Tổng quan về các thiết bị trong ngành dầu khí - AN INTRODUCTION TO RIG TYPE AND BASIC DRILL STRING COMPONENTS

Những hiểu biết cơ bản về thiets bị trong công tác khoan tham dò, khai thác dầu khí

AN INTRODUCTION TO RIG TYPE AND BASIC DRILL STRING

COMPONENTS

OUTLINE PRESENTATION RIG TYPES

KELLY & TOP DRIVES

DRILL STRING COMPONENTS

DRILL BITS

SPECIAL DRILL STRING TOOLS

I RIG TYPE

Gồm 2 loại chính:

• Giàn khoan trong đất liền và (Onshore)

• Giàn khoan ngoài biển (Offshore)

Phân theo mực nước: 6 loại chính

• Land Drilling Rigs - Giàn khoan đất liền

• Jack up Rigs - Giàn Khoan tự nâng

• Platform Rigs - Giàn khoan cố định

• Submersibles Rigs - Xà lan khoan

• Semisubmersible Rigs - Giàn khoan nửa nổi nửa chìm

• Drill Ships - Tàu khoan

1 LAND RIGS

• Most common type of rigs and used to drill wells at onshore locations

• Là dạng loại giàn khoan thông dụng nhất được sử dụng để thi công các giếng khoan trên đất liền

CÁC DẠNG GIÀN KHOAN ĐẤT LIỀN

• Land Rig có nhiều loại khác nhau Một số loại chính có thể kể đến:

− Truck Mounted: Đây là dạng xe khoan, cơ động và

thường được sử dụng để khoan các giếng khoan

nông đến chiều sâu trung bình trong khoảng 500 m

đến 4000 m

− Skid Mounted: là loại giàn khoan để khoan những

giếng khoan có chiều sâu từ trung bình đến chiều

sâu lớn Toàn bộ các bộ phận của giàn khoan

được chế tạo thành những phần rời nhau, sau đó

được lắp ráp thành một giàn khoan hoàn chỉnh

− Rig in Motion: Đây là loại giàn khoan để thi công

các giếng khoan có chiều sâu trung bình đến chiều

sâu lớn Toàn bộ hệ thống giàn khoan được đặt

trên các bệ có bánh xe cỡ lớn để có thể kéo đi

khi cần di chuyển

• Rig Move đối với giàn khoan đất liền

− Với mỗi loại giàn khoan khác nhau có cách

vận chuyển khác nhau Trong đó cách vận

chuyển giàn khoan Skid Mounted là phức

tạp nhất do phải tháo dời các thiết bị giàn

khoan để di chuyển

2 JACKUP RIGS

− Giàn khoan tự nâng là loại giàn khoan có 03 chân được cắm trực tiếp xuống dưới đáy biển tạo thành một giàn cố định trên biển Khi di chuyển 3 chân giàn được rút lên và di chuyển đến vị trí mới qua hệ thống nâng hạ bằng cơ khí với các bánh răng truyền động

Truck Mounted

Rig in motion

Skid Mounted Rig

− 3 chân được đặt trên đáy biển

− Có thể khoan ở nơi có chiều sâu mực nước từ 20 m tới 150 mét

Di chuyển:

− Giảm tải bằng cách bơm nước ra khỏi các ngăn chứa và hạ thân giàn xuống bằng cách rút 3 chân lên qua hệ thống bánh răng truyền động

− Dùng tàu kéo (Tug Boat) để kéo giàn đến vị trí mới

− Đến vị trí mới 03 chân của giàn sẽ hạ xuống và cắm xuống đáy biển bằng chính trọng lượng của giàn khoan và lượng nước được rót vào trong các ngăn chứa

− Cân bằng giàn qua các hệ thống tank cho giàn ổn định và tiến hành khoan

3 PLATFORM RIGS

− Là giàn khoan được lắp đặt cố định trên biển bằng các kết cấu thép cắm sâu xuống đáy biển

− Có rất nhiều dạng giàn cố định:

• Big Platform

4 SUBMERSIBLE RIGS

− Là giàn được lắp đặt trên sà lan nổi hoặc các

pontong với các tank để cân bằng Khi khoan

phần Pontong của giàn ngồi trên đáy biển để

đảm bảo sự ổn định

− Chiều sâu mức nước lớn nhất mà sà lan

khoan có thể khoan được là 50 mét

− Ngoài ra, nó thường được sử dụng cho

khoan vùng sông hồ, đầm lầy (Inland Swamp

Barge)

Các dạng sà lan khoan (giàn bán ngập)

Di chuyển giàn khoan bán ngập:

− Bơm nước ra khỏi pontong để giàn nổi lên, dùng tàu kéo đi

5 SEMI SUBMERSIBLE RIGS

− Là giàn khoan nửa nổi nửa chìm Khi khoan nước được bơm vào các tank để làm chìm một phần của giàn khoan, thường là 25 ft so với bề mặt biển để đảm bảo sự ổn định cho giàn khoan

− Cấu tạo: Bao gồm các pontong (pontoons) và các cột trụ rỗng (Colums) tạo thành cái phao lớn nổi trên mặt nước

− Để cố định giàn, người ta phải thả các neo giữ (Anchors)

− Với những thế hệ giàn Semi Sub hiện đại ngày nay, ngoài việc dùng hệ thống neo để cố định giàn khoan người ta dùng hệ thống định vị động (Dynamic Positioning System) với các chân vịt có công suất lớn (Thruster)

− Người ta chia các thế hệ giàn khoan ra thành các loại giàn từ thế hệ đầu tiên gọi là thế hệ thứ nhất và hiện nay đã có loại Semi Sub thế hệ thứ VI Thế hệ thứ VI có thể khoan ở độ sâu nước biển tới 12000 ft

− Điều khác biệt của giàn khoan nổi là hệ thống BOP (Blowout Preventors) được lắp đặt dưới đáy biển (Subsea BOP) Vì vậy hoạt động của giàn khoan nổi rất phức tạp

− Di chuyển: Tuỳ thuộc vào thiết kế của giàn mà giàn khoan có thể di chuyển tự hành (Propell) hoặc phải dùng tầu kéo hoặc dùng tàu chuyên dụng để chở gọi là Dry Tow

