quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 trên giàn khoan Tam đảo – 01

Ngành dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của đất nước.

LỜI NÓI ĐẦU

Nghành dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của đấtnước Để phát triển nó cần rất nhiều các yếu tố, trong đó sự phát triển về thiết

bị cũng là một nhân tố rất quan trọng Trong quá trình đi thực tập trên giànTam Đảo 01 Bản thân em đã được tiếp xúc với rất nhiều thiết bị Nhưng bộphận tương đối mới mẻ chính là động cơ khoan topdriver Và được sự nhất trícủa giáo viên hướng dẫn, thầy Trần Văn Bản em đã được chọn đề tài tốt

nghiệp làm về: ” quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tổ

hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 trên giàn khoan Tam đảo – 01”

Chuyên đề:

“tính toán thông số công suất của động cơ điện GE752 trong quá trình

khoan trên biển”

Mục đích của đồ án là nghiên cứu và lập quy trình công nghệ sửa chữa

tổ hợp đầu quay di động dựa trên những tài liệu thu thập trong quá trình họctập và qua thực tế tại giàn khoan Tam Đảo 01 - Xí nghiệp liên doanh dầu khíVietsovpetro, sự giúp đỡ của quý thầy cô Tôi xin chân thành cảm ơn

Hà Nội 6/2009

PHẦN I: CÔNG TÁC KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG

CHƯƠNG I: CÔNG TÁC KHOAN

Với trình độ khoa học hiện nay chưa có một phương pháp nào mà từtrên mặt đất có thể phát hiện dầu khí nằm sâu trong lòng đất hoặc trong lòngđại dương một cách chính xác Các giếng khoan dầu khí đã được thực hiệnnhằm xác định được khả năng chứa dầu, tính chất về địa chất của vùng dầusau đó mới đem vào khai thác chiều sâu của một giếng khoan dầu khí, để đạtđược mục tiêu của nó, có thể thay đổi từ vài trăm mét đến 10.000m Nhưngtrung bình là khoảng 2.500m, giếng khoan sâu trên 3.500m, giếng khoan cựcsâu là trên 4.500m, giếng khoan sâu nhất trên thế giới được biết là khoảng15.000m

Giếng khoan là một công trình rất tốn kém, vì vậy cũng như mọi vấn đềđâu tư làm các công trình khác, cần phải nghiên cứu và lập kế hoạch hết sức

kỹ càng mới thực hiện được nó

Bước đầu tiên của việc nghiên cứu này nhằm xác định cấu trúc địa tầngcủa tầng đất đá, sau đó mới phác hoạ được cấu trúc mặt cắt của giếng khoantrên lý thuyết

Việc xây dựng mặt cắt và các phương pháp để đạt tới mục tiêu là kếtquả làm việc tập thể của nhiều người thuộc nhiều bộ phận chuyên môn khácnhau Sau khi thiết kế và được sự đồng ý về kế hoạch khoan dưới sự chỉ đạocủa phòng công nghệ khoan và các ban nghành liên quan bao gồm đội khoan,cán bộ kĩ thuật mới bắt đầu thực hiên

Nói chung công tác khoan bao gồm các bước sau:

- Công tác xây lắp và chuẩn bị mọi mặt cho công tác thi công

- Công tác khoan thuần tuý Choòng trực tiếp phá huỷ đất đá

ở đáy và tuần hoàn dung dịch Đây là thao tác cơ bản tạo ra giếng khoannhưng nó cần ít người tham gia nhất Chỉ có kíp trưởng khoan trực tiếp điều

khiển thông qua tời, bàn quay rôto và dẫn động bộ dụng cụ phá huỷ nhờ cộtcần khoan và cần chủ đạo hoặc thông các loại khoan khác.

- Tiếp cần khoan: Khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo tacần nối dài thêm bộ khoan cụ bằng cách gắn thêm đoạn cần khác( có chiều dài

bé hơn chiều dài làm việc của cần chủ đạo) và được lắp vào cột cần khoanphía dưới Cứ như thế cần được lặp đi lặp lại sau mỗi lần khoan hết chiều dàilàm việc của cần vuông

- Công tác kéo thả: Khi choòng khoan đã mòn, cần thay choòng mớihay khi đã đạt đến chiều sâu dự kiến, bộ dụng cụ khoan phải kéo lên để thaychoòng mới hay hạ ống chống

- Công tác chống ống: Hạ xuống giếng cột ống chống đã được tính toántrước và tiến hành trám xi măng theo thiết kế được duyệt

- Công tác lắp đặt đầu ống chống (đầu giếng): khi thả ống chống vàtrám xi măng xong, bước tiếp theo là lắp đặt các thiết bị giá treo đầu ốngchống và làm phủ kín ở đầu mút phía trên của nó giữa các cột ống chống( trừống bảo vệ không được liên kết) Các thao tác này được thực hiện bằng tayđối với các đầu giếng trên mặt đất các thiết bị này cũng cho phép lắp đặt cácđối áp và các đường ống cao áp, trong đó có đường dập giếng và đường xả.Sau khi lắp đặt cần kiểm tra độ an toàn của giá treo ống, đối áp, và áp suấtlàm việc của đầu ống chống

