Nâng cao hiệu quả công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cho các giếng khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích bở rời vùng nhơn trạch, đồng nai
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.79 MB, 138 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN DUY TUẤN
NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN
TUẦN HOÀN NGHỊCH CHO CÁC GIẾNG KHAI
THÁC NƯỚC NGẦM TRONG ĐỊA TẦNG TRẦM
TÍCH BỞ RỜI VÙNG NHƠN TRẠCH, ĐỒNG NAI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN DUY TUẤN
NÂNG CAO HIỆU QUẢ CÔNG NGHỆ KHOAN
TUẦN HOÀN NGHỊCH CHO CÁC GIẾNG KHAI
THÁC NƯỚC NGẦM TRONG ĐỊA TẦNG TRẦM
TÍCH BỞ RỜI VÙNG NHƠN TRẠCH, ĐỒNG NAI
Ngành: Kỹ thuật dầu khí
Mã số: 9520604
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. NGUYỄN THẾ VINH
2. PGS.TS. NGUYỄN XUÂN THẢO
Hà Nội - 2020
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
một công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2020
Tác giả
Nguyễn Duy Tuấn
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
MỤC LỤC.........................................................................................................ii
CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................................... v
CÁC KÝ HIỆU ............................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ................................................................................. ....ix
DANH MỤC HÌNH.........................................................................................xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 2
4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu .............................................................. 3
5. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu ................................................... 3
6. Tài liệu cơ sở của luận án ........................................................................... 4
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 4
8. Tính mới và những đóng góp của luận án ................................................... 4
9. Luận điểm bảo vệ ....................................................................................... 5
10. Khối lượng và cấu trúc của luận án........................................................... 5
11. Lời cám ơn ............................................................................................... 5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN
NGHỊCH TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM................................................. 7
1.1. Phân tích và đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp tuần hoàn nước
rửa trong quá trình khoan ............................................................................... 7
1.2. Các phương tiện duy trì dòng nước rửa THN trong giếng khoan ........... 12
1.3. Tình hình nghiên cứu áp và dụng công nghệ khoan THN trên thế giới .. 18
1.4. Tình hình nghiên cứu và áp dụng công nghệ khoan THN ở Việt Nam ... 24
1.5. Các dạng phức tạp và nguyên nhân làm giảm hiệu quả khoan THN ...... 30
iii
CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT, ĐỊA CHẤT THỦY VĂN VÙNG
NHƠN TRẠCH, ĐỒNG NAI VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ KHOAN
TUẦN HOÀN NGHỊCH ĐỂ THI CÔNG CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC
NGẦM ......................................................................................................... 33
2.1. Khái quát về điều kiện địa lý và kinh tế - xã hội vùng nghiên cứu ......... 33
2.2. Điều kiện Địa chất thủy văn và các phức hệ chứa nước ......................... 35
2.3. Đặc điểm cấu trúc địa tầng và tính chất cơ lý đất đá .............................. 39
2.4. Lựa chọn công nghệ khoan THN cho các giếng KTNN ở vùng Nhơn
Trạch, Đồng Nai ........................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH BẰNG BƠM AIRLIFT
CHO CÁC GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM VÙNG NHƠN TRẠCH,
ĐỒNG NAI .................................................................................................. 56
3.1. Đặc điểm công nghệ khoan THN bằng bơm airlift ................................ 56
3.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả công nghệ khoan THN bằng bơm