6 DRILL SHIP

− Là giàn khoan được lắp đặt ngay trên con tàu rất lớn

− Ưu điểm: rất thuận lợi khi di chuyển, khoan ở chiều sâu mức nước không hạn chế

− Nhược điểm: Rất đắt tiền, điều khiển rất phức tạp

− Trong quá trình khoan phải thả các neo để định vị tàu và

đặc biệt là hệ thống BOP dưới đáy biển

− Di chuyển: Tàu khoan thường có thể tự hành, trong

trường hợp di chuyển xa có thể di chuyển khô gọi là Dry

Tow, hoặc dùng tàu kéo Tug Boat hỗ trợ

− Cũng giống như Semi Sub, các thế hệ tàu khoan hiện đại

ngày nay thường định vị bằng hệ thống định vị động

Dynamic Positioning System Việc phân loại các thế hệ

tàu khoan cũng tương tự như giàn Semi Sub và hiện nay

đã có loại giàn thế hệ thứ 6 có thể khoan ở vùng nước

− Kéo thả bộ dụng cụ khoan khỏi giếng khoan cũng đưa vào giếng khoan (Trip in & Trip Out)

− Điều khiển các thiết bị để quay choòng khoan

− Choòng khoan phá hủy đất đá

− Đưa đất đá phá hủy lên trên mặt đất

2 TOP DRIVE SYSTEMS

• Ngày nay, hầu hết các giàn khoan biển

sử dụng hệ thống Top Drive để phục vụ

việc nâng hạ và quay bộ dụng cụ khoan

do tính tiện lợi như sau:

− Lắp thêm cần khoan vào bộ cần khoan

• Nhược điểm: Tuy nhiên nó rất đắt tiền,

cồng kềnh và tốn thời gian cũng như tiền bảo dưỡng

• Hệ thống Top Drive quay được do sự truyền động của 01 động cơ hoặc 02 động cơ điện

• Bộ cần khoan ( Drill String) được nối với hệ thống Top Drive bằng 1 đầu nối (Drive Shaft)

và được xiết chặt bằng khóa của hệ thống

3 KELLY SYSTEMS

• Có 2 dạng kelly:

− Loại tiết diện vuông

− Loại tiết diện lục giác

• Kích thước cần khoan theo API được đo bằng đường kính ngoài danh định (OD) của cần Thông thường cần khoan có đường kính từ 3-1/2” đến 6-5/8”

• Đường kính ngoài của một cỡ cần nhất định phải có số đo cụ thể để các đầu nối ren và các công cụ làm việc như: elevator, chấu chèn lắp vào vừa khít

• Chức năng của cần khoan: Cần khoan là bộ phận cần thiết của bất kỳ hoạt động khoan nào

và nó là bộ phận không thể thiếu để kết nối giữa nâng hạ, hệ thống xoay và hệ thống tuần hoàn Một số chức năng chính của cần khoan:

− Kết nối giữa Kelly với cần nặng, choòng khoan tới đáy giếng khoan

− Tiếp thêm chiều dài cho bộ cần khoan

− Cho phép nâng hạ choòng khoan

− Truyển môment từ bàn roto hoặc Top Drive xuống choòng khoan phá huỷ đất đá

− Truyền dòng dung dịch từ máy bơm tới choòng khoan

• Đường kính trong (ID) thay đổi theo trọng lượng danh nghĩa trên mỗi foot chiều dài của cần

• Cần khoan theo tiêu chuẩn API được làm chồn dày (làm cho phần tiếp giáp đầu nối dày hơn thân cần) tại phần cuối ống để tăng thêm độ cứng vững

• Cần khoan theo tiêu chuẩn API có nhiều kích cỡ khác nhau cho cùng một độ dài tiêu chuẩn:

− Grade X95

− Grade G105

− Grade S135

Hiện nay người ta dùng chủ yếu hai loại cần : G105 và S 135

• Cần khoan có 1 đầu đực (Pin) và 1 đầu cái (Box) được tiện ren Các đọan ren trên đầu đực và đầu cái được gọi là đầu nối (Tool joint) Ren cần khoan thường là loại IF theo tiêu chuẩn API

• CÁC LOẠI REN ĐẦU NỐI

− IF: Internal Flush

− EH: Extra Hole

− SH: Slim Hole

− OH: Open Hole

− SL – H-90: Slim Hole – Hughes 90 deg

thread

− FH: Full Hole

− H-90: Hughes – 90 deg thread

− WO: Wide Open

− N.C: Numbered Connection

− I.U: Internal Upset

− E.U: External Upser

− I.E.U: Internal External Upset

• Cần khoan và các loại cần ống khác đều được kiểm tra trên giá đặt trên giàn khoan

Bảo dưỡng cần khoan

− Các đầu ren của cần phải được bôi mỡ thường xuyên bằng loại mỡ chuyên dụng Zn50, Zn60

− Các đầu ren, thân cần cũng cần được kiểm tra bằng mắt Visial Inspection để xác định các hư hỏng về ren, sự cong vênh của cần khoan

− Khi cần để ở kho bãi hoặc để trên giá cần bôi mỡ vào ren, lắp Protector để chống han gỉ và hỏng ren

− Sau định kỳ mỗi giếng khoan hoặc 6 tháng, cần khoan phải được kiểm định theo tiêu chuẩn API

2 Heavy walled Drill pipe (Heavy weight drill pipe)

• Là loại cần có có chiều dày lớn hơn cần khoan được lắp ở đoạn chuyển tiếp giữa cần khoan và cần nặng để tăng độ cứng sự ổn định cho bộ khoan cụ đồng thời làm giảm ứng suất mỏi suất hiện do sự thay đổi liên tục của mômen và tải trọng lên choòng khoan cũng như sự chênh lệch độ cứng giữa cần nặng và cần khoan

• Cần khoan nặng có cấu tạo tương tự như cần khoan và việc sử dụng và bảo dưỡng nó cũng tương tự như cần khoan

Vai trò của cần khoan nặng là:

− Giảm mômen xoắn và mômen kéo trên chuỗi cần khoan

− Giảm nguy cơ kẹt cần do chênh áp (Different Sticking Pressure)

− Tăng khả năng chỉnh xiên

− Giảm nguy cơ hỏng các đầu nối khi khoan qua các đoạn giếng bị gập

Sự khác nhau giữa cần khoan nặng và cần khoan:

− Cần khoan nặng có thành dày hơn

− Và có đầu nối dài hơn cần khoan

Chú ý: Sử dụng loại mỡ Jet Lube 21 cho cần khoan, Jet Lube Kopr-Kote cho cần khoan thành dày và cần nặng và các thành phần của cần nặng Không được phép sử dụng các hợp chất có nguồn gốc kẽm hay chì hoặc các hợp chất thay thế khác

• Có 2 loại chính:

− Loại rãnh xoắn

− Loại thường (nhẵn)

• Ưu điểm của cần khoan nặng có rãnh xoắn:

− Giảm bề mặt tiếp xúc với thành giếng khoan

− Chống được sợ dính cần trong giếng khoan

− Tăng khả năng tuần hoàn và nâng mùn khoan lên trên bề mặt

3 Drill Collars

• Cần nặng là loại cần đặc biệt được lắp ngay cạnh choòng khoan để cung cấp tải trọng trực tiếp cho choòng khoan phá huỷ đất đá ở đáy giếng khoan và giữ cho bộ khoan cụ luôn ổn định, chống lại ứng suất mỏi

• Căn cứ vào tải trọng lên choòng và đường kính cần nặng, người ta sẽ tính được chiều dài cột cần nặng

• Để bảo đảm tải trọng lên choòng và cần khoan luôn kéo căng, người tính sao cho tải trọng lên choòng không vượt qúa 75% trọng lượng toàn bộ cần nặng

• Tải trọng lên choòng được xác định bởi:

§ Cần nặng xoắn có các rãnh xoắn làm giảm

diện tích tiếp xúc với thành giếng, nên chống

lại hiện tượng kẹt cần

§ Cần nặng xoắn có ưu điểm hơn cần nặng trơn,

vì vậy được sử dùng phổ biến hơn

4 CROSSOVER SUBS & STABILIZERS

• CROSSOVER SUBS : là đoạn nối chuyển tiếp giữa các loại cần khác nhau ở bộ khoan cụ

• T ại sao phải dùng đầu nối chuyển tiếp (XO)?

− Ren của cần nặng thường khác loại với cần khoan nặng, cần khoan và các thiết bị khác của

bộ dụng cụ đáy như Stailizer, Mud Motor, choòng khoan, Drilling Jar, Fishing tools…

− Đường kính giữa cần nặng và cần khoan nặng khác nhau Vì vậy, để nối cần khoan nặng với cần nặng, ta phải dùng đầu nối chuyển tiếp (Crossover Sub), chuyển đổi ren cần khoan nặng sang ren cần nặng

• STABILIZERS

§ Nhiệm vụ chính của định tâm:

− Để làm giảm độ mòn của cần nặng người ta lắp các

định tâm trên cột cần nặng

− Để dẫn hướng cho choòng khoan (tạo góc nghiêng của

giếng khoan)

− Tạo sự ổn định cho bộ khoan cụ và đảm bảo cho giếng

khoan không đi lệnh theo hướng thiết kế

§ Tùy thu ộc vào cấu trúc vỉa, phương pháp khoan

người ta có thể lắp 1 hay nhiều định tâm trên cột cần

nặng Thông thường hay dùng 1 định tâm lắp ngay

phía trên choòng khoan làm nhiệm vụ dẫn hướng

§ Phân bi ệt định tâm cần nặng với con lăn cắt

− Trên bề mặt định tâm có phủ 1 lớp dày hợp kim chịu

mài mòn rất cao (Tungsten Carbide)

− Reamer

+ Nó gồm nhiều con lăn có rãnh khía có phủ hợp kim

cứng, được gắn vào các rãnh của ống thép hình trụ

+ Công dụng : Ổn định thành giếng khoan, dùng phổ

biến cho tầng đất đá dễ trương nở (Sét)

5 Bottom Hole Assembly

• Bộ dụng cụ đáy giếng bao gồm:

− Cột cần khoan thành dày

− Cột Cần nặng

− Các định tâm, hoặc reamer

− Choòng khoan

• Để nối cột cần khoan nặng với cần nặng ta phải

dùng đầu nối chuyển tiếp (XO)

• Để nối định tâm với choòng khoan, đôi khi ta

phải dùng đầu nối chuyển tiếp khi loại ren hoặc

đường kính ren không cùng nhau

IV DRILL BITS

1 Overview

Choòng khoan có 2 loại chính:

− Choòng chóp xoay (Roller cone hay Rock

bit)

− Choòng liền khối (Fixed cutter hay Fixed

head)

2 Roller Cone Bits

• Choòng chóp xoay gồm 1, 2 hoặc nhiều

chóp xoay

• Trên các chóp xoay có nhiều răng đặt

xen kẽ nhau

• Răng chóp xoay có 2 loại chính:

− Răng thép

− Răng bằng các hạt hợp kim cứng

(Tungsten carbide)

• Choòng chóp xoay răng thép còn

được gọi là choòng khía răng cưa

(Milled Tooth Bit)

• Chòng khía răng cưa được chia

− Đối với đất đá trung bình: Răng ngắn

hơn, đầu răng hơn tù

− Đối với đất đá rắn: Răng ngắn, tròn,

− Cho đất đá cứng: Tải trọng lên

choòng cao, tốc độ quay nhỏ

+ Hạt hợp kim có độ cứng rất cao

+ Chống mài mòn

BẢNG THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CHOÒNG KHOAN

ROCK BIT SIZE TOOL JOINT SIZE TYPE Made up Torque

• Để làm tăng khả năng phá hủy đất đá và rửa sạch đáy giếng khi khoan, người ta lắp thêm vào các lỗ thoát dung dịch trên choòng khoan các vòi phun (Jet Nozzle) có kích cỡ phù hợp với từng kích thước của choòng

khoan

• Có 2 loại vòi phun thông dụng:

− Vòi tiêu chuẩn (standard nozzle): AN

− Vòi cắt vát vai (Shrouded nozzle): ANS

− Choòng gắn hạt kim cương tự nhiên (Diamond bit)

− Choòng lấy mẫu (Core bit), gắn hạt kim cương tự nhiên

§ PDC Bit (Polycrystalline Diamond Compact)

− Choòng kim cương nhân tạo là choòng không chóp xoay được gắn các hạt được gắn kết bởi các hạt kim cương đa tinh thể và hợp kim cứng

− Choòng kim cương đa tinh thể (PDC): Ổn định nhiệt ở 750 độ C

− Choòng kim cương đa tinh thể bền nhiệt (TSP): Ổn định nhiệt ở 12000C

− Ưu điểm: Tuổi thọ cao, thời gian làm việc cao

− Nhược điểm: Giá thành rất đắt

§ Diamond Bits

− Choòng kim cương: là choòng không

chóp xoay có gắn các hạt kim cương tự

nhiên vào các khuôn rãnh của choòng

− Nguyên lý phá hủy là mài cắt

− Ưu điểm: Thời gian làm việc cao

− Nhược điểm: Rất đắt, chịu nhiệt và va

đập kém

§ Core Bit & Barrel

Choòng lấy mẫu và ống lấy mẫu

− Thường được làm từ các hạt kim cương

tự nhiên hoặc nhân tạo gắn vào các khe

rãnh trên đầu và xung quanh choòng

được đúc sẵn bằng thép

− Có lỗ ở giữa để lấy mẫu

− Được gắn nối với ống lấy mẫu

• Ống lấy mẫu (Barrel):

− Ống đựng mẫu và giữ mẫu trong khi khoan

mẫu, nối với choòng lấy mẫu

− Có chiều dài từ 9 đến 27 m tùy yêu cầu lấy mẫu

V SPECIAL DRILL STRING TOOLS

− Búa thủy lực (Driiling jar)

− Thiết bị đo giếng khoan trong khi khoan (MWD)

− Môtơ thủy lực (Mud Motor)

2 Drilling Jars

− Búa thủy lực được lắp phía trên cần nặng

− Mục đích: Giải phóng bộ cần khoan khi choòng khoan hoặc cần nặng chẳng may bị kẹt cứng không thể kéo lên được

3 Thiết bị đo trong khi khoan (MWD)

vThiết bị đo trong khi khoan cho thấy các tình trạng bên dưới giếng khoan trong suốt quá trình khoan

vVị trí lắp đặt: ngay phía trên choòng khoan, để truyền tín hiệu lên trên mặt đất

Thiết bị đo trong khi khoan cho biết các thông tin sau:

− Môtơ thủy lực được lắp

đặt ngay phía trên 1 định

tâm và choòng khoan

− Dòng chảy dung dịch đi

qua môtơ làm môtơ quay,

truyền lực quay cho

choòng khoan

− Dùng Mud Motor để khoan định hướng, khoan vào các vỉa chứa dầu hoặc khí

− Trong khi khoan bằng Mud Motor thì toàn bộ cần khoan phía trên Mud Motor không quay, vì vậy rất đễ bị kẹt cần Để khắc phục, phải thường xuyên kéo dạo hoặc xoay bộ cần bằng bàn rôtơ hoặc Top drive

5 Directional Wells

− Ngày nay, khoan định hướng (khoan xiên) là phương pháp khoan phổ biến nhất để thăm dò dầu khí và đặc biệt sử dụng trong giai đoạn phát triển mỏ

− Nhờ ưu điểm vượt trội của phương pháp khoan định hướng mà hơn 90% số giếng khoan trong ngành dầu khí thuộc loại giếng định hướng

Ứng dụng của khoan định hướng:

− Khoan cho vùng có vị trí khó tiếng cận

− Khoan phát triển mỏ

− Khoan cắt xiên (Side Track)

− Và các ứng dụng khác (khoan giải vây, Khoan địa nhiệt …)

6 Horizontal Well

THIẾT BỊ NÂNG HẠ - HOISTING EQUIPMENT

YÊU CẦU BÀI HỌC:

• Giải thích được hoạt động của hệ thống nâng hạ

• Nhận dạng được ròng rọc tĩnh, ròng rọc động và móc nâng, giải thích được chức năng của chúng

• Miêu tả hoạt động của tời khoan

1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÂNG HẠ

• Nhiệm vụ của thiết bị nâng hạ

− Kéo thả bộ cần khoan và các dụng

cụ chuyên dùng trong giếng khoan

− Kiểm soát tải trọng lên choòng

phần không thể tách rời của hệ

thống nâng Cùng với dây cáp

khoan, các puly có chức năng liên

kết tháp khoan với các cần ống

khoan trong quá trình nâng lên hay

hạ xuống giếng khoan

2 BỘ RÒNG RỌC TĨNH (Crown Block)

− Là liên kết của các puly hay bánh xe

có rãnh gắn với nhau trên các thanh

xà và gắn tại đỉnh tháp Dây cáp

khoan được ròng qua các puly ròng

rọc tĩnh và các puly ròng rọc động

Ròng rọc động được nâng lên hoặc

hạ xuống trên tháp khoan bằng các

dây cáp khoan cuốn vào tang tời

− Để chuyển hướng dây cáp mắc vào

tời thông thường dùng thêm một puly

lắp rời (Fast sheave)

3 BỘ RÒNG RỌC ĐỘNG & MÓC

NÂNG (Traveling Block & Hook )

− Bộ ròng rọc động là một khối gắn kết

nhiều puly

− Dây cáp được luồn qua các puly của

ròng rọc tĩnh qua các puly của ròng

rọc động

• Cơ cấu bù chuyển động (Motion

Compensator)

− Cơ cấu bù chuyển động được gắn

chắc chắn vào khung của bộ ròng rọc

động

− Có tác dụng khử dao động của sóng

tác động vào giàn, ổn định khoảng

cách giữa móc nâng và đáy biển

Chú ý: Chỉ có ở Tàu khoan và giàn

khoan nửa nổi nửa chìm

− Mục đích của bộ phận bù chuyển

động là loại bỏ càng nhiều càng tốt sự

tác động của sóng biển gây ra dao

động đứng của cột cần khoan khi

khoan trên các tàu khoan hoặc giàn

• Elevator

− Elevator là một bộ các kẹp và chốt

dùng để giữ chặt cần khoan, ống

chống khi kéo thả cần ống

− Elevator được gắn với ròng rọc

động bằng hai thanh quang treo

(Links)

− Có rất nhiều kiểu Elevator, mỗi loại

cần khoan có đầu nối hình dạng

khác nhau nên phải chọn kiểu

Elevator phù hợp

− Nếu chọn Elevator không đúng sẽ

làm hỏng Elevator và làm rơi cần

khoan xuống giếng khoan

• Casing Elevator: dùng để kéo thả

− Single – joint, casing pick-up type

elevator: sử dùng khi kéo ống chống

đơn từ sàn trung tâm lên trên sàn

khoan

• HOOKS

− Dùng để treo Swivel (Đầu trâu) và 2 quang treo Elevator (Links)

