Các loại mũi khoan địa chất và chức năng của nó

Mũi khoan địa chất có chức năng gì?

Mũi khoan là bộ phận nằm ở đầu chuỗi cần hoặc đầu bộ ống mẫu. Tùy cấu tạo, mũi có thể cắt, nghiền, cạo hoặc phá đất đá để tạo lỗ khoan. Với khoan lấy lõi, vành mũi cắt một vòng quanh cột đá để lõi đi vào ống mẫu. Với khoan phá mẫu, toàn bộ phần đáy lỗ được phá nhỏ và mùn khoan được đưa lên bằng nước, khí hoặc dung dịch khoan.

Chất lượng hố khoan không chỉ do mũi quyết định. Kết quả còn phụ thuộc máy khoan, tốc độ quay, tải trọng lên mũi, lưu lượng rửa, dung dịch khoan, ống chống, bộ ống mẫu, thao tác của tổ khoan và điều kiện địa tầng.

Một mũi phù hợp có thể hỗ trợ:

• Duy trì đường kính lỗ khoan theo thiết kế.
• Giảm rung, kẹt hoặc mòn lệch chuỗi cần.
• Tăng tỷ lệ thu hồi lõi trong đá.
• Hạn chế nghiền vụn hoặc rửa trôi vật liệu yếu.
• Đưa mùn khoan ra khỏi đáy lỗ hiệu quả.
• Giảm thời gian kéo thả và thay mũi.
• Hỗ trợ nhận dạng đúng ranh giới các lớp địa chất.

Phân biệt mũi khoan, ống mẫu và dụng cụ thí nghiệm

Trong khảo sát địa chất, nhiều dụng cụ cùng được hạ xuống lỗ khoan nhưng có chức năng khác nhau. Việc gọi tất cả là “mũi khoan” dễ dẫn đến nhầm phương pháp và chất lượng mẫu.

Một hố khoan có thể phải thay đổi nhiều loại mũi và dụng cụ lấy mẫu theo chiều sâu.

Vì vậy, chọn mũi khoan phải đồng bộ với bộ ống mẫu. Một mũi tốt nhưng gắn với ống mẫu không phù hợp vẫn có thể làm mất lõi, xáo trộn đất hoặc không đáp ứng cấp chất lượng mẫu của nhiệm vụ khảo sát.

Các nhóm mũi khoan địa chất phổ biến

Có nhiều cách phân loại theo vật liệu cắt, phương pháp khoan và mục đích thu mẫu. Trong khảo sát địa chất công trình, các nhóm dưới đây thường gặp hơn cả.

Mũi guồng xoắn và mũi khoan đất

Guồng xoắn, mũi Edelman, mũi xoắn ruột gà và thìa vét được sử dụng để khoan đất ở chiều sâu nông hoặc làm sạch lỗ trước khi lấy mẫu. Hình dạng của mũi được chọn theo độ dính, kích thước hạt và độ cứng của đất.

Đất sét và đất dính

Mũi có thân tương đối hẹp và cánh cắt phù hợp giúp đất bám vào thân khi kéo lên. Với đất quá mềm, cấu tạo mũi cần hạn chế mất mẫu khi nâng dụng cụ. Nếu đất bão hòa hoặc thành lỗ không ổn định, có thể phải kết hợp ống chống hay dung dịch giữ thành.

Đất cát và đất rời

Đất cát dễ rơi khỏi mũi và dễ sập thành. Mũi cho cát thường có hình học giúp giữ vật liệu tốt hơn, nhưng mẫu vẫn là mẫu xáo động. Dưới mực nước ngầm, cần kiểm soát cát chảy và không nên coi mẫu lấy bằng guồng là mẫu nguyên dạng.

Đất sỏi và đất lẫn đá

Guồng xoắn thông thường có thể bị bật, kẹt hoặc không xuyên qua hạt lớn. Có thể phải dùng mũi cho đất sỏi, mũi xoắn cứng, ống đập, khoan xoay rửa hoặc thay đổi phương pháp. Đối với địa tầng cuội tảng, cần dự kiến nguy cơ lệch lỗ và mất mẫu.

Mũi khoan hợp kim carbide

Mũi hợp kim, thường sử dụng chíp tungsten carbide, thích hợp với đất rất cứng, laterit, sỏi kết yếu, đá mềm và đá phong hóa. Chíp được gắn trên vành hoặc mặt mũi để cắt và cạo vật liệu.

Ưu điểm của nhóm này là kết cấu bền, dễ sửa hoặc thay chíp ở một số thiết kế và chi phí thường thấp hơn mũi kim cương. Mũi có thể làm việc hiệu quả trong địa tầng mà kim cương chưa cần thiết.

