Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay di động top drive Varco TDS-8SA trên giàn khoan biển

Hiện nay, công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang được phát triển rất nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tế quốc dân.

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang được phát triểnrất nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tếquốc dân Hàng năm nộp ngân sách nhà nước hàng ngàn tỷ đồng, đóng góprất nhiều vào sự tăng trưởng và phát triển kinh tế đất nước.

Trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tănglên rất nhiều Dầu khí là một nguồn năng lượng hết sức quan trọng vì thế nóđã gây nên những biến động mạnh mẽ về giá cả, thậm chí còn gây nên nhữngbất ổn chính trị Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, đặcbiệt là từ khi Việt Nam ra nhập WTO thì nhu cầu năng lượng là rất cần thiếtvì vậy một trong những giải pháp quan trọng là đẩy mạnh công tác thăm dò vàkhai thác dầu khí đáp ứng nhu cầu năng lượng cho đất nước và xuất khẩu Để nâng cao hiệu quả công tác khoan Dầu khí việc trang bị công nghệcũng như các thiết bị hiện đại là cần thiết Trong số các thiết bị công nghệmới được áp dụng có tổ hợp đầu quay di động đã cho kết quả khả quan.

Sử dụng tổ hợp đầu quay di động đã gia tăng được khối lượng côngviệc khoan, thăm dò và khai thác dầu khí, giảm chi phí cho một giếng khoan,sớm đưa giếng khoan vào khai thác.

Được sự đồng ý của các Thầy trong bộ môn Thiết bị dầu khí và côngtrình, tôi mạnh dạn thực hiện bản đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu về

cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quaydi động top drive Varco TDS-8SA trên giàn khoan biển” Đồ án chia làm

Trong điều kiện hạn chế về tài liệu, do ngành dầu khí nước ta còn nontrẻ nên tài liệu Tiếng Việt còn rất ít, do đó nhiều thuật ngữ sử dụng trong đồán chưa thật chính xác Bên cạnh đó còn hạn chế về mặt thực tiễn sản xuất,thời gian làm đồ án Mặc dù vậy với sự cố gắng của bản thân và được sự

hướng dẫn tận tình của thầy giáo-TS Nguyễn Văn Giáp, các thầy giáo trong

bộ môn và các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành bản đồ án này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầukhí và công trình, đặc biệt là thầy giáo TS Nguyễn Văn Giáp và các bạn

đồng nghiệp đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Hà nội tháng 6 năm 2010

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trọng

 Động cơ điện; Tuabin khoan; Động cơ trục vít.

1.1.1.1 Khoan bằng động cơ điện 1 Nguyên lý cấu tạo

Bộ dụng cụ khoan điện chìm bao gồm động cơ điện, trục truyền để lắpvào choòng khoan và bộ phận ngăn ngừa sự xâm nhập của dung dịch khoanvào bên trong của động cơ.

Động cơ điện thường là động cơ không đồng bộ 3 pha ngậm dầu vớirôto ngắn mạch gồm nhiều đoạn, thân rôto làm bằng sắt từ và được lắp trêntrục truyền bằng các then hoa hoặc các ren côn Stato của động cơ gồm nhiềutấm ghép bằng sắt từ và phản từ, giữa các đoạn rôto và stato người ta lắp cácổ trục hướng tâm.

Trục truyền có 2 loại chính là: trục ngậm dầu chạy trên các ổ bi và loạichạy trên các ổ trượt cao su.

Phần dưới của động cơ có các ổ bi đỡ để tiếp nhận toàn bộ tải trọngchiều trục trong quá trình làm việc Đầu trên và đầu dưới của trục có lắp cácphớt chắn dầu Khoảng trống trong động cơ được lấp đầy dầu,áp suất dầutrong động cơ luôn phải lớn hơn áp suất chất lỏng tuần hoàn bên ngoài từ 23(at), để ngăn không cho chất lỏng lọt vào động cơ.

Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một bộ chứa dầumáy bay dẫn vào bên trong phớt, 2 bộ còn lại chứa dầu biến áp liên thông với

phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ Dotrong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình độngcơ bị đốt nóng áp suất sẽ giảm nên cần phải bù thêm.

Quá trình truyền điện từ trên mặt xuống động cơ là nhờ cáp điện lắpphía trong cần khoan, chiều dài mỗi đoạn cáp tương ứng với chiều dài của cầnkhoan Khi lắp cần khoan thì các đoạn cáp điện tự động nối lại với nhau nhờvào một đầu nối đặc biệt gắn trên zamốc.

2 Ưu, nhược điểm

Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ vàmômen khoan Ngoài ra, do cần khoan đứng im trong quá trình khoan do đógóp phần tăng tuổi thọ của cần khoan Bên cạnh những ưu điểm trên, khoanbằng động cơ điện chìm còn có những nhược điểm như sau:

 Yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệt đối;

 Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ và ápsuất tương đối lớn;

 Khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn Chi phí cho công tác vậnhành tốn kém.

Qua ưu, nhược điểm của động cơ điện chìm, thì trên thực tế ít được ứngdụng rộng rãi do nó mang lại hiệu quả kinh tế không cao Hiện nay, loại độngcơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm.

