Xem mẫu

  1. ẢNH H ỞNG KÍCH TH C MÙN KHOAN T I CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT VÀ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHOAN CÁC GIẾNG KHAI THÁC N C NGẦM TRONG TRẦM TÍCH BỞ RỜI NGUYỄN DUY TUẤN* Influence of sludge size and solution to improve efficiency of reverse circulation drilling technology for water underground wells in sedimentary strata Abstract: The paper present researches on influence of sludge size on reverse circulaion drilling technology using airiift pump and some effective solutions for water underground wells in sedimentary strata 1. ĐẶT VẤN ĐỀ* 2. ẢNH HƢỞNG KÍCH THƢỚC MÙN Trong những năm gần đ y, ở Vi t Nam đã KHOAN TỚI HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ nghiên cứu và áp d ng công ngh khoan tuần KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG hoàn nghịch (Reverse Circulation drilling – BƠM ERLIFT RCD) ằng ơm erlift (Airlift pump - AP) để Cũng nhƣ trong khoan tuần hoàn thuận, trong khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm v i m c khoan tuần hoàn nghịch hàm lƣợng,hình đích tăng khả năng thu hồi nƣ c trong tầng dạng,kích thƣ c mùn khoan tạo thành trong quá chứa nƣ c. trình khoan ph thu c vào tính chất cơ lý đất đá, Kết quả thực tế [ 2,3,4,8,9] cho thấy khi kiểu d ng c phá h y đá và các yếu t công khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm đƣờng ngh khoan.Các hạt mùn khoan tạo thành trong kính l n đến 550 mm-600 mm ằng công ngh quá trình khoan h a lẫn v i nƣ c rửa làm tăng tuần hoàn nghịch đạt hi u quả cao hơn so v i hàm lƣợng pha rắn dẫn t i tăng kh i lƣợng riêng công ngh khoan tuần hoàn thuận; song cũng nƣ c rửa trong giếng khoan và giảm vận t c cơ có m t s nhƣợc điểm khi khoan trong các địa học khoan. Khi hàm lƣợng pha rắn trong nƣ c tầng trầm tích ở rời, liên kết yếu, lẫn cu i sỏi rửa tăng từ 8 -36 vận t c cơ học giảm giảm kích thƣ c đến 50 mm-60 mm; hoặc các tầng từ 2,2 m/h đến 1,3 m/h (hình 1) [7,8,9]. sét dẻo. Vì vậy, vi c nghiên cứu các yếu t ảnh hƣởng t i công ngh khoan nghịch ằng ơm AP khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm trong trầm tích ở rời và đề xuất các giải pháp n ng cao hi u quả là rất cần thiết và có ý nghĩa khoa học, thực tiễn. * Viện Công nghệ Khoan Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng pha rắn ĐD: 0913537739 tới vận tốc cơ học khoan E-mail: tuannd.vk@gmail.com 22 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  2. Kh i lƣợng mùn khoan tạo thành trong quá Thay giá trị g =9,8 m/s2 vào biểu thức (4) ta có: trình khoan đƣợc xác đinh theo công thức sau:   D 2 V u  4,18 d h  h  1 (5) Qm  k GK m  0,785kDGK 2 Vm (1)  m  4 Trong thực tế, khi tính toán vận t c c a trong đó: Qm - kh i lƣợng mùn khoan tạo dòng hỗn hợp nƣ c rửa chảy lên bề mặt thành trong m t đơn vị thời gian,m3/h; DGK - thƣờng lấy c =0,25u . Khi đó iểu thức (3) có đƣờng kính giếng khoan,m; Vm - vận t c cơ học dạng nhƣ sau: khoan,m/h. K= 1,3-1,5- h s mở r ng thành Vv  k v (u  0,25u)  1,25k v u (6) giếng khoan. Thay giá trị u từ biểu thức (5) vào biểu thức Từ iểu thức (1) ta thấy khi tăng vận t c cơ (6) ta có: học khoan, kh i lƣợng mùn tăng theo; đặc i t khi khoan các giếng đƣờng kính l n khai thác   Vv  5,225k v d h  h  1 (7) nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết yếu,  m  kém ền vững, ở rời