airlift ............................................................................................................ 62
3.3. Các giải pháp nâng cao hiệu quả công nghệ khoan THN bằng bơm airlift
cho các giếng KTNN ở vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai ................................... 73
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM TRONG ĐIỀU KIỆN SẢN XUẤT VÀ KẾT
QUẢ ÁP DỤNG CÔNG NGHIỆP .. ............................................................ 84
4.1. Mục đích thử nghiệm............................................................................. 84
4.2. Điều kiện thử nghiệm ............................................................................ 84
4.3. Chế độ công nghệ khoan thử nghiệm ..................................................... 92
4.4. Trình tự thử nghiệm............................................................................... 93
4.5. Đánh giá kết quả thử nghiệm ................................................................. 94
4.6. Kết quả áp dụng công nghệ khoan THN bằng bơm airlift ở khu công
nghiệp Nhơn Trạch 5, Đồng Nai........................................................ ...........96
iv
KẾT LUẬN................................................................................................ 103
KIẾN NGHỊ ............................................................................................... 104
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ......... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 107
PHỤ LỤC 1 Kết quả tính toán lưu lượng nước rửa phụ thuộc vào vận tốc của
dòng nước rửa chảy lên bề mặt và đường kính trong của cột cần khoan trong
khoan THN ................................................................................................. xiv
PHỤ LỤC 2. Cột địa tầng và cấu trúc các giếng khoan thử nghiệm............. xvi
PHỤ LỤC 3. Thiết bị khoan thử nghiệm ................................................. .....xx
PHỤ LỤC 4. Kết quả quan trắc QAP phụ thuộc vào QK khi chiều sâu h và hệ số
nhúng chìm buồng HTK α thay đổi .......................................................... ...xxi
PHỤ LỤC 5. Kết quả tính toán vận tốc VV, vận tốc Vh phụ thuộc vào lưu
lượng bơm QAP và QK khi chiều sâu h thay đổi. ............................ ............ xxiii
PHỤ LỤC 6. Kết quả quan trắc vận tốc cơ học và hàm lượng mùn khoan tạo
thành trong quá trình khoan phụ thuộc vào đặc điểm đất đá.........................xxv
v
CÁC TỪ VIẾT TẮT
BHT
Buồng hòa trộn
DCK
Dụng cụ khoan
ĐCCT
Địa chất công trình
ĐCTV
Địa chất thủy văn
HTK
Hòa trộn khí
KGVX
Không gian vành xuyến
KTNN
Khai thác nước ngầm
THN
Tuần hoàn nghịch
THT
Tuần hoàn thuận
vi
CÁC KÝ HIỆU
c- vận tốc cần thiết để nâng hạt mùn, m/s;
D1- đường kính trong của cột cần khoan, m;
d1- đường kính trong của ống dẫn khí, m;
DGK- đường kính giếng khoan, m;
dh- đường kính của hạt mùn, m;
F1- diện tích đáy giếng khoan theo lý thuyết, m2;
F2- diện tích đáy giếng khoan thực tế, m2;
G- tải trọng chiều trục, kN;
g- gia tốc trọng trường, m/s2;
H- chiều cao nâng cột nước rửa tính từ buồng HTK đến điểm cao xả, m;
HGK- chiều sâu giếng khoan, m;
Hn- chiều cao cột hỗn hợp nước rửa tính từ miệng giếng đến điểm cao xả, m;
h- chiều sâu nhúng chìm buồng hòa trộn khí so với mực nước động, m;
h0- chiều cao nâng cột nước rửa tính từ mực nước động đến điểm cao xả;
hđ - chiều sâu mực nước động, m;
hn- chiều cao chênh lệch cột nước rửa so với mực nước động khi bắt đầu khởi
động máy nén khí;
htt- chiều sâu mực nước tĩnh, m;
K2- hệ số tính tới chuyển động xoắn của hạt mùn do cột cần quay trong quá
trình khoan;
Km- hệ số mở rộng thành giếng khoan;
Kn- hệ số nén khí do áp suất cột nước ở phía trên buồng HTK;
Ksl- tỷ lệ thể tích mùn khoan và thể tích nước rửa được bơm lên bề mặt, %;
k- hệ số tổn thất áp suất do ma sát khi hỗn hợp nước rửa chuyển động trong
cột cần khoan;
vii
kv- hệ số tính tới chuyển động không đồng đều của dòng nước rửa;
l- chiều dài ống hút, m;
lkh- chiều dài khoan được, m;
N- năng lượng cần thiết của khí nén để nâng hỗn hợp nước rửa từ buồng hòa
trộn lên bề mặt, J;
n- vận tốc vòng quay, v/ph;
Pa- áp suất khí quyển, Pa;
Pc- áp suất trong buồng HTK, Pa;
Pc- áp suất trong buồng HTK, Pa;
