Nghiên cứu công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch - Đồng Nai

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN
NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG
KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI
NGUYỄN XUÂN THẢO*
NGUYỄN DUY TUẤN
NGUYỄN THẾ VINH**

Research on applying reverse circulation technology by using erlift
pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai
Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the
underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the
application of forward circulation drilling technology. This method
consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary
layers in Nhon Trach. A number of researches on reverse circulation
drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon
Trach, Dong Nai will be presented in this article.The advantage of this
method is that the components are extruded from the boreholes such as
gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the
wellbores and aquifer characteristics. This has a positive impact on the
life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use
of wells.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
Trong những năm gần đây, nhu cầu nước
sạch cho sinh hoạt ở khu công nghiệp Nhơn
Trạch-Đồng Nai ngày càng gia tăng; trong khi
đó lưu lượng các giếng khai thác nước ngầm
ngày càng suy giảm. Sau 5 năm vận hành khai
thác, hầu hết các giếng đều giảm lưu lượng khai
thác so với thiết kế ban đầu; trong đó có một số
giếng bị hư hỏng nặng. Một trong các nguyên
nhân gây ra suy giảm lưu lượng khai thác hoặc

hư hỏng là do các giếng đều thi công bằng
phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận
truyền thống. Đây là phương pháp có nhiều
nhược điểm khi khoan khai thác nước ngầm
*

Viện Công nghệ Khoan;
ĐD: 0912 015 585; E-mail:
ĐD: 0913537739; E-mail:

**

Trường Đại học Mỏ -Địa chất
ĐD: 098 365 5056; E-mail:

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017

trong địa tầng trầm tích bở rời như ở Nhơn
Trạch - Đồng Nai.
Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng
giếng và công suất khai thác, các tác giả đã
nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khoan tuần
hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng
bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng
trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng
Nai thay thế các giếng đã hư hỏng.
2. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG
NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH
BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC
GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM

2.1. Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý làm
việc của bơm erlift
Bơm erlift (Airlift pump) được áp dụng rộng
rãi trong công nghiệp mỏ để bơm thoát nước
tháo khô mỏ; trong khai thác khoáng sản rắn
bằng phương pháp thủy lực; trong khai thác cát
làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy
3


văn, v.v.. Trong khoan thăm dò, bơm erlift được
áp dụng để duy trì dòng nước rửa tuần hoàn
nghịch khi khoan trong các điều kiện địa chất
phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan
thăm dò sa khoáng ở thềm lục địa và khoan các
giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm.
Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng;
ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút.

Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc
của bơm erlift (Airlift pump).
1- ống nâng; 2- ống dẫn khí;
3-buồng phối khí; 4- ống hút
Trong quá trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm
dung dịch và mùn khoan (2 pha) ở phía dưới
buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất ở
buồng hòa trộn khí, hỗn hợp 2 pha được hút vào
buồng hòa trộn khí qua ống hút 4 và hòa trộn
với khí tạo thành hỗn hợp 3 pha gồm dung dịchmùn khoan- khí. Sau khi hòa trộn, hỗn hợp 3
pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống 1.

Mức độ hòa trộn của khí với hỗn hợp 2 pha để
tạo thành hỗn hợp 3 pha có khối lượng riêng
nhỏ hơn phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất khí
truyền vào buồng hòa trộn khí.
Hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt
qua ống nâng 1 nhờ năng lượng tạo ra từ khí
nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn
4

khí. Năng lượng cần thiết của khí nén để nâng
hỗn hợp 3 pha được xác định như sau [4,5,6]:
h
N  Qk Pa ln(1  0 )
(1)
10
trong đó N - năng lượng cần thiết của khí
nén để nâng hỗn hợp 3 pha,J; Qk - lưu lượng khí
nén, m3/s; Pa - áp suất khí quyển, N/m2 ; h0 chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí so với
mực nước động, m;
2.2. Tính toán lưu lượng và áp suất khí
nén cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha trong
cột cần khoan
Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cũng
như công nghệ khoan tuần hoàn thuận cần đảm
bảo rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng. Đây là
một trong các yếu tố cơ bản quyết định tới chất
lượng và năng suất khoan. Để đảm bảo rửa
sạch mùn khoan cần tính toán lưu lượng và tốc
độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan,
đặc điểm và tính chất đất đá khoan qua. Lưu