1.1.1.2 Khoan bằng tuabin khoan 1 Nguyên lý cấu tạo

Trong cánh quạt tuabin, năng lượng thủy lực của dòng nước rửa đượcchuyển hóa thành cơ năng của trục quay, làm quay choòng khoan Tuabingồm nhiều tầng giống nhau (có thể lên đến 200 tầng) Mỗi tầng gồm 2 phần,phần quay được nối với trục gọi là rôto, phần đứng yên được gắn với vỏ gọi làstato Bên trong tuabin có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịchkhoan không xâm nhập vào ổ trục chính Ổ tựa chính được đặt ở phía dưới đểnâng toàn bộ khối rôto Tùy theo chiều dài của tuabin mà người ta có thể lắp 2hoặc 3 ổ tựa ngang Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nốivào đầu dưới của cột cần khoan Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đếnày được bịt kín phần giữa tuabin và trục của tuabin nhờ một đệm đặc biệt

nhằm bảo đảm áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trìnhlàm việc.

1-Bao trong của stato 5-Đường đi của dòng nước2-Bao trong của rôto 6-Cánh cong của rôto3-Rãnh then 7-Cánh cong của stato 4-Vỏ ngoài của stato 8-Bao ngoài của rôto

Hình 1.1 Cấu tạo một tầng tua bin

Trong một số trường hợp khi khoan qua tầng đất dẻo, mômen quay củatuabin không đủ để thực hiện quá trình phá hủy, hay ở các giếng khoan sâu,lưu lượng dung dịch nhỏ do đó giá trị của mômen và công suất không đủ đểđáp ứng quá trình khoan Để thu được mômen quay và công suất lớn màkhông phải thay đổi đường kính của tuabin, chỉ có thể tăng số tầng của chúnglên, do đó phải chế tạo những tuabin dài Khi chế tạo những tua bin có độ dàiquá lớn sẽ gây khó khăn trong việc nâng thả tuabin ở giếng khoan cũng nhưkhi lắp ráp, vận chuyển Để giải quyết khó khăn trên người ta chế tạo cáctuabin nối mà mỗi đoạn là một tuabin đơn Vỏ của các tuabin được nối vớinhau bằng ren, còn trục được nối bằng khớp nối có rãnh then (then hoa), bằng

khớp ma sát hoặc bằng khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh thenhoa).

Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thayđổi tùy theo tải trọng và độ cứng của đất đá khoan qua Mômen quay choòngvà tốc độ quay tỷ lệ nghịch với nhau, tải trọng tác dụng lên choòng càng lớn,tốc độ quay càng giảm.

Quan hệ giữa mômen quay (M), công suất (N), hệ số hiệu dụng () vàtốc độ quay (n) của trục tuabin được thể hiện trên biểu đồ sau:

nkt nN=ƒ(n)

Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần trong khoan tua bin

Khi tốc độ quay n 0 mômen quay đạt giá trị cực đại gọi là mômenhãm (Mh), khi mômen quay giảm dần, tốc độ quay tăng lên Mômen quaygiảm đến “0” tốc độ quay đạt giá trị cực đại gọi là tốc độ quay không tải (nkt).

Đối với công suất (N): Với chế độ hãm (n 0) thì (N 0) Khi tốc độquay tăng lên công suất tăng lên đến giá trị cực đại (Công suất định mức) sauđó lại giảm đến “0” ở chế độ không tải.

Sự biến thiên của hiệu suất () cũng tương ứng với sự biến thiên củaN Chế độ làm việc với max gọi là chế độ “tối ưu” Tốc độ quay của chế độ tốiưu xấp xỉ bằng 1/ 2 tốc độ quay không tải, còn mômen quay xấp xỉ bằng 1/ 2

mômen hãm.

Khác với mômen quay và công suất, tổn thất áp lực trong tuabin hầunhư không thay đổi Khi chuyển từ chế độ không tải sang chế độ hãm, tổn thấtáp lực chỉ tăng lên ít (1015 %).

Mọi nhận xét trên đều rút ra trong trường hợp lưu lượng dòng chảy (Q)không thay đổi Quan hệ giữa n, P, M,  và N khi Q không đổi gọi là đặc tínhlàm việc của tuabin

Hình 1.3 Đường đặc tính làm việc của tua bin

2 Ưu, nhược điểm của khoan tuabin

* Ưu điểm:

 Không phải chi phí công suất để quay cột cần khoan;

 Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng nênchoòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ học khoancao hơn nhiều so với khoan rôto;

 Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mòn hơn nên giảm được sự cố về cầnkhoan trong quá trình làm việc;

 Có thể sử dụng khoan tuabin để khoan giếng khoan xiên định hướngvà khoan ngang rất hiệu quả;

 Giảm tiếng ồn so với khoan rôto do đó cải thiện điều kiện lao động.* Nhược điểm:

 Tuabin làm việc với số vòng quay lớn ít phù hợp với đa số loạichoòng chóp xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòngquay nhỏ);

 Vùng làm việc ổn định của số vòng quay của tuabin hẹp, nếu ra khỏivùng này có thể làm tuabin ngừng hoạt động;

 Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn độngtuabin, đặc biệt với các giếng khoan sâu việc này rất khó thực hiện;

 Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp;

 Quá trình bảo dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di độnghoặc bàn rôto.

