Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 5 pptx

- 57 - 4 cạnh Hình 31: 6 cạnh Đầu cần có thể đợc chồn dày hoặc không chồn dày.Loại không chồn dày ít đợc sử dụng vì đầu ren của cần yếu.ngời ta sản xuất hàng loạt các cần chủ đạo đồng bộ với perekhốt trên và dới của nó. 3.2.2 Cần khoan: Đây là bộ phận chính của cột cần, thực chất đó là loại ống thép đợc chồn dày ở 2 đầu để tăng độ bền của ren nối. Tuỳ theo cấu tạo của đầu chồn mà ngời ta chia ra 3 loại cần đó là: - Đầu cần chồn dày về phía trong và tiện ren bớc ngắn (h.a). - Đầu cần chồn dày về phía ngoài và tiện ren bớc ngắm (h.b) - Đầu cần chồn dày về cả hai phía trong và ngoài có tiện ren bớc ngắn (h.c). - Ngoài ra còn dùng cần hàn (với za mốc) - là loại đầu nối hiện đại. Cần khoan đợc đặc trng bởi chiều dài và đờng kính của chúng. Cần khoan đợc chế tạo chủ yếu theo 6 cấp đờng kính sau: 60; 73; 89; 114; 141; 168 mm với mỗi cỡ đờng kính có bề dày từ 8 11mm Có các cỡ chiều dài khác nhau từ 6 11m. Với các cỡ đờng kính: 2 3/8 ; 2 7/8; 3 * 1/2; 4; 4 * 1/2; 5 * ; 5 1/2" * Đợc dùng rộng rãi trong khoan dầu ở Mỹ Các cỡ chiều dài chia ra 3 loại: Loại 1: 18 22 ft (5,486 6,71m) Loại 2: 27 30ft (8,229 9,144m) Loại 3: 38 45ft (11,582 13,716m) Thép cần khoan là thép hợp kim có độ bền cao. 1. Ren tam giác. 2. Phần đầu cần đợc chôn dày. - 58 - 3.2.3. Za mốc nối cần khoan: 4 5 1 2 4 3 Hình 32 Dùng để nối các đoạn cần khoan với nhau. Za mốc nối cần khoan gồm hai chi tiết: za mốc đực và za mốc cái. Việc dùng đầu nối za mốc nhằm mục đích. - Bảo vệ ren cần khoan bởi vì chúng bị mài mòn rất nhanh do tháo lắp liên tục - Giảm thời gian tháo vặn cần khoan vì bớc ren za mốc lớn hơn bớc ren của cần . Các chi tiết của za mốc đợc nối với cần khoan qua ren bớc ngắn, các chi tiết za mốc đợc nối với nhau qua bớc ren dài hơn gọi là ren za mốc . Có 3 loại za mốc đợc chế tạo cho cần khoan: - Loại za mốc có lỗ mở thờng (d z <d t ) - Loại za mốc có lỗ mở rộng (d z d t ) - Loại za mốc có lỗ mở tăng cờng (d z >d t ) cần chồn dày bên ngoài Za mốc có lỗ mở thờng có đờng kính bên trong của za mốc đực nhỏ hơn đờng kính bên trong của phần chồn dày. Hai loại za mốc có lỗ mở thờng và za mốc có lỗ mở rộng đợc lắp vào loại cần khoan có đầu cần chồn dày bên trong. Đờng kính định mức của za mốc không tơng ứng với đờng kính ngoài za mốc mà tơng ứng với đờng kính định mức của cần lắp za mốc đó. Ngoài ra cần khoan và đầu nối còn có các loại sau - Cần khoan đợc nối với các chi tiết za mốc bằng hàn (cần hàn). - Cần khoan đợc chồn dày và nối với nhau qua đầu nối mupta. Cần chồn dày bên trong - 59 - *Đặc tính của ren cần khoan và ren za mốc a.Ren cần khoan: Là ren nối giữa các đầu cần và với các chi tiết của za mốc - Tiết diện ren hình tam giác, đầu và chân ren lợn tròn, góc đỉnh bằng 60 o , đờng phân giác chia đôi góc đỉnh của ren vuông góc với trục cần khoan - Bớc ren của cần là khoảng cách giữa hai đờng phân giác đi qua hai đỉnh gần nhau, ký hiệu là P. Bớc ren cần khoan thờng là 3,175 mm (8 vòng ren/in). - Độ côn của đầu ren cần khoan là1/16 góc nghiêng 1 0 4724 - Ren cần có thể trái hoặc phải. b.Ren za mốc. Tiết diện của ren za mốc hình tam giác, chân ren lợn tròn, đỉnh ren cắt phẳng. Góc đỉnh bằng 60 0 đờng