− Hook có thể quay tròn tự

do, và được điều khiển bằng 2 loại chốt : Tự do và

có lựa chọn

4 DRILLING LINE (Dây cáp khoan)

• Một dây cáp khoan là một dây cáp được cấu tạo từ các sợi cáp (xem bài: Cấu tạo dây cáp thép)

− Cáp được dùng cho tời khoan là

loại 6 x 19 IWRC được coi là loại

chuẩn

− Số 6: chỉ số các tao cáp

− Số 19: chỉ số lượng sợi cáp trong 1

tao cáp (bao gồm một sợi cáp trung

tâm, 9 sợi nhỏ bao quanh, 9 sợi to

hơn bao vòng ngoài)

− IWRC: independent wire rope core

(Lõi cáp độc lập) bao gồm 49 sợi

cáp được bện lại với nhau

− Như vậy có tổng cộng 163 sợi cáp

trong loại cáp này

− Phần lớn cáp dây cáp khoan được

cấu tạo từ loại thép được nâng cao

tính chống chẻ sợi (IPS)

• Reeving Drilling Line

− Nhánh cáp chạy qua các puly của ròng rọc động và ròng rọc tĩnh được gọi là Reeving Drilling Line

− Fast Sheave: Là Puly độc lập có sợi cáp chạy qua và quấn vào tang tời, để dẫn hướng cáp

− Nhánh cáp chạy qua puly này và được quấn vào tời khoan gọc là nhánh Fast Line

• Supply (storage) Reel

− Cuộn cáp dự trữ, dùng để thay cáp

mới khi cần (Slips & cutting Drilling

Line)

• Wear Points on Line

− Các điểm cáp bị mòn: tại điểm cáp tì

lên puly của ròng rọc động và tĩnh

khi ròng rọc động kéo lên vị trí cao

nhất và thả xuống vị trí thấp nhất

− Và tại vành gờ khi cáp tiếp xúc với hai cạnh của tang trống tời khoan (khi cáp chuyển số vòng cuốn)

• Slipping and Cutting Drilling Line

− Là sự dịch chuyển dây cáp mới thay thế

những nơi cáp bị mòn

− Phần cáp cũ trong tang tời được tháo bỏ

và cắt đi, phần thêm mới được kéo từ

6 DRAWWORKS (Tời khoan)

Size (Loại) Power (công suất) Well Depth (chiều sâu

giếng)

• Drum Brakes System (Drawwork

Braking Sys)

− Brake Band: Má phanh

− Drum: Tang tời

− Brake Level: Tay phanh

• Drawworks Disk Brake System

− Caliper and Pad Assemblies

− Disks

− Disk Brakes are More Efficient

than Drum Brakes

− Phanh đĩa cho hiệu suất tốt hơn

đi xuống)

• Latest drawworks

− Là tời sử dụng mô tơ khí nén và hệ thống kiểm soát

− Hệ thống phanh sử dụng khí nén

• Crown Saver

− Nhiệm vụ: Để bảo vệ Crown Block và Traveling Block

− Vị trí đặt: Treo tại nóc đỉnh của tang quấn của tời

− Nguyên lý làm việc: Khống chế số vòng cáp quấn trong tời khoan Khi số vòng cáp đụng vào Crown Saver, sẽ kích hoạt phanh tự động và ngắt môtơ truyền động tời

ROTATING EQUIPMENT, MAST AND SUBSTRUCTURE

Lecture Contents

• Rotating Equipment

• Kelly & Rotary Table

• Top Drive (Power Swivel)

• Masts & Derricks

• Substructure

Lecture Objectives

Sau khi học xong khóa học, học viên cần nắm được những ý sau:

• Biết được chức năng và hoạt động của hệ thống cần Chủ đạo và bàn rôtơ (Explain the purpose and operation of a kelly and rotary table system)

• Biết được chức năng và hoạt động của hệ thống truyền động đỉnh Explain the purpose and operation of a top drive system)

• Mô tả tháp khoan và hạ tầng cơ sở và biết được chức năng của chúng (describe the mast and the substructure and explain their purpose)

CÁC HỆ THỐNG CHÍNH TRÊN GIÀN KHOAN

• Tất cả các thiết bị khoan Roto có các bộ phận cơ bản giống nhau, cụ thể bao gồm:

• Tháp khoan và cấu trúc dưới tháp chịu tải trọng của bộ khoan cụ, cột ống chống trong quá trình làm việc

• Hệ thống cung cấp năng lượng để vận hành tất cả các máy móc trên giàn

• Hệ thống nâng thả để nâng thả bộ khoan cụ

• Hệ thống roto để quay bộ khoan cụ

• Hệ thống tuần hoàn để tuần hoàn dung dịch trong giếng khoan và đưa mùn khoan lên bề mặt

• Hệ thống đo trong khi khoan: đo và ghi lại tất cả các thông số khoan, tính chất của đất đá

và chất lưu

• Hệ thống kiểm soát giếng: đảm bảo an toàn trong quá trình thi công nhờ kiểm soát sự cân bằng giữa áp suất vỉa và áp suất thủy tĩnh trong giếng

1 Rotating Equipment

Kelly & Rotary system:

Rotary Hose → Swivel → Kelly

Assembly → Rotary Table

Top Drive Sysyem:

Travel Block → Hook → Swivel →

Motor → Pipe Hander Assembly →

Drive Shaft → Drill String

2 Kelly & Rotary Table

Kelly Assembly bao gồm:

• Kelly

• Kelly Drive Bushing

• Master Bushing

để tuần hoàn dung dịch, 2 đầu có ren

để nối vào Swivel (trên) và Drill pipe (dưới)

− Bàn rôtơ truyền lực quay cho Kelly nhờ có Kelly Drive bushing và Master bushing

− Kelly làm Drill pipe và Bit quay theo

Rotary Table Operation

Tên gọi bàn rôto xuất phát từ

phương pháp khoan rôto Vận hành

nhờ động cơ điện riêng, bàn rôto

gồm nhiều chi tiết Bàn dẫn động

cần chủ đạo dẫn động ống lót cần

chủ đạo và làm phù hợp với các

chấu lót Bộ chấu lót là một dụng cụ

dạng dải (tấm) có gắn các răng kẹp

chặt khi đặt nó xung quanh cần

khoan, giữ cần khoan treo lơ lửng

trong giếng khi tháo cần chủ đạo

Bàn rôtơ được quay bởi môtơ điện độc lập có dẫn động trực tiếp Khi lắp đặt, phần đỉnh của bàn roto ngang bằng với mặt sàn hoặc cao hơn sàn một chút

Trong các hệ thống xoay thông thường, bàn Roto quay cột cần khoan và mũi khoan tạo thành lỗ khoan Trong các hệ thống này, bàn rôtơ thực hiện 2 chức năng chính:

• Xoay cột cần khoan

• Giữ trọng lượng của cột cần khoan khi chấu chèn (slip) được lắp vào bàn rôtơ

Thiết bị khóa bàn roto

• Có nhiều cách lắp ráp khác nhau được áp dụng để khóa bàn roto Trên một số kiểu bàn roto, bàn xoay có thể bị khóa chiều xoay ngược chiều kim đồng hồ trong khi tự do xoay theo chiều kim đồng hồ Một số kiểu khác khóa hoàn toàn sự chuyển động theo các hướng Một số kiểu khác nữa có thể khóa có lựa chọn theo hướng cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ

• Thiết bị khóa được gắn với khung của bàn roto và chốt khóa hoặc chốt gài gắn vào khấc hoặc rãnh trên rãnh trên vành của bàn roto hoặc một khe trong gờ chắn Tất cả

các bộ phận được bảo vệ chống lại hoạt động bất cẩn và chúng được ghép trên đỉnh hoặc bên cạnh hốc của thân bàn roto

Bảo dưỡng bàn roto

• Nếu bôi trơn đúng mức, chỉ cần ít bảo

dưỡng cho bàn roto Bảo dưỡng các bàn roto phần lớn gồm các hoạt động bôi trơn tỉ mỉ Các nhà chế tạo đã làm cho công việc này đơn giản và có hệ thống và cần thực hiện thường xuyên

trên sàn khoan

Bộ phận chứa dầu mỡ bôi trơn

• Bộ phận cung cấp mỡ bôi trơn được bố trí tại hoặc gần điểm cần bôi trơn Dầu mỡ thích hợp cần được bơm vào dụng cụ này hàng ngày

Bộ phận xả

• Các bàn roto được trang bị bộ phận xả cho phép tháo chất bôi trơn còn dư Êkíp thực hiện cần nhận biết các bộ phận này và mục đích sử dụng của nó Bộ phận xả không nên tháo bỏ và thay thế bởi các bộ phận chứa dầu mỡ bôi trơn khác

Tắm dầu

• Đáy của bàn roto hiện đại có gắn sẵn một hoặc hai hộp chứa dầu dự trữ Những hộp dầu này cần được đổ đầy dầu sạch Để giữ dầu sạch cần thiết phải giữ cho nút giữ dầu trong điều kiện tốt và thay thế chúng khi chúng không sử dụng được nữa

Nếu dầu bị ô nhiễm, cần thực hiện hai bước:

• Sửa chữa điều kiện gây ra ô nhiễm

• Xả và loại bỏ dầu cũ, làm sạch hộp chứa dầu có tạp chất và đổ đầy dầu mới tới mức thích hợp với loại dầu đã quy định

Opening Diameter Max Nonmoving (Static) Load Max RPM

Small 17 in (43 cm) 250 tons (225 metric tonnes) 500 rpm

Large 49 in (1.2 m) 800 tons (725 metric tonnes) 300 rpm

Master Bushing được gắn vào Bàn rôtơ Nó là thành phần không thể thiếu của bàn rôtơ

Có 3 loại Master Bushing:

• Loại rời gồm 2 mảnh (Split Master Bushing)

• Loại 2 mảnh có chốt bản lề (Hinged Master Bushing)

• Loại liền khối (Single Piece Master Bushing)

Insert Bowls also called Inserts or Bushings

Mỗi ống lót trong lòng có thể được khóa vào các lót trục chính Chúng được khóa hoặc mở tại

vị trí tùy thuộc vào tình hình Các thiết bị khóa được lồng trong các lót trục chính

Kéo và lắp lót trục chính (Master bushing) và ống lót trong (insert bushing)

• Không phải mọi thứ đi vào trong giếng khoan có thể vừa vặn đi qua lỗ mở trong bàn roto Vì vậy ống lót trong có thể phải kéo ra khỏi bàn roto để tạo lỗ mở lớn hơn Và lót trục chính cũng phải kéo ra khỏi bàn roto để tạo lỗ mở lớn hơn nữa

• Cả hai có thể được tháo ra bằng việc sử dụng bộ móc thiết kế đặc biệt thường được gọi là bộ rút lót trục Bộ rút lót trục được gắn với dây tời phụ sao cho chúng có thể nâng hoặc hạ được

• Ống lót trong (insert bushing, bow bushing) thường có hai lỗ khoan vào bên trong tạo thành nơi để móc mà bộ rút trục có thể móc vào Khi tháo lót trục, một người điều khiển tời phụ, người thứ hai gài hai móc rút trục vào lót trục, nếu bộ rút trục có 4 móc thì người thứ ba giữ 2 móc còn lại sao cho chúng không bị đung đưa hoặc móc vào các vật cản khác

vCách thực hiện:

− Mở khóa ống lót trong khỏi lót trục chính

− Gài các móc vào các lỗ trong trục ống lót Cả hai ống lót này có thể bị tháo cùng một lúc nếu bạn sử dụng bộ rút ống lót trục chính hoặc bạn có thể tháo từng chiếc một với bộ dụng cụ kéo lót trục trong

− Người gài các móc cần giữ các móc đó bằng những tay cầm

− Không cần thiết và rất nguy hiểm nếu nâng ống lót lên cao Chỉ cần nâng cao một vài cm trên sàn khoan là đủ để nhấc chúng khỏi bàn roto và đưa ra ngoài

− Khi lắp ráp chúng trở lại, nhớ khóa chúng lại bằng các chốt gài

− Khi gài các lót trục trở lại bàn roto, có thể đưa từng cái một hoặc đưa đồng thời cà hai (sử dụng loại dụng cụ có 4 móc) Kiểm tra lại xem đã gài chốt khóa vào vị trí chưa