lượng cần thiết của bơm erlift để rửa sạch và
tải mùn khoan lên bề mặt được xác định theo
công thức sau:
Q  0,785D 2V0
(2)
Trong đó: Q - lưu lượng cần thiết để rửa
sạch mùn khoan ở đáy giếng, m3/s; D - đường
kính trong của cần khoan, m; V 0 - vận tốc trung
bình của dòng hỗn hợp 3 pha chảy trong cần
khoan, m/s.
Khi nghiên cứu năng lượng khí cần thiết để
nâng hỗn hợp 3 pha dọc theo cần khoan lên mặt
đất, các tác giả đã xác định vận tốc dòng chảy
của hỗn hợp 3 pha phụ thuộc vào lưu lượng khí
truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn và
đường kính trong của cần khoan theo công thức:
4(Q  Qk .K n )
V 0
(3)
D 2 .3600
trong đó: Qk - lưu lượng khí cần thiết để tạo
năng lượng nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt,
m3/h; K n - hệ số nén của khí do áp suất của cột
dung dịch trong cần khoan ở phía trên buồng
hòa trộn khí và được xác định theo công thức:
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017


10
(4)

K n  0,5(
 1)
10  h0 )
Vận tốc Vh dòng chảy của hỗn hợp 2 pha (dung

dịch và mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng
hòa trộn khí được xác định theo công thức sau:
4Q
(5)
Vh 
Dh2 3600
Vh - vận tốc của dòng chảy 2 pha từ đáy
giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; Dh đường kính cần khoan ở phía dưới buồng hòa
trộn khí,m;
Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3
pha lên bề mặt được xác định theo công thức
sau [4,6]:
QH
Qk 
(6)
h0
23 lg(  1)
10
H - chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm
erlift, m;  - hệ số hữu ích của bơm erlift. Từ
biểu thức (6),ta tính lưu lượng của bơm erlift
phụ thuộc vào lưu lượng khí và chiều cao nâng
hỗn hợp 3 pha:
h
23Q k lg( 0  1)

10
Q
(7)
H
Hệ số hữu ích của bơm erlift xác định theo
công thức [4,6]:
QH 0 g

(8)
h0
Qk Pa lg(1  )
10
 0 - khối lượng riêng của hỗn hợp 3 pha,
kg/m3;
Lưu lượng bơm của bơm erlift không chỉ phụ
thuộc vào lưu lượng khí và đường kính trong
của cần khoan mà còn phụ thuộc vào hệ số nhấn
chìm của bơm trong lòng giếng. Mối quan hệ
giữa hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa
trộn khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của
bơm erlift trong lòng giếng được xác định theo
công thức sau:
h0

(9)
h0  H

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017

 - hệ số nhấn chìm.

Kết quả nghiên cứu [ 4,5,6] cho thấy đường
đặc tính bơm phụ thuộc vào lưu lượng khí, hệ số
và chiều sâu nhấn chìm của bơm erlift khi chiều
cao nâng và sức kháng chuyển động của hỗn hợp
3 pha không thay đổi như mô tả ở hình 2. Đối với
mỗi loại bơm erlift, khi thay đổi mực nước động
trong giếng khoan sẽ dẫn tới thay đổi đặc tính
bơm, vì chiều sâu nhấn chìm bơm erlift phụ
thuộc vào mực nước động trong giếng khoan.
3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG
NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH
BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC
GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở
NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI
3.1. Đặc điểm địa chất thủy văn và địa
tầng chứa nước
Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa
nước trong trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch
là tầng Pliocen (N2) nằm dưới tầng Pleistocen;
chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m 65m; lưu lượng đạt từ 3 l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn
nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ
lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày.

