Nghiên cứu phát triển hệ dung dịch khoan, ứng dụng trong xây dựng khoan cọc nhồi

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
LỜI CÁM ƠN
Sau một thời gian học tập và nghiên cứu với sự giúp đỡ nhiệt tình của các
thầy cô giáo và các bạn cùng nỗ lực cố gắng bản thân, đồ án tốt nghiệp của em đã
được hoàn thành.
En xin chân thành cám ơn các thầy cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học, đặc biệt
là các thầy cô và các bạn trong Bộ môn Công nghệ Hữu Cơ – Hóa Dầu đã tận tình
dạy dỗ, bồi dưỡng tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt thời gian làm đồ án tốt
nghiệp vừa qua.
Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Vương Thanh Huyền, người đã
hết lòng hướng dẫn, chỉ bảo trong thời gian em thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Do thời gian làm đồ án có hạn, điều kiện nghiên cứu còn thiếu thốn và cũng
lần đầu tiên em thực sự bắt tay vào thực hiện một đề tài nghiên cứu khoa học nên
không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Em rất mong nhận được những đóng
góp từ các thầy cô giáo và các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 30 tháng 5 năm 2013
Sinh viên
Nguyễn Hữu Hà

Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
MỞ ĐẦU
Sự phát triển của công nghệ khoan, khai thác luôn kéo theo sự phát triển
không ngừng của các hệ dung dịch khoan nhằm rút ngắn thời gian thi công, ổn
định thành giếng khoan và đảm bảo an toàn vỉa sản phẩm. Các hệ dung dịch khoan
có thể được chia ra làm 3 loại chính: dung dịch khoan gốc nước, dung dịch gốc
dầu/gốc tổng hợp và dung dịch khoan dạng bọt/khí. Dung dịch khoan gốc dầu/gốc
tổng hợp có tính ức chế trương nở sét tốt nhất, nhưng giá thành cao và thường gây
ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường nên ứng dụng bị hạn chế, đặc biệt ở những nước
có yêu cầu khắt khe về môi trường hoặc không có phương tiện thu hồi mùn khoan.

Hệ dung dịch dạng bọt/khí rất hiếm khi được triển khai và khó khăn trong việc xử
lý; công nghệ pha trộn khí vào dung dịch khoan và thiết bị bơm dung dịch khí phức
tạp, giá thành cao. Dung dịch khoan gốc nước luôn là ưu tiên hàng đầu khi tiến
hành khoan thăm dò, thẩm lượng và khai thác dầu khí. Chúng ta đang tập trung
nghiên cứu phát triển hệ dung dịch khoan gốc nước có tính ức chế cao, bền nhiệt,
dễ pha chế và thân thiện với môi trường để từng bước đưa tính ức chế sét của hệ
gốc nước tiệm cận với tính năng ức chế sét của các hệ gốc dầu .
Qua quá trình tìm hiểu, thì sét là thành phần quan trọng nhất của dung dịch
khoan, thành phần sét ở đây được biết đến là Bentonite .Bentonit là loại khoáng sét
tự nhiên, thuộc nhóm smectit gồm montmorilonit và một số khoáng khác. Bentonit
có các tính chất đặc trưng là trương nở, kết dính, hấp phụ, trơ, nhớt và dẻo. Do
những tính chất này mà bentonit được ứng dụng từ xa xưa như làm đồ gia dụng
(bát đĩa, nồi, chum, vại…) và ngày nay được sử dụng làm chất xúc tác ,chất tạo
huyền phù trong sơn, thuốc nhuộm, vecni, làm chất hấp phụ trong xử lý nước thải,
khử giấy, mực, làm chất đầu chế tạo nanocompozit…
Đặc biệt trong xây dựng, Bentonit được biết với nhiều đặc tính quý được sử
dụng rộng rãi trong công nghệ khoan, xây dựng. Bentonit có tác dụng giữ ổn định
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
kích thước của lỗ khoan và vết cắt, hạn chế tình trạng sạt lở thành hố khoan trong
quá trình thi công và hạ lồng thép, đổ bê tông nâng cao hiệu quả sản xuất .
Để đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu về bentonit và điều chế sét
hữu cơ từ bentonit ở Việt Nam, trong luận văn này em xin trình bày các kết quả
khảo sát quá trình điều chế sét dung dịch khoan từ bentonit Cổ Định .Với mong
muốn tiếp cận hướng nghiên cứu trong lĩnh vực mới này nhằm tạo ra dung dịch
khoan gốc nước có tính chất ưu việt, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu phát triển hệ
dung dịch khoan, ứng dụng trong xây dựng khoan cọc nhồi” làm luận văn tốt
nghiệp đại học.
Mục tiêu của đề tài:
- Nghiên cứu xác định các điều kiện phản ứng để nâng cao các chỉ tiêu của

bentonit từ 4 loại bentonite tại các vị trí khác nhau của mỏ bentonite Cổ Định, sau
đó chọn loại bentonite tốt nhất để điều chế dung dịch khoan.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
PHẦN I. TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KHOÁNG SÉT VIỆT NAM
1.1. Giới thiệu về khoáng sét Việt Nam :
Bentonite chủ yếu được hình thành từ sự phân hủy dung nham,tro bụi của núi
lửa qua hàng triệu năm. Bentonite là một loại khoáng sét cực mịn, có tính keo cao,
trương phồng mạnh trong nước,được phát hiện vào khoảng năm 1898 bởi Wilbur
C.Knight người Mĩ. Tên của nó được đặt theo tên của thành phố Fort Benton thuộc
tiểu bang Wyoming, Hoa Kì, nơi đầu tiên phát hiện ra Bentonite. Nhờ những thuộc
tính ưu việt được phát hiện. Bentonite ngày được ứng dụng ngày càng nhiều vào đời
sống, sản xuất, trong xây dựng, khai thác mỏ, sản xuất thực phẩm, các ứng dụng trong
nông nghiệp, cũng như dùng pha chế dung dịch khoan,
1.1.1. Cấu tạo bentonit
Bentonit là loại khoáng sét tự nhiên thành phần chính là montmorilonit (MMT) vì
vậy nó còn có tên là MMT. Công thức đơn giản nhất của MMT là Al
2
O
3
.4SiO
2
.nH
2
O ứng
với nửa tế bào đơn vị cấu trúc. Trong trường hợp lí tưởng, công thức của MMT là
Si
8
Al

4
O
20
(OH)
4
ứng với một đơn vị cấu trúc. Tuy nhiên thành phần của MMT luôn khác
với thành phần biểu diễn lý thuyết do có sự thay thế đồng hình của ion kim loại Al
3+
, Fe
3+
,
Fe
2+
, Mg
2+
… với ion Si
4+
trong tứ diện SiO
4
và Al
3+
trong bát diện AlO
6
. Như vậy thành
phần hóa học của MMT ngoài sự có mặt của Si và Al còn thấy các nguyên tố khác như
Fe, Zn, Mg, Na, K… trong đó tỷ lệ Al
2
O
3
: SiO

