SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHOAN TRỤC VÍT TRONG CÔNG TÁC KHOAN DẦU KHÍ TẠI XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH VIETSOVPETRO

Dầu khí là một ngành công nghiệp lớn trên thế giới. Công nghiệp dầu khí Việt Nam tuy phát triển chưa lâu nhưng đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, đóng góp tỉ trọng GDP cao so với các ngành khác và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn đưa đất nước ta tiến lên con đường công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước.

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

BP, BPH, Mobil, Schlumbeger, Halliburton….đưa nền công nghiệp dầu khíViệt Nam lên tầm cao mới

Công nghệ khoan là một bộ phận quan trọng của ngành công nghiệpDầu khí Việc lựa chọn phương pháp khoan sao cho phù hợp với từng giếngkhoan cụ thể là vấn đề đáng quan tâm Cho đến nay Xí nghiệp liên doanhVietsopetro đã đưa vào sử dụng loại động cơ khoan trục vít thay thế cho tuabin khoan để khoan định hướng Ngoài ra còn thay thế cả khoan rotor và cùngkết hợp với khoan rotor để mang lại hiệu quả cao trong khi khoan Tuy bướcđầu sử dụng loại động cơ này chưa có nhiều kinh nghiệm do đó trong quátrình vận hành đã xảy ra nhiều sự cố hỏng hóc Đặc biệt là khi khoan trong đất

đá cứng cần phải tăng tải trọng chiều trục làm cho động cơ không quay đượcnhưng người điều khiển không biết để điều chỉnh kịp thời dẫn đến làm hỏngđộng cơ Vì thế hạn chế năng suất khoan và tuổi thọ động cơ khoan trục vít

Vì thế cần nhanh chóng nghiên cứu tìm ra biện pháp để nâng cao hiệu quả sửdụng là yêu cầu cần thiết thực

Sinh viªn: Hoµng V¨n Biªn Líp: ThiÕt bÞ DÇu khÝ - K50 1

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

Là sinh viên thuộc bộ môn Thiết bị Dầu khí và Công trình, khoa DầuKhí, trường Đại Học Mỏ - Địa Chất Hà Nội sau một thời gian học tập vànghiên cứu tại trường cũng như được thực tập tại Xí nghiệp khoan và sửagiếng của Vietsopetro, được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Trần Văn Bản

em quyết định chọn đề tài:

“SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHOAN TRỤC VÍT TRONG CÔNG TÁC KHOAN DẦU KHÍ TẠI XÍ NGHIỆP LIÊN DOANH VIETSOVPETRO”

Chuyên đề :

“ỨNG DỤNG KHOAN ĐỘNG CƠ TRỤC VÍT NATIONAL

OILWELL962, 4: 5 LOBE 4 STAGE TRONG GIẾNG KHOAN 10009

-BK10 – TAM ĐẢO”

Nhiệm vụ của đề tài, trước hết là tìm hiểu sơ bộ về các phương phápkhoan Dầu khí và sau đó là nghiên cứu lịch sử ra đời, cấu tạo, nguyên lý hoạtđộng của động cơ khoan trục vít Ngoài ra nêu lên các thông số kỹ thuật củađộng cơ khoan trục vít, quy trình sử dụng động cơ khoan trục vít và ứng dụngkhoan bằng động cơ trục vít trong các giếng khoan tại xí nghiệp liên doanhVietsovpetro

Cấu trúc đề tài bao gồm phần mở đầu, 5 chương nội dung, phần kếtluận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 92 trang với 7 bảng biểu, 26hình vẽ Đề tài được hoàn thành trường Đại học Mỏ - Địa Chất dưới sự hướngdẫn của thầy Trần Văn Bản – Bộ môn Thiết bị Dầu khí và Công trình

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành tớithầy giáo Trần Văn Bản – Bộ môn Thiết bị Dầu khí, chú Bùi Văn Tính cùngcác anh chị - Phòng khoan xiên, anh Nguyễn Thanh Hải và các cô chú –Xưởng Tuabin thuộc xí nghiệp khoan và sửa giếng của Vietsopetro, các thầy

cô giáo trong bộ môn Thiết bị Dầu khí và Công trình, bộ môn Khoan Khaithác, bộ môn Cơ khí, bộ môn Máy Thiết bị Mỏ trường Đại Học Mỏ - Địa

Sinh viªn: Hoµng V¨n Biªn Líp: ThiÕt bÞ DÇu khÝ - K50 2

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

Chất Hà Nội cùng toàn thể các bạn sinh viên đã giúp đỡ tác giả hoàn thành tốt

đề tài này

Trong quá trình làm đề tài, do mức độ tìm hiểu mới ở dạng nguyên lí,tài liệu cũng còn hạn chế và chưa được trực tiếp sử dụng trong thực tế nên đềtài còn nhiều thiếu sót Rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạnđồng nghiệp

Mọi ý kiến đóng góp xin vui lòng liên hệ theo chỉ sau :

Mail : hoangbien.tbdk.humg@gmail.com

Phone : (84) + 974 350 300

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 06 năm 2010

Sinh viên thực hiện

Hoàng Văn Biên

Sinh viªn: Hoµng V¨n Biªn Líp: ThiÕt bÞ DÇu khÝ - K50 3

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN

TRONG KHOAN DẦU KHÍ.

