KHOAN NGANG ĐƯỜNG VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VỀ VIỆC DÁN REN ỐNG KHOAN Ở PHÍA LỐI RA CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG

CÔNG NGHỆ KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG (HDD) TRONG THI CÔNG ĐƯỜNG ỐNG DẦU KHÍ VÀ HẠ TẦNG ĐÔ THỊ

PHÂN TÍCH RỦI RO, CƠ CHẾ HỎNG HÓC VÀ YÊU CẦU KIỂM SOÁT TRONG THI CÔNG

Công nghệ khoan định hướng ngang HDD hiện đang giữ vai trò then chốt trong thi công các tuyến ống ngầm vượt qua các chướng ngại tự nhiên và nhân tạo như sông, kênh, đường cao tốc, đường sắt và các khu vực địa chất phức tạp. Đây là công nghệ tiên tiến không rãnh được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp dầu khí, ngành cấp thoát nước đô thị, viễn thông và các hệ thống hạ tầng kỹ thuật yêu cầu hạn chế đào mở trên bề mặt. Với sự phát triển mạnh của đô thị hóa, yêu cầu bảo vệ môi trường, hạn chế gián đoạn giao thông và bảo đảm an toàn công trình ngày càng tăng, phương pháp HDD đã trở thành giải pháp tối ưu cho các dự án hạ tầng ngầm quy mô lớn và phức tạp.

Công nghệ HDD cho phép lắp đặt đường ống ngầm xuyên qua địa hình mà không cần đào rãnh, nhờ đó rút ngắn thời gian thi công, giảm chi phí hoàn nguyên và hạn chế tối đa ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Thay vì phá vỡ mặt đất hoặc đào mương sâu, mũi khoan HDD đi theo một quỹ đạo cong được điều khiển bằng các thiết bị định vị, xuyên qua lớp đất bên dưới các công trình hoặc khu vực nhạy cảm. Công nghệ này đặc biệt phù hợp với các đoạn vượt sông, vượt kênh và các vị trí mà thi công hở không khả thi hoặc rủi ro cao.

Trong lĩnh vực dầu khí, HDD được sử dụng phổ biến để thi công các tuyến ống dẫn dầu và khí đốt ở độ sâu nông đến trung bình, nơi cần vượt qua nhiều chướng ngại và trong điều kiện đất yếu. Khả năng thi công ống lớn, chiều dài vượt dài và độ chính xác cao giúp HDD đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của ngành năng lượng, nơi mỗi sai sót đều có thể dẫn đến rủi ro an toàn nghiêm trọng. Người ta sử dụng HDD để lắp đặt các ống thép lớn có đường kính từ 12” đến 48”, bọc các lớp chống ăn mòn và đảm bảo độ ổn định trong môi trường áp lực cao.

Ngoài ra, HDD được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật đô thị để lắp đặt cáp điện trung và cao thế, cáp quang viễn thông, ống cấp nước, ống thoát nước áp lực và nhiều loại ống kỹ thuật khác. Khả năng xuyên qua bên dưới mặt đường kết cấu cứng, khu dân cư, nền nhà hoặc các khu vực có mật độ công trình dày đặc giúp HDD trở thành công cụ không thể thay thế trong thi công ngầm hiện đại. Đặc biệt, tại các đô thị lớn, nơi hệ thống giao thông hoạt động liên tục và yêu cầu không được cắt đường, HDD gần như là phương pháp duy nhất đảm bảo tính khả thi.

Một trong những ưu điểm cơ bản của HDD là khả năng kiểm soát ổn định đường khoan, kiểm soát độ sâu và hướng khoan theo thiết kế thông qua công nghệ định vị hiện đại. Sự phát triển của các bộ đo từ tính, bộ đo áp suất ngầm, thiết bị định hướng tiên tiến và phần mềm phân tích địa kỹ thuật giúp nâng cao độ chính xác của đường khoan, giảm thiểu sai lệch so với thiết kế ban đầu. Việc sử dụng dung dịch khoan bentonite hoặc polymer giúp ổn định thành lỗ khoan, vận chuyển mùn khoan và duy trì áp lực cân bằng, góp phần tăng khả năng kiểm soát và độ an toàn.

Mặc dù mang lại những ưu điểm vượt trội, HDD vẫn tồn tại các rủi ro kỹ thuật cần được xác định và kiểm soát. Trong số đó, hiện tượng dán ren ống khoan tại lối ra được ghi nhận là một trong những sự cố nghiêm trọng nhất, gây ra tình trạng hỏng cần khoan, gãy ren hoặc kẹt cụm khoan. Hệ quả của các sự cố này là kéo dài thời gian thi công, phát sinh chi phí xử lý, đôi khi buộc phải khoan lại hoặc hủy bỏ lỗ khoan.

Cơ chế dán ren xảy ra khi các bước ren của cần khoan hoặc mũi doa chịu ứng suất xoắn vượt giới hạn cho phép, làm cho bề mặt ren bị bó chặt, biến dạng hoặc xé ren. Trong điều kiện thi công HDD, đặc biệt tại đoạn lối ra, nhiều yếu tố cộng hưởng gây ra hiện tượng này. Trước hết, lực kéo tăng đột ngột khi đầu khoan tiếp cận sát bề mặt lối ra khiến ren phải chịu tải xoắn vượt mức thiết kế. Khi ren bị bó, việc tháo hoặc đảo chiều quay trở nên khó khăn, dẫn đến hỏng toàn bộ cụm nối. Thứ hai, sự thay đổi đột ngột của điều kiện địa chất tại lối ra, chẳng hạn chuyển từ đất mềm sang đất cứng hoặc sỏi đá, làm tăng tải trọng tác dụng lên đầu khoan. Thứ ba, trong giai đoạn cuối khi lỗ khoan có xu hướng co lại hoặc bị ma sát lớn, dung dịch khoan không đảm bảo lưu lượng và áp lực cần thiết dẫn đến suy giảm khả năng bôi trơn và tăng ma sát ren.

Một nguyên nhân khác dẫn đến dán ren là hiện tượng trương nở của bentonite hoặc polymer làm tăng độ nhớt cục bộ, gây dính ren. Khi ren di chuyển trong môi trường dung dịch bị cô đặc hoặc bị ô nhiễm bởi mùn khoan, các hạt rắn có thể bám vào ren làm tăng ma sát và gây bó kẹt. Ngoài ra, sự không đồng nhất trong đường cong khoan tại lối ra, đặc biệt khi góc nâng lớn, cũng ảnh hưởng mạnh đến tải trọng đặt lên ren.

Hầu hết các nghiên cứu hiện nay về HDD tập trung vào cải thiện tuổi thọ đường ống sau khi lắp đặt, tối ưu hóa lớp bọc, nâng cao khả năng chống ăn mòn và cải thiện phương pháp sửa chữa. Trong khi đó, nghiên cứu về sự cố của các bộ phận khoan, đặc biệt là ren ống khoan, còn rất hạn chế. Việc thiếu các mô hình phân tích ứng suất xoắn, ứng suất nén kéo và ma sát tại ren đã dẫn đến khoảng trống kiến thức trong đánh giá nguyên nhân sự cố. Điều này đặt ra yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu hơn về hiệu năng của ren khoan HDD, đặc biệt tại những đoạn chuyển tiếp từ môi trường ngầm sang mặt đất.

Để giảm thiểu tai nạn dán ren, việc điều chỉnh tốc độ quay và lực kéo khi tiến gần lối ra là cần thiết. Công tác điều tiết áp lực dung dịch khoan nhằm giảm ma sát và đảm bảo lượng dung dịch đủ bôi trơn ren là yêu cầu bắt buộc. Bên cạnh đó, việc sử dụng vật liệu ren có độ bền cao hoặc cải tiến hình dạng ren để giảm ma sát cũng là hướng cải tiến quan trọng. Một số nghiên cứu đề xuất thay đổi cấu tạo ren theo hướng tăng diện tích chịu lực, tăng chiều sâu ren hoặc sử dụng lớp phủ chống ma sát. Ngoài ra, hệ thống giám sát tải trọng và mô-men xoắn theo thời gian thực giúp nhận biết sớm sự tăng tải bất thường tại ren.

Một yếu tố quan trọng khác là nâng cao chất lượng thiết kế đường khoan. Quỹ đạo khoan cần được tối ưu để tránh các góc gãy hoặc đoạn cong quá gấp gây tăng ứng suất lên ren. Bằng cách mô phỏng đường khoan theo mô hình địa chất và điều kiện thi công, các đoạn khó thi công có thể được điều chỉnh trước khi khoan. Việc bố trí lối ra tại vị trí có địa chất ổn định, dễ kiểm soát và có khả năng thoát mùn tốt cũng làm giảm nguy cơ dán ren.

Trong hồ sơ biện pháp thi công HDD, cần xây dựng quy trình kiểm tra tình trạng ren trước và sau mỗi ca khoan, bao gồm kiểm tra biến dạng ren, mài mòn ren và độ khít của mặt tiếp xúc. Việc bôi trơn ren bằng dầu chuyên dụng và bảo đảm ren sạch trước khi lắp cũng góp phần giảm nguy cơ. Khi phát hiện ren có dấu hiệu bất thường như xước, biến dạng hoặc giảm độ bám, cần loại bỏ và thay thế ngay để tránh sự cố.

Cùng với đó, việc đào tạo nhân lực vận hành máy khoan HDD là yếu tố không thể thiếu. Thợ khoan cần nắm rõ đặc tính của từng loại đất, hiểu được mối liên hệ giữa áp lực dung dịch, tốc độ quay và lực kéo để điều chỉnh thiết bị phù hợp theo từng giai đoạn. Đặc biệt tại đoạn gần lối ra, thao tác phải thận trọng, tránh đột ngột tăng tốc hoặc thay đổi lực kéo. Các quy trình an toàn và hướng dẫn kỹ thuật cần được ban hành và giám sát chặt chẽ.

Công nghệ HDD dù đã phát triển mạnh nhưng vẫn tiếp tục hoàn thiện. Các hệ thống điều khiển tự động, các cảm biến đo tải trọng tiên tiến và phần mềm mô phỏng động lực học đang ngày càng giúp tối ưu hóa thi công. Các cải tiến về vật liệu ren, thiết kế đầu khoan và dung dịch khoan đồng thời được nghiên cứu nhằm giảm nguy cơ sự cố. Việc kết hợp giữa mô phỏng số và thực nghiệm có thể giúp xác định giới hạn chịu tải của ren khoan trong các điều kiện khác nhau, từ đó xây dựng giải pháp thiết kế phù hợp.

Tóm lại, công nghệ khoan định hướng ngang HDD là giải pháp mang lại hiệu quả cao trong thi công đường ống dầu khí và hạ tầng đô thị, cho phép thi công nhanh, ít xâm lấn và an toàn. Tuy nhiên, để triển khai hiệu quả, cần có sự hiểu biết sâu về cơ chế làm việc của từng bộ phận trong hệ thống khoan, đặc biệt là ren ống khoan tại lối ra. Việc phân tích nguyên nhân sự cố dán ren, nghiên cứu cơ chế hỏng hóc và xây dựng biện pháp kiểm soát là điều kiện tiên quyết để bảo đảm tiến độ và chất lượng trong các dự án HDD hiện đại.

PHÂN TÍCH SỰ CỐ VÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP VỀ VIỆC DÁN REN ỐNG KHOAN Ở PHÍA LỐI RA CỦA KHOAN ĐỊNH HƯỚNG NGANG

1. Kĩ thuật khoan ngang

Công nghệ khoan định hướng ngang (HDD) đã được áp dụng rộng rãi cho các đường ống dẫn dầu và khí đốt vượt sông, kênh, đường cao tốc, đường sắt và các khu vực chôn lấp nông phức tạp hoặc không phù hợp khác. Hơn nữa, nó cũng có thể được áp dụng trong kỹ thuật đô thị (ví dụ: cáp điện, cáp quang, ống nước máy), băng qua các tòa nhà, v.v. Với ưu điểm là thời gian xây dựng ngắn hơn, ít ràng buộc bên ngoài hơn, lắp đặt hiệu quả hơn, chi phí xây dựng thấp hơn, cũng như ưu điểm của nó là không làm hỏng môi trường mặt đất và tăng khả năng kiểm soát ổn định, công nghệ HDD đã nhận được sự chú ý trong khắp các ngành công nghiệp không có rãnh trên thế giới. Tuy nhiên, trong quá trình thi công HDD, các tai nạn dán ren ống khoan bên lối ra đã dẫn đến lượng chất thải ống khoan quá nhiều, kéo dài đáng kể thời gian thi công. Do đó, cần giảm thiểu tai nạn dán chỉ, do đó giảm thời gian thi công trong các dự án HDD, bằng cách nghiên cứu nguyên nhân hỏng hóc của các tai nạn nói trên. Hiện tại, hầu hết các nghiên cứu liên quan đến công nghệ HDD đều tập trung vào việc tăng tuổi thọ của đường ống và cải thiện công nghệ sửa chữa đường ống, chỉ có một số nghiên cứu nhỏ liên quan đến nguyên nhân hỏng hóc của đường ống khoan.

2. Phân tích sự cố và nghiên cứu giải pháp

Các phương pháp được sử dụng để phân tích các luồng kết nối có thể được chia thành ba loại: thực nghiệm, phân tích và mô phỏng phần tử hữu hạn. Dựa trên các thí nghiệm, Seys và cộng sự, thông qua các thí nghiệm về tuổi thọ, cho thấy kết nối có thành dày tiêu chuẩn có tuổi thọ mỏi cao hơn so với kết nối có thành mỏng. Chen thiết lập mô hình phân tích dựa trên các thông số hình học của răng ren và phương pháp tính toán mômen siết trên các mối nối ren P-110S. Do những hạn chế của phương pháp thực nghiệm và phân tích không thể xác định chính xác mức ứng suất và trạng thái của ứng suất tiếp xúc, nên hầu hết các học giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu các đặc tính cơ học của mối nối ren.

Trong quá trình xây dựng, một số lượng lớn các đường ống khoan có thể gặp phải tai nạn hỏng hóc do dán keo ở phía lối ra HDD. Để xác định lý do hỏng hóc, việc xác định đặc tính sức căng của vật liệu ren ống khoan cùng với các thử nghiệm tạo ren và đứt gãy đã được thực hiện, do đó, ren ống khoan 3D FEM được thành lập. Với mục đích giải quyết các vấn đề hư hỏng này, một số cải tiến đã được đề xuất, cũng như hình dạng ren ống khoan mới, cho thấy hiệu suất uốn mạnh hơn.

Tai nạn dán chỉ thường xảy ra ở phía lối ra trong quá trình xây dựng, do đó hạn chế đáng kể sự phát triển của công nghệ HDD. Sau đó, mô hình phần tử hữu hạn ren ống khoan 3D (FEM) được thiết lập dựa trên các nguyên tắc làm việc ảo, lý thuyết tiếp xúc phi tuyến và tiêu chí năng suất dẻo đàn hồi, có thể được tải bằng nhiều tải trọng kết hợp khác nhau. Kết quả cho thấy mômen bù không đủ là yếu tố ảnh hưởng chính và mômen uốn tạo ra bởi các ống khoan treo là nguyên nhân ngay lập tức gây ra tai nạn hỏng hóc. Một số biện pháp cải tiến đã được đề xuất và áp dụng thành công trong kỹ thuật.

Trong nỗ lực tìm ra nguyên nhân của hiện tượng bóng lưỡi doa xảy ra trong quá trình mở rộng lỗ khi khoan, một mô hình dòng chảy hai pha rắn-lỏng đã được xây dựng để mô phỏng chuyển động cắt và phân tích được thực hiện trên dữ liệu mô phỏng. Kết quả đã chứng minh rằng có ba yếu tố chi phối đến quá trình đánh bóng: xoáy tốc độ cao, vùng chất lỏng tốc độ cao không bao phủ toàn bộ lưỡi doa và dòng chảy ngược, cũng như các vùng xoáy và ứ đọng xuất hiện trong các kênh chất lỏng trên và dưới. Ngoài ra, nghiên cứu sâu hơn đã nghiên cứu ba khía cạnh cụ thể: thông số khoan, thông số dung dịch khoan, và cấu trúc doa-dung dịch. Sau đó, nguyên tắc thiết kế chống "đường nạo vét, mở rộng vùng" được xem xét cùng với ba tiêu chí đánh giá về đặc điểm dòng chảy.

Để nghiên cứu sự hỏng hóc của mũi doa khi khoan định hướng ngang, dựa trên tiêu chí Drucker-Prager, một mô hình phần tử hữu hạn động lực học phi tuyến có đường kính của thực thể mũi doa hình nón 601 mm và một tảng đá ba chiều được xây dựng. Kết quả cho thấy dao động ngang nghiêm trọng của mũi doa là nguyên nhân sâu xa khiến mũi doa bị hỏng sớm, tác động bất lợi của chúng lớn hơn nhiều so với dao động dọc trục và rung động xoắn đối với việc mũi doa bị hỏng sớm. Và các thông số doa không hợp lý làm trầm trọng thêm rung động bên. Ngoài ra, cường độ dao động bên của mũi doa trong hệ tầng cứng trước đây và cấu tạo cứng - mềm trước đây đạt đến độ đồng nhất nhiều lần so với cường độ ban đầu.

Xác định độ bền còn lại của đường ống là điều cần thiết để dự đoán tuổi thọ sử dụng của các đường ống dẫn dầu và khí bị ăn mòn và để tiến hành bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống đường ống bị đào thải. Cường độ dư được coi là thông số quan trọng gây ra hỏng hóc khi nó nhỏ hơn áp suất vận hành của đường ống. Một mô hình ngẫu nhiên cho cường độ còn lại được phát triển và các phương pháp phụ thuộc thời gian được sử dụng để xác định xác suất hư hỏng để có thể xác định được thời gian đường ống bị hỏng và do đó cần sửa chữa. Các kỹ thuật phân tích và số học và mô hình suy giảm phân bố gamma được giới thiệu và phát triển để đánh giá sự cố của các đường ống dẫn dầu và khí đốt.

Phương pháp luận này có thể giúp các kỹ sư đường ống và người quản lý tài sản đưa ra quyết định liên quan đến sự an toàn của đường ống dẫn dầu và khí bị ăn mòn, cả để đánh giá hệ thống hiện có và thiết kế đường ống mới.

Đôi khi, các đường ống phân phối khí được đặt liền kề với các đường ống dẫn nước. Sự rò rỉ của đường ống dẫn nước gây ra mối nguy hiểm lớn do nó phóng ra các tia nước áp suất cao, sau đó trộn lẫn với các hạt rắn để tạo thành bùn ăn mòn. Nếu áp lực từ các vòi phun hướng về phía đường ống kim loại, dạng bùn có tính ăn mòn cao này có thể ăn mòn đáng kể thành ống, có thể dẫn đến điểm hỏng. Chương này sẽ thảo luận về nghiên cứu thực nghiệm và tính toán về hai sự cố đường ống liên quan đến đường ống khí đốt tự nhiên API 5L X42 do bùn ăn mòn áp suất cao gây ra. Một nghiên cứu thử nghiệm đã được thực hiện trong một cơ sở thử nghiệm tia nước được phát triển độc đáo để mô phỏng môi trường ống dẫn khí đốt tự nhiên dưới lòng đất. Hộp cát được sử dụng làm phương tiện cho đường ống và hộp cát là một giàn khoan quan trọng được nạp cát làm vật liệu đại diện cho vật liệu lấp đầy thông thường cho đường ống khí đốt tự nhiên. Do khả năng hạn chế của cơ sở thử nghiệm, kỹ thuật động lực học chất lỏng tính toán (CFD) đã được sử dụng để ước tính các đặc điểm thủy động lực học, mô hình xói mòn và xác định các vị trí vỡ trên đường ống trong một phiên bản mở rộng hơn. Các nghiên cứu về vận tốc chất lỏng, lực cắt thành và tổng áp suất tạo ra trên bề mặt của ống dẫn khí đốt tự nhiên cũng được thực hiện. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CFD cho thấy vùng có tốc độ biến dạng cắt cao nhất trùng với các điểm rò rỉ. Kết quả mô phỏng CFD nâng cao cho thấy xu hướng tương tự với sự cố vỡ đường ống khí đốt tự nhiên API 5L X42, do đó cho thấy sự thành công của kết quả đồng ý lẫn nhau về các đặc tính thủy động lực học.

Các sự cố trong đường ống, van hơi, nồi hơi và bộ trao đổi nhiệt là những ví dụ về sự cố trong ngành công nghiệp hóa dầu. Trong 30 năm qua, ngành công nghiệp hóa dầu Mexico đã hoạt động mà không đầu tư vào kỹ thuật của nó; điều này đã dẫn đến sự lão hóa của thiết bị quy trình và do đó cần phải sửa chữa. Khi tình hình trở nên nghiêm trọng hơn, dầu Mexico đã tăng hàm lượng lưu huỳnh, điều này làm tăng tốc độ xuống cấp và hỏng hóc của thiết bị. Sự cố của các thành phần kim loại trong trường hợp xấu nhất là gây ra tai nạn thảm khốc và trong trường hợp tốt nhất là sự cố làm gián đoạn sản xuất. Để tránh những vấn đề này, bạn nên rút kinh nghiệm từ những lần thất bại trước.

Xem them công nghệ khoan ngang HDD

Khoan ngầm định hướng HDD