Giới thiệu thiết bị và dụng cụ khoan

Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan Các loại giàn khoan và phạm vi ứng dụng của chúng Các hệ thống thiết bị chính trên giàn khoan dầu khí và chức năng Các thành phần của bộ khoan

Trang 1

Giới thiệu

THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí Đại học Bách Khoa TP HCM

GEOPET

NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH

Nội dung khối kiến thức tổng quan về công nghệ khoan dầu khí.

1 Giới thiệu cơ sở khoan dầu khí: khái niệm, lịch sử, cơ sở khoan, các nguyên lý cơ bản

2 Thiết kế và cấu trúc giếng khoan, công nghệ khoan

3 Thiết bị và dụng cụ khoan

4 Sự cố trong công tác khoan và các phương pháp xử lý

5 Đo đạc trong quá trình khoan và lấy mẫu

6 Hoàn tất giếng – Gọi dòng

7 Dung dịch khoan và Xi măng

Trang 2

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan

NỘI DUNG BUỔI HỌC

1 Các loại giàn khoan

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

Các loại giàn khoan và phạm vi ứng dụng của chúng

Các hệ thống thiết bị chính trên giàn khoan dầu khí và chức năng

Các thành phần của bộ khoan cụ

Choòng khoan

Trang 3

1 CÁC LOẠI GIÀN KHOAN

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN

Giàn khoan được chia thành hai loại:

Giàn khoan đất liền

Ngoài ra, giàn khoan còn được phân loại theo:

Chiều sâu khoan được: nhẹ, trung bình, sâu và siêu sâu

• Thiết bị khoan nhẹ: dưới 650 mã lực, khoan tối đa 2000 m.

• Thiết bị khoan trung bình: 650 - 1300 mã lực, khoan tối đa 4000 m.

• Thiết bị khoan sâu: 1300 - 2000 mã lực, khoan tối đa 7000 m.

• Thiết bị khoan siêu sâu: khoảng 3000 mã lực, khoan tối đa 9000 m.

Tải trọng nâng: công suất tời khoan

Tính cơ động: cố định, tự hành, bán tự hành

Trang 4

GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN

Các giàn khoan nhẹ (khoan tối đa 2000m) được gắn trực tiếp trên xe tải cỡ lớn và dễ dàng di chuyển từ nơi này đến nơi khác

Các giàn khoan trung bình và sâu thường gắn trên rơ móc chuyên dụng hoặc xe lăn khổng lồ Các thiết bị

khoan này có thể di chuyển nguyên bộ

ở cự ly ngắn Khi cần di chuyển xa,

thiết bị được tháo rời từng phần

GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN

Trang 5

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN

Ở biển, tùy thuộc độ sâu mực nước mà người ta sử dụng các loại giàn khoan khác nhau:

Giàn tự nâng (jack-up)

Giàn bán tiềm thủy (semi-submersible)

Tàu khoan (drill-ship)

Trên giàn khoan biển di động, thiết bị đầu giếng và thiết bị chống phun được lắp ngay dưới sàn khoan (nếu mực nước biển nhỏ hơn 60 m) hoặc dưới đáy biển (nếu mực nước biển lớn hơn 60 m)

Đối với mực nước biển dưới 100 m, người ta có thể dùng các giàn khoan biển cố định

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN DI ĐỘNG

Trang 6

Xà lan được làm ngập và nằm trực tiếp lên đáy.

Giếng khoan được thực hiện từ sàn xà lan.

GIÀN TỰ NÂNG

các chân thép khổng lồ Giàn có thể

khoan ở vùng nước sâu 20 – 120 m

Tại vị trí khoan, các chân thép được hạ

xuống đáy biển Nước được bơm vào

các boong xà lan làm cắm sâu các

chân thép vào đáy biển, giúp ổn định

giàn khoan trong quá trình làm việc

Các thiết bị đặt trên giàn thường nhô ra

bên ngoài và trượt được để có thể tiến

hành khoan ngoài phạm vi của sàn

khoan

Trang 7

GIÀN BÁN TIỀM THỦY

nước dưới các chân đế, giúp giàn nổi lưng

chừng, tạo thế ổn định giàn tốt nhất

Nhờ hệ thống máy tính điện tử, hệ thống

kiểm soát dằn được tự động giữ độ cao

nhúng chìm giàn thích hợp và ổn định giàn

Các giàn khoan bán tiềm thủy có thể được

sử dụng để khoan thăm dò và khai thác

trong vùng biển có mực nước sâu từ 60

-1200 m

TÀU KHOAN

được sử dụng cho các giếng khoan

tìm kiếm, thăm dò xa đất liền

Có thể vận hành trong vùng biển có

chiều sâu mức nước từ 30 - 2000 m

đôi khi đến 2800 m

Hệ thống định vị động học có khả

năng hiệu chỉnh tự động vị trí thiết bị

khoan nhờ các động cơ đẩy dọc

(propellers) và đẩy ngang (thrusters)

gắn dưới tàu Các động cơ này được

kích hoạt và điều khiển bằng máy tính

Trang 8

GIÀN KHOAN BIỂN CỐ ĐỊNH

Giàn khoan và khai thác cố định chế tạo lần đầu tiên vào năm 1937

Đa số giàn khoan cố định có cấu trúc chân đế bằng thép, một số giàn khoan thế hệ mới có chân đế bằng bê tông cốt thép

Từ một giàn khoan cố định có thể khoan 16 - 32 giếng, hoặc 40 giếng đối với một số giàn đặc biệt

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN KHÁC

Công nghệ hiện nay cho phép khoan

và khai thác ở vùng biển sâu hơn 300

m với các thiết bị sau đây:

khung thép nhẹ với các cáp neo xuyên tâm giữ cho tháp đứng thẳng

Giàn nổi có chân đế căng (Tension Leg

Platforms), nối với đáy biển bằng các

chân thép ở trạng thái căng

Trang 9

2 CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ

TRÊN GIÀN KHOAN

CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRÊN GIÀN KHOAN

Các hệ thống thiết bị chính của giàn khoan bao gồm:

1 Tháp khoan và cấu trúc dưới tháp

2 Hệ thống cung cấp năng lượng

3 Hệ thống nâng thả

4 Hệ thống xoay

5 Hệ thống tuần hoàn dung dịch

6 Hệ thống kiểm soát giếng

7 Hệ thống đo

Trang 10

Trong tháp khoan có hệ thống palăng, nơi dựng cần khoan và các thiết

bị khoan Giếng khoan càng sâu cần sử dụng tháp càng cao

Có hai loại tháp khoan chủ yếu là tháp tiêu chuẩn (tháp 4 chân) và tháp chữ A (tự hành, tháp gập, tháp lồng)

THÁP KHOAN

1 Giá xếp cần – Pipe Racks

2 Dốc tiếp khoan – Ramp

3 Tháp khoan – Derrick

4 Chuồng khỉ – Monkey board

5 Ròng rọc đỉnh – Crown block

6 Cáp khoan – Drill line

7 Khối ròng rọc động & móc treo –

Block & hook

8 Quang treo /đầu nâng – Links &

3 4

5 6

7 8

9 10

11

Trang 11

Cấu trúc dưới tháp có thể độc lập với tháp.

HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

Động cơ diezel hoặc tuabin khí

Được trang bị nhiều động cơ tuỳ thuộc vào kích thước và chiều sâu tối

đa khoan được

Truyền tải cơ năng và truyền tải điện năng

Trang 12

Năng lượng yêu cầu cho giàn khoan là tổng công suất các thiết bị chính sau:

1 Tời khoan (Drawworks),

2 Các máy bơm dung dịch (Mud pumps),

3 Hệ thống rôto (Rotary system),

4 Năng lượng cho thắp sáng,… (Auxiliary power

requirements for lighting etc),

5 Sử dụng cho sinh hoạt (Life support system).

Trang 14

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Hệ thống ròng rọc: biến đổi chuyển động quay của tang tời thành

chuyển động tịnh tiến của móc nâng và đồng thời giảm tải cho dây cáp

Ròng rọc động Ròng rọc tĩnh

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Sơ đồ móc cáp trong hệ thống ròng rọc

Trang 17

Đầu xoay thủy lực

Bộ phận nối giữa hệ thống palăng và

cột cần khoan

dung dịch khoan trong bộ khoan cụ

Trang 18

HỆ THỐNG XOAY

Bàn rôto

Tên gọi bàn rôto xuất phát từ phương pháp khoan rôto

Bàn rôto gồm nhiều chi tiết và vận hành nhờ động cơ điện riêng

Trang 19

thiết bị khoan hiện

đại, đặc biệt khi

cần thi công giếng

sâu.

