Máy khoan mở lỗ của Herrenknecht và các dự án khoan ngầm vượt sông

thi công khoan ngầm kéo ống vượt sông bằng công nghệ HDD và máy mở lỗ của Herrenknecht, phù hợp sử dụng trong hồ sơ kỹ thuật, thuyết minh biện pháp thi công

Máy khoan mở lỗ của Herrenknecht và các dự án khoan ngầm vượt sông

Vào năm 2015, sau vài năm phát triển, Herrenknecht AG đã ra mắt công cụ cắt đá HDD khoan định hướng ngang đầu tiên của mình để bổ sung cho các sản phẩm HDD khác của Herrenknecht, bao gồm các giàn khoan định hướng HDD cỡ lớn và thiết bị bề mặt phụ trợ. Các công cụ hạ lỗ hiện cho phép Herrenknecht bao quát toàn bộ quá trình khoan.

Trong quá trình phát triển các công cụ cắt HDD, Herrenknecht đã rút ra kinh nghiệm của mình trong việc chế tạo dao cắt và dụng cụ cắt cho máy khoan đường hầm. Kết quả là các công cụ mới có chi phí đầu tư thấp hơn và giảm một số rủi ro gặp phải trong quá trình hoạt động của ổ cứng, cùng với việc tăng sản lượng trong quá trình khoan đá.

Phương pháp phổ biến nhất để tạo lỗ khoan trong đá hiện nay là mở rộng nhiều giai đoạn của lỗ thí điểm bằng cách kéo một dụng cụ doa qua lỗ khoan đang mở rộng dần theo nhiều bước liên tiếp.

Hiện trạng kỹ thuật và thực tiễn được chấp nhận là đường kính của lỗ khoan tăng lên theo từng bước, với bước đầu tiên là từ lỗ thí điểm và tăng đường kính 15 lên 18 in. (Ví dụ: 8,5 in. Lỗ thí điểm được mở rộng thành 24 trong. trong lần chuyển đổi lần đầu tiên). Sau đó, một bước doa bổ sung được thực hiện để tăng đường kính thêm 10 đến 12 inch (ví dụ: 24 inch được mở rộng thành 36 inch trong lần vượt qua thứ hai). Thực hành chung này được tuân theo khi đường kính doa lớn hơn với sự mở rộng bổ sung của đường kính nhỏ hơn trong mỗi bước doa.

Khi đường kính tăng lên, việc giữ dụng cụ cắt ở tâm ngày càng trở nên khó khăn. Với mỗi vòng quay, cần khoan nằm trên phần đảo ngược của lỗ đã khoan trước đó và cố gắng nghiêng đầu mũi doa xuống.

Ngoài ra, trong các bước doa ở các lỗ có đường kính lớn hơn, chỉ một phần nhỏ của máy cắt con lăn phải chịu tải, điều này gây ra tải trọng và mài mòn không đồng đều của máy cắt con lăn. Do sự ăn khớp của dụng cụ không đồng đều, các mảnh vật liệu lớn hơn có thể bị vỡ xung quanh lỗ đã khoan trước đó. Vật liệu này thường quá lớn để loại bỏ trong dòng bùn qua huyền phù khoan và nằm lại trong lỗ khoan, làm cho lớp bảo vệ bị mài mòn.

Hầu hết các đầu doa đá cứng, được gọi là dao mở lỗ, được chế tạo bằng dao cắt con lăn được hàn trực tiếp vào thân dao mở lỗ. Vì dụng cụ mở lỗ là một mảnh nên việc thay dao cắt con lăn khó khăn. Điều này có nghĩa là tuổi thọ của toàn bộ dụng cụ cắt phụ thuộc vào tuổi thọ của ổ lăn và tính chất mài mòn của máy cắt trục lăn.

Với công nghệ giàn khoan định hướng HDD mới nhất, các dụng cụ cắt được tích hợp trong cần khoan có thể được lấy ra khỏi lỗ khoan tương đối nhanh chóng và lắp đặt lại nhanh chóng. Tuy nhiên, lỗ khoan càng dài thì việc “vấp” dụng cụ ra khỏi lỗ khoan càng lâu. Với thời gian “vấp ngã” này cùng với thời gian kiểm tra hoặc thay đổi dụng cụ cắt, có thể mất đến hai ca để thay dụng cụ cắt. Do đó, bắt buộc phải có tuổi thọ sử dụng lâu nhất có thể cho các công cụ để tiết kiệm thời gian và tiền bạc.

Trong các dạng không đồng nhất có độ cứng khác nhau dọc theo chiều tiến của lỗ khoan, bạn nên thay đổi máy cắt con lăn để khoan nhanh hơn qua các dạng khác nhau. Đối với các dụng cụ có dao hàn, không thể thay thế, điều này có nghĩa là cần phải có nhiều đầu doa khác nhau khi điều kiện mặt đất thay đổi.

Ngày nay, các công cụ khoan đá hiện đại bao gồm máy cắt con lăn được gắn các miếng chèn cacbua vonfram (máy cắt TCI) cho các thành tạo đá cứng hơn và máy cắt răng mài (máy cắt MT) cho các điều kiện nền đất mềm hơn. Ngoài ra, một số đầu doa được lắp bằng máy đầm kim cương đa tinh thể (PDC).

Máy khoan mở lỗ Herrenknecht (FFHO)

Herrenknecht FFHO doa từ lỗ thí điểm ban đầu đến đường kính lỗ khoan cuối cùng trong một lần đi qua thay vì nhiều giai đoạn doa, và do đó chỉ cần một dụng cụ cắt. Các đầu doa chỉ được chế tạo có đường kính từ 30 inch (DN700) trở lên với ưu tiên cho các lỗ thí điểm có đường kính 12,25 inch. Lý tưởng nhất là nhà thầu sử dụng 6,625 inch. cần khoan, với kích thước lớn hơn 7,625 in mới. thanh thậm chí còn tốt hơn. Đối với đường kính nhỏ hơn, 5,5-in. que khoan cũng có thể được sử dụng.

Một lý do chính cho quyết định phát triển dụng cụ mở lỗ một mặt, toàn mặt là khả năng định tâm tuyệt vời của cần khoan quay trong lỗ thí điểm. Nó làm giảm độ nghiêng của đầu doa và tải trọng uốn gây hại lên cần khoan.

Bằng cách loại bỏ các đầu doa nhiều bước với các đường doa bổ sung, việc thay đổi cần khoan và dụng cụ cắt ít hơn đáng kể. Điều này dẫn đến tiết kiệm thời gian và tiền bạc trong quá trình hoạt động khoan. Kinh nghiệm tại công trường chỉ ra rằng quá trình khoan thực tế cũng nhanh hơn do sự định tâm được cải thiện, điều này đảm bảo độ đồng tâm liên tục hơn và tải đều của máy cắt con lăn.

Vì chỉ cần một đầu doa nên đầu tư ban đầu sẽ giảm xuống. Nó cũng cho phép thay đổi máy cắt con lăn một cách nhanh chóng và đơn giản tại chỗ để phù hợp với điều kiện mặt đất. Điều này là do cả máy cắt TCI và MT đều có thể được gắn trên cùng một thân mũi doa. Nếu có sự thay đổi về địa chất, trung bình mỗi máy cắt trục lăn có thể mất 20 phút để thay thế chúng.

Một ưu điểm của FFHO là thân doa không bị mài mòn và dao cắt con lăn là bộ phận hao mòn chính, có thể dễ dàng thay thế. Do đó, cấu trúc thân máy doa có thể tồn tại lâu hơn một số bộ máy cắt con lăn và do đó là một sự mua lại lâu dài, trong khi máy cắt con lăn sẽ phục vụ như một khoản đầu tư liên quan đến dự án.

Một trong những nhà thầu đầu tiên thử Máy mở lỗ Herrenknecht là thợ khoan Bắc Mỹ Laney Directional Drilling của Houston, Texas, như một phần của chương trình thử nghiệm kéo dài nhiều năm. Vào cuối năm 2013, Herrenknecht đã cung cấp 48 in. Máy mở lỗ toàn mặt, dành cho mục đích thử nghiệm.

Dự án 1

Dự án đầu tiên là khoan ngầm kéo ống vượt sông, là một phần của Đường ống vượt sông Đồng Nai. Dự án liên quan đến 36-in. ống sản phẩm thép (DN900) được đặt dưới sông Verdigris bằng phương pháp HDD. Bênliên quan đến đường ống, đã ủy quyền cho Minh Phương Corp khoan lỗ có đường kính 48 inch trên khoảng cách 536 m.

Đường ống đi qua địa chất gồm các lớp đá phiến và đá vôi nằm ngang xen kẽ, tương đối mỏng. Các cường độ đá khác nhau của mỗi lớp rất khác nhau và dao động từ rất mềm đến cứng trung bình với giá trị cường độ nén dọc trục lên đến 15.600 psi (108 MPa). Lớp bao phủ khoảng 23 ft (7 m) bao gồm đất mềm, sau đó chuyển thành đá phiến sét và sau đó thành đá vôi cứng hơn. Dữ liệu địa chất thu được từ hai lỗ khoan thẳng đứng được khoan ở độ sâu 131 ft (40 m) ở hai bên sông.

Lỗ khoan ngang được thực hiện với một giàn khoan 670.000 lbf (3.000 kN). Phi hành đoàn được sử dụng 6.625-in khoan que với 5,5-in.. Lỗ thí điểm đã được khoan với kích thước 12,25-in. Mũi khoan TCI Tricone kết hợp với động cơ khoan. Độ sâu hướng tuyến khoảng 98 ft (30 m) và bán kính uốn cong được tính toán được đặt là 3.600 ft (1.100 m). Việc khoan thực tế không có vấn đề gì trong hệ tầng này, nhưng khó hơn nhiều để duy trì đường và cấp thích hợp vì góc khoan nông so với sự phân lớp của đá vôi và đá phiến sét.

Sau khi lỗ thí điểm được khoan, doa thành 48 inch (1.219 mm) bởi 48 inch. Máy mở lỗ Herrenknecht (FFHO) được thực hiện trong một bước. Dụng cụ mở lỗ được trang bị một bộ dao cắt con lăn TCI dành cho các thành hình rất cứng cùng với dao khoét 47-in. thiết bị định tâm, được gắn phía sau dụng cụ mở lỗ để tăng độ đồng tâm của đầu doa.

Trong quá trình khoan ở các lớp trên của đá phiến sét, người ta nhận thấy rằng dưới áp lực, đá phiến hoạt động theo cách tương tự như đất sét trộn với nước. Rõ ràng là một mô-men xoắn tăng lên do ma sát tăng trong đầu doa. Tại thời điểm này, công ty khoan đã thử nghiệm việc sử dụng các polyme đặc biệt (máy khoan đất sét) để loại bỏ tắc nghẽn trong đầu doa, giúp cải thiện thời gian khoan ở một số đoạn.

Sự liên kết sau đó chạy theo chiều ngang, chủ yếu xuyên qua đá vôi. Sự gia tăng độ nhớt của dung dịch khoan có thể nhìn thấy rõ ràng trên các tấm chắn của hệ thống bùn dưới dạng tăng lưu lượng. Hai lần chạy kiểm tra đã được thực hiện trên dụng cụ, trong đó người ta thấy rằng vật liệu đã tích tụ phía sau thân doa, nhưng nó có thể hoạt động trở lại dòng bùn mà không có mô-men xoắn lớn. Do đó, có thể thực hiện kiểm tra và thông qua vệ sinh cùng một lúc.

Việc lắp đặt đường ống diễn ra không phức tạp và được thực hiện với lực kéo thấp dưới 675.000 lbf (300 kN), cho thấy một lỗ khoan sạch và thẳng. Sau khi hoàn thành dự án, máy cắt con lăn, đã được sử dụng trong 197 giờ hoạt động, đã được gửi đến Seattle để kiểm tra. Cấu trúc thân của máy cắt con lăn và miếng chèn cacbua vonfram ít bị mài mòn, do đó, máy cắt con lăn được lắp các vòng đệm và vòng bi mới để ở bên an toàn. Cấu trúc thân mũi doa cũng cho thấy độ mài mòn tương đối ít, và chỉ ở khu vực của bộ định tâm phía trước có thể thay thế được hàn lại bề mặt cứng cho mũi khoan tiếp theo.

Dự án 2

Dự án thứ hai, là một con sông khác được cắt ngang dài 920m và 96cm đường kính lỗ khoan dưới sông Đồng Nai.

Địa chất phổ biến trên lỗ khoan này bao gồm chủ yếu là đá sa thạch, kết hợp với các lớp đá phiến sét và đá vôi. Các lớp đá bị phá vỡ vừa phải với chỉ số RQD từ 50-60. Điều này có nghĩa là có một nguy cơ vừa phải về một lỗ khoan không ổn định vì đá từ thành lỗ khoan có thể rơi vào phần đảo ngược. Độ bền của đá đơn trục được xác định là có độ bền tối đa là 8.000 psi (55 MPa), không được coi là đặc biệt cứng. Sự hiện diện của các lớp đá phiến sét làm tăng nguy cơ làm tắc nghẽn đầu doa với vật liệu.

Một điểm đặc biệt của lỗ khoan này là mặt tiếp nhận cao hơn mặt phóng khoảng 130 ft (40 m). Các thiết bị được sử dụng trên đường khoan này cũng giống như trong dự án đầu tiên. Lỗ thí điểm đã được khoan với kích thước 12,25-in. lỗ thí điểm khoan từ mặt thấp đến mặt cao hơn.

Sau khi hoàn thành lỗ thí điểm, giàn khoan HDD được thiết lập ở phía cao hơn và 48-in. FFHO kết nối với dây khoan ở phía dưới. Với cường độ nén thấp hơn của đá sa thạch và đá vôi, người ta đã quyết định sử dụng một bộ máy cắt MT để doa.

Như với dự án đầu tiên, trong các phần ít dính hơn, có thể thấy rằng mô-men xoắn tương đối thấp đã đạt được ngay cả với lực tiếp xúc tối đa khoảng 45.000 lbf (200 kN) trên mỗi dao cắt con lăn (270.000 lbf [1.200 kN] cho toàn bộ đầu doa ). Bằng cách thay đổi cấu hình của 20 vòi phun khác nhau trên đầu doa, thời gian chấp nhận được cũng đạt được ở các phần dính.

Bản thân việc lắp đặt đường ống lại diễn ra suôn sẻ, với lực kéo nhỏ hơn 11.200 lbf (500 kN). Mặc dù phần đá sa thạch bị mài mòn, độ mài mòn trên cấu trúc cơ thể của đầu doa chỉ ở mức vừa phải. Tuy nhiên, sau dự án thứ hai, các bộ định tâm phía trước và phía sau cần được thay thế. Thân máy cắt MT đã hoàn toàn mòn và không còn được sử dụng cho dự án khác. Việc cắt ngang dòng sông cho thấy máy cắt con lăn MT hoạt động tốt và đầu doa chạy rất đồng tâm trong lỗ xuống.

THI CÔNG KHOAN NGẦM KÉO ỐNG VƯỢT SÔNG BẰNG CÔNG NGHỆ HDD – ỨNG DỤNG MÁY MỞ LỖ CỦA HERRENKNECHT VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI

Trong các dự án hạ tầng kỹ thuật quy mô lớn, đặc biệt là các tuyến ống dẫn dầu khí, cấp nước, thoát nước hoặc cáp năng lượng, việc vượt qua các chướng ngại tự nhiên như sông, hồ hoặc vùng ngập nước luôn là một thách thức lớn. Phương pháp thi công truyền thống như đào hở dưới lòng sông không chỉ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường mà còn tiềm ẩn nhiều rủi ro kỹ thuật và chi phí cao. Trong bối cảnh đó, công nghệ khoan ngầm định hướng HDD (Horizontal Directional Drilling) đã trở thành giải pháp tối ưu, cho phép lắp đặt đường ống vượt sông một cách an toàn, chính xác và hiệu quả.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ HDD đã đạt được những bước tiến vượt bậc, đặc biệt với sự tham gia của các nhà sản xuất thiết bị hàng đầu thế giới. Một trong những đơn vị tiên phong là Herrenknecht AG, tập đoàn nổi tiếng trong lĩnh vực chế tạo máy khoan hầm và thiết bị khoan ngầm. Vào năm 2015, sau nhiều năm nghiên cứu và phát triển, Herrenknecht đã giới thiệu hệ thống công cụ cắt đá HDD đầu tiên, bổ sung vào danh mục sản phẩm bao gồm các giàn khoan HDD cỡ lớn và thiết bị phụ trợ. Với sự ra đời của các công cụ hạ lỗ tiên tiến, Herrenknecht đã có khả năng cung cấp giải pháp toàn diện cho toàn bộ quá trình khoan ngầm, từ khoan dẫn hướng đến mở rộng lỗ và kéo ống.

Một trong những điểm nổi bật trong công nghệ của Herrenknecht là việc ứng dụng kinh nghiệm từ lĩnh vực khoan hầm (TBM – Tunnel Boring Machine) vào thiết kế các dụng cụ cắt HDD. Các mũi doa (reamer) và đầu cắt được trang bị các dao cắt chuyên dụng, có khả năng làm việc hiệu quả trong điều kiện đá cứng, đá phong hóa hoặc hỗn hợp đất đá. Nhờ đó, các công cụ này không chỉ nâng cao năng suất khoan mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công, đặc biệt trong các dự án vượt sông có địa chất phức tạp.

Quy trình thi công HDD vượt sông thường bắt đầu bằng giai đoạn khoan dẫn hướng, trong đó một lỗ khoan thí điểm (pilot hole) được tạo ra theo tuyến thiết kế từ bờ này sang bờ kia. Tuyến khoan thường có dạng cong, với độ sâu lớn nhất nằm dưới lòng sông để đảm bảo an toàn và tránh ảnh hưởng đến dòng chảy. Sau khi hoàn thành lỗ thí điểm, quá trình mở rộng lỗ khoan được thực hiện bằng các công cụ doa.

