Hiệu suất lỗ khoan

CHƯƠNG 2 VẬN ĐỘNG CỦA NƯỚC NGẦM TỚI LỖ KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CỦA TẦNG CHỨA

1.8 Hiệu suất lỗ khoan

Mogg (1968) nhà địa chất thuỷ văn người Mỹ đã xác định hiệu suất lỗ khoan (Ew) như là tỷ số giữa lưu lượng thực tế của lỗ khoan sau 24 giờ hút nước liên tục so với lưu lượng lỗ khoan cực đại có thể có được. Nó phụ thuộc vào tính chất của tầng chứa nước và cấu trúc lỗ khoan.

Trong khái niệm hiệu suất lỗ khoan có thể hiểu là bao nhiêu trong tổng số giá trị độ hạ thấp mực nước là thuộc về hạ thấp thực tế trong tầng chứa nước và bao nhiêu phần hạ thấp mực nước do cấu trúc lỗ khoan gây ra.

Nhiều năm trước đây, khi các tầng chứa nước chưa bị xâm phạm cho đến cạn kiệt, khi giá nước còn thấp thì hiệu suất lỗ khoan chưa được xem như một yếu tố cơ bản của thiết kế cấu trúc lỗ khoan. Chỉ có một số người làm công tác khai thác nước với quy mô lớn mà trong điều kiện nguồn nước kém phong phú mới quan tâm đến vấn đề này.

Ngày nay, một mặt trữ lượng tự nhiên của tầng chứa nước ngày một hạn chế, mực nước ngày càng bị suy giảm, mặt khác do giá thành nước cao, nên vấn đề nâng cao hiệu suất lỗ khoan cần phải được quan tâm đúng mức.

Hiệu suất lỗ khoan cao hay thấp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng nhìn chung có thể gộp lại thành hai nhóm yếu tố. Một nhóm bao gồm các yếu tố liên quan đến thiết kế lỗ khoan cần phải được quan tâm đúng mức. Nhóm các yếu tố liên quan đến thiết kế bao gồm nhiều kiểu ống lọc, độ khe hở của ống lọc, chiều dài ống lọc, kích thước lớp cuội sỏi… Nhóm các yếu tố kết cấu bao gồm công nghệ khoan, việc sử dụng nước rửa tạo vỏ bọc thấm nước yếu xung quanh thành lỗ khoan, gây cản trở cho nước vận động vào lỗ khoan, đặt sai vị trí ống lọc.

Phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố trên đến hiệu suất lỗ khoan là khá khó khăn, nhưng trong từng trường hợp cụ thể dựa vào kết quả thí nghiệm chúng ta cần phải phân tích để đưa ra những phương pháp hữu hiệu nhằm làm nâng cao hiệu suất lỗ khoan.

Hình 2.31. Bước

nhảy thủy lực gây ra

do tổn thất của tầng

chứa nước và tổn thất

của giếng

1.8.2 Các phương pháp xác định hiệu suất lỗ khoan

a) Phương pháp đồ thị theo dõi diện tích s = f (lgr) của Jacob

Trong một số trường hợp hiệu suất lỗ khoan có thể xác định bằng đồ thị theo dõi diện tích (theo dõi khoảng cách) theo tài liệu hút nước chùm có nhiều LKQS.

Chúng ta biết rằng quan hệ giữa hạ thấp mực nước trong các LKQS và khoảng cách của nó đến lỗ khoan trung tâm trong hệ toạ độ s = f(lgr) tại mỗi thời điểm thích hợp là quan hệ tuyến tính. Điểm giao nhau của đường hạ thấp mực nước kéo dài theo giá trị hạ thấp mực nước của các lỗ khoan quan sát trên đồ thị s = f(lgr) cắt bán kính lỗ khoan trung tâm là giá trị hạ thấp mực nước lý thuyết ứng với 100% hiệu suất lỗ khoan (trong lỗ khoan có vỏ bọc cuội sỏi, bán kính lỗ khoan được tính đến biên ngoài của vỏ bọc ).

Kết quả này có giá trị đối với tầng chứa nước có áp chỉ khi ống lọc của lỗ khoan đặt trên suốt chiều dầy tầng chứa nước (lỗ khoan hoàn chỉnh).

Vậy, hiệu suất lỗ khoan chính bằng giá trị hạ thấp mực nước đo được ở phía ngoài ống lọc chia cho giá trị hạ thấp mực nước bên trong lỗ khoan, nhân với 100.

Lỗ khoan có thiết kế và kết cấu tốt chấp nhận được khi hiệu suất lỗ khoan bằng 70 – 80%.

Trình tự xác định hiệu suất lỗ khoan theo tài liệu hút nước chùm bằng đồ thị s = lgr được tiến hành như sau:

- Thành lập các biểu đồ theo dõi hạ thấp mực nước theo thời gian s= f(t) trong tất cả các LKQS

- Xác định hạ thấp mực nước trong tất cả các LKQS tính từ mực nuớc tĩnh đến mực nước động tương ứng với một thời điểm thích hợp (chính xác nhất là vào thời điểm đạt với chế độ vận động ổn định).

- Thành lập đồ thị s = f(lgr) theo tất cả các LKQS.

- Kéo dài đường thẳng trên đồ thị s = (lgr) tới bán kính lỗ khoan trung tâm.

Giao điểm của đường thẳng kéo dài đó với bán kính lỗ khoan trung tâm chính là trị số

hạ thấp thực tế bên ngoài lỗ khoan. Vấn đề ở đây là kéo dài đường mực nước đó tới vách của lỗ khoan trung tâm như thế nào để giao điểm đó tương ứng với trị số hạ thấp mực nước thực tế bên ngoài lỗ khoan.

Trong thực tế điều tra địa chất thủy văn người ta có thể sử dụng “lỗ khoan vách” để đo mực nước hạ thấp bên ngoài lỗ khoan. Lỗ khoan vách là lỗ khoan đường kính nhỏ, thường được kết cấu bằng ống nhựa Φ50-90mm đặt ngay trong vỏ bọc cuội sỏi của lỗ khoan để đo mực nước hạ thấp bên ngoài lỗ khoan.

- Lấy giá trị hạ thấp bên ngoài lỗ khoan chia cho hạ thấp mực nước đo được bên trong lỗ khoan trung tâm. Giá trị nhận được chính là hiệu suất lỗ khoan Ew.

Lỗ khoan có Ew = 100% xảy ra khi hạ thấp mực nước bên trong lỗ khoan bằng giá trị hạ thấp mực nước bên ngoài lỗ khoan.

- Tuy nhiên trong thực tế thí nghiệm hút nước và khai thác nước, mực nước hạ thấp bên trong lỗ khoan thường nằm thấp hơn bên ngoài lỗ khoan.

Ví dụ theo tài liệu hút nước chúng ta có thể vẽ được đồ thị theo dõi diện tích.

Hạ thấp mực nước lý thuyết là 8,0 m; hạ thấp mực nước thực tế đo được trong lỗ khoan là 8,8m. Vậy hiệu suất lỗ khoan tính được là Ew = 8,0/8,8 = 91%.

b) Phương pháp Mogg

Theo quan niệm của Mogg, hiệu suất lỗ khoan chính là tỷ số giữa tỷ lưu lượng thực tế lỗ khoan theo tài liệu hút nước và tỷ lưu lượng lý thuyết của lỗ khoan.

Ew = qtt/qlyt (2.53)

Trong đó:

qlyt - tỷ lưu lượng lý thuyết của lỗ khoan

qtt - tỷ lưu lượng thực tế của lỗ khoan theo tài liệu hút nước thí nghiệm.

Tỷ lưu lượng lý thuyết có thể được tính bằng công thức nửa thực nghiệm theo phương trình Jacob:

S =264Qlog0, 232Tt

T r s (2.54)

qlyt =

2

0, 23 264log

Q T

S Tt

r s

= (2.55)

Trong đó: s- hệ số nhả nước đàn hồi,

Rõ ràng là để đánh giá hiệu suất lỗ khoan bằng công thức (2.53) thì phải xác định được tỷ lưu lượng lý thuyết của lỗ khoan. Để có được tỷ lưu lượng chính xác, chúng ta phải có giá trị hệ số dẫn nước chính xác, nghĩa là hệ số dẫn nước phải được xác định bằng tài liệu hút nước thí nghiệm chùm với ít nhất có một LKQS.

c) Phương pháp bơm giật cấp

Chúng ta biết rằng trong quá trình hút nước, nếu vận động của nước tới lỗ khoan là vận động chảy tầng thì quy luật hạ thấp mực nước sẽ tỷ lệ thuận với lưu lượng hút nước. Tuy nhiên trong thực tế điều tra ĐCTV, vận động của nước tới lỗ khoan thường là vận động chảy rối và không ổn định, đặc biệt khi hút nước với lưu lượng lớn. Khi đó quan hệ đường thẳng không còn nữa, một phần hạ thấp mực nước có quan hệ phi tuyến với lưu lượng.

Khi vận động chảy rối xuất hiện, tỷ lưu lượng lỗ khoan sẽ giảm, thương đột ngột, trong khi lưu lượng hút nước tăng. Khi đó cần tài liệu để tính toán từng thành phần hạ thấp do chảy rối và chảy tầng để có những xem xét hợp lý về lưu lượng hút nước tối ưu và chiều sâu đặt máy bơm.

