Xem mẫu

  1. 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 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. 1. CÔNG NGHỆ KHOAN LÀ YẾU TỐ dịch sét để giữ thành giếng khoan. CHÍNH GÂY SUY THOÁI NHANH GIẾNG - Từ 1962 đến nay sử dụng đồng thời 2 KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM Ở phƣơng pháp khoan đập cáp và khoan xoay VÙNG HÀ NỘI * tuần hoàn thuận với dung dịch sét giữ thành 1.1. Công nghệ khoan giếng khai thác giếng khoan. nƣớc ngầm ở Hà Nội qua các thời kỳ 1.2. Tuổi thọ của giếng khoan đƣợc thi Trong hơn 1 thế kỷ khai thác nƣớc ngầm công qua các thời kỳ ở Hà Nội chứa trong tầng chứa nƣớc cát cuội sỏi Trƣớc khi nhà máy nƣớc Sông Đà đi vào Pleistocen (đƣợc các nhà ĐCTV gọi là tầng hoạt động (năm 2009), thì nƣớc ngầm chứa chứa nƣớc qp) bằng các giếng khoan đƣờng trong tầng cát cuội sỏi nằm ở độ sâu từ 30- kính lớn đƣợc thi công với các công nghệ khoan 40m đến 70-80m là nguồn nƣớc duy nhất đáp khác nhau qua các thời kỳ. ứng mọi nhu cầu cấp nƣớc sạch cho Thủ đô. - Trƣớc năm 1954, ngƣời Pháp đã sử dụng Nguồn nƣớc ngầm của Hà Nội đƣợc ngƣời phƣơng pháp khoan dộng trong ống chống, Pháp đƣa vào khai thác từ đầu thế kỷ 20 và dùng ống chống để giữ thành giếng khoan, đƣợc bắt đầu ở nhà máy nƣớc Yên Phụ nằm - Từ năm 1954 đến 1962 sử dụng phƣơng bên bờ sông Hồng bằng những giếng khoan. pháp khoan đập cáp bằng máy khoan YKC-22 Lƣợng khai thác nƣớc ngầm ngày càng tăng và YKC-30 của Liên Xô (cũ) viện trợ dùng mai theo sự phát triển của Thành phố. Thành phố chữ nhất (-) để phá vỡ cuội sỏi và dùng dung phát triển đến đâu, thì các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm cũng đƣợc phát triển đến đó. * Viện Công nghệ Khoan ** Bắt đầu là ở Yên Phụ (1929) rồi lan sang Đồn Viện Địa chất, Nước và Môi trường ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 49
  2. Thủy (1931) đều nằm bên bờ sông Hồng, tiếp đã bị suy giảm mất 10%, do các giếng khoan đến là Ngọc Hà (1939), Ngô Sĩ Liên (1943) bị suy thoái nhanh và mạnh. v.v. Đến nay, trên địa phận TP. Hà Nội đã có Năm 1983, trƣớc khi có Chƣơng trình cấp 15 nhà máy nƣớc với khoảng hơn 300 giếng nƣớc Phần Lan, Công ty cấp nƣớc Hà Nội (Công khoan đƣờng kính lớn, hàng ngày khai thác ty nƣớc sạch Hà Nội hiện nay) đã có thống kê khoảng 700.000 m3/ngày, đáp ứng mọi nhu chƣa đầy đủ về hiện trạng thanh lý (tuổi thọ) của cầu cấp nƣớc sạch của Thủ đô, nhƣng hàng 20 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm thuộc 7 nhà năm tổng công suất cấp nƣơc của Thành phố máy nƣớc vùng nội thành (bảng 1) Bảng 1: Hiện trạng thanh lý các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm Hà Nội Số hiệu Năm đƣa vào Tuổi thọ STT Nhà máy nƣớc Năm thanh lý giếng khai thác (năm) 1 1 1929 1980 51 2 2 1929 1980 51 3 3 1929 1978 49 4 Yên Phụ 4 1929 1980 51 5 5 1929 1960 31 6 6 1929 1978 49 7 8 1929 1978 49 8 Đồn Thủy 1 1931 1980 49 9 2 1931 1980 49 10 Ngọc Hà 1 1939 1970 31 11 1 1944 1982 28 12 3 1958 1961 3 13 Ngô Sĩ Liên 4 1958 1961 3 14 5 1962 1982 20 15 7 1969 1975 6 16 Lƣơng Yên 1 1953 1970 17 17 1 1962 1980 18 18 Tƣơng Mai 4 1962 1982 19 19 5 1963 1980 17 20 Hạ Đình 2 1965 1975 10 Từ bảng 1 cho thấy: các giếng khoan đƣợc Ngô Sĩ Liên: 02 giếng số 3 và 4 chỉ tồn tại 3 thi công thời Pháp thuộc (trƣớc năm 1954) có năm (1958-1961) và giếng số 6 tồn tại 6 năm tuổi thọ cao, từ 49-51 năm, ít nhất cũng là 17- (1969-1975). Gần đây nhất là các giếng của 28 năm; còn các giếng khoan đƣợc thi công nhà máy nƣớc Nam Dƣ ở quận Hoàng Mai sau năm 1954, thì tuổi thọ cao nhất cũng chỉ là đƣợc bố trí theo dạng hành lang dọc bờ sông 17-19 năm, trung bình 10 năm và ít nhất chỉ Hồng mới đƣợc thi công vào cuối những năm có 3-6 năm, nhƣ các giếng của nhà máy nƣớc 90 của thế kỷ trƣớc và đầu những năm 2000, 50 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018
  3. nhƣng đến nay đã phải phục hồi lại hàng loạt 2. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN bằng công nghệ “thay thế tầng lọc” của TS. TUẦN HOÀN NGHỊCH ĐỂ TĂNG TUỔI Hoàng Văn Hƣng, có nghĩa là tuổi thọ của THỌ VÀ CÔNG SUẤT CỦA CÁC GIẾNG chúng cũng không quá 20 năm. KHOAN KHAI THÁC NƢỚC NGẦM 1.3. Nguyên nhân gây suy thoái nhanh VÙNG HÀ NỘI giếng khoan khai thác nƣớc ngầm vùng 2.1. Đặt vấn đề Hà Nội Ở Việt Nam từ trƣớc tới nay, để khoan các Sự ổn định trong hoạt động của 1 giếng giếng khoan khai thác nƣớc ngầm đều chỉ sử khoan đƣợc xác định bằng 2 đại lƣợng: lƣu dụng 2 công nghệ khoan truyền thống là khoan lƣợng nƣớc bơm lên và trị số hạ thấp mực đập cáp và khoan xoay. nƣớc trong giếng khoan và đƣợc biểu thị Trong công nghệ khoan xoay, dựa vào chiều bằng tỷ lƣu lƣợng của giếng khoan là tỷ số (hƣớng) tuần hoàn (di chuyển) của dung dịch giữa lƣu lƣợng và độ hạ thấp mực nƣớc của khoan và mùn khoan trong cần khoan và giếng giếng khoan. Tỷ lƣu lƣợng của giếng khoan khoan lại chia ra làm 2 loại công nghệ khoan càng giảm, thì độ suy thoái của giếng khoan xoay khác nhau là khoan tuần hoàn thuận và càng tăng, tức là tuổi thọ của giếng khoan khoan tuần hoàn nghịch. Ở Việt Nam, từ trƣớc càng giảm. Từ bảng 1 trình bày về tuổi thọ đến nay chỉ sử dụng công nghệ khoan tuần hoàn của các giếng khoan đƣợc thi công qua các thuận để khoan các giếng khoan khai thác nƣớc thời kỳ cho thấy: ngầm cả trong đá gốc gắn kết lẫn trong đá gốc - Các giếng khoan đƣợc thi công trƣớc nứt nẻ và trong các trầm tích bở rời; còn khoan năm 1954 có tuổi thọ rất lâu, từ 49-51 năm, xoay tuần hoàn nghịch chỉ mới đƣợc nghiên cứu ít nhất cũng là 17-28 năm do đƣợc thi công ứng dụng trong những năm gần đây, nhƣng đã bằng công nghệ khoan dộng trong ống chống đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao, cần sử dụng ống chống để giữ thành giếng phải đƣợc áp dụng rộng rãi. khoan, nên độ thấm của tầng chứa nƣớc 2.2. Nguyên lý vận hành của công nghệ đƣợc giữ nguyên, dẫn đến tuổi thọ của giếng khoan tuần hoàn nghịch khoan rất dài. Sự khác biệt giữa công nghệ khoan tuần hoàn - Các giếng khoan đƣợc thi công sau năm nghịch so với tuần hoàn thuận ở nguyên lý tuần 1954 có tuổi thọ cao nhất cũng chỉ 17-19 hoàn (di chuyển) của dung dịch khoan, mùn năm, trung bình chỉ có 10 năm, thậm chí có khoan trong cần khoan và giếng khoan. Trong những giếng khoan chỉ tồn tại 3-6 năm do công nghệ khoan tuần hoàn nghịch, thì nƣớc và chúng đều đƣợc thi công bằng 2 công nghệ dung dịch đƣợc cấp từ miệng giếng khoan đi khoan đập cáp và khoan xoay tuần hoàn xuống đáy giếng khoan, sau đó cùng mùn khoan thuận là những công nghệ đã làm chặt tầng đƣợc máy bơm (ly tâm, chân không, nén khí..) chứa nƣớc ở các mức độ khác