Giáo trình Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (Nghề: Khoan khai thác dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Giáo trình Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá nghề Khoan khai thác dầu khí dành cho hệ cao đẳng được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Tổng quan hệ thống quay cần và dụng cụ phá hủy đất đá; Đầu xoay thủy lực; Vận hành bàn quay roto; Vận hành động cơ Topdrive;... Mời các bạn cùng tham khảo!

GIÁO TRÌNH

MÔ ĐUN : HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN VÀ DỤNG CỤ

PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ NGHỀ : KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ

TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022

của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022

(Lưu hành nội bộ)

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲ NG DẦU KHÍ



LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá” được biên soạn theo chương trình đào tạo nghề “Khoan khai thác dầu khí” của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội Các kiến thức trong toàn bộ giáo trình có mối liên hệ lôgic chặt chẽ Tuy vậy, giáo trình cũng chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham khảo thêm các giáo trình có liên quan đối với ngành học

để việc sử dụng giáo trình có hiệu quả hơn

Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá là một trong những hệ thống thiết bị, thiết bị không thể thiếu trong Khoan dầu khí, là thiết bị cần thiết phục vụ cho việc tạo ra những giếng khoan để có thể thăm dò và để có thể khai thác được nguồn tài nguyên quý giá này Việc vận hành hệ thống thiết bị đòi hỏi phải có đội ngũ công nhân,

kỹ sư vận hành lành nghề, có nhiều kinh nghiệm để có thể luôn nắm vững quy trình vận hành và xử lý được các sự cố trong quá trình vận hành

Khi biên soạn giáo trình chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới liên quan đến mô đun, phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung

lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao

Nội dung của giáo trình gồm 4 bài Qua nội dung các bài học giúp cho học sinh hiểu được tổ hợp hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá, cấu tạo và quy trình vận hành, bảo dưỡng các thiết bị dụng cụ phá hủy đất đá

Giáo trình sẽ phục vụ tốt cho việc nghiên cứu, giảng dạy và học tập của giáo viên

và sinh viên trong Trường

Với lòng mong muốn giáo trình này có thể góp phần nâng cao chất lượng học tập

mô đun, chúng tôi xin chân thành cảm ơn và tiếp nhận những ý kiến đóng góp của các

em sinh viên và đồng nghiệp về những thiếu sót không thể tránh khỏi trong nội dung và hình thức để giáo trình hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn./

Bà rịa - Vũng Tàu, tháng 3 năm 2022

Tham gia biên soạn

1 Chủ biên: Ks Trần Thanh Huy

2 Ks Nguyễn Ngọc Thanh Trung

3 ThS Hoàng Trọng Quang

MỤC LỤC

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỘT CẦN KHOAN VÀ DỤNG CỤ PHÁ

HỦY ĐẤT ĐÁ 14

1.1 CHỨC NĂNG 15

1.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỔ HỢP HỆ THỐNG 16

BÀI 2: VẬN HÀNH HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN 18

2.1 KHÁI NIỆM VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN 19 2.1.1 Khái niệm 19

2.1.2 Chức năng của cột cần khoan 20

2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN 20

2.2.1 Cần chủ lực 21

2.2.2 Cần khoan 25

2.2.3 Za mốc nối cần khoan 28

2.2.4 Cần khoan nặng 31

2.2.5 Cần nặng 32

2.2.6 Sử dụng cần khoan 37

2.2.7 Sự cố về cần khoan và cần nặng 43

2.2.8 Hiện tượng bó kẹt bộ dụng cụ khoan 45

2.3 TIẾP CẦN VÀ KÉO THẢ CỘT CẦN KHOAN 47

2.3.1 Tiếp cần khoan 47

2.3.2 Thao tác kéo thả 50

BÀI 3: DỤNG CỤ PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ 52

3.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN 53

3.2 CÁC LOẠI CHOÒNG KHOAN VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 55

3.2.1 Choòng cánh dẹt 55

3.2.2 Choòng kim cương 56

3.2.3 Choòng chóp xoay 58

3.2.4 Các loại choòng đặc biệt: 65

3.3 LOẠI BỎ CHOÒNG KHOAN 70

3.3.1 Phương pháp lựa chọn choòng khoan 70

3.3.2 Sự cố về choòng khoan 70

3.4 CÁC SỰ CỐ VỀ CHOÒNG KHOAN 71

BÀI 4: ĐỘNG CƠ ĐÁY VÀ CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 80

4.1 ĐỘNG CƠ ĐÁY 81

4.1.1 Phương pháp khoan động cơ đáy trục vít 82

4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đáy trục vít 84

4.2 CÁC THIẾT BỊ PHỤ TRỢ 113

4.2.1 Dụng cụ ổn định (Drill Stabilizer) 115

4.2.2 Búa đập thủy lực (Drilling jars) 120

4.2.3 Ống giảm xóc (shock sub/shock absober) 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá 16

