Nghiên cứu công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm Erlift để khoan các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch - Đồng Nai

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 3
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN 
NGHỊCH BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC GIẾNG 
KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở NHƠN TRẠCH- ĐỒNG NAI 
NGUYỄN XUÂN THẢO* 
NGUYỄN DUY TUẤN 
NGUYỄN THẾ VINH** 
Research on applying reverse circulation technology by using erlift 
pump to drill wells in Nhon Trach- Dong Nai 
Abstract: One of the causes to the decline and breakage of the 
underground well in Nhon Trach - Dong Nai industrial zone is the 
application of forward circulation drilling technology. This method 
consists a lot of weak points when being used in cohesionless sedimentary 
layers in Nhon Trach. A number of researches on reverse circulation 
drilling technology by using Erlift pump in sedimentary layers in Nhon 
Trach, Dong Nai will be presented in this article.The advantage of this 
method is that the components are extruded from the boreholes such as 
gas, water and drill cuttings wash (3-phase flow) no directly impacts to the 
wellbores and aquifer characteristics. This has a positive impact on the 
life expectancy of the well, as well as improvement of the efficiency of use 
of wells. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ * 
Trong những năm gần đây, nhu cầu nước 
sạch cho sinh hoạt ở khu công nghiệp Nhơn 
Trạch-Đồng Nai ngày càng gia tăng; trong khi 
đó lưu lượng các giếng khai thác nước ngầm 
ngày càng suy giảm. Sau 5 năm vận hành khai 
thác, hầu hết các giếng đều giảm lưu lượng khai 
thác so với thiết kế ban đầu; trong đó có một số 
giếng bị hư hỏng nặng. Một trong các nguyên 
nhân gây ra suy giảm lưu lượng khai thác hoặc 
hư hỏng là do các giếng đều thi công bằng 
phương pháp khoan xoay tuần hoàn thuận 
truyền thống. Đây là phương pháp có nhiều 
nhược điểm khi khoan khai thác nước ngầm 
* Viện Công nghệ Khoan; 
 ĐD: 0912 015 585; E-mail: thao.vimsat@gmail.com 
 ĐD: 0913537739; E-mail: tuannd.vk@gmail.com 
** Trường Đại học Mỏ -Địa chất 
 ĐD: 098 365 5056; E-mail: thao.vimsat@gmail.com 
trong địa tầng trầm tích bở rời như ở Nhơn 
Trạch - Đồng Nai. 
 Để đảm bảo yêu cầu thiết kế, chất lượng 
giếng và công suất khai thác, các tác giả đã 
nghiên cứu và lựa chọn công nghệ khoan tuần 
hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan các giếng 
bổ sung khai thác nước ngầm trong địa tầng 
trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch - Đồng 
Nai thay thế các giếng đã hư hỏng. 
2. NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG 
NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH 
BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC 
GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM 
2.1. Sơ lược về cấu tạo và nguyên lý làm 
việc của bơm erlift 
Bơm erlift (Airlift pump) được áp dụng rộng 
rãi trong công nghiệp mỏ để bơm thoát nước 
tháo khô mỏ; trong khai thác khoáng sản rắn 
bằng phương pháp thủy lực; trong khai thác cát 
làm vật liệu xây dựng; bơm nước quan trắc thủy 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 4 
văn, v.v.. Trong khoan thăm dò, bơm erlift được 
áp dụng để duy trì dòng nước rửa tuần hoàn 
nghịch khi khoan trong các điều kiện địa chất 
phức tạp với mục đích nâng cao tỷ lệ mẫu; khoan 
thăm dò sa khoáng ở thềm lục địa và khoan các 
giếng đường kính lớn khai thác nước ngầm. 
Cấu tạo bơm erlift (hình 1) gồm: ống nâng; 
ống dẫn khí; buồng hòa trộn khí; ống hút. 
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc 
của bơm erlift (Airlift pump). 
1- ống nâng; 2- ống dẫn khí; 
3-buồng phối khí; 4- ống hút 
Trong quá trình khoan, hỗn hợp ban đầu gồm 
dung dịch và mùn khoan (2 pha) ở phía dưới 
buồng hòa trộn khí; nhờ chênh lệch áp suất ở 
buồng hòa trộn khí, hỗn hợp 2 pha được hút vào 
buồng hòa trộn khí qua ống hút 4 và hòa trộn 
với khí tạo thành hỗn hợp 3 pha gồm dung dịch- 
mùn khoan- khí. Sau khi hòa trộn, hỗn hợp 3 
pha được vận chuyển lên bề mặt qua ống 1. 
Mức độ hòa trộn của khí với hỗn hợp 2 pha để 
tạo thành hỗn hợp 3 pha có khối lượng riêng 
nhỏ hơn phụ thuộc vào lưu lượng và áp suất khí 
truyền vào buồng hòa trộn khí. 
Hỗn hợp 3 pha được vận chuyển lên bề mặt 
qua ống nâng 1 nhờ năng lượng tạo ra từ khí 
nén truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn 
khí. Năng lượng cần thiết của khí nén để nâng 
hỗn hợp 3 pha được xác định như sau [4,5,6]: 
)
10
1ln( 0
hPQN ak (1) 
trong đó N - năng lượng cần thiết của khí 
nén để nâng hỗn hợp 3 pha,J; kQ - lưu lượng khí 
nén, m3/s; aP - áp suất khí quyển, N/m
2; 0h - 
chiều sâu nhấn chìm buồng hòa trộn khí so với 
mực nước động, m; 
2.2. Tính toán lưu lượng và áp suất khí 
nén cần thiết để nâng hỗn hợp 3 pha trong 
cột cần khoan 
Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch cũng 
như công nghệ khoan tuần hoàn thuận cần đảm 
bảo rửa sạch mùn khoan ở đáy giếng. Đây là 
một trong các yếu tố cơ bản quyết định tới chất 
lượng và năng suất khoan. Để đảm bảo rửa 
sạch mùn khoan cần tính toán lưu lượng và tốc 
độ bơm rửa phù hợp với phương pháp khoan, 
đặc điểm và tính chất đất đá khoan qua. Lưu 
lượng cần thiết của bơm erlift để rửa sạch và 
tải mùn khoan lên bề mặt được xác định theo 
công thức sau: 
0
2785,0 VDQ (2) 
Trong đó: Q - lưu lượng cần thiết để rửa 
sạch mùn khoan ở đáy giếng, m3/s; D - đường 
kính trong của cần khoan, m; 0V - vận tốc trung 
bình của dòng hỗn hợp 3 pha chảy trong cần 
khoan, m/s. 
Khi nghiên cứu năng lượng khí cần thiết để 
nâng hỗn hợp 3 pha dọc theo cần khoan lên mặt 
đất, các tác giả đã xác định vận tốc dòng chảy 
của hỗn hợp 3 pha phụ thuộc vào lưu lượng khí 
truyền từ máy nén khí vào buồng hòa trộn và 
đường kính trong của cần khoan theo công thức: 
3600.
).(4
20 D
KQQV nk
 (3) 
trong đó: kQ - lưu lượng khí cần thiết để tạo 
năng lượng nâng hỗn hợp 3 pha lên bề mặt, 
m3/h; nK - hệ số nén của khí do áp suất của cột 
dung dịch trong cần khoan ở phía trên buồng 
hòa trộn khí và được xác định theo công thức: 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 5
)1
)10
10(5,0
0
h
K n (4) 
Vận tốc hV dòng chảy của hỗn hợp 2 pha (dung 
dịch và mùn khoan) từ đáy giếng khoan lên buồng 
hòa trộn khí được xác định theo công thức sau: 
3600
4
2
h
h D
QV
 (5) 
hV - vận tốc của dòng chảy 2 pha từ đáy 
giếng khoan lên buồng hòa trộn khí, m/s; hD - 
đường kính cần khoan ở phía dưới buồng hòa 
trộn khí,m; 
Lưu lượng khí cần thiết để nâng hỗn hợp 3 
pha lên bề mặt được xác định theo công thức 
sau [4,6]: 
)1
10
lg(23 0 
h
QHQk

 (6) 
H - chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của bơm 
erlift, m;  - hệ số hữu ích của bơm erlift. Từ 
biểu thức (6),ta tính lưu lượng của bơm erlift 
phụ thuộc vào lưu lượng khí và chiều cao nâng 
hỗn hợp 3 pha: 
H
h
Q
Q
k )110
lg(23 0 

 (7) 
Hệ số hữu ích của bơm erlift xác định theo 
công thức [4,6]: 
)
10
1lg( 0
0
hPQ
gQH
ak 
 (8) 
0 - khối lượng riêng của hỗn hợp 3 pha, 
kg/m3; 
Lưu lượng bơm của bơm erlift không chỉ phụ 
thuộc vào lưu lượng khí và đường kính trong 
của cần khoan mà còn phụ thuộc vào hệ số nhấn 
chìm của bơm trong lòng giếng. Mối quan hệ 
giữa hệ số với chiều sâu nhấn chìm buồng hòa 
trộn khí và chiều cao nâng hỗn hợp 3 pha của 
bơm erlift trong lòng giếng được xác định theo 
công thức sau: 
Hh
h
0
0 (9) 
 - hệ số nhấn chìm. 
Kết quả nghiên cứu [ 4,5,6] cho thấy đường 
đặc tính bơm phụ thuộc vào lưu lượng khí, hệ số 
và chiều sâu nhấn chìm của bơm erlift khi chiều 
cao nâng và sức kháng chuyển động của hỗn hợp 
3 pha không thay đổi như mô tả ở hình 2. Đối với 
mỗi loại bơm erlift, khi thay đổi mực nước động 
trong giếng khoan sẽ dẫn tới thay đổi đặc tính 
bơm, vì chiều sâu nhấn chìm bơm erlift phụ 
thuộc vào mực nước động trong giếng khoan. 
3. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM CÔNG 
NGHỆ KHOAN TUẦN HOÀN NGHỊCH 
BẰNG BƠM ERLIFT ĐỂ KHOAN CÁC 
GIẾNG KHAI THÁC NƯỚC NGẦM Ở 
NHƠN TRẠCH - ĐỒNG NAI 
3.1. Đặc điểm địa chất thủy văn và địa 
tầng chứa nước 
Theo tài liệu Địa chất thủy văn [3] tầng chứa 
nước trong trầm tích khu công nghiệp Nhơn Trạch 
là tầng Pliocen (N2) nằm dưới tầng Pleistocen; 
chiều dày tầng chứa nước dao động từ 35 m - 
65m; lưu lượng đạt từ 3 l/s đến 19 l/s; hệ số dẫn 
nước (Km) từ 300 m2 /ngày đến 720m2/ngày; trữ 
lượng nước đạt tới 110.000 m3 /ngày. 
Hình 2. Đường đặc tính bơm của bơm erlift 
 khi thay đổi hệ số và chiều sâu nhấn chìm. 
Cột địa tầng trầm tích khu công nghiệp Nhơn 
Trạch gồm các lớp đất đá kém bền vững, liên 
kết yếu như : sét pha cát, cát hạt trung đến thô; 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 6 
và các lớp sét lẫn sạn sỏi laterit ngăn cách nước. 
Tầng chứa nước là tầng cát hạt trung đến hạt thô 
lẫn sạn sỏi. 
Kết quả nghiên cứu thành phần hạt [3] cho thấy 
các lớp cát pha có kích thước hạt từ trung bình đến 
thô (từ 1mm-0,5mm) và rất thô (từ 2mm-1mm). 
Đặc biệt lớp cát nâu vàng có chứa sỏi kích thước 
từ 5 mm-2mm (tới 6,6%). Hầu hết các lớp sét pha 
đều chứa sỏi kích thước khác nhau; sỏi kích thước 
lớn hơn 10mm chiếm tới 29,3% ; sỏi kích thước 
nhỏ từ 10-5mm chiếm tới 13,3%. 
Các lớp cát pha hạt thô và rất thô có khối 
lượng riêng từ 2,63 g/cm3 đến 2,67 g/cm3; độ 
rỗng dao động từ 34-35%; hệ số rỗng dao động 
từ 0,511-0,579; cường độ kháng nén lớn nhất dao 
động từ 13,73 N/cm2 đến 14,58 N/cm2; lực dính 
kết dao động từ 0,49 N/cm2 đến 0,63 N/cm2. Các 
lớp sét pha và sét pha lẫn sạn sỏi laterit trạng thái 
déo,dẻo cứng, nửa cứng có khối lượng riêng từ 
2,70 g/cm3 đến 2,77 g/cm3; độ rỗng dao động từ 
37-44%; hệ số rỗng dao động từ 0,582-0,795; 
cường độ kháng nén lớn nhất dao động từ 9,48 
N/cm2 đến 11,85 N/cm2; lực dính kết dao động từ 
1,76 N/cm2 đến 2,83 N/cm2. 
3.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với các giếng khai 
thác nước ngầm và thiết bị, dụng cụ khoan 
Các giếng bổ sung khai thác nước ngầm ở 
Nhơn Trạch- Đồng Nai được khoan thăm dò 
đường kính 120 mm từ 0m-80 m. Sau đó theo yêu 
cầu của thiết kế, các giếng khai thác nước đều 
được khoan đường kính 550 mm đến chiều sâu 78 
m bằng công nghệ khoan xoay tuần hoàn nghịch. 
Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng 
bơm erlift được áp dụng khoan 18 giếng bổ 
sung thay thế các giếng khai thác nước ngầm đã 
bị hư hỏng ở khu công nghiệp Nhơn Trạch- 
Đồng Nai. Hình 3 mô tả cấu trúc giếng khai thác 
nước ngầm GK5A đặc trưng cho vùng Nhơn 
Trạch được khoan bằng công nghệ tuần hoàn 
nghịch bằng bơm erlift. 
Để khoan thử nghiệm các tác giả đã lựa chọn 
thiết bị và dụng cụ khoan như sau: 
1. Máy khoan УРБ-ЗАМ-500 đã được cải 
tiến chuyên dùng cho khoan khai thác nước 
ngầm bằng công nghệ tuần hoàn nghịch . 
2. Dụng cụ khoan gồm: bộ cần khoan đường 
kính ngoài 127mm, dày 9 mm, dài 3 m, nối với 
nhau bằng mặt bích; ống dẫn khí nén CS 33x27 
mm,dài 3 m, lắp đối xứng ở cạnh bề mặt ngoài 
của cần khoan. 
3. Chòong khoan ba cánh đường kính 
650mm; 550 mm; 
Hình 3. Cấu trúc giếng GK5A khai thác nước ngầm 
4. Máy nén khí PDS -750. 
Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng 
bơm erlift xem hình 4. Chế độ khoan như sau: 
- Tải trọng chiều trục lên chòong khoan: 
2500 N- 3000 N; 
- Tốc độ vòng quay: 25-30 v/ph. 
- Áp suất khí nén: 0,5-0,6 MPa; Lưu lượng 
khí nén: 6-7 m3/ph. 
Trong quá trình khoan sử dụng dung dịch ít sét 
để ngăn ngừa sự sập lở thành giếng khoan. Các 
thông số cơ bản của dung dịch khoan như sau: 
Trọng lượng riêng 1,05-1,1 g/cm3; độ nhớt biểu 
kiến 22-24 s; độ thải nước 8 - 10 cm3/30 ph. 
Sau khi khoan đến chiều sâu thiết kế, các 
giếng khoan được thực hiện các công đoạn xây 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 7
dựng, lắp đặt giếng khai thác nước ngầm như 
trong khoan tuần hoàn thuận. 
3.3. Đánh giá kết quả thử nghiệm. 
Các kết quả thử nghiệm (bảng 1) áp dụng công 
nghệ tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift để khoan 
các giếng khai thác nước ngầm ở Nhơn Trạch- 
Đồng Nai cho thấy các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật 
đạt giá trị cao hơn so với công nghệ tuần hoàn 
thuận trong cùng điều kiện ở Nhơn Trạch - Đồng 
Nai (điều kiện địa tầng, yêu cầu thiết kế giếng, 
chiều sâu và công suất ở khai thác). 
Hình 4. Sơ đồ công nghệ khoan tuần hoàn 
nghịch bằng bơm erlift 
1.cần khoan phía dưới buồng hòa trộn khí;2. 
buồng hòa trộn khí; 3.ống dẫn khí; 4.mực nước 
thủy tĩnh; 5.hỗn hợp mùn khoan-dung dịch- khí; 
6. ống định hướng; 7.bong bóng khí; 8. máy nén 
khí; 9.tyô dẫn khí nén;10.cần chủ động; 11.đầu 
xanhic; 12.tyô xả; 13.bàn rô to; 14. mực nước 
động; 15. hố dung dịch; 16. choòng khoan. 
Hình 5. Hình ảnh sỏi và cát lấy từ giếng khai 
thác nước ngầm ở Nhơn Trạch khi khoan tuần 
hoàn nghịch bằng bơm erlift 
Hình 5 mô tả một số hình ảnh thành phần và 
kích thước hạt mùn khoan lấy lên từ các giếng 
khai thác nước ngầm ở vùng Nhơn Trạch Đồng- 
Nai khi khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm erlift. 
