Nghiên cứu tính phức tạp của tầng sét kết và sét than vùng quảng ninh khi áp dụng công nghệ khoan bằng bộ ống mẫu luồn

Nội dung text: Nghiên cứu tính phức tạp của tầng sét kết và sét than vùng quảng ninh khi áp dụng công nghệ khoan bằng bộ ống mẫu luồn

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 51, 7-2015, tr.6-12 NGHIÊN CỨU TÍNH PHỨC TẠP CỦA TẦNG SÉT KẾT VÀ SÉT THAN VÙNG QUẢNG NINH KHI ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN BẰNG BỘ ỐNG MẪU LUỒN PHẠM VĂN NHÂM, Công ty CP Khoan và dịch vụ kỹ thuật khai thác Mỏ NGUYỄN XUÂN THẢO, Viện Công Nghệ khoan – KT Việt Nam NGUYỄN TRẦN TUÂN, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Công nghệ khoan bằng ống mẫu luồn đã được áp dụng rộng rãi ở vùng than Quảng Ninh. Tuy nhiên, trước tình trạng địa chất hết sức phức tạp của vùng mỏ, công tác khoan bằng ống mẫu luồn đã gặp phải không ít phức tạp và sự cố. Sự trương nở, chảy sệ thành lỗ khoan thay đổi trong giới hạn rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thành phần khoáng vật; mức độ phân tán; thành phần trao đổi hoá học và các yếu tố môi trường xúc tác như thành phần hoá học của hệ dung dịch khoan, môi trường nhiệt độ và áp suất thuỷ tĩnh, v.v Sự mất ổn định thành lỗ khoan ở đây có nguyên nhân do sử dụng hệ dung dịch với các thông số, tính chất lưu biến chưa phù hợp. Trong phạm vi bài báo, nhóm tác giả đưa ra một số nghiên cứu nhằm tìm ra những nguyên nhân ảnh hưởng tới sự phức tạp của tầng sét kết và sét than vùng Quảng Ninh nhằm hoàn thiện công nghệ khoan bằng bộ ống mẫu luồn tại vùng mỏ. 1. Đặt vấn đề lặp lại nhiều lần theo các nhịp trầm tích. Ngoài Lịch sử phát triển địa chất than Việt Nam ra còn gặp các đứt gẫy, đất đá bị bào mòn và có 3 thời kỳ thành tạo các mỏ than: Permi muộn chuyển tiếp đột ngột những yếu tố này gây cản (P3), Trias muộn (T3 n - r) và Paleogen – trở rất nhiều khi áp dụng công nghệ khoan bằng Neogen (E3 - N1). Bể than Quảng Ninh thuộc bộ ống mẫu luồn. Hệ Trias, thống thượng, bậc Nori – reta hệ tầng Nghiên cứu làm rõ tính chất cơ lý, thành Hòn Gai (T3n – r. hg), diện tích phân bố khoảng phần thạch học của lớp sét kết và sét than trong 1100 km2. Thành phần trầm tích chủ yếu là các địa tầng than vùng Quảng Ninh, để có thể áp thành tạo lục địa và vũng vịnh gồm cuội kết, dụng có hiệu quả công nghệ khoan bằng bộ ống sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết và sét than, chứa mẫu luồn trong vùng than Quảng là rất thực tiễn các vỉa than antracit, tính phân nhịp rõ, chứa và cần thiết. hóa đá thực vật đặc trưng cho phức hệ thực vật 2. Đặc tính cơ lý tầng sét kết và sét than vùng Hòn Gai, tổng chiều dầy trầm tích từ 3000 - Quảng Ninh 4000m [1]. Mỗi nhịp trầm tích đầy đủ bao gồm cuội Sự phân bố và chuyển tiếp của các lớp kết, cát kết, bột kết, sét kết và sét than, than, nham thạch theo quy luật chung của quá trình tầng cuội kết, cát kết, bột kết thường cứng, ổn tạo thành trầm tích. Các lớp nham thạch phân định (độ cứng theo độ khoan từ cấp VI-XII), bố xa vỉa than thường là các tập hạt thô đến hạt tầng sét kết và sét than thường mềm yếu (độ trung như cuội kết, sạn kết, đến cát kết. Càng cứng theo độ khoan từ cấp III -V). gần các vỉa than là tập nham thạch hạt mịn như Sét kết và sét than màu xám đến xám đen, bột kết, trực tiếp ở vách trụ vỉa than là sét kết và chiếm tỷ lệ thấp trong cột địa tầng. Thành phần sét than. Đặc trưng như vậy được lặp đi lặp lại sét và xêrixít chiếm từ 60%  70%, còn lại là theo số lần bắt gặp các vỉa than trên cột địa silic, than và vật chất than. Ngoài ra, còn có tầng. muscovit, thạch cao và xác thực vật; giới hạn Với cấu tạo địa chất vùng than Quảng Ninh, bền nén của sét kết và sét than dao động từ có thể kết luận rằng: đây là địa tầng không đồng 75410kG/cm2, độ cứng theo Protodiakonov: nhất, độ cứng không đồng đều và thường lặp đi f = 1  4, đá phân lớp mỏng, dễ bị phá huỷ, vò 6
2. nhàu khi có tác động ngoại lực; khi bão hoà Từ các kết quả nghiên cứu chỉ tiêu cơ lý nước trở nên dẻo, giới hạn bền kéo không lớn của sét kết và sét than cho thấy sét kết và sét hơn 55kG/cm2 . Sét kết và sét than thường nằm than có độ ẩm từ 0,5%÷3,56 %; độ bền biến đổi sát vỉa than và tạo thành vách, trụ hoặc nằm kẹp phụ thuộc vào địa tầng từng khu mỏ. Kết quả giữa vỉa than, đôi khi còn gặp ở các mặt phân nghiên cứu các mẫu sét kết và sét than (hình 1) lớp giữa các lớp đá. Sét kết và sét than thường cho thấy mẫu sét thường bở rời, dẻo và ngậm phân bố không đều, có nơi chiều dày khoảng nước, dễ biến dạng. Đây là một trong các 1,5m; ở mỏ Mạo Khê sét than còn phân bố dạng nguyên nhân gây hiện tượng phức tạp trong quá thấu kính dày tới 7m; các mỏ than Mông trình khoan. Dương, Khe Chàm chiều dày lớp sét than chỉ khoảng vài chục xentimét.[1] Hình 1. Mẫu lỗ khoan CGH 161- PA. Khe Chàm II-IV- 2013 (574m - 580m) Từ hình ảnh phân tích mẫu lõi khoan tầng Sét kết và sét than dưới kính hiển vi (Hình 2) cho thấy: các tinh thể không liên kết thành mạng bền vững mà liên kết thành từng nhóm, dễ hình thành các hốc làm giảm lực liên kết, các tinh thể dễ bị phá huỷ, nhất là khi có tác động của ngoại lực và môi trường hoá lý. Hình 2. Cấu trúc khoáng sét dưới kính hiển vi (Mẫu lỗ khoan TK9) Tính chất cơ lý đặc trưng cho Sét kết và sét than vùng Quảng Ninh mô tả ở bảng 1. Bảng 1. Các giá trị trung bình đặc tính cơ lý lớp sét kết và sét than [ 1 ] Vùng than Dung trọng Tr.lượng Cường độ Cường độ Lực dính Góc nội 3  (g/cm ) riêng kháng nén σn( kháng kéo σk kết C ma sát φ (G/cm3) kG/cm2) (kG/cm2) (kG/cm2) ( độ ) Sét kết và sét than Bảo Đài 2,61-2,71 2,64-2,81 110-148 55 128 28,25 Mạo khê 2,65 2,72 150-139 Hòn Gai 2,44 2,70 175-412 30 28,30 Cẩm Phả 2,44-2,69 2,60-2,80 203-337 192 Cái Bầu 2,65 2,72 75,4 32,5 30,7 10,1 7