2
từ 1: 2 đến 1: 4 .
Ngoài thành phần chính là MMT, trong bentonit còn chứa một số khoáng sét khác
như hectorit, saponit, beidelit, nontronit,… và một số khoáng phi sét như canxit, pirit,
manhetit, một số muối kim loại kiềm khác và hợp chất hữu cơ.
1.1.2 Cấu trúc của bentonit
Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorilonit được trình bày trên hình 1.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1.1. Cấu trúc không gian mạng lưới của montmorilonit
Trong trường hợp lý tưởng, các nguyên tử Si nằm ở tâm của các tứ diện, còn các
nguyên tử Al nằm ở tâm các bát diện của MMT. Do MMT có cấu trúc 2:1 dạng diocta
nên cấu trúc lớp của MMT đã được hình thành từ hai lá tứ diện liên kết với một lá bát
diện ở giữa tạo nên một lớp aluminosilicat. Giữa các lớp aluminosilicat là các cation có
khả năng trao đổi bị hydrat hóa. Khoảng cách giữa các lớp trong cấu trúc cơ bản của
MMT là 9,6Å, khoảng cách này bị thay đổi ít hay nhiều tùy thuộc vào số lượng, bản chất
các cation trao đổi và lượng nước bị hấp phụ, thường có thể đến 15Å.
Sơ đồ cấu trúc không gian mạng lưới của MMT ở hình 1.1 là cấu trúc trung hòa
điện. Nếu Si
4+
ở tâm tứ diện hay Al
3+
ở tâm bát diện bị thay thế đồng hình bởi các cation
dương có điện tích nhỏ hơn thì các mạng lưới đó tích điện âm. Điện tích âm của mạng
lưới sẽ được bù trừ bằng các cation mang điện tích dương như Na
+
, K
+
, Ca
2+

, Fe
2+
, Mg
2+

ở khoảng không gian giữa các lớp. Các cation này có khả năng trao đổi với các cation kim
loại hoặc cation hữu cơ khác. Như vậy dung lượng trao đổi cation của MMT tương đương
với điện tích của các lớp.
1.1.3. Tính chất của bentonit
1.1.3.1. Tính chất trao đổi ion
Đặc trưng cơ bản của bentonit là khả năng trao đổi ion do trên bề mặt của các lớp
sét có các trung tâm (O, OH) mang điện tích âm có khả năng hấp phụ và trao đổi cation.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Đồng thời, tính chất đó có được là do sự thay thế đồng hình của các cation. Ví dụ như khi
Si
4+
trong mạng tứ diện bị thay thế bởi Al
3+
hoặc Fe
3+
, hoặc Al
3+
trong mạng bát diện bị
thay thế bởi Mg
2+
, Fe
3+
, Cr
3+

, Zn
2+
, thì sự thay thế các ion điện tích cao này bằng các ion
điện tích thấp hơn sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tích dương trong cấu trúc tứ diện và bát
diện tạo ra điện tích âm trên bề mặt phiến sét.
Đối với bentonit, sự thay thế đồng hình chủ yếu xảy ra trong lớp bát diện, ở giữa hai
lớp tứ diện của phiến sét. Do đó liên kết của cation với bề mặt lớp sét là liên kết yếu và
các cation đó có thể bị thay thế bởi các cation khác. Khả năng trao đổi mạnh hay yếu phụ
thuộc vào lượng điện tích âm bề mặt và số lượng ion trao đổi. Nếu số lượng điện tích âm
càng lớn, số lượng cation trao đổi càng lớn thì dung lượng trao đổi càng lớn.
Khả năng trao đổi ion của lớp aluminosilicat còn phụ thuộc vào điện tích và bán
kính ion của cation trao đổi. Cation có điện tích thấp dễ trao đổi hơn cation có điện tích
cao:
Me
+
> Me
2+
> Me
3+
Đối với cation cùng điện tích, bán kính ion càng nhỏ thì khả năng trao đổi càng lớn,
có thể sắp xếp theo trật tự sau:
Li
+
> Na
+
> K
+
> Cu
2+
> Fe

2+
> Al
3+
Tuy nhiên khả năng trao đổi của bentonit chủ yếu vẫn phụ thuộc vào điện tích âm bề
mặt và điện tích âm trong mạng lưới. Bề mặt của bentonit gồm bề mặt trong và bề mặt
ngoài. Khả năng trao đổi ion bề mặt ngoài phản ánh kích thước hạt tinh thể, phụ thuộc
vào sự đứt gãy liên kết và khuyết tật bề mặt. Kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng trao
đổi càng lớn. Khả năng trao đổi ion bề mặt trong phản ánh lượng điện tích âm trên mạng
lưới và khả năng hấp phụ của bentonit. Nó phụ thuộc vào lượng cation bù trừ trong mạng
lưới. Số lượng cation càng lớn thì khả năng trao đổi càng lớn. Dung lượng cation trao đổi
dao động từ 80 đến 150 meq/100g. Dung lượng trao đổi anion dao động từ 15 đến 40
meq/100g.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Sự trao đổi ion của bentonit còn liên quan đến sự thay thế các nguyên tử hyđro
trong các nhóm hyđroxyl của montmorilonit. Theo một số nghiên cứu thì ở đỉnh của các
tứ diện SiO
2
hướng ra ngoài của lớp cấu trúc, các nguyên tử oxi được thay thế bởi các
nhóm hiđroxyl và các nhóm này đảm nhiệm việc duy trì liên kết yếu giữa các lớp và góp
phần vào sự cân bằng điện tích. Ngoài ra trong cấu trúc của bentonit còn có các nhóm
hiđroxyl khác nằm ở đỉnh các bát diện. Trong sáu đỉnh của bát diện có hai đỉnh là nhóm
OH còn bốn đỉnh kia là oxi, trong đó nhóm hiđroxyl của liên kết Si – OH không có khả
năng trao đổi hiđro. Nhóm hiđroxyl của liên kết Al – OH có tính axit yếu nên khả năng
trao đổi yếu. Nhóm Si – O –Al có tính trao đổi mạnh nên có tính quyết định đến trao đổi
cation H
+
.
1.1.3.2. Tính chất trương nở
Khi nước, các phân tử phân cực hoặc các cation bị hấp phụ vào khe trống giữa các

lớp sẽ làm tăng chiều dày lớp cấu trúc, tính chất này gọi là tính chất trương nở. Mức độ
trương nở phụ thuộc vào bản chất khoáng sét, cation trao đổi, sự thay thế đồng hình của
các ion trong các lớp và sự có mặt của các ion, các phân tử phân cực trong môi trường
phân tán. Lượng nước được hấp phụ vào giữa các lớp sét phụ thuộc vào khả năng hydrat
hóa của các cation trao đổi.
Khi bentonit hấp phụ hơi nước hay tiếp xúc với nước, các phân tử nước phân cực sẽ
thâm nhập vào bên trong các lớp, làm khoảng cách này tăng lên ít nhất 14÷15Å tùy thuộc
vào loại bentonit và lượng nước bị hấp phụ. Sự tăng khoảng cách d
001
được giải thích là
do sự hydrat hóa của các cation giữa các lớp.
Độ trương nở của bentonit phụ thuộc vào bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp
sét. Ví dụ, ion Na
+
với điện tích +1 có thể liên kết với một tâm tích điện âm trên mặt lớp
sét. Do vậy khi bị hyđrat hóa, bentonit Na có khả năng trương nở từ khoảng cách ban đầu
giữa 2 phiến sét là từ 9,2Å đến ít nhất 17Å. Trong môi trường kiềm bentonit-Na bị hiđrat
hóa mạnh hơn, lớp nước hấp phụ tăng mạnh. Do vậy trong môi trường kiềm, huyền phù
bentonit-Na rất bền vững.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Cation Ca
2+
liên kết với 2 tâm tích điện âm trên 2 phiến sét do vậy khi bentonit-Ca
bị hydrat hóa, khoảng cách giữa 2 phiến sét chỉ tăng từ 12,1Å đến 17Å. Điều này hạn chế
sự trương nở hay khả năng tạo độ nhớt của bentonit-Ca. Độ trương nở của bentonit-Ca từ
100 đến 150%, đối với bentonit-Na độ trương nở lớn hơn.
1.1.3.3. Tính hấp phụ
Tính chất hấp phụ của bentonit được quyết định bởi đặc tính bề mặt và cấu trúc lớp
của chúng. Với kích thước hạt nhỏ hơn 2µm và có cấu trúc mạng tinh thể dạng lớp nên