Trong công tác khoan dầu khí thiết bị quay dùng để truyền độngchuyển động quay cho choòng khoan Nó được chia làm 2 loại chính :

- Chuyển động quay truyền trực tiếp từ trên bề mặt xuống choòng khoanthông qua cột cần khoan

- Chuyển động truyền cho choòng khoan thông qua động cơ đáy

Tùy theo phương pháp khoan và yêu cầu kỹ thuật mà sử dụng thiết bịkhoan quay sao cho phù hợp Hiện nay trong công tác khoan dầu khí thường

sử dung các loại thiết bị quay như: bàn rotor, đầu quay di động, tuabin khoan,động cơ khoan trục vít để truyền chuyển động cho choòng khoan trong quátrình phá hủy đất đá

1.1 Phương pháp khoan rotor.

1.1.1 Bàn roto (Rotary table)

Khoan rotor là phương pháp khoan truyền thống đã được sử dụng từ rấtlâu và có lẽ trong tương lai nó vẫn được sử dụng vì khó có một phương phápnào có thể thay thế hoàn toàn khoan rotor với những ưu điểm riêng biệt.Trong phương pháp khoan rotor sử dụng bàn rotor để quay cột cần khoan.Bàn rotor được dùng để quay cột cần khoan Làm bệ tì để giữ cột cần, ốngchống khi kéo thả và rất nhiều công tác phụ khác Do vậy cấu tạo của bànrotor phải phù hợp để vừa quay được cột cần với tốc độ nhất định và bền chắc

để có thể giữ được cột cần khoan nặng nhất Đường kính của lỗ rotor phải đủlớn để cho phép đường kính lớn nhất của cột ống Thân của bàn rotor tiếpnhận toàn bộ tải trọng và truyền cho nền móng Trong thân của rotor có chứadầu bôi trơn

Sinh viªn: Hoµng V¨n Biªn Líp: ThiÕt bÞ DÇu khÝ - K50 4

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

Đầu trục của rotor có thể lắp then với đĩa xích, hoặc với khớp trục cácđăng Rotor quay trên các ổ bi có thể hãm chặt rotor bằng then hoặc bằng cơcấu hãm Khi truyền chuyển động quay của rotor cho tời, tốc độ của rotorđược thay đổi bằng hộp số tời hoặc bằng cách thay đổi đĩa xích Để rotor làmviệc độc lập với tời và điều khiển tốc độ trong một giới hạn rộng người ta chorotor nhận chuyển động riêng biệt

Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rotortrong đó đặt ống lỗ vuông để treo bộ khoan cụ nhờ các cơ cấu chèn và làmquay đầu vuông dẫn khi khoan Kích thước lỗ này có thể là : 17”, 20” , 27”,

- Giữ và kẹp chặt bộ cần khoan, ống chống trong thiết bị khoan

- Tháo và vặn ren của bộ cần khoan

Sinh viªn: Hoµng V¨n Biªn Líp: ThiÕt bÞ DÇu khÝ - K50 5

§å ¸n tèt nghiÖp Trêng §¹i Häc Má §Þa ChÊt

1.1.2 Đầu quay di động (Topdriver)

Đầu quay di động là bộ phận có chức năng tương tự như bàn rotor truyềnchuyển động quay cho bộ khoan cụ Đầu quay di động được dẫn động đượcdẫn động bằng động cơ thủy lực hoặc động cơ điện Nó truyền chuyển độngquay cho cột cần khoan mà không cần thông qua cần chủ đạo Là loại thiết bịquay mà trong quá trình làm việc nó có thể chuyển động tịnh tiến lên xuốngnhờ cơ cấu thủy lực hoặc cơ cấu xích Để có công suất lớn và độ ổn địnhthường dùng đầu quay di động có 2 động cơ lắp song song cùng độ cao chốngsập lở qua các vùng đất đá mềm và mở rộng góc khi khoan ngang, khoanxiên Đầu quay di động có một số ưu nhược điểm sau

Ưu điểm :

- Không phải dùng cần chủ đạo việc tiếp cần nhanh thuận lợi

- Có thể tháo lắp bộ dụng cụ khoan ở mọi độ cao

- Tiếp cần được bằng cần dựng

- Trong quá trình lấy mẫu thu được mẫu chất lượng cao

- Giảm tổn hao năng lượng và khống chế được mômen trong quá trìnhkhoan

- Thực hiện khoan và chống ống đồng thời trong đất đá mềm rời rất tiệnlợi

- Doa và đặc biệt hơn là doa ngược rất linh hoạt

- Dễ định hướng động cơ đáy trong lúc khoan xiên

- Vận hành thuận tiện, độ an toàn cao

Nhược điểm :

- Lắp thêm hệ thống dẫn hướng trên tháp làm tăng khối lượng thiết bịtrên cao

- Phải có kết cấu hệ thống ống chống vì có lực xoắn phụ

- Phải tăng chiều cao của tháp khoan vì đầu quay di động lớn hơn đầuquay thủy lực

- Giá thành thiết bị cao và yêu cầu trong công tác bảo dưỡng nhiều hơn

so với khoan rotor

Hình 1.2 : Hệ thống đầu quay di động.

1: Quạt gió mô tơ 4: Ống dẫn dung dịch 7: Dung dịch vào cần2: Ống dẫn khí làm mát 5: Nắp chắn 8: Hộp truyền và ổ hướng 3: Quang treo 6: Hãm thủy lực trục chính

9: Cần chuyển tiếp

1.2 Phương pháp khoan tuabin.

1.2.1 Tuabin khoan (Turbine motor)

Trong phương pháp khoan bằng động cơ đáy động cơ truyền chuyểnđộng cho choòng có thể là tuabin khoan, khoan trục vít Động cơ này lắp ngaytrên choòng khoan Trong quá trình khoan bằng động cơ đáy cột cần khoankhông quay tạo điều kiện làm việc nhẹ nhàng cho chúng

So với khoan rotor tuabin khoan có một số ưu điểm sau :

- Trong khoan tuabin cột cần khoan không quay Do đó trong quá trìnhlàm việc cột cần khoan chịu tải nhẹ hơn Hiện tượng mỏi sinh ra do tải trọngđặc biệt là ứng suất uốn sẽ có giá tri nhỏ hay bị triệt tiêu dẫn đến sự cố về đứtcần khoan ít hơn