3. Nhìn vào giá trị trung bình tính chất cơ lý và thành lỗ khoan duy trì hẹp suốt dọc lỗ khoan lớp sét kết và sét than vùng than Quảng Ninh (≈ 3mm). nhận thấy: các giá trị thay đổi với giãn cách lớn 3. Nghiên cứu thành phần thạch học tầng sét giữa các vùng khác nhau. Lớp sét kết và sét kết và sét than vùng Quảng Ninh than mền yếu, có lực dính kết (30,7kG/cm2 Để đánh giá khả năng nhạy cảm nước, sự 128kG/cm2) và góc nội ma sát nhỏ (10.10  trương nở và sập lở của tầng sét kết và sét than 28.50) rất dễ bị trương nở, sập lở, đây là một vùng Quảng Ninh, cần lấy mẫu và phân tích trở ngại khi áp dụng công nghệ khoan bằng bộ thành phần khoáng vật, đánh giá theo phương ống mẫu luồn, bởi một trong những đặc tính cơ pháp nhiễm xạ Rơngen. Trong phạm vi nghiên bản của công nghệ khoan bằng bộ ống mẫu luồn cứu chúng tôi lựa chọn 3 mẫu sét tiêu biểu gồm: là: Cột cần phẳng suốt chiều dài lỗ khoan nên Mẫu CGH 165; HR79; HR145; Kết quả xem khoảng hở không gian vành xuyến giữa cột cần hình 3; 4; 5 và bảng 2 [2]. Hình 3. Ảnh nhiễu xạ rơnghen của mẫu lõi CGH165-Mỏ Khe chàm II-IV (chiều sâu: 170m-171m) Hình 4. Ảnh nhiễu xạ rơn ghen mẫu lõi LK HR145-PA mỏ Hà Ráng (chiều sâu: 394m-399m) 8
4. Mẫu LK HR79 -PA (410) Hình 5. Ảnh nhiễu xạ rơn ghen mẫu lõi LK HR79-PA mỏ Hà Ráng (chiều sâu: 410m-415m) Phân tích ảnh quyét Rơnghen đã xác định được thành phần khoáng ở bảng 2 Bảng 2. Thành phần khoáng vật của 3 mẫu lõi No Ký hiệu mẫu Thành phần khoáng vật và hàm lượng (~%) Montmo Ilit Kaolinit Clorit Thạch Felspat Gơtit K.vật rilonit anh khác 1 LKCGH165 15-17 13-18 18-20 4-6 30-33 2-4 7-9 Sid 2 LKHR79 20-22 14-16 19-21 4-6 27-29 3-5 3-5 Bow 3 LKHR145 23-25 14-16 19-21 4-6 25-27 1-3 2-4 Lep,Am, (Am: Ampohibole; Bow: Bowmit; Sid : Siderit) Từ kết quả phân tích nhiễu xạ Rơn ghen ta tầng sét kết và sét than là tầng mềm yếu (cường 2 thấy thành phần khoáng của 3 mẫu lõi: độ kháng nén σn ≈ 75,4 ÷ 400 kG/cm , cường độ 2 Montmorillonit từ: 15 ÷ 25%; Kaolinit: 18 kháng kéo σk ≈ 30 ÷ 55 kG/cm , lực dính kết 2 ÷ 21%; Ilit:13÷16%; Thạch anh:25÷33%. Kết C ≈ 30 ÷ 128 kG/cm ) với đặc điểm rất nhạy hợp với tính chất cơ lý của lớp sét kết và sét cảm nước do chứa đáng kể khoáng than, nhận thấy đây là tầng mềm yếu, dễ trương montmorilonit (15-25%). Khi gặp nước các nở và sập lở vì trong thành phần chứa nhiều khoáng sét sẽ hấp phụ nước, tăng khoảng cách montmorilonit, caolinit và illit, đây là những nội tại giữa các phiến sét dẫn đến giảm lực liên “khoáng” rất nhạy cảm nước đặc biệt là kết, gây trương nở, chảy sệ, sau quá trình chảy montmorilonit rất dễ tương tác với dung dịch sệ dẫn đến sập lở và thường lặp đi, lặp lại nhiều khoan phá vỡ sự ổn định của thành lỗ khoan. lần phụ thuộc vào số lượng các lớp sét kết và sét 4. Hiện tượng thu hẹp đường kính lỗ khoan than mà lỗ khoan cắt qua, gây nên một số hiện do sự trương nở, chảy sệ thành lỗ khoan khi tượng phức tạp trong quá trình khoan: khoan qua tầng sét kết và sét than Hiện tượng thu hẹp đường kính lỗ khoan Căn cứ vào kết quả phân tích cơ lý đá, thường xảy ra với các lỗ khoan thăm dò than thành phần thạch học (bảng 1 và 2) nhận thấy: vùng Quảng Ninh có ảnh hưởng bởi các đứt gãy 9
