Bài giảng khoan dầu khí tập 2 part 1 pps

Tuốc Bin dùng cho khoan là Tuốc Bin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ của Tuốc Bin được nối với phần dưới của cột khoan, trục của tuốc bin nối với choòng khoan.. Mép trong của các cánh được

Chương V khoan bằng động cơ đáy

Bắt đầu từ những năm 30 của thế kỷ trước, song song với phương pháp khoan rôto, người ta còn áp dụng những phương pháp khoan khác, trong đó có phương pháp khoan bằng động cơ đáy

Trong phương pháp khoan bằng động cơ đáy, động cơ truyền chuyển

động cho choòng khoan có thể là Tuốc Bin khoan trục vít hay động cơ điện

Động cơ này lắp ngay bên trên choòng khoan Trong quá trình khoan bằng

động cơ đáy, cột cần khoan không quay và tạo điều kiện làm việc nhẹ nhàng cho chúng

A - Khoan tuốc bin

Trong nhiều hướng khoan bằng động cơ đáy, hướng khoan Tuốc Bin là

được sử dụng rộng rãi nhất

Năm 1923 Kỹ sư Liên Xô Kapenciusnhikov đã để nghị dùng động cơ chìm để quay choòng khoan Năm 1924 Tuốc Bin của Kapenciusnhikov đã

được sử dụng để khoan giếng đầu tiên trên thế giới Tuốc Bin này chỉ có một tầng, có hộp giảm tốc Nó không được sử dụng rộng rãi vì trong Tuốc Bin một tầng chất lỏng chảy với tốc độ cao Dòng chảy với tốc độ cao mang theo các hạt cát làm cho cánh Tuốc Bin rất chóng mài mòn

Năm 1934, Kỹ sư Sumilôp đã để nghị dùng kiểu Tuốc Bin mới gồm nhiều tầng Trong một Tuốc Bin có tới 100 - 150 tầng, cho phép tăng công suất lên 10 - 20 lần, hạ thấp tốc độ quay xuống nhờ vậy mà không cần hộp giảm tốc nữa Tốc độ chảy của nước rửa giảm nên cánh Tuốc Bin ít bị mài mòn

Từ năm 1940 - 1941 ở Ba Cu bắt đầu sử dụng Tuốc Bin khoan trong

thực tế Năm 1944 khoan Tuốc Bin bắt đầu sử dụng rộng rãi trong các mỏ dầu Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 khoan Tuốc Bin là một trong những phương pháp khoan chủ yếu ở Liên Xô

Ngày nay cấu trúc Tuốc Bin khoan càng ngày càng hoàn thiện và người

ta đã chế tạo nhiều loại Tuốc bin có đặc tính kỹ thuật khác nhau

5.1 Ưu nhược điểm, nguyên lý làm việc và cấu trúc của Tuốc Bin khoan

5.1.1.Ưu nhược điểm của Tuốc Bin khoan

So với phương pháp khoan rôto khoan Tuốc Bin có những ưu điểm sau

1 Trong khoan Tuốc Bin cột cần khoan không quay Do đó trong quá

trình làm việc cột cần khoan chịu tải nhẹ hơn Hiện tượng mỏi sinh ra do tải trọng động đặc biệt là ứng suất uốn sẽ có giá rất nhỏ hay bị triệt tiêu dẫn đến

sự cố về đứt cần khoan thưa hơn Cho phép khoan ở những độ sâu lớn hơn

2 Cột cần khoan không quay sẽ giảm được sự mài mòn cho các bộ

phận của cột cần khoan và các chi tiết quay của thiết bị trên mặt

3 sử dụng Tuốc Bin khoan để khoan định hướng dễ hơn và năng suất hơn

Nhược điểm:

1 Đặc tính của Tuốc Bin là làm việc với số vòng quay lớn, nên cần phải

sử dụng những loại choòng có khả năng chịu được những vòng quay như thế

Đối với choòng chóp xoay, chúng làm việc với tải trọng lớn và số vòng quay giảm Do đó loại choòng này không thoả mãn với điều kiện trong khoan Tuốc Bin Thời gian làm việc bị rút ngắn do sự mài mòn nhanh nhất là ổ tựa