- Công tác hoàn thiện giếng khoan: Đây là công đoạn cuối cùng( saukhi thả ống cột ống chống khai thác) gồm có công việc thả vào giếng các thiết

bị cần thiết theo thiết kế như pake, ống khai thác, van an toàn… thông giếngvới tầng sản phẩm bằng bắn vỉa, thông tầng bằng các phương pháp xử lý axit,

mở vỉa bằng phương pháp thủy lực… sau đó bàn giao giếng khoan cho cáccông ty khai thác quản lý

- bước tiếp theo là thu dọn khoan trường và chuyển đến địa điểm mới

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG KHOAN

Dầu khí là một dạng năng lượng hóa thạch tồn tại chủ yếu trong lòngđất đá nằm ở trên đất liền hoặc ở dưới biển dưới dạng các mỏ còn gọi là mỏdầu Để khai thác được chúng con người cần tạo một lỗ khoan vào sâu tronglòng đất Để làm được điều đó cần có động cơ dẫn động choòng khoan Sauđây là các phương pháp dẫn động cho choòng

2.1 Khoan bằng động cơ đáy

Trong công tác khoan dầu khí việc sử dụng động cơ dẫn động chochoòng khoan là một vấn đề cần thiết và được tính toán hết sức cẩn trọng Bởi

nó không chỉ ảnh hưởng tới cả quá trình khoan sau này, mà còn ảnh hưởng tớikinh tế khi thi công một giếng khoan dầu khí trên biển Trên thực tế việc sửdụng những loại động cơ dẫn động cho choòng, đã được các nhà thầu khoan

áp dụng từ lâu Qua những kiến thức trên lớp và thực tế tôi sẽ giới thiệu sơqua về nguyên lý cấu tạo và tính năng tác dụng của những loại động cơ dùng

để dẫn động quay cho choòng khoan

Có 3 loại động cơ chính dẫn động cho choòng:

 Động cơ khoan điện;

 Tua bin khoan;

 Động cơ trục vít

2.2.1 Khoan tuabin

Từ đầu thế kỷ XX ở Liên Xô (nay là Liên Bang Nga ) đã dùng động cơchìm để quay choòng Vào đầu năm 1924, Tuabin khoan đầu tiên trên thếgiới ra đời, chỉ có một tầng từ đó phát triển rất nhanh tới loại có hàng trămtầng

Vào năm 1934, Nga và Mỹ đã chế tạo thành công tuabin nhiều tầng cóthể từ 100 – 150 tầng, tăng công suất từ 10 – 20 lần, do đó giảm được tốc độquay và không cần đến dùng hộp số

Sau năm 1954, khoan tuabin là chủ yếu, hiện nay song song với cácphương pháp khoan khác, tuabin vẫn được sử dụng rộng rãi

Hình 2.1: tuabin khoan

Nguyên lý làm việc:

Tuabin dùng cho khoan là tuabin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ củatuabin được nối với phần dưới của cột cần khoan bằng ren, còn trục củatuabin nối với choòng khoan

Mỗi một tầng gồm hai phần chính, phần quay được nối với trục tuốcbin gọi là Rôto Phần đứng yên nối với vỏ gọi là Stato, Stato gồm 1 vòng théptrong đó có gắn các cánh uốn cong Rôto cũng gồm một vòng thép bên trongcũng được gắn các bản thép cánh uốn cong nhưng ngược chiều với các cánh

cong của Stato Giữa Rôto và Stato có khoảng cách hở để Rôto quay tự do,trong các cánh quạt của tuabin năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa đượcchuyển hoá thành cơ năng để quay trục tuabin được nối với choòng khoan.Dung dịch qua các rãnh uốn cong của đĩa Stato, dòng dung dịch đó bị đổihướng, khi ra khỏi Stato có vận tốc tuyệt đối lớn đi vào các rãnh Rôto uốncong, và vận tốc ở rãnh khi vào Rôto dòng dung dịch tác dụng xuống cáccánh cong của Rôto làm đĩa Rôto quay dẫn đến trục Rôto quay Ở Rôto chấtlỏng tham gia 2 chuyển động với 2 vận tốc Vận tốc tương đối U1 (thành phầnnằm ngang) làm quay đĩa Rôto và W1 (thành phần thẳng đứng) theo hướngcủa cánh cong, véctơ của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hướng, và đi ra khỏiRôto là C2, với vận tốc này dòng dung dịch đi vào rãnh của đĩa Stato Ở tầngtiếp theo với vận tốc tuyệt đối C2 và ở đây lại lặp lại như ở tầng 1

Cấu trúc của tuabin:

 Tuabin đơn:

Được tạo thành bằng vỏ tuabin và gắn chặt với đĩa Stato của tuabin, ởphía bên trong có trục tuabin gắn với đĩa Rôto để treo trục Bên trong tuabinphải có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan không xâmnhập vào ổ trục chính, do vậy người ta có thể đặt ổ tựa chính ở phía dưới đểnâng toàn bộ khối Rôto Tuỳ theo chiều dài của tuabin người ta có thể lắp từ2-3 ổ tựa ngang Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nốivới đầu dưới của cột cần khoan Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đếnày được bịt kín giữa phần tuabin và trục tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằmđảm bảo áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình làmviệc

số tầng tuabin, cần chế tạo tuabin dài 150-200 tầng nối với nhau Điều nàykhó khăn cho vận chuyển, chính vì thế mà người ta chế tạo nhiều tuabin đểnối với nhau tạo thành tuabin kép