Hình 2.1: Các thành phần của cột cần khoan 21

Hình 2.2: Mặt cắt của cần chủ đạo 21

Hình 2.3: Cần chủ đạo 22

Hình 2.4: Cần khoan và đầu nối 25

Hình 2.5: Cần khoan đặt tại đất liền 26

Hình 2.6: Za mốc nối cần khoan 28

Hình 2 7: Cần khoan nặng 31

Hình 2.8: Cần nặng xoắn 34

Hình 2 9: Phủ hợp kim cứng bên ngoài đầu nối theo các dạng khác nhau 38

Hình 2.10: Hàn giữa cần khoan và Za mốc 39

Hình 2 11: Các phương pháp ép đầu nối vào cần khoan 41

Hình 2.12: Một số loại metric thường dùng 44

Hình 2.13: Một số loại Colocon thường dùng 44

Hình 2.14: Giỏ cứu kẹt 44

Hình 2.15: Đặt cần khoan vào hố tiếp cần và tháo cần chủ đạo 48

Hình 2.16: Vặn cần chủ đạo vào cần đơn trong hố tiếp cần 48

Hình 2.17: Nâng cần chủ đạo và cần mới lắp và vặn vào bộ khoan cụ 49

Hình 2.18: Nâng bộ khoan cụ lên, nhấc chấu lót và thả vào giếng 49

Hình 2.19: Các thao tác kéo thả cần khoan 50

Hình 3.1: Các loại choòng cánh dẹt 55

Hình 3 2: Choòng kim cương 56

Hình 3 3: Choòng chóp xoay 58

Hình 3 4: Choòng 3 chóp xoay răng thép 59

Hình 3 5: Ổ tựa chóp xoay 60

Hình 3 6: Hệ thống vòi phun thủy lực 61

Hình 3 7: Choòng đầu nhọn 65

Hình 3 8: Choòng lưỡi xoắn 66

Hình 3 9: Choòng lấy mẫu 67

Hình 3 10: Dụng cụ lấy mẫu 68

Hình 3 11: Choòng khoan lấy mẫu kim cương 69

Hình 3 12: Các loại choòng doa có lưỡi cố định, di động 69

Hình 4 1: Dụng cụ ổn định và các kiểu cánh 116

Hình 4 2: Định cữ 117

Hình 4 3: Các định cữ: a - các chóp xoay đặt dọc, b - các chóp xoay đặt xoắn 117

Hình 4 4: Các loại định tâm 118

Hình 4 5: Bộ ổn định 119

Hình 4 6: Định tâm kiểu xoắn 119

Hình 4 7: Cấu tạo của búa thuỷ lực 121

Hình 4 8: Bộ giảm xóc VNIIBT 123

Hình 4 9: Cấu tạo động cơ trục vít 85

Hình 4 10: Van thông 86

Hình 4 11: Phần công tác tạo công suất 87

Hình 4 12: Mặt cắt ngang roto và stator động cơ trục vít 88

Hình 4 13: Khớp nối cong 90

Hình 4 14: Trục các đăng dẫn động 92

Hình 4 15: Hệ thống ổ bi 94

Hình 4 16: Mặt cắt sơ đồ làm việc của bơm trục vít 96

Hình 4 17: Động cơ trục vít 96

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của cần chủ đạo 23

Bảng 2.2: Các thông số của cần khoan 27

Bảng 2 3: Thông số kỹ thuật của đầu nối 29

Bảng 2 4: Giới hạn đàn hồi và ứng suất phá hủy của cần nặng 34

Bảng 2 5: Đặc tính kỹ thuật của cần khoan nặng thường 35

Bảng 2 6: Đặc tính kỹ thuật của cần nặng xoắn 36

Bảng 3 1: Bảng phân loại choòng 3 chóp xoay theo GOST 20692-75 62

Bảng 3 2: Phân loại choòng chóp xoay theo mã hiệu IADC 64

Bảng 4 1: Đặc tính kỹ thuật của định tâm 120

Bảng 4 2: Đặc tính kỹ thuật của một số loại búa thủ lực 122

Bảng 4 3: Lựa chọn bộ khoan cụ cho một giếng khoan tại vùng mỏ Bạch Hổ của Vietsovpetro có các thông số sau 103

Bảng 4 4: Một số hãng sản xuất động cơ đáy trên thế giới 106

Bảng 4 5: Động cơ trục vít cho mỗi khoảng khoan 107

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

1 Tên mô đun: VẬN HÀNH HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN VÀ DỤNG CỤ PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ

2 Mã mô đun: PETD55142

3 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc chuyên môn của chương trình đào tạo Mô đun này được

dạy trước mô đun hệ thống chống ống và trám xi măng và sau các môn học, mô đun như: Hệ thống nâng hạ, hệ thống tuần hoàn dung dịch và dạy sau các mô đun, môn học cơ sở

3.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức, kỹ năng vận hành hệ thống

quay cần và dụng cụ phá hủy đất đá

3.3 Ý nghĩa và vai trò của mô đun: Giáo trình này trình bày một cách có hệ thống

các kiến thức về nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống chuỗi cần khoan và

dụng cụ phá hủy đất đá dùng trong khoan dầu khí

4 Mục tiêu của mô đun: Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá một hệ

thống rất quan trọng trong ngành khoan dầu khí Chính vì vậy đòi hỏi người thợ phải

nắm được cấu tạo, vận hành thành thạo

B1 Phân loại được các loại cần khoan

B2 Thực hiện được thao tác kết nối cần khoan và thiết bị phụ trợ

B3 Thực hiện được thao tác kết nối chuỗi cần khoan với cụm máy móc thiết bị quay cần