bentonit có bề mặt riêng lớn. Diện tích bề mặt của bentonit gồm diện tích bề mặt ngoài và
diện tích bề mặt trong. Diện tích bề mặt trong được xác định bởi bề mặt của khoảng
không gian giữa các lớp trong cấu trúc tinh thể. Bề mặt ngoài phụ thuộc vào kích thước
hạt. Sự hấp phụ bề mặt trong của bentonit có thể xảy ra với chất bị hấp phụ là các ion vô
cơ, các chất hữu cơ ở dạng ion hoặc chất hữu cơ phân cực. Các chất hữu cơ phân cực có
kích thước và khối lượng nhỏ bị hấp phụ bằng cách tạo liên kết trực tiếp với các cation
trao đổi nằm giữa các lớp hoặc liên kết với các cation đó qua liên kết với nước hoặc liên
kết với các trung tâm mang điện tích trên bề mặt các lớp sét. Nếu các chất hữu cơ phân
cực có kích thước và khối lượng phân tử lớn, chúng có thể kết hợp trực tiếp vào vị trí oxi
đáy của tứ diện trong mạng lưới tinh thể bằng lực Van der Walls hoặc liên kết hiđro. Sự
hấp phụ các chất hữu cơ không phân cực, các polime và đặc biệt là vi khuẩn chỉ xảy ra
trên bề mặt ngoài của bentonit .
Do bentonit có cấu trúc lớp và độ phân tán cao nên có cấu trúc xốp phức tạp và bề
mặt riêng lớn. Cấu trúc xốp ảnh hưởng rất lớn đến tính chất hấp phụ của các khoáng sét,
đặc trưng của nó là tính chọn lọc đối với chất bị hấp phụ. Chỉ có phân tử nào có đường
kính đủ nhỏ so với lỗ xốp thì mới chui vào được. Dựa vào điều này người ta có thể dùng
bentonit hoạt hóa làm vật liệu tách chất. Đây cũng là một điểm khác nhau giữa bentonit
và các chất hấp phụ khác.
1.1.3.4. Tính kết dính
Khi trộn với nước, bentonit sẽ có khả năng kết dính mạnh nên từ thời xa xưa con
người đã biết sử dụng loại sét này để nặn thành các vật dụng nhằm mục đích phục vụ đời
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
sống. Lợi dụng tính chất kết dính này, trong các xưởng đúc gang, bentonit được dùng làm
chất kết dính để vê quặng bột thành viên trước khi đưa vào lò nung, hoặc làm chất kết
dính trong khuôn cát để đúc.
1.1.3.5. Tính trơ
Bentonit trơ và bền hóa học nên không độc, có thể ăn được. Người ta dùng bentonit
làm chất độn trong dược phẩm, thức ăn gia súc, mỹ phẩm, làm chất lọc sạch và tẩy màu
cho bia, rượu vang và mật ong

1.1.3.6. Tính nhớt và dẻo
Do có cấu trúc lớp, có độ xốp cao, có khả năng trương nở mạnh trong nước nên
bentonit có tính nhớt và dẻo. Do có các tính chất này mà bentonit được sử dụng làm phụ
gia bôi trơn mũi khoan, gia cố thành của lỗ khoan, làm phụ gia trong xi măng Portland,
chế vữa và chất dính kết đặc biệt.
1.1.4. Ứng dụng của bentonit
1.1.4.1. Làm chất xúc tác trong các quá trình tổng hợp hữu cơ
Do có độ axit cao nên bentonit có thể được dùng làm chất xúc tác trong các phản
ứng hữu cơ. Bề mặt của bentonit mang điện tích âm do sự thay thế đồng hình của các ion
Si
4+
bằng ion Al
3+
ở tâm tứ diện và ion Mg
2+
thay thế ion Al
3+
ở tâm bát diện. Các ion thay
thế Al
3+
, Mg
2+
có khả năng cho điện tử nếu tại đó điện tích âm của chúng không được bù
trừ bởi các ion dương. Do vậy tâm axit Lewis được tạo thành từ ion Al
3+
và ion Mg
2+
ở
các đỉnh, các chỗ gãy nứt và các khuyết tật trên bề mặt bentonit. Nếu lượng Al
3+

và Mg
2+
tăng lên ở bề mặt bentonit sẽ làm tăng độ axit Lewis của chúng.
Trên bề mặt bentonit tồn tại các nhóm hiđroxyl. Các nhóm hiđroxyl có khả năng
nhường proton để hình thành trên bề mặt bentonit những tâm axit Bronsted. Số lượng
nhóm hiđroxyl có khả năng tách proton tăng lên sẽ làm tăng độ axit trên bề mặt của
bentonit.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trong các vật liệu sét chống (pillared clays), giữa cột chống và các lớp
aluminosilicat của bentonit có những liên kết cộng hóa trị thực sự. Các liên kết này dẫn
đến sự giải phóng các phân tử nước và proton làm tăng độ axit và bền hóa cấu trúc của
bentonit chống.
Việc biến tính bentonit bằng phương pháp trao đổi cation kim loại đa hóa trị như
Ti
4+
, Zr
4+
, Al
3+
, Si
4+
, tạo ra vật liệu sét chống có độ axit và độ xốp cao hơn, có khả năng
xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ. Ví dụ; việc sử dụng sét chống làm chất xúc tác axit
rắn trong phản ứng hữu cơ ở pha lỏng thuận lợi hơn nhiều so với axit lỏng. Sau khi kết
thúc phản ứng chỉ cần lọc hỗn hợp phản ứng có thể tách chất xúc tác rắn ra khỏi hỗn hợp
phản ứng.
Ngoài ra, do bentonit có khả năng hấp phụ cao nên có thể hấp phụ các chất xúc tác
trên bề mặt trong giữa các lớp. Vì vậy, bentonit được sử dụng làm chất mang xúc tác cho
nhiều phản ứng tổng hợp hữu cơ.

