Thiết bị khoan 2

• Tàu khoan: + Là thiết bị có tính cơ động cao nhất trong số các thiết bị khoan biển và thường được sử dụng cho các giếng khoan tìm kiếm, thăm dò xa đất liền.. Các giàn khoan cố định tr

A: THIẾT BỊ KHOAN

Phần I: Phân loại

Căn cứ vào tính di động, giàn khoan được chia thành 2 loại:

– Giàn khoan đất liền.

– Giàn khoan biển.

Ngoài ra, giàn khoan có thể được phân loại theo:

– Chiều sâu khoan được: nhẹ, trung bình, sâu và siêu sâu.

• Thiết bị khoan nhẹ: dưới 650 mã lực, khoan tối đa 2000m.

• Thiết bị khoan trung bình: 650 – 1300 mã lực, khoan tối đa 4000m.

• Thiết bị khoan sâu: 1300 – 2000 mã lực, khoan tối đa 7000m.

• Thiết bị khoan siêu sâu: khoảng 3000 mã lực, khoan tối đa

9000m.

– Tải trọng nâng: công suất tời khoan.

– Tính cơ động: cố định, tự hành, bán tự hành.

a/ Giàn khoan trên đất liền( onshore, land rigs):

Theo tính cơ động, các giàn khoan trên đất liền có thể được chia làm 3 loại: tự hành, bán tự hành và cố định.

Giàn khoan tự hành: các giàn khoan nhẹ( khoan tối đa 2000m) được

gắn trực tiếp trên xe tải cỡ lớn và dễ dàng di chuyển từ nơi này đến nơi khác

Giàn khoan bán tự hành: các giàn khoan trung bình và sâu thường gắn

trên rơ móc chuyên dụng hoặc xe lá khổng lồ Các thiết bị khoan này có thể di chuyển nguyên bộ ở cự ly ngắn Khi cần di chuyển xa, thiết bị được tháo rời từng phần riêng biệt.

Giàn khoan cố định:

• Được sử dụng để khoan các giếng sâu và siêu sâu.

• Các bộ phận chính trên giàn có thể được tháo rời thành từng mô đun,

dễ dàng vận chuyển trên các xe tải có rơ móc chuyên dụng và được lắp ráp lại tại khoan trường.

b/ Giàn khoan biển( offshore rigs):

Tùy thuộc vào mục đích( thăm dò hay khai thác) của giếng và độ sâu của mực nước biển mà người ta sử dụng các loại giàn khoan khác nhau Có 2 nhóm chính: giàn khoan di động và giàn khoan cố định.

– Các giàn khoan biển di động( mobile offshore rigs):

• Xà lan khoan:

+ Thiết bị này có đáy bằng, được sử dụng tại các vùng song nước nội địa, mặt nước yên tĩnh và nông( khoảng 3-5m).

+ Tại vị trí khoan, xà lan được làm ngập và nằm trực tiếp lên đáy + Giếng khoan được thực hiện từ sàn xà lan.

+ Các thiết bị đặt trên giàn thường nhô ra bên ngoài và trượt được để

có thể tiến hành khoan ngoài phạm vi của sàn khoan.

• Giàn bán tiềm thủy:

+ Cấu tạo từ hai hay nhiều khoang chứa nước dưới các chân đế, giúp giàn nổi lưng chừng, tạo thế ổn định giàn tốt nhất, hạn chế ảnh hưởng của biển động.

+ Nhờ hệ thống máy tính điện tử, hệ thống kiểm soát dằn được tự động giữ độ cao nhúng chìm giàn thích hợp và ổn định giàn Khi cần

di chuyển đến vị trí mới, nước từ các khoang chứa nước được bơm ra

và giàn khoan sẽ nổi trên mặt nước.

+ Các giàn khoan bán tiềm thủy có thể được sử dụng để khoan thăm

dò và khai thác trong vùng biển có mực nước sâu từ 60 – 1200m.

• Tàu khoan:

+ Là thiết bị có tính cơ động cao nhất trong số các thiết bị khoan biển

và thường được sử dụng cho các giếng khoan tìm kiếm, thăm dò xa đất liền.

+ Về hình dáng, tàu khoan giống các tàu vận tải biển, chính thiết bị khoan giúp phân biệt nó.