B4 Vận hành được hệ thống quay cần và dụng cụ phá hủy đất đá theo quy trình vận hành

B5 Phát hiện và xử lý được các sự cố thường gặp trong quá trình vận hành

4.3 Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

C1 Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, pccc, nội quy phòng học/ phòng mô hình

và quy chế của nhà trường;

C2 Tuân thủ các qui trình vận hành các thiết bị cơ khí, điện, tự động hóa có liên quan; C3 Xác định được công việc phải thực hiện, hoàn thành các công việc theo yêu cầu, không để xảy ra sự cố, hư hỏng đối với hệ thống thiết bị;

5 Nội dung của mô đun:

5.1 Chương trình khung

Mã

Số tín chỉ

Thời gian đào tạo (giờ)

Tổng

số

Trong đó

Lý thuyết

LT TH

COMP64002 Giáo dục chính trị 4 75 41 29 5 0 COMP62004 Pháp luật 2 30 18 10 2 0 COMP62008 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 0 4 COMP64010 Giáo dục quốc phòng và An ninh 4 75 36 35 2 2

II.2 Môn học, mô đun chuyên môn

ngành, nghề 51 1320 323 930 22 45 PETD62032 Địa chất dầu khí 2 30 28 0 2 0 PETD53033 Cơ sở khoan 3 45 42 0 3 0 PETD53034 Cơ sở khai thác 3 45 42 0 3 0 PETD62035 Địa chất môi trường 2 30 28 0 2 0 PETD62036 Nguyên lý phá hủy đất đá 2 30 28 0 2 0 PETD53137 Thí nghiệm dung dịch khoan 3 75 14 58 1 2 PETD62138 Hệ thống phát lực 2 45 14 29 1 1 PETD62139 Hệ thống khí nén 2 45 14 29 1 1 PETD54140 Hệ thống nâng hạ 4 105 14 87 1 3

PETD54141 Hệ thống tuần hoàn dung dịch 4 105 14 87 1 3 PETD55142 Vận hành hệ thống chuỗi cần

khoan và dụng cụ phá hủy đất đá 5 135 14 116 1 4 PETD54143 Hệ thống chống ống và trám xi măng 4 105 14 87 1 3 PETD55144 Hệ thống kiểm soát giếng khoan 1 5 135 14 116 1 4 PETD63145 Hệ thống kiểm soát giếng khoan 2 3 75 14 58 1 2 PETD54246 Thực tập sản xuất 4 180 15 155 0 10 PETD63247 Khóa luận tốt nghiệp 3 135 14 108 1 12

3 Các phương pháp bảo dưỡng đầu

3 Bài 3: Vận hành bàn quay roto 4 4 0 0 0

2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của

2.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

3.Vận hành và bảo dưỡng động cơ

- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng mô đun theo quy định

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

7.2 Phương pháp:

Người học được đánh giá tích lũy mô đun như sau:

7.2.1 Cách đánh giá

- Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư

số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh

Phương pháp

đánh giá Phương pháp tổ chức

Hình thức kiểm tra

Chuẩn đầu ra đánh giá cột Số

Thời điểm kiểm tra

1 Sau 15 giờ

qua sản phẩm học tập

Tự luận/

Trắc nghiệm/ Sản phẩm học tập

A1, A2, A3, A4 B1, B2, B3, B4, B5 C1, C2, C3

A1, A2, A3, A4 B1, B2, B3, B4, B5 C1, C2, C3

8 Hướng dẫn thực hiện mô đun

8.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đối tượng HSSV trường Cao đẳng Dầu khí

8.2 Phương pháp giảng dạy, học tập mô đun

8.2.1 Đối với người dạy

* Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: nêu vấn đề, hướng dẫn

đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận…

* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra

* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra

* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong nhóm

tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm

8.2.2 Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp Các tài liệu tham khảo sẽ được

- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết và 100% buổi học thực hành Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết hoặc >0% số tiết thực hành phải học lại mô đun mới được tham dự kì thi lần sau

- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân Một nhóm gồm 2-3 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn bộ chủ đề thảo luận của nhóm

- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ

- Tham dự thi kết thúc mô đun

- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học

9 Tài liệu tham khảo:

[1] Giáo trình Thiết bị khoan dầu khí – Trường Cao đẳng nghề Dầu khí

[2] Giáo trình Kỹ thuật khoan dầu khí – NXB Giáo dục 1995

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CỘT CẦN KHOAN VÀ DỤNG CỤ PHÁ

HỦY ĐẤT ĐÁ

❖ GIỚI THIỆU BÀI 1

Bài 1 giới thiệu các kiến thức tổng quan về hệ thống cột cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá để người học có được kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận công việc sau này

❖ MỤC TIÊU BÀI 1

Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức:

- Trình bày được chức năng của cột cần khoan và hệ thống quay cần

- Mô tả được cấu tạo các thành phần của cột cần khoan

- Mô tả được sơ đồ nguyên lý tổ hợp hệ thống quay cần

➢ Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:

- Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, PCCC, nội quy phòng/xưởng và quy

chế của Nhà trường

- Xác định được công việc phải thực hiện, hoàn thành các công việc theo yêu cầu,

không để xảy ra sự cố, hư hỏng đối với hệ thống thiết bị

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1

- Đối với người dạy:

+ Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết, thực hành hoặc tích hợp phù hợp với bài học Giáo án được soạn theo bài hoặc buổi dạy

+ Tổ chức giảng dạy: Chia ca, nhóm (phụ thuộc vào số lượng sinh viên/lớp)

- Đối với người học:

+ Chuẩn bị tài liệu, dụng cụ học tập, vở ghi đầy đủ;

+ Hoàn thành các bài thực hành kỹ năng;

+ Tổ chức làm việc nhóm, làm việc độc lập;

+ Tuần thủ quy định an toàn, giờ giấc

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng mô hình

- Trang thiết bị máy móc: Máy tính, máy chiếu

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Giáo án, giáo trình, quy trình thực hành

- Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1

- Nội dung:

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng mô đun

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: Không

✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: Không

✓ Kiểm tra định kỳ thực hành: Không

NỘI DUNG BÀI 1

1.1 CHỨC NĂNG

Bộ khoan cụ đôi khi được gọi là bộ cần khoan, nghĩa là cơ cấu liên hệ giữa thiết bị dẫn động quay trên bề mặt (bàn roto) và choòng khoan

Chức năng chính của nó là:

- Truyền năng lượng chính cho choòng khoan để phá hủy đất đá

- Dẫn hướng và điều khiển quỹ đạo của choòng

- Đặt tải trọng lên choòng

- Cho phép tuần hoàn dung dịch khoan với tổn thất áp suất nhỏ nhất

- Kéo thả choòng khoan cũ và thay bằng choòng khoan mới

- Làm nhiệm vụ thử vỉa

- Thực hiện các công việc phụ khác như khoan doa, bơm rửa, bơm trám xi măng, cứu chữa sự cố, sửa giếng…

1.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TỔ HỢP HỆ THỐNG

Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá

Chú thích:

1 Đầu xoay thủy lực 8 Cần khoan

3 Van ngược cần chủ lực (cần chủ đạo) 10 Đầu nối chuyển tiếp

4 Cần chủ lực (cần chủ đạo) 11 Cần nặng

5 Đầu nối an toàn 12 Đầu nối choòng khoan

6 Vòng cao su bảo vệ 13 Choòng khoan

7 Đầu nối cái (Za mốc cái)

− Cột cần khoan một kích thước hoặc một bậc được hình thành từ các ống khoan cùng một loại đường kính ngoài Nhiều kích thước (nhiều bậc) được hình thành từ các loại ống đường kính khác nhau, nhiều đoạn được hình thành từ các đoạn ống có cùng

nhóm độ bền, một đường kính ngoài có cùng chiều dày thành ống và cùng cấu trúc ren nối

− Phần dưới cột cần khoan gồm: cần nặng, lắp trực tiếp trên choòng khoan hoặc động cơ đáy Cột cần khoan trong giếng khoan chịu sự tác dụng của các lực khác nhau lực tĩnh, lực động Trong khoan động cơ đáy các lực sau đây tác dụng lên cột cần khoan: lực giãn chiều trục do trọng lượng cột cần và sự chênh lệch áp suất trong động cơ đáy, lực nén chiều trục, hình thành từ trọng lực phần dưới cột cần, mô men đặt vào cần khoan

để tạo lên các chu kỳ quay Trong khoan rô to ngoài lực nén chiều trục và lực nén tác dụng lên cần khoan còn có lực bổ xung như: lực mô men uốn do tác dụng của lực ly tâm khi cột cần quay liên tục… Ứng suất uốn trong cột cần thay đổi phụ thuộc vào tải trọng chiều trục, tần số quay, đường kính cần khoan và giếng… dưới tác dụng của mô men xoắn, ứng suất tiếp tuyến xuất hiện trong cột cần khoan sẽ tăng từ đáy tới miệng giếng khoan

❖ TÓM TẮT BÀI 1

Trong bài này, một số nội dung chính được giới thiệu:

- Hệ thống quay cần

- Hệ thống cột cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá

❖ CÂU HỎI VÀ TÌNH HUỐNG THẢO LUẬN BÀI 1

1 Hệ thống chuỗi cột cần khoan gồm những thiết bị nào? Kể tên theo trình tự lắp

đặt

2 Chức năng chính của cột cần khoan là gì?

3 Hệ thống quay cần gồm những thiết bị nào?

BÀI 2: VẬN HÀNH HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN

❖ GIỚI THIỆU BÀI 2

Bài 2 hướng dẫn cách vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá để người học có được kiến thức nền tảng và dễ dàng tiếp cận công việc sau này

❖ MỤC TIÊU BÀI 2

Sau khi học xong chương này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức:

- Mô tả được cấu tạo các thành phần của cột cần khoan

- Phân biệt và liệt kê được các loại choòng khoan

- Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại choòng khoan

- Lựa chọn được dụng cụ phá hủy đất đá

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 2

- Đối với người dạy:

+ Thiết kế giáo án theo thể loại lý thuyết, thực hành hoặc tích hợp phù hợp với bài học Giáo án được soạn theo bài hoặc buổi dạy