- Cột cần khoan không quay sẽ giảm được sự mài mòn cho các bộ phậncủa cột cần khoan và các chi tiết quay trên bề mặt

- Sử dụng tuabin để khoan định hướng dễ hơn và năng suất hơn

Tuy nhiên vẫn có một số nhược điểm sau :

- Đặc tính làm việc của tuabin làm việc với số vòng quay lớn nên cầnphải sử dụng những loại choòng có khả năng chịu được những vòng quay nhưthế Đối với choòng chóp xoay chúng làm việc với tải trọng lớn và số vònggiảm Do đó loại choòng này không thỏa mãn khi khoan tuabin Thời gianlàm việc bị rút ngắn do sự mài mòn nhanh nhất là ổ tựa

- Ở một số đất dẻo đòi hỏi phải mômen phá lớn rất nhiều loại tuabinthông thường không đạt được những yêu cầu này

- Vùng làm việc ổn định của số vòng quay ở tuabin hẹp Nếu vượt quágiới hạn này có thể dẫn đến tuabin ngừng quay

- Trong khoan tuabin công suất thủy lực của máy bơm lớn hơn rất nhiều

so với khoan rotor Trong khoan rotor công suất thủy lực của bơm chủ yếu làtiêu thụ trong hệ thống tuần hoàn dung dịch Nhưng trong khoan tuabin ngoàithành phần công suất bơm còn cung cấp cho tuabin và cho choòng phá đáy

Do đó đòi hỏi những thiết bị bơm có công suất lớn và còn sử dụng những

thành phần hệ thống tuần hoàn đảm bảo an toàn trong điều kiện làm việc ápsuất lớn của tuabin Thông thường khả năng làm việc của bơm giới hạn chiềusâu làm việc của tuabin

- Những chỉ tiêu cho việc bảo dưỡng, bảo quản sửa chữa tuabin đưa đếngiá thành tăng khi khoan tuabin

Hình 1.3 : Tuabin khoan

Tua bin khoan gồm nhiều tầng giống nhau mỗi tầng có hai phần rotor vàstator Trên đó gồm các cánh cong thủy lực có chiều uốn cong ngược nhausao cho khi làm việc cánh cong của stator hướng dòng chất lỏng đổ vào cánhcong của rotor làm cho rotor quay Rotor quay truyền chuyển động cho chochoòng phá hủy đáy giếng khoan

Tua bin khoan làm việc theo nguyên lý: Dòng chất lỏng từ máy bơmchuyển động dọc theo cột cần khoan đi vào tuabin đập lên các cánh của stator.Trên cánh tuabin năng lượng dòng nước rửa được chuyển hóa thành cơ năngquay trục tuabin dẫn động cho choòng khoan để phá hủy đất đá Như vậy việctrao đổi năng lượng giữa tuabin và chất lỏng được thực hiện bằng năng lượngthủy động của dòng chảy chất lỏng qua tuabin Nếu không kể tới tổn thất thì

chênh lệch năng lượng thủy động của dòng chảy đầu vào và đầu ra của bánhcông tác chính bằng cơ năng mà bánh công tác nhận được từ dòng chất lỏng Tuabin khoan gồm các loại :

- Tuabin khoan một tầng là tuabin có một tập hợp tầng cánh số tầng cánhcong của một tập hợp tầng cánh từ 89 đến 121 tầng Đây là loại tuabin có tốc

độ trung bình nằm trong khoảng 545 đến 660 vòng/phút

- Tuabin khoan nhiều tầng là tuabin có tập hợp tầng cánh, số tầng cánhcong của các tập hợp tầng cánh từ 239 đến 318 tầng Đây là loại tuabin có tốc

độ thấp nằm trong khoảng 355 đến 505 vòng/phút

- Tuabin khoan ngắn là loại tuabin có số tầng cánh cong ít nằm trongkhoảng 30 đến 60 tầng Đây là loại tuabin tốc độ cao nằm trong khoảng 780đến 1110 vòng/phút

- Tuabin khối lượng nhỏ là tuabin có chiều dài không lớn nhưng số tầngcánh cong tương đương như tuabin nhiều tầng từ 180 đến 330 tầng, tốc độvòng quay từ 464 đến 645 vòng/phút

- Tuabin cong là loại mà sử dụng để khoan định hướng giếng khoan.Tuabin này có số tầng cánh cong từ 95 đến 109 tầng tốc độ vòng quay từ 660đến 670 vòng/phút

1.2.2 Động cơ trục vít ( Positive Displacement Motor ).

Động cơ khoan trục vít là loại động cơ đáy được sử dụng trong công táckhoan dầu khí đặc biệt là trong công tác khoan định hướng Động cơ khoantrục vít được phân làm ba loại theo tốc độ: tốc độ thấp, tốc độ cao, tốc độtrung bình Tùy theo yêu cầu khoan mà có thể chọn theo từng loại cho phùhợp Hiện nay động cơ khoan trục vít được được sản xuất đa dạng về chủngloại cho phép lựa chọn tốc độ và mômen quay trong khoảng rộng

Hình 1.4 : Động cơ khoan trục vít.