2 ở một số đất dẻo, đòi hỏi mômen phá đá lớn, rất nhiều các loại Tuốc

Bin thông thường không đạt được những momen như vậy

3 Vùng làm việc ổn định của số vòng quay ở Tuốc Bin hẹp Nếu ra

ngoài giới hạn này có thể đưa đến ngừng Tuốc Bin

4 Trong khoan Tuốc Bin công suất thuỷ lực của máy bơm lớn hơn rất

nhiều so với khoan rôto Trong khoan rôto, công suất thuỷ lực chủ yếu tiêu thụ trong hệ thống tuần hoàn Nhưng trong khoan Tuốc Bin ngoài thành phần

điện, công suất bơm còn cung cấp cho Tuốc Bin và cho choòng phá đá Do đó

đòi hỏi những thiết bị bơm có công suất lớn và còn sử dụng những thành phần cấu tạo trong hệ thống tuần hoàn bảo đảm an toàn trong điều kiện làm việc áp suất lớn của Tuốc Bin Thông thường khả năng làm việc của bơm giới hạn chiều sâu làm việc của tuốc bin

5 Những chỉ tiêu cho việc bảo dưỡng, bảo quản, sửa chữa Tuốc Bin đưa

đến việc tăng giá thành khoan Tuốc Bin

5.1.2 Nguyên lý làm việc của tuốc bin khoan

Tuốc Bin dùng cho khoan là Tuốc Bin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ của Tuốc Bin được nối với phần dưới của cột khoan, trục của tuốc bin nối với choòng khoan

Mỗi một tầng Tuốc Bin gồm 2 phần chính (hình 1)

Hình 1

Phần quay được nối với trục goị là rôto Phần đứng yên nối với vỏ gọi là stato, stato gồm vòng thép (1), trong đó có các cánh uốn cong (5) Mép trong của các cánh được liên kết với nhau bằng vòng (3) Rôto gồm vòng (2),các cánh (6) được uốn cong theo chiều ngược với cánh Stato Các mép ngoài của

Hình:

cánh được gắn với nhau qua mép (4) Giữa rôto và stato có khoảng hở để rôto quay tự do

Trong cánh quạt của Tuốc Bin , năng lượng thủy lực của dòng nước rửa

được chuyển hoá thành cơ năng để quay trục có mang theo choòng khoan Dung dịch khoan đi qua các rãnh các cánh palét uốn cong của đĩa stato Dòng dung dịch đó nó tiếp tục đổi hướng Khi ra khỏi stato vận tốc tuyệt đối C

0

được coi là bằng vận tốc tuyệt đối vào các rãnh của các cánh palét uốn cong của đĩa rôto C

1 ( C

0= C

1) Khi vào rôto dòng dung dịch tác dụng xuống các cánh uốn cong của rôto là cho đĩa rôto quay Khi vào rôto chất lỏng tham gia hai chuyển động

- Vận tốc tương đối U1

quay theo đĩa rôto

- Vận tốc tương đối

1

ω theo hướng của palét uốn cong Thành phần U làm quay Tuốc Bin khoan, véc tơ của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hướng và ra khỏi rôto là C

2 với vận tốc này dòng dung dịch vào trong rãnh của đĩa Stato ở tầng tiếp theo ở đây quá trình lại được lặp lại