− Ống lót trục chính thường là loại xẻ gốm 2 mảnh Chúng có bản lề và ghim bản lề để có thể

di chuyển sao cho nó có thể tháo khỏi bàn roto khi có cần ống trong lỗ

− Ống lót chính có bốn rãnh trên đỉnh để 4 móc kéo ống lót có thể được gài vào Không có khóa để giữ ống lót chính trong bàn roto

vCách di chuyển ống lót chính:

− Kíp trưởng xoay các ống lót sao cho khi móc bản lề các ống lót có thể kéo xung quanh cần khoan

− Tháo ghim bản lề có thể tháo được Cẩn thận không đánh rơi nó xuống giếng khoan

− Luôn có dây an toàn trên ghim trước khi kéo ghim ra

− Gài 4 móc nâng vào 4 rãnh của ống lót chính Bảo đảm rằng một bộ móc (2 cái) được gài trên 2 rãnh của 1 mặt của bản lề và bộ móc thứ hai được gài trên mặt kia

− Cũng rất quan trọng khi các móc được gài sao cho móc đó hướng ra ngoài và không hướng vào nhau Các móc đó cần được gài đúng để cho chúng hoạt động một cách an toàn và thích hợp

− Mọi người cần đứng xa khi người vận hành tời hơi kéo ống lót chính lên trên bàn roto

− Một khi ống lót chính ở trên bàn roto, thợ phụ khoan cần đưa chúng tới một khu vực an toàn trên sàn khoan

vLắp ống lót chính trở lại bàn roto:

− Cần áp dụng cách xắp xếp móc tương

tự như khi tháo ống lót chính

− Một vài người sẽ phải đu đưa các ống

lót đó trên bàn roto sao cho chúng có

thể hạ thấp vào vị trí Sẽ dễ dàng hơn

nhiều khi lắp chúng vào bàn roto nếu

như kíp trưởng kéo ròng rọc động lên

cao ít nhất là lên giữa tháp khoan

− Người điều khiển tời phụ cần điều khiển

vSettling Slips

− Chấu chèn nói chung là những miếng kim loại có hình nêm với những cái răng hoặc các yếu

tố kẹp chặt khác được dùng để ngăn ngừa

cần ống khỏi trượt vào lỗ khoan hoặc để

giữ cần ống tại bàn roto

− Chấu chèn cần khoan hoặc cần nặng vừa

vặn quanh cần ống và nêm ngược với trục

bề mặt kẹp chấu chèn và làm tăng cơ hội đánh rơi cần ống

• Không bao giờ sử dụng các phần tử kẹp (die) đã bị mài mòn với các phần tử kẹp cũ trong cùng một thanh kẹp giữ

• Nếu chấu chèn, ống lót chính, ống lót trong bị hư hại sẽ gây hư hại cần ống tại nơi kẹp cần ống

• Thả đột ngột chấu chèn trong khi cần đang đi xuống sẽ gây ra vết thắt vào cần ống, cũng như gây quá tải trên bàn roto

• Không đặt chấu chèn vào các đầu nối cần ống Điều này sẽ gây biến dạng chấu chèn vĩnh viễn

• Không để chấu chèn lướt trên cần ống khi cần ống đang được kéo lên khỏi lỗ khoan

• Không đặt chấu chèn tại điểm quá xa so với đầu nối Vì khi đó đầu nối cần ống sẽ ở độ cao quá so với bàn roto, cần ống không vững đủ để chịu uốn Độ cao này phụ thuộc vào độ lớn mômen xoắn do khóa càng cua (tongs) đặt trên khớp nối

• Phần lớn chấu chèn cần khoan cần phải đặt đều quanh cần khoan bởi thợ phụ khoan sao cho các chấu kẹp (die) được tiếp xúc hoàn toàn với cần khoan

vSwivel and Rotary Hose

• Đầu xoay thủy lực (Swivel): là một bộ phận quan trọng của hệ thống tuần hoàn dung dịch Đầu xoay phải linh hoạt cũng như có tính chống rò rỉ dưới áp suất cao và có khả năng chuyển nhiếu loại dung dịch có chứa nhiều thành phần gây bào mòn Xích an toàn trên đầu xoay phải được kiểm tra định kỳ và thay thế khi cần thiết

• Đầu xoay thủy lực (Swivel): là một bộ phận nối giữa hệ thống ròng rọc động và cần vuông (hoặc cần khoan), thực sự là một bộ phận rất quan trọng và phức tạp, vì nó:

ü Đỡ toàn bộ trọng lượng bộ khoan cụ

ü Cho phép bộ khoan cụ quay

ü Làm kín áp suất và là đường dẫn dung dịch khoan trong bộ cần khoan

• Ống mềm thủy lực

(Rotary Hose): là một ống cao su chịu áp suất cao được gắn vào cổ ngỗng (gooseneck) của Swivel, dầu còn lại nối với ống đứng (Stand pipe) Có tác dụng dẫn dung dịch trong hệ thống tuần hoàn dung dịch

3 Top Drive (Power Swivel)

• Hoạt động khoan nhờ truyền

động Top Drive và kelly (cần chủ

đạo) là tiêu chuẩn của ngành

trong nhiều năm Trong nhiều

thập kỷ qua, cột cần khoan được

lắp nối lại với nhau nhờ bàn roto,

kelly, khóa càng cua (tong), chấu

chèn (slips) …

• Phương pháp xử lý cần ống và

tạo mối nối vẫn được sử dụng

cho đến tận ngày nay mà hầu

như không có sự thay đổi hay

cải tiến đáng kể nào cả

Ưu điểm của TDS

− Hệ thống khoan nhờ truyền động

Top drive có độ tin cậy cao là một

giải pháp hiệu quả để quay cột cần khoan và giữ các cần dựng Hệ thống này được thiết kế

có khả năng giữ được các cần dựng gồm 3 cần đơn (cần dựng có chiều dài khoảng 93 ft), loại bỏ được 2/3 số lượt tháo lắp trong quá trình khoan

− Hệ thống TDS tạo ra lực quay lớn hơn các thiết bị truyền động quay mà không can thiệp vào các thiết bị truyền động đang có Nó liên tục thay cần khoan (tiếp cần dựng), tuần hoàn dung dịch, quay và thả cần cũng như thực hiện khoan doa