Phân loại các loại động cơ trục vít theo tốc độ

- Loại động cơ trục vít tốc độ thấp: Đây là loại động cơ khoan có mômenquay lớn tốc độ quay thấp để sử dụng để khoan cắt xiên giếng khoan, giếngkhoan theo dõi và kể cả khoan ngang Đến nay động cơ khoan trục vít cũngđáp ứng được yêu cầu khoan cần có mômen lớn như: tăng đường kính giếngkhoan, mở rộng thân giếng khoan bên dưới ống chống, cắt ống chống, lấymẫu lõi, mở rộng giếng khoan sau khi cắt xiên Loại tốc độ thấp bao gồm cácloại có cấu tạo có cấu hình của rotor và stator như : 8/9, 9/10

- Loại động cơ khoan trục vít tốc độ trung bình: Đây là loại động cơ cótốc độ quay và mômen trung bình dùng để nâng cao tốc độ cơ học khoan khiduy trì thời gian làm việc dài của choòng Loại động cơ này được ứng dụngtrong những giếng khoan thẳng đứng, giếng khoan có độ lệch đáy lớn, khoanlấy mẫu và điều chỉnh thân giếng khoan Loại tốc độ trung bình bao gồm cácloại có cấu tạo có cấu hình của rotor và stator như : 4/5, 5/6, 7/8

- Loại động cơ trục vít tốc độ cao : là loại có mômen thấp tốc độ quaycao được ứng dụng để khoan nắn và cắt xiên giếng khoan Trong những điềukiện trên có thể lựa chọn chính xác phương của thân giếng khoan, góc lệchquy định khi tải trọng tác dụng lên choòng thấp Ngoài ra động cơ khoan trục

vít tốc độ cao có thể dùng để khoan nắn giếng khoan thẳng đứng, khoan lấymẫu và sửa giếng

Động cơ khoan trục vít làm việc trên nguyên lý truyền động thủy tĩnhbằng hình thức thay thế thể tích chất lỏng Điều này khác hẳn so với tuabinkhoan vì tuabin khoan làm việc theo nguyên lý truyền động thủy động

Từ đó động cơ khoan trục vít có một số đặc thù sau :

- Kết cấu đơn giản nhỏ gọn chế tạo đơn giản so với tuabin khoan

- Chắc chắn làm việc độ tin cậy cao

- Hiệu suất thủy lực cao lớn hơn 70%

- Khi làm việc sinh ra lực dọc trục không lớn

- Yêu cầu áp suất và lưu lượng đầu vào vừa phải tương đương với áp suất

và lưu lượng khoan rotor

- Thông số đầu vào là áp suất và lưu lượng có thể thay đổi trong khoảngrộng

- Mômen quay không phụ thuộc vào lưu lượng

- Có thể kiểm tra tải trọng động cơ theo sự giảm áp chế độ bơm

- Có độ bền tương đối cao khi chất lỏng chứa các tạp chất và không cótính bôi trơn

Với những đặc điểm trên cùng với kết quả thực tế sử dụng, hiện nayđộng cơ này đã thay thế toàn bộ tuabin khoan và trong tương lai cùng vớirotor khoan là hai loại động cơ chủ đạo trong công nghiệp dầu khí

Bắt đầu từ những năm 30 của thế kỷ trước, song song với phương phápkhoan rotor còn áp dụng các phương pháp khoan khác trong đó có phươngpháp khoan bằng động cơ đáy

Năm 1923 kỹ sư Liên xô Kapenciusnhikov đã đề nghị dùng động cơchìm để quay choòng khoan Năm 1924 tuabin khoan của Kapenciusnhikov

đã được sử dụng để khoan giếng khoan đầu tiên trên thế giới Tuabin này chỉ

có một tầng có hộp giảm tốc Nó không được sử dụng rộng rãi vì trong tuabinmột tầng chất lỏng chảy với tốc độ cao Dòng chảy với tốc độ cao mang theocác hạt cát làm cho cánh tuabin rất nhanh bị mài mòn

Năm 1934 kỹ sư Liên xô Kapenciusnhikov đã đề nghị dùng kiểu tuabinmới gồm nhiều tầng Trong tuabin khoan có tới 100 đến 150 tầng, cho phéptăng công suất lên 10 đến 20 lần, giảm tốc độ vòng quay xuống nhờ vậy màkhông cần hộp giảm tốc Tốc độ chảy của nước rửa giảm nên cánh ít bị màimòn hơn

Từ năm 1940 – 1941 ở BaCu tuabin khoan trong thực tế Năm 1944tuabin bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các giếng khoan dầu khí Sauchiến tranh thế giới thứ 2 tuabin khoan là một trong những phương phápkhoan chủ yếu ở Liên xô

Tuy vậy đặc điểm của khoan tuabin khoan nhiều tầng không có bộ phậngiảm tốc sẽ không cho phép khoan với vận tốc bé hơn 400 đến 500 vòng/phút Do đó sẽ không đảm bảo mômen quay cần thiết và yêu cầu công suấtcủa máy bơm lớn

Qua nghiên cứu và thực tế khoan cho thấy rằng động cơ khoan thủy lựcchìm đáp ứng yêu cầu của choòng khoan mới điều này tuabin khoan khôngđáp ứng được vì tổn thất thủy lực ở độ sâu lớn tăng Để đáp ứng yêu cầu đócần chuyển đổi từ máy thủy động lực kiểu tuabin sang máy thể tích động cơkhoan trục vít

Việc chế tạo động cơ khoan trục vít được tiến hành từ năm 1960 Năm

1964 ở Liên xô cũ đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo động cơ khoan trục vít Năm

1966 ở Mỹ chế tạo và thử nghiệm loại động cơ này sau đó 2 năm loại động cơnày được ứng dụng vào thực tế sản xuất Từ đó loại động cơ khoan trục vítđược phát triển và sử dụng rộng rãi trong giếng khoan thẳng dưng và khoanxiên.