Tuabin kép có 3 kiểu:

 Các trục nối với nhau bằng khớp nối có rãnh (nối kiểu then hoa)

 Các trục của các đoạn tuabin đơn nối với nhau bằng ma sát hình nóncụt

 Các trục của các đoạn tuabin được nối với nhau thông qua khớp nốikép tức là kết hợp giữa nối ma sát hình nón cụt và côn, rãnh vỏ nối vớinhau bằng ren

Ưu, nhược điểm của tuabin khoan:

Có thể nói Tuabin khoan là một động cơ thuỷ lực trên đáy, có nhiệm vụbiến đổi năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa thành cơ năng làm quay trụcđộng cơ để truyền chuyển động quay trực tiếp cho choòng khoan trong quátrình phá huỷ đất đá

*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,cho nên choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạtđược vận tốc cơ học khoan cao hơn nhiều so với khoan Rôto

 Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mòn hơn nên giảm được sự cố vềcần khoan trong quá trình làm việc

 Có thể sử dụng Tuabin khoan để khoan giếng khoan xiên địnhhướng và khoan ngang rất hiệu quả

 Do trên miệng giếng bàn Rôto không quay cho nên giảm được tiếng

ồn và cải thiện điều kiện lao động

* Nhược điểm:

Tuabin làm việc với số vòng lớn ít phù hợp với đa số loại choòng chópxoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay chậm)

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

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

Quá trình bảo dưỡng, sữa chữa tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay

di động hoặc bàn Rôto

2.1.2 Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor)

Hình 2.2 mặt cắt ngang của động cơ trục vít

Hình 2.3 Hình dạng ngoài của động cơ trục vít

Động cơ trục vít tốc độ trung bình:

Có thể tăng vận tốc cơ học khoan khi duy trì thời gian làm việc dài củachoòng Thường được sử dụng khi khoan giếng thẳng đứng và khoan giếng cókhoảng dịch đáy lớn

Động cơ trục vít tốc độ cao:

Mômen quay nhỏ được dùng để khoan ngắn hoặc cắt thân giếng khoan

vì trong từng điều kiện cụ thể mà ta chỉ có thể lựa chọn chính xác phương củathân giếng, góc lệch phương thân giếng Điều này chỉ có thể được xác địnhkhi tải trọng tác dụng lên choòng thấp

=> Động cơ trục vít có kích thước không lớn, phù hợp khi sử dụngchúng với ống mềm quấn vào tang tời, khoan các giếng có đường kính béchiều sâu lớn Đặc biệt khoan cắt xiên, khoan ngang và khoan những giếng cóthân giếng yếu

* Ưu, nhược điểm:

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 theo

sự giảm áp, có kết cấu đơn giản, tiết kiệm vật liệu chế tạo động cơ

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 trong động cơ được tự động nhờ sự thay đổi liên tục vịtrí không gian của đường tiếp xúc

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

2.1.3 Động cơ khoan điện.

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 dung dịch khoan vàobên 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 các

3 at, để không cho chất lỏng khoan lọt vào động cơ

Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một cái chứa dầumáy bay dẫn vào bên trong phớt, còn 2 cái chứa dầu biến áp liên thông vớiphần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ Bờitrong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động

cơ bị đốt nóng thì áp suất sẽ giảm cần phải bù thêm

Đặc tính không tải của động cơ là dòng tăng rất nhanh khi số vòngquay tăng ít Vì vậy khi khởi động và chất tải cần phải tăng điện áp trong quátrình làm việc thì trị số mômen cực đại thường gấp 2 lần mômen định mức

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 với nhau bằngmột đầu nối đặc biệt gắn trong gia mốc

* Ưu nhược điểm:

Khoan bằng động cơ điện chìm về lý thuyết tỏ ra lợi thế như khoantuabin và khoan trục vít tuy nhiên có hạn chế về mặt đặc tính của động cơ sốvòng quay cao, yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệtđối

Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ, áp suấttương đối cao, khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn

Chi phí cho công tác vận hành tốn kém, động cơ cồng kềnh, phức tạp

 Qua ưu nhược điểm của động cơ điện chìm thì trên thực tế ít đượcứng dụng rộng rãi do nó mang lại hiệu quả kinh tế không cao Hiện nay loạiđộng cơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm

2.2 Khoan bằng động cơ trên bề mặt

Có 2 loại chính cơ bản:

- Bàn rôto (bàn xoay);

- Đầu quay di động (topdriver)

2.2.1 Bàn Rôto

Chức năng và nguyên lý cấu tạo

Chức năng của bàn quay rôto:

Đóng vai trò là bộ truyền trung gian, biến chuyển động quay của trụcnằm ngang thành chuyển động quay của trục thẳng đứng (cột cần khoan) đểtruyền mômen quay từ trên bề mặt xuống choòng khoan

- 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 tùy theo yêu cầu mà có thể thiết kếtruyền động cho rôto bằng 2 phương án: dùng động cơ dẫn động riêng hoặc từhộp tốc độ của tời qua bộ truyền xích hay các đăng