1.1.4.2. Làm vật liệu hấp phụ
Bentonit được dùng rộng rãi làm chất hấp phụ trong nhiều ngành công nghiệp.
Trong công nghiệp lọc dầu, lượng bentonit được sử dụng với lượng rất lớn, bao gồm
bentonit tự nhiên và bentonit đã hoạt hóa. Lượng bentonit tự nhiên tiêu tốn cho quá trình
lọc dầu là 25% khối lượng dầu và lượng bentonit đã hoạt hóa bằng 10% khối lượng dầu.
Việc sử dụng bentonit làm chất hấp phụ ưu việt hơn hẳn phương pháp cũ là phương pháp
rửa kiềm. Lượng bentonit mất đi trong quá trình tinh chế chỉ bằng 0,5% lượng dầu được
tinh chế. Ngoài ra, phương pháp dùng bentonit còn có mức hao phí dầu thấp do tránh
được phản ứng thủy phân.
Trong công nghiệp hóa than, bentonit được sử dụng để tinh chế benzen thô và các
bán sản phẩm khác.
Với tư cách là một chất hấp phụ đặc biệt tốt, bentonit có thể tạo ra các dung dịch
khoan với chất lượng đặc biệt cao và chi phí nguyên liệu thấp. Vì thế, cùng với sự phát
triển của ngành thăm dò và khai thác dầu, lượng bentonit được sử dụng trong việc chế tạo
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
dung dịch khoan ngày càng tăng. Ngày nay ở Mỹ, lượng bentonit được sử dụng làm dung
dịch khoan chiếm tới 40% tổng sản lượng bentonit của nước này.
Các chức năng quan trọng của bentonit trong dung dịch khoan là:
+ Làm tăng khả năng lưu chuyển của dung dịch khoan do có độ nhớt cao ngay cả
khi nồng độ chất rắn thấp.
+ Tạo huyền phù với các tác nhân và mùn khoan gây lắng khi ngừng lưu chuyển
dung dịch khoan vì một lí do nào đó.
+ Ngăn cản sự mất dung dịch vào các tầng có áp suất thấp, thấm nước nhờ việc tạo
nên lớp bánh lọc không thấm nước trên thành lỗ khoan. Lớp bánh lọc này không chỉ ngăn
khỏi bị mất dung dịch mà còn có tác dụng như một cái màng cứng làm bền thành lỗ
khoan.
Ngoài ra, do có khả năng hấp phụ tốt nên bentonit còn được sử dụng làm chất hấp
phụ các chất hữu cơ và dầu mỏ trong xử lý môi trường…
1.1.4.3. Làm vật liệu điều chế sét hữu cơ và nanocompozit

Gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ nano, nhiều ngành công nghiệp
đã sử dụng bentonit ngày càng nhiều. Công nghệ nano sử dụng sét hữu cơ trộn với các
chất khác để chế tạo ra các vật liệu mới. Ví dụ, sét hữu cơ được trộn với các polime để
chế tạo các nanocompozit, gọi là composit-nano-bentonit. Các polime có thể được trộn
thêm các hạt nanobentonit khi được kéo thành màng sẽ cho màng kín hơn rất nhiều so với
polime không trộn vì khi kéo, cán, các lá nanobentonit này nằm song song với bề mặt, có
khả năng ngăn cản hiệu quả nhiều loại phân tử đi qua. Các hạt nanobentonit này trộn với
polime không những kín mà còn bền hơn nhiều, do đó đáp ứng yêu cầu làm các ống mềm
để truyền dẫn thuốc, dẫn máu trong y tế.
1.1.4.4. Dùng trong một số lĩnh vực khác
Một lượng lớn bentonit đã được sử dụng làm chất độn trong công nghiệp sản xuất
vật liệu tổng hợp (xà phòng, vải sợi ). Đặc biệt trong công nghiệp sản xuất giấy, việc
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
trộn thêm bentonit làm tăng hàm lượng cao lanh, giảm lượng xenlulo cần có trong giấy,
làm tăng đáng kể chất lượng và giảm giá thành của giấy.
Trong công nghiệp bia, rượu, bentonit hấp phụ các chất hữu cơ, các chất béo, các
sản phẩm phụ không mong muốn trong quá trình lên men, đồng thời hấp phụ cả ion sắt,
đồng và các tác nhân gây bệnh của rượu, lại không làm mất hương vị của rượu, bia.
Bentonit còn được sử dụng làm sạch nguồn nước mặt. Do bentonit làm kết tủa các
vẩn đục, hấp phụ các ion gây độc, một lượng lớn vi khuẩn gây bệnh và chất hữu cơ có
trong nước với giá thành tương đối rẻ.
Do có đặc tính trơ, không độc hại nên bentonit còn được dùng làm phụ gia trong
thuốc tiêu hóa thức ăn và giúp điều tiết axit cho động vật, làm phụ gia dược phẩm.
1.1.5. Làm giàu, làm sạch bentonit
Các mỏ bentonit kiềm trên thế giới thường có hàm lượng MMT cao, nên các công
trình nghiên cứu về làm giàu, làm sạch bentonit kiềm để nâng cao hàm lượng MMT-Na
của các tác giả trên thế giới không nhiều. Đối với những mỏ bentonit kiềm có hàm lượng
MMT cao như bentonit kiềm Wyoming (Mỹ) người ta có thể trực tiếp sử dụng mà không
cần qua giai đoạn làm giàu, hoặc biến tính nó để thu được sản phẩm cho những mục đích

khác nhau.
Tuy nhiên đối với loại quặng bentonit có hàm lượng MMT thấp - như bentonit
Tuy Phong, Bình Thuận của Việt Nam, người ta phải sử dụng phương pháp tuyển trọng
lực như của các tác giả ở công trình hoặc phương pháp ướt như của các tác giả ở Mỹ ở
các công trình. Theo phương pháp này, bentonit được pha với nước theo một tỷ lệ thích
hợp. Sử dụng chất phân tán Na(PO
3
)
6
để làm lắng các khoáng phi sét theo nhiều giai
đoạn, sau đó huyền phù mịn được lọc, sấy khô và nghiền mịn để thu sản phẩm. Một số
tác giả khác sử dụng phương pháp tuyển thủy xyclon, xử lý nhiệt và hóa học để nâng cao
hàm lượng MMT trong bentonit.
Trên thế giới số lượng khoáng bentonit kiềm thổ (chứa các cation Ca
+2
, Mg
+2
, …)
với hàm lượng MMT cao tương đối nhiều, nhưng dạng bentonit kiềm lại mang lại nhiều
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
ứng dụng hơn trong nhiều lĩnh vực, vì vậy đã có rất nhiều nghiên cứu để chuyển hóa
bentonit kiềm thổ về dạng bentonit kiềm. Những nghiên cứu này đã có từ trước những
năm 1950 tại nhiều nước như Mỹ, Liên Xô cũ, Ngày nay công nghệ chuyển hóa
bentonit kiềm thổ sang dạng bentonit kiềm đã được đưa vào nhiều nhà máy vận hành và
sản xuất ra hàng trăm nghìn tấn sản phẩm cho những lĩnh vực khác nhau, như ở Hàn
Quốc mỗi năm sản xuất hơn 800 nghìn tấn sản phẩm bentonit hoạt hóa cho những mục
đích khác nhau. Phương pháp hoạt hóa để chuyển bentonit kiềm thổ về dạng bentonit
kiềm như sau: quặng bentonit kiềm thổ được phân cấp, đập, nghiền đến cỡ hạt thích hợp.
Sau đó quặng được trộn đều với tác nhân hoạt hóa (là các muối của natri như Na