1.1.1.3 Khoan bằng động cơ trục vít PDM (Positive Displacement mudMotor)

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Động cơ PDM hoạt động dựa trên nguyên lý Moinơ và được cấu tạobởi các thành phần cơ bản sau:

Hình 1.4 Cấu tạo động cơ trục vít

Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình

kéo thả và được đặt ở phần trên cùng của động cơ Van này có những lỗ chophép sự lưu thông giữa cột cần khoan và khoảng không vành xuyến Các lỗnày được đóng trong suốt quá trình khoan để dung dịch đi qua động cơ Trongquá trình kéo thả, khi bơm dung dịch ngừng hoạt động áp suất sẽ giảm xuống,các lỗ thoát được mở ra làm cho cột cần khoan được tháo hết dung dịch bêntrong khi kéo hoặc đổ đầy khi hạ Khi bơm làm việc, áp suất tăng lên, các lỗthoát được đóng kín lại.

Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc Đối với động cơ một

múi xoắn thì mặt cắt ngang của rôto là hình tròn Đầu trên của rôto được để tựdo còn đầu dưới nối với khớp nối không gian.

Stato: Được đúc bằng cao su dạng rãnh xoắn tương ứng với rôto (số

rãnh xoắn của stato bao giờ cũng nhiều hơn 1 so với số múi xoắn của rôto) vàđược đặt trong vỏ động cơ.

Khi rôto được đặt trong stato, do hình dạng khác nhau chúng tạo ra hàng loạtcác khoang kín Khi dung dịch khoan được bơm qua động cơ, nó sẽ chuyểnđộng vào giữa rôto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rôto và làm chorôto quay.

Ở những động cơ đơn múi (rôto có 1 múi xoắn) lưu lượng dòng chảyqua động cơ lớn vì vậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mômenquay nhỏ Để tăng mômen quay ta có thể tăng số múi xoắn của rôto (3, 5, 7, 9múi) tương ứng với số rãnh của stato là (4, 6, 8, 10), khi đó lưu lượng dòngchảy qua động cơ nhỏ dẫn đến số vòng quay nhỏ do đó tạo ra được mômenquay lớn.

Trong quá trình làm việc các múi và rãnh xoắn của rôto và stato liên tụctiếp xúc với nhau để tạo ra những buồng áp suất kín, chính điều này làm bềmặt stato mòn đi rất nhanh, cho nên stato phải được chế tạo bằng vật liệu caosu có khả năng chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.

Khớp nối không gian: Do chuyển động lệch trục với stato nên đầu dưới

của rôto phải được nối với một khớp nối không gian Khớp nối này sẽ biếnchuyển động lệch trục thành chuyển động đồng trục của choòng Có rất nhiềukiểu khớp nối không gian được sử dụng nhưng phổ biến nhất là khớp cầu.Đầu dưới của khớp nối không gian được nối với trục truyền.

Hệ thống ổ tựa: Đây là bộ phận thiết yếu nhất của động cơ Nó quyết

định tuổi thọ của động cơ và thực hiện hai chức năng:

 Truyền tải trọng dọc trục lên choòng;

 Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền.

2 Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít

Mômen quay không phụ thuộc vào đặc điểm lưu lượng dòng dung dịchcủa máy bơm mà vẫn cho hiệu suất cao, có thể kiểm tra tải trọng động cơ theosự giảm áp, có kết cấu đơn giản tiết kiệm vật liệu.

Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng cóchứa tạp chất và không có tính chất bôi trơn, bởi vì các chi tiết ít bị mài mòn,sự phân bố chất lỏng động cơ được tự động nhờ sự biến đổi liên tục vị tríkhông gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.

Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang địnhhướng đặc biệt đối với các giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đườngkính bé và trong công tác sửa chữa giếng.

1.1.2 Phương pháp khoan xoay

Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay củachoòng được truyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan Có haidạng chính là sử dụng bàn rôto và sử dụng đầu quay di động (top drive).

 Chịu tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;

 Tiếp nhận các phản lực từ đáy trong quá trình khoan.

Trong công tác khoan dầu khí tuỳ theo yêu cầu mà có thể thiết kếchuyển động cho bàn rôto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn độngriêng cho rôto hoặc có thể lấy từ tốc độ của tời thông qua bộ truyền xích haytrục các đăng.

* Nguyên lý cấu tạo:

 Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn xoay vàhệ thống ổ đỡ Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trụcdẫn nằm ngang đến bàn quay Tất cả các ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôitrơn bằng dầu;

 Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôto được đặtcác bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện của cần chủ đạo (hìnhvuông hoặc hình lục giác);

 Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôtotrong công tác khoan dầu khí thường từ 400700 (mm);

Hình 1.5 Cấu tạo bàn rôto

 Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháocần khoan hoặc cứu chữa sự cố;

 Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (có 2 loại ổ đỡ làổ đỡ chính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân thành 2 loại là bàn rôto có ổđỡ chính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trongquá trình làm việc chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cột cần khoan hoặcống chống treo trên nó và lực ma sát giữa cần chủ đạo với bàn rôto Ổ đỡ phụchỉ chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cột cần khoan và phảnlực gây nên.

2 Ưu, nhược điểm của bàn xoay rôto

* Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, ít phải bảo dưỡng.

 Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trìnhkéo thả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.

* Nhược điểm:

 Không dùng để khoan lấy mẫu do phải kéo bộ dụng cụ khoan lênkhỏi đáy khi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đákhông ổn định.

 Không sử dụng được với tần số khoan cao.

 Gây ồn trong quá trình làm việc.