Pc1- áp suất trong buồng HTK khi bắt khởi động máy nén khí, Pa;
Pg- tổn thất áp suất do gia tốc trọng trường của hỗn nước rửa, Pa;
Ph- áp suất hút của máy bơm ly tâm, Pa;
Phc- tổn thất áp suất do thay đổi hướng dòng chảy của hỗn hợp nước rửa, Pa;
Pm- tổn thất áp suất do ma sát khi hỗn hợp nước rửa chuyển động trong cần
khoan, Pa;
Pρ- tổn thất áp suất do tăng khối lượng riêng của nước rửa trong cột cần
khoan, Pa;
AP
QTN
- lưu lượng nước rửa thử nghiệm, m3/s;
QAP lưu lượng bơm airlift, m3/s;
Qh- lưu lượng hút, m3/s;
QK - lưu lượng khí nén truyền vào buồng HTK, m3/ph;
Qm- thể tích mùn khoan tạo thành trong một đơn vị thời gian, m3/h;
Qt - lưu lượng khí tách ra từ hỗn hợp nước - khí - mùn khoan, m3/s;
q- tiêu hao khí nén để nâng 1m3 hỗn hợp nước rửa lên bề mặt;
tkh- thời gian khoan thuần túy, ph;
tth- thời gian nước rửa chảy đầy thùng thử nghiệm, s;
u- vận tốc lắng đọng của hạt mùn do trọng lực, m/s;
viii
V2 - vận tốc dòng khí nén, m/s;
VAP - vận tốc chảy lên của dòng nước rửa 3 pha gồm khí - nước - mùn khoan,
m/s;
Vm - vận tốc cơ học khoan, m/h;
Vsl - thể tích mùn khoan cùng với sỏi, cuội lắng đọng trong thùng thử nghiệm,
m3;
Vth - thể tích thùng thử nghiệm bằng 1 m3;
VV - vận tốc chảy lên bề mặt của dòng nước rửa, m/s;
W- vận tốc trượt khí, m/s;
W - hệ số tổn thất áp suất do ma sát khi hỗn hợp nước rửa chuyển động trong
đầu xa nhích;
Α - hệ số nhúng chìm buồng HTK;
Ρ - khối lượng riêng của nước rửa trong KGVX giếng khoan, kg/m3;
ρ1 - khối lượng riêng của hỗn hợp nước rửa trong giếng khoan, kg/m3;
ρ3 - khối lượng riêng của hỗn hợp 3 pha, g/cm3;
ρh - khối lượng riêng của hạt mùn, g/cm3;
ρmd - khối lượng riêng của nước rửa đã hòa trộn với mùn khoan, g/cm3;
ρhh - khối lượng riêng của hỗn hợp nước rửa hút ra khỏi giếng khoan, kg/m3;
ix
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh các chỉ tiêu cơ bản khoan các giếng KTNN bằng công nghệ
THN và công nghệ THT ............................................................................... 27
Bảng 1.2. Kết quả khoan THN bằng bơm airlift sử dụng dung dịch sét
bentonit để rửa giếng ở khu Nhơn Trạch 1, Đồng Nai .................................. 30
Bảng 2.1. Lượng mưa trung bình hàng tháng tại trạm khí tượng Biên Hòa... 34
Bảng 2.2. Thành phần hạt của các lớp đất đá ................................................ 41
Bảng 3.1. Vận tốc cơ học và hàm lượng mùn khoan tạo thành trong quá trình
khoan phụ thuộc vào đặc điểm đất đá.............................................................69
Bảng 3.2. Chế độ công nghệ hợp lý khoan THN bằng bơm airlift kết hợp sử
dụng nước kỹ thuật để khoan các giếng KTNN trong trầm tích bở rời vùng
Nhơn Trạch, Đồng Nai....................................................................................77
Bảng 3.3. Sự phụ thuộc QAP, VV và Vh vào lưu lượng khí nén QK khi chiều
sâu h và hệ số nhúng chìm của buồng HTK thay đổi.................................78
Bảng 4.1. Tọa độ các giếng khoan thử nghiệm ............................................. 86
Bảng 4.2. Đặc điểm địa tầng giếng khoan thử nghiệm GK4A ...................... 86
Bảng 4.3. Đặc tính kỹ thuật cần khoan ......................................................... 90
Bảng 4.4. Các thông số chế độ khoan thử nghiệm ........................................ 92
Bảng 4.5. Kết quả quan trắc thời gian bơm rửa, lưu lượng bơm và hạ thấp
mực nước trong các giếng khoan thử nghiệm................................................ 95
Bảng 4.6. So sánh kết quả khoan thử nghiệm THN sử dụng nước kỹ thuật với
khoan THN sử dụng dung dịch sét ở Nhơn Trạch 1, Đồng Nai......................96
Bảng 4.7. So sánh thời gian bơm rửa giếng .................................................. 99
Bảng 4.8. So sánh chỉ số hạ thấp mực nước ngầm trong giếng ................... 100
Bảng 4.9. Tổng hợp chỉ số hạ thấp mực nước trong giếng .......................... 100
Bảng 4.10. So sánh lưu lượng giếng, m3/giờ............................................... 101
x
Bảng 4.11. So sánh kết quả khoan các giếng KTNN ở Nhơn Trạch, Đồng Nai
bằng công nghệ khoan THN sử dụng nước kỹ thuật để rửa giếng với công
nghệ khoan THN và công nghệ khoan THT dùng dung dịch sét .................101
xi
