8954 Hà Nội, tháng 10 năm 2011

TRUNG TÂM QUY HOẠCH VÀ ĐIỀU TRA TÀI NGUYÊN NƯỚC
LIÊN ĐOÀN QUY HOẠCH VÀ ĐIỀU TRA TÀI NGUYÊN NƯỚC MIỀN NAM
WWYY

Tác giả: Th.S Trần Văn Chung
KS Lê Kim Đồng
KS Đỗ Trọng Soát
TS Bùi Trần Vượng BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN
HOÀN NGƯỢC KHI KHOAN TRONG ĐÁ CỨNG ĐỂ KHOAN
CÁC GIẾNG KHOAN THĂM DÒ, KHAI THÁC NƯỚC DƯỚI
ĐẤT VÙNG ĐÔNG NAM BỘ

Chương II PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU 18

II.1. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 18
II.1.1. Đối tượng nghiên cứu 18
II.1.2. Địa điểm nghiên cứu 18
II.1.3. Thời gian nghiên cứu 18
II.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 18
II.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19
Chương III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 20
III.1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGƯỢC 20
III.1.1. Giới thiệu chung về công nghệ khoan tuần hoàn ngược 20
III.1.2. Các ưu điểm cơ bản của công nghệ tuần hoàn ngược 21
III.1.3. Các nhược điểm chính 22
III.1.4. Ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược ở nước ngoài 22
III.1.5. Ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược ở Việt Nam 26
III.1.6. Kết luận 28
III.2. PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN
HOÀN NGƯỢC TRONG ĐÁ CỨNG 29

III.2.1. Cơ sở lý thuyết 29
III.2.1.1. Chế độ chảy của dung dịch khoan 29
III.2.1.2. Xác định chương trình thủy lực rửa lỗ khoan 29
III.2.2. Các sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn ngược 32
2

III.2.2.1. Duy trì sự tuần hoàn bằng việc ép dung dịch 32

III.2.2.2. Tuần hoàn bằng bơm hút với bơm chân không 33
III.2.2.3. Tuần hoàn bằng bơm phun 34

III.4.1. Tổng quan về vùng nghiên cứu 55
III.4.1.1. Vị trí địa lý 55
III.4.1.2. Điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên 56
III.4.1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội 56
III.4.1.4. Vị trí giếng khoan thử nghiệm 57
III.4.2. Khái quát đặc điểm địa chất thủy văn vùng Lộc Ninh 58
3

III.4.2.1. Các tầng chứa nước 58

III.4.2.2. Các thành tạo rất nghèo nước hoặc không chứa nước 65
III.4.3. Thiết kế đề án kỹ thuật thi công giếng khoan thử nghiệm TN1 67
III.4.3.1. Thiết kế giếng khoan thử nghiệm 67
III.4.3.2. Yêu cầu kỹ thuật thi công giếng khoan thử nghiệm 68
III.4.4. Đề án kỹ thuật thi công giếng khoan thử nghiệm 69
III.4.4.1. Khảo sát, chuẩn bị vị trí 69
III.4.4.2. Chuẩn bị thiết bị và dụng cụ khoan 69
III.4.4.3. Vận chuyển thiết bị đến công trường 72
III.4.4.4. Xây lắp máy khoan 73
III.4.4.5. Khoan mở lỗ - đặt ống công nghệ đầu giếng 73
III.4.4.6. Khoan tạo lỗ - kết cấu giếng 73
III.4.4.7. Súc rửa giếng 74
III.4.4.8. Bơm thí nghiệm 75
III.4.4.9. Lấy và phân tích mẫu 75
III.4.4.10. Các công việc khác 75
III.4.5. Kết luận 76
III.5. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÔNG NGHỆ THN KHI KHOAN GIẾNG
KHOAN THỬ NGHIỆM 76

III.5.1. Kết quả thi công giếng khoan thử nghiệm TN1 76

III.6.3.1. Các công tác chuẩn bị 109
III.6.4. Quy trình kỹ thuật khoan 111
III.6.4.1. Khoan mở lỗ, kết cấu ống tuần hoàn đầu miệng lỗ khoan 111
III.6.4.2. Quy trình khoan 113
III.6.4.3. Dung dịch khoan 116
III.6.4.4. Đo carôta lỗ khoan 117
III.6.4.5. Kết cấu giếng 117
III.6.4.6. Các công việc khác 128
III.6.4.7. Các biện pháp phòng tránh và cứu chữa sự cố 130
III.6.5. Kết luận 138
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140
LỜI CẢM ƠN 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO 144 5
DANH SÁCH CÁN BỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI



Bảng 2: Tính năng kỹ thuật của búa MaxDrill 45
Bảng 3: Các đặc tính kỹ thuật của búa hiệu Fusion 46
Bảng 4: Tính năng kỹ thuật của búa thuộc loại ROK 47
Bảng 5: Các đặc tính kỹ thuật của búa đáy GQ của hãng Wuxi 48
Bảng 6: Địa tầng thực tế giếng khoan TN1 78
Bảng 7: Đặc tính chủ yếu của các nhóm thép chế tạo ống chống và mufta 89
Bảng 8: Tiêu chuẩn kỹ thuật của một số loại ống chống thép và mufta 89
Bảng 9: Sản phẩm của Công ty Cổ phần nhựa Tiền Phong 92
Bảng 10: Đường kính ống và lưu lượng bơm 93
Bảng 11: Đường kính và khoảng cách giữa các lỗ đục 96
Bảng 12: Đường kính và số lượng thanh thép làm ống lọc 97
Bảng 13: Diện tích làm việc của ống lọc kiểu Johnson 97
Bảng 14: Hệ số α phụ thuộc vào độ hạt của đất đá tầng chứa nước 98
Bảng 15: Giá trị tham khảo của tgα 100
Bảng 16: Kích thước hạt tiêu chuẩn của vật liệu lọc 103
Bảng 17: Quan hệ giữa D50 của tầng chứa nước, kích thước vật liệu lọc và khe hở
ống lọc 104

Bảng 18: Kích thước sỏi loại A 104
Bảng 19: Kích thước sỏi loại B 105
Bảng 20: Tổng hợp các thông số chế độ khoan khi khoan THN tại lỗ khoan thử
nghiệm TN1 116

Bảng 21: Quan hệ giữa đường kính cần hơi và lưu lượng bơm 123

8 DANH MỤC HÌNH, ẢNH MINH HỌA

Hình 24: Các loại mặt chòong khác nhau 49

Hình 25: Các loại hình hạt cắt khác nhau 49
Hình 26: Chòong của hãng Wuxi - Trung Quốc 50
Hình 27: Bộ phận chuyển từ cần chủ động sang cần khoan nòng đôi 53
Hình 28: Thùng chứa dung dịch 53
Hình 29: Ống công nghệ đầu miệng giếng 53
Hình 30. Đầu xa nhích 54
Hình 31. Cối rôto 54
Hình 32. Cần xa nhích 54
Hình 33: Vị trí giếng khoan thử nghiệm TN1 57
Hình 34: Địa tầng dự kiến và cấu trúc giếng khoan thử nghiệm TN1 68
Hình 35: Máy khoan YP - 3AM-500 70
Hình 36: Máy nén khí CompAir 70
Hình 37: Cần khoan nòng đôi 71
Hình 38: Choòng khoan đá công nghệ THN 71
Hình 39: Búa đáy GQ160 72
Hình 40: Hệ thống thùng chứa dung dịch 72
Hình 41: Sơ đồ sục khí 1
Hình 42: Toàn cảnh máy khoan tại công trình 77
Hình 43: Mẫu đá lấy lên trong quá trình khoan 77
Hình 44: Bơm súc rửa và bơm thí nghiệm 78
Hình 45: Biểu đồ so sánh thời gian thi công 80
Hình 46: Biểu đồ so sánh lưu lượng của các giếng khoan 81
Hình 47: Biểu đồ so sánh mực hạ thấp của các giếng khoan 82
Hình 48: Biểu đồ so sánh chi phí nhiên liệu của các giếng khoan 83
Hình 49: Giếng có ống lọc tự nhiên 87
10