5.1.3 Cấu trúc của Tuốc Bin khoan

Trong khoan thường sử dụng các loại Tuốc Bin: Đơn và Nối

5.1.3.1 Tuốc Bin đơn

Tuốc Bin đơn được tạo thành bằng vỏ Tuốc Bin (1) và nó

gắn chặt với đĩa Stato của Tuốc Bin ở phía bên trong có trục

Tuốc Bin (2) gắn với đĩa rôto Để treo trục bên trong Tuốc Bin

nhờ ổ tựa dọc (5) với loại ma sát trượt kim loại trên cao su hay

cao su trên cao su Do dạng của ổ tựa này nên người ta vẫn gọi là

ổ tựa răng lược Để giữ không cho dung dịch khoan xâm nhập

vào ổ tựa răng lược ở một số cấu trúc của Tuốc Bin ổ tựa được lắp

ở phần dưới

Để tránh bị cong trục tuốc bin người ta lấy 2 hay 3 ổ tựa

ngang (6) Các ổ tựa này được lắp ở khoảng cách tương đối bằng

nhau và giữa chúng là các tầng Tuốc Bin

ở phần trên của Tuốc Bin có đầu nối chuyển tiếp để nối

với phần dưới của cột cần khoan Phía dưới có đế (7) Đế (7) này

nó bịt kín giữa thân tuốc bin và trục nhờ đệm bịt kín (15) bên

trong đế Trong khi vặn đế vào đế Tuốc Bin, đế ép chặt vòng thép

bên ngoài của đĩa stato để gắn chặt chúng với vỏ Tuốc Bin ở

phần trên trục Tuốc Bin có ren Ren này được vặn chặt vào ốc (9)

Nó ép chặt các vành thép bên trong của đĩa rôto vào trục tuốc bin,

ốc hãm (10) để giữ ốc (9) Phần dưới của trục có 2 lỗ thoát (11)

để liu thông dung dịch xuống choòng khoan Tuốc Bin đơn

thường dùng là loại T12M

5.1.3.2 Tuốc Bin nối

Trong một số trường hợp khi khoan qua các tầng đất đá

dẻo, momen quay của Tuốc Bin không đủ để thực hiện quá trình

phá đá, hay ở các giếng khoan sâu, lưu lượng dung dịch nhỏ, do đó giá trị của momen và công suất không đáp ứng cho quá trình khoan

Để thu được momen quay và công suất lớn của Tuốc Bin mà không thay

đổi đường kính của chúng Chúng ta chỉ giải quyết bằng cách tăng số tầng của

Hình3

chúng lên Do đó cần phải chế tạo những Tuốc Bin dài, người ta cũng đã chế tạo những Tuốc Bin đến 150 tầng đĩa

Nếu chế tạo những Tuốc Bin có độ dài quá lớn, gây khó khăn cho việc nâng thả và sử dụng nó ở giếng khoan, trong khâu lắp ráp vận chuyển và bảo quản Để giải quyết những khó khăn trên, người ta đã chế tạo loại Tuốc Bin nối Cấu trúc của nó có từ 2 - 4 đoạn và được nối với nhau tào thành Tuốc Bin nối Mỗi một đoạn là một Tuốc Bin đơn có ít nhiều thay đổi về mặt cấu trúc

Vỏ của từng đoạn Tuốc Bin được nối với nhau bằng ren Các đoạn phần trên không có đế và thay vào đó là những đoạn nối

Để nối các trục của các đoạn Tuốc Bin có ba phương án cấu trúc

a Các trục được nối với nhau bằng khớp nối có rãnh (then hoa)

Trong phương án này, ở các đoạn Tuốc Bin có ổ tựa chính lắp ở phía trên Các ổ tựa của các đoạn Tuốc Bin ở phía trên làm việc suốt thời gian với chịu tải có hướng từ trên xuống Do đó các chi tiết của ổ tựa cũng bị mài mòn

đi rất nhanh và các chi tiết của khớp nối có rãnh cũng bị mòn nhanh, nên loại này sử dụng hạn chế

b Các trục của các đoạn Tuốc Bin được nối với nhau bằng khớp ma sát

Hình 4

Trong quá trình nối vỏ lại với nhau thì đầu nối đực và đầu nối cái nó sẽ

ép chặt lại với nhau và Tuốc Bin được gắn chặt với nhau qua chúng

c Các trục của các đoạn Tuốc Bin nối với nhau qua khớp nối kép

Loại khớp nối này vừa kết hợp khớp nối ma sát hình nón cụt côn rãnh

5.1.3.3 Tuốc Bin có trục Spenden

Trong Tuốc Bin khoan dù đơn hay nối, thành phần chịu mòn nhiều nhất

là ổ tựa chính (ổ tựa răng lược) Khi cần sửa chữa hay thay thế ổ tựa, phải tháo

toàn bộ Tuốc Bin, việc này phải đưa vào xưởng, mất nhiều thời gian Để tránh phải vận chuyển và việc tháo lắp Tuốc Bin, người ta đã chế tạo được Tuốc Bin

có lắp trục Spenden

Spenden là trục có lắp sẵn ổ tựa chính có cấu trúc độc lập và lắp ở phía dưới Tuốc Bin đơn hay đoạn dưới của Tuốc Bin nối Chúng được lắp với nhau bằng khớp nối ma sát hay khớp rãnh Trong trường hợp mòn ổ tựa chính thì chúng ta chỉ việc thay trục Spenden ngay tại miệng lỗ khoan Qua việc dùng Spenden có thể giảm được độ mất dung dịch ở đế

5.2 Chuyển vận của dung dịch bên trong Tuốc Bin

Sự chuyển vận của dung dịch khoan qua lỗ thoát nước giữa các mạng palét của đĩa rôto và stato là một hiện tượng phức tạp Nghiên cứu quá trình chuyển vận của nó nhằm xác định bằng lý thuyết các giá trị của các thông số hoạt động của Tuốc Bin khoan, chúng ta cần một số giả thiết nhằm đơn giản hoá

- Chúng ta coi rằng dung dịch khoan có độ lưu thông tuyệt đối, các lực cản do độ nhớt là không đáng kể

- Lưu lượng của dung dịch khoan qua các rãnh thoát nước của đĩa rôto

và Stato là không đổi Q = Const

- Chúng ta xem rằng dòng dung dịch chuyển vận giữa khoảng không gian của hai mặt trụ đồng tâm Dung dịch cũng chảy thành từng lớp hình trụ

đồng tâm Giả thuyết này cho phép áp dụng định luật cular về máy thuỷ lực

- Độ hở giữa đĩa rôto và Stato nhỏ

5.2.1 Đường kính lý thuyết của tuốc bin khoan

Để nghiên cứu hoạt động của Tuốc Bin khoan, ta hãy tách một lớp hình trụ trung bình của dòng dung dịch Lớp dung dịch này chuyển vận ở đường kính lý thuyết (Dlt) hay đường kính trung bình của Tuốc Bin một tia dung dịch của mặt trụ nói trên được coi là một tia trung bình hay một tia tương

đương có vận tốc chuyển động trung bình và không thay đổi theo thời gian

Và chúng ta giả thiết rằng các tia dung dịch tương đương này chuyển động

trong các khoảng không gian giữa mạng palét uốn cong và nó có hiệu quả như những tia thật chuyển động tại các điểm khác nhau của rãnh thoát nước

Hình 5

Mặt cắt dọc của một Tuốc Bin

Như vậy đường kính lý thuyết nằm giữa đường kính ngoài và trong của mạng phalet Đường kính lý thuyết có thể tính bằng 2 cách

1 Đường kính trung bình giữa đường kính ngoài và đường kính trong

2 Đường kính mà nó chia tiết diện vành xuyến giới hạn giữa Dn và Dt thành hai phần bằng nhau

4.(Dn2 - dlt2) = 4.(dlt2- Dt2) Từ đó rút ra

dlt =

2 D2n +D2t

2 (2)

5.2.2: Hệ số sử dụng của tuốc bin khoan (hệ số giảm rãnh thoát nước Strangular)

Hiện diện của palét trong mạng của đĩa rôto và stato làm giảm diện tích rãnh thoát nước của dung dịch Chúng ta gọi H hệ số sử dụng của Tuốc Bin là

tỷ số giữa diện tích thật của rãnh thoát nước Ac và diện tích rãnh thoát nước trong điệu kiện không có hiệu diện của cánh palét

H = A'Ac

c (3)

Diện tích A’c được tính bằng công thức: A’c = .dlt h

h - là chiều cao ngang của rãnh palét: h = 12 (Dn- Dt)