+ Tổ chức giảng dạy: Chia ca, nhóm (phụ thuộc vào số lượng sinh viên/lớp)

- Đối với người học:

+ Chuẩn bị tài liệu, dụng cụ học tập, vở ghi đầy đủ;

+ Hoàn thành các bài thực hành kỹ năng;

+ Tổ chức làm việc nhóm, làm việc độc lập;

+ Tuần thủ quy định an toàn, giờ giấc

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 2

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng mô hình

- Trang thiết bị máy móc: Máy tính, máy chiếu

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Giáo án, giáo trình, quy trình thực hành

- Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 2

- Nội dung:

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Nghiên cứu bài trước khi đến lớp

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập

+ Tham gia đầy đủ thời lượng mô đun

+ Nghiêm túc trong quá trình học tập

- Phương pháp:

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: Không

✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: Không

✓ Kiểm tra định kỳ thực hành: 4 điểm kiểm tra thực hành trên mô hình mô phỏng

NỘI DUNG BÀI 2

2.1 KHÁI NIỆM VÀ CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN 2.1.1 Khái niệm

Cột cần khoan là khâu nối liên hệ giữa thiết bị khoan trên bề mặt với dụng cụ phá hủy đất đá dưới đáy giếng khoan Cột cần khoan là cột ống bằng thép gồm nhiều đoạn ống có kích thước khác nhau được nối lại với nhau bằng ren

Cột cần khoan được tạo thành bởi các đoạn cần dựng nối lại với nhau, và các đoạn cần dựng được tạo thành bởi các đoạn cần khoan nối với nhau Chiều dài đoạn cần dựng phụ thuộc vào chiều cao của tháp khoan, chiều cao của tháp khoan phụ thuộc vào chiều sâu của giếng khoan

2.1.2 Chức năng của cột cần khoan

Cột cần khoan là cơ cấu liên hệ giữa thiết bị dẫn động quay đặt trên bề mặt và choòng khoan Chức năng chính của nó là:

- Truyền năng lượng cần thiết cho choòng khoan để phá hủy đất đá

- Dẫn hướng và điền khiển qũy đạo của choòng

- Đặt tải trọng lên choòng

- Cho phép tuần hoàn dung dịch khoan với tổn thất áp suất bé nhất

- Truyền năng lượng thủy lực cho động cơ đáy

- Dùng cột cần khoan để kiểm soát giếng khoan trong chống phun trào

2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG CHUỖI CẦN KHOAN

Trên mặt, cần chủ đạo nối với bộ khoan cụ và đầu xoay thủy lực được treo lên móc nâng Bộ khoan cụ quay được nhờ cần chủ đạo Hai van an toàn cho phép đóng lỗ thông bên trong Các thiết bị chính ở đây bao gồm:

Hình 2.1: Các thành phần của cột cần khoan

2.2.1 Cần chủ lực

Là khâu nối giữa cần khoan và đầu thuỷ lực Cần chủ đạo tạo nên một môi trường trung gian nhận chuyển động quay từ bàn Roto truyền cho choòng qua một cột cần khoan Để nhận được chuyển động quay này, cần chủ đạo phải có hình dáng bên ngoài được cấu tạo đặc biệt Cần chủ đạo có tiết diện hình vuông, hình sáu cạnh, và hình tám cạnh

Cần chủ đạo thường có các đường kính quy ước: 65; 80; 112; 140; 155 (mm) Chiều dài cần chủ đạo thường cỡ 1214m (4054ft)

Hình 2.2: Mặt cắt của cần chủ đạo

Đầu cần có thể được chồn dày hoặc không chồn dày Loại không chồn dày ít được

sử dụng vì đầu ren của cần yếu Người ta sản xuất hàng loạt các cần chủ đạo đồng bộ với perekhốt trên và dưới của nó

Để hạn chế sự hỏng hóc cần chủ lực khi tháo mở thì hai đầu cần chủ lực được nối với đầu bảo vệ

Hình 2.3: Cần chủ đạo

Bài 2: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan Trang 23

Bảng 2.1 Các thông số kỹ thuật của cần chủ đạo Size

Cross corner for hexagonal kelly

4

6 5/8REG

Bài 2: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan Trang 24

Bài 2: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan Trang 25

2.2.2 Cần khoan

Là phần dài nhất của bộ khoan cụ Cần khoan có nhiều cỡ danh định khác nhau (đường kính ngoài, đường kính trong), do đó trọng lượng danh định cũng khác nhau Cần khoan được chọn theo yêu cầu sử dụng và dựa trên các thông số về đường kính ngoài, đường kính trong, trọng lượng danh định và mác thép

Mác thép đặc trưng cho độ bền tối thiểu của thép chế tạo cần Mác thép càng nhỏ thì thép càng mềm dẻo, ngược lại mác thép càng cao thì thép càng cứng Từ các giá trị này

có thể tra bảng để lựa chọn cần khoan

Hình 2.4: Cần khoan và đầu nối Trong tính toán thiết kế và sử dụng, các cần khoan được phân thành 4 loại theo mức độ mòn của chúng:

- Cần mới: chưa dùng, không mòn (đánh dấu bằng một vòng sơn màu trắng)