Hình 50: Giếng có chống ống lọc 87


TÓM TẮT BÁO CÁO
Báo cáo kết quả đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp Bộ
"Nghiên cứu ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược khi khoan trong đá cứng
để khoan các lỗ khoan thăm dò, khai thác nước dười đất vùng Đông Nam Bộ" của
nhóm tác giả do Thạc sỹ Trần Văn Chung làm chủ nhiệm đã hoàn thành, đáp ứng
các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề ra.
Báo cáo dày 126 trang đánh máy khổ A4 với 21 biểu bả
ng và 70 hình ảnh
minh họa. Ngoài phần mở đầu và kết luận, phần chính của báo cáo gồm 03 chương.
Phần cuối của báo cáo gồm lời cảm ơn của nhóm tác giả và danh mục các tài liệu
tham khảo.
Phần đầu của báo cáo bao gồm trang bìa, trang nhan đề, mục lục, bảng chú
giải các chữ viết tắt trong báo cáo và bài tóm tắt báo cáo bằng tiếng Việt và tiếng
Anh. Nội dung và hình thức của phần này tuân thủ theo Thông tư số 25/2011/TT-
BTNMT ngày 07 tháng 7 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường).
Phần chính của báo cáo thực hiện theo hướng dẫn của Thông tư nói trên và
gồm 3 chương: chương 1 - tổng quan về nội dung nghiên cứu của đề tài; chương 2 -
phạm vi, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu và chương 3 - các kết quả
nghiên cứu và thảo luận.
Trong chương 1, các tác giả đã nêu bật tính cấp thiết của đề tài thông qua
việc tổng hợp, phânt tích tình hình áp d
ụng công nghệ khoan THN ở nước ngoài và
ở Việt Nam, các ưu điểm của công nghệ hkoan THN so với công nghệ khoan THT,
khả năng áp dụng tại khu vực Đông Nam Bộ. Từ đó báo cáo cũng đã trình bày rõ
các mục tiêu nghiên cứu của đề tài cũng như phương pháp luận, quan điểm và cách
tiếp cận giải quyết vấn đề.
Trong chương 2, các tác giả đã nêu rõ phạm vị, đối tượng nghiên cứu, đ
ó là
trước mắt áp dụng tại khu vực Đông Nam Bộ, sau đó áp dụng trên phạm vi toàn

số liệu về thông số khoan, mô tải địa tầng địa chất, tiêu hao nhiên liệu, thời
gian Các thông số này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của công
nghệ khoan THN và xây dựng quy trình công nghệ.
- Từ kết quả thi công lỗ khoan TN1, tác giả đã tiến hành so sánh toàn diện
các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật với lỗ khoan LN15 được khoan bằng công nghệ THT
trước đó, từ đó đánh gia hiệu quả c
ủa công nghệ THN. Cũng từ số liệu thu thập thực
tế trong quá trình thi công và các tài liệu liên quan khác, các tác giả đã khái quát và
xây dựng thành bộ quy trình kỹ thuật khoan THN khi khoan trong đá cứng.
Trong phần kết luận và đề nghị, các tác giả đã nêu bật được thành công của
đề tài trong việc áp dụng khoan thử nghiệm tại lỗ khoan TN1, bên cạnh đó cũng đã
thằng thắn chỉ rõ các nhược điểm, tồn tại chư
a khắc phục được của đề tài trong một
số điều kiện khoan khác nhau. Từ đó tác giả đã kiến nghị một số điểm liên quan đến
vấn đề nghiên cứu tiếp theo và áp dụng kết quả nghiên cứu của đề tài trong thực tế.
13

Trong phần cuối của báo cáo, các tải giả đã trân trọng cảm ơn các tổ chức, cá
nhân đã tận tình giúp đỡ nhóm nghiên cứu thực hiện thành công mục tiêu của đề tài.
Ngoài ra còn có danh mục các tài liệu mà nhóm tác giả đã tham khảo và sử dụng
trong báo cáo của mình.

- Choosing the diagram of RC method.
- Study the geological and hydogeological settings of the stusy area.
- Setting up the project for drilling the pilot well TN1.
- Drilling the pilot well TN1.
- Setting up the process for drilling water wells in hard rock by RC method.
In conclusion and surgession, the writer highlights success of the project in
applying RC drilling method for pilot well TN1, besides, authors straightly show
some problems, shortcomings in many drilling conditions that need to be solved in
next steps.
In the end part of report, authors sicerely thank all agencies, peson that
wholeheartedly help during project implementation. Also there is the list of
references that have been refered and used in the report.
15