lẫn cu i sỏi. Sự ph thu c u=f(dh) và Vv=f(dh) trong cùng Trong khoan tuần hoàn nghịch bằng ơm AP, m t môi trƣờng nƣ c rửa có kh i lƣợng riêng lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết để rửa sạch đáy  m = 1,05 g/cm3 khi kích thƣ c và kh i lƣợng giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên bề lƣợng riêng c a hạt mùn thay đổi đƣợc trình bày mặt đƣợc xác định theo công thức sau: ở hình 2 và hình 3. QNR  0,785d 2Vv (2) Từ các đồ thị (hình 2 và hình 3) ta thấy khi Trong đó: QNR - lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết kích thƣ c và kh i lƣợng riêng c a hạt mùn để rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn khoan tăng thi vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan lên ề mặt, m3/s; d - đƣờng kính trong khoan và vận t c chảy lên c a d ng nƣ c rửa c a c t cần khoan, m; Vv - vận t c d ng nƣ c vận chuyển mùn cũng tăng theo. rửa vận chuyển mùn khoan lên bề mặt đất,m/s. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm Vận t c d ng nƣ c rửa vận chuyển mùn trong tầng cu i sỏi; các hạt cu i sỏi hình dạng, khoan lên bề đƣợc xác định theo công thức sau: kích thƣ c khác nhau đƣợc vận chuyển lên mặt Vv  k v (u  c) (3) đất hầu nhƣ c n giữ đƣợc nguyên trạng, ít bị trong đó: Vv - vận t c d ng nƣ c rửa chảy phá h y. Chiều dài hạt l n nhất từ 40-50 mm; lên mặt đất,m/s; k v =1,1-1,3- h s tính t i vận chiều r ng c a hạt l n nhất đạt t i 15-20 mm. t c chuyển đ ng không đồng đều c a d ng nƣ c rửa; u – vận t c lắng đọng c a hạt mùn do trọng lực, m/s; c - vận t c cần thiết để nâng hạt mùn, m/s. Vận t c lắng đọng c a hạt mùn khoan đƣợc xác định theo công thức Y. Meiz [9]: 2g   h  u d h   1 (4) 1,12   m  trong đó d n - đƣờng kính c a hạt mùn, m; -  h ,  m - kh i lƣợng riêng c a hạt mùn khoan và c a nƣ c rửa đã h a tr n v i mùn khoan, Hình 2. Sự ph thuộc vận tốc lắng đọng vào g/cm3 ; g =9,8 m/s2 – gia t c trọng trƣờng, m/s2. kích thước và khối lượng riêng của hạt mùn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 23
  3. Hình 4 mô tả m t s hình ảnh thành phần và kích thƣ c các hạt sỏi lấy lên từ các giếng khai thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích ở rời ở vùng Nhơn Trạch- Đồng Nai khi áp d ng công ngh khoan tuần hoàn nghịch ằng ơm erlift. Khi khoan trong tầng cát lẫn cu i sỏi, kích thƣ c các hạt nhỏ hơn 10 mm thƣờng ão h a trong nƣ c rửa hoặc ở trạng thái lơ lửng. Còn các hạt kích thƣ c l n hơn 10mm nhƣ cu i,sỏi thƣờng lắng đọng ở phía dƣ i. Mu n vận Hình 3. Sự ph thuộc vận tốc dòng nước rửa chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c l n 10 lên b mặt vào kích thước và khối lượng riêng mm cần lựa chọn lƣu lƣợng và vận t c d ng của hạt mùn nƣ c rửa t i đa mà ơm AP có thể đạt đƣợc. Hình 4. Hình ảnh và kích thước cuội sỏi lấy lên t các giếng khoan khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích bở rời ở Nhơn Trạch- Đồng Nai Chính vì vậy, trong quá trình khoan, cần phải Nếu vận t c d ng nƣ c rửa nhỏ hơn vận t c duy trì vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c lắng đọng thì hạt mùn có xu hƣ ng chuyển rửa trong c t cần khoan l n hơn vận t c lắng đ ng xu ng dƣ i (hình 5b); nếu vận t c dòng đọng c a các hạt mùn khoan có kích thƣ c và nƣ c rửa bằng vận t c lắng đọng c a hạt mùn kh i lƣợng riêng l n nhất. Nếu vận t c d ng thì hạt mùn ở trạng