Ac - Diện tích thật của rãnh thoát nước: Ac = A’c- AP

Trong đó AP là diện tích của các cánh palét

AP = Z h 

sin =

.dlt

t .h

 sin

t- là bước của palet

Ac =  dlt h -  dlt h 

sin

Ac = A’c (1 - 

tsin )

H = Ac

A'c = 1 -

 tsin (4)

Z = dlt

t

Hình 6

5.2.3: Các tam giác vận tốc

Dung dịch khoan sau khi đi qua rãnh thoát nước của đĩa Stato Trong thời điểm dung dịch ra khỏi đĩa Stato, hướng của dòng dung dịch tiến tới hướng của palét ở rìa ra Hay nói cách khác giá trị của góc thuỷ lực tl gần bằng giá trị của góc cấu trúc c , chế độ thuỷ không sóc

tl = c

t



 sin



ở rãnh thoát nước của đĩa rô tơ, một phần tử nước tham gia 2 chuyển

động tương đối

- u: Vận tốc tương đối chuyển động theo đĩa rôto

- : Vận tốc tương đối chuyển động theo hướng palét

Tổng hợp của 2 chuyển động trên chúng ta được vận tốc tuyệt đối C

ở mỗi điểm của rãnh thoát nước tương ứng với một điểm của tam giác vận tốc Với mục đích nghiên cứu sự chuyển vận của dung dịch bên trong Tuốc Bin Nhằm xác định các thông số hoạt động của Tuốc Bin chúng ta lấy 4

điểm đặc trưng nằm ở rìa ra và rìa vào của đĩa Stato và đĩa rôto của một tia dung dịch trung bình chuyển động ở đường kính lý thuyết vào Tuốc Bin

Hình 7

Chúng ta hãy xem khoảng cách giữa hai đĩa rôto và Stato là không đáng

kể, vì vậy chúng ta xem rằng

- Tất cả các hiện tượng xảy ra ở rìa vào rôto trùng với các hiện tượng xẩy ra ở rìa ra Stato

- Tất cả các hiện tượng xảy ra ở rìa ra rôto trùng rìa vào Stato

Như vậy tại hai điểm A và B của tia dung dịch trung bình chảy ở đường kính lý thuyết chúng ta vẽ được hai tam giác vận tốc

Như vậy: Tam giác vận tốc rìa vào rôto trùng tam giác vận tốc rìa ra Stato

0 ký hiệu : rìa vào rãnh thoát

nước ở đĩa Stato

Không ký hiệu : rìa ra đĩa stato

0

1

Không ký hiệu

2

u1 A

B

1

c1

2

u1

u2

c2 u2

Tam giác vận tốc rìa ra rôto trùng tam giác vận tốc rìa vào Stato Như vậy chúng ta có thể vẽ tổng hợp các tam giác vận tốc tại bốn điểm

đặc trưng dưới dạng: (hình vẽ bên)

Hình 8

C1 = C , C2 = C0 , w1 = w 0

u1 = u , u2 = u0 , w2 = w0

Từ các tam giác vận tốc chúng ta rút ra được các công thức sau đây

Vì cùng chung tốc độ quay nên:

u1= u2 = u

C1z = C2z = w1z = w2z = Cz

C2u= - (Czcotg2 - u) = u - Cz cotg2 (6)

Các giá trị C1u , C2u quyết định đến các thông số hoạt động của Tuốc Bin

5.2.4 Định luật của euler về Tuốc Bin dọc

theo định lý thứ hai của enuler, lực tác dụng lên các cánh cong palét gây nên momen quay của trục tuốc bin lớn được xác định bằng công thức:

F = Q.

g (C1u - C2u ) Như vậy momen quay của Tuốc Bin với số tầng là k sẽ là

M = k.Qg ret (C1u-C2u ) (7) Trong đó: ret = bán kính lý thuyết của Tuốc Bin

, Q tỷ trọng và lưu lượng của dung dịch

Nếu chúng ta biết được lưu lượng dung dịch là Q, vận tốc quay u

Công suất hiệu dụng của Tuốc Bin sẽ là

u C1u

1 c1

u1 = u2 = u

c2u

2

c2 z