Hạn chế chính gồm:

• Khả năng tiến khoan giảm nhanh khi gặp đá cứng hơn dự kiến.
• Chíp có thể sứt khi va đập vào cuội hoặc khe nứt.
• Lõi có thể bị rung, vỡ nếu chế độ khoan không ổn định.
• Không phù hợp với mọi loại đá mài mòn cao.

Khi địa tầng chuyển từ đá phong hóa mạnh sang đá cứng, tổ khoan cần theo dõi tốc độ tiến, mô-men, mùn khoan và tình trạng mũi để thay sang mũi kim cương kịp thời.

Mũi PCD và PDC

PCD là vật liệu kim cương đa tinh thể, còn PDC thường chỉ cụm cắt kim cương đa tinh thể gắn trên nền carbide. Trong khoan địa chất, các mũi này cắt vật liệu theo cơ chế cạo và xén, phù hợp hơn với địa tầng mềm đến trung bình, tương đối đồng nhất.

Ưu điểm có thể gồm tốc độ tiến tốt, ít phải mài sắc theo cơ chế matrix và khả năng làm việc lâu trong địa tầng phù hợp. Tuy nhiên, mũi PCD/PDC không phải lựa chọn mặc định cho đá rất cứng, nhiều thạch anh, mài mòn mạnh hoặc nứt nẻ gây va đập.

Khi lựa chọn cần kiểm tra:

• Độ cứng và tính mài mòn của đá.
• Mức độ liên tục của địa tầng.
• Khả năng làm sạch đáy lỗ.
• Tốc độ quay và tải trọng cho phép.
• Yêu cầu thu lõi hay chỉ cần khoan mở lỗ.

Mũi kim cương bề mặt

Mũi kim cương bề mặt, còn gọi là surface-set, có các hạt kim cương kích thước tương đối lớn được bố trí trên bề mặt vành mũi. Hạt trực tiếp tiếp xúc với đá và tạo rãnh cắt khi mũi quay.

Loại mũi này thường được cân nhắc cho đá từ trung bình đến cứng, tương đối đồng nhất và không quá mài mòn. Kích thước, mật độ và cách bố trí hạt phải phù hợp với đá. Hạt lớn tạo độ nhô cắt cao nhưng có thể dễ chịu tải va đập hơn; hạt nhỏ tăng số điểm cắt nhưng yêu cầu điều kiện vận hành khác.

Mũi một lớp

“Một lớp” thường mô tả cấu tạo kim cương trên vùng làm việc. Khả năng cắt ban đầu có thể tốt, nhưng khi hạt bị mòn, đánh bóng hoặc mất khỏi matrix, tốc độ tiến giảm. Việc duy trì lưu lượng rửa và chế độ khoan ổn định rất quan trọng.

Mũi nhiều lớp

Thuật ngữ “nhiều lớp” có thể được dùng trong tài liệu sản phẩm để mô tả nhiều lớp hạt trong phần crown. Đây không nên được coi là một hệ phân loại hoàn toàn độc lập với surface-set hay impregnated nếu chưa biết cấu tạo của nhà sản xuất.

Mũi kim cương bề mặt có thể bị hỏng khi lực ép quá lớn, thiếu nước làm mát, va đập mạnh hoặc tốc độ quay không phù hợp. Khi hạt bị đánh bóng, cần xử lý theo hướng dẫn của nhà sản xuất thay vì tiếp tục tăng lực ép không kiểm soát.

Mũi kim cương thấm nhiễm

Mũi kim cương thấm nhiễm có các hạt kim cương tổng hợp nhỏ phân bố trong nền matrix. Khi lớp matrix ngoài mòn, các hạt mới được lộ ra và tiếp tục cắt. Cơ chế tự làm mới này giúp mũi phù hợp với nhiều loại đá cứng, mài mòn hoặc nứt nẻ.

Matrix quá cứng có thể làm bề mặt bị đánh bóng và hạt mới không lộ ra đủ nhanh. Matrix quá mềm lại mòn nhanh, làm giảm tuổi thọ mũi. Vì vậy, nhà sản xuất thường cung cấp nhiều cấp matrix để lựa chọn theo độ cứng và tính mài mòn của đá.

Những yếu tố cần kiểm soát gồm:

• Tốc độ quay phù hợp với đường kính mũi.
• Tải trọng lên mũi đủ cắt nhưng không làm quá tải.
• Lưu lượng rửa đủ làm mát và đưa mùn ra ngoài.
• Độ sạch của đáy lỗ trước khi nối hiệp khoan mới.
• Hiện tượng rung, đánh bóng hoặc mòn lệch vành mũi.