5. địa chất như tại Mỏ Suối Lại, Mỏ Hà Ráng, Mỏ Khoáng sét sẽ bão hòa nước, trương nở và Cao sơn, Mỏ Đèo Nai Nguyên nhân chính của chuyển sang dạng chảy dẻo dẫn đến thành lỗ hiện tượng thu hẹp đường kính lỗ khoan là do khoan bị chảy sệ, đường kính lỗ khoan bị thu khi tiếp xúc với nước thoát ra từ dung dịch. hẹp. Sự co thắt thể hiện ở hình 6). Đường Gama Đường Gama-Gama Đường kÝnh LK Hình 6. Sự trương nở của tầng sét kết và sét than xen kẹp than Mức độ trương nở của sét phụ thuộc vào - Độ ẩm trương nở: WN - (ứng với lúc bản chất cation trao đổi trên bề mặt lớp sét. Đặc ngừng hút nước của sét) xác định theo trọng tính trương nở của sét được đánh giá theo 3 chỉ lượng mẫu sau khi đã trương nở hoàn toàn và tiêu: trọng lượng mẫu khô tuyệt đối. N - Hệ số trương nở: - Áp lực trương nở: P - là áp lực ngăn chặn tăng thể tích hoàn toàn trong quá trình trương N Vc Vđ R = , Vđ, Vc thể tích trước và sau nở. Vđ Sự trương nở, chảy sệ thành lỗ khoan thay trương nở. đổi trong giới hạn rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Thành phần khoáng vật; mức độ phân 10
6. tán; thành phần trao đổi hoá học và các yếu tố Hiện tượng bắt đầu bằng việc sét phân rã và môi trường xúc tác như thành phần hoá học của xi măng gắn kết rã ra không còn gắn kết các hạt hệ dung dịch khoan, môi trường nhiệt độ và áp khoáng vật với nhau, các phần tử đất đá (mùn, suất thuỷ tĩnh, v.v dăm, sạn) bị bão hòa nước nhanh chóng chuyển thành dạng bùn lỏng dễ dàng bị lôi cuốn, chảy 5. Hiện tượng tăng đường kính lỗ khoan, tạo vào trong lòng lỗ khoan và phân tán vào dung hang hốc do sập lở thành lỗ khoan dịch, làm sập lở thành lỗ khoan. Trong trường Hiện tượng xảy ra khi khoan qua tầng bị hợp này áp suất máy bơm tăng cao bất thường. phay phá xen kẹp sét, sét than, các vỉa than, các Nếu không duy trì được việc tuần hoàn dung tầng bột kết liên kết yếu, cát kết, sạn kết mà dịch liên tục sẽ xẩy ra hiện tượng tạo nút, kẹt bó thành phần xi măng gắn kết chủ yếu là sét bộ ống mẫu. Sự mở rộng đường kính lỗ khoan xêrixít, sét silic và cácbônát cùng các vật chất xem hình 7. hữu cơ dễ bị bở rời khi gặp nước ThiÕt ®å vËt lý LK NB 69 Tû lÖ: 1/200 ( Khoan cì §•êng kÝnh HQ: 98mm ) Đường kính LK 0 Gama (CPS) 210 0 Gama Gama (CPS) 8000 50 Ðu?ng kính (mm) 310 Metres C?t ÐT khoan C?t ÐT Ð?a v?t lý C?t ÐT Ð?a 98mm Đường Gama 159.7 160 160.1 180mm 162.8 Đường Gama - Gama 164.9 165.4 166.1 167.4 169.8 170 170.3 180 190 Hình 7. Sự sập lở gây mở rộng đường kính lỗ khoan 6. Tổng hợp sự cố do sự trương nở, sập nở của tầng sét kết và sét than Khi khoan thăm dò than vùng Quảng Ninh bằng bộ ống mẫu luồn, luôn gặp phải các sự cố “kẹt bộ dụng cụ”, thời gian cứu chữa kéo dài, đây là yếu tố chủ yếu, làm giảm hiệu quả khoan bằng ống mẫu luồn tại vùng than Quảng Ninh. (các vụ kẹt và chi phí thể hiện ở bảng 3). 11