1.1.2.2 Khoan bằng đầu quay di động (top drive)

Đầu quay di động dùng để nối giữa hệ thống palăng với cột cần khoannhằm mục đích quay và treo cột cần khoan vào móc nâng, dẫn nước từ tuy ôcao áp vào bên trong cần khoan và truyền chuyển động quay cho cột cầnkhoan Động cơ của nó có thể là động cơ điện hoặc động cơ thủy lực Loạiđộng cơ thủy lực ít phổ biến vì cần lắp đặt thêm một thiết bị có công suất thủylực đặc biệt Động cơ được lắp phía đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếpnhận chất lỏng Đầu quay được gắn trên xe lăn dẫn hướng, xe lăn di chuyểnlên xuống dọc theo ray dẫn hướng lắp trên tháp khoan Hệ thống truyền độngnày cho phép tăng công suất truyền cho cột cần khoan mà nó không phụ thuộcvào công tác khoan, công nghệ khoan Thiết bị này làm việc rất ổn định, ítgây rung động, va đập, tiếng ồn và đặc biệt có thể khử được mômen phản lựcđáy.

1.2 Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động top drive1.2.1 Đặc điểm chung

Đầu quay di động là cơ cấu cho phép cải thiện quá trình khoan cácgiếng khoan xiên và giếng nằm ngang Về nguyên lý đây có thể coi là cơ cấuloại mới của máy khoan, cho phép thực hiện nhiều thao tác công nghệ Đầuquay di động được sử dụng trên thế giới lần đầu tiên vào năm 1982 và ngàycàng trở nên phổ biến, việc sử dụng đầu quay di động trong thực tiễn cho thấytính ưu việt của chúng trong thi công các giếng xiên và giếng nằm ngang Sựcần thiết của việc khai thác dầu và khí với chi phí thấp nhất đòi hỏi phải mởrộng khoan ngang Khoan ngang đòi hỏi công nghệ thi công mới có tính đếnviệc tăng rủi ro xuất hiện kẹt cố Đầu quay di động ra đời đã góp phần giảiquyết vấn đề này.

Hình 1.6 Hình ảnh một tổ hợp đầu quay di động

Phần lớn đầu quay di động được dẫn động bằng động cơ điện mộtchiều, có một số ít dẫn động bằng động cơ xoay chiều hoặc động cơ thủy lực.Công suất dẫn động đến 800 (kW), mômen quay 2,54,5 (kN.m) Các hãngcung cấp lớn trên thế giới có thể kể đến như: Varco BJ; Tesco; MaritimeHydraulic A.S.

Công dụng chính của đầu quay di động là:

 Truyền mômen quay cho choòng khoan phá hủy đất đá; Tháo lắp và xiết chặt cần khoan, thực hiện thao tác kéo thả.

1.2.2.Ưu, nhược điểm

1.2.2.1 Ưu điểm

 Không phải dùng cần chủ đạo do đó việc tiếp cần khoan nhanh chóngvà thuận lợi, an toàn cho kíp khoan;

 Có thể doa ngược được;

 Lấy được mẫu khoan tốt trong khoan lấy mẫu;

 Giảm tổn hao năng lượng và khống chế được mômen phản lực đáytrong quá trình khoan.

 Động cơ dẫn động: GEB-20A1 AC;

 Công suất động cơ: 1150 (HP);

 Chiều cao làm việc: 24 (ft);

 Trọng lượng: 38750 (lb);

 Hộp số: 1 tốc độ;

 Tỷ số truyền: 8,5:1;

 Tốc độ quay lớn nhất: 353 (v/p);

 Mômen quay liên tục lớn nhất: 62250 (ft.lb);

 Số vòng quay tương ứng mômen quay lớn nhất: 94 (v/p);

 Mômen quay không tải: 95000 (ft.lb);

 Sức nâng: 750 (tấn);

 Kích thước cần khoan sử dụng: 312658 (in);

 Bộ kẹp cần: PH-100;

 Áp suất làm việc của IBOP (internal blowout preventer): 15000 (psi);

 Khả năng quay / sự định hướng: 360 / không giới hạn;

 Hệ thống làm mát: Quạt gió;

 Dải nhiệt độ làm việc: 20C 40C.

2.2 Nguyên lý hoạt động của TDS-8SA2.2.1 Nguyên lý truyền động

Chuyển động quay từ động cơ được truyền sang hộp tốc độ nhờ bánhrăng chủ động gắn trên trục động cơ, bánh răng này ăn khớp với bánh răngphía trên của cặp bánh răng kép làm quay cặp bánh răng kép Bánh răng phíadưới của cặp bánh răng kép ăn khớp với bánh răng chính gắn trên trục dẫn.Trục dẫn được nối với cột cần khoan qua cụm van cầu, làm quay cột cầnkhoan Dung dịch khoan được dẫn vào qua hệ thống cổ ngỗng vào ống rửa đặtphía trên nắp hộp tốc độ.

Cài hình vẽ A3 (Hình 2.1)

2.2.2 Khoan thuận

Trình tự tiến hành khi khoan thuận (tiếp cần dựng):

 Đặt chấu chèn để giữ cột cần khoan và cho dừng tuần hoàn dungdịch;

 Tháo mối nối giữa cột cần khoan và đầu nối bảo vệ (trên cụm vancầu), sử dụng bàn kẹp và động cơ khoan ở chế độ đảo chiều (từ bàn điềukhiển);

 Kéo ròng rọc lên và kẹp elevator vào đầu cần dựng nhờ thợ khoan ởtrên cao;

 Nhấc cần dựng lên, nối vào đầu nối bảo vệ và cột cần khoan;

 Nhấc bỏ chấu chèn, tuần hoàn dung dịch và tiếp tục quá trình khoan.