2
CO
3
,
NaCl, ) theo một tỷ lệ thích hợp và nung hỗn hợp trong lò quay với nhiệt độ trong
khoảng 300÷500
o
C, sản phẩm hoạt hóa sau đấy được đóng bao và đưa đi sử dụng. Một
điều đáng lưu ý ở đây là quặng bentonit kiềm thổ trên thế giới thường có hàm lượng
MMT cao nên quặng được đưa vào hoạt hóa ngay mà không qua giai đoạn làm giàu, còn
đối với quặng bentonit kiềm thổ Di Linh-Lâm Đồng của chúng ta, do hàm lượng MMT
không cao (khoảng 30÷40%) nên để sử dụng cho một số mục đích chế tạo vật liệu sét
hữu cơ thì trước khi hoạt hóa nên làm giàu quặng để nâng hàm lượng MMT.
Người ta cũng sử dụng các tác nhân hoạt hóa khác như axit vô cơ (H
2
SO
4
, HNO
3
,
HCl) và các chất hữu cơ khác để hoạt hóa bentonit kiềm và bentonit kiềm thổ nhằm thu
nhanh các sản phẩm hoạt hóa cho những mục đích sử dụng khác nhau.
1.1.5. Giới thiệu về bentonite Cổ Định – Thanh Hóa
Ở nước ta bentonit được phát hiện ở nhiều nơi: Cổ Định (Thanh Hóa), Di Linh
(Lâm Đồng), Bình Thuận, Mộc Châu v.v với trữ lượng dồi dào. Trong đó mỏ
bentonit Cổ Định nằm trong khu bãi thải của chân Núi Nưa. Trữ lượng sét Cổ Định-
Thanh Hóa khoảng 4.380.000 m
3
. Sét bentonit là sản phẩm thải trong quá trình khai
thác và làm giàu quặng cromit. Hàm lượng montmorillonit nguyên khai 43,9%. Dung

tích trao đổi cation 52,9 mlgđl/100g, trong đó chủ yếu là cation Ca
2+
20,3 mlgđl/100g
sét và Mg
2+
31,1 mlgđl/100 g sét.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Trong sét Bentonite Cổ Định –Thanh Hóa có 2 nhóm khoáng vật chứa sét và
Cromite. Nhóm khoáng vật chứa sét bao gồm : Actinolite, Baumit, Monoriolit,
Clinochlore,Nepowite. Nhóm khoáng vật chứa Cromit bao gồm : Magneto chromite,
Aluminian chromite, Niken Chromium, Manganese oxide, Iron silicate, Chrom
silicate. Trong thành phần bùn sét chủ yếu là các khoáng vật thạch anh pyroxene… ở
dạng mảnh vụn. Phần lớn các hạt mịn (bùn) là các sản phẩm phong hóa vỡ vụn của
limonit, a sbet, bruxit,… và các sản phẩm biến đổi thứ sinh từ pyroxene, olirin (sét)
giàu sắt,Magie. Phần bùn ít hơn phần vỡ vụn, chúng chiếm khoảng 1/4 - 1/5 khối
lượng của mẫu ở phần không có từ tính. Trong các tinh quặng tuyển trọng lực đều có
mặt của các khoáng vật chứa bạc và plantin, rutil, và zincon.
Để tăng cường khả năng hấp phụ hoặc trương nở của sét bentonite cần phải hoạt
hóa. Thông thường người ta sử dụng Na
2
CO
3
, NH
4
Cl, H
2
SO
4
, HCl… để hoạt hóa

bentonite.
Trong thực tế, tùy theo mục đích sử dụng cho từng lĩnh vực mà đòi hỏi về hàm lượng
montmorilonit cũng khác nhau, như khi dùng làm khuôn đúc trong ngành thép hoặc để sử
dụng trong nông nghiệp thì có thể dùng bentonit nguyên khai hay chỉ qua khâu xử lý
quặng sơ bộ, còn nếu dùng cho mục đích làm chất xúc tác, sử dụng trong ngành y, dùng
để sản xuất sét hữu cơ thì đòi hỏi phải làm sạch, làm giàu bentonit để nâng hàm lượng
montmorilonit trong bentonit lên cao. Có hai phương pháp hoạt hóa bentonit thường được
sử dụng là hoạt hóa bằng kiềm, hoạt hóa bằng axit.
Bảng 1.1. Thành phần hóa học của bentonit Cổ Định
Thành phần SiO
2
Al
2
O
3
Fe
2
O
3
TiO
2
FeO CaO MgO K
2
O Na
2
O
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
hóa học
Hàm lượng

(% trọng lượng)
47,76 7,70 19,02 0,69 0,31 0,31 7,19 0,39 0,08
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
CHƯƠNG 2 :TỔNG QUAN VỀ DUNG DỊCH KHOAN
2.1. Giới thiệu về dung dịch khoan
-Thế kỷ XIX ở Trung Quốc người ta đã tiến hành rửa lỗ khoan bằng nước lã, sau đó là
nước lã và các hạt sét có sẵn.
- 1905, dung dịch sét đã được dùng để rửa lỗ khoan trong giếng khoan đầu tiên ở Texas.
- 1921, ôxit sắt xay nhỏ được dùng để làm nặng dung dịch ở bang Arkansas và bang
Louissiana (Mỹ). Sau đó, barit được tìm thấy có khả năng làm nặng dung dịch tốt hơn.
- Đồng thời với việc làm nặng dung dịch người ta tìm ra xút (NaOH) và aluminat natri để
làm ổn định dung dịch và giữ các hạt chất làm nặng ở trạng thái lơ lửng. 1937, tinh bột
được dùng làm giảm độ thoát nước của dung dịch.
- 1944, Carboxymetyl Celullose (CMC) được dùng làm giảm độ thoát nước của dung dịch.
- Sau đó, ở Mỹ và Nga đồng thời tìm ra dung dịch gốc dầu để mở vỉa dầu.
- 1939 – 1940, người ta dùng huyền phù carbonat để rửa lỗ khoan.
- 1943, người ta dùng dung dịch có vôi để có thể chịu được nhiệt độ hơn 190
o
C mà không
bị đặc.
- 1953, dùng dung dịch thạch cao để thực hiện mục đích trên.
- Ngoài việc rửa lỗ khoan bằng chất lỏng, còn dùng chất khí để rửa lỗ khoan, thực hiện đầu
tiên vào 1918.
2.1.1 Định nghĩa
Dung dịch khoan là bất kỳ dung dịch nào được tuần hoàn hoặc bơm từ bề mặt
vào cần khoan, chòong khoan và quay lại bề mặt khoảng không vành xuyến trong
công tác khoan.
Dung dịch khoan có thể là chất lỏng hoặc khí
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
+ dung dịch khoan là không khí
+ dung dịch khoan dạng bọt
+ dung dịch khoan là nước
+ dung dịch khoan gốc dầu
+dung dịch khoan gốc polyme tổng hợp (olefin và este)
2.1.2 Phân loại
* Dung dịch khoan gốc nước
Các hạt rắn lơ lửng trong nước hoặc nước muối. Dầu được nhũ hoá trong
nước, nước là pha liên tục.
Hạt rắn thường là khoáng sét và chất hữu cơ dạng keo được thêm vào làm cho
có tính nhớt và tính chọn lọc, khoáng chất nặng thường được sử dụng là barit thêm vào
làm tăng khối lượng riêng nếu cần.
* Dung dịch khoan gốc dầu
Hạt rắn lơ lửng trong dầu. Nước hoặc nước muối được nhũ tương hoá trong
dầu; dầu là pha liên tục
* Dung dịch khoan gốc khí
Mẩu vụn sau khoan được ra ngoài với vận tốc dòng không khí hoặc khí tự
nhiên. Tác nhân tạo bọt được thêm vào để di chuyển dòng nước đến
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Bảng 1: Phân loại dung dịch khoan theo thành phần chính
2.1.3 Chức năng
2.1.3.1 Rửa lỗ khoan, nâng mùn khoan lên khỏi giếng
• Đây là điều kiện để đạt được tốc độ cơ học khoan cao.
• Muốn rửa sạch đáy lỗ khoan thì phải kịp thời đưa mùn khoan lên mặt đất theo khoảng
không vành xuyến giữa thành lỗ khoan và cần khoan. Mức độ rửa sạch lỗ khoan phụ thuộc
vào số lượng và chất lượng nước rửa bơm vào lỗ khoan: tốc độ dòng nước rửa đi lên, tính
chất cơ học, cấu trúc của nước rửa, kích thước và trọng lượng các hạt mùn khoan.
• Năng suất máy bơm càng lớn, lượng nước rửa bơm vào lỗ khoan càng nhiều, đáy lỗ

khoan càng rửa sạch thì tốc độ khoan càng tăng.
2.1.3.2 Giữ mùn khoan lơ lửng khi ngưng tuần hoàn
• Trong quá trình khoan thường xảy ra hiện tượng ngừng khoan một cách đột ngột hoặc khi
tiếp cần, thay choòng khoan. Lúc đó trong khoảng không vành xuyến còn rất nhiều mùn
khoan chưa được nâng lên mặt đất. Do trọng lượng bản thân, các hạt mùn khoan lắng
xuống gây ra hiện tượng kẹt lỗ khoan.
• Để tránh hiện tượng kẹt lỗ khoan, phải dùng dung dịch có tính lưu biến cao. Dung dịch
loại này khi ở trạng thái yên tĩnh, ứng suất giới hạn của chúng tăng lên (quá trình gel hóa),
đủ để giữ các hạt mùn khoan không bị lắng xuống.
• Khả năng giữ các hạt mùn khoan ở trạng thái lơ lửng của một loại nước rửa được đánh
giá bằng kích thước lớn nhất của các hạt mùn khoan không bị chìm trong loại nước rửa ấy.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Khi rửa lỗ khoan bằng nước lã hoặc chất khí, do tính lưu biến của các loại dung dịch này
rất thấp, chỉ được ngừng tuần hoàn sau khi đưa hết mùn khoan lên mặt đất. Đồng thời phải
nhanh chóng khôi phục lại sự tuần hoàn của dung dịch.
2.1.3.3 Làm mát, bôi trơn mũi khoan
• Trong quá trình khoan, dụng cụ phá đá bị nóng do nhiệt độ ở đáy (địa nhiệt) và do ma sát
với đất đá.
• Năng lượng cơ học do ma sát sẽ sinh ra nhiệt. Một phần làm nóng dụng cụ phá đá và một
phần đi vào đất đá. Nhiệt độ ở vùng tiếp xúc 800 - 1000
o
C sẽ giảm độ bền và độ chống
mòn của dụng cụ.
• Khi dùng các chất lỏng và khí để rửa lỗ khoan thì chất đó sẽ thu nhiệt dẫn đến sự cân
bằng nhiệt độ: nhiệt độ tỏa ra do quá trình ma sát sau một thời gian bằng nhiệt độ các chất
rửa lỗ khoan. Lúc ấy nhiệt độ của dụng cụ phá đá sẽ không đổi.
• Việc làm mát dụng cụ phá đá phụ thuộc lưu lượng, tỉ nhiệt và nhiệt độ ban đầu của chất
để rửa lỗ khoan. Lưu lượng và tỉ nhiệt càng lớn thì nhiệt độ trung bình ở chỗ tiếp xúc càng
nhỏ. Mặt khác khi lỗ khoan càng lớn thì việc làm lạnh choòng khoan càng nhanh.

• Thực tế cho thấy dung dịch làm lạnh dụng cụ phá đá tốt nhất là nước lã, sau đó là dung
dịch sét và các chất lỏng khác, cuối cùng là chất khí.
• Nước rửa còn bôi trơn ổ bi, các chi tiết khác của turbin, choòng khoan cần khoan và ống
chống do nước rửa làm giảm độ ma sát ở các bộ phận quay, bôi trơn và làm giảm nhẹ sự
làm việc của các cơ cấu dẫn đến tăng độ bền của chúng, đặc biệt quan trọng trong khoan
turbin. Hiệu quả bôi trơn càng tăng nếu pha vào dung dịch 8 - 10% dầu diesel hoặc dầu
hỏa. Dung dịch nhũ tương dầu có tác dụng bôi trơn tốt nhất, dùng dung dịch này khi khoan
moment quay giảm 30%.
2.1.3.4 Giữ thành lỗ khoan không bị sập lở, tránh mất nước rửa và hiện tượng dầu-
khí-nước vào lỗ khoan
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Mỗi lớp đất đá, vỉa khoáng sản, mỗi tầng chứa dầu, khí, nước nằm trong long đất đều có
áp lực vỉa Pv của chúng (áp lực địa tĩnh) từ vài atm, vài trăm đến hàng nghìn atm. Ở điều
kiện bình thường, do sự cân bằng áp lực của đất đá nên chúng ổn định nhưng khi khoan
qua chúng thì sự cân bằng này bị phá vỡ. Dưới tác dụng của áp lực vỉa, các lớp đất đá đi
vào lỗ khoan.
• Khi lỗ khoan có nước rửa thì cột chất lỏng trong lỗ khoan sẽ tạo một áp lực thủy tĩnh Pv.
 Khi Pv > Ptt thì đất đá, dầu khí nước sẽ đi vào lỗ khoan gây ra hiện tượng sập lở thành lỗ
khoan hay hiện tượng dầu, khí, nước vào lỗ khoan làm bão hòa dung dịch, đôi khi có thể
đẩy dung dịch ra khỏi lỗ khoan và phun lên.Tăng tỷ trọng Ptt có tác dụng chống lại Pv.
Mặt khác khi dùng dung dịch sét sẽ tạo nên một lớp vỏ mỏng sét chặt sít xung quanh thành
lỗ khoan, ngăn cách giữa vỉa và lỗ khoan thì thành lỗ khoan ổn định.
 Khi Pv < Ptt, nước rửa đi vào khe nứt của đất đá làm giảm thể tích nước rửa, gây ra hiện
tượng mất nước rửa từng phần hay hoàn toàn. Hiện tượng này xảy ra khi khoan qua đất đá
nứt nẻ, nhiều lỗ hổng… Đồng thời với hiện tượng mất nước rửa, khi Ptt giảm vì mực nước
trong lỗ khoan giảm sẽ dẫn đến hiện tượng sập lở thành lỗ khoan; dầu, khí, nước vào lỗ
khoan.
Khắc phục bằng cách dùng dung dịch sét chất lượng tốt, tỷ trọng nhỏ tạo nên một vỏ sét
chặt sít ngăn cách giữa lỗ khoan và vỉa, đồng thời do Ptt nhỏ sẽ thành lập nên một trạng