− Trục chính được luồn trực tiếp nhờ truyền

động với các mô tơ điện nằm dọc thành trục

− Van chống phun trào bên trong (IBOP) được

nối tại điểm cuối của trục chính Nó được

thiết kế để bảo đảm đường dẫn trực tiếp từ

cột cần khoan qua trục chính Trong quá trình

vận hành, trục chính sẽ chịu tải trọng của cột

cần khoan

− Môtơ khoan, khung môtơ, phần dẫn hướng

và hộp số đều có hệ thống đỡ tải trọng riêng

biệt Khung môtơ/phần dẫn hướng được gắn

với hộp số môtơ Toàn bộ lắp ráp di chuyển

dọc trên hai thanh ray được đỡ bởi tháp

khoan Khung môtơ, phần dẫn hướng kết hợp

với thanh ray đứng chống lại mô men xoay

của môtơ trong quá trình khoan

− IBOP trên cao có thể được thợ khoan đóng từ

xa tại bất kỳ điểm nào trên tháp khoan IBOP

bên dưới có thể được đóng bằng tay và

chuyển xuống dưới lỗ khoan trong khi kiểm

soát dội giếng Elevator được treo trên cặp

quang treo điều khiển bằng pít tong Elevator

có thể được đưa ra ngoài để cho dễ dàng tiếp

− Phải tăng chiều cao của tháp vì có thêm Top drive (Tốn kém)

− Tăng giá thành bảo dưỡng thiết bị, cáp mòn nhanh hơn (tốn kém)

Sức nâng (hoisting capacity): 315 đến 680 tấn

4 Masts & Derricks

nơi dựng cần khoan và một số thiết bị

khoan Giếng khoan càng sâu cần sử

dụng tháp càng cao vì nó cho phép

thả đoạn cần dài và chịu tải lớn hơn

Có 2 loại tháp khoan chủ yếu: Masts

(tháp chữ A) và Derricks (tháp tiêu

chuẩn 4 chân)

Derricks (tháp tiêu chuẩn 4 chân):

được lắp ráp từ các chi tiết riêng biệt

bằng bulông và hàn tại khoan trường

và phải tháo dỡ khi di chuyển thiết bị khoan đến vị trí khác

Loại tháp này thường có kích thước: 40 x 40 x 163 ft (tháp động học) và 30 x 30 x 147 ft (tháp tĩnh)

Mast (tháp chữ A): được lắp ráp toàn bộ tại xưởng thiết kế chế tạo và

không bao giờ tháo rời

nữa

Loại tháp này có thể

gập lại được hoặc lồng

vào nhau để giảm kích

thước khi di chuyển

hoặc sử dụng khi mặt

bằng bị giới hạn

Các giàn khoan cố định

trên đất liền và giàn

khoan biển thường sử

Mast being towed Horizontally

v Height and Capacity

− Trong khi khoan, choòng khoan hoặc các chi tiết

khác trong bộ khoan cụ có thể được kéo khỏi giếng

để thay thế do bị mòn hoặc với mục đích khác

− Quá trình này được tiến hành nhanh hơn nếu như

không tháo rời từng cần khoan khi kéo thả bộ cần

khoan

• Chiều cao của tháp khoan quyết

định chiều dài cột cần dựng Đa số các tháp khoan cho phép thao tác với cần đôi (hai cần khoan nối với nhau dựng trong tháp) hoặc cần ba

• Thông thường tháp cao từ 30 đến

50 m

• Tải trọng của tháp khoan là một

thông số rất quan trọng Đối với giếng khoan sâu, bộ cột cần khoan

có thể nặng tới 250 tấn, nếu kể cả trọng tải của tháp và các thiết bị đặt trong tháp đôi khi lên đến 500 – 800 tấn Hơn nữa, tháp khoan còn phải chịu tải trọng động rất lớn trong quá trình kéo thả, cứu sự cố kẹt cần …

Mast being towed Vertically

• Tháp khoan được thiết kế theo tải trọng nâng và sức gió trực diện mà chúng có thể chịu được

• Tải trọng nâng của tháp khoan thay đổi từ 10 đến 1500 tấn

• Đa số các tháp khoan có thể chịu được sức gió từ 140 – 200 km/h

• Sau khi kết thúc giếng khoan, thiết bị khoan có thể di chuyển hàng trăm km để đến vị trí mới Trên các giàn khoan nổi (tàu khoan và giàn bán tiềm thủy) các tháp khoan còn phải chịu thêm các tác động phụ do gió, sóng nhồi, dao động ngang và dọc Vì vậy tháp khoan này phải là tháp động học (tháp có độ bền cao)

• Đối với các giàn cố định, giàn tự nâng hoặc giàn trên đất liền có thể sử dụng tháp khoan tĩnh

v Stands

Các cần khoan được kéo lên và xếp lên giá

theo từng đoạn cần dựng Một đoạn cần

dựng thường có 3 cần đơn được nối với nhau

gọi là bộ ba Một đoạn cần dựng có tổng

chiều dài trung bình là 93 ft và có thể đặt

trong tháp khoan cao 140 ft hay cao hơn

v Crown Walkaround (Water Table)

Là khu vực đỉnh tháp, nơi đặt bộ ròng rọc tĩnh

v Monkeyboad

Là khu vực trên cao, nơi làm việc của thợ trên cao khi kéo thả cần dựng

v Stabbing Boad

Là khu vực trên cao để thợ trên cao

điều chỉnh ống chống và êlêvator ống

chống trong công tác thả ống

Thợ trên cao có thể điều chỉnh độ cao

của sàn để làm việc thuận lợi, thiết bị

này có thể điều khiển bằng thủy lực

hoặc khí nén

Chiều cao của Stabbing board tính từ

sàn khoảng từ 9 – 12 m (phụ thuộc vào

chiều dài ống chống đơn)

5 Substructure

• Cấu trúc dưới tháp là khung

các dầm thép được lắp ráp với nhau bằng bulong ngay dưới chân tháp

• Cấu trúc dưới tháp chịu tải

trọng của tháp khoan và tạo khoảng trống cần thiết để bố trí hệ thống dầu giếng, thiết

bị bị miệng giếng và thiết bị chống phun trào

− Blowout Preventer Stack

− V – Door, Pipe Ramp and Catwalk