thái lơ lửng trong nƣ c chảy lên nhỏ sẽ dẫn t i lắng đọng và tích t ở đáy rửa (hình 5c). giếng hoặc tạo thành các nút, i tà trong cần khoan g y cản trở cho chuyển đ ng c a d ng hỗn hợp nƣ c rửa. Đ y là m t trong các nguyên nh n cơ ản làm giảm hi u quả khoan giếng. Kết quả nghiên cứu chuyển đ ng c a hạt mùn khoan trong d ng nƣ c rửa [8,9] cho thấy mu n đƣa hạt mùn khoan lên bề mặt, vận t c d ng nƣ c rửa phải l n hơn vận t c lắng đọng Hình 5. Sơ đồ quan hệ giữa vận tốc Vv c a hạt mùn trong d ng nƣ c rửa (hình 5a). và vận tốc u 24 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  4. a. Hạt mùn chuyển đ ng lên phía trên: V v và 3. GIẢI NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG c l n hơn u ; NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH b. Hạt mùn chuyển đ ng xu ng phía dƣ i: BẰNG BƠM AP CHO CÁC GIẾNG KHAI V v và c nhỏ hơn u THÁC NƢỚC NGẦM TRONG TRẦM c. Hạt mùn lơ lửng trong nƣ c rửa: V v và u TÍCH BỞ RỜI Cũng nhƣ công ngh khoan tuần thuận, hi u bằng nhau; quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch đƣợc đánh giá ởi các chỉ tiêu tiến đ khoan và chất lƣợng giếng khoan khai thác nƣ c ngầm. Tiến đ khoan và chất lƣợng giếng khoan không chỉ ph thu c tính chất cơ lý đá, địa tầng khoan qua mà c n ph thu c vào chế đ công ngh khoan, vào chất lƣợng nƣ c rửa, phƣơng pháp và chế đ ơm rửa nhƣ lƣu lƣợng nƣ c rửa,vận t c vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. Đặc điểm c a công ngh khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm là khoan các giếng đƣờng kính l n và yêu cầu hạn chế t i mức t i đa tầng chứa nƣ c ị nhiễm n, các khe nứt dẫn nƣ c không ị lấp nhét ởi mùn khoan,vỏ sét dung Hình 6.Mô phỏng sự chuyển động của các dich. Vì vậy khi khoan các giếng khoan khai hạt mùn khoan c kích thước và khối lượng thác nƣ c ngầm thƣờng đƣợc khuyến cáo sử ri ng khác nhau trong dòng nước rửa d ng nƣ c lã. Khi sử d ng nƣ c lã để rửa giếng khoan, vận t c cơ học trung ình khoan trong Các hạt mùn khoan trong nƣ c rửa có kích địa tầng trầm tích mềm, ởi rời tăng từ 23 đến thƣ c và kh i lƣợng riêng khác nhau, chúng sẽ 29,5 so v i công ngh khoan tuần hoàn thuận chuyển đ ng v i vận t c khác nhau; các hạt dùng dung dịch sét để rửa giếng khoan và lƣu mùn kích thƣ c nhỏ, kh i lƣợng riêng nhỏ sẽ lƣợng nƣ c trung ình m t giếng tăng từ 11 chuyển đ ng v i vận t c nhanh hơn các hạt mùn đến 39 [3,4]. có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng l n. Hình 6 Trong công ngh khoan tuần hoàn nghịch mô phỏng sự chuyển đ ng c a các hạt mùn ằng ơm AP, lƣu lƣợng nƣ c rửa chảy lên từ khoan có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng khác ên trong c t cần khoan ph thu c vào nhiều nhau trong d ng nƣ c rửa. Nếu lƣu lƣợng và yếu t , trong đó yếu t lƣu lƣợng khí truyền vào vận t c d ng nƣ c rửa không đ l n đ để vận uồng h a tr n khí (HTK), chiều s u nhấn chìm chuyển các hạt khoan kích thƣ c l n thì sẽ x y uồng HTK trong giếng khoan, đƣờng kính ra hi n tƣợng lắng đọng, vón c c,tạo nút trong trong c a c t cần khoan.. là các yếu t cơ ản. c t cần khoan, g y khó khăn cho d ng nƣ c rửa Vì vậy, vi c tính toán lƣu lƣợng nƣ c rửa hợp lý vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. Do đó, khi và lƣu lƣợng khí tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng tính toán lƣu lƣợng và vận t c d ng nƣ c rửa để ơm cần thiết theo yêu cầu rửa sạch và vận vận chuyển các hạt mùn khoan lên bề mặt cần chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác tính cho các hạt mùn có kích thƣ c và kh i nhau lên ề mặt nhằm m c đích n ng cao vận lƣợng riêng l n nhất. t c cơ học khoan và chất lƣợng giếng khai thác ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 25