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hãng sản xuất động cơ khoan trục vítnhư Anadrill, Baker Huges, Blackmax, Sperry sun, National oilwellverco….và nhiều hãng khác với nhiều chủng loại khác nhau đường kính từ1,68 đến 11,25 inch số đầu mối ren từ 1/2 đến 9/10 góc chỉnh cong từ 00 đến

30

Đối với xí nghiệp liên doanh Dầu khí Vietsopetro đầu những năm 1990 đãđưa vào khoan thử nghiệm loại động cơ khoan trục vít Đến năm 1997 chínhthức sử dụng động cơ khoan trục vít để khoan một số giếng khoan Trongnhững năm đầu sử dụng động cơ khoan trục vít trong công tác khoan địnhhướng giếng khoan Với tính năng và hiệu quả đạt được đến những năm đầuthế kỷ 20 XNLD Dầu khí Vietsopetro đã sử dụng loại động cơ này để khoan

cả những giếng khoan thẳng đứng trong các địa tầng khác nhau Hiện nay tạiXNLD Dầu khí Vietsopetro đã sử dụng động cơ khoan trục vít để thay thếhoàn toàn động cơ tuabin khoan và một phần khoan rotor chủ yếu của cáchãng Anadrill, Blackmax, National oilwell và đang dùng phổ biến động cơcủa hãng National oilwell

2.2 Cấu tạo động cơ trục vít.

Cấu tạo của động cơ khoan trục vít gồm các bộ phận sau:

Hình 2.1: Cấu tạo động cơ trục vít.

Hình 2.2 : Sơ đồ tổng thể động cơ khoan trục vít

2.2.1.Van thông ( Dump valve ).

Hình vẽ 2.3 : Van thông

Là bộ phân trên cùng của động cơ được nối trực tiếp với cần khoan nằmphía trên bộ phận công tác Cấu tạo van thông bao gồm: Ngoài cùng là thânchính của van phía trên cùng lắp với khoan cụ bởi ren cái, đầu dưới là ren đựcnối với thân của động cơ Trên thân van có 8 lỗ thoát dung dịch trên thân vanđược lắp các chi tiết theo trình tự từ dưới lên trên như sau: ống hãm bên dưới

- lò xo nén giữa piston và ống hãm - piston

Tác dụng chính của van thông (Dump valve) là thông dung dịch khoangiữa khoảng không vành xuyến và bên trong cột cần khoan trong quá trìnhkéo thả Bình thường trong lúc kéo thả bộ khoan cụ mở thông giữa giữa bêntrong và bên ngoài cần, cho phép dung dịch khoan có thể ra hoặc vào trongcần một cách tự do đảm bảo cân bằng áp suất bên trong và bên ngoài cần Khi bắt đầu quá trình làm việc bơm dung dịch tới một giá trị làm việc của van(giá trị này phụ thuộc vào mỗi loại động cơ do nhà sản suất thiết lập) khi đó

áp lực của dòng dung dịch cụm pistong bên trong van thông sẽ bị ép xuống vàbịt kín 8 lỗ thông giữa bên trong và bên ngoài cần khoan dẫn dòng dung dịchqua động cơ khi đó động cơ bắt đầu làm việc Khi ngừng bơm piston sẽ tựđộng được đẩy lên dưới lực đàn hồi của lò xo khi đó trong và ngoài cần đượcthông với nhau qua lỗ thoát Chính sự thông giữa trong và ngoài cần giúp choquá trình kéo cần không bị piston hóa

2.2.2 Phần công tác tạo công suất (Power section)

Hình 2.4 : Phần công tác tạo công suất.

Bộ phận công tác thực hiện việc chuyển hóa thủy năng của dòng dungdịch khoan thành cơ năng làm quay choòng khoan Để tạo nên chuyển độngcần có phải có một thể tích chất lưu đi qua bộ phận công tác, tốc độ quaytrong động cơ trục vít tỉ lệ thuận với lưu lượng dòng dung dịch bơm xuống.Giảm áp qua bộ phận này càng lớn thì mômen tạo ra của động cơ càng lớnPhần công tác cấu tạo bởi 2 phần chính : stator và rotor.

Hình 2.5 : Mặt cắt ngang roto và stator động cơ trục vít

- Stator là phần vỏ ngoài của động cơ, mặt trong được phủ lớp cao su đặcbiệt chịu được sự mài mòn cơ học, chịu được nhiệt độ cao, chịu va đập và môi

trường dầu mỡ Bề mặt cao su được đúc chia làm nhiều múi tùy theo cấu tạocủa động cơ và có dạng xoắn Stator có hình dạng xoắn vít như roto nhưngchiều ngược lại

- Rotor là trục xoắn được chế tạo bằng hợp kim chịu mài mòn bề mặtngoài được mạ crom-niken dầy 2-3mm để giảm ma sát trong khi quay và chịu

sự mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học Dọc theo đường tâm của roto có lỗthông suốt chạy dọc theo chiều dài của roto Đường rỗng thông suốt có tácdụng giảm trọng lượng của rotor Thường trong khi khoan đường này đượcbịt kín không cho dung dịch khoan chảy qua tránh công suất động cơ giảmsút Trong trường hợp với mục đích tăng cường lưu lượng của dòng dung dịchkhoan để làm sạch đáy giếng mà không tăng công suất của động cơ Đườngnày dẫn dung dịch khoan trong trường hợp có sử dụng bộ tiết lưu còn đầudưới nắp với trục các đăng

Rotor và stator đều có các rãnh xoắn giống nhau về chiều xoắn hình dạngxoắn nhưng có bước xoắn khác nhau theo một tỷ lệ nhất định Rotor có ít hơnstator một đầu rãnh xoắn, chính nhờ đó tạo khoảng không dẫn hở cho dòngdung dịch đi qua bộ phận công tác làm cho động cơ hoạt động Tùy theo mụcđích sử dụng mà rotor có cấu tạo từ 1 đến 9 đầu rãnh xoắn tương ứng vớistator gồm 2 đến 10 đầu rãnh xoắn

Tỉ lệ số rãnh của stator và số rãnh roto phụ thuộc vào đặc tính từng loạiđộng cơ Ứng với loại động cơ thì có tỉ số này khác nhau

+ số rãnh xoắn (lobe) càng lớn thì tốc độ quay rotor càng nhỏ nhưng mômencàng lớn.