Hình 2.4 Các bộ phận chính của bàn rôto

Nguyên lý cấu tạo :

Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn quay

và hệ thống ổ đỡ (vòng bi) Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển độngquay từ trục dẫn nằm ngang đến bàn quay xung quanh trục thẳng đứng Tất cảcác hệ thống ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôi trơn bằng dầu

Đặc tính kỹ thuật của bàn rôto là: tần số quay và số tốc độ truyền côngsuất, tải trọng tĩnh cho phép lên rôto và đường kính lỗ bàn rôto

Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôtođược đặt các bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện cần chủ đạo (haycòn gọi là các chấu chèn)

Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôtotrong công tác khoan dầu khí thì điều kiện lỗ bàn rôto từ (400 – 700) mm Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cần khoanhoặc cứu chữa sự cố

Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (Có 2 loại ổ đỡ là ổ

đỡ chính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân ra làm 2 loại là bàn rôto có ổ đỡchính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới

Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trong quá trình làm việc chịu tác dụng của toàn

bộ trọng lượng cột cần khoan hoặc ống chống treo trên nó và lực ma sát giữacần chủ đạo với bàn rôto

Ổ đỡ phụ chỉ chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cộtkhoan và phản lực đáy gây nên

a) Ưu, nhược điểm:

* Ưu điểm:

Bộ phận cơ khí này có kết cấu đơn giản và rất ít phải bảo dưỡng Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình kéothả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn

* Nhược điểm:

Không dùng để khoan lấy mẫu do phải kéo bộ dụng cụ khoan lên khỏiđáy khi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đá không ổnđịnh

Sử dụng thiết bị đầu quay rôto không dùng được tần số cao

2.2.2 Đầu quay di động (TopDrive)

Như tên gọi, thiết bị này ngoài việc thực hiện các chức năng như đầuxoay thủy lực thông thường mà nó có thể truyền động lên trục quay Động cơnày có thể giống với động cơ của bàn rô to độc lập, có nghĩa là động cơ điệnmột chiểu hoặc động cơ thủy lực Loại động cơ thủy lực ít phổ biến vì cần lắpđặt thêm một thiết bị có công suất thủy lực đặc biệt Thiết bị này thường được

sử dụng trong các hoạt động khai thác của giếng khoan tốn kém (như ở biểnbắc ) vì nó có các ưu điểm sau :

- Không phải dùng cần chủ đạo

- Thao tác lắp với bộ khoan cụ làm việc ở mọi độ cao

- Làm quay bộ khoan cụ khi nâng và tuần hoàn dung dịch (doa ngược)

- Lấy lõi khoan dài

- Không cần tháo rời bộ khoan cụ giữa hai giếng khoan khai thác khiviệc dịch chuyển thiết bị khoan có thể thực hiện với tháp khoan đứng và cầndựng trong tháp

- Có khả năng tác động ngẩu lực tĩnh trong thời gian không xác định(chỉ trong trường hợp đầu quay lắp động cơ thủy lực)

Hình 2.5 động cơ topdriverTuy vậy, việc lắp đặt đầu quay có một số nhược điểm sau :

- Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất mômencản

- Phải gia cố kết cấu do lực xoắn phụ

- Phải tăng chiều cao tháp vì đầu quay dài hơn đầu xoay thủy lực thôngthường

- Phải có các ống mềm và cáp điện trong tháp khoan

- Tăng khối lượng đáng kể ở trên cao

- Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều

so với hệ thống bàn rô to và cần chủ đạo

PHẦN II: SỬ DỤNG, BẢO DƯỠNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG 500/500 TẠI GIÀN KHOAN TAM ĐẢO 01

PS2-CHƯƠNG III: CẤU TẠO CHỨC NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU QUAY DI ĐỘNG

3.1 Lịch sử phát triển và nguyên lý cấu tạo

Từ việc khoan chủ yếu bằng phương pháp khoan đập trong những nămcuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 thì trong những thập niên sau này phương phápkhoan roto đã chứng minh được khả năng ưu việt của nó Để khoan đượcchiều sâu lớn Thời gian khoan nhanh, đem đến hiệu quả cao về kinh tế.Trong những năm 80 của thế kỉ 20 thì trên thế giới xuất hiện một thiết bịkhoan mà chúng kết hợp với đầu xoay thuỷ lực cộng với sự quay của cột cầnnhờ động cơ gắn trực tiếp Thiết bị này người ta gọi là đầu quay di động haycon gọi là topdriver

Tập đoàn dầu khí VIETSOVPETRO đã đem vào sữ dụng đầu quay diđộng ps2-500/500 của hãng national oilwell (Mĩ) vào năm 1996 đã thể hiệnđược tính năng ưu việt của nó trên giàn tụ nâng Tam Đảo và Cửu Long Đâycũng là dấu hiệu cho sự phát triển của nghành dầu khí nước ta sau này

Trong công tác khoan dầu khí dùng bàn Roto, cần vuông là tiêu chuẩncông nghiệp trong thời gian nhiều năm Để lắp ráp cần khoan phải sử dụngcùng lúc nhiều thiết bị và dụng cụ

Phương pháp khoan này làm việc tốn nhiều sức lao động, làm giảm đihiệu quả và sự cản trở phát triển

Topdrive thay đổi đáng kể việc tiếp cần khoan, truyền chuyển độngquay, tăng thêm sự an toàn và hiệu quả khi khoan Đặc biệt Topdrive làmgiảm đáng kể khả năng kẹt bộ khoan cụ trong giếng khoan

Topdrive là tổ hợp thiết bị quay gắn liền với thiết bị nâng Vòng biquay gắn vào thân hộp số, điều này cho phép nó vừa quay cột cần khoan vừa

để đỡ cụm thiết bị

Topdrive còn tách biệt tải khi khoan và tải khi kéo thả bộ cần khoan,ống chống Việc tách biệt tải như trên làm tăng an toàn và tăng độ bền củavòng bi quay

Topdrive bao gồm hệ thống giữ cần để vặn vào, tháo ra các mối nốitrong quá trình khoan

Khi vặn vào, tháo ra các mối nối cần khoan với mômen tăng hoặc giảmđược thực hiện bằng việc tăng hoặc giảm mômen vặn ở động cơ điện thôngqua hộp số

Mối nối ren giữa van cầu trên và đầu nối chủ lực, van cầu trên và vangiữ dung dịch, van giữ dung dịch và van cầu dưới, van cầu dưới và đầu nốilàm việc được hãm bởi vành kẹp để các mối nối đó không tự tháo ra đượctrong khi tiếp cần và tháo bớt cần khoan

- Elevator có thể thay đổi vị trí nhờ các xi lanh gắn vào quang treo

- Elevator có thể đưa tới lỗ phụ, đẩy ra phía trước, phía sau củaTopdrive để tránh giếng khoan trong khi khoan Khả năng di chuyển đó cungcấp cho thợ khoan thao tác thuận tiện với cột cần khoan

Hệ thống cân bằng cho phép thợ khoan vặn tháo các mối nối cầnkhoan với sự làm giảm mòn và hư hỏng ren của mối nối

Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi thợ khoan Các chế độ này dùng

để tách mối nối, nối các mối nối với sự kiểm soát tải lên ren và đặt xấp xỉ tảiTopdrive để thả ống chống

Topdrive có nhiều cách để quay cột cần khoan khi khoan các giếng dầukhí và khi tiếp cần Hệ thống giữ cần của Topdrive để thiết kế tiếp cần dựng

Do đó giảm được 2/3 thời gian tiếp, tháo cần khi khoan Topdrive linh hoạthơn bàn Roto, có thể kéo cần cùng với sự tuần hoàn dung dịch khoan, quay

Topdrive được liên kết với hệ ròng rọc động bằng quang treo động cơthủy lực Một trục chính dẫn đường từ động cơ điện 1 chiều qua hộp số, một

hệ thống van cầu được gắn bên trục chính, sự thiết kế này đã tạo ra tải trọngtập trung vào ổ đỡ của đầu thủy lực trong khi khoan

Topdrive làm việc có hiệu quả hơn, khả năng đặc biệt của nó là có thểdoa ngược, tức là vừa kéo cần vừa quay bộ khoan cụ

Bục điều khiển của thợ khoan được thiết kế để thợ khoan thao tác đơngiản nhất Bục điều khiển bao gồm các đèn chỉ thị để thợ khoan theo dõi tìnhtrạng hiện hữu của các bộ phận trong Topdrive

Đồng hồ đo mômen, đồng hồ đo tốc độ quay cũng nằm trong bục điềukhiển

* Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới

- Hãng Tesco

Đây là hãng chế tạo thiết bị khoan Canađa đã nghiên cứu chế tạo thànhcông Topdrive từ năm 1986

Sản phẩm của hãng Tesco được sử dụng trên cả đất liền và trên biển

Nó có khối lượng là 12.000pounds, do đó làm giảm tải trọng cho tháp khoan

và lắp ráp cũng như vận chuyển dễ dàng

Các sản phẩm của hãng: Tesco-500T, Tesco-350T

Các thông số kỹ thuật: Tesco-350T,Tesco-500T

Đây là hãng sản xuất của Mỹ với nhiều loại sản phẩm 3S, 4S, TDS-6S Động cơ trên tổ hợp đầu quay là động cơ điện một chiều có côngsuất 1100 - 1300HP.

TDS Hãng Maritime Hydraulics A.S

Đây là hãng sản xuất Topdrive của Nauy, sản phẩm của hãng là:DDM500-DC

Các thông số kỹ thuật:

+ Động cơ điện một chiều: GE 753USI

+ Áp suất thủy lực: 180 (bar) (2650PSi)

+ Áp suất khí nén: 7bar

+ Mômen quay liên tục: 44.000 N - m

+ Mômen quay gián đoạn: 50.000 N - m

- tốc độ quay không tải lớn nhất : 1200 vòng/phút

- mômen lớn nhất 66200 ft-lb tuong đương với

99300 N.m

- Áp suất làm việc lớn nhất của cụm ống rữa 500 psi

- Tải trọng móc nâng lớn nhất 500 tấn

3.2 Cấu tạo và chức năng hoạt động của đầu quay di động PS2-500/500

Topdriver là thiết bị khoan hiện đại, đạt năng suất khi khoan Do đó nó

có cấu tạo tương đối phức tạp Do vậy, để biết rõ nó ta phải tìm hiểu kĩ

Hình 3.1 Hình dáng bên ngoài của topdriver PS2-500/500

b) Chức năng, hoạt động:

Chức năng chính của hệ thống cân bằng là treo toàn bộ khối lượng củađẩu quay di động hoặc thêm khối lượng của một cần dựng hoặc khối lượngcủa một ống chống nhằm hổ trợ quá trình tháo và vặn cần khoan hoặc ống

chống Hệ thống khí nén trong 8 xilanh khí giúp cho quá trình điều chỉnh sựthẳng đứng của cần dựng hoặc ống chống tốt hơn Khi khối lượng kéo quá lớntoàn bộ khối lượng của topdriver sẽ được truyền cho dầm di động thông quachốt liên kết Sức tải của chốt này có thể lên đến 500 tấn Chiều dài di chuyểncủa chốt liên kết là 11 inch do đó độ dịch chuyển của pittong trong xi lanh khícủng là 11 inch.

có thể tháo lắp nhằm cho phép kiểm tra toàn bộ hộp số, bánh răng, bầu lọc vàcho phép bơm dầu Hai tấm kính phía sau hộp số và que đo nhớt cho phép dễdàng đo được mức dầu

Hình 3.3 Hộp số Topdrive

 Hệ thống bôi trơn hộp số

Hình 3.4 Hệ thống bơm dầu bôi trơn

Do hộp số đặt thẳng đứng vì vậy cân phải có hệ thông bơm dầu bôi trơncho các bánh răng nằm phía trên Có hai bầu lọc đảm bảo dầu bôi trơn đượclọc sạch Bầu lọc này nằm ở phía ngoài hộp số cho phép có thể thay thế nếucần thiết Một cái cảm biến áp suất được lắp phía trong bầu lọc có thể cho thợkhoan biết được sự mất áp suất dầu trong bơm Trong trường hợp thợ khoanthử tháo bầu lọc ra trong quá trình vận hành đường hút dầu của bơm sẻ tựđộng bị van ngắt Khả năng chứa của hộp số là 41 gallon

- Cơ cấu chuyển đổi số:

Cơ cấu chuyển đổi số bao gồm một vòng thẳng đứng ăn khớp với trụctrung gian tại hai cấp tốc độ thấp và cao của hộp số Vòng này được liên kếtvới một xilanh thủy lực vận hành bằng khí nén Thợ khoan điều khiển tốc độquay của topdriver thông qua hệ thống khí nén của xilanh này

Hình 3.5 Cơ cấu chuyển đổi số

3.2.3 Cụm ống rửa

Cụm ống rửa được liên kết với thân trục của đầu quay di động thôngqua tuyu ô cao áp nằm ở phía trên và hộp số ở phía dưói chức năng của nó làliên kết phần không quay là ống dung dịch với trục của hộp số nhằm tuầnhoàn dung dịch khoan cấu tạo như hình

Phía ngoài được bao kín bằng vỏ ống tuyu ô cao áp Cụm ống rửa chỉhoạt động tôt khi đặt nó nằm thẳng đứng

lỗ có tác dụng như các kênh dẫn khí nén nguồn cho các xilanh nâng hạ quangtreo Elevator, khí nén điều khiển van cầu trên, khí nén điều khiển van thủylực bộ ngàm kẹp , khí nén nguồn cấp cho bộ ngàm kẹp.

Vành quay có lắp hai chốt khóa, hai chốt này được điều khiển bởi hệthống thủy lực đảm bảo ngăn chặn sự quay của vanh quay Nó được khóa khi

hệ thống kẹp ngàm hoạt động để tháo hoặc vặn cần khoan hoặc ống chống

Vành quay là nơi lắp Elevator, là một thành phần trong hệ thống chịutải khi kéo thả bộ khoan cụ, ống chống

Hình 3.7 Vành quay

3.2.5 Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator

Do cơ cấu được gắn trên vành xoay nên Cơ cấu điều khiển quang treoElevator cho phép điều khiển Elevator theo bốn vị trí khi khoan, vị trí trunggian, vị trí tiếp cần lỗ phụ và vị trí tiếp cần chung

Cơ cấu được trang bị hệ thống khí nén, với hai xi lanh tác dụng kép gắnvới hai cánh tay móc với elevator, hệ thống khí này được nối với hệ thốnghộp điều khiển bằng van điện từ giúp cho quá trình điều khiển elevator trởnên dễ dàng

Hình 3.8 Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator

3.2.6 Bộ đẩy Elevator

Bộ đẩy Elevator hoạt động bằng khí nén với các công tắc thao tác trênbảng điều khiển có tác dụng làm thay đổi vị trí quang treo và Elevator Khikhoan Elevator được đẩy ngược lại, tùy theo vị trí của Elevator mà thực hiệncông tác kẹp cần hay thao tác cáp địa vật lý

- Công tắc trên bảng điều khiển bộ đẩy Elevator “LINH TILT:DRILLING/NEUTRAL/MOUSE HOLE/RACKING”

