Khoan giếng thu nước ngầm

Không có phương pháp nào phù hợp nhất cho tất cả các điều kiện địa chất...

Chúng tôi trình bày về các phương pháp khoan thích hợp cho việc thi công giếng thu nước ngầm. Có nhiều phương pháp khoan khác nhau cho các điều kiện địa chất khác nhau từ đá cứng (đá granit, dolomit) đến trầm tích bở rời (cát phù sa, sỏi).

Mỗi phương pháp khoan cụ thể chiếm ưu thế trong các khu vực nhất định. Không có phương pháp nào phù hợp nhất cho tất cả các điều kiện địa chất, và mỗi phương pháp yêu cầu thiết bị khác nhau để đáp ứng yêu cầu công việc.

Phần này còn nêu lên nguyên tắc khoan cơ bản, một số ứng dụng, và các giới hạn thực tế của các phương pháp khoan chính đối với điều kiện địa chất. Cuối cùng đưa ra một bảng tổng hợp tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp khoan được nêu ở phần cuối của bài viết.

1. PHƯƠNG PHÁP KHOAN TUẦN HOÀN THUẬN

1.1 Khoan xoay dùng khí và dung dịch khoan

Phương pháp khoan tuần hoàn thuận được phát triển để tăng tốc độ và độ sâu khoan trong các điều kiện địa chất khác nhau. Một lỗ khoan được khoan bằng cách xoay và tiến từ từ bằng mũi khoan gắn phía cuối cần khoan. Mùn khoan được đưa lên bằng các dòng liên tục của khí hoặc dung dịch khoan trong khoảng trống giữa cần khoan và thành lỗ khoan.

Trong khoan xoay dùng khí, dòng khí di chuyển mùn khoan trong hố. Một máy nén khí cung cấp một dòng khí được nối với lỗ khoan hoặc đầu của cần khoan. Khi khoan xuống, dòng khí thoát ra ở đầu mũi khoan làm mát mũi khoan và mang mùn khoan ra khổi hố. Mùn khoan sau khi thổi lên được thu gom lại. Thêm một lượng nước nhỏ  hoặc một hỗn hợp nước và chất hoạt động bề mặt  vào hệ thống khí khoan để kiểm soát bụi, làm giảm nhiệt độ của, làm mát mũi khoan.

Khoan bằng khí thực tế dùng ở các điều kiện địa chất bán cố kết hoặc cố kết. Thường dùng dòng mạnh vừa phải khi khoan để vừa đủ thời gian làm sạch khí đưa lại vào hố khoan và không để lớp mùn bám vào bề mặt thành hố khoan.

Hình. Phương pháp tuần hoàn nghịch                         Hình. Phương pháp tuần hoàn thuận

Các chức năng cơ bản của một dung dịch khoan là:

• Vận chuyển mùn khoan từ đáy hố lên bề mặt.
• Hỗ trợ và ổn định thành hố khoan, ngăn chặn sập thành hay tạo hàm ếch.
• Hàn kín thành lỗ khoan để giảm sự mất mát dung dịch;
• Làm mát và làm sạch mũi khoan;
• Cho phép mùn tách ra khỏi dung dịch khoan ở bề mặt; và 
• Bôi trơn mũi khoan, vòng bi, máy bơm dung dịch, và cần khoan. 

Thông thường áp lực thủy lực mà bùn khoan tác động sẽ lớn hơn áp suất tĩnh của hệ thống, do đó dung dịch có thể xâm nhập quá mức vào thành hố khoan. Áp suất lỏng cân bằng phụ thuộc chủ yếu vào mật độ bùn khoan. Kiểm soát tính chất dung dịch khoan tốt sẽ làm giảm thiểu cả tần suất xảy ra sự cố và thời gian khoan. Kinh nghiệm và kiến thức về các chất phụ gia cho dung dịch khoan là điều cần thiết để giảm thiểu sự cố trong quá trình khoan và duy trì sự kiểm soát lỗ khoan.

Mùn khoan phải được cắt đủ nhỏ để dung dịch có thể mang đi. Bọt khí (thổi dung dịch) có thể được dùng để tăng khả năng mang mùn khoan, do đó tăng tốc độ khoan và giảm tổn thất dung dịch vào môi trường. Đề xuất vận tốc khoan thích hợp và sử dụng các dung dịch phụ gia khoan khác nhau được thảo luận trong phần dung dịch khoan.

1.2 Khoan xoay không cân bằng (Underbalanced Rotary Drilling)

1.3 Khoan đục (Downhole Hammer Drilling)

Một phương pháp khoan xoay tuần hoàn bằng không khí khác là hệ thống bằng búa đục. Phía cuối giàn khoan có một hệ búa có chức năng bắn (đập) vào đá trong khi cần được xoay từ từ. Đầu búa được tạo từ hợp kim thép và vonfram, các búa siêu nặng dễ dàng phá hủy vị trí tiếp xúc. Hoạt động xoay làm tăng khả năng khoan và làm thẳng lỗ khoan – kể cả trong môi trường đá cực kỳ cứng. Chiều sâu và tốc độ khoan vào trong đá cứng lớn hơn các các phương pháp khoan khác.