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phương pháp nước rửa THT trong giếng khoan .............................. 8
Hình 1.2. Cấu trúc giếng KTNN khoan bằng phương pháp nước rửa THT ..... 9
Hình 1.3. Phương pháp nước rửa THN trong giếng khoan............................ 10
Hình 1.4. Phương pháp nước rửa tuần hoàn phối hợp trong giếng khoan...... 11
Hình 1.5. Phương pháp duy trì dòng nước rửa THN bằng máy bơm nước rửa
kết hợp với thiết bị bịt kín miệng giếng ........................................................ 13
Hình 1.6. Phương pháp duy trì dòng nước rửa THN bằng bơm airlift trong
khoan giếng KTNN ...................................................................................... 14
Hình 1.7. Phương pháp duy trì dòng nước rửa THN bằng bơm airlift trong
khoan xoay lấy mẫu...................................................................................... 16
Hình 1.8. Cấu tạo buồng HTK ...................................................................... 16
Hình 1.9. Phương pháp duy trì dòng nước rửa THN bằng bơm ly tâm kết hợp
với bơm chân không ..................................................................................... 17
Hình 1.10. Phương pháp duy trì dòng nước rửa THN bằng máy bơm ly tâm
kết hợp với vòi phun..................................................................................... 18
Hình 1.11. Thiết bị khoan THN của Hãng WIRTH (Đức) ............................ 19
Hình 1.12. Cần khoan với ống dẫn khí nối với nhau bằng mặt bích của hãng
WIRTH (Đức) .............................................................................................. 20
Hình 1.13. Máy khoan THN kiểu GP-30 (Trung Quốc)................................ 21
Hình 1.14. Sự phụ thuộc lưu lượng bơm nước rửa QAP và tiêu hao khí nén q
vào lưu lượng khí QK...…………………………………………………. . ....22
Hình 1.15. Sự phụ thuộc QAP = f(QK) khi chiều sâu h và hệ số nhúng chìm α
thay đổi ........................................................................................................ 23
Hình 1.16. Cấu trúc cụm giếng quan trắc nước ngầm số Q401 ở đồng bằng
Nam bộ......................................................................................................... 25
xii
Hình 2.1. Bản đồ ĐCTV khu công nghiệp Nhơn Trạch, huyện Nhơn Trạch,
tỉnh Đồng Nai ............................................................................................... 36
Hình 2.2. Cột địa tầng đặc trưng cho vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai .............. 40
Hình 2.3. Cát hạt thô màu xám trắng lẫn cuội, sỏi ........................................ 43
Hình 2.4. Sét pha màu nâu hồng - xám trắng lẫn cuội, sỏi ............................ 43
Hình 2.5. Sét pha màu vàng lẫn cuội sỏi ....................................................... 43
Hình 2.6. Cát hạt thô màu xám lẫn cuội sỏi .................................................. 43
Hình 2.7. Cuội và sỏi trong tầng cát màu nâu vàng....................................... 44
Hình 2.8. Kích thước cuội sỏi trong tầng chứa nước..................................... 44
Hình 2.9. Áp suất hút phụ thuộc vào chiều sâu giếng khoan khi khối lượng
riêng hh của hỗn hợp nước rửa trong giếng thay đổi.................................... 47
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm airlift .................................... 50
Hình 2.11. Đồ thị so sánh lưu lượng bơm phụ thuộc vào chiều sâu giếng trong
khoan THN .................................................................................................. 51
Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý lắp đặt ống dẫn khí và cột cần khoan trong khoan
THN bằng bơm airlift ................................................................................... 52
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý các giai đoạn làm việc của bơm airlift ................ 57
Hình 3.2. Sơ đồ quan hệ giữa vận tốc chảy lên VV của dòng nước rửa và vận
tốc u lắng đọng của hạt mùn khoan .............................................................. 64
Hình 3.3. Đặc điểm chuyển động của các hạt mùn có kích thước và khối
lượng riêng khác nhau trong dòng nước rửa ................................................. 65
Hình 3.4. Sự phụ thuộc vận tốc lắng đọng u vào kích thước và khối lượng