Chương I
TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
I.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
ề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ "Nghiên cứu ứng dụng công nghệ
khoan tuần hoàn ngược khi khoan trong đá cứng để khoan các lỗ khoan
thăm dò, khai thác nước dưới đất vùng Đông Nam Bộ" được Liên đoàn Quy hoạch
và Điều tra Tài nguyên nước miền Nam, thuộc Trung tâm Quy hoạch và Điều tra
Tài nguyên nước thực hiện từ năm 2009 đến 2010.
Trong sự phát triển chung của đất nước, khu vực
Đông Nam Bộ có vai trò
hết sức quan trọng vì đây là vùng kinh tế trọng điểm. Vì vậy, Chính phủ đã có
những chương trình lớn nhằm phát triển kinh tế ở những vùng này. Đây là vùng chủ
yếu trồng cây công nghiệp như cà phê, cao su Ngoài ra, khu vực này còn là nơi
sinh sống của một bộ phận đồng bào các dân tộc ít người, điều kiện sử dụng nước
sinh hoạt rất khó khăn. Vì vậy việc phát tri
ển nguồn nước có ý nghĩa hết sức quan

trước mắt là ứng dụng khi khoan lỗ khoan thử nghiệm TN1, từ đó áp dụng tại vùng
Đông Nam Bộ, sau đó nghiên cứu áp dụng trên toàn quốc.
I.3. CÁC CƠ SỞ PHÁP LÝ THÀNH LẬP VÀ THỰ
C HIỆN ĐỀ TÀI
Đề tài được thành lập và thực hiện dựa trên các cơ sở pháp lý sau:
- Quyết định số 1597/QĐ-BTNMT ngày 08/8/2008 của Bộ trưởng Bộ Tài
nguyên và Môi trường về việc thành lập Hội đồng xét duyệt thuyết minh đề tài
nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ năm 2009.
- Biên bản họp Hội đồng đánh giá kết quả bảo vệ thuyết minh đề tài nghiên
cứu khoa học công nghệ c
ấp Bộ ngày 13/11/2008.
- Quyết định số 834/QĐ-BTNMT ngày 4/5/2009 của Bộ trưởng Bộ Tài
nguyên và Môi trường về việc phê duyệt các đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ
cấp Bộ mở mới năm 2009 của Bộ Tài nguyên và Môi trường.
- Hợp đồng kinh tế số 02-TNN-09/HĐKHCN ngày 15/05/2009 giữa Vụ
Khoa học Công nghệ (Bộ Tài nguyên và Môi trường) và Liên đoàn QH&ĐT TNN
miền Nam, Chủ nhiệm đề tài; kèm theo Hợp đồng này là các bản Dự toán chi phí
cho các n
ăm 2009 và 2010.
I.4. CÁCH TIẾP CẬN
Thực tế công nghệ khoan tuần hoàn ngược đã được áp dụng rộng rãi tại
nhiều nước trên thế giới khi khoan các giếng khoan trong đá cứng như tại Thụy
Điển, Trung Quốc, Đức Ưu điểm của phương pháp khoan này đã được khẳng định.
Tuy nhiên, ở Việt Nam, công nghệ khoan này chưa được áp dụng vào sản xuất,
ngay cả khi khoan trong các trầm tích bở r
ời, ngoại trừ tại vùng đồng bằng Nam Bộ
do Liên đoàn QH và ĐT TNN miền Nam thực hiện.
17

Khi khoan các giếng khoan khai thác nước trong các trầm tích bở rời ở vùng

Thời gian nghiên cứu của đề tài là 02 năm, từ nă
m 2009 đến 2011.
II.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Để thực hiện mục đích nghiên cứu của đề tài, nhóm tác giả đã tổng hợp số
liệu về hiện trạng ứng dụng công nghệ khoan THN khi khoan trong đá cứng tại
nhiều nước trên thế giới thông qua các tài liệu thu thập trong các khóa học nâng
cao, các hội thảo chuyên đề tại nước ngoài, các tài liệu từ internet. Bên cạnh đó tiến
hành thu thập, phân tích và tổng hợp số
liệu về các giếng khoan đã được thi công
bằng công nghệ khoan THN ở vùng đồng bằng Nam Bộ, các giếng khoan thi công
bằng công nghệ THT trong đá cứng ở vùng động Nam Bộ. Từ kết quả nghiên cứu
trên sẽ rút ra các tiền đề, cơ sở cho việc áp dụng công nghệ khoan THN ở vùng
đông Nam Bộ.
Trên cơ sở các tiền đề đã xác định cà sơ đồ công nghệ lựa chọn, đề tài tiến
hành thi công 01 lỗ
khoan thử nghiệm tại Lộc Ninh - Bình Phước. Lỗ khoan thử
nghiệm được đặt cạnh lỗ khoan LN15 có từ giai đoạn trước và được khoan bằng
công nghệ THT. Vì vậy có cơ sở để so sánh, đánh gia hiệu quả của hai công nghệ
khoan.
Trong quá trình thi công lỗ khoan thử nghiệm, tiến hành thu thập các chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật như lượng tiêu hao thời gian, nguyên vật liệu, nhiên liệu trong các
điều kiện khoan khác nhau, các chỉ số
công nghệ khoan như tốc độ vòng quay, lưu
lươ và áp suất khí nén, áp lực đáy Các thông số này là cơ sở để xây dựng quy trình
kỹ thuật khoan.
19