  5. nƣ c ngầm là m t trong các i n pháp n ng cao Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c hi u quả khoan giếng. rửa ở ên trong c t cần khoan cần thỏa mãn Từ các kết quả nghiên cứu và thực tiễn [ điều ki n: 3,4,5,7,8,9] các chuyên gia thấy rằng để n ng V1  Vv  u (12) cao hi u quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch trong đó u – vận t c lắng đọng c a hạt mùn ằng ơm AP cho khoan các giếng đƣờng kính khoan (m/s) đƣợc xác định theo công thức (5); l n khai thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm Vv - vận t c c a dòng hỗn hợp nƣ c rửa chảy tích ở rời lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau lên bề mặt,m/s cần áp d ng m t s i n pháp đồng nhƣ sau : 2. Lựa chọn kích thƣ c c t cần khoan phù 1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm hợp v i điều ki n khoan, phù hợp v i lƣu lƣợng đƣờng kính l n 550 mm trong địa tầng trầm tích ơm rửa theo yêu cầu làm sạch đáy giếng và ở rời lẫn cu i sỏi, lƣu lƣợng ơm và lƣu lƣợng vận chuyển các hạt mùn khoan có kích thƣ c khí nén tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng ơm theo khác nhau lên ề mặt. yêu cầu rửa sạch đáy giếng và vận chuyển mùn Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm khoan lên ề mặt cần đƣợc tính theo phƣơng trong địa tầng đá trầm tích liên kết yếu, ở rời pháp sau [ 6,8,9]: lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau, đƣờng kính Lƣu lƣợng ơm AP xác định theo công thức: trong c a cần khoan đƣợc xác định từ công thức QAP  5,3D12,5 (8) (8,9) nhƣ sau : Lƣu lƣợng khí nén để n ng hỗn hợp nƣ c rửa 4(QAP  Qk ) Q  Qk D1   1,129 AP ( 13) lên ề mặt đƣợc xác định theo công thức sau: V1 V1 QK  5D12,5 1,5 (9) D1- đƣờng kính trong c a c t cần khoan,m. Trong đó: Q AP - lƣu lƣợng ơm c a ơm Đồng thời, đƣờng kính trong c a c t cần khoan AP,m3/s; QK - lƣu lƣợng khí tƣơng ứng v i lƣu cần phải thỏa mãn điều ki n sau: lƣợng ơm AP để n ng hỗn hợp nƣ c rửa lên ề D1  (1,5  2)d h (14) mặt, m3/s; D1 – đƣờng kính trong trong c a c t Kinh nghi m thực tế cho thấy vận t c chảy cần khoan, m;  - h s nhấn chìm uồng h a lên c a d ng hỗn hợp nƣ c rửa trong c t cần tr n khí (HTK) đƣợc xác định theo công thức: khoan khi khoan trong các địa tầng trầm tích ở h h rời, liên kết yếu có lẫn sỏi cu i cần đạt t i giá trị   (10) h0  h H từ 6-8 m/s. [2,4,6,8]. ho- chiều cao n ng c t hỗn hợp nƣ c rửa tính Đƣờng kính trong c a ng dẫn khí đƣợc tính từ mực nƣ c đ ng t i mi ng ng n ng, m; h - theo công thức: chiều s u nhấn chìm uồng h a tr n so v i mực 4QK Q d1   1,129 K ( 15) nƣ c đ ng, m; H= ho+ h- chiều cao n ng c t V2 V2 hỗn hợp nƣ c rửa tính từ uồng HTK đến mi ng V2 - vận t c d ng khí, m/s; theo kinh nghi m ng n ng. thực tế, khi tính toán đƣờng kính ng dẫn khí Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c cần đảm ảo V2 nhỏ hơn 10 m/s , nêu l n hơn sẽ rửa ở ên trong c t cần khoan đƣợc xác định x y ra hi n tƣợng trƣợt khí khi n ng c t hỗn nhƣ sau: hợp nƣ c rửa lên ề mặt [ 8,9]. Q Q V1  1, 27 AP 2 K ( 11) 3. Sử d ng nƣ c lã để rửa giếng khoan nhằm D1 m c đích hạn chế tầng chứa nƣ c ị nhiễm n, Trong đó: V1 - vận t c chảy lên c a d ng hỗn các khe nứt dẫn nƣ c không ị lấp nhét ởi mùn hợp nƣ c rửa ở ên trong c t cần khoan, m/s; khoan,v.v.. để tăng khả năng thu hồi nƣ c. 26 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018
  6. 4. Tăng khả năng phá h y và nghiền đất đá ở TÀI LIỆU THAM KHẢO đáy giếng để tạo các hạt mùn khoan kích thƣ c 1. Báo cáo kết quả khoan thăm d kết hợp nhỏ ằng cách sử d ng cho ng khoan có đặc khai thác nƣ c dƣ i đất khu CN Nhơn Trạch 5 tính kỹ thuật phù hợp v i tính chất đất đá, kết tại huy n Nhơn Trạch-tỉnh Đồng Nai. Vi n hợp v i áp d ng chế đ công ngh khoan hợp lý Công ngh Khoan-2015. để tăng vận t c khoan và chất lƣợng giếng. 2. Báo cáo kết quả hoàn công giếng. Công Các giải pháp nêu trên là các giải pháp cơ trình: Nhà máy nƣ c ngầm Tuy Hạ, công suất ản để n ng cao hi u quả công ngh khoan tu n 22.000 m3/ng-đêm; KCN Nhơn Trạch 1- Huy n. hoàn nghịch ằng ơm AP cho các giếng khai Nhơn Trạch – Tỉnh. Đồng Nai-2015. thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết 3. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Duy Tuấn, yếu ở rời, lẫn cu i sỏi.. Nguyễn Thế Vinh; nghiên cứu công ngh khoan tuần hoàn nghịch bằng ơm Erlift để khoan các KẾT LUẬN giếng khai thác nƣ c ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Từ các kết quả nghiên cứu ở trên ta có thể rút Nai. Tạp chí Địa Kỹ thuật s 2-2016; tr.3-8. ra m t s kết luận cơ ản nhƣ sau: 4. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xu n Thảo. 1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm Kết quả áp d ng công ngh khoan tuần hoàn trong trầm tích liên kết yếu bở rời lẫn cu i sỏi...; ngƣợc trong các giếng khai thác nƣ c dƣ i đất ở mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ thƣờng lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau đã g y thuật Mỏ- Địa chất s 54/04-2016, tr. 62-65. khó khăn phức tạp cho vi c rửa sạch giếng 5. Douglas Joseph Reinemann , A theoretical and experimental study of airlift pumping and khoan làm ảnh hƣởng t i hi u quả khoan và aeration with reference to aquacultural; A thesis chất lƣợng giếng. Cornell University 1987. 2. Để tăng khả năng rửa sạch giếng và vận 6. Drilling technique manual, Wirth chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; nhau lên ề mặt cần phải áp d ng m t s i n Germal-1981 pháp sau : a/ tính toán lƣu lƣợng ơm và lƣu 7.Ground Water Manual. U.S. Department of lƣợng khí nén tƣơng ứng đảm ảo rửa sạch đáy Inferior- Washington,1980. giếng và vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. b/ 8. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation lựa chọn kích thƣ c d ng khoan, kích thƣ c Drilling Technique in Water Well Construction. Institute of Exploration Techniques. China c t cần khoan phù hợp v i điều ki n khoan, phù Academy of Geosciences, Beijing 2004. hợp v i lƣu lƣợng ơm rửa theo yêu cầu để làm 9. Башкатов Д.Н; Драхлис С.Л.и др. sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn Специальные работы при бурении и khoan có kích thƣ c khác nhau lên ề mặt. оборудовании скважин на иоду. М. Недра- 1988. Người phản biện: GS.TS TRƢƠNG BIÊN ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018 27
nguon tai.lieu . vn