riêng của hạt mùn khoan............................................................................... 67
Hình 3.5. Sự phụ thuộc vận tốc chảy lên VV của dòng nước rửa vào kích thước
và khối lượng riêng hạt mùn khoan .............................................................. 67
Hình 3.6. Ảnh hưởng của hàm lượng mùn khoan tới vận tốc cơ học khoan .. 68
Hình 3.7. Sự phụ thuộc vận tốc cơ học khoan vào tải trọng chiều trục.......... 71
xiii
Hình 3.8. Sự phụ thuộc QAP = f(QK) khi đường kính trong của cần khoan và hệ
số nhúng chìm α thay đổi ............................................................................ 72
Hình 3.9. Sự phụ thuộc lưu lượng nước rửa vào lưu lượng khí nén và chiều
sâu nhúng chìm buồng HTK......................................................................... 79
Hình 4.1. Vị trí các giếng khoan thử nghiệm trong khu công nghiệp Nhơn
Trạch 1, Đồng Nai ........................................................................................ 85
Hình 4.2. Cột địa tầng và cấu trúc giếng khoan thử nghiệm GK-4A ............. 87
Hình 4.3. Cấu trúc bộ DCK thử nghiệm ....................................................... 89
Hình 4.4. Choòng 2 cánh .............................................................................. 91
Hình 4.5. Choòng 3 cánh .............................................................................. 91
Hình 4.6. Hình ảnh choòng dùng khoan giếng KTNN ở vùng Nhơn Trạch,
Đồng Nai ...................................................................................................... 91
Hình 4.7. Khoan giếng KTNN ở Nhơn Trạch, Đồng Nai bằng công nghệ
khoan THN .................................................................................................. 97
Hình 4.8. Vị trí các giếng khoan thi công bằng phương pháp khoan THT và
THN tại khu công nghiệp Nhơn Trạch 5, Đồng Nai ..................................... 98
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Khu công nghiệp Nhơn Trạch, Đồng Nai gồm các khu Nhơn Trạch
1,2,3,4,5 nằm ở trung tâm vùng trọng điểm kinh tế phía Nam của đất nước
bao gồm: Khu công nghiệp Long Thành, Tam Phước, Gò Dầu, Vêdan v.v của
tỉnh Đồng Nai, cạnh đó là thành phố Hồ Chí Minh và tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu.
Trong khu công nghiệp Nhơn Trạch, Đồng Nai có nhà máy nước Tuy Hạ,
công suất 22.000 m3/ngđ. Nhà máy có 24 giếng khai thác nước trong tầng
chứa nước trầm tích Plioxen. Sau một thời gian vận hành khai thác, một số
giếng nhanh chóng suy giảm lưu lượng do giếng bị suy thoái cơ học và thủy
động lực học liên quan chủ yếu đến quá trình xây dựng giếng và vận hành
khai thác, trong đó yếu tố công nghệ khoan đóng vai trò chủ đạo.
Để nhà máy nước Tuy Hạ cung cấp đủ nước cho khu công nghiệp Nhơn
Trạch, Đồng Nai và các khu vực lân cận, ngày 06/4/2015 Cục Quản lý tài
nguyên nước đã có Công văn số 267/TNN-NDĐ cho phép khu công nghiệp
Nhơn Trạch, Đồng Nai được khoan bổ sung thêm các giếng KTNN và một số
giếng thay thế cho các giếng đã suy giảm lưu lượng và hư hỏng.
Từ trước đến nay ở Việt Nam cũng như ở khu công nghiệp Nhơn Trạch,
Đồng Nai đều áp dụng công nghệ khoan xoay tuần hoàn thuận để khoan các
giếng KTNN. Kết quả thực tế cho thấy khi khoan các giếng KTNN trong trầm
tích Plioxen vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai bằng công nghệ khoan THT bộc lộ
một số nhược điểm sau:
- Các tầng đất đá yếu bở rời, liên kết yếu dễ bị sập lở gây khó khăn cho
quá trình khoan, kéo dài thời gian thi công giếng;
- Để hạn chế thành giếng bị sập lở, quá trình khoan phải sử dụng dung
dịch sét có khối lượng riêng và độ nhớt lớn. Điều này đã làm tăng nguy cơ
xâm nhập dung dịch và gây nhiễm bẩn tầng chứa nước do các lỗ rỗng dẫn
2
nước bị lấp nhét bởi mùn khoan. Ngoài ra, dung dịch sét với khối lượng riêng
lớn còn tạo chiều dày vỏ sét lớn trên thành lỗ khoan gây khó khăn cho công
tác phục hồi độ thấm ban đầu của tầng chứa nước. Các yếu tố trên đã làm tăng
chi phí bơm rửa và không thể phục hồi hoàn toàn độ thấm ban đầu của tầng
chứa, lưu lượng khai thác của giếng bị giảm so với thiết kế;
- Nhiều trường hợp, để khắc phục hiện tượng thành giếng bị sập lở phải
sử dụng ống chống dẫn đến cấu trúc giếng gồm nhiều cột ống chống, làm tăng
chi phí xây dựng giếng.