- Công tắc có bốn vị trí lựa chọn cho phép Elevator có thể di chuyểntheo phương ngang so với giếng

- Ở vị trí DRILLING: Elevator được đẩy ngược trở lại không gây cảntrở cho cột cần khoan

- NEWTRAL: Elevator được treo tự do thẳng hàng với giếng khoan

- MOUSE HOLE: Elevator được đẩy ra xa so với ống thủy lực

- RACKING: Elevator được đẩy ra xa để thực hiện công tác gắp cầnkhoan phục vụ cho công tác ghép nối

Elevator thuộc hệ thống khí nén Topdrive PS2 - 500/500

3.2.7 Bộ ngàm kẹp cần

Bộ kẹp cần hạn chế sự vặn xoắn của chuỗi cần khoan và ống chốngtrong suốt quá trình tháo và lắp Hai xilanh thủy lực được bố trí đối diện hoạtđộng được nhờ khí nén Hệ thống kẹp có thể có áp suất lên đến 2000 PSI Khi

hệ thống kẹp nhả áp suất trong xi lanh thường cố định với áp suất từ 100 đến

200 PSI Trong xilanh có hệ thống lò xo để kéo bộ kẹp trở lại vị trí ban đầu

Bộ kẹp cần được điều khiển tại bảng điều khiển của đốc công khoanbằng nút bấm “grab” gồm hai lựa chọn pull và push Nút pull là hệ thống kẹpcần hoạt động Một đèn tín hiệu được bật sáng để chỉ thị Tính hiệu này là tínhhiệu điều khiển được gửi đến bộ kẹp

Hình3.9 Hệ thống kẹp cần

3.2.9 Hệ thống van cầu

Hình 3.11 Bộ van cầu chống phun

1 – đèn tính hiệu điều khiển van cầu trên2,4,6 – vòng kẹp

3 – van khống chế dung dịch

5 - elevatorIBOP (Internal Blow Out Preventor) là thiết bị chống phun bên trongcần Đó là một loại van đối áp được đặt giữa đầu quay và cột cần khoan có tácdụng phòng ngừa dầu khí phun trong cần

Hệ thống van cầu gồm có van cầu trên điều khiển từ xa bằng khí nén,van cầu dưới điều khiển bằng tay, mối nối ren giữa các van và đầu nối saukhi vặn chặt được khóa bởi các vòng kẹp giữa van cầu trên và van cầu dưới

3.2.9.1 Van cầu trên

Van cầu trên được gắn trực tiếp với đầu trên của trục chính với một đầunối ren thuận đường kính 7"5/8 theo tiêu chuẩn của API Bên trong có mộtvan cầu với đường kính lỗ 3" Hai cơ cấu dẫn động khí nén dùng để điềuchỉnh van đóng mở

Mỗi bên của van được gắn với một cơ cấu dẫn động để cung cấp mộtmômen quay 400lb.ft để đóng van Ngoài ra trục của cơ cấu dẫn động có chỗ

để clê vào đóng mở bằng tay khi cần thiết

3.2.9.2 Van cầu dưới

Van cầu dưới được lắp ráp nhằm cho phép tháo lắp hệ thống van khicần thiết Nó cũng có một quả cầu, quả cầu này tương đương với quả cầutrong van cầu trên Nó được đóng bởi một cần khóa nằm phía ngoài Đầu trênđược nối với van khống chế dung dịch, đầu dưới được gắn với thiết bị chốngmòn

3.2.9.3 Bộ vòng kẹp

Khi động cơ truyền động để quay choòng khoan hoặc khi doa ngược

mô men từ động cơ có thể làm chặt hay nới lỏng các mối nối của hệ thống vancầu do đó cần có hệ thống kẹp nhằm giữ chặt các mối nối một cách cố định

Cấu tạo của bộ vòng kẹp tương tự cấu tạo của hệ thống tăng đơ giúpchúng ta có thể nới lỏng hoặc xiết chặt dễ dàng Bộ phần tiếp xúc là các vấu

ma sát

3.2.9.4 Van khống chế dung dịch khoan

Phần giữa của van cầu là van khống chế dung dịch khoan Nó là đầunối chuyển tiếp giữa van cầu trên và van cầu dưới, đầu trên của nó có kíchthước cỡ ren 6"5/8 ăn khớp với ren đầu dưới của van cầu trên; đầu dưới nốivới van cầu dưới

Chức năng của van khống chế dung dịch là tự động đóng mở, duy trì ápsuất dung dịch tới 90PSi trên đường ống sau khi bơm dung dịch ngừng hoạt

động Để làm được điều này tại khoảng không vành xuyến giữa van khốngchế dung dịch và luôn được cung cấp bởi áp suất

Áp suất làm việc của van:

- Lớn nhất: 150PSi

- Nhỏ nhất: 90PSi

3.2.10 Cơ cấu dẫn hướng

Xe lăn dẫn đường gồm có 4 cụm xe lăn, hai cụm dưới gắn vàothân Topdrive PS2 - 500/500, hai thanh trên gắn vào khung giá động cơ điện

Mỗi cụm xe lăn có cấu tạo: con lăn gắn vào thanh đàn hồi

Topdrive được hướng dẫn trong đường ray bởi hệ thống con lăn lò xonên thiết bị dễ dàng di chuyển theo phương thẳng đứng

