Ảnh hưởng kích thước mùn khoan tới công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm Erlift và giải pháp nâng cao hiệu quả khoan các giếng khai thác nước ngầm trong trầm tích bở rời

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*
Trong những năm gần đ y, ở Vi t Nam đã
nghiên cứu và áp d ng công ngh khoan tuần
hoàn nghịch (Reverse Circulation drilling –
RCD) ằng ơm erlift (Airlift pump - AP) để
khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm v i m c
đích tăng khả năng thu hồi nƣ c trong tầng
chứa nƣ c.
Kết quả thực tế [ 2,3,4,8,9] cho thấy khi
khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm đƣờng
kính l n đến 550 mm-600 mm ằng công ngh
tuần hoàn nghịch đạt hi u quả cao hơn so v i
công ngh khoan tuần hoàn thuận; song cũng
có m t s nhƣợc điểm khi khoan trong các địa
tầng trầm tích ở rời, liên kết yếu, lẫn cu i sỏi
kích thƣ c đến 50 mm-60 mm; hoặc các tầng

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
ĐD: 0913537739
E-mail:

22

2. ẢNH HƢỞNG KÍCH THƢỚC MÙN
KHOAN TỚI HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ
KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG
BƠM ERLIFT
Cũng nhƣ trong khoan tuần hoàn thuận, trong
khoan tuần hoàn nghịch
hàm lƣợng,hình
dạng,kích thƣ c mùn khoan tạo thành trong quá
trình khoan ph thu c vào tính chất cơ lý đất đá,
kiểu d ng c phá h y đá và các yếu t công
ngh khoan.Các hạt mùn khoan tạo thành trong
quá 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 trong giếng khoan và giảm vận t c cơ
học khoan. Khi hàm lƣợng pha rắn trong nƣ c

rửa tăng từ 8 -36 vận t c cơ học giảm giảm
từ 2,2 m/h đến 1,3 m/h (hình 1) [7,8,9].

Hình 1. Ảnh hưởng của hàm lượng pha rắn
tới vận tốc cơ học khoan
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018


Kh i lƣợng mùn khoan tạo thành trong quá
trình khoan đƣợc xác đinh theo công thức sau:
D 2 V
2
Qm  k GK m  0,785kDGK
Vm
(1)
4
trong đó: Qm - kh i lƣợng mùn khoan tạo
thành trong m t đơn vị thời gian,m3/h; DGK đƣờng kính giếng khoan,m; Vm - vận t c cơ học
khoan,m/h. K= 1,3-1,5- h s mở r ng thành
giếng khoan.
Từ iểu thức (1) ta thấy khi tăng vận t c cơ
học khoan, kh i lƣợng mùn tăng theo; đặc i t
khi khoan các giếng đƣờng kính l n khai thác
nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết yếu,
kém ền vững, ở rời lẫn cu i sỏi.
Trong khoan tuần hoàn nghịch bằng ơm AP,
lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết để rửa sạch đáy
giếng khoan và vận chuyển mùn khoan lên bề
mặt đƣợc xác định theo công thức sau:
(2)

QNR  0,785d 2Vv
Trong đó: QNR - lƣu lƣợng nƣ c rửa cần thiết
để rửa sạch đáy giếng khoan và vận chuyển mùn
khoan lên ề mặt, m3/s; d - đƣờng kính trong
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)
trong 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 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
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

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, khi tính toán vận t c c a
dòng hỗn hợp nƣ c rửa chảy lên bề mặt
thƣờng lấy c =0,25u . Khi đó 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) và Vv=f(dh) trong cùng
m t môi trƣờng nƣ c rửa có kh i lƣợng riêng
 m = 1,05 g/cm3 khi kích thƣ c và kh i lƣợng
lƣợng riêng c a hạt mùn thay đổi đƣợc trình bày
ở hình 2 và hình 3.

Từ các đồ thị (hình 2 và hình 3) ta thấy khi
kích thƣ c và kh i lƣợng riêng c a hạt mùn
khoan tăng thi vận t c lắng đọng c a hạt mùn
khoan và vận t c chảy lên c a d ng nƣ c rửa
vận chuyển mùn cũng tăng theo.
Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm
trong tầng cu i sỏi; các hạt cu i sỏi hình dạng,
kích thƣ c khác nhau đƣợc vận chuyển lên mặt
đất hầu nhƣ c n giữ đƣợc nguyên trạng, ít bị
phá h y. Chiều dài hạt l n nhất từ 40-50 mm;
chiều r ng c a hạt l n nhất đạt t i 15-20 mm.

u

c a nƣ c rửa đã 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 2. Sự ph thuộc vận tốc lắng đọng vào
kích thước và khối lượng riêng của hạt mùn
23