Công nghệ khoan THN đã được áp dụng phổ biến trên thế giới và cho
thấy tính ưu việt của nó khi khắc phục được những hạn chế như đã nêu ở trên.
Ở Việt Nam, công nghệ khoan THN đã được biết đến từ khá lâu, tuy nhiên
mới chỉ được áp dụng rộng rãi trong một vài năm gần đây. Quá trình áp dụng
công nghệ này trong từng điều kiện cụ thể của Việt Nam còn nhiều tồn tại cả
về thiết bị và quy trình công nghệ.
Từ các phân tích trên cho thấy sự cần thiết của công tác nghiên cứu:
“Nâng cao hiệu quả công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cho các giếng
khai thác nước ngầm trong địa tầng trầm tích bở rời vùng Nhơn Trạch,
Đồng Nai”. Kết quả nghiên cứu sẽ không chỉ được áp dụng để thi công các
giếng KTNN ở Nhơn Trạch, Đồng Nai nói riêng mà còn được áp dụng để thi
công khoan các giếng KTNN trong các địa tầng trầm tích ở các vùng đồng
bằng trên cả nước.
2. Mục đích nghiên cứu
Nâng cao hiệu quả công nghệ khoan THN khi thi công các giếng KTNN
trong địa tầng trầm tích bở rời vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Công nghệ khoan THN khi thi công các giếng
KTNN.
3
- Phạm vi nghiên cứu: Địa tầng trầm tích bở rời vùng Nhơn Trạch,
Đồng Nai.
4. Nhiệm vụ và nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục đích nghiên cứu cần thực hiện các nội dung sau:
- Thu thập các tài liệu kỹ thuật liên quan tới công nghệ khoan THN đã
được công bố trên thế giới và ở Việt Nam;
- Thu thập các tài liệu về địa chất, ĐCTV ở vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai
để nghiên cứu, phân tích đánh giá đặc điểm địa tầng, đặc biệt là tầng chứa
nước;
- Nghiên cứu, lựa chọn các giải pháp công nghệ khoan THN phù hợp với
điều kiện địa tầng trầm tích vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai để nâng cao hiệu
quả khoan, nâng cao khả năng thu hồi nước và chất lượng giếng khai thác;
- Thử nghiệm trong điều kiện sản xuất để kiểm chứng các giải pháp nâng
cao hiệu quả công nghệ khoan THN đã đề xuất để thi công các giếng KTNN
vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai;
- Phân tích, đánh giá hiệu quả của phương pháp khoan THN so với các
phương pháp khoan đã áp dụng để khoan các giếng KTNN ở vùng Nhơn
Trạch, Đồng Nai và triển vọng áp dụng công nghệ khoan THN ở Việt Nam.
5. Phương pháp nghiên cứu và xử lý số liệu
- Phương pháp thư mục: Thu thập, thống kê, phân tích số liệu liên quan
tới lĩnh vực nghiên cứu của đề tài;
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu công nghệ khoan THN đã thực
hiện trên thế giới và lựa chọn các giải pháp nâng cao hiệu quả khoan giếng
KTNN ở Nhơn Trạch, Đồng Nai;
- Phương pháp thử nghiệm: Thử nghiệm các kết quả nghiên cứu trong
điều kiện sản xuất từ đó hoàn thiện các giải pháp nâng cao hiệu quả thi công
giếng bằng công nghệ khoan THN.
4
- Phương pháp tính toán: Ứng dụng toán xác suất, toán thống kê, chương
trình Excel để xử lý và phân tích các số liệu nghiên cứu.
6. Tài liệu cơ sở của luận án
Luận án được xây dựng trên cơ sở các công trình nghiên cứu về công
nghệ khoan THN đã được công bố trên thế giới và ở Việt Nam; các công trình
nghiên cứu của tác giả được công bố trong các tạp chí khoa học chuyên ngành
như: Tạp chí khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất; Tạp chí Địa kỹ thuật, Tạp chí
Tài nguyên nước; trong kỷ yếu hội nghị khoa học quốc tế về kinh tế và quản
lý hoạt động khoáng sản (EMME); trong kỷ yếu hội nghị khoa học toàn quốc
VietGeo-2019 v.v; các số liệu thống kê từ thực tế sản xuất ở các đơn vị thăm
dò, KTNN.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần hoàn
thiện công nghệ và các giải pháp nâng cao hiệu quả khoan THN không chỉ
cho công tác khoan các giếng KTNN trong trầm tích bở rời ở vùng Nhơn
Trạch, Đồng Nai mà còn cho khoan các giếng KTNN có điều kiện địa tầng
tương tự.
- Ý nghĩa thực tiễn: Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của đề tài, các
chuyên gia, các nhà quản lý trong lĩnh vực KTNN có thể lựa chọn phương
pháp và công nghệ khoan THN phù hợp với điều kiện địa tầng, phù hợp với
thiết bị sẵn có để thi công các giếng KTNN hiệu quả nhất.
8. Tính mới và những đóng góp của luận án
- Đã đề xuất áp dụng công nghệ khoan THN bằng bơm airlift kết hợp với
sử dụng nước kỹ thuật để rửa giếng thay thế cho công nghệ khoan truyền
thống sử dụng dung dịch sét khi khoan các giếng KTNN trong địa tầng trầm
tích bở rời ở Việt Nam.
5
- Kết quả nghiên cứu của đề tài đã góp phần hoàn thiện công nghệ khoan
THN bằng bơm airlift để khoan các giếng KTNN trong trầm tích bở rời ở
vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai và cho các giếng KTNN có điều kiện địa tầng
tương tự.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ giúp các chuyên gia, các nhà quản lý
lựa chọn phương pháp khoan giếng khai nước ngầm phù hợp với điều kiện địa
tầng chứa nước và điều kiện thiết bị sẵn có để nâng cao hiệu quả khoan và
chất lượng, công suất giếng khai thác.
9. Luận điểm bảo vệ
- Luận điểm 1: Áp dụng công nghệ khoan THN bằng bơm airlift kết hợp
sử dụng nước kỹ thuật để rửa giếng khi khoan các giếng KTNN trong địa tầng
trầm tích bở rời ở vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai là hợp lý, đáp ứng được yêu
cầu nâng cao hiệu quả khoan và chất lượng giếng khai thác.
- Luận điểm 2: Đối với địa tầng vùng Nhơn Trạch, Đồng Nai, để vận
chuyển hiệu quả mùn khoan lẫn cuội sỏi kích thước từ 30 mm - 50 mm lên bề
mặt, trong trường hợp sử dụng cần khoan đường kính trong 115 mm cần duy
trì vận tốc dòng nước rửa chảy lên bề mặt trong khoảng từ 4,2 m/s - 7,8 m/s,
với lưu lượng khí nén tương ứng từ 3 m/s - 4,5 m3/ph.
10. Khối lượng và cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung, kết luận, kiến nghị,
danh mục các công trình khoa học đã công bố của tác giả, tài liệu tham khảo
và phần phụ lục. Toàn bộ nội dung của luận án được trình bày trong 111 trang
trên khổ giấy A4, cỡ chữ 14, font chữ Time New Roman, trong đó có 45 hình,
18 bảng.
11. Lời cám ơn
Luận án được hoàn thành tại bộ môn Khoan - Khai thác, khoa Dầu khí,
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS
6
Nguyễn Thế Vinh, Trường Đại học Mỏ - Địa chất và PGS.TS Nguyễn Xuân
Thảo, Viện Công nghệ Khoan. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới các thầy đã tận tình chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu của tác giả.
Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả còn nhận được sự giúp đỡ
nhiệt tình của các chuyên gia, các nhà khoa học của Bộ môn Khoan - Khai
thác; Bộ môn thiết bị Dầu khí và Công trình; Viện Công nghệ Khoan; Công ty
TNHH MTV phát triển đô thị và khu công nghiệp IDICO; Viện Công nghệ
Khoan - Khai thác; Hội Công nghệ Khoan - Khai thác Việt Nam; Viện Địa
chất, Nước và Môi trường... Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc trước sự giúp
đỡ hết sức quý báu đó.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những người thân trong
gia đình, tới anh em, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ
trong suốt thời gian tác giả thực hiện luận án.
