Thiết bị động lực

Thiết bị động lực là toàn bộ hệ thống dùng để biến điện năng hoặc năng lượng của nhiên liệu thành cơ năng và hệ thống điều khiển cơ năng. Công

suất của thiết bị động lực chủ yếu dùng để quay cột cần khoan, kéo thả và

tuần hoàn dung dịch, ngoài ra còn dùng cho một số việc phụ trợ khác.

Yêu cầu cơ bản đối với thiết bị động lực là phải có đường đặc tính mềm

nghĩa là có khả năng tự động điều khiển thích ứng một cách nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải, bảo đảm sử dụng công suất tốt nhất. "Đặc tính mềm"

được đặc trưng bằng hệ số chịu tải K và khoảng điều chỉnh tốc độ R. Hệ số K

dm

M M

K  max (1.2)

Trong đó:

Mmax: Mômen quay lớn nhất của động cơ với chếđộlàm việc ổn định, Mđm: Momen quay định mức. min max n n R (1.3) Trong đó: nmax: sốvòng quay lớn nhất, nmax: sốvòng quay bé nhất.

Động cơ điện một chiều và động cơ đốt trong có bộ truyền thuỷ lực thì có đặc tính mềm cao, nghĩa là hệ số số chịu tải và khoảng điều chỉnh tốc độ

tốt. Ngoài đặc tính cơ bản trên, động cơ chạy tời và rôto cần phải có:

- Mômen khởi động cao để thẳng quán tính của cột cần khoan và lực ma

sát giữa cột cần và thành lỗ khoan,

- Khởi động êm vì nếu gia tốc lớn thì ứng suất động trong cột cần sẽ

lớn có thể gây ra sự cố,

- Có thể đảo chiều quay,

- Cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, có thể dừng lại ngay khi cần thiết, an toàn đối với hoả hoạn, kinh tế.

Động cơ chạy bơm không cần mômen khởi động cao, không cần đảo chiều quay, các yêu cầu khác cũng giống như động cơ chạy tời và rôto.

Hình 29 Máy phát điện diezel 1.1.7.1Động cơ đốt trong

Động cơ điezel là loại động cơ biến nhiệt năng do nhiên liệu cung cấp (Dầu ma zút) thành cơ năng. Ưu điểm của loại này là có thể làm việc ở xa nguồn điện năng. Tiêu hao nhiêu liệu không nhiều. Khuyết điểm của nó là không đảo được chiều quay (phải thêm bộ phận đảo chiều không cho phép quá

tải trên 20%, cần có công nhân tay nghề cao để chạy máy.

1.1.7.2Động cơ điện xoay chiều

Ưu điểm chủ yếu của loại thiết bị này là lắp đặt và sử dụng tương đối

đơn giản, chắn chắn và kinh tế. ở các vùng khoan khai thác, có điều kiện cung cấp điện năng tập trung nên dùng điện của mạng điện công nghiệp.

1.1.7.3Tổmáy điezel - điện một chiều

Tức là dùng động cơ điezel để chạy động cơ điện một chiều. Dùng tổ máy điezel-điện một chiều có thể khắc phục được các khuyết điểm của

điezel.

1.1.7.4Diezel có trang bị bộ truyền thuỷ lực

Bộ truyền thuỷ lực là cơ cấu trung gian nối giữa điezel và trục truyền bao gồm:

- Khớp nối thuỷ lực, - Biến tốc thuỷ lực.

Nguyên tắc làm việc của nó dựa trên sự truyền động của chất lỏng. Sử

- Ngăn cách sự truyền sóc từ thiết bị đến động cơ và ngược lại. - Thay đổi tốc độ quay của trục bị động.

- Nâng vật nặng lên êm.

- Tránh được hiện tượng quá tải cho động cơ.

1.1.8 Thiết bị trám xi măng giếng khoan

1.1.8.1Các thiết bị công nghệ trong cấu trúc cột ống chống

Trong thành phần cấu trúc của cột ống chống luôn bao gồm các trang bịkhông thể thiếu để thực hiện bơm trám thành công và những trang bị sẽđược sử dụng tùy quan điểm, ý định và mục đích của người thiết kếvà thi công khoan;

Các trang bịđược sử dụng đểnâng cao chất lượng trám bao gồm lồng định tâm cứng (mềm), thiết bị tạo rối, cào – chổi, v.v…

1.1.8.2Chân đế

Là phần dưới cùng của cột ống chống, đầu chân đế được vát tròn để giảm đến mức tối đa vướng mắc khi thả. Phần đầu vát tròn thường được chế tạo từxi măng độ bền cao, phần này sẽđược khoan phá (hình 1.5). Người ta phân biệt một số loại chân đế sau:

- Chân đế có rãnh (hoặc không có rãnh tuần hoàn trên thân), có hoặc không khoan lỗtrên thân: chúng được thiết kế nhằm tránh làm tắc lỗ tuần hoàn chính (lỗ thoát giữa chân đế) khi thả ống chống qua các đoạn phức tạp; - Chân đế ống chống có hoặc không lắp van ngược (van một chiều).

Tuy nhiên sử dụng van ngược một chiều trên chân đế hoặc van ngược cũng gây ra một số phiền phức sau:

- Cột ống chống phải thả chậm đểngăn ngừa hiệu quả hiệu ứng píttông tạo phản áp lên vỉa, nhất là khi thảqua các vỉa yếu, dễ mất dung dịch;

- Qua các khoảng thời gian nhất định phải liên tục rót dung dịch vào trong ống chống đểngăn ngừa chênh áp gây bóp méo ống chống. Công việc này thường mất nhiều thời gian;

1.1.8.3Van ngƣợc

Trước đây, van ngược và vòng dừng được thiết kếvà sử dụng tách rời nhưng hiện nay người ta thường thiết kếvan ngược có kèm thêm nhiệm vụvòng dừng. Chức năng chính của van ngược – vòng dừng là:

- Ngăn cản dung dịch khoan, dung dịch xi măng đi vào ống chống (đặc biệt cần thiết ở cuối quá trình bơm ép xi măng sẽ tạo ra chênh áp lớn);

- Tránh nguy cơ phun trào khi thảống;

- Là ổ đỡ để nút trám “ngồi” lên van ngược, bịt kín lỗ tuần hoàn làm tăng áp suất báo hiệu kết thúc quá trình bơm ép xi măng. Hãng Weatherford cũng như một sốhãng khác đã thiết kế loại van ngược chuyên dụng có bộngàm trên thân để giữ chắc và chống xoay nút cao su khi khoan phá. Sử dụng bộ van ngược, nút cao su chuyên dụng như trên sẽ giảm đáng kể thời gian khoan phá cốc xi măng;

- Van ngược được thiết kếvà chế tạo theo một vài loại mẫu khác nhau như:  Van bi cầu một chiều thông thường (hình 1.6).

 Van một chiều luôn đóng (hình 1.7).

 Van một chiều tựđiền đầy dung dịch khi thảống chống và đóng khi điều khiển từ miệng giếng (hình 1.8).

 Van một chiều một bi, hai bi nhằm làm tăng độkín của van.  Van kiểu bướm.

1.1.8.4Định tâm ống chống

Là thiết bịđược lắp vào cột ống chống khi thảnhưng tùy thuộc quan điểm của người sử dụng, định tâm sẽđược lắp nhiều hay ít, cứng hay mềm hay kết hợp rất khác nhau trong thực tếthi công khoan. Mục đích sử dụng định tâm trong giếng khoan là:

- Giữ cột ống chống nằm giữa giếng khoan đểduy trì khe hởcân bằng nhằm cải thiện quá trình thay thế dung dịch khoan bằng vữa xi măng được tốt nhất;

- Định tâm với vai trò hạn chếvà giảm đáng kể sự tiếp xúc giữa ống chống với thành giếng nhằm giảm lực cản ống chống khi thảcũng như ngăn ngừa quá trình dính ống.

Ta thường phân loại định tâm theo một số cách sau:

- Định tâm mềm (hình 1.8): chủ yếu đểđịnh tâm ống chống trong thân trần; - Định tâm cứng (hình 1.9): chủ yếu đểđịnh tâm ống chống trong ống chống

trước. Tuy nhiên, do độ cứng hơn hẳn nên loại định tâm cứng cũng được đề xuất sử dụng trong đoạn thân trần cần định tâm tốt nhưng điều kiện thân giếng không quá phức tạp.

1.1.8.5Nút trám cao su

Nút trám là trang thiết bị thiết yếu trong thành phần cấu trúc ống chống khi trám và được phân loại theo chức năng sử dụng như “nút trámcách ly trước - hình 1.9” và “nút trám cách ly sau” dùng để cách ly trước và sau khối vữa xi măng.

Thông thường nút được chế tạo từ cao su, chất dẻo tổng hợp chất lượng cao còn lõi từ chất dẻo tổng hợp hoặc gang để dễdàng khoan phá. Nút được coi là chất lượng khi đạt được các chỉtiêu cơ bản sau:

- Đảm bảo duy trì chênh áp qua nút (nút sau vữa xi măng) không nhỏhơn 5.0 MPa;

- Không bịphá hủy ởmôi trường nhiệt độ, áp suất và lưu chất đáy giếng trong thời gian nhất định (3÷6 giờ);

- Dễdàng khoan phá nút bằng các loại choòng thông thường.

1.1.8.6Các thiết bị công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả thay thế

Trong sốcác trang thiết bị được sử dụng đểnâng cao hiệu quả thay thế dung dịch khoan bằng vữa xi măng, ta thường gặp các trang bị sau:

- Cào, chổi (hình 1.11) dùng để cào, nạo các vỏbùn trên thành giếng nhằm làm cho xi măng tiếp xúc “thật” với đất đá;

- Thiết bị tạo rối (hình 1.12) dùng để tạo rối hay chuyển hướng dòng chảy của xi măng bao quanh thân ống nhằm đạt được hiệu quả thay thế tốt hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ tạo rối cần tính toán kỹ tổn thất sức cản thủy lực vì nếu đặt nhiều tạo rối có thể tăng áp suất bơm lên đáng kểgây vỡ vỉa.

- Bộ tạo rối thường được chế tạo từ nhôm cao cấp với 3÷5 cánh uốn trên thân. Chúng được lắp cốđịnh trên ống chống bằng các vít gắn trên thân hay hãm bằng hai vòng hãm ởhai đầu cho phép tạo rối –định tâm có thể dịch chuyển trong một đoạn cho phép.

Các chuyên gia của Liên bang Nga […] đã thiết kế, lập mô hình thử nghiệm nhằm tìm ra các thông số tối ưu của tạo rối để đạt được hiệu quả chảy tối ưu qua thiết bị này trong quá trình trám. Các thông sốcơ bản của bộ tạo rối là: bềdày gân, số gân, chiều cao gân, góc xoắn của gân.

1.1.8.7Đầu trám xi măng

Qua hàng chục năm phát triển của công nghiệp dầu khí, mặc dù người ta đã sáng chế ra rất nhiều loại nút trám, định tâm, van ngược khác nhau nhưng đầu bơm trám dường như ít được thay đổi hơn cả. Hiện chỉ có ba loại chính như sau:

 Đầu bơm trám dành cho một nút trám (hình 1.13).  Đầu bơm trám dành cho hai nút trám (hình 1.14).

 Đầu bơm trám dùng để trám ống chống lửng (hình 1.15).

Hai loại đầu bơm trám đầu tiên được sử dụng để kết nối giữa ống chống và đường bơm cao áp. Trên đầu bơm trám luôn có thiết kếcơ cấu giữnút trám hoạt động theo một vài nguyên tắc khác nhau nhưng đều cho phép thả nút trám mà không cần mở nắp đầu trám. Trên đầu trám cũng được thiết kế lỗ gắn đồng hồáp suất đểluôn kiểm soát trên miệng giếng trong suốt quá trình bơm trám.

Trong một số thiết kếđầu trám thậm chí còn có dây thép mảnh nối giữa nút cao su và đầu trám, khi thảnút xong –dây đứt, xác nhận đã thảnút thành công đểcho phép bơm ép.

Hình 30

Hình 32 Đối áp ngàm

1.1.9.1Vai trò của đối áp trong hê ̣ thống kiểm soát giếng.

Trong quá trình khoan và sửa giếng thường xuất hiê ̣n sự cố phun trào dầu,khí từ lỗ khoan. Sự phun trào nếu không được kiểm soát ki ̣p thời có thể gây nên hậu quả trầm trọng như đã đề cập ở chương 1.

Để ngăn chă ̣n hiê ̣n tượng phun trào, bên ca ̣nh viê ̣c sử dụng các thiết bi ̣ chống phun khác, đối áp là một thiết bi ̣ quan trong nhất trong hê ̣ thống chống phun trào, kiểm soát giếng. Nhờ có thiết bi ̣ đối áp mà cho phép chúng ta tiến hành công tác khoan hay sữa giếng một cách an toàn.

Hình 33 Vị trí đối áp trong hệ thống thiết bị khoan

Trong công tác khoan và sƣ̉a giếng đối áp có các nhiê ̣m vụ cụ thể sau:

 Đóng kín khoảng không vành xuyến giƣ̃a cần khoan và ống chống, treo bô ̣ cần khoan hoă ̣c cắt nếu cần.

 Kiểm soát chất lƣu trong giếng

 Nâng thả cần khoan trong khi khoan

 Bơm tuần hoàn vào giếng và tuần hoàn chất lƣu kick ra ngoài. 1.1.9.2Phân loa ̣i đối áp.

 Theo hãng sản xuất : Camaron, Shaffer, Hydril, Rumania.

 Áp suất làm việc : tƣ̀ 1000 psi đến 20000 psi

 Theo kích thƣớc đƣờng kính lỗ cho phép cần khoan đi qua. 7 1/16’’. 11’’. 13 5/8’’. 16 ¾’’ , 18 ¾’’ , 20 ¾’’ , ….

 Theo nguyên lý làm viê ̣c: Đối áp ngàm và đối áp vạn năng.

 Vị trí lắp đặt: đối áp trên bề mă ̣t và đối áp lắp ngầm dƣới biển. 1.1.9.3Giới thiệu các loại đối áp.

1.1.9.3.1 Đối áp vạn năng. ( Annualar BOP ).

Giới thiê ̣u chung.

Đối áp vạn năng, đôi khi vẫn được go ̣i là túi chống phun hoă ̣c là đối áp hình cầu, là một thiết bị kiểm soát áp suất đầu giếng khá linh hoạt. Chúng được sử dụng để đóng giếng khi không có cần khoan hoă ̣c đóng giếng trong khi kéo cần. Hầu hết các loại đối áp kiểu này sẽ đóng được giếng khoan khi có cần nặng, cần chủ đa ̣o, cô ̣t cần khoan, ống khai thác và trong trường hợp khẩn cấp khi giếng khoan không có cần.

Cấu ta ̣o của nó gồm có một má cao su làm kín, mô ̣t piston, thân và đầu đối áp. Khi chất lưu thủy lực được bơm vào buồng đóng nó sẽ ép má làm kín vào bên trong. Má cao su phải đủ đàn hồi để phình ra và co lại sao cho phù hợp với kích thước và hình dạng khác nhau của các loại cần. Khi có khí H2S xuất hiê ̣n, nó sẽ làm giảm độ bền và tuổi thọ của vành má làm kín. Trong các thao tác với đối áp va ̣n năng, cố gắng làm giảm áp suất hoạt động càng tốt vì như vậy sẽ kéo dài tuổi thọ của đối áp.

Hình 34 Cấu ta ̣o của đối áp va ̣n năng

Có rất nhiều nhà sản xuất với nhiều model, ví dụ như, Hydril GL, GX và GK, Camaron D và DL, Shaffer SLX, SL. Các hãng sản xuất này đều sản xuất các model dạng cặp đôi khi mà không gian lắp đặt hạn chế hoặc là lắp đặt ở đáy biển.

Hình 35 Đối áp nghép đôi

Mỗi loa ̣i đều có những thuộc tính, áp suất hoạt động và hạn chế khác nhau. Chính vì thế mà bộ điều khiển thủy lực phù hợp cho tất cả các loại đối áp vạn năng và cho phép điều chỉnh áp suất hoa ̣t động khi cần. Van điều chỉnh áp suất đóng sẽ cho phép chất lưu thủy lực chảy theo cả 2 hướng. Đây là một đă ̣c điểm rất quan trọng cho

phép kéo cần và các thao tác khác xuyên qua nó trong khi vẫn giữ được độ kín khít của má cao su. Khi mà áp suất giếng quá cao hoặc sự làm kín không đảm bảo thì áp suất giếng có thể xả thông qua bộ điều chỉnh thủy lực của đường đóng và trở về với thùng tích áp. Mô ̣t điều khá quan trọng là bộ làm kín phải được đóng với áp suất vừa đủ để giữ được cần và sự làm kín cần thiết. Tuy nhiên, áp suất đó sẽ không được quá chặt vì sẽ làm cho má cao su bị phồng ra, mất đi sự đàn hồi cần thiết để làm kín trong lần hoa ̣t đô ̣ng tiếp theo.

Hình 36 Má làm kín và segment

Segment thép được lắp bên ngoài má làm kín để ngăn không cho má làm kín phình ra quá mức khi đóng giếng ở áp suất quá cao. Segment này sẽ co vào khi má làm kín quay về vị trí mở.

Hầu hết các đối áp va ̣n năng được thiết kế với áp suất đóng là khoảng 1500 psi. Mô ̣t vài loa ̣i đối áp có áp suất làm viê ̣c của buồng hoa ̣t động lên tới 3000 psi. Áp suất nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được sự làm kín cần khoan sẽ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ như, đường kính ngoài của cần khoan, áp suất giếng, kích thước giếng. Thông thường, kích thước giếng càng lớn và đường kính cần khoan càng nhỏ thì áp suất đóng