“Không nên chọn mũi kim cương chỉ theo câu mô tả ‘đá cứng’. Hai lớp đá có cùng cường độ nén nhưng khác độ mài mòn, khe nứt và khoáng vật vẫn có thể cần matrix, hạt cắt và chế độ khoan khác nhau.”

Kỹ sư Phan Việt Tuyên

Mũi phá mẫu, tricone và mũi búa

Khi mục tiêu là tạo lỗ, lắp đặt ống, khoan qua lớp phủ hoặc thu mùn khoan thay vì lấy lõi liên tục, có thể sử dụng mũi phá mẫu. Nhóm này gồm tricone, roller cone, mũi cánh, mũi búa khí nén và các thiết kế chuyên dụng khác.

Tricone sử dụng các chóp lăn có răng hoặc insert để nghiền và phá đá. Mũi búa đập đá bằng năng lượng va đập kết hợp quay. Các phương pháp này có thể tiến khoan nhanh nhưng mẫu thu được thường là mùn hoặc mảnh vụn, khó bảo toàn cấu trúc như lõi khoan.

Cách chọn mũi theo loại địa tầng

Bảng chỉ là định hướng ban đầu. Tổ khoan phải điều chỉnh theo tốc độ tiến, mùn khoan, lõi thu hồi và biểu hiện thực tế.

Mũi khoan ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi lõi và RQD thế nào?

Tỷ lệ thu hồi lõi phản ánh chiều dài lõi thu được so với chiều dài hiệp khoan. RQD sử dụng tổng chiều dài các đoạn lõi đạt điều kiện theo phương pháp quy định để mô tả chất lượng khối đá. Mũi khoan không trực tiếp “tạo ra” RQD, nhưng cách khoan có thể làm lõi vỡ thêm và khiến kết quả không còn đại diện đúng cho khe nứt tự nhiên.

Những yếu tố làm giảm chất lượng lõi gồm:

• Mũi không phù hợp với độ cứng và độ nứt nẻ.
• Rung chuỗi cần hoặc mũi bị đảo.
• Lưu lượng rửa quá mạnh làm xói vật liệu yếu.
• Hiệp khoan quá dài trong lớp rất nứt nẻ.
• Ống mẫu đơn dùng ở địa tầng cần bảo vệ tốt hơn.
• Lõi bị rơi, trộn thứ tự hoặc bảo quản không đúng.

Đối với đá yếu, phong hóa hoặc nứt nẻ, ống mẫu đôi hay ba lớp có thể giúp giảm tiếp xúc giữa dung dịch và lõi. Tuy nhiên, cấu tạo phải đồng bộ với mũi, core lifter và chế độ khoan.

Các thông số vận hành cần kiểm soát

Ngay cả khi đã chọn đúng mũi, chế độ khoan sai vẫn có thể làm giảm tuổi thọ và chất lượng mẫu. Các thông số không nên được áp dụng bằng một con số chung cho mọi mũi.

Khi mũi bị đánh bóng, tăng lực ép liên tục có thể gây quá tải. Cần đánh giá matrix, lưu lượng rửa và phương pháp làm sắc theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Các lỗi thường gặp khi chọn và sử dụng mũi

• Chỉ dựa vào tên đất đá mà không xét độ mài mòn và nứt nẻ.
• Dùng một mũi cho toàn bộ hố khoan dù địa tầng thay đổi.
• Nhầm dụng cụ phá lỗ với dụng cụ lấy mẫu nguyên dạng.
• Chọn matrix quá cứng hoặc quá mềm cho đá.
• Tăng tải trọng để bù cho mũi đã đánh bóng.
• Lưu lượng rửa không đủ làm mát hoặc quá lớn gây xói lõi.
• Không kiểm tra đường kính và mức mòn của mũi.
• Không làm sạch đáy lỗ trước khi tiếp tục khoan lấy lõi.
• Không ghi lại loại mũi và chế độ khoan trong nhật ký.
• Đánh giá chất lượng lõi mà không xét hư hỏng do thao tác khoan.

Nhật ký khoan nên ghi loại mũi, số hiệu, đường kính, chiều sâu sử dụng, tốc độ tiến, hiện tượng mất nước, kẹt cần, thay đổi mùn và tình trạng lõi. Đây là dữ liệu cần thiết để giải thích sự bất thường trong cột địa tầng.