phân giác góc đỉnh vuông góc với trục Độ côn za mốc phụ thuộc vào cỡ và kiểu za mốc, thờng là 1/4 hay 1/5 Bớc ren của zamốc dài hơn ren cần, nó vào khoảng 4 hay 5 vòng/in Hiện nay cần khoan loại 1 đợc sử dụng rộng rãi nhất, loại cần có đầu nối mở rộng thờng dùng cho khoan tuabin, loại cần có đầu nối thờng đợc dùng cho khoan roto. 3.2.4.Cần nặng: Hình 2.14 Cần nặng Cần nặng đợc lắp trên choòng khoan, nhằm giữ hớng thẳng đứng phần dới của lỗ khoan nhờ độ cứng vững của nó lớn hơn cần khoan và khe hở cũng bé hơn. Dùng để truyền tải trọng cho choòng khoan bằng một phần trọng lợng của nó. Có nhiều loại cần nặng. * Cần nặng nhẵn: đợc chia làm 2 loại + loại có đờng kính đều + loại có hai đầu tăng dần. * Cần nặng hình xoắn ốc (giảm diện tích tiếp xúc với thành giếng khoan và giúp tuần hoàn dung dịch tốt hơn). - 60 - * Cần nặng vuông (độ cứng vững cao và khả năng dẫn hớng tốt nhng giá thành cao và sử dụng phức tạp nên ít dùng). Cần nặng đợc nối trực tiếp với nhau không thông qua đầu nối trung gian. Chiều dài cần nặng đợc chuẩn hoá: 9,144m Đờng kính cần nặng thờng là: 9 2 1 (241,3mm); 8(203,2mm); 7 4 3 (196,85mm); 6 4 3 (171,45mm); 4 4 3 (120,65mm). 3.2.5. Đầu nối chuyển tiếp: Là đầu nối giữa những chi tiết có đờng kính khác nhau với nhau. Đầu nối chuyển tiếp đợc phân thành 2 nhóm: a. Nhóm đầu nối chuyển tiếp của cần chủ đạo. Đầu nối chuyển tiếp phía trên của cần chủ đạo đợc nối với đầu thuỷ lực là đầu nối ren trái để tránh tháo trong quá trình khoan. Đầu nối phía dới của cần chủ đạo với cần khoan là đầu nối ren phải. b. Nhóm đầu nối chuyển tiếp trung gian để nối các phần trong cột cần khoan nh giữa cần khoan và cần nặng, giữa cần nặng có đờng kính khác nhau với nhau, giữa cần nặng và choòng v.v 3.2.6. Định tâm cần khoan: - Công dụng: Ngăn ngừa sự cong lệch giếng khoan khi thi công. Nhờ tiếp xúc với thành giếng khoan ở 3 điểm nên bộ định tâm đảm bảo sự đồng trục giữa cột cần khoan và giếng khoan đặc biệt trong khoan tuabin. Có nhiều loại định tâm khác nhau phụ thuộc vào độ cứng đất đá ở thành giếng khoan. Ví dụ định tâm trên đợc sử dụng phổ biến hơn cả. Trên thân có 3 rãnh phân bố cách nhau 120 0 . Trên mỗi rãnh có lắp hai bánh răng hình trụ, hai đầu định tâm có ren để nối với đầu nối chuyển tiếp của cột cần khoan nhằm giảm tối đa lực ma sát với thành giếng khoan. Nhiều trờng hợp ngời ta lắp trên tuabin hai bộ định tâm, xen giữa 2 bộ định tâm là một đoạn cần nặng. - 61 - - Cấu tạo: Hình các loại định tâm 3. 2.7. Vật liệu chế tạo các chi tiết của cần khoan. Là thép hợp kim với thành phần cácbon trung bình. Mọi chi tiết của cần khoan đều đợc gia công nhiệt luyện để tăng cơ tính. Gần đây ngời ta đã chế tạo các cần khoan nhẹ bằng hợp kim đặc biệt. Cần khoan nhẹ dùng trong khoan Roto và tuabin là hợp kim nhôm hai đầu đợc chồn dày vào phía trong. Da mốc cũng đợc cấu tạo nhẹ. Cần khoan bằng hợp kim nhôm có những u điểm sau: - Trọng lợng cột cần nhỏ nên khoan đợc chiều sâu lớn với cùng thiết bị. - Thời gian nâng thả nhanh, tiêu thụ năng lợng giảm, vận chuyển và bảo quản nhẹ nhàng hơn. Nhợc điểm: - Giá thành cao. - Đặc tính bền giảm đi khi nhiệt độ đáy tăng trên 110 0 C. - Mài mòn nhanh do ma sát với thành giếng khoan vì vậy cần hợp kim nhôm