Dịch vụ khoan ngầm, khoan định hướng ngang HDD

quy trình thi công khoan ngầm HDD trong điều kiện nhiều tầng chứa nước (multi-aquifer), phù hợp sử dụng trong hồ sơ kỹ thuật, thuyết minh biện pháp thi công và nghiên cứu thực nghiệm hiện trường

Dịch vụ khoan ngầm, khoan định hướng ngang HDD

Trong điều kiện có nhiều dự án khai thác mỏ và công trình dân dụng được thực hiện trong khai thác lộ thiên và trong các hầm lò xây dựng lộ thiên, trước hết các lớp đất đá phải được thoát nước để có thể đào, vận chuyển khối lượng lớn và xúc lật. Ngày nay, việc thoát nước này chủ yếu được thực hiện bằng giếng lọc đứng. Do lượng nước có thể thoát ra từ một giếng duy nhất là hạn chế, đặc biệt là ở các tầng chứa nước mỏng, và các giếng lọc thẳng đứng yêu cầu diện tích ngay trên vị trí của lưu vực nước, nên khả năng thoát nước ngang bằng kỹ thuật khoan định hướng ngang có kiểm soát tự nhiên đang ngày càng thu hút sự quan tâm.

Tiềm năng đạt được hiệu suất thoát nước của nhiều giếng lọc đứng thông qua việc sử dụng các giếng lọc ngang ít bị kiểm soát dòng chảy, cùng với các lợi thế sinh thái đáng kể, chẳng hạn như giảm sử dụng vật liệu và năng lượng, tiêu thụ đất và bảo vệ tài nguyên nước ngầm.

Mục tiêu của bài viết là xây dựng để phát triển cơ sở khoa học - thực tiễn cho việc áp dụng phương pháp thoát nước thay thế bằng cách sử dụng giếng lọc có kiểm soát quá trình và để khắc phục những nhược điểm liên quan đến môi trường của việc sử dụng giếng lọc đứng. Trong giai đoạn thứ hai, các câu hỏi về tác động thủy lực của các yếu tố sẽ được làm rõ, xem xét các yếu tố liên quan đến môi trường cũng như các lợi thế kinh tế và đặc biệt, việc chuyển giao kết quả sang quy mô hoạt động sẽ được xem xét.

Trình bày các bước công việc và phương pháp được sử dụng, ứng dụng thực tế của khoan ngang định hướng đối với các vấn đề nhiều tầng chứa nước được kiểm tra bằng phương pháp thử nghiệm hiện trường. Nỗ lực sẽ đi kèm với mô hình số và đánh giá với sự hỗ trợ của các mô hình. Tầm quan trọng của việc xem xét dòng chảy hai pha (không khí-nước) trong bài viết được kiểm tra bằng phương pháp mô hình số và thử nghiệm nhà máy thí điểm. Tùy thuộc vào kết quả, các phát hiện được chuẩn bị và thực hiện một cách mẫu mực để sử dụng trong hệ thống mô hình dựa trên dòng chảy một pha và phù hợp thực tế. Các khả năng phát sinh trong các kịch bản thoát nước với một số tầng chứa nước từ sự kết hợp của giếng thấm dọc và giếng lọc ngang có kiểm soát tự nhiên cũng được kiểm tra. Kết quả của các cuộc điều tra trên quy mô nhà máy và thực địa thí điểm cho thấy sự phù hợp với môi trường và lợi ích kinh tế.

Kết quả đánh giá hệ thống thoát nước đã kiểm tra cho các mỏ xây dựng và mỏ lộ thiên so với các phương pháp thoát nước phổ biến hiện nay .

So với giếng lọc đứng, sự xuất hiện của những ưu điểm về môi trường khi sử dụng giếng lọc khoan định hướng ngang (HDD) phụ thuộc vào thiết kế của thí nghiệm. Điều này dẫn đến những ưu điểm chính của việc sử dụng chiều dài đoạn bộ lọc lớn nhất có thể cùng với việc thoát ra tự do của nước thu được từ một bờ kè. Do đó, một mặt, một số giếng lọc đứng có thể được thay thế bằng một giếng HDD, mặt khác, việc thoát nước có thể diễn ra mà không cần sử dụng máy bơm. Điều này là khả thi với việc giảm sử dụng năng lượng, vật liệu và nhân công, cũng như ít sử dụng đất hơn và trong trường hợp các bài viết khai thác mỏ, có hệ thống thoát nước liên tục.