7. Bảng 3. Tổng hợp các vụ kẹt và thời gian cứu chữa trong những năm gần đây [3,4] Công ty Địa chất Mỏ - VINACOMIN Công Ty CP khoan & DVKT KT Mỏ Số vụ kẹt Thời gian cứu Số vụ kẹt Thời gian cứu Năm (Vụ)/LK OML (ca.máy) (Vụ)/ LK OML (ca.máy) 2009 58/73 1.345 13/18 235 2010 63/85 1.386 16/21 287 2011 45/67 928 9/12 161 2012 30/45 650 5/8 102 2013 27/35 450 6/7 150 7. Kết luận Quảng Ninh là tiền đề để các tác giả tiếp tục Khoan bằng bộ ống mẫu luồn vùng than nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khoan bằng Quảng Ninh chỉ thuận lợi và cho năng suất cao bộ ống mẫu luồn, nhằm nâng cao hiệu quả khi cột địa tầng cứng, ổn định. Khi đó, năng khoan thăm dò trong vùng than Quảng Ninh. suất khoan có thể đạt 500m/tháng-máy [5]. Còn hầu hết thường gặp các sự cố kẹt nghiêm trọng TÀI LIỆU THAM KHẢO mà nguyên nhân chủ yếu đều do sự trương nở, sập lở của lớp sét kết và sét than gây ra. [1]. Lê Đỗ Bình, Nguyễn Trọng Khiêm. Địa Sự trương nở, sập lở và mất ổn định thành chất khoáng sản các mỏ than Việt Nam.(Tập 1- lỗ khoan ở đây có nguyên nhân do sử dụng hệ 2 ). Chế bản và in tại Tạp chí than – khoáng sản dung dịch chưa phù hợp, chất lượng dung dịch Việt Nam Tr 46-85 chưa đảm bảo, chưa được nghiên cứu, điều chế, [2]. Báo cáo kết quả trong khuôn khổ Hợp đồng gia công một cách khoa học để có được các tính phân tích mẫu lõi khoan giữa Viện Dầu Khí và chất lưu biến đáp ứng được yêu cầu của công Công ty CP khoan và DVKT KT Mỏ. nghệ khoan bằng bộ ống mẫu luồn. Đặc biệt cần [3]. Phạm Xuân Thành. Báo cáo tổng kết sản có tính ức chế cao, độ thải nước nhỏ, vỏ bùn xuất các năm từ 2009 - 2012 của Công ty CP mỏng để giảm được các nguyên nhân gây Khoan & DVKT KT Mỏ trương nở, mất ổn định thành lỗ khoan. Đây là [4]. Nguyễn Văn Việt - Báo cáo tổng kết sản vấn đề lớn, cấp bách đang được các “Kỹ sư xuất các năm từ 2009 - 2012 của Công ty Địa công nghệ khoan” ưu tiên nghiên cứu. chất Mỏ - VINACOMIN. Kết quả nghiên cứu về tính phức tạp của địa [5]. Bảng tổng hợp thống kê năng suất khoan tầng chứa khoáng sét nhạy cảm nước vùng thăm dò than vùng Quảng Ninh. ABSTRACT Research the level of complexity of the clay - coal area of Quang Ninh when applied Wireline Drilling Technology Pham Van Nham, Drilling and mining technical services joint stock Company Nguyen Xuan Thao, Drilling technology Institute Nguyen Tran Tuan, Ha noi Univercity of Mining and Geology The wireline drilling technology was widely used in the coal region of Quang Ninh. However, the geological characteristics of this area are very complex, the operating by wireline drilling has encountered many problems. The swelling, collapsing of borehole vary in an extensive limit and depend on many factors: mineral composition; dispersion degree; chemical exchange components and environmental catalytic factors such as chemical composition of drilling fluid, temperature and hydrostatic pressure, etc The instability of borehole is caused by using drilling fluid with inappropriate parameters and rheological properties. In this paper, the authors present research results in order to improve wireline drilling technology in the coal region of Quang Ninh. 12