Hình 3. Sự ph thuộc vận tốc dòng nước rửa
lên b mặt vào kích thước và khối lượng riêng
của hạt mùn

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
chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c l n 10
mm cần lựa chọn lƣu lƣợng và vận t c d ng
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
duy trì vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c
rửa trong c t cần khoan l n hơn vận t c lắng
đọng c a các hạt mùn khoan có kích thƣ c và
kh i lƣợng riêng l n nhất. Nếu vận t c d ng
chảy lên nhỏ sẽ dẫn t i lắng đọng và tích t ở đáy
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
c a hạt mùn trong d ng nƣ c rửa (hình 5a).
24

Nếu vận t c d ng nƣ c rửa nhỏ hơn vận t c
lắng đọng thì hạt mùn có xu hƣ ng chuyển
đ ng xu ng dƣ i (hình 5b); nếu vận t c dòng
nƣ c rửa bằng vận t c lắng đọng c a hạt mùn
thì hạt mùn ở trạng thái lơ lửng trong nƣ c
rửa (hình 5c).

Hình 5. Sơ đồ quan hệ giữa vận tốc Vv
và vận tốc u
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018


a. Hạt mùn chuyển đ ng lên phía trên: V v và

c l n hơn u ;
b. Hạt mùn chuyển đ ng xu ng phía dƣ i:
V v và c nhỏ hơn u
c. Hạt mùn lơ lửng trong nƣ c rửa: V v và u
bằng nhau;

Hình 6.Mô phỏng sự chuyển động của các
hạt mùn khoan c kích thước và khối lượng
ri ng khác nhau trong dòng nước rửa
Các hạt mùn khoan trong nƣ c rửa có kích
thƣ c và kh i lƣợng riêng khác nhau, chúng sẽ
chuyển đ ng v i vận t c khác nhau; các hạt
mùn kích thƣ c nhỏ, kh i lƣợng riêng nhỏ sẽ
chuyển đ ng v i vận t c nhanh hơn các hạt mùn
có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng l n. Hình 6
mô phỏng sự chuyển đ ng c a các hạt mùn

khoan có kích thƣ c và kh i lƣợng riêng khác
nhau trong d ng nƣ c rửa. Nếu lƣu lƣợng và
vận t c d ng nƣ c rửa không đ l n đ để vận
chuyển các hạt khoan kích thƣ c l n thì sẽ x y
ra hi n tƣợng lắng đọng, vón c c,tạo nút trong
c t cần khoan, g y khó khăn cho d ng nƣ c rửa
vận chuyển mùn khoan lên ề mặt. Do đó, khi
tính toán lƣu lƣợng và vận t c d ng nƣ c rửa để
vận chuyển các hạt mùn khoan lên bề mặt cần
tính cho các hạt mùn có kích thƣ c và kh i
lƣợng riêng l n nhất.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018

3. GIẢI NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG
NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH
BẰNG BƠM AP CHO CÁC GIẾNG KHAI
THÁC NƢỚC NGẦM TRONG TRẦM
TÍCH BỞ RỜI
Cũng nhƣ công ngh khoan tuần thuận, hi u
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
dich. Vì vậy khi khoan các 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 cơ học trung ình khoan trong
địa tầng trầm tích mềm, ởi rời tăng từ 23 đến
29,5 so v i công ngh khoan tuần hoàn thuận
dùng dung dịch sét để rửa giếng khoan và 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 trong c t cần khoan ph thu c vào nhiều
yếu t , trong đó yếu t lƣu lƣợng khí truyền vào
uồng h a tr n khí (HTK), chiều s u nhấn chìm
uồng HTK trong giếng khoan, đƣờng kính
trong c a c t cần khoan.. là các yếu t cơ ản.
Vì vậy, vi c tính toán lƣu lƣợng nƣ c rửa hợp lý
và lƣu lƣợng khí tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng
ơm cần thiết theo yêu cầu rửa sạch và vận
chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác
nhau lên ề mặt nhằm m c đích n ng cao vận
t c cơ học khoan và chất lƣợng giếng khai thác
25

nƣ c ngầm là m t trong các i n pháp n ng cao
hi u quả khoan giếng.
Từ các kết quả nghiên cứu và thực tiễn [
3,4,5,7,8,9] các chuyên gia thấy rằng để n ng
cao hi u quả công ngh khoan tuần hoàn nghịch
ằng ơm AP cho khoan các giếng đƣờng kính
l n khai thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm
tích ở rời lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau
cần áp d ng m t s i n pháp đồng
nhƣ sau :
1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm
đƣờng kính l n 550 mm trong địa tầng trầm tích
ở rời lẫn cu i sỏi, lƣu lƣợng ơm và lƣu lƣợng
khí nén tƣơng ứng đảm ảo lƣu lƣợng ơm theo
yêu cầu rửa sạch đáy giếng và vận chuyển mùn
khoan lên ề mặt cần đƣợc tính theo phƣơng
pháp sau [ 6,8,9]:
Lƣu lƣợng ơm AP xác định theo công 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 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 ở ên trong c t cần khoan đƣợc xác định
nhƣ sau:
Q Q
( 11)
V1  1, 27 AP 2 K
D1
Trong đó: V1 - vận t c chảy lên c a d ng hỗn
hợp nƣ c rửa ở ên trong c t cần khoan, m/s;
26