2.2.3 Doa ngược

Trình tự tiến hành khi doa ngược:

 Vừa khoan vừa kéo cột cần khoan đi lên đến khi đầu trên của đoạncần thứ tư lên mặt quá mặt sàn khoan thì dừng lại;

 Dừng tuần hoàn đồng thời đặt chấu chèn vào giữ cột cần khoan;

 Tháo mối nối giữa cần dựng với cột cần khoan và đầu nối bảo vệ;

 Nhấc cần dựng lên và đặt trở lại giá dựng cần;

 Hạ ròng rọc xuống, nối cột cần khoan vào đầu nối bảo vệ;

 Nhấc chấu chèn, cho tuần hoàn dung dịch và tiếp tục quá trình doangược.

2.3 Cấu tạo chức năng và hoạt động của các bộ phận chính2.3.1 Hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động (Hình 2.3) bao gồm các bộ phận chính sau:

 Mômen quay: 10600 (ft.lb); Khối lượng động cơ: 5960 (lb); Tốc độ quay lớn nhất: 2300 (v/p);

 Dao động lớn nhất cho phép: 0,44 (in/s);

 Điện trở (tại 25C- đối với mỗi cặp cực): 0,0088 ().* Phanh động cơ

Phanh của động cơ được đặt ngay phía trên của động cơ dẫn động.Phanh hoạt động dựa vào khí nén, nguồn khí nén này được cấp qua hệ thốngcấp khí, và được điều khiển từ bàn điều khiển với 2 vị trí “ON” và “OFF” Tạiđây các tín hiệu được điều khiển đến hộp nối van điện từ (van solenoid) điềukhiển phanh Dòng khí nén đi vào các ống cao su tạo ra lực ép, ép lên máphanh chống lại chuyển động quay của động cơ Khi công tắc ở vị trí “ ON”,lúc này van ở trạng thái đóng đồng thời có đèn báo và còi hú báo hiệu chongười vận hành biết Khi công tắc ở vị trí “OFF”, lúc này van mở và ta có thểtiến hành khoan bình thường.

Hình 2.2 Phanh động cơ

1-Xilanh cân bằng 6-Bánh răng kép 11-Vỏ bọc trục dẫn2-Phanh động cơ 7-Đáy hộp tốc độ 12-Ổ đỡ chính3-Động cơ 8-Quang treo 13-Bánh răng chính4-Bánh răng chủ động 9-Cổ ngỗng 14-Giá đỡ

5-Nắp hộp tốc độ 10-Ống rửa 15-Trục dẫn

Hình 2.3 Hệ thống truyền động

2.3.1.2 Hộp tốc độ

Hộp tốc độ của TDS-8SA là hộp tốc độ đơn với tỷ số truyền từ động cơsang trục dẫn là 8,5:1 Bên trong hộp tốc độ gồm 1 cặp bánh răng kép, 1 bánhrăng chính, các bạc lót và các gioăng làm kín Ngoài ra còn có 2 cặp ổ đỡchính, đây là thành phần chịu tải trong quá trình nâng, thả ống và quá trìnhkhoan Vỏ hộp tốc độ tạo thành một khoang kín để chứa dầu bôi trơn cho hệthống bánh răng và các ổ trục Bên sườn của vỏ hộp tốc độ có mắt thăm dầuđể kiểm tra mức dầu bên trong Dầu bôi trơn luôn được tuần hoàn trong hộptốc độ nhờ vào bơm dầu (bơm được đặt ở ngay trên vỏ hộp tốc độ) và hệthống các kênh dẫn, điều này đảm bảo rằng các bánh răng và ổ chặn luônđược bôi trơn Bên sườn và dưới đáy hộp tốc độ có các gờ nhỏ để làm tăng sựthoát nhiệt cho hộp tốc độ.

Hình 2.4 Cấu tạo hộp tốc độ

2.3.1.3 Cụm ống rửa

Cụm ống rửa nối trục chính của hộp số với phần tĩnh của cổ ngỗng, nócho phép dung dịch khoan đi qua với nhiệt độ và áp suất thay đổi với mọi tốc

độ quay của trục Chức năng của gioăng xoay là thực hiện chuyển động quaytự do ở vị trí thẳng đứng Đầu quay phải được gắn với gioăng xoay một cáchchính xác và luôn được bôi trơn Nếu đầu quay được cất giữ trong một thờigian, thì phải tháo ra để kiểm tra gioăng xoay, xem xét sự mòn hỏng nếu có.Cổ ngỗng nằm ngay phía trên cụm ống rửa nối ống rửa và ống chữ S Cổngỗng có phần tĩnh và phần động, phần tĩnh được bắt chặt vào vỏ bọc trục dẫncòn phần động nối với ống chữ S Giữa phần tĩnh và phần động có đệm làmkín để ngăn sự rò rỉ của dung dịch

1-Vỏ bọc trục dẫn 2-Lò xo 3-Đai ốc hãm4-Gioăng cố định 5-Thân dưới 6-Thân trên7-Cơ cấu treo (Điều chỉnh sự lệch trục) 8-Gioăng xoay

Hình 2.5 Cụm ống rửa2.3.2 Hệ thống cân bằng sử dụng khí nén

Hệ thống cân bằng có chức năng treo trọng lượng của hệ thống đầuquay dưới áp lực khí nén, có tác dụng điều khiển và giữ thăng bằng cho cộtcần khoan và ống chống trong quá trình nối ống Nó được điều chỉnh để giảmtải trọng lên ren của đầu nối bảo vệ và cần khoan trong quá trình tiếp cần, quađó bảo vệ các chi tiết này.

Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi kíp trưởng từ phòng điều khiển.Các chế độ này dùng trong các quá trình tháo, lắp cần với sự kiểm soát tải lênren và một chế độ dùng trong quá trình thả ống chống.

TDS-8SA được treo bởi hệ ròng rọc 750 (tấn) Khi tải trọng nhẹ, chẳnghạn chỉ có đầu quay hay đầu quay với một đầu nối thì dầm chịu tải trọngchính được đỡ bởi 8 bình tích khí nén được liên kết với hệ thống quang treo.Áp suất trong bình tích khí nén có thể được điều chỉnh cho các tải trọng khácnhau Không khí sạch và khô từ giàn cung cấp tới van điều chỉnh, van nàyđược gắn trên đường ống dẫn khí Hộp điều khiển tại bàn của kíp trưởng đưatín hiệu tới van hoặc để cung cấp cho các bình tích khí nén hoặc để xả khí từbình tích.

Hình 2.6 Hệ thống cân bằng

Các bình tích được liên kết với van điều chỉnh bằng hệ thống ống dẫn.Hộp điều khiển được lắp bởi 3 bộ tiết lưu dùng để điều chỉnh áp suất với cácđiều kiện tải trọng khác nhau Mỗi bộ tiết lưu được liên kết với van và đồnghồ cho phép người vận hành dễ dàng điều chỉnh các mức áp suất khác nhau.

Một thiết bị tăng áp suất khí nén với một bình dự trữ khí nén ở giànkhoan, một van điều chỉnh được dùng trong hệ thống giúp cho hệ thống cânbằng Có nguồn áp suất khí nén lớn để hoạt động khi các thiết bị phụ trợ khác

cần lượng khí nén cao Việc giảm áp suất khí nén cho hệ thống cân bằng cóthể dẫn đến phá huỷ đầu nối, hay gây ra một số hư hỏng khác.

2.3.3 Hệ thống dẫn hướng

TDS-8SA được đặt trên xe lăn dẫn hướng, xe lăn này có thể di chuyểnlên xuống trên thanh ray nhờ vào các con lăn Tuy nhiên các thanh ray phảithật sự thẳng hàng, không bị bóp méo và chúng phải song song với nhau Ởphía dưới cùng của mỗi thanh ray có các tấm đệm để giới hạn chuyển độngcủa xe lăn dẫn hướng Các tấm đệm này phải đặt cách mặt sàn khoan tối thiểulà 11ft (3,04 m), điều này đảm bảo các ống cao áp không chạm sàn khoan khixe lăn ở vị trí thấp nhất

Các con lăn có khả năng tự điều chỉnh khe hở giữa nó và thanh ray đảmbảo sự di chuyển thuận lợi và an toàn khi mà các thanh ray không được hoànhảo Với hai tầng lò xo cho phép giới hạn chuyển động của các con lăn với hệthống lò xo đã tạo cho các con lăn luôn tiếp xúc với bề mặt của thanh ray Cáccon lăn được gắn lò xo nên lực ép được giảm không chỉ cho thanh ray mà chocả trục lăn do đó gia tăng tuổi thọ của các bộ phận này.

2.3.4 Hệ thống làm mát (Hình 2.7)

Hệ thống quạt gió thổi liên tục không khí tới làm mát động cơ, đồngthời tạo ra đối lưu cưỡng bức đối với bộ trao đổi nhiệt của hệ thống truyềnđộng, làm giảm nhiệt độ của dầu bôi trơn.

Hệ thống làm mát bao gồm: quạt gió hướng trục (tác dụng làm giảmnhiệt độ của dầu bôi trơn); quạt gió làm mát động cơ; hệ thống ống dẫn khí vàđộng cơ có 2 trục dẫn với công suất 20 (HP) Động cơ này đồng thời dẫnđộng cho cả quạt gió hướng trục, quạt gió làm mát động cơ

Một bộ khử ẩm được đặt ngay ở cửa nạp khí giúp loại bỏ bớt hơi nướccó trong không khí nạp vào.

2.3.5 Hệ thống xilanh ổn định hướng cho đầu quay (Hình 2.8)

Hệ thống bao gồm xilanh, ắcqui thủy lực, cụm van điều áp và các thiếtbị liên quan như buồng góp, ống dẫn Xilanh (hoạt động bằng thủy lực) nốiphần đáy của hộp tốc độ với giá xe lăn dẫn hướng, được điều chỉnh thông quamột ắcqui nằm trên xe lăn dẫn hướng Ắcqui được nạp bằng nitơ và được giữở một mức áp suất nhất định (điều chỉnh bởi van điều áp).

Cùng với hệ thống cân bằng, xilanh ổn định hướng có tác dụng giữ chođầu nối bảo vệ luôn ở trạng thái thẳng đứng khi tháo rời khỏi cột cần khoan(trong quá trình tháo lắp cần) làm cho quá trình tháo lắp cần dễ dàng hơn.

Hình 2.7 Hệ thống làm mát

Hình 2.8 Xilanh ổn định hướng

2.3.6 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển của TDS-8SA có sơ đồ cấu tạo như Hình 2.9.

Trong hệ thống điều khiển có bàn điều khiển giúp người vận hành dễ dàngthao tác các chức năng của tổ hợp đầu quay.

Trên bàn điều khiển có các nút bấm để thực hiện các chức năng như:điều chỉnh bản lề nghiêng qua đó điều chỉnh vị trí của elevator; đóng mởphanh động cơ; điều chỉnh mômen vặn, tháo cần; điều khiển các động cơ phụtrợ (quạt gió, bơm dầu…); điều chỉnh giá đỡ liên kết quay; đóng mở van cầutrên; thay đổi chiều quay của đầu quay Bàn điều khiển thực hiện các chứcnăng trên nhờ vào một hệ thống các van điện từ nối với các bộ phận đó.

Bµn ®iÒu khiÓn

§éng c¬ 3 pha

VFD: Variable Frequency Drive-Bé biÕn tÇn

PLC: Programmable Logic Control-Bé ®iÒu khiÓn logic TÝn hiÖu

®iÒu khiÓn

TÝn hiÖu®iÒu khiÓn

Hình 2.9 Mô hình hệ thống điều khiển

Bẩy đèn báo sáng trên bàn điều khiển cho ta biết các điều kiện sau: Hệ thống van cầu đã đóng;

 Phanh động cơ đang đóng (ở vị trí “ON”); Áp suất dầu bôi trơn bị giảm;

 Sự lưu thông không khí bị gián đoạn; Động cơ bị quá nhiệt;

 Lỗi dẫn động; Chế độ tự động.

Bàn điều khiển cũng có hệ thống còi báo để cảnh báo các điều kiện chongười vận hành biết, còi báo này có thể được tắt đi.

LINK TILT OFFTORQUE WRENCH PUSH&HOLD

LINK TILT FLOATRIGHTLEFT

DRILL MOTOR OVERTEMPAUTO POSITION

HYDRAULIC POWERALARM SILENCEBLOWER LOSSTORQUEDRILL

OILPRESS LOSS MAKE-UP CURRENT LIMIT

DRILL TORQUE

EMERGENCY STOP

Hình 2.10 Bàn điều khiển của TDS-8SA2.3.7 Hệ thống ôm, kẹp cần khoan PH-100

Hệ thống ôm, kẹp cần khoan (Hình 2.11) có hai chức năng chính đó là

kéo cần dựng và cung cấp mômen xoắn lên đến 100000 (ft.lb) để tháo, vặncần khoan tại chiều cao bất kỳ của tháp khoan Hệ thống này bao gồm các bộphận chính như sau:

 Cơ cấu giá đỡ liên kết quay; Cụm bản lề nghiêng;

 Cơ cấu tạo mômen xoắn;

 Elevator và quang treo elevator; Cụm van cầu (IBOP).

Cài hình vẽ A3 (Hình 2.11)

2.3.7.1 Cơ cấu giá đỡ liên kết quay

1-Thân giá đỡ 6-Đai ốc 2-Vấu lắp bản lề nghiêng 7-Bulông

Giá đỡ liên kết quay có cấu tạo là một khối rỗng, hai mặt bên có cácvấu để móc quang treo elevator, mặt trước có vấu để lắp bản lề nghiêng Mặttrong của giá đỡ liên kết quay có dạng hình trụ, cho phép trục dẫn quay tự dotrong giá đỡ Bên trong của giá đỡ có một xilanh thủy lực để giữ giá đỡ luônnâng lên so với đầu nối trong quá trình khoan và hạ giá đỡ xuống đầu nốitrong quá trình nâng thả cột cần khoan Ngoài ra còn có các đường ống thủylực được tuần hoàn liên tục trong quá trình khoan Bánh răng điều chỉnh đượcbắt bulông vào mặt trên của giá đỡ, bánh răng được dẫn động thông qua mộtđộng cơ thủy lực trên cụm ghim chốt, trong quá trình khoan ghim chốt giữcho đầu quay đứng yên, khi cần nâng thả cần dựng, ghim chốt được tháo ra đểgiá đỡ có thể quay tự do 360 Giá đỡ là một bộ phận chịu tải trong quá trìnhnâng thả cột cần khoan.

2.3.7.2 Cụm bản lề nghiêng

Hình 2.13 Cụm bản lề nghiêng

Cụm bản lề nghiêng bao gồm một bản lề nghiêng được gắn trên thâncủa giá đỡ liên kết quay, hai xilanh thủy lực, dây cáp điều khiển và cặp thanhtruyền, vòng kẹp Bản lề nghiêng có thể xoay tự do trong một khoảng nhấtđịnh nhờ vào chốt xoay, xilanh thủy lực được điều khiển từ bàn điều khiểnthông qua một van điện từ, van điện từ này điều chỉnh lượng chất lỏng nạpvào xilanh Bản lề nghiêng được nối với quang treo elevator qua cặp thanhtruyền và vòng kẹp Dây cáp điều khiển dùng để điều chỉnh khoảng cách giữaelevator và sàn dựng cần khoan trong quá trình tiếp cần giúp thợ khoan trêncao thực hiện thao tác dễ dàng hơn.

2.3.7.3 Cơ cấu tạo mômen xoắn

Cơ cấu gồm ống thủy lực và bàn kẹp Bên trong ống thủy lực là hệthống các ống dẫn, xilanh nâng và cáp nâng, dây cáp nâng nối đầu piston củaxilanh nâng với bàn kẹp và được vắt qua một con lăn ở trên đỉnh ống thủylực Nhờ hệ thống cáp này mà bàn kẹp có thể chuyển động lên xuống ở trênống thủy lực (khi tháo lắp IBOP).