Tác giả luôn mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp để nâng cao
kiến thức khoa học của bản thân và để bản luận án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH
TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1. Phân tích và đánh giá ưu nhược điểm các phương pháp tuần hoàn
nước rửa trong quá trình khoan
Hiện nay, trong công tác khoan xoay thăm dò khoáng sản nói chung,
khoan xoay thăm dò KTNN nói riêng đang áp dụng 3 phương pháp tuần hoàn
nước rửa trong giếng khoan: Phương pháp nước rửa THT (rửa thuận); phương
pháp nước rửa THN (rửa nghịch); phương pháp nước rửa tuần hoàn phối hợp
(thuận - nghịch). Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng. Vì
vậy, trong thực tế thường căn cứ vào mục đích, yêu cầu của giếng khoan, điều
kiện và tính chất địa tầng khoan qua, điều kiện công nghệ khoan để lựa chọn
phương pháp rửa giếng phù hợp và hiệu quả nhất.
1.1.1. Phương pháp nước rửa tuần hoàn thuận (THT)
Trong phương pháp nước rửa THT (hình 1.1), nước rửa được bơm trực
tiếp qua cột cần khoan xuống đáy giếng để làm mát bộ DCK và vận chuyển
mùn khoan lên bề mặt qua khe hở giữa cần khoan và thành giếng khoan
(KGVX). Phương pháp nước rửa THT, mặc dù được áp dụng rộng rãi trong
công tác khoan thăm dò địa chất, khoan KTNN v.v song trong các điều kiện
địa chất phức tạp còn thể hiện các tồn tại sau:
- Khi khoan xoay lấy mẫu trong các tầng đất đá mềm, bở rời liên kết yếu,
nứt nẻ hoặc cứng mềm xen kẽ thường xảy ra hiện tượng mất mẫu hoặc tỷ lệ
mẫu giảm do tác động của dòng chảy nước rửa;
- Thường xảy ra hiện tượng kẹt mút, kẹt bó bộ DCK và sập lở thành
giếng khi khoan qua địa tầng mềm yếu, kém bền vững, vỡ vụn bở rời;
8
Hình 1.1. Phương pháp nước rửa THT trong giếng khoan
- Khi khoan các giếng KTNN đường kính lớn đòi hỏi tăng lưu lượng
nước rửa để tăng vận tốc chảy lên của dòng nước rửa trong KGVX do diện
tích tiết diện KGVX lớn so với diện tích tiết diện dòng chảy trong cần khoan;
- Khi khoan các giếng KTNN trong các địa tầng nứt nẻ, địa tầng mềm
yếu, bở rời, kém bền vững thường dùng dung dịch sét để rửa giếng khoan, do
đó tầng chứa nước dễ bị nhiễm bẩn; cấu trúc giếng khoan phức tạp, sử dụng
nhiều tầng ống chống (hình 1.2); chi phí nhiều thời gian cho việc chống ống
và thời gian cho bơm rửa phục hồi trạng thái ban đầu của tầng chứa nước v.v.
1.1.2. Phương pháp nước rửa tuần hoàn nghịch (THN)
Trong phương pháp nước rửa THN, nước rửa từ miệng giếng khoan chảy
tự do xuống đáy qua KGVX để làm mát bộ DCK, làm sạch đáy giếng và vận
chuyển mùn khoan lên bề mặt từ bên trong cột cần khoan (hình 1.3).
9
Hình 1.2. Cấu trúc giếng KTNN khoan bằng phương pháp nước rửa THT
10
Hình 1.3. Phương pháp nước rửa THN trong giếng khoan
So với phương pháp nước rửa THT, phương pháp nước rửa THN có
những ưu điểm sau:
- Cải thiện điều kiện bảo vệ mẫu khoan và tăng tỷ lệ mẫu khoan khi
khoan qua các địa tầng đất đá bở rời, mềm, liên kết yếu do mẫu khoan không
bị tác động nén, tác động sói lở bởi áp lực và lưu lượng của dòng nước rửa
trong quá trình khoan;
- Giảm khả năng xuất hiện các dạng sự cố phức tạp do nguyên nhân
nước rửa gây ra như sói lở thành giếng v.v;
- Tăng hiệu quả phá hủy đá trong quá trình khoan do đất đá tại đáy giếng
không bị tác động nén bởi áp suất dòng nước rửa trong quá trình khoan.
Bên cạnh các ưu điểm, phương pháp khoan THN cũng có một số nhược
điểm cơ bản sau:
