Khi quy hoạch một giếng nước sâu cấp kilomet, tài liệu thiết bị ghi "độ sâu khoan tối đa 1000 m", điều này chỉ cho biết giới hạn năng lực thiết kế của thiết bị nằm ở đâu. Điều thực sự quyết định giếng này có thể khoan thành công theo kế hoạch hay không là các điều kiện như đường kính hoàn thành giếng, tải trọng cột khoan, cấp khí phối hợp, phương thức giữ thành và kết cấu hoàn thành giếng có thể đồng thời được đáp ứng hay không. Coi giới hạn độ sâu khoan là căn cứ duy nhất cho tính khả thi của dự án là hiểu lầm khá phổ biến trong lựa chọn máy khoan giếng nước sâu. Bài viết này lấy tài liệu công khai của WR1000S làm manh mối, giải thích các ràng buộc của việc hoàn thành giếng sâu thường nằm ở những điểm nào, và những điều kiện nào cần xác nhận riêng trước khi khởi công.
Những điều mà con số độ sâu khoan không thể thay thế
Sự khác biệt giữa giếng nước sâu và giếng cấp nước nông không chỉ là độ sâu lỗ khoan tăng thêm vài trăm mét. Lỗ càng sâu, trọng lượng bản thân cần khoan càng lớn, ma sát thành lỗ tích lũy càng nhiều, đường đi của bột đá từ đáy lỗ trở về mặt đất càng dài, những điều này đều ảnh hưởng ngược lại đến nhu cầu thực tế về lực nâng, mô-men xoắn quay và lưu lượng cấp khí. Đồng thời, giếng sâu thường tương ứng với đường kính ống hoàn thành giếng lớn hơn và thiết kế ống lọc, đoạn chắn nước phức tạp hơn, một khi kết cấu hoàn thành giếng được xác định, yêu cầu về đường kính lỗ khoan và phương thức giữ thành cũng sẽ thay đổi theo.
Vì vậy, để đánh giá một thiết bị có thể đảm nhận một dự án giếng sâu nào đó hay không, ít nhất phải xem xét đồng thời các loại điều kiện sau, chứ không chỉ đối chiếu con số độ sâu khoan với quy hoạch độ sâu giếng.
Đường kính hoàn thành giếng và kết cấu thân giếng phải được xác định trước, năng lực thiết bị mới có đối tượng so sánh
Đường kính hoàn thành giếng của giếng nước thường được quyết định bởi mục tiêu lưu lượng, quy cách ống giếng, độ dày lớp vật liệu lọc và kết cấu chắn nước. Đường kính càng lớn, khối lượng cắt đất đá và xả bã trên mỗi mét tiến càng lớn, yêu cầu về mô-men xoắn quay, lưu lượng máy nén khí, quy cách dụng cụ khoan và tải trọng toàn máy cũng càng cao. Phạm vi đường kính khoan của WR1000S là 105–800 mm, phạm vi này có thể đáp ứng nhiều nhu cầu từ giếng nước sâu thông thường đến lỗ công trình đường kính lớn. Nhưng tài liệu cũng lưu ý rằng đường kính càng lớn thì yêu cầu về máy nén khí, dụng cụ khoan, ống chống và tải trọng toàn máy càng cao, không thể chỉ dựa vào đường kính tối đa để bố trí thi công thông thường.
Nói cách khác, đường kính hoàn thành giếng mà dự án yêu cầu là điều kiện đầu vào, phạm vi đường kính của thiết bị chỉ là khoảng có thể đáp ứng. Điều thực sự cần xác nhận là: giếng này thiết kế với đường kính bao nhiêu, sử dụng ống giếng cỡ nào, đoạn ống lọc và đoạn chắn nước bố trí ra sao, sau đó mới xem thiết bị ở đường kính này còn đủ dư lực nâng và cấp khí hay không.
Lực nâng và tải trọng cột khoan: giếng sâu phải vượt qua cửa ải này trước
Ở độ sâu lỗ khoan cấp kilomet, trọng lượng bản thân cần khoan, ma sát thành lỗ, trọng lượng ống chống và kẹt cục bộ đều sẽ cộng dồn lên hệ thống nâng. WR1000S được trang bị lực nâng 52 T và lực ép trục 8 T, có thể dùng cho thao tác nâng hạ cần khoan thông thường, thu hồi dụng cụ khoan giếng sâu và một phần thao tác ống chống quy cách lớn. Đối với dự án giếng sâu, lực nâng không chỉ là vấn đề "có nâng lên được hay không", nó quyết định nhịp độ nâng hạ cần khoan, tính khả thi của việc hạ ống chống, và còn bao nhiêu dư địa xử lý khi gặp lực cản trong lỗ.
Cần phân biệt rằng, lực nâng là năng lực thiết bị, việc xử lý bất thường trong lỗ vẫn phải quay về làm sạch lỗ, nâng chậm và đánh giá trạng thái trong lỗ. Giá trị lực nâng trong tài liệu thiết bị không thể hiểu là có thể tùy ý ứng phó mọi tình huống kẹt cần, cách xử lý khi gặp lực cản bất thường cần bên dự án đánh giá theo tình hình thực tế trong lỗ.
Mô-men xoắn quay và tốc độ quay: đường kính lỗ và tính chất đá cùng quyết định chọn dải nào
Mô-men xoắn tối đa của hệ thống quay WR1000S là 26000 / 13000 N·m, tương ứng tốc độ quay tối đa 70 / 140 r/min. Chế độ tốc độ thấp, mô-men xoắn cao phù hợp hơn với đoạn lỗ đường kính lớn, đá cứng và ma sát cao; tốc độ cao hơn có thể dùng cho giai đoạn lực cản tương đối nhỏ. Trong giếng sâu, cột khoan dài, tải trọng lớn, thông số quay cần được điều chỉnh linh hoạt kết hợp với tải trọng cột khoan và trạng thái xả bã, không thể khoan một mạch đến cùng với một cấp số duy nhất.
Ý nghĩa của điểm này đối với lựa chọn thiết bị là: nếu dự án quy hoạch giếng sâu đường kính lớn và địa tầng chủ yếu là đá cứng, thì dự trữ mô-men xoắn và độ ổn định ở tốc độ thấp có giá trị tham khảo hơn tốc độ tối đa; nếu đoạn lỗ chủ yếu là địa tầng lực cản nhỏ như đất, cát, thì mức độ sử dụng cấp tốc độ sẽ khác. Yêu cầu của hai loại điều kiện làm việc đối với thiết bị không giống nhau, cần đánh giá theo tổ hợp địa tầng của dự án.
Cấp khí phối hợp: hạng mục thường bị đánh giá thấp trong xả bã giếng sâu
Áp suất làm việc khuyến nghị của WR1000S là 1,6–8 MPa, lượng khí tiêu thụ 16–96 m³/min. Trong đá cứng nguyên vẹn có thể lắp búa khoan DTH áp suất trung bình, cao để khoan DTH. Trong giếng sâu cấp kilomet, khoảng cách vận chuyển bột đá đáy lỗ dài, xả bã không đầy đủ dễ hình thành cặn lắng và nghiền lại, càng làm tăng mô-men xoắn và tiêu hao năng lượng. Vì vậy giếng sâu đá cứng có yêu cầu rất cao về áp suất và lưu lượng máy nén khí, khi lựa chọn thực tế phải xác định tổng hợp theo model búa khoan DTH, đường kính lỗ, độ sâu lỗ, độ cao so với mực nước biển và độ cứng đá, lưu lượng không đủ sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả va đập và xả bã.