nhau và sử hút và đi bên trong cần khoan để đƣa lên trên dụng dung dịch sét để giữ thành giếng mặt đất, tức là theo chiều ngƣợc lại so với công khoan, nên đã làm bít trát tầng chứa nƣớc, nghệ khoan tuần hoàn thuận. làm cho tuổi thọ của giếng khoan suy giảm Hai yếu tố quan trọng nhất của phƣơng pháp nhanh, tức là độ suy thoái của giếng khoan duy trì nƣớc rửa tuần hoàn nghịch trong giếng khai thác nƣớc ngầm tăng nhanh. khoan bằng khí nén là lƣu lƣợng khí nén để vận Vậy công nghệ khoan là yếu tố (nguyên chuyển mùn khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt nhân) chính gây suy thoái giếng khoan khai đất và hệ số ngập của buồng phối khí trong thác nƣớc ngầm ở vùng Hà Nội. giếng khoan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 51
  4. - Lưu lượng khí cần thiết để vận chuyển mùn - Hiệu suất vận chuyển, lấy bằng 3 khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt đất đƣợc xác Kết quả thực hiện cho thấy thay đổi phụ định theo công thức: thuộc vào tốc độ dòng khí nén. Giá trị nhỏ nhất khi tốc độ dòng khí bằng 1m/s. - Hệ số ngập của buồng phối khí đƣợc xác Trong đó: định bằng công thức - Lƣu lƣợng khí cần thiết để vận chuyển mùn khoan và dòng nƣớc rửa lên mặt đất. - Lƣu lƣợng dòng nƣớc rửa vận chuyển Trong đó: lên mặt đất (m3/s). - hE- chiều sâu ngập của buồng phối khí tính - Áp suất trong giếng khoan tạo chiều sâu từ mực nƣớc thủy tĩnh, m. đặt buồng phối khí – Mpa - H= hE + ho - Tổng chiều cao đẩy cột nƣớc – Áp suất khí quyển (áp suất không khí tính từ chiều sâu đặt buồng phối khí – m tại miệng giếng khoan) – Mpa Hình 1. Sơ đồ duy trì nước rửa tuần hoàn ngược bằng khí nén h0- chiều cao đẩy cột nƣớc tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m; hE- chiều sâu ngập của buồng phối khí tính từ mực nƣớc thủy tĩnh, m. hU- chiều sâu còn lại của lỗ khoan. 52 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018
  5. Từ hình 1 cho thấy, khí nén từ máy nén khí thuận và thành giếng khoan đƣợc giữ bằng áp theo tyô 9 và ống dẫn khí 10 hàn gắn kết với cần lực cột nƣớc từ mặt đất (miệng giếng), không khoan xuống buồng phối khí 2. Khi khí nén vào làm chặt tầng chứa nƣớc nhƣ phƣơng pháp buồng 2 sẽ tạo lên sự chênh áp và dƣới tác dụng khoan đập cáp và ít bị bít trát thành giếng của áp suất khí nén, nƣớc rửa và mùn khoan khoan, nên ít làm ảnh hƣởng đến đặc tính thấm đƣợc vận chuyển lên phía trên đi ra ngoài. của tầng chứa nƣớc. Vì vậy công suất cấp nƣớc 2.3. Tính ƣu việt của công nghệ khoan của giếng khoan ổn định hơn, ít bị suy giảm hơn xoay tuần hoàn nghịch (xem hình 2). 2.4. Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch trong khoan giếng khai thác nƣớc ngầm ở 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, đều là những trầm tích bở rời tuổi Pliocen (N2) dày 70-80m gồm: + Trên cùng là những trầm tích hạt mịn gồm: cát sét, sét cát, cát, đôi nơi có lẫn ít sạn sỏi; phần trên bị phong hóa mạnh, màu loang lổ chứa nhiều hạt sạn sỏi laterit màu nâu gụ, gần tƣơng tự nhƣ các trầm tích Holocen thuộc 2 hệ tầng Thái Bình và Hải Hƣng của vùng Hà Nội. + Tiếp theo phía dƣới là lớp sét bột cách Hình 2. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc nƣớc phân bố trên toàn bộ diện tích vùng Nhơn của công nghệ khoan tuần hoàn nghịch Trạch. Đây chính là tầng cách nƣớc, gần tƣơng bằng khí nén tự nhƣ tầng sét thuộc hệ tầng Vĩnh Phú của 1- ống nâng; vùng Hà Nội. 2- ống dẫn khí; + Dƣới là tầng chứa nƣớc với thành phần là 3-buồng phối khí; cát lẫn sạn sỏi tuổi Pliocen dầy 36-60m; gần 4- ống hút tƣơng tự nhƣ tầng cát cuội sỏi tuổi Pleistocen thuộc hệ tầng Hà Nội - là tầng chứa nƣớc chính Trong công nghệ khoan xoay tuần hoàn qp để kết cấu ống lọc của các giếng khoan khai nghịch thì phƣơng pháp duy trì nƣớc rửa tuần thác nƣớc ngầm từ hơn 1 thế kỷ nay đáp ứng các hoàn ngƣợc bằng khí nén có ƣu điểm vƣợt trội, nhu cầu cấp nƣớc của TP. Hà Nội. do các thành phần đƣợc đẩy lên mặt đất từ giếng - Điều kiện địa chất thủy văn vùng Nhơn Trạch. khoan gồm khí, nƣớc và mùn khoan (dòng ba Kết quả quan trắc và thống kê từ 38 giếng pha) không tác động trực tiếp đến thành giếng khoan ở vùng Nhơn Trạch cho thấy: lƣu lƣợng khoan nhƣ phƣơng pháp khoan xoay tuần hoàn (công suất) đạt từ 3-19 l/s, hệ số dẫn nƣớc Km ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 53
  6. đạt 300-720m2/ngày, mực nƣớc tĩnh nằm ở độ - Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: sâu 5-20m, hàng năm dao động 17-19m. 2500-3000N. b, Máy móc thiết bị sử dụng cho công nghệ - Tốc độ vòng quay: 25-30 vòng/phút. khoan tuần hoàn nghịch. - Áp suất khí nén: 0,5-0,6 Mpa. - Máy khoan: Dùng bộ máy khoan УРБ- - Sử dụng dung dịch sét để giữ thành giếng ЗАМ-500 đã đƣợc cải tiến để khoan các giếng khoan với các thông số cơ bản nhƣ sau: trọng khoan khai thác nƣớc ngầm bằng công nghệ lƣợng riêng:1,05 - 1,1 g/cm3, độ nhớt biểu kiến khoan tuần hoàn nghịch. 22-24s, độ thải nƣớc: 8-10cm3/30ph. - Dụng cụ khoan: Bộ cần khoan đƣờng kính Sau khi khoan đến độ sâu thiết kế, các giếng ngoài 127mm, dày 9mm, dài 3,0m có hàn ống khoan đƣợc kết cấu và lắp đặt theo quy trình dẫn khí nén CS 33x27mm. tƣơng tự nhƣ kiểu các giếng khoan thi công - Chòong khoan: Loại 3 cánh đƣờng kính bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn thuận 650mm và 550mm. (xem hình 3). - Máy nén khí: Hiệu PDS -750. d, Hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ c, Áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn khoan xoay tuần hoàn nghịch để khoan các nghịch ở Nhơn Trạch. giếng khoan khai thác nước ngầm ở vùng Trƣớc khi khoan giếng khai thác tại mỗi vị trí Nhơn Trạch. giếng khoan đều khoan 1 hố khoan thăm dò Ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai bằng công đƣờng kính 120mm, sâu 80m để xác định địa nghệ khoan xoay tuần hoàn nghich đã khoan tầng phục vụ cho thiết kế giếng khoan khai thác. tổng cộng 16 giếng khoan khai thác nƣớc ngầm. Theo yêu cầu của thiết kế, các giếng khoan khai Kết quả thực tế cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thác đều đƣợc khoan đƣờng kính 550mm đến độ thuật đều đạt giá trị cao hơn các giếng khoan sâu 78m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn cùng thời bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch với chế độ khoan nhƣ sau: thuận (xem bảng 2). Bảng 2. So sánh kết quả khoan các giếng khoan khai thác nƣớc ngầm bằng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch và thuận ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai Tỷ lệ so sánh so với Công nghệ khoan Công nghệ khoan STT Chỉ tiêu so sánh công nghệ khoan tuần tuần hoàn thuận tuần hoàn nghịch hoàn thuận 1 Thời gian khoan 1 67,8 55,3 Giảm 18% giếng (h/giếng) 2 Tiến độ khoan 1,12 1,45 Tăng 23% trung bình (m/h) 3 Lƣu lƣợng khai 93 105 Tăng 11% 3 thác giếng (m /h) 54 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018