chỉ đợc dùng rộng rãi trong khoan tuabin vì cột cần không quay. - 62 - 3.3. Chịu tải của cột cần khoan trong quá trình làm việc Trong quá trình làm việc tải trọng tác dụng lên cột cần khoan rất đa dạng khác nhau về đặc tính và giá trị. Chịu cả tải trọng động lẫn tải trọng tĩnh bao gồm: Kéo, nén, uốn, xoắn, lực ma sát, quán tính và các dao động. Đặc tính của các lực tác dụng lên cột cần khoan luôn luôn thay đổi và phụ thuộc vào chiều dài của cột cần khoan. ở gần đáy các lực luôn biến đổi, khi càng gần miệng tải trọng càng ổn định dần. Nói tóm lại đặc điểm của sự làm việc của cột cần khoan là sự mất ổn định dới tác dụng của các lực ngang lực chiều trục, lực xoắn. Trục của cột cần khoan trong trờng hợp chung có hình xoắn trong không gian. Độ dài các bớc xoắn thay đổi theo chiều sâu giếng khoan. Chiều dài bớc xoắn nhỏ nhất ở điểm trung hoà và tăng dần lên miệng giếng khoan. 3.3.1. ứng suất phần trên của cột cần khoan. Phần trên cột cần chủ yếu chịu ứng suất tĩnh: kéo và xoắn. a. ứng suất kéo của cột cần khoan. ứng suất kéo lớn nhất trong quá trình kéo cột cần khoan, tổng hợp lực phần trên sẽ là: Q K = Q + Q m + Q qt Trong đó: Q - Trọng lợng bản thân cột cần Q m - Lực ma sát với thành giếng khoan. Q qt - Lực quán tính ; Q qt = q a g a - gia tốc kéo; g - gia tốc trọng trờng). Q m = . Q ; = 0,2 0,3 (hệ số ma sát) Bây giờ xét từng trờng hợp cụ thể. Q - Trọng lợng của cột cần khi ngâm trong dung dịch, đợc tính bằng công thức sau: Q = [(L - l cn ) q + l cn . q cn + G ] ( 1 - d ) - 63 - Trong đó: L - Chiều dài cột cần, m l cn - Chiều dài cần nặng, m q, q cn - Trọng lợng 1m cần khoan, cần nặng, kg. G - Trọng lợng của choòng và tuabin, kg. d , t - Trọng lợng riêng của dung dịch và của thép. Nh vậy, ứng suất kéo của cột cần khoan đợc tính theo công thức: K = Q F F = 4 (D 2 - d 2 ) - Tiết diện cần khoan D, d - Đờng kính ngoài và trong của cần khoan. Ta xét ứng suất kéo ở phần trên cột cần trong 3 trờng hợp sau: - Trờng hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan: K K = Q F - Trờng hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan nhng có sự tuần hoàn của nớc rửa: K K = K + p . F t F Trong đó: p - Tổn thất áp suất bên trong cần khoan, cần nặng, tuabin, choòng. F t - Diện tích tiết diện ngang lỗ thoát nớc trong cần khoan. - Trờng hợp choòng làm việc với tải trọng G c : K K = Q - G e F + Độ dãn cần: Trong trờng hợp giếng khoan thẳng đứng độ dãn nở toàn phần do trọng lợng bản thân của cột cần đợc xác định theo biểu thức sau đây: L = 1 10 . K . - d 2E [(L - l cn ) 2 + l 2 cn + 2l cn (L - l cn ) . F cn F ] - 64 - Trong đó: E - Mô đun đàn hồi của thép cần khoan. F cn - Tiết diện ngang của cần nặng. b. ứng suất xoắn của cột cần khoan. Trong khi khoan đồng thời với ứng suất kéo, cột cần phải chịu ứng suất xoắn do sự quay của cột cần khoan: ( Đợc mô tả theo hình vẽ dới đây). O M c + M ck M x L a. Khoan Rôto O M x Ma sát với thành nhỏ nê M x còn truyền t ới mi ệng Ma sát với thành lớn, M x bị trợt tiếp tuyến tại một điểm nào đó L b. Khoan Tuabin - Trong khoan Roto M x có giá trị tăng dần từ đáy lên miệng. - Trong khoan tuabin: biến thiên ngợc lại, phía dới cùng có giá trị lớn nhất bằng mô men phản của tuabin và giảm dần lên mặt