Hình 2. Đường đặc tính bơm của bơm erlift
khi thay đổi hệ số và chiều sâu nhấn chìm.
Cột địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn
Trạch gồm các lớp đất đá kém bền vững, liên
kết yếu như : sét pha cát, cát hạt trung đến thô;
5

và các lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước.
Tầng chứa nước là tầng cát hạt trung đến hạt thô
lẫn sạn sỏi.
Kết quả nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy
các lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến
thô (từ 1mm-0,5mm) và rất thô (từ 2mm-1mm).
Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước
từ 5 mm-2mm (tới 6,6%). Hầu hết các lớp sét pha
đều chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước
lớn hơn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước
nhỏ từ 10-5mm chiếm tới 13,3%.
Các lớp cát pha hạt thô và rất thô có khối
lượng riêng từ 2,63 g/cm3 đến 2,67 g/cm3; độ
rỗng dao động từ 34-35%; hệ số rỗng dao động
từ 0,511-0,579; cường độ kháng nén lớn nhất dao
động từ 13,73 N/cm2 đến 14,58 N/cm2; lực dính
kết dao động từ 0,49 N/cm2 đến 0,63 N/cm2. Các
lớp sét pha và sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái
déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ
2,70 g/cm3 đến 2,77 g/cm3; độ rỗng dao động từ
37-44%; hệ số rỗng dao động từ 0,582-0,795;
cường độ kháng nén lớn nhất dao động từ 9,48
N/cm2 đến 11,85 N/cm2; lực dính kết dao động từ
1,76 N/cm2 đến 2,83 N/cm2.
3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với các giếng khai
thác nước ngầm và thiết bị, dụng cụ khoan
Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm ở
Nhơn Trạch- Đồng Nai được khoan thăm dò
đường kính 120 mm từ 0m-80 m. Sau đó theo yêu

cầu của thiết kế, các giếng khai thác nước đều
được khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78
m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch.
Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng
bơm erlift được áp dụng khoan 18 giếng bổ
sung thay thế các giếng khai thác nước ngầm đã
bị hư hỏng ở khu công nghiệp Nhơn TrạchĐồng Nai. Hình 3 mô tả cấu trúc giếng khai thác
nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn
Trạch được khoan bằng công nghệ tuần hoàn
nghịch bằng bơm erlift.
Để khoan thử nghiệm các tác giả đã lựa chọn
thiết bị và dụng cụ khoan như sau:
1. Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 đã được cải
6

tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước
ngầm bằng công nghệ tuần hoàn nghịch .
2. Dụng cụ khoan gồm: bộ cần khoan đường
kính ngoài 127mm, dày 9 mm, dài 3 m, nối với
nhau bằng mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27
mm,dài 3 m, lắp đối xứng ở cạnh bề mặt ngoài
của cần khoan.
3. Chòong khoan ba cánh đường kính
650mm; 550 mm;

Hình 3. Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm
4. Máy nén khí PDS -750.
Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng
bơm erlift xem hình 4. Chế độ khoan như sau:
- Tải trọng chiều trục lên chòong khoan:

2500 N- 3000 N;
- Tốc độ vòng quay: 25-30 v/ph.
- Áp suất khí nén: 0,5-0,6 MPa; Lưu lượng
khí nén: 6-7 m3/ph.
Trong quá trình khoan sử dụng dung dịch ít sét
để ngăn ngừa sự sập lở thành giếng khoan. Các
thông số cơ bản của dung dịch khoan như sau:
Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu
kiến 22-24 s; độ thải nước 8 - 10 cm3/30 ph.
Sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế, các
giếng khoan được thực hiện các công đoạn xây
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017


dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm như
trong khoan tuần hoàn thuận.
3.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm.
Các kết quả thử nghiệm (bảng 1) áp dụng công
nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan
các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn TrạchĐồng Nai cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật
đạt giá trị cao hơn so với công nghệ tuần hoàn
thuận trong cùng điều kiện ở Nhơn Trạch - Đồng
Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng,
chiều sâu và công suất ở khai thác).

khí; 9.tyô dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu
xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14. mực nước
động; 15. hố dung dịch; 16. choòng khoan.