Tuy nhiên yêu cầu với đường ray phải thẳng hàng không cong vặn, bópméo, các con lăn có khả năng tự điều chỉnh khe hở giữa nó và đường ray

Với hai tầng lò xo cho phép giới hạn chuyển động con lăn, với hệ thống

lò xo này giúp con lăn luôn tiếp xúc với bề mặt của đường ray

Hình 3.12 Hệ thống dẫn hướng

3.2.11 Hệ thống làm mát

Topdrive PS2 - 500/500 được làm mát bởi một hệ thống thổi, phin lọc,

bộ phận thải chất bẩn, bộ phận phun tia lửa điện

Tất cả các hệ thống này gắn trên khung động cơ và cách ly với động cơbởi một vòng cao su được đặt giữa khung hệ thống thổi, khung động cơ

Động cơ ba pha 15HP cung cấp khí sạch qua phin lọc vào khoang động

cơ và hấp thụ lượng nhiệt tỏa ra khi làm việc Hệ thống làm mát này đượcđiều khiển bởi cơ cấu cung cấp khí đặt trên giàn khoan

Hình 3.13 hệ thống làm mát động cơ điệnChú thích : 1: Động cơ khoan

2: Cửa kiểm tra

3: Cổng vào của không khí làm mát

4: Máy quạt không khí

an toàn cho hệ thống dây

Các hộp nối dùng cho việc nối các đầu ống dây của hệ thống, cácđường phụ trợ, nó được đặt trên mặt bằng làm việc của tháp.

3.2.13 Hệ thống khí nén

Yêu cầu của nguồn khí nén là phải sạch, có nhiệt độ hóa hơi thấp hơnnhiệt độ của môi trường với áp suất nhỏ nhất là 100Psi Khí nén luôn đượcsấy khô và lọc sạch bởi một hệ thống phin lọc có thể lọc hạt bụi cỡ 25μm

Các thành phần được điều khiển bằng hệ thống khí nén gồm các bộphận dưới đây:

 Hệ thống cân bằng

 Hệ thống tín hiệu của dầm cân bằng

 Hệ thống khóa hộp số và hệ thống kẹp cần

 Bộ hãm động cơ khoan

 Hệ thống bơm thủy lực của hệ thống kẹp

 Hệ thống tính hiệu điều khiển hệ thống kẹp

 Động cơ khí quay vành quay

 Bộ hãm của động cơ khí quay vành quay

 Chốt khóa của vành quay

 Bộ điều khiển hệ thống van cầu

 Hệ thống lọc

 Bộ phận chuyển đổi

 Hệ thống điều khiển quang treo elevator

Hình 3.14 sơ đồ phân phối khí nén

3.2.14 Hệ thống điều khiển tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 500/500

-Hệ thống điều khiển tổ hợp đầu quay Topdrive PS2 - 500/500 đượcbiểu diễn qua bảng điều khiển mà trên đó thể hiện tất cả các chức năng củaTopdrive

Các thành phần chính của hệ thống điều khiển:

 Thiết bị cho người vận hành, bảng điều khiển

 Bảng chuyển tiếp tín hiệu điều khiển

 Các hệ thống dây điện và thiết bị phụ trợ

Bảng chuyển tiếp gồm có các bộ phận tiếp xúc một chiều để mở nguồnđiện cho động cơ Một chương trình điều khiển các chức năng của hệ thốngmột cách chính xác và hợp lý.

Hình 3.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển Topdrive PS2 - 500/500

3.2.14.1 Thiết bị và bảng điều khiển cho người vận hành

Đồng hồ mômen quay, đồng hồ vận tốc động cơ và các loại đèn báocùng với công tắc điều khiển

Các chức năng của hệ thống:

Topdrive PS2 -

500/500

Hộp nối trên tháp

Các thiết bị điều khiển bảng điều khiển

khiển

Động

cơ điện

Bàn Roto

 Điều khiển bộ đẩy Elevator.

 Điều chỉnh mômen quay khi tháo vặn đầu nối

 Điều khiển từ xa đóng mở hệ thống van cầu trong cần

 Điều chỉnh phanh động cơ

 Điều khiển công tắc chuyển tiếp

 Điều khiển mômen quay động cơ, mômen quay giới hạn khi vặn.Bảng điều khiển có các đèn báo chỉ dẫn xác định trạng thái chức năngcủa từng thiết bị trong quá trình vận hành:

 Phanh động cơ

 Hệ thống điều khiển từ xa van cầu trong

 Điều khiển bơm thủy lực

3.2.14.2 Bảng chuyển tiếp tín hiệu điều khiển

Topdrive được điều khiển từ phòng SCR và nguồn điện được nối giữachúng qua bảng chuyển tiếp tín hiệu Các thiết bị trên bảng điều khiển chuyểntiếp tín hiệu gồm có:

 Các bộ tiếp xúc một chiều

 Chương trình điều khiển

 Các thiết bị điện xoay chiều phụ trợ

 Các thiết bị của giàn được liên kết để ghi lại tốc độ và mômenquay của trục chính

 Các tín hiệu điều khiển được nối với hệ thống bằng chương trình