và tuỳ thuộc vào ma sát với thành giếng khoan (hình vẽ). Trong khoan Roto ứng suất xoắn cực đại max ở phần trên cùng của cột cần đợc tính nh sau: max = M max W x = 71620 N kt + N c n . W x Trong đó: N kt - Công suất để quay cột cần khoan không tải. N c - Công suất tiêu thụ để quay choòng phá đá. n - Số vòng quay. M max - Mô men xoắn lớn nhất. W x = (D 4 - d 4 ) 16 . D Modul chống xoắn. Nh vậy ứng suất tổng cộng xuất hiện tại tiết diện trên cùng của cột cần khoan đợc tính: . - 65 - = K 2 + 4 x 2 3.3.2. ứng suất phần dới cột cần khoan: Trong quá trình làm việc phần dới của cột cần chịu các ứng suất: xoắn, kéo, nén, uốn. a. ứng suất nén: ( n ) Khi khoan với tải trọng đáy là G c , ứng suất nén sẽ có giá trị lớn nhất tại tiết diện dới cùng của cột cần. n = G c F b. ứng suất uốn: ( u ) + ứng suất uốn do cong lỗ khoan: ứng suất uốn sinh ra trong cột cần khoan, khi cần khoan làm việc trong một giếng khoan xiên có bán kính cong là R đợc tính bằng công thức: u = D . E 2 R - (1) D - Đờng kính ngoài cần khoan. E - Modul đàn hồi của thép cần khoan. R - Bán kính cong của giếng khoan. + Mômen uốn do lực ly tâm tác dụng trong quá trình quay cột cần. Khi quay dới tác dụng của lực ly tâm cộng với áp lực chiều trục cột cần khoan bị lệch khỏi hớng cân bằng ban đầu, tạo thành các cung uốn. Mô men xoắn sẽ làm cho cột cần khoan tạo thành cung uốn một hình xoáy ốc. Trong điều kiện bình thờng ở giếng khoan thẳng đứng phơng trình của cung uốn của trục cần khoan là: R - 66 - y = f . sin . z l - (2) l - Độ dài nửa cung uốn. f - Độ võng ở nửa cung uốn. P y l f P Z Hình: Chịu uốn của cột cần khoan Mô men uốn đợc xác định qua biểu thức đờng trung hoà: d 2 y dz 2 = - M u EI - (3) Lấy đạo hàm bậc 2 của phơng trình (2) thay vào (3) chúng ta đợc: M u = 2 . E. I l 2 . f . sin z l - (4) Mô men uốn sẽ đạt giá trị cực đại khi sin z l = 1. Tức là: tại điểm z = sin z l = sin 2 z l = 2 nghĩa là giữa cung uốn: z=l/2 M umax = 2 . E . I l 2 f - (5) Mô men này tơng đơng với ứng suất uốn là: u = M umax W = 2 . E . I l 2 . W . f - (6) Nếu ta thay E = 2 .10 6 KG/cm 2 và 2 10 sẽ có đợc công thức sau: u = 2000 . f . I l 2 . W - (7) [...]... đó: f - Độ võng của cung uốn, tính bằng cm, f= 11 Dc - Dd - (8) 2 Dc ; Dd - Đường kính choòng và da mốc (tính bằng cm) I - Mô men quá tính của tiết diện cần khoan I = 64 (D4 - d4) - (9) (D4 - d 4) W - Mô dul chống uốn của cần W = 32 - (10 ) D D, d - Đường kính ngoài và trong của cần ở chỗ chôn dày Trong khoan Roto ứng suát uốn có đặc tính thay đổi Qua 1 vòng quay ứng suất uốn của nó thay đổi liên tục... tượng mỏi cần khoan 3.3.3 ổn định cột cần khoan Dưới tác dụng của một số tải trọng cần khoan có thể mất ổn định Nói chung sự mất ổn định của cột cần khoan là do tải trọng đáy, lực ly tâm, lực uốn, xoắn và áp lực Quan trọng nhất vẫn do tải trọng đáy và lực ly tâm làm cho cột cần tạo thành một đường cong trong không gian + Cột cần khoan mất ổn định do áp lực đáy sinh ra: Trong quá trình khoan cần phải... được: Pth = 2 E I 1 l2th = 2 qc lth 3 Từ đó rút ra: lth = 22E.I qc EI - độ cứng của cần Bất kỳ điều kiện nào ở hai đầu của dầm, chiều dài tới hạn uốn võng của cần khoan ở phía dưới có thể viết qua biểu thức chung: lth = u 3 E.I qc (1 - d ) Trong đó u là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào điều kiện giới hạn ở 2 đầu Gần nhất với điều kiện thực tế là trường hợp u =1 Trong thực tế khi khoan tải trọng... nói rằng, cần khoan làm việc bị uốn võng Nhưng độ võng cực đại bị giới hạn bởi đường kính giếng khoan và đường kính cân nặng Khi tải trọng đáy đạt tới giá trị tới hạn, cần khoan sẽ rời khỏi trạng thái ổn định Cần sẽ chạm vào thành giếng khoan ở một điểm nằm trong khoảng giữa choòng và điểm trung hoà Nếu tiếp tục tăng tải trọng đáy thì sẽ xuất hiện 2 hay nhiều nửa cung uốn + ổn định cột cần khoan trong... EI G g - 05) l 3 q.l q.l ( mà ta có : n = - (8) cho nên biểu thức của số vòng quay tới hạn là 2 (nth) 1 nth = 2 Trong đó: ( 2 EI G g - 05) l 3 q.l q.l (9) l - Chiều dài nửa bước sóng của cột cần khoan Để tính chiều dài l, từ biểu thức (7) ta có thể bỏ qua công cơ học của các lực do trọng lượng riêng, bởi chúng rất nhỏ so với lực chiều trục, do đó: q.2.l4 2 g F l2 - 2 g E I = 0 (10 ) Giải phương... các lực tác dụng bên ngoài ở một vị trí mới của dầm phải thoả mãn điều kiện: EP = (L1 + L2 + L3 ) = 0 - (2) Trong đó EP là thế năng biến dạng của dầm được tính theo công thức sau: 1 EP = 2 l 0 l d2y 4.f2.EI EI ( dz2 )2 dz = 2l2 0 z sin2 l dz - (3) L1 - Là công cơ học của lực kéo hay nén được tính bằng biểu thức: G L1 = 2 l 0 2 2 l dy f E ( dz )2 dz = 2l2 0 z cos2 l dz - (4) L2 - Là công cơ học... + ổn định cột cần khoan trong chuyển động quay: -68- Khi khoan Roto cột cần khoan quay, phần dưới chịu nén Dưới tác dụng của lực ly tâm, nếu số vòng quay vượt quá một giá trị tới hạn thì sẽ rời khỏi vị trí thẳng đứng và tạo ra cung uốn Như đã biết phương trình đàn hồi của cột cần khoan bị uốn cong dưới z tác dụng của lực ly tâm y = f sin l ( -1) Phương trình thoả mãn các điều kiện giới hạn với: z =... Là công cơ học của các lực trọng lượng riêng được tính bằng biểu thức: q L2 = 2 l 0 dy 2 2.f2.q (l - z) ( dz ) dz = 2l2 -69- l 0 z (l - z) cos2 l dz - (5) L3 - Là công cơ học do lực ly tâm gây ra được xác định theo công thức sau đây: 1 L3 = 2 l 0 1 y dFc =2 l 0 q2 2 f2.q 2 y dz = 2g g l 0 z sin2 l dz - (6) Trong số biểu thức trên : - Vận tốc quay của cột cần G - Tải trọng chiều trục tác dụng xuống... một phần trọng lượng của cột cần Nếu tải trọng này vượt quá một giá trị tới hạn thì cột cần sẽ bị mất ổn định và bị võng ở phần dưới của cột cần Nếu cần khoan quay thì lực ly tâm còn hỗ trợ thêm cho độ võng tăng lên Để nghiên cứu độ võng của cột cần khoan chúng ta chỉ đề cập đến tác dụng của tải trọng chiều trục do trọng lượng riêng bản thân cột cần ở vùng giếng thẳng đứng -67- Với giả thiết rằng ở . 11 m. Với các cỡ đờng kính: 2 3/8 ; 2 7/8; 3 * 1/ 2; 4; 4 * 1/ 2; 5 * ; 5 1/ 2" * Đợc dùng rộng rãi trong khoan dầu ở Mỹ Các cỡ chiều dài chia ra 3 loại: Loại 1: 18 22 ft (5, 486 6,71m). (8,229 9 ,14 4m) Loại 3: 38 45ft (11 ,58 2 13 , 716 m) Thép cần khoan là thép hợp kim có độ bền cao. 1. Ren tam giác. 2. Phần đầu cần đợc chôn dày. - 58 - 3.2.3. Za mốc nối cần khoan: . Chiều dài cần nặng đợc chuẩn hoá: 9 ,14 4m Đờng kính cần nặng thờng là: 9 2 1 (2 41, 3mm); 8(203,2mm); 7 4 3 (19 6,85mm); 6 4 3 (17 1,45mm); 4 4 3 (12 0,65mm). 3.2 .5. Đầu nối chuyển tiếp: Là đầu nối