- Cần loại 1: cần bị mòn đều, chiều dày thành ống còn lại 85% (đánh dấu bằng hai vòng sơn màu trắng)

- Cần loại 2: một cạnh mòn với chiều dày thành ống còn lại là 65%, những phần khác bị mòn với chiều dày thành ống còn lại 80% (đánh dấu bằng một vòng sơn màu vàng)

- Cần loại 3: chiều dày thành ống chỉ còn lại 55% ở một cạnh (đánh dấu bằng một vòng sơn màu xanh da trời)

Loại cần quá mòn cần loại được đánh dấu bằng một vòng sơn màu xanh lá cây

Bài 2: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan Trang 26

Các cần khoan được nối với nhau tạo thành chuỗi cần nhờ các đầu nối Đầu nối có loại ren ngoài (đầu đực) và ren trong (đầu cái) Đầu nối có chiều dày lớn hơn phần thân cần khoan để tăng độ bền của mối nối Phần dày hơn này gọi là phần chồn Có ba kiểu chồn:

- Kiểu chồn hỗn hợp IEU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường kính ngoài của thân cần khoan, nhưng đường kính trong của đầu nối nhỏ hơn đường kính trong của cần khoan

- Kiểu chồn trong IU: đường kính trong đầu nối nhỏ hơn đường kính trong của thân cần và đường kính ngoài của đầu nối bằng đường kính ngoài của cần khoan

- Kiểu chồn ngoài EU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường kính ngoài của thân cần khoan, nhưng đường kính trong của đầu nối bằng đường kính trong của cần khoan

Hình 2.5: Cần khoan đặt tại đất liền

Bảng 2.2: Các thông số của cần khoan

Designation

Calculated Plain-End

Upset Ends For Weld-on Tools Joint

2.2.3 Za mốc nối cần khoan

Dùng để nối các đoạn cần khoan với nhau Za mốc nối cần khoan gồm hai chi tiết:

za mốc đực và za mốc cái Việc dùng đầu nối za mốc nhằm mục đích

- Bảo vệ ren cần khoan bởi vì chúng bị mài mòn rất nhanh do tháo lắp liên tục

- Giảm thời gian tháo vặn cần khoan vì bước ren za mốc lớn hơn bước ren của cần Các chi tiết của za mốc được nối với cần khoan qua ren bước ngắn, các chi tiết za mốc được nối với nhau qua bước ren dài hơn gọi là ren za mốc

Có 3 loại za mốc được chế tạo cho cần khoan:

- Loại za mốc có lỗ mở thường (dz<d’t)

- Loại za mốc có lỗ mở rộng (dz  d’t)

- Loại za mốc có lỗ mở tăng cường (dz>d’t) cần chồn dày bên ngoài

Za mốc có lỗ mở thường có đường kính bên trong của za mốc đực nhỏ hơn đường kính bên trong của phần chồn dày

Hai loại za mốc có lỗ mở thường và za mốc có lỗ mở rộng được lắp vào loại cần khoan có đầu cần chồn dày bên trong

Đường kính định mức của za mốc không tương ứng với đường kính ngoài za mốc

mà tương ứng với đường kính định mức của cần lắp za mốc đó

Ngoài ra cần khoan và đầu nối còn có các loại sau:

- Cần khoan được nối với các chi tiết za mốc bằng hàn (cần hàn)

- Cần khoan được chồn dày và nối với nhau qua đầu nối mupta

Bảng 2 3: Thông số kỹ thuật của đầu nối

Connecting Part

Lower

2 Drill pipe cross

4 Drill collar cross

5 Drill bit cross

6 Swivel cross over

over sub

Cần chồn dày bên trong

*Đặc tính của ren cần khoan và ren za mốc

- Ren cần khoan

Là ren nối giữa các đầu cần và với các chi tiết của za mốc

• Tiết diện ren hình tam giác, đầu và chân ren lượn tròn, góc đỉnh bằng 60o, đường phân giác chia đôi góc đỉnh của ren vuông góc với trục cần khoan

• Bước ren của cần là khoảng cách giữa hai đường phân giác đi qua hai đỉnh gần nhau, ký hiệu là P Bước ren cần khoan thường là 3,175 mm (8 vòng ren/in)

• Độ côn của đầu ren cần khoan là1/16 góc nghiêng 1047’24”

• Ren cần có thể trái hoặc phải

- Ren za mốc

Tiết diện của ren za mốc hình tam giác, chân ren lượn tròn, đỉnh ren cắt phẳng Góc đỉnh bằng 60o đường phân giác góc đỉnh vuông góc với trục

Độ côn za mốc phụ thuộc vào cỡ và kiểu za mốc, thường là 1/4 hay 1/5

Bước ren của za mốc dài hơn ren cần, nó vào khoảng 4 hay 5 vòng/in

Hiện nay cần khoan loại 1 được sử dụng rộng rãi nhất, loại cần có đầu nối mở rộng thường dùng cho khoan tuabin, loại cần có đầu nối thường được dùng cho khoan roto

2.2.4 Cần khoan nặng

Hình 2 7: Cần khoan nặng

Là cần trung gian giữa cần khoan và cần nặng, được sử dụng để:

- Chuyển tiếp giữa cần nặng và cần khoan nhằm tăng độ cứng và giảm hiện tượng mỏi do chênh lệch độ cứng giữa cần khoan và cần nặng

- Cung cấp tải trọng cho choòng để phá hủy đất đá

Trong bộ khoan cụ do đường kính cần khoan nặng nhỏ hơn cần nặng nên diện tích tiếp xúc với thành giếng nhỏ hơn, giảm thiểu lực ma sát và hiện tượng kẹt với thành

giếng, tạo khoảng không vành xuyến lớn cho dung dịch khoan đi lên

Trong khoan định hướng, cần khoan nặng còn có các ưu điểm:

- Giảm mô men xoắn và kéo trên chuỗi cần khoan

- Giảm nguy cơ kẹt cần do chênh áp

- Tăng khả năng chỉnh xiên

- Giảm nguy cơ làm hỏng các đầu nối khi khoan qua những đoạn giếng bi gập

Cần khoan thành dày cũng có nhiều cỡ khác nhau, cho nên sự lựa chọn cần khoan thành dày chủ yếu được dựa trên đường kính ngoài và mác thép

Chiều dài của cần khoan thành dày phụ thuộc chủ yếu vào chiều sâu của giếng khoan

2.2.5 Cần nặng

Cần nặng đóng vai trò chủ yếu trong bộ khoan cụ nhằm sử dụng tốt dụng cụ phá

đá Trước hết nó cung cấp tải trọng chính lên choòng ở đáy giếng khoan Nó chịu nhiều ràng buộc khác nhau:

- Đường kính giếng khoan

- Gây ra giảm thiểu tổn thất áp suất

- Dễ bốc dỡ và chuyên chở

- Độ bền uốn dọc cao

- Độ cứng vững

Vật liệu chế tạo cần nặng:

Các cần nặng thông thường được chế tạo từ thép 4165H (Mỹ) hoặc 42CD4 (Pháp)

có các đặc tính tốt sau khi tôi và ram, trong khi đó vẫn giữ được nguyên độ cứng hợp với việc gia công

Cần nặng không nhiễm từ dùng trong thi công các giếng khoan định hướng mà các dụng cụ đo phương vị thả trong bộ khoan cụ chỉ phù hợp với các loại cần nặng không ảnh hưởng đến việc đo từ trường

Hình dạng của cần nặng:

- Cần nặng nhẵn:

Đây là dạng đơn giản nhất của cần nặng, nó có đường kính danh nghĩa như nhau suốt chiều dài thân cần

Các loại cần nặng này được vặn vào đầu nâng để dễ thao tác và định vị vòng an toàn, khi chúng được treo trên bàn roto nhờ các khóa chèn Để bỏ hai thao tác này, đỡ mất thời gian do lắp ráp cần nặng, các nhà chế tạo đưa vào sử dụng dụng cụ ZIP gồm hai đoạn hõm vào:

• Hõm các miếng chèn hoặc hõm trượt

Ba giải hình xoắn ốc trên cần nặng có mục đích:

• Giảm diện tích tiếp xúc với thành giếng khoan

• Giúp tuần hoàn dung dịch tốt hơn

• Khối lượng cần nặng hình xoắn ốc giảm khoảng 4 % so với cần nặng nhẵn

Hình 2.8: Cần nặng xoắn

- Cần nặng tiết diện vuông:

Các cần nặng này rất cứng vững và dẫn hướng tốt trong giếng khoan vì chúng được

sử dụng với độ rơ là 1/32” giữa giếng khoan và các góc của cần nặng Giá thành cao và việc sử dụng phức tạp của các loại cần nặng này khiến cho thợ khoan phải thay chúng bằng cần nặng hình trụ lớn hơn hay loại có nhiều thiết bị định tâm

Loại cần nặng không nhiễm từ được chế tạo bằng vật liệu không nhiễm từ để khắc phục các ảnh hưởng của từ trường trong bộ khoan cụ khi sử dụng các thiết bị đo hoạt động theo nguyên lý từ trường

Bảng 2 4: Giới hạn đàn hồi và ứng suất phá hủy của cần nặng

Đường kính ngoài của

140.000 psi 135.000 psi

Các loại thép thường dùng là các hợp kim crom-molipđen thỏa mãn các điều kiện

kỹ thuật về cơ học sau khi tôi và ram

Bảng 2 5: Đặc tính kỹ thuật của cần khoan nặng thường

Drill Collar

Number

Length (mm)

Bevel Diameter

Ref bend g Strengt

NC50-70(4 1/2

2 13/16 9150, 9450 164.7 2.73:1

NC50-72(4 1/2

7 1/4 71.4

2 13/16 9150, 9450 169.5 3.12:1

3/4 71.4

2 13/16 9150, 9450 185.3 2.70:1

Bảng 2 6: Đặc tính kỹ thuật của cần nặng xoắn

279.4 11 11.9±2.37 8.7±1.59 2032

2.2.6 Sử dụng cần khoan

❖ Sự làm việc của cần khoan trong khoan xoay

Trong quá trình khoan giếng, các lực tác dụng lên cột cần khoan với độ lớn và tính chất khác nhau Điều kiện làm việc của cột cần khoan trong khoan roto và khoan bằng động cơ đáy rất khác nhau

Cần khoan là bộ phận cơ bản của bộ khoan cụ, thêm vào đó nó còn là một khâu yếu trọng trong khoan xoay Các thống kê cho thấy rằng trên 80% sự cố xảy ra trong khoan xoay là xảy ra với cần khoan Đứng về mặt cơ học mà nói, có thể coi bộ cần khoan như là một hệ thống đàn hồi và trong quá trình khoan hệ thống đàn hồi này nhận các tải trọng thay đổi cả về hướng lẫn chiều, thêm vào đó các tải trọng lại không đồng đều ở các phần khác nhau của cột cần khoan

- Ứng suất kéo của cần khoan phụ thuộc vào chiều dài của bộ cần hay nói cách khác phụ thuộc vào chiều sâu của giếng khoan Ứng suất này thay đổi theo chiều dài của cần và đạt giá trị cực đại ở thiết diện yếu của cần ở miệng giếng khoan

- Ứng suất nén sinh ra ở phần dưới của cột cần, nơi bộ cần dùng tải trọng của mình tác dụng lên đáy giếng khoan Chiều dài của phần cần bị nén và giá trị của ứng suất nén phụ thuộc vào độ lớn của tải trọng đè lên đáy – áp lực thủy tĩnh của dung dịch trong giếng khoan làm cho cần chịu thêm những ứng suất phụ, phức tạp ở cả ba chiều

- Ứng suất xoắn sinh ra ở cột cần khoan vì cần khoan là bộ phận truyền mô men xoắn từ bàn rô to đến choòng khoan ở đáy giếng Khi đó một phần lớn công suất đã bị giảm đi từ bàn rô to đến đáy giếng khoan do sức kháng của cột dung dịch và lực ma sát giữa cần khoan và thành giếng khoan, sự hao tổn công suất này tỉ lệ với chiều sâu giếng khoan

Công suất được truyền đến đáy một phần để thắng lực ma sát của choòng tác dụng lên đất đá và chỉ còn một phần để thực hiện công có ích là phá hủy đất đá

- Ứng suất uốn phụ thuộc vào độ uốn của trục giếng khoan dưới tác động của các lực ly tâm, lực nén do tải trọng bản thân và tải trọng tác dụng lên đáy

Khi quay dưới tác dụng của lực ly tâm quán tính, trọng lượng bản thân và tải trọng lên đáy cột cần khoan sẽ có dạng hình sóng Cùng với việc tăng số vòng quay của bộ khoan cụ lực ly tâm quán tính tăng lên và chiều dài sóng uốn bị giảm

❖ Đề phòng sự mài mòn cần khoan

Trong quá trình làm việc, cột cần khoan bị mài mòn do chúng tiếp xúc với thành

lỗ khoan hay cột ống chống Các vùng sinh ra ma sát nhiều nhất là:

- Cần nặng, do độ hở giữa cần nặng và thành lỗ khoan nhỏ

- Cần khoan nằm trong phần của lỗ khoan cong

- Các đoạn cần khoan có độ võng cực đại

- Vùng đầu nối da mốc, nhất là da mốc cái

Để tránh sự mài mòn nhanh chóng ở đầu nối da mốc, người ta có thể hàn bên ngoài đầu nối da mốc bằng lớp hợp kim cứng dưới dạng vành nhẫn với nhiều kiểu khác nhau (xem hình dưới)

❖ Đề phòng đứt cần khoan

4

Đứt cần là một sự cố khá phổ biến gây nhiều khó khăn trong quá trình thi công Loại cần khoan được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là loại được chồn dày bên trong và lắp với za mốc có lỗ mở bình thường hay mở rộng (3H; 3) Hiện tượng đứt cần khoan xảy

ra nhiều nhất khoảng (6070%) tại vòng ren đầu tiên không ăn khớp ở đầu cần Bởi vì tại đây có sự tập trung ứng suất, đặc biệt là ứng suất động dẫn đến gẫy cần Hiện tượng đứt cần thường xảy ra ở nửa đoạn dưới của cột cần Nguyên nhân chủ yếu là do thành phần ứng suất thay đổi do lực ly tâm gây ra

Vì vậy để tránh cho hiện tượng gẫy cần ta phải có các biện pháp đề phòng sau đây:

- Tăng độ bền mỏi của thép cần khoan

- Gia công nhiệt luyện 2 đầu ren để tăng cơ tính đầu nối

- Sử dụng các loại cần hàn vừa bền lại vừa kín

- Dùng cần có đầu nối không tháo lắp theo phương pháp hàn hoặc ép

+ Phương pháp hàn:

1- Mối hàn 2- Cần khoan 3- Za mốc

Hình 2.10: Hàn giữa cần khoan và Za mốc Sau khi lắp đầu nối vào cần khoan, người ta hàn liền mép đầu nối với cần nhiều lớp liên tục để tăng độ bền cho đầu nối (Đây là kỹ thuật khó vì thép cần khác tính chất của thép hàn)

+ Phương pháp ép

Tạo nên mặt tiếp xúc căng, có độ dôi ở giữa đầu nối và phần hình trụ ở thân cần

Có thể ép trực tiếp hoặc thông qua một vòng phụ

- Phương pháp ép trực tiếp

3