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

Trang 20

Máy bơm hút dung dịch từ bể chứa dung dịch và đẩy chúng theo đường ống cao áp đến ống đứng Ống đứng là một ống bằng thép lắp thẳng đứng trên một chân của tháp khoan Dung dịch qua ống đứng vào tuyô cao áp đến đầu xoay thủy lực

Dung dịch tiếp tục chảy vào cần chủ đạo, cần khoan, cần nặng rồi thoát ra các vòi phun thủy lực ở choòng khoan

Sau đó dung dịch đi ngược lên bề mặt theo khoảng không vành xuyến giữa thành giếng và bộ khoan cụ.

Cuối cùng dung dịch rời khỏi giếng theo đường hồi dung dịch và chảy vào bể chứa dung dịch sau khi dẫn qua các thiết bị xử lý dung dịch như sàn rung, thiết bị tách cát, thiết

bị lắng bùn, thiết bị tách khí

Dung dịch hồi về các bể chứa dung dịch và được gia công lại rồi bơm tiếp tục vào giếng.

Trang 21

Trang 22

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG

Hệ thống kiểm soát giếng

Trang 23

BỘ ĐỐI ÁP (BOP)

Sơ đồ kiểm soát giếng trong

trường hợp phun trào

Trang 25

Thiết bị hướng dòng và đối áp trong cần

HỆ THỐNG ĐO

Đồng hồ đo tải trọng: mặt đồng hồ có hai kim, một kim chỉ tải trọng treo

ở móc nâng và kim kia chỉ tải trọng lên choòng (WOB)

Đồng hồ hiển thị tổng thể tích dung dịch

Đồng hồ hiển thị mức thay đổi thể tích dung dịch

Đồng hồ hiển thị thể tích bể chứa đang vận hành

Đồng hồ hiển thị lưu lượng dung dịch hồi về bể chứa

Đồng hồ hiển thị số hành trình của bơm

Trang 26

Đồng hồ hiển thị chu kỳ bơm tính bằng số lần đập/phút.

Đồng hồ hiển thị vận tốc quay của bàn rôto

Bộ phận tiếp nhận tín hiệu: hoạt động bằng cơ khí hoặc khí nén

Nguyên lý hoạt động: khi các thông số khoan thay đổi làm cho hệ thống

tiếp nhận tín hiệu thay đổi theo Sự thay đổi này làm kim dao động theo phương ngang và vẽ lên cuộn băng giấy đang quay đều

Trang 28

3 BỘ KHOAN CỤ

CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ

mômen của động cơ đáy trong quá trình phá hủy đất đá ở đáy giếng

Cho phép thiết lập tuần hoàn dung dịch khoan từ bề mặt đến đáy giếng và ngược lại

Tạo tải trọng cho choòng

(đặc biệt trong khoan định hướng và khoan ngang)

rung động và lắc lư của choòng

thành giếng, thử vỉa bằng cần, khảo sát giếng, khắc phục các sự cố

Trang 29

CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ

Tổ hợp lực tác dụng lên bộ khoan cụ

Lực kéo do trọng lượng bản thân của bộ khoan cụ

Lực nén do tác dụng của tải trọng lên choòng

Mômen xoắn do tác dụng quay của bộ khoan cụ

Mômen uốn

Áp suất dư của dung dịch khoan trong và ngoài cần

Các tải trọng động

THÀNH PHẦN CỦA BỘ KHOAN CỤ

Chuỗi cần khoan (drillpipe): gồm các cần đơn nối

trực tiếp với nhau bằng chính các đầu nối cần

Bộ dụng cụ đáy BHA bao gồm:

Trang 30

Phân loại dựa vào mức độ mòn

Cần mới: không mòn (đánh dấu bằng một vòng sơn màu trắng).