thái cân bằng Ptt = Pv để chống mất nước rửa. Trong trường hợp mất nước rửa mạnh,
người ta dùng các hỗn hợp đông nhanh để khắc phục.
2.1.3.5 Gây tác dụng lý hóa khi phá hủy đất đá
• Là một thông số chế độ khoan.
• Nước rửa qua lỗ thoát của choòng có kích thước nhỏ có tốc độ khá lớn và dự trữ một
động năng. Động năng này được sử dụng làm sạch đáy lỗ khoan và khi gặp đất đá mềm, nó
phá hủy trực tiếp.
• Tác động cơ học của dòng nước rửa lên đáy lỗ khoan được đánh giá bằng áp lực hay lực
đập của dòng nước rửa khi tiếp xúc với đất đá ở đáy. Lực đập này phụ thuộc tốc độ, khối
lượng và mật độ của dòng nước rửa.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Khi khoan qua đất đá cứng, nước rửa chỉ góp phần vào việc tăng tốc độ cơ học khoan vì
nước đã làm giảm độ cứng của đất đá.
• Đất đá có độ bền không đồng nhất, trong màng tinh thể có chỗ rất yếu và trên bề mặt có
những khe nứt ngang dọc. Khi nước rửa thấm sâu vào làm các khe nứt bị sâu thêm, rộng ra
tạo điều kiện cho việc phá hủy đá dễ dàng hơn.
• Hiệu quả đó tăng thêm khi ta thêm vào nước rửa các chất giảm độ cứng. Tác dụng các
chất này là tăng lực tương tác hóa lý giữa môi trường phân hóa và bề mặt mới của đất đá
tạo ra trong quá trình phá hủy cơ học.
• Các chất làm giảm độ cứng như hoạt chất cacbon, fenol, axit và các muối kiềm của
chúng.
 Các chất điện phân: NaCl, MgCl2, CaCl2, AlCl3
 Các muối của kim loại kiềm NaOH, Na2CO3
2.1.3.6 Truyền năng lượng cho turbin khoan
Đối với một số trường hợp khoan giếng định hướng có góc nghiêng lớn và khoan
ngang, người ta sử dụng động cơ đáy (tuabin hoặc động cơ thể tích). Động cơ này làm việc
nhờ năng lượng của dòng dung dịch tuần hoàn trong giếng.
• Yếu tố quyết định là lượng nước rửa bơm vào turbin nghĩa là năng suất máy bơm.
- Lượng nước rửa tăng lên ít nhưng công suất của turbin thay đổi rất nhiều

- Tăng tiến độ khoan.
• Ở máy bơm có sự liên hệ: Nb = pQ
Trong đó:
Nb: công suất của máy bơm dung dịch
p: áp lực ống thoát của máy bơm
Q: lưu lượng của máy bơm dung dịch
Muốn Q tăng để tăng công suất quay của turbin thì tăng Nb hay giảm p. Trong kỹ thuật,
Nb có thể điều chỉnh dễ dàng nên tăng Q dễ dàng nhưng trong kỹ thuật khoan, do kích
thước các ống dẫn hạn chế nên khi Q tang làm p giảm. Tùy theo độ bền của ống dẫn thủy
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
lực, bơm và dụng cụ khoan mà p tăng đến trị số p < pmax do giá trị pmax đã làm hạn chế
Q máy bơm.
• Khi Nb không đổi, muốn tăng Q thì phải giảm các tổn thất cục bộ. Điều này thực hiện
bằng 2 cách.
- Tăng đường kính của các phần có nước rửa chảy qua như ống dẫn, cần khoan
và đầu nối, các lỗ thoát của choòng.
- Dùng nước rửa linh động có tỷ trọng và độ nhớt nhỏ.
• Khi Q không đổi thì tổn thất thủy lực sẽ nhỏ nhất nếu làm sạch lỗ khoan bằng nước lã.
• Tính toán thủy lực khoan nhằm tối ưu ROP (Rate of Penetration)
bằng cách:
- Tăng khả năng tách mùn khoan tại choòng
- Tối đa độ giảm áp tại choòng
- Tối ưu lực va đập thủy lực tại đáy giếng
• Áp lực tại choòng được làm giảm bằng cách:
- Dùng cần khoan và đầu nối có kích thước nhỏ
- Dùng động cơ đáy
- Dùng thiết bị đo trong khi khoan
• Tổn thất áp suất cao khi:
- Dung dịch có tỉ trọng lớn.

- Dung dịch có độ nhớt lớn.
- Thành phần rắn trong mùn khoan cao.
2.2 Thành Phần dung dịch khoan gốc nước
Trong năm mươi năm kể từ khi ra đời của ngành công nghiệp dung dịch khoan, số
lượng sản phẩm đã tăng từ lên một nửa cho tới gần 1.400 chất phụ gia. Nghiên cứu thành
phần dung dịch khoan để những cơ quan quản lý quan tâm đến các tác động môi trường
của các chất hóa học có thể ảnh hưởng tới tự nhiên và số nguyên liệu được sử dụng trong
dung dịch khoan. Trong các cuộc điều tra trước đó, việc sử dụng hóa chất trong dung dịch
khoan lien quan đến hiệu quả của công nghệ khoan sẽ phát triển dựa thành phần của dung
dịch khoan đã được ghi nhận. Tầm quan trọng của công nghiệp khoan trong những năm
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
gần đây đã kiềm chế sự gia tăng trong chi phí khoan bằng cách thiết kế dung dịch khoan
làm giảm thời gian cần thiết để khoan xuyên (nhanh hơn và lỗ ít hơn).
2.2.1 Nước
• Nước là một chất rất quan trọng cần phải có trong dung dịch khoan. Nó hạn chế không
khí xâm nhập vào dung dịch khoan và vì thế rất ít khi người ta khoan với không khí khô.
Nước đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của dung dịch khoan.
• So sánh sự khác nhau giữa các tính chất của nước với các chất lỏng khác đó là sức căng
bề mặt, nhiệt nóng chảy, nhiệt bay hơi và khả năng hòa tan mạnh một số chất của nước.
Một tính chất quan trọng của nước, không giống với các chất khác đó là nở ra khi đóng
băng ở áp suất thường.
• Công thức đơn giản H
2
O, không đối xứng phân tử, được coi là một tứ diện với nguyên tử
oxy ở trung tâm và các góc là hai hạt nhân hydro và hai cặp electron. Vùng cực của phân
tử chiếm xu hướng mạnh mẽ để tạo thành hydro ở trạng thái bền và sự phát triển cấu trúc
của nước ở dạng lỏng. Phân ly của muối, axit, bazơ đều có nước, lớp ngoài hydrat giảm
lực liên kết các ion trái dấu.
Phản ứng giữa nước và bề mặt khoáng sét và hiệu ứng điện phân trong nước trên