Quy trình khoan khảo sát địa chất công trình

TCVN 9437:2012 hiện được Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam ghi nhận còn hiệu lực. Tiêu chuẩn quy định quy trình khoan thăm dò địa chất công trình, đặc biệt cho khảo sát thiết kế và thi công công trình giao thông, đồng thời có thể áp dụng cho loại công trình khác khi bổ sung yêu cầu phù hợp.

Khách hàng cần tìm hiểu tổng thể có thể xem bài khoan địa chất và cách lấy mẫu.

Tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật cần lưu ý

ISO 22475-1:2021 đưa ra các nguyên tắc lấy mẫu đất, đá, nước dưới đất và đo nước trong chương trình khảo sát địa kỹ thuật. Tiêu chuẩn nhấn mạnh việc lựa chọn phương pháp phải phù hợp với cấp chất lượng mẫu và mục tiêu thí nghiệm.

ASTM D6286/D6286M-20 hướng dẫn lựa chọn phương pháp khoan và direct-push cho khảo sát môi trường và địa kỹ thuật. ASTM D6169/D6169M-21 hướng dẫn lựa chọn phương pháp lấy mẫu đất và đá dưới mặt đất. ASTM D2113 từng được dùng rộng rãi cho khoan lõi đá, nhưng ASTM ghi nhận phiên bản D2113-14 đã bị rút năm 2023; do đó không nên tiếp tục dẫn D2113-99 như một tiêu chuẩn hiện hành.

Cách lựa chọn nhà thầu khoan khảo sát

Chất lượng khảo sát không thể đánh giá chỉ qua giá theo mét khoan. Chủ đầu tư nên kiểm tra phương án kỹ thuật, năng lực nhân sự, thiết bị, phòng thí nghiệm phối hợp và cách kiểm soát mẫu.

• Có nhiệm vụ và phương án khảo sát rõ ràng.
• Xác định được loại mẫu và thí nghiệm cần thực hiện.
• Có khả năng thay đổi mũi, ống mẫu và phương pháp theo địa tầng.
• Ghi nhật ký khoan, mô tả và chụp lõi đầy đủ.
• Mẫu được đánh số, đóng gói và vận chuyển đúng quy trình.
• Phòng thí nghiệm có phạm vi phù hợp với chỉ tiêu cần thử.
• Báo cáo nêu rõ dữ liệu, giả thiết và giới hạn khảo sát.

Thông tin tổng quan về phạm vi thực hiện được trình bày tại trang dịch vụ khảo sát địa chất.

Câu hỏi thường gặp về mũi khoan địa chất

Vì sao chọn Hợp Nhất Bách Việt?

Đo Vẽ Nhanh là thương hiệu dịch vụ của Công ty TNHH Hợp Nhất Bách Việt, cung cấp khảo sát địa chất, khảo sát địa hình, đo đạc và xử lý dữ liệu kỹ thuật cho công trình.

• Kiểm tra mục tiêu khảo sát trước khi đề xuất hố khoan.
• Lựa chọn phương pháp và dụng cụ theo địa tầng dự kiến.
• Phối hợp thí nghiệm hiện trường và phòng thí nghiệm theo nhiệm vụ.
• Ghi nhận địa tầng, mẫu và hiện tượng khoan trong nhật ký.
• Không cam kết một loại mũi hoặc chiều sâu cố định khi chưa có căn cứ.
• Báo cáo rõ phạm vi dữ liệu và giới hạn của kết quả khảo sát.

Người đọc muốn tìm hiểu thiết bị quy mô nhỏ có thể xem thêm bài máy khoan địa chất mini.

Kết luận

Các loại mũi khoan địa chất phải được lựa chọn theo mục tiêu khảo sát, loại đất đá, tính mài mòn, mức độ nứt nẻ, đường kính, phương pháp khoan và cấp chất lượng mẫu cần thu. Guồng xoắn phù hợp với nhiều loại đất; mũi carbide và PCD phục vụ địa tầng mềm đến trung bình; mũi kim cương bề mặt và thấm nhiễm thường dùng trong khoan lấy lõi đá; mũi phá mẫu chỉ phù hợp khi không yêu cầu chuỗi lõi liên tục.

Chất lượng khảo sát không phụ thuộc riêng mũi khoan. Kỹ sư còn phải kiểm soát ống mẫu, tốc độ quay, tải trọng, dòng rửa, chiều dài hiệp khoan, cách sắp xếp lõi và nhật ký hiện trường. Việc phối hợp đúng các yếu tố này mới giúp dữ liệu địa tầng phản ánh tốt điều kiện nền đất đá của công trình.