II.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Thu thập, nghiên cứu tài liệu, để xuất sơ đồ công nghệ: các nguồn tài
liệu thu thập gồm các tài liệu từ các khóa đào tạo chuyên môn về công nghệ khoan

thức:
v = q/s
Trong đó: q – lưu lượng của máy bơm và s – tiết diện vành khăn
Để đảm bảo rửa sạch lỗ khoan, vận tốc chả
y lên phải đảm bảo trong khoảng
từ 0,4 – 0,6m/s. Tuy nhiên, do bị giới hạn về công suất của máy bơm dung dịch
(phần lớn các máy bơm dung dịch theo máy khoan của Nga có lưu lượng bơm
350l/phút) nên hiệu quả rửa sạch mùn khoan của hầu hết các máy khoan rôto THT
bị hạn chế trong các lỗ khoan có đường kính lớn, đặc biệt là các giếng được bọc sỏi.
Hơn nữa khi tăng đường kính lỗ khoan thì tốc độ khoan c
ủa các máy THT giảm
đáng kể. Ngoài ra, đối với các vùng có mực thủy tĩnh thấp, việc bơm tuần hoàn
dung dịch để ổn định thành lỗ khoan sẽ làm cho dung dịch ngấm sâu vào tầng chứa
nước, vì vậy, hiệu quả khai thác của giếng bị giảm sút nghiêm trọng. Để khắc phục
các nhược điểm trên, người ta đã thiết kế các máy khoan với công nghệ khoan
THN, sử dụng cả nước và khí như
là dung dịch khoan.
Trong phương pháp khoan tuần hoàn ngược, dung dịch khoan chảy tự do
bởi trọng lực từ hố chứa theo khoảng vành khăn bên ngoài cần khoan xuống đáy
lỗ khoan và sau đó được hút lên bên trong cần khoan cùng với mùn khoan và xả
vào hố lắng (Hình 1).
Để ngăn ngừa sự sập lở của thành vách lỗ khoan, mực dung dịch cần được
giữ tối thiểu là ngang bằng mặt đất trong suốt thời gian thi công, ngay cả
khi máy
khoan tạm ngừng hoạt động để ngăn chặn sự suy giảm áp lực thủy tĩnh trong lỗ
21

khoan. Áp lực thủy tĩnh của cột nước cộng với áp lực của vận tốc (quán tính của
dòng dung dịch chảy xuống) bên ngoài cần khoan giúp giữ ổn định thành lỗ khoan.


22

4. Giảm hao mòn máy bơm dung dịch, tăng tuổi thọ của chúng.
III.1.3. Các nhược điểm chính
- Thường cần một lượng nước lớn khi khoan
- Máy khoan và các thiết bị phụ tùng đi kèm thường lớn, vì vậy khá đắt tiền
- Đòi hỏi thùng chứa dung dịch lớn
- Có những vị trí khoan không thể tiếp cận được do máy khoan lớn và cồng
kềnh
- Để hoạt động hiệu quả thườ
ng cần sử dụng nhiều nhân công hơn so với các
phương pháp khoan khác.
III.1.4. Ứng dụng công nghệ khoan tuần hoàn ngược ở nước ngoài
Ở nước ngoài việc ứng dụng công nghệ THN trong khoan giếng khai thác
nước quy mô công nghiệp đã được thực hiện từ rất sớm do sự ưu việt của phương
pháp này.
Hình 2: Máy khoan do Hãng WIRTH CHLB Đức sản xuất
Công nghệ khoan THN được nghiên cứu xây dựng ở
Hình 3: Hệ thống khoan THN tại công trình ở Hà Lan
Các hãng sản xuất máy khoan lớn của các nước như Mỹ, Canada, Đức, Anh,
Úc, v.v đã sản xuất các loại máy khoan đặc dụng cho phương pháp công nghệ
này.