  7. Hình 3. Cấu trúc địa tầng và giếng khoan khai thác nước dưới đất ở Nhơn Trạch- Đồng Nai khi khoan bằng phương pháp duy trì nước rửa tuần hoàn ngược bằng khí nén. KẾT LUẬN nƣớc ngầm ở vùng Hà Nội. 1. Công nghệ khoan đập cáp và khoan xoay 2. Với kết quả khoan 16 giếng khoan khai tuần hoàn thuận là những công nghệ đã làm chặt thác nƣớc ngầm ở vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai tầng chứa nƣớc ở các mức độ khác nhau và sử đã cho thấy tính ƣu việt vƣợt trội của công nghệ dụng dung dịch sét để giữ thành giếng khoan đã khoan tuần hoàn nghịch so với tuần hoàn thuận bít trát tầng chứa nƣớc là những yếu tố chính cả về tiến độ khoan (1 giờ và 1 giếng) và công gây suy thoái nhanh các giếng khoan khai thác suất khai thác nƣớc ngầm của giếng khoan. ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018 55
  8. 3. Với điều kiện địa tầng và địa chất thủy văn ngầm khu vực Nam bộ - Tiểu luận - 2017. của 2 vùng Nhơn Trạch - Đồng Nai và vùng Hà 3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Văn Túc - Nội gần tƣơng tự nhau gồm: địa tầng cần khoan Vấn đề suy thoái các giếng khoan khai thác qua đều là các trầm tích bở rời, thành phần nƣớc ngầm vùng Hà Nội - Tạp chí Tài nguyên thạch học của tầng chứa nƣớc đều là các trầm nƣớc số 1 - năm 2018. tích hạt thô (cát sạn sỏi ở Nhơn Trạch và cát 4. Nguyễn Văn Túc - Nƣớc ngầm vùng cuội sỏi ở Hà Nội), chiều sâu của các giếng đồng bằng Bắc bộ miền bắc Việt Nam và triển khoan đều không quá 80m, thì việc ứng dụng vọng cho cung cấp nƣớc lớn - Luận án tiến sĩ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch để khoan các năm 1971. giếng khoan khai thác nƣớc ngầm ở vùng Hà 5. Nguyễn Văn Túc và nnk - Báo cáo kết quả Nội chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả kỹ thuật và thăm dò địa chất thủy văn giai đoạn thăm dò - kinh tế cao, các giếng khoan khai thác nƣớc khai thác để mở rộng và nâng công suất 3 nhà ngầm sẽ hoạt động ổn định hơn, lâu dài hơn và máy nƣớc thuộc giai đoạn II Chƣơng trình cấp chậm bị suy thoái hơn. nƣớc Hà Nội - Phần Lan: Mai Dịch - 60.000 m3/ngày; Ngọc Hà: 45.000 m3/ngày và Lƣơng TÀI LIỆU THAM KHẢO Yên: 45.000 m3/ngày - năm 1991 6. Nguyễn Văn Túc - Trữ lƣợng nƣớc ngầm 1. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo – vùng Hà Nội và giải pháp cấp nƣớc cho Thủ đô. Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn Tờ trình gửi Chủ tịch UBND TP. Hà Nội, Bộ nghịch trong khoan khai thác nƣớc dƣới đất ở trƣởng Bộ xây dựng và Bộ trƣởng Bộ Tài Nhơn Trạch, Đồng Nai - Tạp chí KHKT Mỏ - nguyên và Môi trƣờng - năm 2011. Địa chất, số 54, 4/2016 (chuyên đề Khoan - 7. Phan Vĩnh Cẩn - Ứng dụng phƣơng pháp Khai thác). nổ mìn trong giếng khoan để phục hồi công suất 2. Nguyễn Duy Tuấn - Nghiên cứu ứng dụng khai thác nƣớc ngầm các giếng khoan vùng Hà công nghệ khoan tuần hoàn nghịch nâng cao Nội - 1988. công suất và tuổi thọ các giếng khai thác nƣớc Người phản biện: NGND.PGS.TS TRƢƠNG BIÊN 56 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2018