Phương pháp khoan đục là tối ưu trong khi khoan trong môi trường rất cứng như bazan, thạch anh, và đá granit..

1.4 Các phương pháp khoan dùng ống chống

Phương pháp khoan có ống chống được dùng để khoan trong môi trường chưa cố kết hoặc môi trường bở rời được xem là lý tưởng khi dùng ống chống. Bốn phương pháp phổ biến được sử dụng cho loại khoan này là:

Dùng búa đóng

Một gờ trên búa đập vào một đế gắn kết điều khiển vào cuối ống chống, để đẩy ống chống xuống đất khi tiến hành khoan. Sau quá trình khoan ống chống vẫn ở trong lỗ khoan sau khó thu hồi.

2. PHƯƠNG PHÁP KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH

Trong khoan xoay tuần hoàn ngược, dòng chảy của dung dịch khoan được đảo ngược và mùn khoan di chuyển lên trên bên trong cần khoan và thải vào hố lắng. Bơm ly tâm thường xuyên được sử dụng vì chúng xử lý mùn khoan để hạn chế tối đa mài mòn.

Dung dịch quay trở lại lỗ khoan – nhờ vào trọng lực - xuống vòng xoáy đến đáy hố khoan. Nó quay trở lại cần khoan, với nhiều mùn khoan bị cuốn đi, thông qua các lỗ mũi khoan. Bùn khoan tự phát phát triển khi sét đất sét và bùn luân chuyển khi tiến hành khoan, nhưng khi cần thiết, các chất phụ gia polymer được sử dụng để giảm ma sát và kiểm soát sự mất nước ở đất đễ mất nước. Ở những giếng sâu hơn với mực nước tĩnh sâu, một dung dịch khoan đặc biệt thường được sử dụng.

Để tránh bị sụt lún (do mất cân bằng áp lực thủy tĩnh) cần phải duy trì một áp suất chất lỏng dương trong hố khoan tại mọi thời điểm - ngay cả khi quá trình khoan bị tạm ngưng. Tuần hoàn ngược thường không được thực hiện khi mực nước tĩnh dưới 3m tính từ mặt đất. Một lượng đáng kể nước dự phòng phải luôn có sẵn khi khoan vào cát và sỏi thẩm thấu (ít nhất là 3 lần so lượng vật liệu được loại bỏ trong quá trình khoan).

3. PHƯƠNG PHÁP KHOAN NÒNG ĐÔI (DUAL-WALL AIR ROTARY DRILLING)

Khoan giếng nòng đôi được phát triển trong ngành khai thác mỏ để có được các mẫu địa chất chính xác từ những chiều sâu đã biết. Không giống như phương pháp tuần hoàn ngược truyền thống, dung dịch khoan không chảy xuống bên ngoài mũi khoan, nhưng được chứa giữa hai thành của đường ống và chỉ tiếp xúc với thành hố khoan tại khu vực gần lưỡi cắt. Phương pháp khoan nòng đôi được áp dụng cho việc xây dựng giếng nước trong tất cả các dạng thành tạo địa chất, và các giếng khoan lớn hơn đang được xây dựng để khoan lỗ khoan rộng trong điều kiện khó.

Sử dụng hệ thống tuần hoàn  ngược có thể tăng công suất của một giàn khoan cho phép khoan các giếng có đường kính lớn. Tùy thuộc vào loại giàn khoan đã sử dụng, có thể khoan lỗ từ 508 mm đến 762 mm. Nếu khả năng của giàn khoan đủ lớn, lỗ khoan có có thể từ 762 mm đến 1520mm trong các môi trường địa chất chưa cố kết.

4. PHƯƠNG PHÁP KHOAN KHÔNG TUẦN HOÀN

4.1 Khoan đập cáp

Phát triển bởi người Trung Quốc, phương pháp đập cáp đã được trong sử dụng liên tục trong khoảng 4.000 năm.

Các máy khoan bằng đập cáp, còn được gọi là bộ gõ hoặc các thanh rung, hoạt động bằng cách liên tục nhấc và thả một mũi khoan nặng vào lỗ khoan. Động tác tác động qua lại dụng cụ trộn mùn với nước để tạo thành dung dịch: nước được thêm vào nếu ít hoặc không có nước thành tạo. Mùn khoan tích lũy dần trong quá trình khoan, và tác động đến hoạt động của các dụng cụ đến mức nào đó sẽ được lấy ra theo định kỳ bởi một máy bơm hoặc gàu để tăng tốc độ khoan trở lại.

Các lỗ đường kính nhỏ có thể được khoan tới độ sâu lớn, trong khi việc khoan các lỗ có đường kính lớn bị giới hạn bởi trọng lượng của giàn khoan và cáp. Độ sâu cho giàn khoan đập cáp dao động từ khoảng 300 ft (90 m) đến 1.500 ft (500 m).

Hầu hết các lỗ khoan được hoàn thành trong môi trường đã cố kết thông qua phương pháp cáp được khoan mà không sử dụng ống chống trong suốt quá trình khoan. Khi khoan trong môi trường chưa cố kết, đường ống hoặc ống chống phải đi theo mũi khoan để tránh bị sập và giữ cho lỗ khoan tiếp tục mở. Để tránh hư hỏng, đế lái (bao gồm thép cứng và thép chịu nhiệt) được gắn vào ống chống. Khi ma sát thành ngăn cản thâm nhập ống chống, có thể dùng ống chống nhỏ hơn chèn vào để tiếp tục khoan, trong một số trường hợp, cần phải có hai hoặc ba lần cắt giảm kích thước để khoan đạt đến chiều sâu mong muốn.

Phương pháp khoan đập cáp còn tồn tại vì nó dễ sử dụng khi khoan trong nhiều loại điều kiện địa chất. Nó là một phương pháp tiện lợi khi khoan trong đá thô ; bùn cát; bazan; hoặc các tầng đá bị xáo trộn mạnh, bị vỡ, nứt, hoặc hang động. Trong các tầng chứa nước mỏng và trữ lượng nhỏ, khoan đập cáp cho phép xác định các khu vực có thể bị bỏ sót khi sử dụng các phương pháp khoan khác.

4.2 Bucket Augers drilling

Phương pháp khoan BA sử dụng một hộp khoang đường kính lớn có lưỡi xoắn phía dưới để đào các vật liệu. Vật liệu được thu thập trong một xô hình trụ sau khi bị xoắn bằng lưỡi ở dưới đáy. Xô được gắn vào phần dưới của một thanh kelly và được xoay bằng một bánh răng lớn của giàn khoan.

Phương pháp này chủ yếu được sử dụng trong địa tầng sét vì không dùng ống chống. Khó khoan trong địa tầng cát dưới mực nước ngầm, tuy nhiên không phải là không thể nếu dùng dung dịch khoan.

Nhiều gian khoan tuần hoàn ngược được trang bị máy nén khí, và khi khoan tới độ sâu yêu cầu thi bật máy thổi khí (thông thường là 45 ft (13.7m) đến 60 ft (18,3 m)) thông qua bơm bùn, mùn khoan được thổi lên và được bơm ra khỏi hố khoan. Khí nén được đưa ra thông qua một đường dây làm bằng nhựa dẻo hoặc kim loại. Các đường ống khí được treo lơ lửng bên trong cần khoan hoặc đường dây bên ngoài của cần khoan. Hầu hết cần khoan được sử dụng là đường ống có ren và nối.

Khoan tuần hoàn ngược là phương pháp tiết kiệm khi khoan giếng lớn trong địa tầng chưa cố kết. Hầu hết các giếng nước sử dụng phương pháp này có đường kính từ 20 inch (508 mm) trở lên. Lớp lọc thường được sử dụng vì đường kính lỗ khoan tương đối lớn.

Một bất lợi lớn của phương pháp khoan BA là nó bị giới hạn khi sử dụng ở độ sâu nông - thường ít hơn 100 ft (30m), và trong các trầm tích chưa cố kết hoặc đá trầm tích bở rời.

5. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TƯƠNG ĐỐI CÁC PHƯƠNG PHÁP

Lựa chọn phương pháp khoan tốt nhất, hiệu quả nhất đòi hỏi sự hiểu biết về điều kiện địa chất của sự hình thành và những hạn chế của giàn khoan và phương pháp khoan. Rất nhiều sự cố có thể xảy ra khi khoan nên thợ khoan cần chuẩn bị để xử lý khi khoan trong nhiều điều kiện địa chất hoặc cố gắng khoan khi vượt quá điều kiện an toàn.

Bảng bên dưới cung cấp xếp hạng hiệu quả tương đối cho các phương pháp khoan khác nhau khi được sử dụng trong các dạng địa chất khác nhau. Tuy nhiên, sự khác biệt về hiệu suất tương đối giữa các phương pháp khoan phụ thuộc vào mức độ kinh nghiệm của thợ khoan, các thấu kính trong khu vực khoan, và các điều kiện áp lực  nước ngầm

Ghi chú: 

1: Không thể; 2: Khó; 3: Chậm, 4: Trung bình, 5: Nhanh, 6: Rất nhanh; N: Not Recommended

Bảng bên dưới cung cấp một so sánh các phương pháp khoan với các kích cỡ lỗ khoan và điều kiện khác nhau.

Ghi chú: E: Rất tốt, G: Tốt, F: Tương đối, P: Không tốt, H: Cao, M: Trung bình, L: chậm