Ở đây cần làm rõ rằng, tài liệu thiết bị đưa ra là phạm vi áp suất làm việc và lượng khí tiêu thụ khuyến nghị, không có nghĩa là bất kỳ cấu hình máy nén khí nào cũng có thể đáp ứng mọi tổ hợp độ sâu và đường kính lỗ. Lựa chọn máy nén khí là khâu phối hợp cần tính toán riêng trong dự án giếng sâu, không thể chỉ xem thông số của bản thân máy khoan.
Giữ thành và chuyển đổi công nghệ: từ lớp phủ đến tầng chứa nước phải bố trí theo đoạn
Giếng nước sâu hiếm khi dùng một công nghệ khoan đến cùng. WR1000S hỗ trợ khoan quay bằng dung dịch, có thể dùng cho đoạn lỗ phía trên như đất, đất sét, cát và sỏi cát. Độ ổn định của đoạn lỗ phía trên ảnh hưởng trực tiếp đến thi công giếng sâu tiếp theo, có thể dùng dung dịch, ống chống và các phương thức giữ thành khác để tạo đoạn lỗ ổn định trước, sau đó vào tầng đá chuyển sang công nghệ búa khoan DTH.
Khi giếng sâu đi qua đới đứt gãy phá hủy, có thể xuất hiện rơi khối, co đường kính, rò khí và kẹt cần. Tài liệu lưu ý sau khi vào đoạn lỗ loại này nên giảm tốc độ đẩy quá nhanh, tăng cường làm sạch lỗ, và tùy tình hình sử dụng ống chống, bọt hoặc các biện pháp ổn định lỗ khác. Khi rò khí nghiêm trọng nên phân tích quy mô khe nứt và tình trạng hang hốc, chứ không chỉ dựa vào việc tăng áp suất máy nén khí. Sau khi vào tầng chứa nước chính ở sâu, nước phun sẽ thay đổi trạng thái xả bã và áp suất trong lỗ, cần ghi lại độ sâu tầng xuất nước chính, và điều chỉnh phương án cấp khí, làm sạch lỗ và ống chống theo đó.
Yêu cầu của các bố trí công nghệ này đối với thiết bị là theo từng đoạn: lớp phủ phía trên cần hệ thống dung dịch và phối hợp giữ thành, đá cứng phía dưới cần búa khoan DTH và đủ lưu lượng, áp suất gió, đoạn tầng chứa nước đặt ra yêu cầu bổ sung về làm sạch lỗ và kết cấu hoàn thành giếng. Năng lực thiết bị chỉ là một khâu, phương án công nghệ và vật liệu phối hợp cần được thực hiện đồng bộ.
Cần khoan và tháp khoan: quyết định nhịp độ phụ trợ thi công liên tục giếng sâu
WR1000S sử dụng kết cấu tháp khoan co duỗi, hỗ trợ cần khoan 6 m, đường kính cần khoan khuyến nghị 114 mm. Lỗ khoan cấp 1000 mét nếu dùng cần khoan quá ngắn, số lần lắp tháo sẽ tăng đáng kể, thời gian phụ trợ và cường độ lao động cũng tích lũy nhanh chóng. Cần khoan 6 m có thể giảm số lần kết nối, phù hợp hơn với thi công giếng sâu chu kỳ dài. Tài liệu cũng lưu ý rằng ren cần khoan, độ thẳng và trạng thái mỏi nên được đưa vào kiểm tra liên tục.
Tác dụng của tháp khoan co duỗi là cân bằng giữa kích thước tổng thể khi vận chuyển và chiều cao làm việc cần thiết khi vận hành, điều này có ý nghĩa thực tế đối với việc chuyển trường và bố trí hiện trường của thiết bị giếng sâu cỡ lớn. Tốc độ nâng nhanh của thiết bị 30 m/min, tốc độ đẩy nhanh 61 m/min, chủ yếu dùng cho đầu động lực hồi vị, thao tác cần khoan và các động tác phụ trợ. Trong thi công giếng sâu, thời gian phụ trợ mỗi lần có vẻ không nhiều, nhưng tích lũy lâu dài sẽ ảnh hưởng đến tổng thời hạn công trình.