Bơm giật cấp có thể đáp ứng được yêu cầu dó (Jacob, 1946). Trong bơm giật cấp, lỗ khoan được bơm với vài cấp lưu lượng đủ lớn tương ứng với vài mức hạ thấp mực nước ghi nhận được. Toàn bộ thời gian thí nghiệm có thể diễn ra trong một ngày và sự tính toán sẽ đơn giản nếu mỗi cấp lưu lượng được hút với khoảng thời gian kéo dàinhư nhau. Thường tiến hành từ 5 đến 8 cấp lưu lượng với thời gian kéo dài mỗi cấp 1 – 2giờ. Nếu thời gian cho phép, sau mỗi cấp lưu lượng có thể đo mực nước phục hồi đến mực nước tĩnh.

Theo lý thuyết động lực học nước dưới đất, chúng ta biết rằng trong điều kiện chảy tầng, hạ thấp mực nước trong tầng chứa áp tại một điểm cách lỗ khoan một khoảng bằng r được viết bởi phương trình sau:

S = 264Qlg0, 232Tt

T r s (2.56)

Trong đó: T - hệ số dẫn nước, t - thời gian kéo dài thí nghiệm.

Phương trình này hoàn toàn phù hợp với nước ngầm khi hạ thấp mực nước nhỏ hơn chiều dày tầng chứa nước.

Phương trình 2.56 có thể rút gọn S = BQ (2.57)

Trong đó B = 264lg0, 232Tt

T r s (2.58)

B là hàm của thời gian. Tuy nhiên trong thực tế hút nước cho thấy chỉ sau một khoảng thời gian ngắn kể từ lúc bắt đầu hút nước, B thay đổi khá ít và có thể được xem như không đổi.

Khi dòng chảy rối xuất hiện, Jacob giả thiết rằng độ hạ thấp mực nước trong lỗ khoan có thể diễn ra như là tổng của hai thành phần :

S = BQ +CQ2 (2.59)

Trong phương trình này, Jacob gọi thành phần chảy tầng BQ là thành phần hạ thấp mực nước do tổn thất của tầng chứa nước gây ra, thành phần chảy rối CQ2 là do tổn thất giếng gây ra. Tuy nhiên sự phân tách như thế không phải là tuyệt đối, bởi vì trong thành phần BQ bao gồm cả tổn thất của giếng, và trong CQ2 đôi khi cũng có cả tổn thất của tầng chứa nước.

bằng cách chia hai vế phương trình 2.59 cho Q ta được:

B Q CQ

S = + (2.60)

Trong đó hệ số B và C hoàn toàn có thể xác định được bằng phương pháp đồ thị đường thẳng S/Q = f(Q).

Đảo ngược các thành phần trong phương trình (2.60) chúng ta có một quan hệ sau:

q = q CQ B S

Q

= +

→ 1 (2.61)

Dựa vào phương trình này, khi quan sát sự thay đổi mực nước hạ thấp và tỷ lưu luợng q so với sự tăng của lưu lượng Q, cho phép ta lựa chọn được lưu lượng hút nước tối ưu.

Một thông số thường được tính toán từ tài liệu bơm giật cấp là tỷ số hạ thấp mực nước do chảy tầng so với tổng hạ thấp mực nước được biểu diễn như một đơn vị

%.

Lw = 2100 CQ BQ

BQ

+ (2.62)

Nếu giả thiết của Jacob là đúng, nghĩa là tổn thất của tầng chứa nước bằng BQ và tổn thất giếng bằng CQ2, thì Lw chính là hiệu suất của lỗ khoan (Ew). Tuy nhiên, trên thực tế thí nghiệm hàng trăm lỗ khoan cho thấy, giả thiết đó là không chính xác, vì thế Lw không phải đặc trưng cho hiệu suất lỗ khoan. Ví dụ như, khi dòng chảy rối xuất hiện gần lỗ khoan và trong ống lọc, nó có thể lan ra trong đới không bị xáo động xung quanh lỗ khoan. Khi trường hợp đó diễn ra, một phần của CQ2 thường xuất hiện từ tổn thất của tầng chứa nước (BQ).

CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG

1. Phương trình của dòng thấm hội tụ tới lỗ khoan cho các trường hợp khác nhau?

2. Dòng thấm tới lỗ khoan tại vùng gần các biên khác nhau? Tác động lẫn nhau giữa các lỗ khoan?

3. Hãy trình bày khái niệm và phân loại hút nước thí nghiệm? Các sơ đồ và phương pháp hút nước thí nghiêm để xác định các thông số địa chất thủy văn cơ bản?

4. Hãy trình bày khái niệm về hiệu suất lỗ khoan và phương pháp xác định hiệu suất lỗ khoan?