Bảng 1. So sánh kết quả khoan các giếng khai thác nước ngầm ở 
Nhơn Trạch bằng công nghệ tuần hoàn nghịch và thuận 
Các chỉ tiêu 
Công nghệ 
khoan tuần 
hoàn nghịch 
Công nghệ 
khoan tuần 
hoàn thuận 
Tỷ lệ tăng giảm 
so với tuần hoàn 
thuận 
- Thời gian trung bình khoan, h/giếng 
- Tiến độ khoan trung bình, m/h 
- Thời gian rửa và làm sạch giếng, h/giếng 
- Lưu lượng bình quân 1 giếng, m3/h 
55, 3 
1,45 
24 
115 
67,8 
1,12 
52 
83 
Giảm 18% 
Tăng 29,5% 
Giảm 53,8% 
Tăng 39% 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2-2017 8 
4. KẾT LUẬN 
Các kết quả nghiên cứu và thử nghiệm áp 
dụng công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng 
bơm erlift để khoan các giếng khai thác nước 
ngầm ở Nhơn Trạch- Đồng Nai cho thấy: 
- Công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng 
bơm erlift cho phép khoan các giếng khai thác 
nước ngầm đường kính đến 550 mm trong địa 
tầng trầm tích bở rời,liên kết yếu. Ưu điểm của 
phương pháp này là các thành phần được đẩy 
lên từ giếng khoan gồm khí,nước rửa và mùn 
khoan (dòng 3 pha) không tác động trực tiếp 
đến thành giếng khoan và đặc tính của tầng 
chứa nước. Điều này ít nhiều có tác động tích 
cực tới tuổi thọ của giếng cũng như nâng cao 
hiệu quả sử dụng giếng. 
- Trong cùng một điều kiện địa tầng như ở 
Nhơn Trạch, khi áp dụng công nghệ khoan tuần 
hoàn nghịch bằng bơm erlift cho phép tăng lưu 
lượng khai thác đến 39%; tốc độ cơ học tăng 
29,5%; thời gian thi công giảm 18%; thời gian 
thổi rửa và làm sạch giếng giảm 53,8% so với 
công nghệ khoan tuần hoàn nghịch. 
-Tùy thuộc vào đường kính giếng khoan, 
đường kính cần khoan, lưu lượng và áp suất khí, 
công nghệ khoan tuần hoàn nghịch bằng bơm 
erlift có thể nâng được cột dung dịch với hàm 
lượng mùn khoan tới 60%-70% và kích thước hạt 
mùn từ 50-60 mm tới chiều cao từ 80 m-100 m. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Lê Kim Đồng và nnk. Báo cáo đề tài 
nghiên cứu khoa học “ Thiết kế chuyển đổi công 
nghệ khoan tuần hoàn thuận sang công nghệ 
khoan tuần hoàn ngược trong khoan khai thác 
nước dưới đất trong điều kiện Việt Nam. Tp. 
Hồ Chí Minh-2006 
 2. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Xuân Thảo. 
Kết quả áp dụng công nghệ khoan tuần hoàn 
ngược trong các giếng khai thác nước dưới đất ở 
Nhơn Trạch- Đồng Nai. Tạp chí Khoa học kỹ 
thuật Mỏ- Địa chất số 54/04-2016, tr. 62-65. 
3. Nguyễn Duy Tuấn, Nguyễn Minh Quân. 
Báo cáo kết quả khoan thăm dò và khai thác 
nước dưới đất khu công nghiệp Nhơn Trạch 5 
tại Huyện Nhơn Trạch Tỉnh Đồng Nai.Viện 
Công nghệ Khoan- Hà Nội- 2015. 
4. Drilling technique manual 1981, Wirth 
Maschen-und Bohrgerate –Fabrik Gmbh; 
Germal-1981 
5. Xu Liu Wan. Air Lift Reverse Circulation 
Drilling Technique in Water Well Construction. 
Institute of Exploration Techniques. China 
Academy of Geosciences, Beijing 2004. 
6. Гейер В. Г. Эрлифтные установки. 
Донецк-1982.
Người phản biện:GS.TS. TRƯƠNG BIÊN