Các bài kiểm tra của trung tâm kỹ thuật, được sử dụng để chuyển kết quả từ các bài kiểm tra hiện trường sang các điều kiện địa điểm khác và các biến thể thiết kế của ổ cứng, được thực hiện với các thông số khác nhau để có thể hiểu và tái tạo kết quả. Trọng tâm là các cuộc điều tra về việc giảm sức cản đầu vào của giếng bằng cách sử dụng hình khuyên nghiền, sự xâm nhập bổ sung với sự trợ giúp của giếng lọc thấm, độ dài bộ lọc và mực nước khác nhau, ảnh hưởng của loại dòng chảy trong ống lọc, ảnh hưởng độ bão hòa lỗ rỗng và sự thoát nước đồng thời của một số tầng chứa nước. Các thử nghiệm được mô hình hóa bằng hệ thống chương trình PCGEOFIM. Nó chỉ ra rằng sức cản đầu vào của giếng là một yếu tố giới hạn thiết yếu, nhưng có thể bị ảnh hưởng tích cực bởi quá trình silic hóa hình vòng. Việc tích hợp một bộ lọc thấm tốt đảm bảo tăng tỷ lệ sản xuất . Các nghiên cứu về độ bão hòa cho thấy rõ ràng rằng dòng chảy 2 pha phải được tính đến trong tính toán.

Sau khi chọn địa điểm kiểm tra thực địa, một giếng khoan định hướng ngang HDD với chiều dài bộ lọc 200 m đã được lắp đặt. Với sự hỗ trợ của một giếng lọc thấm, 2 tầng chứa nước tách ra bằng thủy lực đã được ghép nối với nhau. Bằng cách thiết lập các điểm đo nước ngầm và trang bị cho chúng bộ ghi dữ liệu, có thể hỗ trợ việc thoát nước bằng một mô hình. Trong khoảng thời gian 313 ngày, mức độ hạ thấp có thể đạt được bằng cách vận hành tốt ổ cứng HDD là 1,1 m. Bằng cách thực hiện điều kiện biên mới và đưa lưu lượng đường ống áp lực và tổn thất áp suất vào mô hình số PCGEOFIM, kết quả mô hình cho thấy sự phù hợp rất tốt với các giá trị đo được. Bằng cách phát triển một mô hình tính toán cho kế toán môi trường (REMUM), bao gồm các yếu tố thiết yếu có liên quan đến môi trường, có thể phân tích tác động môi trường của các biến ảnh hưởng riêng lẻ. Điều này cho phép các dịch vụ khoan ngầm thay thế thoát nước khác nhau được so sánh và sự phụ thuộc vào việc sử dụng các khái niệm và công nghệ khoan ngầm sẽ được hiển thị.

Kết quả cho thấy có thể giảm gánh nặng cho môi trường với phương pháp khoan ngầm kéo ống được trình bày trong việc khai thác. Người ta có thể định lượng sự giảm nhẹ môi trường này bằng công nghệ khoan ngang định hướng đặt đường ống ngầm mô phỏng kỹ thuật số hiện đại. Thông qua sự kết hợp của các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhà máy thí điểm và hiện trường, chương trình mô phỏng PCGEOFIM, một tiêu chuẩn công nghiệp gần như công nghiệp trong thoát nước mỏ, đã được phát triển thành công và thử nghiệm thành công với sự giám sát rộng rãi. Kết quả được coi là có thể chuyển giao cho các lĩnh vực khác, đặc biệt là trong xây dựng và bảo vệ nguồn nước.

Các đối tác hợp tác tham gia và nhà thầu phụ với người liên hệ

Bài viết được thực hiện bởi một nhóm nghiên cứu và phát triển bao gồm một SME để phát triển công nghệ khoan ngầm HDD, một SME để phát triển phần mềm lập kế hoạch, một trường đại học để thực hiện và đánh giá các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và nhà máy thí điểm và một đối tác từ ngành công nghiệp quy mô lớn. Hỗ trợ phát triển công nghệ khoan kiểm soát quá trình ( khoan định hướng ngang) với tư cách là người dùng tiềm năng và mở ra cơ hội cho các thử nghiệm hiện trường.

Kết quả cho thấy rằng giếng HDD chỉ thoát nước ở tầng chứa nước trên chiều dài khoảng 250m. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng trong trường hợp luồng kênh. Trong trường hợp dòng chảy của ống áp lực, nước đã được hấp thụ trong phần đầu tiên. Kết quả là áp suất trong giếng HDD lớn đến mức không thể rút thêm nước ở các phần sau.