Bàn kẹp (Hình 2.14) có phần thân được tách làm hai nửa và được nối

với nhau bằng hai chốt bản lề, mặt trên là bạc ổn định còn ở mặt dưới là vànhdẫn hướng Các chi tiết này cũng được chế tạo làm hai nửa và được bắtbulông vào thân bàn kẹp Bên trong bàn kẹp gồm có hai má kìm và mộtxilanh khí nén để sinh lực kẹp, cụm chi tiết này dùng để kẹp chặt cột cầnkhoan trong quá trình lắp cột cần khoan vào van tiết kiệm dung dịch Các chitiết má kìm, bạc ổn định và vành dẫn hướng có thể thay đổi được tùy thuộcvào kích cỡ của cần khoan sử dụng.

2.3.7.4 Elevator và quang treo elevator

Elevator là bộ phận trực tiếp ôm, kẹp cần, được sử dụng trong quá trìnhtháo, lắp cần khoan Elevator được móc vào giá đỡ liên kết quay thông quaquang treo elevator Quang treo được điều khiển thông qua cụm bản lềnghiêng Khả năng linh động của elevator là rất cao, elevator có thể được đẩyra trước, sau lỗ khoan hoặc đẩy tới lỗ chuột Trong quá trình khoan, quangtreo elevator được đẩy ra phía sau và được giữ cố định ở vị trí nghiêngkhoảng 20 30  để tránh giếng khoan Elevator được điều khiển từ bàn điềukhiển thông qua việc điều chỉnh cụm bản lề nghiêng.

1-Vòng đệm xilanh 8-Chốt bản lề 17,23-Đai ốc

3,4-Vòng găng piston 10,11-Đệm làm kín 19-Vành dẫn hướng5-Piston 12,21-Cặp má kìm 20-Thân bàn kẹp6,14-Bạc ổn định 15-Thân lắp bạc ổn định 24-Má kẹp

7,13,22-Bulông 16-Vòng đệm

Hình 2.14 Cấu tạo bàn kẹp

2.3.7.5 Cụm van cầu (IBOP)

Hình 2.15 Cấu tạo cụm van cầu

Cụm van cầu là một đoạn van đối áp được đặt giữa đầu quay di động vàcột cần khoan, nó có tác dụng chống phun bên trong cột cần khoan

Cụm van cầu gồm có van cầu trên, van cầu dưới và đầu nối bảo vệ, cácchi tiết này được nối với nhau bằng ren Ngoài ra còn có cụm 3 vành kẹpđược lắp giữa trục dẫn và van cầu trên, van cầu trên và van cầu dưới, van cầudưới và đầu nối bảo vệ Các vành kẹp này nhằm ngăn sự tự tháo ren giữa cácchi tiết trên trong quá trình tháo lắp cần khoan Mỗi vành kẹp có cấu tạo gồmmột ống lồng phía trong có dạng côn đôi và hai vòng đệm bên ngoài Sự vặnxiết các bulông giữa hai vòng đệm làm cho hai vòng đệm cùng nhau ép chặtống lồng, tạo ra lực kẹp Đối với các vành kẹp này, nếu được lắp đặt đúngtheo tiêu chuẩn có thể chịu đựng được mômen xoắn đến 76000 (ft.lb).

Sự đóng, mở của van cầu trên được điều khiển từ bàn điều khiển, cònđối với van cầu dưới được thực hiện bằng tay

1 Van cầu trên

Van cầu trên được gắn trực tiếp vào đầu dưới của trục dẫn với một đầunối ren thuận đường kính 75 (in) theo tiêu chuẩn của API (viện dầu mỏ Mỹ).Bên trong có một bi cầu với đường kính lỗ là 3 (in) Hai cơ cấu dẫn động khínén dùng để điều chỉnh van đóng hay mở Trục của cơ cấu dẫn động có chỗđể cho cờ lê vào đóng hoặc mở bằng tay khi cần thiết Trên thân van có lắpmột ống bao, trên hai mặt bên của ống bao được gắn hai khuỷu dẫn độngdùng để đóng mở van cầu trên thông qua tay đòn điều khiển.

Hình 2.16 Cấu tạo van cầu trên

2 Van cầu dưới (Hình 2.17)

Van cầu dưới được đặt ở giữa đầu nối bảo vệ và van cầu trên Kích cỡcủa van cầu dưới được chọn theo kích cỡ của đầu nối và kích cỡ van cầu trên.Trên thân van có cửa để đặt cờ lê đóng mở van bằng tay.

3 Đầu nối bảo vệ

Là một đầu nối chuyển tiếp giữa van cầu dưới và cột cần khoan nhằmbảo vệ van cầu dưới, đầu nối này có thể được thay thế dễ dàng Đây là một bộphận chịu tải thường xuyên do đó cần được kiểm tra đều đặn.

Hình 2.17 Cấu tạo van cầu dưới2.3.8 Hệ thống dây điện và ống dẫn phụ trợ

Hệ thống dây điện bao gồm cáp điện và cáp điều khiền dùng để dẫnđiện cho động cơ, hệ thống cảm biến và van điện từ (solenoid) Các dây cápđiện được xoắn lại với nhau và được đặt trong ống bảo vệ.

Hệ thống ống dẫn phụ trợ bao gồm 3 đường ống dẫn 34 (in) dùng đểdẫn chất lỏng, trong đó có một đường dự trữ và một đường ống 12 (in) dùngđể dẫn khí Các đường dẫn này dẫn chất lỏng, khí tới các hệ thống điều khiểnbằng khí nén, hoặc làm mát động cơ…