+ Có thể vận hành trong vùng biển có chiều sâu mực nước từ 30 – 2000m đôi khi lên đến 2800m.

+ Các tàu khoan được neo hoặc định vị động học tại vị trí khoan Hệ thống định vị động học có khả năng hiệu chỉnh tự động vị trí thiết bị khoan nhờ các động cơ đẩy dọc( propellers) và đẩy ngang( thrusters)

gắn dưới tàu Các động cơ này được kích hoạt và điều khiển bằng máy tính.

– Các giàn khoan biển cố định( fixed offshore rigs):

+Giàn khoan và khai thác cố định được chế tạo đầu tiên vào năm

1937, sử dụng ở nơi có chiều sâu mức nước dưới 100m.

+ Đa số các giàn khoan cố định có cấu trúc chân đế bằng thép, một số giàn khoan thế hệ mới có chân đế bằng bê tông cốt thép.

+ Các chân đế của giàn khoan được cắm vững chắc xuống đáy biển + Một giàn khoan cố định có thể khoan từ 16 – 32 giếng, hoặc 40 giếng đối với một số giàn đặc biệt.

+ Ngày nay, công nghệ tiên tiến cho phép khoan và khai thác ở vùng biển sâu hơn 300m với các thiết sau:

• Tháp chằng cáp( guyed towers) sử dụng khung thép nhẹ với các cáp neo xuyên tâm giữ cho tháp đứng thẳng.

• Giàn nổi có chân đế căng( tension – leg platforms), nối với đáy biển bằng các chân thép ở trạng thái căng.

II Các hệ thống chính của giàn khoan.

Các hệ thống thiết bị chính của giàn khoan bao gồm:

1 Tháp khoan và cấu trúc dưới tháp

2 Hệ thống cung cấp năng lượng

3 Hệ thống nâng thả

4 Hệ thống xoay

5 Hệ thống tuần hoàn dung dịch

6 Hệ thống kiểm soát giếng

7 Hệ thống đo

1.Tháp khoan (derrick, mast) và cấu trúc dưới tháp (Substructure).

1.1 Tháp khoan: là cấu trúc bằng thép dạng tháp, chịu tải trọng của bộ khoan cụ

và cột ống chống trong quá trình làm việc

Các giàn khoan cố định trên đất liền và giàn khoan biển thường sử dụng tháp khoan tiêu chuẩn, các giàn khoan khác trang bị tháp tự hành.

1.2 Cấu trúc dưới tháp: là khung các dầm thép được lắp ráp với nhau bằng

bulong ngay dưới chân tháp khoan

Chức năng: chịu tải trọng của tháp khoan và tạo khoảng trống cần thiết để bố trí hệ thống đầu giếng, thiết bị miệng giếng và thiết bị chống phun

Cấu trúc dưới tháp có thể độc lập với tháp

2 Hệ thống cung cấp năng lượng: sử dụng động cơ diezel hoặc tuabin khí làm

nguồn năng lượng chính

Máy phát điện diezel Động cơ diezel

-Số lượng động cơ tùy thuộc vào kích thước và chiều sâu tối đa khoan được.

a/ Chức năng: cung cấp năng lượng cho

Tời khoan (Drawworks),

Các máy bơm dung dịch (Mud pumps),

Hệ thống rôto (Rotary system),

Năng lượng cho thắp sáng,… (Auxiliary power requirements for lighting

etc),

Sử dụng cho sinh hoạt (Life support system).

b/ Phân loại:

-Phương pháp truyền tải cơ năng:

Chủ yếu còn gặp trên các thiết bị khoan cũ và nhỏ

Công suất của các động cơ phát được hòa chung nhờ nối các động cơ với nhau thông qua cách nối thủy lực, các vòng chuyển đổi và xích tải

Các bánh răng phát động truyền bằng xích phụ dùng để nâng thả bộ khoan cụ, còn các dây cu-roa bản lớn được sử dụng để quay các máy bơm dung dịch

Nhược điểm: do sử dụng xích tải truyền động nên phương pháp này buộc phải bố trí các động cơ gần giàn khoan gây nên tiếng ồn lớn và thường xuyên cho công nhân làm việc

-Phương pháp truyền tải điện năng:

Được sử dụng phổ biến để phát động phần lớn các máy móc trên giàn

Các động cơ làm quay các bộ đổi chiều, các bộ đổi chiều sinh ra các dòng xoay chiều và tiếp tục truyền qua cáp đến cơ cấu kiểm soát và chuyển đổi điện Từ đây, phần lớn năng lượng phát ra đổi thành 1 chiều và truyền ngược lại bằng cáp đến các động cơ điện nối trực tiếp với các thiết bị liên quan

Ưu điểm: do hệ thống điện-diezel loại trừ mọi sự chuyển đổi nặng nề, phức tạp nêncác động cơ có thể đặt xa giàn khoan để giảm tiếng ồn cho công nhân làm việc

3.1 Tời khoan: dùng để nâng thả và treo bộ khoan cụ, cột ống chống di chuyển các

vật nặng và thực hiện các chức năng phụ trợ khác

Chi tiết cấu tạo:

Tời khoan là 1 khung bằng kim loại, trên đó có gắn các ổ bi để đỡ trụ tời và trục truyền

Tời có trang bị phanh để hãm hoặc giảm tốc độ quay của tang tời

Tời khoan gồm 1 tang tời chính để cuộn cáp khoan và 1 đến 2 tang phụ nhỏ hơn đểtháo vặn cần khoan, nới lỏng ren khi tháo cần, thả các dụng cụ nhẹ xuống đáy, di chuyển các dụng cụ nhẹ quanh sàn khoan

Tời khoan và sơ đồ động học của tời khoan

3.2 Hệ thống ròng rọc: biến đổi chuyển động quay của tang tời thành chuyển

động tịnh tiến của móc nâng và đồng thời giảm tải cho dây cáp

Ròng rọc tĩnh (n): có cấu tạo 1 khung đỡ, trên đó có lắp ổ trục và con lăn Khung

đỡ này thường được gắn liền với nóc tháp

Ròng rọc động (n+1): gồm 1 vỏ hàn, trong đó có lắp các ổ trục, các rục con lăn

Cấu tạo: gồm 3 phần, ruột cáp, múi cáp và sợi cáp

Mỗi múi từ 19 đến 37 sợi cáp

Các sợi được xoắn thành múi, các múi được xoắn quanh các ruột kim loại (giếng khoan sâu) hoặc hữu cơ (giếng khoan nông)

Cáp khoan

3.4 Các thiết bị khác:

Phanh chính: cho phép thợ khoan kiểm soát tốc độ chuyển động khi nâng thả bộ

khoan cụ

Hệ thống tự bù: điều chỉnh quá trình chuyển động dọc của giàn, cho phép thiết bị

khoan được chuyển động tự do tương đối để có thể treo bộ khoan cụ và cột ống bao

Elevator: là 1 dụng cụ đặc biệt được dùng để nâng thả thiết bị dạng ống (các loại

cần khoan và ống chống)

Hệ thống tự bù chuyển động dọc trên các giàn khoan nổi

Phanh chính Elevator

4 Hệ thống xoay (Roto)

4.1 Đầu xoay thủy lực: là bộ phận nối giữa hệ thống palang và cột cần khoan.

a/ Chức năng:

Đỡ toàn bộ trọng lượng bộ khoan cụ

Cho phép bộ khoan cụ xoay

Làm kín áp suấ và là đường dẫn dung dịch khoan

b/ Thành phần:

Phần không xoay: được treo vào móc nâng

Phần xoay: nối với cột cần khoan

4.2 Cần chủ đạo (Kelly): là chi tiết đặc biệt bằng thép rất cứng vững, rỗng ở tâm

và có tiết diện vuông hoặc lục giác đều

a/ Chức năng:

Truyền chuyển động quay của bàn roto cho bộ khoan cụ

Trược dọc theo trục giếng khoan

Dẫn dung dịch khoan xuống đáy giếng

b/ Hoạt động:

Cần chủ đạo nằm lọt bên trong một lỗ mở hình vuông hoặc hình lục gia1ctrong ốnglót, ống lót được đặt lọt vào bàn dẫn động Khi bàn dẫn động quay sẽ kéo cần chủ đạo quay theo

Chiều dài cần chủ đạo có thể là 40,46,54 ft ứng với chiều dài làm việc là 37, 43, 51

ft Do đó, khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo, phải tiếp thêm cần khoan

4.3 Bàn roto: vận hành nhờ động cơ điện riêng.

Thành phần:

Bàn dẫn động làm xoay cần chủ đạo

Bộ chấu lót là dụng cụ dạng dải có gắn các răng kẹp chặt khi đặt nó xung quanh cần khoan, để giữ cần khoan treo lơ lửng khi tháo cần chủ đạo

4.4 Động cơ treo (Top drive): trong 1 số thiết bị khoan hiện đại, thay thế hệ thống

bàn roro/ cần chủ đạo khi cần thi công giếng sâu

a/ Ưu điểm:

Không phải dùng cần chủ đạo

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

Có thể tiếp cần dựng dài (cần ba)

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 khi việc dịch chuyển thiết bị khoan có thể thực hiện với tháp khoan đứng và cần dựng trong tháp

b/ Nhược điểm:

Phải lắp đặt 1 hế thống dẫn hướng trong tháp

Phải gia cố kết cấu khi có lực xoắn phụ

Phải tăng chiều cao của tháp vì đầu quay dài hơn đầu xoay thủy lực thông thườngPhải có các ống mềm hoặc cáp tải điện phụ trong tháp khoan

Tăng đáng kể khối lượng ở trên cao

Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều so với hệ thống bàn roto/cần chủ đạo

5 Hệ thống tuần hoàn dung dịch.

a/ Chức năng:

 Vận chuyển mùn khoan từ đáy giếng lên bề mặt kịp thời và nhanh chóng

 Tạo điều kiện tốt nhất để thi công giếng an toàn và hiệu quả

b/ Hoạt động:

Máy bơm hút dung dịch khoan từ bể chứa dung dịch và đi theo trình tự sau đây: Ống đứng- Tuyo cao áp- Cần chủ đạo- Cần khoan- Cần nặng- Vòi phun thủy lực ở chòng khoan- Khoảng không vành xuyến- sàn rung, thiết bị xử lý dung dịch- Bể chứa dung dịch

Hệ thống tuần hoàn dung dịch là 1 hệ thống kín Dung dịch khoan được tuần hoàn nhiều lần trong quá trình khoan giếng

Dung dịch khoan được hiệu chỉnh liên tục cho phù hợp với giai đoạn khoan giếng

6 Hệ thống đo

Hệ thống đo

6.1 Thiết bị hiển thị: một bảng lớn trên đó lắp đặt các loại đồng hò đo Các thông

số đo được hiển thị lên các đồng hồ:

 Tải trọng: tải trọng treo ở móc nâng và tải trọng lên chòng

 Vận tốc quay của bàn roto

 Moment ở động cơ điện

 Moment ở khóa tháo vặn cần

 Moment ở bàn roto

6.2 Thiết bị tự ghi:ghi lại tất cả các thông số trong quá trình khoan và truyền trực

tiếp về phòng thí nghiệm để theo dõi, xử lý

Thông số khoan thay đổi làm cho hệ thống tiếp nhận tính hiệu thay đổi theo

Sự thay đổi này làm kim dao động theo phương ngang và vẽ lên cuộn băng giấy đang quay đều

c/ Các thông số ghi được:

d/ Hệ thống đo trong khi khoan (MWD): cho phép đo và truyền tức thì các thông số

của đất đá và chất lưu vỉa lên bề mặt, xử lý nhanh và chính xác, hiệu chỉnh kịp thời

và tối ưu các thông số chế độ khoan

7 Hệ thống kiểm soát giếng: là hệ thống chống sự xâm nhập của chất lưu từ vỉa

vào giếng (hiện tượng kích ngầm)

Hệ thống kiểm soát giếng

Đối với giàn khoan nổi như giàn bán tiềm thủy và tầu khoan (vùng biển trung bình

và sâu), các thiết bị chống phun có thể được lắp tại đầu giếng tại đáy biển

 Đóng khoảng không vành xuyến giữa cần khoan và giếng khoan

 Thường được lắp ở trên cùng của thiết bị chống phun

 Được đóng đầu tiên và có các áp suất làm việc 2000, 5000 và 10000 psig

Đối áp vạn năng (đối áp cầu hay đối áp xoay) cho phép thao tác quay bộ khoan

cụ khi đối áp vành và ngàm chỉ cho phép dịch chuyển bộ khoan cụ trong khoảng chiều dài 1 cần đơn