Cần loại 1 (premium): cần bị mòn đều, chiều dày thành ống còn lại 85

% (đánh dấu bằng hai vòng sơn màu trắng)

Cần loại 2: một cạnh mòn với chiều dày thành ống còn lại là 65%,

những phần khác bị mòn với chiều dày thành ống còn lại 80% (đánh dấu bằng một vòng sơn màu vàng)

Cần loại 3: chiều dày thành ống chỉ còn lại 55% ở một cạnh (đánh dấu

bằng một vòng sơn màu xanh da trời)

Trang 31

CẦN KHOAN

nối (tool joint) Đầu nối có loại ren ngoài (đầu đực) và ren trong (đầu

cái) Đầu nối có chiều dày lớn hơn phần thân cần khoan để tăng độ bền của mối nối Phần dày hơn này gọi là phần chồn

Kiểu chồn hỗn hợp IEU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn

đường kính ngoài của thân cần khoan nhưng đường kính trong của đầu nối thì nhỏ hơn đường kính trong của cần khoan

Kiểu chồn trong IU: đường kính trong của đầu nối nhỏ hơn đường

kính trong của thân cần và đường kính ngoài của đầu nối bằng đường kính ngoài của cần khoan

Kiểu chồn ngoài EU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường

kính ngoài của thân cần khoan còn đường kính trong đầu nối bằng đường kính trong của cần khoan

CẦN KHOAN

Trang 32

CẦN KHOAN

CẦN KHOAN THÀNH DÀY

nhằm tăng độ cứng và giảm hiện tượng

mỏi do chênh lệch độ cứng giữa cần

khoan và cần nặng

Cung cấp tải trọng cho choòng để phá hủy

đất đá

khoan qua những đoạn giếng bị gập

khoan

Trang 33

Giảm nguy cơ gây sự cố.

Dựa theo kiểu cánh và nguyên lý hoạt động của dụng cụ ổn định,

người ta phân biệt: cánh quay và cánh cố định

Trang 34

BÚA ĐẬP THỦY LỰC (JARS)

hướng xuống lớn gấp nhiều lần lực tác dụng để giải phóng bộ khoan

cụ trong trường hợp bị kẹt

Búa hoạt động theo nguyên lý cơ học hoặc thủy lực hoặc phối hợp giữa cơ học - thủy lực

ỐNG GIẢM XÓC (SHOCK SUB)

Ống giảm xóc được lắp phía trên choòng khoan nhằm

mục đích hấp thụ toàn bộ hoặc làm giảm bớt những dao động dọc trục do choòng gây ra khi khoan trong đá cứng.

Thành phần chính của ống giảm xóc là lò xo thép cứng hoặc các đệm cao su.

Trang 35

Kiểm tra các điều kiện bền tĩnh và độ bền mỏi

Điều kiện khoan thực tế khác với những dữ liệu thiết kế

Bộ khoan cụ thiết kế bị thay đổi trong quá trình thi công

Phân tích sự cố.

THIẾT KẾ BỘ KHOAN CỤ

Kiểm toán về độ bền, cần xác định các thông số sau:

Tải trọng dọc trục do lực kéo của ống

Ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương ứng với tải trọng làm việc

Trang 36

Choòng liền khối

Choòng lấy mẫu

Choòng doa

Trang 37

PHÂN LOẠI CHUNG

Phân loại theo tiêu chí:

Cấu tạo: cánh dẹt (đuôi cá), chóp xoay, liền khối.

Đặc tính phá hủy đất đá: cắt, đập, thủy lực.

Công dụng: phá mẫu, lấy mẫu, đặc biệt (doa, phá, cứu sự cố).

Vật liệu chế tạo răng hoặc hạt cắt: răng phay, răng đính, kim cương.

Theo đặc tính phá hủy đất đá, choòng khoan được phân loại theo 03 nhóm:

Nguyên lý cắt - tách

Nguyên lý đập - tách

Nguyên lý cắt - mài

CÁC LOẠI CHOÒNG KHOAN

Trang 38

1924, choòng chóp xoay tự rửa sạch ra đời và

năm 1930 choòng ba chóp xoay răng phay được

sử dụng

1949, các hạt cắt bằng cacbit vônfram được chế

tạo và choòng răng đính bằng cacbít vônfram bắt

đầu được chế tạo

CẤU TẠO

Thân choòng: bằng thép đặc biệt, chịu được tải trọng, lực va đập và

mômen xoắn

Chóp xoay: chóp nhọn bằng thép.