trung tâm nước-khoáng là chủ đề nghiên cứu hiệu suất dung dịch khoan.
• Nước thường có sẵn và chi phí thấp. Tuy nhiên, tại một số địa điểm chất lượng của các
cấu tử trong bùn sẽ biến đổi hoặc nước phải được xử lý để trung hòa một số chất hòa tan.
Trong những trường hợp như vậy, phải xem xét chi phi và các phương án khác. Loại bỏ
bùn dư thừa từ địa điểm khai thác tạo chi phí không đáng có. Nếu vậy, sẽ phải giảm tối
thiểu thể tích bùn mà không làm giảm hiệu suất.
2.2.2 Vật liệu làm tăng tỷ trọng
• Một điều quan trọng trong chức năng khoan bùn là điều chỉnh áp suất sao cho dầu không
bị phun trào. Tỷ trọng của bùn phải tăng lên tại mỗi thời điểm để ổn định. Một số chất đậm
đặc hơn nước và không làm ảnh hưởng tới tính chất của bùn có thể được thêm vào để tăng
tỷ trọng đến một mức độ nhất định. Giá thành rất quan trọng, nhưng sẽ có sự hạn chế trong
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
việc chọn lựa vật liệu. Khả năng hòa tan của các muối giới hạn phạm vi có ích nào đó và
có một số vấn đề liên quan đến sử dụng nó.
• Ví dụ, chất rắn chứa một lượng bùn 2.28g/cm3 với chất có trọng lượng riêng là 4,2 chiếm
39,5% thể tích, so với 30% thể tích với chất có trọng lượng riêng là 5,2.
2.2.3 Bari
• Bari tinh khiết (bari sulfat) chứa 58,8% bari và có trọng lượng riêng 4,5. Bari thương
phẩm, gọi là khoáng tinh thể nặng có tỷ trọng riêng thấp bởi vì một số khoáng (như thạch
anh, đá silic, canxi,anhyrit, các dạng silicat) có trong nó. Ngoài ra, nó chứa các khoáng
kim loại, một vài trong số đó làm tăng tỷ trọng riêng của sản phẩm.
• Bari hầu như không tan trong nước và không phản ứng với các cấu tử có trong dung dịch
khoan. Caxi sulfat, đôi khi là thạch cao, anhydrite liên kết với bari, có thể gây nên ô nhiễm
nhẹ khi xử lý nước. Khoáng sulfit như pyrite, xfalerit, nếu có mặt sẽ bị oxy hóa làm ảnh
hưởng tới hiệu suất dung dịch khoan.
• Bari có sẵn trong môi trường địa chất trong trầm tích, đá lửa và đá biến chất.
• Bari trong bùn khoan : mật độ của các bùn đã được nâng lên đến 90 lb/ft3 (1,44 g/cm3)
để kiểm soát dòng khí và để ngăn chặn việc tạo khối. Trong báo cáo khác barit sử dụng
kéo ống khô được nhắc đến. Một chức năng khác của barit là chuẩn bị một mật độ cao tạo

đá nút được hình thành từ bùn của barit trong nước. Giống như bùn than chứa nồng độ bari
vàokhoảng 750 Ib / thùng (2100 kg/m3). Nồng độ tối thiểu của barit thấp nhất là 10 Ib /
thùng (28 kg/m3), mặc dù thường nó sẽ là cao hơn đáng kể.
2.2.4 Khoáng sét sắt
• Sắt oxit: sắt oxit tự nhiên(chủ yếu là hematit, Fe2O3) là những vật chất đầu tiên được sử
dụng để tăng mật độ bùn. Sắt oxit dùng từ năm 1943 bởi vì nó thay thế được cho bari và
chi phí sản xuất thấp hơn
• Nó có lợi thế của việc có mật độ cao hơn so với barit. Mật độ cao hơn cho phép tỷ lệ
thâm nhập nhanh hơn bởi vì khối lượng của vật liệu trong bùn hematit là ít hơn so với
dung dịch khoan barit của cùng một trọng lượng.
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Rắn hơn nhiều so với barit (5-6 Mohs so với 3 Mohs) cung cấp cho nó lợi thế mà tiêu hao
là thấp, do đó ít hạt mịn được tạo ra trong quá trình khoan và do đó có ít tăng độ nhớt. Mặt
khác, nó mài mòn hơn barit làm máy bơm và các mũi khoan có thể là bị ăn mòn cao.
• Nhược điểm của sắt oxit được làm ướt và tạo bọt phát sinh từ hoạt tính bề mặt được sử
dụng trong chế biến quặng
2.2.5 Khoáng ilmenit
Khoáng Ilmenit, Fe.TiO2, SG 4,5 đến 5,1, độ cứng 5 đến 6 Mohs thúc đẩy tỷ lệ khoan
nhanh theo cách thức giống như itabirite và có những ưu điểm và nhược điểm của độ cứng.
Blomberg thấy rằng việc xác định là không có hơn 3% của các hạt lớn hơn 45 micron
giảm mài mòn có thể chấp nhận . Ilmenit phản ứng với các loại khí chua, và thích hợp để
sử dụng trong các dịch bảo dưỡng bởi vì nó là axit hòa tan. Nguồn cung cấp lại dồi dào.
2.2.6 Canxi cabonat
• Cacbonat canxi đã được đề xuất như là một loại vật liệu trọng bởi vì các bánh lọc mà
hình dáng trên sản xuất có thể được loại bỏ bằng cách xử lý với hydrochloric acid.
Calcium carbonate có sẵn trong đá vôi hoặc vỏ hàu. Calcium carbonate được phân tán
trong dung dịch khoan dễ dàng hơn so barit. Trọng lượng riêng thấp của nó (2,6-2,8) giới
hạn tối đa mật độ bùn khoảng 12 Ib / gal (1,4 g/cm3). Lớp bột hoặc đá vôi thường được sử
dụng trong bảo dưỡng bùn.

• Dung dịch khoan có độ lọc cao mang đá cẩm thạch được phân loại hoặc các hạt đá vôi lơ
lửng đã cho có hiệu quả trong việc khắc phục sự mất mát của vòng tuần hoàn. Sự phân bố
kích thước hạt của đá nghiền được thiết kế để sản xuất mật độ tối đa từ các hạt lớn hơn.
Các hạt rất nhỏ (-200 lưới) đã được loại bỏ để duy trì một tỷ lệ lọc cao. Bùn than lơ lửng
(bao gồm nước, muối, attapulgite, diatomit, đất, và barit) đã có một tốc độ lọc nhanh
chóng.
• Tiêu thụ đá vôi và vỏ hàu vào năm 1978 khoan được ước tính đã có 10.000 tấn.
2.2.7 Khoáng chất galen:
Galena, PBS, với trọng lượng riêng là 7,4 -7,7, chỉ được dùng để chuẩn bị một loại bùn
đặc biệt nặng, đôi khi cần thiết để kiểm soát áp suất cao bất thường. Khoáng galen rất đắt,
Viện KTHH- Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ - Hóa Dầu Nguyễn Hữu Hà