Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 5 pptx

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.. Ngoài ra cần khoan và đầu nối còn có các

4 cạnh Hình 31: 6 cạnh

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

3.2.2 Cần khoan:

Đây là bộ phận chính của cột cần, thực chất đó là loại ống thép được chồn dày ở 2 đầu để tăng độ bền của ren nối Tuỳ theo cấu tạo của đầu chồn

mà người ta chia ra 3 loại cần đó là:

- Đầu cần chồn dày về phía trong và tiện ren bước ngắn (h.a)

- Đầu cần chồn dày về phía ngoài và tiện ren bước ngắm (h.b)

- Đầu cần chồn dày về cả hai phía trong và ngoài có tiện ren bước ngắn (h.c)

- Ngoài ra còn dùng cần hàn (với za mốc) - là loại đầu nối hiện đại Cần khoan được đặc trưng bởi chiều dài và đường kính của chúng Cần khoan được chế tạo chủ yếu theo 6 cấp đường kính sau:

60; 73; 89; 114; 141; 168 mm

với mỗi cỡ đường kính có bề dày  từ 8  11mm

Có các cỡ chiều dài khác nhau từ 6  11m

Với các cỡ đường kính:

2 3/8” ; 2 7/8”; 3*1/2”; 4”; 4*1/2”; 5*”; 5 1/2"

* Được dùng rộng rãi trong khoan dầu ở Mỹ

Các cỡ chiều dài chia ra 3 loại:

Loại 1: 18  22 ft (5,486  6,71m)

Loại 2: 27  30ft (8,229  9,144m)

Loại 3: 38  45ft (11,582  13,716m)

Thép cần khoan là thép hợp kim có độ bền cao

1 Ren tam giác

2 Phần đầu cần được chôn dày

3.2.3 Za mốc nối cần khoan:

4

5

1

2

4

3

Hình 32

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

Cần chồn dày bên trong

*Đặc tính của ren cần khoan và ren za mốc

a.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

b.Ren za mốc

Tiết diện của ren za mốc hình tam giác, chân ren lượn tròn, đỉnh ren cắt phẳng Góc đỉnh bằng 600 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 zamốc 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

3.2.4.Cần nặng:

Hình 2.14 Cần nặng

Cần nặng được lắp trên choòng khoan, nhằm giữ hướng thẳng đứng phần dưới của lỗ khoan nhờ độ cứng vững của nó lớn hơn cần khoan và khe hở cũng bé hơn Dùng để truyền tải trọng cho choòng khoan bằng một phần trọng lượng của nó

Có nhiều loại cần nặng

* Cần nặng nhẵn: được chia làm 2 loại

+ loại có đường kính đều + loại có hai đầu tăng dần

* Cần nặng hình xoắn ốc (giảm diện tích tiếp xúc với thành giếng khoan và giúp tuần hoàn dung dịch tốt hơn)

* Cần nặng vuông (độ cứng vững cao và khả năng dẫn hướng tốt nhưng giá thành cao và sử dụng phức tạp nên ít dùng)

Cần nặng được nối trực tiếp với nhau không thông qua đầu nối trung gian Chiều dài cần nặng được chuẩn hoá: 9,144m

Đường kính cần nặng thường là: 9

2

1

” (241,3mm); 8”(203,2mm); 7

4

3

”

(196,85mm); 6

4

3

”(171,45mm); 4

4

3

”(120,65mm)

3.2.5 Đầu nối chuyển tiếp:

Là đầu nối giữa những chi tiết có đường kính khác nhau với nhau

Đầu nối chuyển tiếp được phân thành 2 nhóm:

a Nhóm đầu nối chuyển tiếp của cần chủ đạo

Đầu nối chuyển tiếp phía trên của cần chủ đạo được nối với đầu thuỷ lực là đầu nối ren trái để tránh tháo trong quá trình khoan

Đầu nối phía dưới của cần chủ đạo với cần khoan là đầu nối ren phải

b Nhóm đầu nối chuyển tiếp trung gian để nối các phần trong cột cần khoan

như giữa cần khoan và cần nặng, giữa cần nặng có đường kính khác nhau với nhau, giữa cần nặng và choòng v.v

3.2.6 Định tâm cần khoan:

- Công dụng: Ngăn ngừa sự cong lệch giếng khoan khi thi công

Nhờ tiếp xúc với thành giếng khoan ở 3 điểm nên bộ định tâm đảm bảo

sự đồng trục giữa cột cần khoan và giếng khoan đặc biệt trong khoan tuabin

Có nhiều loại định tâm khác nhau phụ thuộc vào độ cứng đất đá

ở thành giếng khoan

Ví dụ định tâm trên được sử dụng phổ biến hơn cả Trên thân có 3 rãnh phân bố cách nhau 1200 Trên mỗi rãnh có lắp hai bánh răng hình trụ, hai đầu

định tâm có ren để nối với đầu nối chuyển tiếp của cột cần khoan nhằm giảm tối đa lực ma sát với thành giếng khoan

Nhiều trường hợp người ta lắp trên tuabin hai bộ định tâm, xen giữa 2

bộ định tâm là một đoạn cần nặng

- Cấu tạo:

Hình các loại định tâm

3 2.7 Vật liệu chế tạo các chi tiết của cần khoan

Là thép hợp kim với thành phần cácbon trung bình Mọi chi tiết của cần khoan đều được gia công nhiệt luyện để tăng cơ tính Gần đây người ta đã chế tạo các cần khoan nhẹ bằng hợp kim đặc biệt Cần khoan nhẹ dùng trong khoan Roto và tuabin là hợp kim nhôm hai đầu được chồn dày vào phía trong

Da mốc cũng được cấu tạo nhẹ Cần khoan bằng hợp kim nhôm có những ưu

điểm sau:

- Trọng lượng cột cần nhỏ nên khoan được chiều sâu lớn với cùng thiết bị

- Thời gian nâng thả nhanh, tiêu thụ năng lượng giảm, vận chuyển và bảo quản nhẹ nhàng hơn

Nhược điểm:

- Giá thành cao

- Đặc tính bền giảm đi khi nhiệt độ đáy tăng trên 1100C

- Mài mòn nhanh do ma sát với thành giếng khoan vì vậy cần hợp kim nhôm chỉ được dùng rộng rãi trong khoan tuabin vì cột cần không quay

3.3 Chịu tải của cột cần khoan trong quá trình làm việc

Trong quá trình làm việc tải trọng tác dụng lên cột cần khoan rất đa dạng khác nhau về đặc tính và giá trị Chịu cả tải trọng động lẫn tải trọng tĩnh bao gồm: Kéo, nén, uốn, xoắn, lực ma sát, quán tính và các dao động Đặc tính của các lực tác dụng lên cột cần khoan luôn luôn thay đổi và phụ thuộc vào chiều dài của cột cần khoan ở gần đáy các lực luôn biến đổi, khi càng gần miệng tải trọng càng ổn định dần Nói tóm lại đặc điểm của sự làm việc của cột cần khoan là sự mất ổn định dưới tác dụng của các lực ngang lực chiều trục, lực xoắn Trục của cột cần khoan trong trường hợp chung có hình xoắn trong không gian Độ dài các bước xoắn thay đổi theo chiều sâu giếng khoan Chiều dài bước xoắn nhỏ nhất ở điểm trung hoà và tăng dần lên miệng giếng khoan

3.3.1 ứng suất phần trên của cột cần khoan

Phần trên cột cần chủ yếu chịu ứng suất tĩnh: kéo và xoắn

a ứng suất kéo của cột cần khoan

ứng suất kéo lớn nhất trong quá trình kéo cột cần khoan, tổng hợp lực phần trên sẽ là:

QK = Q + Qm + Qqt

Trong đó: Q - Trọng lượng bản thân cột cần

Qm - Lực ma sát với thành giếng khoan

Qqt - Lực quán tính ; Qqt = q g a

a - gia tốc kéo; g - gia tốc trọng trường)

Qm =  Q ;  = 0,2  0,3 (hệ số ma sát)

Bây giờ xét từng trường hợp cụ thể

Q - Trọng lượng của cột cần khi ngâm trong dung dịch, được tính bằng công thức sau:

Q = [(L - lcn) q + lcn qcn + G ] ( 1 - d

 )

Trong đó: L - Chiều dài cột cần, m

lcn - Chiều dài cần nặng, m

q, qcn - Trọng lượng 1m cần khoan, cần nặng, kg

G - Trọng lượng của choòng và tuabin, kg

d , t - Trọng lượng riêng của dung dịch và của thép

Như vậy, ứng suất kéo của cột cần khoan được tính theo công thức:

K = Q F

F =  4 (D2 - d2) - Tiết diện cần khoan

D, d - Đường kính ngoài và trong của cần khoan

Ta xét ứng suất kéo ở phần trên cột cần trong 3 trường hợp sau:

- Trường hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan: K’

K’ = QF

- Trường hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan nhưng có sự tuần hoàn của nước rửa: K”

K” = K’ + p Ft

F Trong đó: p - Tổn thất áp suất bên trong cần khoan, cần nặng,

tuabin, choòng

Ft - Diện tích tiết diện ngang lỗ thoát nước trong cần khoan

- Trường hợp choòng làm việc với tải trọng Gc: K”’

K”’ = Q - G F e + Độ dãn cần:

Trong trường hợp giếng khoan thẳng đứng độ dãn nở toàn phần

do trọng lượng bản thân của cột cần được xác định theo biểu thức sau đây:

L = 1

10 K

 - d 2E [(L - lcn)2 + l2cn + 2lcn (L - lcn) F Fcn ]

Trong đó: E - Mô đun đàn hồi của thép cần khoan

Fcn - Tiết diện ngang của cần nặng

b ứng suất xoắn của cột cần khoan

Trong khi khoan đồng thời với ứng suất kéo, cột cần phải chịu ứng suất xoắn do sự quay của cột cần khoan: ( Được mô tả theo hình vẽ dưới đây)

O Mc+ Mck Mx

L

a Khoan Rôto

O Mx

Ma sát với thành n hỏ nê M x còn truyền t ới mi ệng

Ma sát với thành lớn, M x bị trượt tiếp tuyến tại một đi ểm nà o đó

L

b Khoan Tuabin

- Trong khoan Roto Mx có giá trị tăng dần từ đáy lên miệng

- Trong khoan tuabin: biến thiên ngược lại, phía dưới cùng có giá trị lớn nhất bằng mô men phản của tuabin và giảm dần lên mặt và tuỳ thuộc vào ma sát với thành giếng khoan (hình vẽ)

Trong khoan Roto ứng suất xoắn cực đại max ở phần trên cùng của cột cần được tính như sau:

max = M Wmax

x

= 71620 N n Wkt + Nc

x Trong đó: Nkt - Công suất để quay cột cần khoan không tải

Nc - Công suất tiêu thụ để quay choòng phá đá

n - Số vòng quay

Mmax - Mô men xoắn lớn nhất

Wx =  (D

4

- d4)

16 D Modul chống xoắn

Như vậy ứng suất tổng cộng xuất hiện tại tiết diện trên cùng của cột cần khoan được tính: 

 = K2 + 4x2

3.3.2 ứng suất phần dưới cột cần khoan:

Trong quá trình làm việc phần dưới của cột cần chịu các ứng suất: xoắn, kéo, nén, uốn

a ứng suất nén: (n )

Khi khoan với tải trọng đáy là Gc , ứng suất nén sẽ có giá trị lớn nhất tại tiết diện dưới cùng của cột cần

n = G Fc

b ứng suất uốn: ( u )

+ ứng suất uốn do cong lỗ khoan:

ứng suất uốn sinh ra trong cột cần khoan, khi cần khoan làm việc trong một giếng khoan xiên có bán kính cong là R được tính bằng công thức:

u = D E 2 R - (1)

D - Đường kính ngoài cần khoan

E - Modul đàn hồi của thép cần khoan

R - Bán kính cong của giếng khoan

+ Mômen uốn do lực ly tâm tác dụng

trong quá trình quay cột cần

Khi quay dưới tác dụng của lực ly tâm cộng với áp lực chiều trục cột cần khoan bị lệch khỏi hướng cân bằng ban đầu, tạo thành các cung uốn Mô men xoắn sẽ làm cho cột cần khoan tạo thành cung uốn một hình xoáy ốc Trong điều kiện bình thường ở giếng khoan thẳng đứng phương trình của cung uốn của trục cần khoan là:

R

y = f sin  z l - (2)

l - Độ dài nửa cung uốn

f - Độ võng ở nửa cung uốn

P

y

l f

P

Z

Hình: Chịu uốn của cột cần khoan

Mô men uốn được xác định qua biểu thức đường trung hoà:

d2y

dz2 = -

Mu

EI - (3) Lấy đạo hàm bậc 2 của phương trình (2) thay vào (3) chúng ta được:

Mu = 

2 E I

l2 f sin

z

l - (4)

Mô men uốn sẽ đạt giá trị cực đại khi sin z

l = 1 Tức là:

tại điểm z = sin z l = sin 2  z l =  2 nghĩa là giữa cung uốn: z=l/2

Mumax= 

2 E I

l2 f - (5) Mô men này tương đương với ứng suất uốn là:

u = M Wumax = 

2 E I

l2 W f - (6) Nếu ta thay E = 2 106 KG/cm2 và 2 10 sẽ có được công thức sau:

u = 2000 l f I2

W - (7)

Trong đó: f - Độ võng của cung uốn, tính bằng cm,

f = 11 D 2c - Dd - (8)

Dc ; Dd - Đường kính choòng và da mốc (tính bằng cm)

I - Mô men quá tính của tiết diện cần khoan

I = 64  (D4 - d4) - (9)

W - Mô dul chống uốn của cần W = 32  (D

4

- d4)

D - (10)

D, d - Đường kính ngoài và trong của cần ở chỗ chôn dày Trong khoan Roto ứng suát uốn có đặc tính thay đổi Qua 1 vòng quay ứng suất uốn của nó thay đổi liên tục từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu Sự tuần hoàn của thay đổi ứng suất này dẫn đến hiện tượng mỏi cần khoan

3.3.3 ổn định cột cần khoan

Dưới tác dụng của một số tải trọng cần khoan có thể mất ổn định Nói chung sự mất ổn định của cột cần khoan là do tải trọng đáy, lực ly tâm, lực uốn, xoắn và áp lực Quan trọng nhất vẫn do tải trọng đáy và lực ly tâm làm cho cột cần tạo thành một đường cong trong không gian

+ Cột cần khoan mất ổn định do áp lực đáy sinh ra:

Trong quá trình khoan cần phải tạo áp lực đáy xuống choòng bằng một phần trọng lượng của cột cần Nếu tải trọng này vượt quá một giá trị tới hạn thì cột cần sẽ bị mất ổn định và bị võng ở phần dưới của cột cần Nếu cần khoan quay thì lực ly tâm còn hỗ trợ thêm cho độ võng tăng lên

Để nghiên cứu độ võng của cột cần khoan chúng ta chỉ đề cập đến tác dụng của tải trọng chiều trục do trọng lượng riêng bản thân cột cần ở vùng giếng thẳng đứng

Với giả thiết rằng ở 2 đầu của thanh dầm, phần dưới ngàm cố định, phần trên di động Theo Tymisenko sự mất ổn định của thanh dầm do trọng lượng riêng của nó sẽ vượt quá một lực tới hạn (Pth) Lực tới hạn bằng một nửa trọng lượng riêng của dầm ở chiều dài tới hạn

Như vậy cân bằng lực tới hạn cho bằng công thức culer với trường hợp trên, lực tới hạn theo Tymisenko sẽ thu được:

Pth = 

2 E I

l2th =

1

2 qc lth

Từ đó rút ra: lth =

3 22E.I

qc

EI - độ cứng của cần

Bất kỳ điều kiện nào ở hai đầu của dầm, chiều dài tới hạn uốn võng của cần khoan ở phía dưới có thể viết qua biểu thức chung:

lth = u 3 E.I

qc (1 - d

 )

Trong đó u là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào điều kiện giới hạn ở

2 đầu Gần nhất với điều kiện thực tế là trường hợp u =1

Trong thực tế khi khoan tải trọng đáy được chọn lớn hơn rất nhiều so với tải trọng giới hạn Có thể nói rằng, cần khoan làm việc bị uốn võng Nhưng độ võng cực đại bị giới hạn bởi đường kính giếng khoan và đường kính cân nặng Khi tải trọng đáy đạt tới giá trị tới hạn, cần khoan sẽ rời khỏi trạng thái ổn định

Cần sẽ chạm vào thành giếng khoan ở một điểm nằm trong khoảng giữa choòng và điểm trung hoà Nếu tiếp tục tăng tải trọng đáy thì sẽ xuất hiện 2 hay nhiều nửa cung uốn

+ ổn định cột cần khoan trong chuyển động quay: