độ nhớt biểu kiến 22-24s, độ thải nƣớc: 8-10cm3/30ph Sau khoan đến độ sâu thiết kế, giếng khoan đƣợc kết cấu lắp đặt theo quy trình tƣơng tự nhƣ kiểu giếng khoan thi công cơng nghệ khoan xoay tuần hồn thuận (xem hình 3) d, Hiệu việc ứng dụng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch để khoan giếng khoan khai thác nước ngầm vùng Nhơn Trạch Ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghich khoan tổng cộng 16 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm Kết thực tế cho thấy tiêu kinh tế - kỹ thuật đạt giá trị cao giếng khoan thời công nghệ khoan xoay tuần hoàn thuận (xem bảng 2) Bảng So sánh kết khoan giếng khoan khai thác nƣớc ngầm cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch thuận vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai Công nghệ khoan tuần hồn thuận Cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch Tỷ lệ so sánh so với công nghệ khoan tuần hoàn thuận STT Chỉ tiêu so sánh Thời gian khoan giếng (h/giếng) 67,8 55,3 Giảm 18% Tiến độ khoan trung bình (m/h) 1,12 1,45 Tăng 23% Lƣu lƣợng khai 93 105 Tăng 11% thác giếng (m /h) 54 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Hình Cấu trúc địa tầng giếng khoan khai thác nước đất Nhơn Trạch- Đồng Nai khoan phương pháp trì nước rửa tuần hồn ngược khí nén KẾT LUẬN Cơng nghệ khoan đập cáp khoan xoay tuần hồn thuận cơng nghệ làm chặt tầng chứa nƣớc mức độ khác sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan nƣớc ngầm vùng Hà Nội bít trát tầng chứa nƣớc yếu tố gây suy thối nhanh giếng khoan khai thác tiến độ khoan (1 giếng) công suất khai thác nƣớc ngầm giếng khoan ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 Với kết khoan 16 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai cho thấy tính ƣu việt vƣợt trội cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch so với tuần hoàn thuận 55 Với điều kiện địa tầng địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai vùng Hà Nội gần tƣơng tự gồm: địa tầng cần khoan qua trầm tích bở rời, thành phần ngầm khu vực Nam - Tiểu luận - 2017 Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Văn Túc Vấn đề suy thoái giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội - Tạp chí Tài nguyên thạch học tầng chứa nƣớc trầm tích hạt thơ (cát sạn sỏi Nhơn Trạch cát cuội sỏi Hà Nội), chiều sâu giếng khoan khơng q 80m, việc ứng dụng nƣớc số - năm 2018 Nguyễn Văn Túc - Nƣớc ngầm vùng đồng Bắc miền bắc Việt Nam triển vọng cho cung cấp nƣớc lớn - Luận án tiến sĩ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch để khoan giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội chắn đem lại hiệu kỹ thuật kinh tế cao, giếng khoan khai thác nƣớc ngầm hoạt động ổn định hơn, lâu dài năm 1971 Nguyễn Văn Túc nnk - Báo cáo kết thăm dò địa chất thủy văn giai đoạn thăm dò khai thác để mở rộng nâng công suất nhà máy nƣớc thuộc giai đoạn II Chƣơng trình cấp chậm bị suy thoái Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo – nƣớc Hà Nội - Phần Lan: Mai Dịch - 60.000 m3/ngày; Ngọc Hà: 45.000 m3/ngày Lƣơng Yên: 45.000 m3/ngày - năm 1991 Nguyễn Văn Túc - Trữ lƣợng nƣớc ngầm vùng Hà Nội giải pháp cấp nƣớc cho Thủ đô Kết áp dụng cơng nghệ khoan tuần hồn nghịch khoan khai thác nƣớc dƣới đất Nhơn Trạch, Đồng Nai - Tạp chí KHKT Mỏ Địa chất, số 54, 4/2016 (chuyên đề Khoan Khai thác) Tờ trình gửi Chủ tịch UBND TP Hà Nội, Bộ trƣởng Bộ xây dựng Bộ trƣởng Bộ Tài nguyên Môi trƣờng - năm 2011 Phan Vĩnh Cẩn - Ứng dụng phƣơng pháp nổ mìn giếng khoan để phục hồi công suất Nguyễn Duy Tuấn - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan tuần hồn nghịch nâng cao cơng suất tuổi thọ giếng khai thác nƣớc khai thác nƣớc ngầm giếng khoan vùng Hà Nội - 1988 TÀI LIỆU THAM KHẢO Người phản biện: NGND.PGS.TS TRƢƠNG BIÊN 56 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 ... thác nƣớc ngầm vùng Hà Nội ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI THỌ VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁC GIẾNG KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM VÙNG HÀ NỘI 2.1 Đặt vấn đề Ở Việt... nghệ khoan xoay tuần hồn nghịch để khoan giếng khoan khai thác nước ngầm vùng Nhơn Trạch Ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghich khoan tổng cộng 16 giếng khoan khai thác. .. mùn khoan cần khoan giếng khoan lại chia làm loại công nghệ khoan xoay khác khoan tuần hoàn thuận khoan tuần hoàn nghịch Ở Việt Nam, từ trƣớc đến sử dụng công nghệ khoan tuần hoàn thuận để khoan