Răng choòng: răng phay hoặc răng đính

Đảm nhận vai trò cắt, nạo hoặc đục đất đá

Răng đính có các hình dạng chính:

• Quả trứng, đầu đạn

• Hình chóp; lưỡi đục kiểu: super scoop, scoop, hai mép vát

Trang 39

CẤU TẠO

Ổ trục: có rãnh để lắp các ổ bi (bi cầu, bi đũa)

Ổ đỡ hở: bôi trơn bằng dung dịch khoan

Ổ đỡ kín: bôi trơn bằng dầu

Ổ ma sát: một ổ đỡ khớp với mặt doa trong của chóp.

Vòi phun thủy lực: được chế tạo bằng thép hay gốm đặc biệt

Răng đầu nối choòng: dạng hình tam giác hoặc hình thang

CẤU TẠO

Trang 41

PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN

Theo IADC (1987), mã hiệu là một dãy bốn ký tự gồm ba chữ số và

A: choòng có ổ đỡ trơn, thích hợp cho khoan thổi khí

C: Choòng thủy lực với vòi phun ở tâm

E: Choòng thủy lực với vòi phun kéo dài

J: Choòng thủy lực có vòi phun nghiêng

trong điều kiện va đập

S: Choòng răng thép tiêu chuẩn

X: Choòng gắn răng dạng lưỡi cắt

Z: Choòng gắn răng có dạng khác với lưỡi cắt và hình côn

Trang 42

PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN

Ví dụ

637Y Thành hệ cứng trung bình; răng đính; ổ ma sát

có bảo vệ; răng dạng hình côn

135M Thành hệ mềm

Răng phay;

Đĩa bảo vệ chóp xoay

447X Thành hệ mềm; răng đính;

ổ ma sát có bảo vệ; răng dạng lưỡi cắt

T1: mòn 1/8 chiều cao răng

Trang 43

I (in gauge): choòng mới (G1)

Trang 44

CHOÒNG LIỀN KHỐI

Lịch sử phát triển

đất đá

1990, các choòng khoan kim cương đa tinh thể thế hệ mới ra đời Sau

đó xuất hiện choòng hai tâm (bi-center) để khoan giếng ngang

CHOÒNG KIM CƯƠNG

Là choòng liền khối (không có các chóp xoay) với răng cắt là các hạt kim cương (tự nhiên hoặc nhân tạo) gắn cố định vào thân và các mặt bên thân choòng được chế tạo bằng các hợp kim cứng

Mặt cắt dọc theo thân choòng có ba dạng: dạng tròn, dạnh hình côn ngắn và dạng hình côn dài

Có ba loại chủ yếu:

Choòng kim cương đa tinh thể PDC (ổn định nhiệt ở 750 0C)

Choòng kim cương đa tinh thể bền nhiệt TSP (ổn định nhiệt ở

1200 0C)

Cơ chế phá hủy đất đá là mài nạo và đập – nghiền

Trang 45

MỘT SỐ LOẠI CHOÒNG KHOAN KIM CƯƠNG

Choòng kim cương

tự nhiên

Choòng kim cương nhân tạo

Choòng TSP

PHÂN LOẠI CHOÒNG KIM CƯƠNG

Theo IADC, choòng kim cương cũng được ký hiệu bằng bốn ký tự.

Ký tự đầu tiên qui định loại răng (hạt) cắt và vật liệu thân choòng:

• D: kim cương tự nhiên, thân hợp kim

• M: PDC, thân hợp kim

• S: PDC, thân thép

• T: TSP, thân hợp kim

• O: loại khác

Ký tự thứ hai qui định loại và hình dạng chung của choòng (số 1-9)

Ký hiệu thứ ba qui định về chế độ thủy lực của choòng

Ký hiệu thứ tư (số 1-9) xác định kích thước các lưỡi cắt và mật độ

của chúng trên choòng

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	6,33 MB