Việc tính toán tổn thất áp suất cho giếng HDD được thực hiện theo cách sau: Khi gọi lên lần đầu tiên, nó được coi là một sự gần đúng rằng toàn bộ giếng HDD chứa đầy nước và một dòng kênh đã phát triển. Đối với tất cả các phép tính tiếp theo, giải pháp đã xác định trước đó được sử dụng làm giá trị gần đúng đầu tiên. Cần phải chỉ ra rằng dòng ống áp lực hội tụ rất kém. Khoảng 100 lần lặp là cần thiết cho giải pháp ban đầu, sau này vẫn còn 25. Sau khi chuyển đổi sang luồng kênh, chỉ cần 10 lần lặp.

Đối với tính toán thử nghiệm, giả định rằng 500.000 m3 nước ngầm được lưu trữ trong tầng chứa nước và mực nước ban đầu cao hơn 4 m so với đáy của tầng chứa nước. Sau một ngày hoạt động của giếng HDD thì cho kết quả mực nước mới, tầng chứa nước sẽ được rút hết sau 140 ngày. Kết quả cho thấy sự phát triển của lượng nước tăng lên theo thời gian mức nước có áp suất sau 1, 25 và 55 ngày hoạt động của HDD.

Tương tự như quy trình tính toán nước mặt, tổng tỷ lệ phân phối của các giếng HDD và khai thác từ mỗi phần tử thể tích hữu hạn qhdd (lupe, is, jz, mg) được tính toán trong một chương trình con trước bước thời gian cần tính. Các kết quả trên được tính toán bằng các thuật toán này. Trong chương trình Geofim, tốc độ sản xuất qhdd (lupe, is, jz, mg) được đưa vào như một dấu chìm trong hệ phương trình và được đưa vào danh sách kết quả theo bước thời gian.

Quy trình thoát nước đá rời gần bề mặt trong khai thác và xây dựng bằng công nghệ khoan ngang định hướng, một giếng HDD đã được xây dựng ở mỏ lộ thiên United Schleenhain và một chương trình thử nghiệm mở rộng đã được thực hiện. Ngoài ra, mô hình PCGEOFIMH VHB9HORI đã được phát triển.

QUY TRÌNH THI CÔNG KHOAN NGẦM HDD TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỀU TẦNG CHỨA NƯỚC – PHƯƠNG PHÁP, KIỂM SOÁT VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ

Trong thi công hạ tầng ngầm bằng công nghệ khoan ngang định hướng HDD (Horizontal Directional Drilling), một trong những điều kiện địa chất phức tạp và rủi ro nhất là khu vực có nhiều tầng chứa nước (multi-aquifer). Đây là các tầng địa chất có khả năng chứa và truyền nước ngầm, thường xen kẽ giữa các lớp đất cát, sỏi, đá phong hóa và đất sét. Khi thi công HDD trong điều kiện này, nếu không có biện pháp kỹ thuật phù hợp, có thể gây mất ổn định lỗ khoan, trào dung dịch (frac-out), nhiễm bẩn nguồn nước hoặc sụt lún bề mặt.

Do đó, quy trình thi công HDD trong môi trường nhiều tầng chứa nước cần được xây dựng chặt chẽ, từ khâu khảo sát, thiết kế đến thi công và kiểm soát, đồng thời phải được kiểm chứng bằng các phương pháp thử nghiệm hiện trường nhằm đảm bảo tính khả thi và an toàn.

Quy trình bắt đầu từ công tác khảo sát địa chất – thủy văn chi tiết. Đây là bước quan trọng nhất nhằm xác định số lượng, độ sâu, áp lực và đặc tính của các tầng chứa nước. Các phương pháp khảo sát bao gồm khoan thăm dò, lấy mẫu đất, đo mực nước ngầm, thí nghiệm thấm và phân tích thành phần địa chất. Trong nhiều trường hợp, các phương pháp địa vật lý như điện trở suất hoặc radar xuyên đất (GPR) cũng được sử dụng để xác định cấu trúc ngầm.

Sau khi có dữ liệu khảo sát, bước tiếp theo là thiết kế tuyến khoan. Tuyến khoan phải được bố trí sao cho tránh hoặc giảm thiểu tối đa việc xuyên qua các tầng chứa nước có áp lực cao. Trong trường hợp bắt buộc phải đi qua, cần thiết kế độ sâu và góc khoan hợp lý để giảm áp lực lên thành lỗ. Bán kính cong của tuyến khoan cũng cần được tính toán để đảm bảo ổn định và phù hợp với loại ống.

Một yếu tố quan trọng trong thiết kế là lựa chọn dung dịch khoan. Trong môi trường nhiều tầng chứa nước, dung dịch không chỉ có chức năng ổn định lỗ khoan mà còn phải kiểm soát áp lực nước ngầm và ngăn chặn sự xâm nhập của nước vào lỗ khoan. Các loại dung dịch bentonite cải tiến hoặc polymer thường được sử dụng với các tính chất như độ nhớt cao, khả năng tạo màng tốt và khả năng chống thấm.

Sau khi hoàn tất thiết kế, công tác chuẩn bị thi công được triển khai, bao gồm lắp đặt thiết bị, hệ thống dung dịch, hệ thống định vị và các thiết bị quan trắc. Đặc biệt, cần bố trí các điểm quan trắc mực nước ngầm và áp lực nước để theo dõi trong suốt quá trình thi công.

Giai đoạn khoan dẫn hướng được thực hiện với tốc độ chậm và kiểm soát chặt chẽ. Mũi khoan được điều khiển theo tuyến thiết kế, đồng thời liên tục theo dõi các thông số như áp lực dung dịch, tốc độ khoan và phản hồi từ hệ thống định vị. Khi gặp tầng chứa nước, cần giảm tốc độ khoan và điều chỉnh áp lực dung dịch để tránh phá vỡ cấu trúc đất.

Trong quá trình khoan, nếu phát hiện sự thay đổi đột ngột về áp lực hoặc lưu lượng dung dịch, đây có thể là dấu hiệu của việc gặp tầng chứa nước. Khi đó, cần tạm dừng khoan để đánh giá và điều chỉnh. Trong một số trường hợp, có thể cần bơm bổ sung dung dịch hoặc sử dụng vật liệu gia cố để ổn định lỗ khoan.

Sau khi hoàn thành khoan dẫn hướng, giai đoạn mở rộng lỗ khoan được thực hiện theo từng bước. Trong môi trường nhiều tầng chứa nước, việc mở rộng cần được thực hiện cẩn thận để tránh làm mất ổn định thành lỗ. Dung dịch khoan phải được duy trì liên tục với áp lực phù hợp để giữ ổn định và ngăn nước xâm nhập.

Giai đoạn kéo ống là bước cuối cùng, trong đó đường ống được kéo qua lỗ khoan đã mở rộng. Trong điều kiện nhiều tầng chứa nước, lực kéo có thể tăng do ma sát và áp lực nước. Do đó, cần sử dụng dung dịch bôi trơn và kiểm soát lực kéo để tránh hư hỏng ống.

Một phần quan trọng của quy trình là thử nghiệm hiện trường. Các phương pháp thử nghiệm được sử dụng để kiểm tra tính ổn định của lỗ khoan, hiệu quả của dung dịch và khả năng kiểm soát nước ngầm. Ví dụ, có thể thực hiện thí nghiệm bơm nước để đánh giá độ thấm của đất, hoặc thử nghiệm áp lực để kiểm tra khả năng chịu tải của lỗ khoan.

Ngoài ra, việc theo dõi mực nước ngầm trước, trong và sau khi thi công giúp đánh giá tác động của quá trình khoan đến hệ thống thủy văn. Nếu phát hiện sự thay đổi bất thường, cần có biện pháp điều chỉnh kịp thời.

Trong thực tế, công nghệ HDD đã được ứng dụng thành công trong nhiều dự án có điều kiện nhiều tầng chứa nước, như khoan vượt sông, khoan qua vùng đồng bằng hoặc khu vực ven biển. Các dự án này cho thấy rằng, với quy trình và công nghệ phù hợp, HDD có thể thi công an toàn và hiệu quả ngay cả trong điều kiện địa chất phức tạp.

Tuy nhiên, rủi ro vẫn luôn tồn tại, bao gồm trào dung dịch, sụt lún, nhiễm bẩn nước ngầm và kẹt thiết bị. Để giảm thiểu, cần có kế hoạch quản lý rủi ro chi tiết, bao gồm các kịch bản sự cố và phương án xử lý.

Tóm lại, thi công khoan ngầm HDD trong điều kiện nhiều tầng chứa nước là một thách thức lớn, đòi hỏi sự kết hợp giữa khảo sát chính xác, thiết kế hợp lý, công nghệ phù hợp và kiểm soát chặt chẽ. Việc áp dụng các phương pháp thử nghiệm hiện trường giúp kiểm chứng và tối ưu hóa quy trình, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho dự án.

Xem thêm:

Công nghệ khoan ngầm robot xuyên qua đường

Dịch vụ khoan ngầm thi công đường ống dẫn khí

Các phương pháp khoan xuyên đường kéo ống ngầm