Hình 5. Hình ảnh sỏi và cát lấy từ giếng khai

thác nước ngầm ở Nhơn Trạch khi khoan tuần
hoàn nghịch bằng bơm erlift
Hình 4. Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn
nghịch bằng bơm erlift
1.cần khoan phía dưới buồng hòa trộn khí;2.
buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước
thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí;
6. ống định hướng; 7.bong bóng khí; 8. máy nén

Hình 5 mô tả một số hình ảnh thành phần và
kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ các giếng
khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch ĐồngNai khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift.

Bảng 1. So sánh kết quả khoan các giếng khai thác nước ngầm ở
Nhơn Trạch bằng công nghệ tuần hoàn nghịch và thuận
Các chỉ tiêu
- Thời gian trung bình khoan, h/giếng
- Tiến độ khoan trung bình, m/h
- Thời gian rửa và làm sạch giếng, h/giếng
- Lưu lượng bình quân 1 giếng, m3/h
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017

Công nghệ
khoan tuần
hoàn nghịch
55, 3
1,45
24
115

Công nghệ
khoan tuần
hoàn thuận
67,8
1,12
52
83

Tỷ lệ tăng giảm
so với tuần hoàn
thuận
Giảm 18%
Tăng 29,5%
Giảm 53,8%
Tăng 39%
7


4. KẾT LUẬN
Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm áp
dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng
bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước
ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy:
- Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng
bơm erlift cho phép khoan các giếng khai thác
nước ngầm đường kính đến 550 mm trong địa
tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu. Ưu điểm của
phương pháp này là các thành phần được đẩy
lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa và mùn
khoan (dòng 3 pha) không tác động trực tiếp

đến thành giếng khoan và đặc tính của tầng
chứa nước. Điều này ít nhiều có tác động tích
cực tới tuổi thọ của giếng cũng như nâng cao
hiệu quả sử dụng giếng.
- Trong cùng một điều kiện địa tầng như ở
Nhơn Trạch, khi áp dụng công nghệ khoan tuần
hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép tăng lưu
lượng khai thác đến 39%; tốc độ cơ học tăng
29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian
thổi rửa và làm sạch giếng giảm 53,8% so với
công nghệ khoan tuần hoàn nghịch.
-Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan,
đường kính cần khoan, lưu lượng và áp suất khí,
công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm
erlift có thể nâng được cột dung dịch với hàm
lượng mùn khoan tới 60%-70% và kích thước hạt
mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Kim Đồng và nnk. Báo cáo đề tài
nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công
nghệ khoan tuần hoàn thuận sang công nghệ
khoan tuần hoàn ngược trong khoan khai thác
nước dưới đất trong điều kiện Việt Nam. Tp.
Hồ Chí Minh-2006
2. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo.
Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn
ngược trong các giếng khai thác nước dưới đất ở
Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ
thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr. 62-65.

3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân.
Báo cáo kết quả khoan thăm dò và khai thác
nước dưới đất khu công nghiệp Nhơn Trạch 5
tại Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện
Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015.
4. Drilling technique manual 1981, Wirth
Maschen-und
Bohrgerate –Fabrik Gmbh;
Germal-1981
5. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation
Drilling Technique in Water Well Construction.
Institute of Exploration Techniques. China
Academy of Geosciences, Beijing 2004.
6. Гейер В. Г. Эрлифтные установки.
Донецк-1982.

Người phản biện:GS.TS. TRƯƠNG BIÊN

8

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017