Động lực, di chuyển và điều kiện hiện trường: ràng buộc phối hợp ngoài thiết bị
WR1000S được trang bị động cơ diesel 194 kW, trọng lượng toàn máy khoảng 17,8 T, kích thước ngoài khoảng 7,3 × 2,25 × 2,75 m, tốc độ di chuyển khoảng 5 km/h, góc leo dốc tối đa tham khảo 21°, hành trình chân thủy lực 1,7 m, lực nâng tời phụ 2,5 T. Những dữ liệu này không tương ứng với năng lực khoan mà là điều kiện vào công trường, định vị và tổ chức hiện trường của thiết bị.
- Trước khi vận chuyển cần xác nhận tải trọng xe phẳng, giới hạn chiều rộng, chiều cao đường và khả năng chịu tải của cầu, tháp khoan co duỗi phải được khóa chắc chắn, cần khoan 6 m và ống chống nên được cố định riêng.
- Tốc độ di chuyển của thiết bị chủ yếu dùng cho chuyển trường trong công trường và giữa các vị trí lỗ, trước khi di chuyển nên xác nhận khả năng chịu tải của đường, độ dốc, bán kính quay và tình trạng nền đất yếu.
- Chân thủy lực có thể giúp thiết bị cân bằng và ổn định trên nền không bằng phẳng, nền đất yếu nên dùng tấm đệm đủ diện tích để tránh lún lâu dài.
- Tời phụ có thể dùng để vận chuyển búa khoan DTH, cần khoan, dụng cụ ống chống và các phụ kiện hiện trường khác, dự án giếng siêu sâu có nhiều dụng cụ khoan hơn, nặng hơn, cần quy hoạch hợp lý tuyến cẩu và khu vực đặt vật liệu.
Những điều kiện này không trực tiếp quyết định chất lượng hoàn thành giếng, nhưng bất kỳ điều nào không được thực hiện đều có thể khiến thiết bị đến hiện trường mà không thể khởi công theo kế hoạch.
Những điều kiện nào vẫn phải xác nhận theo tài liệu dự án
Nội dung trên giải thích phạm vi năng lực và điều kiện áp dụng tương ứng với tài liệu công khai của WR1000S, không phải kết luận lựa chọn cho một dự án cụ thể. Độ sâu giếng thực tế vẫn cần xác định dựa trên tài liệu địa chất thủy văn, kết cấu địa tầng và tầng chứa nước mục tiêu. Trước khi so sánh thiết bị cho dự án giếng nước sâu, ít nhất cần xác nhận các thông tin sau:
- Độ sâu giếng mục tiêu và độ sâu chôn của tầng chứa nước chính;
- Đường kính hoàn thành giếng, quy cách ống giếng và thiết kế ống lọc, đoạn chắn nước;
- Tổ hợp địa tầng, bao gồm độ dày lớp phủ phía trên, loại đá cứng và phân bố đới phá hủy;
- Phương án cấu hình máy nén khí và điều kiện cấp khí hiện trường;
- Vật liệu giữ thành, quy cách ống chống và cung ứng vật liệu hoàn thành giếng;
- Đường vào công trường, xe vận chuyển và điều kiện mặt bằng vị trí lỗ.
Nếu một trong các điều kiện này chưa rõ ràng, lựa chọn thiết bị chỉ có thể đưa ra đánh giá có điều kiện, không thể trực tiếp kết luận một model nào đó nhất định phù hợp. Ràng buộc của việc hoàn thành giếng sâu chưa bao giờ chỉ là một con số giới hạn độ sâu khoan, đối chiếu rõ ràng từng hạng mục đường kính lỗ, tải trọng, cấp khí, giữ thành và kết cấu hoàn thành giếng, năng lực thiết bị mới có cơ sở để so sánh.