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