Phương pháp phổ biến nhất hiện nay là mở rộng lỗ khoan theo nhiều giai đoạn. Ban đầu, lỗ thí điểm có đường kính nhỏ (ví dụ 8,5 inch) sẽ được mở rộng lên kích thước lớn hơn (ví dụ 24 inch) trong lần doa đầu tiên. Sau đó, các lần doa tiếp theo sẽ tiếp tục tăng đường kính, mỗi lần tăng khoảng 10–12 inch cho đến khi đạt kích thước yêu cầu. Ví dụ, từ 24 inch mở rộng lên 36 inch trong lần doa thứ hai, và có thể tiếp tục mở rộng nếu cần thiết.

Việc mở rộng lỗ khoan theo từng bước giúp giảm tải cho thiết bị và kiểm soát tốt hơn quá trình thi công. Tuy nhiên, khi đường kính lỗ khoan tăng lên, việc giữ cho dụng cụ cắt nằm đúng tâm trở nên khó khăn hơn. Trong mỗi vòng quay, cần khoan có xu hướng lệch khỏi trục trung tâm do lực không đồng đều và sự không ổn định của nền đất. Điều này có thể dẫn đến việc mũi doa bị nghiêng xuống, gây lệch lỗ khoan và tăng nguy cơ sập lỗ.

Để khắc phục vấn đề này, các công cụ doa của Herrenknecht được thiết kế với khả năng tự cân bằng và phân bố lực đều, giúp duy trì vị trí trung tâm trong quá trình mở rộng. Ngoài ra, hệ thống định vị và giám sát hiện đại cho phép theo dõi chính xác vị trí và hướng của mũi doa, từ đó điều chỉnh kịp thời để đảm bảo độ chính xác của tuyến khoan.

Một yếu tố quan trọng khác trong thi công HDD vượt sông là dung dịch khoan. Dung dịch này không chỉ giúp làm mát và bôi trơn mũi khoan mà còn đóng vai trò ổn định thành lỗ và vận chuyển mùn khoan ra ngoài. Trong điều kiện vượt sông, nơi có áp lực nước lớn và địa chất phức tạp, việc kiểm soát dung dịch khoan càng trở nên quan trọng. Dung dịch phải có độ nhớt và tỷ trọng phù hợp để ngăn chặn sập lỗ và tránh hiện tượng trào dung dịch ra môi trường nước.

Sau khi hoàn thành quá trình mở rộng lỗ khoan, giai đoạn kéo ống được thực hiện. Đường ống thường được hàn nối thành một đoạn dài trên bờ và sau đó được kéo qua lỗ khoan bằng máy HDD. Trong các dự án vượt sông, chiều dài kéo ống có thể lên đến hàng trăm hoặc hàng nghìn mét, đòi hỏi lực kéo lớn và kiểm soát chặt chẽ. Việc sử dụng dung dịch bôi trơn và thiết kế tuyến khoan hợp lý giúp giảm ma sát và đảm bảo quá trình kéo ống diễn ra suôn sẻ.

Thực tế triển khai các dự án HDD vượt sông cho thấy nhiều thách thức như địa chất phức tạp, áp lực nước, chiều dài tuyến lớn và yêu cầu kỹ thuật cao. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của các thiết bị hiện đại như của Herrenknecht, nhiều dự án đã được thực hiện thành công, góp phần phát triển hệ thống hạ tầng một cách bền vững.

Một số dự án tiêu biểu trên thế giới đã sử dụng công nghệ HDD để vượt sông với chiều dài hàng kilomet, đường kính ống lớn và điều kiện địa chất khó khăn. Những dự án này không chỉ chứng minh hiệu quả của công nghệ mà còn mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

Tóm lại, thi công khoan ngầm kéo ống vượt sông bằng công nghệ HDD là một giải pháp hiện đại, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Việc sử dụng các công cụ mở lỗ tiên tiến như của Herrenknecht giúp nâng cao năng suất, giảm rủi ro và đảm bảo chất lượng công trình. Trong bối cảnh nhu cầu phát triển hạ tầng ngày càng cao, công nghệ HDD sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối các khu vực và xây dựng hệ thống kỹ thuật ngầm bền vững.

Xem thêm Kỹ thuật khoan không rãnh để lắp đặt đường ống khí tự nhiên>>