+ Chiều dài trên một bước xoắn ( stages) càng lớn thì mômen càng lớn nhưngphải khống chế hợp lý vì công nghệ chế tạo và áp suất bơm cho động cơ hoạtđộng

2.2.3 Khớp nối cong (Adjustable housing)

Hình 2.6 : Khớp nối cong

Nó cho phép liên kết hai phần với nhau đồng thời cũng tạo ra độ nghiêngtrục tâm ảo của 2 phần này Cũng đồng nghĩa là tạo ra được góc nghiêng chođộng cơ khi khoan xiên

Cấu tạo chi tiết của cụm khớp nối cong bao gồm :

- Đầu nối chuyển tiếp stator (stator adapter) là đầu nối chuyển tiếp củastator với vỏ ống lệch (offset housing) thông qua trục (spined mandrel) vàvòng điều chỉnh (adjusting ring) cùng với 2 chi tiết này định vị góc nghiêngcho động cơ

- Vỏ ống lệch là thân vỏ nối giữa vỏ của trục chính với cụm vỏ điềuchỉnh cong (adjusting bent housing) đầu trên nối với trục then và đầu nốichuyển tiếp stator (stator adapter) định vị góc nghiêng của động cơ Ngoài racòn có các răng chấu ăn khớp với vòng điều chỉnh trong khi đặt góc nghiêngcủa động cơ Tại đầu trên của răng chấu này có đặc điểm: bên ngoài thân vỏ

có chia thang góc nghiêng theo các cấp độ khác nhau dùng để đặt góc nghiêngcho người sử dụng, thang này ứng với thang chia nằm trên mặt ngoài điềuchỉnh và bề mặt được phay nghiêng so với đường tâm trục đầu nối

- Vòng điều chỉnh (Adjusting ring) có thể hiểu đây là vòng đệm khi đầunối stator và vỏ ống lệch được nối với nhau thông qua bulông ống.Trên thânngoài của vòng điều chỉnh có một nửa bề mặt được gắn với hợp kim cứngnhằm mục đích chống mài mòn trong quá trình làm việc vì điểm này luôn làmặt lưng cong của động cơ Mặt bên trong của vòng điều chỉnh được phaythành nhiều rãnh then ăn khớp với các then trên của bề mặt bulông ống, giữabulông ống và vòng điều chỉnh được lồng vào nhau thông qua các rãnh then.Trên bề mặt tiêp xúc với vỏ lệch của vòng điều khiển cũng được gia côngnghiêng và có răng chấu tương ứng ăn khớp với răng của vỏ lệch trong khiđặt góc nghiêng của động cơ

- Bulông ống (splined mandrel) có ren hai đầu, trên thân ngoài ở phầngiữa có phay rãnh then để ăn khớp với vòng điều chỉnh tác dụng để liên kếttoàn bộ 3 chi tiết lại với nhau tạo độ cong cho động cơ

Khớp nối hiệu chỉnh của động cơ cho phép hiệu chỉnh góc lệch của động

cơ theo nấc thang sau :

00 – 0.390 – 0.730 – 1.150 – 1.830– 2.120 – 2.380 – 2.60 – 2.770 – 2.890 – 3.00

Động cơ khoan trục vít có thể điều chỉnh rãnh xoắn có thể điều chỉnh gócnghiêng từ 0 đến 3 độ.Việc điều chỉnh góc nghiêng này được thực hiện mộtcách dễ dàng Điều này cho phép thay đổi góc nghiêng của bộ khoan cụ mộtcách nhanh chóng theo yêu cầu của bộ phận khoan xiên mà không cần phảitốn nhiều động cơ khi góc nghiêng cố định.

2.2.4 Trục các đăng dẫn động.

Nhìn từ ngoài vào, trục các đăng được định vị bên trong được định vịbên trong một lớp vỏ nối liền giữa stator của động cơ với thân vỏ của trụcchính Trục dẫn động là một trụ đặc có đầu trên và dưới được chế tạo đặc biệt

để lắp hai đầu khớp chuyển động các đăng, trong khớp nối của trục các đăngđầu trục các đăng được gia công bằng 8 lỗ bán nguyệt dùng để định vị 8 viên

bi then truyền động Tại tâm của mỗi đầu trục có phay một lỗ dạng cối định vịcho cối đỡ của bi đỡ

Trục các đăng đầu trên nối với rotor đầu dưới nối với bộ phận chịu lực.Đây là bộ phận truyền chuyển động quay và mômen từ rotor tới trục chính.Đồng thời nó còn có nhiệm vụ khống chế chuyển động tịnh tiến của rotor vàkhử các dao động ngang lắc của rotor sinh ra vì trong quá trình làm việc rotorvừa quay vừa chuyển động tịnh tiến xuống phía dưới

Hình 2.7 : Trục các đăng dẫn động

1 Đầu nối bộ phận chịu lực

8 Trục

9 Đầu nối rotor10.Lỗ tra mỡ

2.2.5 Hệ thống ổ đỡ.

Cấu tạo của bộ phận chịu lực bao gồm các bộ phận:

- Phần vỏ: Được cấu thành bởi thân chính (bearing section) có nhiệm vụchứa toàn bộ ổ bi chặn và ống bạc đỡ Trên thân vỏ mặt ngoài có gia công rendùng để lắp định tâm khoan trong trường hợp cần thiết Đầu dưới thân vỏ cólắp đai ốc hãm (bearing nut) để định vị ổ bi và các chi tiết bên trong trụcchính

- Phần trục chính (driver shaft): Là một trục rỗng để cho dung dịchkhoan có thể đi xuống choòng khoan Đầu dưới có các bước ren tương ứngvới để lắp vào choòng khoan, đầu trên của trục có đai ốc hãm căn chỉnh vòng

bi bên trong và đầu nối liên kết với trục các đăng

Ngoài ra trên các đầu trục và vỏ trục chính đều có lắp các bộ làm kínngăn mùn khoan xâm nhập vào trong thân của vỏ trục Một số loại động cơ có

ổ trục được làm kín bên ngoài, phần bên trong được bơm mỡ để đẩy các vònglàm kín ra ngoài

Trục chính có nhiệm vụ truyền mômen quay của động cơ và tải trọng lênchoòng khoan đồng thời cũng tiếp nhận phản lực của tải khoan trong quá trìnhchoòng khoan thực hiện công tác phá hủy đất đá

Hình 2.8 : Hệ thống ổ bi

Trong quá trình làm việc hệ thống ổ bi chịu tác động phức tạp và lực lớnnhất Do vậy bộ phận bên trong được chế tạo từ thép có chất lượng cao phùhợp với nhiều loại dung dịch khoan có tính chất khác nhau, chế độ khoankhác nhau Các vòng bi chịu lực dọc trục có tác dụng hỗ trợ cho tải trọngchiều trục đặt lên choòng chịu tác động của va đập thủy lực trong quá trìnhtuần hoàn khi choòng khoan chưa chạm đáy giếng hoặc khi doa choòng

2.2.6 Định tâm trên động cơ

Định tâm trên thân động cơ có cấu tạo dạng ống Bên ngoài gồm cáccánh định tâm thường là cánh thẳng để giảm bớt ma sát với thành giếng Bêntrong được tiện ren phù hợp để lắp vào phần tiện ren trên thân động cơ tại vịtrí lắp định tâm Kích thước định tâm phụ thuộc vào đuờng kính choòngkhoan sử dụng Khi khoan bằng động cơ và có đường kính nhỏ hơn ½ in sovới đường kính choòng khoan Thường một số loại thường dùng 25 ¾ , 17 ¼ ,

16 ¼, 12 1/8 , 11 ½ Định tâm lắp trên động cơ nhằm tăng tính ổn định củađộng cơ khi làm việc và điều chỉnh cường độ góc lệch Khi khoan trongtrường hợp không cần quan tâm đến góc lệch, thường không lắp định tâm trênthân động cơ Trong trường hợp đó tại vị trí lắp định tâm được thay thế bằngvòng bảo vệ ren

2.3 Nguyên lý làm việc, sự truyền động thủy lực trong động cơ trục vít.

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ trục vít

Động cơ khoan trục vít được làm việc dựa trên nguyên lý tác dụng ngượccủa máy bơm Moineau Nó làm việc được nhờ bơm dung dịch khoan để làmquay rotor xoắn ốc Động cơ này là loại thể tích rotor bằng thép cách ly cácthể tích làm việc của xy lanh Cố định trong stator bằng cao su, chất lỏng khidịch chuyển xuống dưới nhờ tác dụng đẩy của bơm sẽ tác động một ngẫu lựclên rotor Ngẫu lực này có liên quan trực tiếp với áp lực và vận tốc quay, vớilưu lượng tuần hoàn

Do có độ lệch tâm của rotor và stator chất lỏng được tuần hoàn bằng áplực thủy tĩnh của chất lỏng theo rãnh xoắn tác động và truyền mômen chorotor làm cho động cơ hoạt động và được truyền chuyển động qua trục cácđăng và ổ bi tới choòng khoan

Động cơ khoan trục vít làm việc đòi hỏi 2 yếu tố:

- Độ lệch tâm giữa rotor và stator

2.3.2 Sự truyền động thủy lực của động cơ trục vít

Động cơ khoan trục vít là dạng máy thủy lực thể tích làm việc trênnguyên lý truyền động thủy tĩnh Khi dòng dung dịch qua van thông xuống bộphận công tác dưới dạng rãnh xoắn chất lỏng Nhờ có áp lực đủ lớn và sự lệch

tâm giữa rotor và stator rãnh xoắn chất lỏng tác động vào bề mặt phía trên củarotor làm rotor quay Quá trình thay thế các rãnh chất lỏng diễn ra một cáchliên tục, rãnh chất lỏng phía trên thay thế rãnh chất lỏng phía dưới tạo ra mộttập các các rãnh chất lỏng chuyển động tịnh tiến từ trên xuống dưới bộ phậncông tác làm cho trục vít quay

Trong quá trình làm việc đỉnh ren của rotor luôn tiếp xúc với rãnh rencủa stator hình thành nên đường tiếp xúc là các khoang chứa chất lỏng dạngxoắn Đối với động cơ trục vít số đường tiếp xúc bằng số đầu mối ren củarotor, số khoang xoắn chất lỏng bằng số mối ren của stator Trong quá trìnhlàm việc các khoang xoắn chứa chất lỏng chuyển động tịnh tiến từ trên xuốngdưới

2.3 Giới thiệu một số hãng sản xuất động cơ trên thế giới.

Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng sản xuất chế tạo động cơ khoan trụcvít hoặc bộ phận công tác trong động cơ khoan trục vít Một số hãng sản xuấtđộng cơ trục vít được thống kê trong bảng dưới đây:

Bảng 2.1 : Một số hãng sản xuất động cơ đáy trên thế giớiĐối với xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro hiện nay đang sử dụng động

cơ trục vít của 3 hãng sản xuất nổi tiếng thế giới là Anadrill powerpak củaSchlumbeger, Black max của Canada và National Oilwell của Mỹ

áp suất thấp và áp suất cao, tại mỗi một tiếp điểm nó trở thành ổ, rãnh Về mặt

lý thuyết dọc theo chiều dài của một bước sẽ xảy ra việc phân ra các vùng nằm phía trên và phía dưới của động cơ trục vít Bề mặt trục vít rotor, stator

sẽ tiếp xúc với nhau chia vùng áp suất cao của chất lỏng khỏi vùng áp suất thấp và khống chế chất lỏng chảy tự do chất lỏng chảy từ vùng này sang vùngkia Duới tác dụng chênh áp chất lỏng trục dẫn của trục vít chính tạo ra

mômen quay và truyền cho trục cácđăng Khi chênh áp này càng lớn thì mômen quay càng lớn

Động cơ trục vít có một trục cấu tạo đơn giản được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Rotor trục vít có ưu điểm sử dụng như động cơ thuỷ lực đáy :

- Không có hệ thống phân phối dòng chất lỏng

- Không có sự dịch chuyển tương đối các chi tiết làm việc trong cặp rotor

và stator

- Liên tục thay đổi vị trí từng đuờng tiếp xúc của các bộ phận làm việc khi rotor quay cho phép dòng dung dịch có thể tống thoát hết hạt mùn gây nên mòn, từ các buồng tới các ổ và các rãnh

Điều kiện tạo thành các ổ rãnh trong cặp roto stato của động cơ các truờng hợp sau:

+ Số rãnh stator Z1 cần lớn hơn 1 rãnh so với số rãnh của rotor Z2

+ Tỷ số bước răng của stator T và buớc răng t cần tỷ lệ thuận với số các rãnh xoắn:

3.1 Tính toán các thông số cho động cơ khoan trục vít

3.1.1 Lượng chất lỏng trên một vòng quay

Đặc điểm xuất phát để tính toán động cơ khoan trục vít là xác định thểtích chất lỏng được thay thế trên một đơn vị vòng quay của rotor

Theo một số tác giả thể tích chất lỏng được thay thế khi rotor quay mộtvòng tính bằng thể tích rãnh xoắn trong một bước ren và được xác định bằngcông thức:

.

r st r

q n n p A  (3.3)

Trong đó :

q - Lượng chất lỏng trên một vòng quay (in3/ vòng )

nr – Số đầu mối rãnh xoắn của rotor

nst – Số đầu mối rãnh xoắn của stator

pr – Chiều dài bước ren rotor ( inch )

A – Diện tích mặt cắt khe hở giữa rotor và stator ( inch 2 )

Diện tích mặt cắt khe hở giữa rotor và stator được tính theo công thức:

2

2

2 1

4 ( 1)

st st

n d A

n



 (3.4) Trong đó:

d – Đường kính ngoài của động cơ ( inch )

Như vậy mỗi loại động cơ khoan trục vít được thiết kế với một q ( thể tíchchất lỏng được thay thế khi rotor quay một vòng ) nhất định

3.1.2 Tốc độ vòng quay

Tốc độ vòng quay của động cơ khoan trục vít chính là tốc độ quay củarotor đây thông số kỹ thuật của động cơ và cũng là thông số chế độ khoan.Đại lượng này phụ thuộc vào lưu lượng nước rửa

Khi có thể tích chất lỏng được thay thế trên một một vòng quay ta dễ dàngxác định được tốc độ vòng quay của rotor khi được bơm với lưu lượng Q

231.Q n

q

 (3.5)Trong đó :

n – tốc độ vòng quay của động cơ ( vòng / phút )

Q – Lưu lượng chất lỏng được bơm qua động cơ ( gallon/ phút )

q – Lượng chất lỏng trên một đơn vị vòng quay ( inch )

231 – Hệ số cân đối đơn vị 1 gallon = 231 inch3

.1714

Q p n

N   (3.7)Trong đó :

N – Công suất của động cơ ( mã lực )

M – Mômen của động cơ ( lb-ft )

∆p – Mức chênh áp ra vào bộ phận công tác ( psi )

n - Hiệu suất thủy lực của động cơ khoan trục vít , thông thường nằm

Qua công thức trên ta thấy mômen là đại lượng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Yếu tố cấu tạo : q, nr, nst, pr, A

- Yếu tố làm việc : ∆p, η

Từ đó ta có nhận xét rằng đối với động cơ khoan trục vít có cùng chiềudài và đường kính ta có thể sản xuất ra các động cơ có cấu tạo khác nhau về(số đầu múi rãnh xoắn khác nhau, lưu lượng khác nhau…) cho giá trị mômenkhác nhau Còn khi ứng với một loại động cơ thì giá trị mômen chỉ phụ thuộcvào chênh áp ∆p, đồng nghĩa với mômen quay không phụ thuộc vào lưulượng nước rửa Mặt khác đối với động cơ khoan trục vít đại lượng hiệu suấtảnh hưởng tới mômen và công suất của động cơ là loại hiệu suất thủy lực.Hiệu suất thủy lực này là ưu điểm nổi bật của động cơ khoan trục vít và cũng

là ưu điểm tốt hơn của động cơ khoan trục vít với tuabin khoan

3.1.4 Giá trị chênh áp khi đầy tải

Giá trị chênh áp khi đầy tải là sự chênh lệch áp suất giữa đầu ra và đầuvào của bộ phận công tác khi mômen của tải trọng tác dụng (mômen cản)bằng mômen định mức của động cơ khoan trục vít

Giá trị chênh áp khi đầy tải được xác định theo công thức :

125 6, 25.( 1) 

    (3.11)Trong đó :

∆pđt – Giá trị chênh áp khi đầy tải ( psi )

St – Số bước xoắn của rotor

nr – Số rãnh xoắn của rotor