Vận t c chảy lên c a d ng hỗn hợp nƣ c
rửa ở ên trong c t cần khoan cần thỏa mãn
điều ki n:
(12)
V1  Vv  u
trong đó 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
2. 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 sạch đáy giếng và
vận chuyển các hạt mùn khoan có kích thƣ c
khác nhau lên ề mặt.
Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm
trong địa tầng đá trầm tích liên kết yếu, ở rời
lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau, đƣờng kính
trong 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 trong c a c t cần khoan,m.
Đồng thời, đƣờng kính trong 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 trong c t cần
khoan khi khoan trong các địa tầng trầm tích ở
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 trong c a ng dẫn khí đƣợc tính
theo công 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, khi tính toán đƣờng kính ng dẫn khí
cần đảm ảo V2 nhỏ hơn 10 m/s , nêu l n hơn sẽ
x y ra hi n tƣợng trƣợt khí khi n ng c t hỗn
hợp nƣ c rửa lên ề mặt [ 8,9].
3. Sử d ng nƣ c lã để rửa giếng khoan nhằm
m c đích hạn chế tầng chứa nƣ c ị nhiễm n,
các khe nứt dẫn nƣ c không ị lấp nhét ởi mùn
khoan,v.v.. để tăng khả năng thu hồi nƣ c.
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2+3-2018


4. Tăng khả năng phá h y và nghiền đất đá ở
đáy giếng để tạo các 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 và chất lƣợng giếng.
Các giải pháp nêu trên là các giải pháp cơ
ản để n ng cao hi u quả công ngh khoan tu n
hoàn nghịch ằng ơm AP cho các giếng khai
thác nƣ c ngầm trong địa tầng trầm tích liên kết

yếu ở rời, lẫn cu i sỏi..
KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu ở trên ta có thể rút
ra m t s kết luận cơ ản nhƣ sau:
1. Khi khoan các giếng khai thác nƣ c ngầm
trong trầm tích liên kết yếu bở rời lẫn cu i sỏi...;
mùn khoan tạo thành trong quá trình khoan
thƣờng lẫn cu i sỏi kích thƣ c khác nhau đã g y
khó khăn phức tạp cho vi c rửa sạch giếng
khoan làm ảnh hƣởng t i hi u quả khoan và
chất lƣợng giếng.
2. Để tăng khả năng rửa sạch giếng và vận
chuyển các hạt mùn khoan kích thƣ c khác
nhau lên ề mặt cần phải áp d ng m t s

i n

pháp sau : a/ tính toán lƣu lƣợng ơm và lƣu
lƣợng khí nén tƣơng ứng đảm ảo rửa sạch đáy
giếng và 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
sạch đáy giếng và vận chuyển các hạt mùn
khoan có kích thƣ c khác nhau lên ề mặt.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Báo cáo kết quả khoan thăm d kết hợp
khai thác nƣ c dƣ i đất khu CN Nhơn Trạch 5
tại huy n Nhơn Trạch-tỉnh Đồng Nai. Vi n
Công ngh Khoan-2015.
2. Báo cáo kết quả hoàn công giếng. Công
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.
3. Nguyễn Xuân Thảo, Nguyễn Duy Tuấn,
Nguyễn Thế Vinh; nghiên cứu công ngh khoan
tuần hoàn nghịch bằng ơm Erlift để khoan các
giếng khai thác nƣ c ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng
Nai. Tạp chí Địa Kỹ thuật s 2-2016; tr.3-8.
4. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xu n Thảo.
Kết quả áp d ng công ngh khoan tuần hoàn
ngƣợc trong các giếng khai thác nƣ c dƣ i đất ở
Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ
thuật Mỏ- Địa chất s 54/04-2016, tr. 62-65.
5. Douglas Joseph Reinemann , A theoretical
and experimental study of airlift pumping and
aeration with reference to aquacultural; A thesis
Cornell University 1987.
6. Drilling technique manual, Wirth
Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh;
Germal-1981
7.Ground Water Manual. U.S. Department of
Inferior- Washington,1980.
8. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation
Drilling Technique in Water Well Construction.
Institute of Exploration Techniques. China

Academy of Geosciences, Beijing 2004.
9. 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