Bài giảng khoan dầu khí tập 1 part 3 potx

Tính năng khoan sâu của thiết bị thường được thể hiện bằng tải trọng định mức ở móc nâng kể cả khối lượng của bộ khoan cụ và các cột ống chống.. Tương ứng với chiều sâu khoan được của từ

Chương ii Thiết bị khoan và các công trình trên mặt

Để tiến hành thi công một giếng khoan cần phải có một tổ hợp thiết bị

và các công trình phục vụ trên mặt Sự phân loại thiết bị khoan thường người

ta căn cứ vào khả năng khoan sâu tối đa:

- Thiết bị nhẹ : 1500  2000 m

- Thiết bị trung bình : 3500 m

- Thiết bị nặng: 6000 m

- Thiết bị siêu nặng: 8000  10.000 m

Tính năng khoan sâu của thiết bị thường được thể hiện bằng tải trọng

định mức ở móc nâng (kể cả khối lượng của bộ khoan cụ và các cột ống chống)

Tương ứng với chiều sâu khoan được của từng loại thiết bị là các công suất làm việc của tời:

- Thiết bị nhẹ: 650 mã lực

- Thiết bị trung bình: 1300 mã lực

- Thiết bị nặng: 2000 mã lực

- Thiết bị siêu nặng: 3000 mã lực

Các chức năng khác (như quay, bơm) do chương trình khoan và chống ống được quy định cho giếng ở chiều sâu cho trước

2.1.Các thiết bị nâng thả

Các thiết bị phục vụ công tác nâng thả bao gồm có tháp, tời, cáp, hệ thống pa lăng v.v

2.1.1 Tháp khoan:

2.1.1.1.Đặc điểm chung của tháp:

- Tháp khoan được đặc trưng bởi chiều cao, sức chịu tải, kích thước sàn làm việc dưới đất và sàn làm việc trên cao Vật liệu chế tạo tháp là thép chuyên dùng

- Trong tháp có bố trí hệ thống palăng, chỗ dựng cần khoan và đặt một phần thiết bị khoan, thiết bị điều khiển, che chắn cho công nhân làm việc

- Thông thường tải trọng làm việc càng lớn thì tháp có chiều cao càng tăng, cho phép kéo thả được cần dựng dài, giảm được thời gian nâng thả Tuy vậy tháp càng cao cũng có những điều bất lợi vì cần dựng dài quá dễ bị uốn cong khi dựng thẳng đứng do trọng lượng bản thân, ren zamốc đầu cần đặt trên giá đỡ dễ bị biến dạng Hơn thế nữa còn tăng vốn đầu tư, tăng giá thành xây lắp

Thực tế người ta chế tạo tháp theo các chiều cao tiêu chuẩn như sau:

- Tháp cao 28 m cho các giếng sâu 1200  1300 m

- Tháp cao 41  42 cho các giếng sâu 1300  3500 m

- Tháp cao 53 m cho các giếng sâu > 3500 m

2.1.1.2.Phân loại tháp khoan

+ Tháp 4 chân: Tháp 4 chân gồm nhiều tầng ghép lại với nhau và có

thể tháo rời ra được Thân tháp làm bằng cần khoan hoặc thép định hình Đai thép cũng được làm bằng cần khoan nhưng nhỏ và mỏng hơn Các đoạn chân tháp, đai tháp, thanh giằng được nối với nhau bằng các ốp tháp bắt bu lông Khi tháp làm việc cần thiết phải có giây chằng tháp để chống lật

Chính vì thế hiện nay hầu như không còn được sử dụng cho thiết bị khoan ở trên đất liền mà hay được sử dụng ở các thiết bị khoan biển di động có mặt bằng lắp ráp tháp theo chiều ngang hạn chế hoặc được sử dụng ở dàn nhẹ phục

vụ cho công tác khai thác và sửa chữa giếng

Hình 14: Các loại tháp 4 chân

Ưu điểm của tháp 4 chân là rất ổn định, chắc chắn khi làm việc Tuy nhiên cũng

có những nhược điểm cơ bản là sản làm việc dưới đất chật hẹp, bị vướng Việc dựng và hạ tháp khó khăn tốn kém và nguy hiểm vì phải lắp ráp ở trên cao

+ Tháp chữ A:

Tháp chữ A gồm 2 cột, đầu trên được liên kết với nhau còn

đầu dưới được bắt vào gối tựa kiểu bản lề Khoảng cách giữa

các gối tựa phải đảm bảo cho tháp đứng vững

Tháp chữ A có ưu điểm nổi bật là làm việc với tải trọng

lớn nhưng trọng lượng bản thân nhỏ (hiệu suất làm việc cao

hơn) so với tháp 4 chân Sàn làm việc dưới mặt đất rộng và

thoáng hơn Cho phép lắp đặt tháp theo chiều ngang rồi dựng

tháp bằng cáp tời và kích thuỷ lực nên việc dựng hạ tháp

nhanh, thuận tiện và dễ vận chuyển Tuy nhiên độ ổn định của

tháp chữ A nhỏ hơn tháp 4 chân Để tăng độ ổn định cho tháp

khi làm việc cần phải có ít nhất 4 dây chằng tháp Hiện nay do

tính ưu việt của tháp chữ A nên nó được sử dụng rất rộng rãi

cho các thiết bị khoan, nhất là những thiết bị khoan trên đất

liền

Ngoài hai loại tháp chủ yếu trên còn có tháp dạng cột thường được lắp trên các thiết bị khoan tự hành công suất nhỏ

+ Cách chọn tháp khoan:

Trong quá trình làm việc có 2 loại tải trọng tác dụng lên tháp: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên móc nâng của cột cần khoan, hay ống chống và tải trọng theo phương nằm ngang của cần dựng và của gió Các tải trọng này được tính toán phải nhỏ hơn tải trọng làm việc của tháp (xem đặc tính kỹ thuật) Chính vì vậy khi chọn tháp để thi công một giếng khoan cụ thể ta phải tính

được tải trọng tối đa của cột cần hay cột ống chống tác dụng lên móc nâng

Qmax = Q (1 - 1

 ) K

Trong đó : Q - Trọng lượng của bộ khoan cụ hoặc ống chống tác dụng lên móc nâng trong điều kiện không khí

K- hệ số kẹt mút (k = 1,3)

1, - Trọng lượng riêng của dung dịch và của thép Ngoài ra còn căn cứ vào chiều sâu giếng khoan được thi công để chọn chiều cao của tháp (liên quan đến chiều dài cần dựng), kích thước sàn làm việc trên mặt và trên cao

2.1.2.Tời khoan

2.1.2.1.Công dụng

Tời khoan dùng để kéo thả cột cần khoan, ống chống tháo vặn cần, treo cột cần khi khoan Trong một số trường hợp tới khoan còn dùng để truyền

động cho Roto Tời còn được dùng để di chuyển các vật nặng phục vụ cho công tác dựng hạ tháp và công tác phụ trợ khác

2.1.2.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tời khoan:

Tời khoan gồm 1 khung bằng kim loại trên đó có lắp các ổ bi đỡ các trục của tời Một tời khoan được cấu tạo bởi nhiều trục (3 đến 4 trục) và trên

đó có lắp các thành phần khác nhau như các bánh răng xích, phanh hãm cơ khí, phanh thuỷ lực, tời phụ, các khớp nối vv

Trong quá trình làm việc vì tải trọng ở móc nâng thay đổi theo thời gian với một giá trị rất lớn, còn động cơ của thiết bị chạy với công suất định mức với số vòng quay gần như không đổi Vì vậy để sử dụng động cơ một cách hợp

lý tới khoan phải được chế tạo có nhiều tốc độ khác nhau Để khi tải trọng ở móc nâng nhỏ thì vận tốc ở móc nâng lớn và ngược lại Tức là thay đổi tốc độ cuốn cáp ở tang tời

Hình16: Sơ đồ truyền động của 1 loại tời khoan

2.1.2.3 Hệ thống phanh của tời

* Phanh cơ khí

+ Công dụng: Dùng để dừng hoàn toàn khi kéo thả bộ dụng cụ khoan hay ống chống Treo dụng cụ và để thả tiến độ từ từ trong khi khoan

+ Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 17

1: Đai hãm má phanh 6: Trục khuỷu 2:Tang tời 7: Thanh đòn bẩy 3: Tay phanh tời 8: Lò xo

4: Van phân phối 9:Xi lanh khí động 5: ốngdẫn khí

Khi tay phanh (3) quay theo chiều kim đồng hồ làm cho trục khuỷu (6) chuyển động quay xuống làm cho má phanh (1) ép chặt vào Puly của tang tời khiến tang tời đứng yên Để hỗ trợ cho lực phanh người ta liên kết tay phanh (3) với thanh giằng làm nhiệm vụ mở van tiết lưu (4) để cho khí nén đi vào

đường ống (5) tác dụng lên phía trên của xi lanh khí động (9) Pittong di chuyển xuống phía dưới làm tăng thêm lực quay của trục khuỷu (6) và má phanh càng ép chặt vào Puly của tời Khi cần giảm lực phanh ta chỉ việc để tay gạt (3) quay ngược ngược chiều kim đồng hồ, dưới tác dụng đẩy của lò xo (8) băng phanh sẽ tách khỏi Puly của tời cũng như khí nén ở phía trên xi lanh (9)

sẽ bị đẩy ngược trở lại qua van tiết lưu (4)

4

1

2

9

7

6

8

5

3

1

* Phanh thuỷ động (Phanh phụ)

+ Công dụng

Bộ hãm thuỷ động lắp trên trục nâng để điều chỉnh tốc độ thả dụng cụ

và hỗ trợ cho phanh chính (phanh cơ khí)

Do khả năng phanh của hệ thống băng (đai hãm) về động lực học là không đủ khi phải hạ vào giếng khoan một tải trọng rất lớn vì thế trong mọi thiết khoan cần phải lắp thêm thiết bị phanh phụ Ngoài phanh thuỷ lực còn có thể lắp phanh điện từ Đặc điểm của phanh thuỷ lực là hoạt động rất hiệu quả,

độ tin cậy cao, ít phải bảo dưỡng nhưng có nhược điểm cơ bản là hãm được ít

ở tốc độ thấp và rất khó hiệu chỉnh Chính vì vậy nó chỉ được lắp trong các thiết bị khoan có tải trọng làm việc trên 50 tấn

+ Cấu tạo và nguyên lý làm việc

2:cánh stato 7,8:đường thoát nước

Khi thả cột cần hay ống chống Do tải trọng cột cần và ống lớn nên vận tốc thả cũng lớn vì thế phanh thuỷ động sẽ hỗ trợ cho phanh chính Các cánh cong Roto (6) hướng về phía ngược với cánh cong Stato(2) và phải bố trí sao

Hình18: Bộ hãm thuỷ động

4

5

3

1

2

6

8

9

11

10

7

cho khi kéo lên các cánh Roto không chịu lực cản của chất lỏng mà cánh Stato hướng vào Ngược lại khi thả xuống thì cánh Roto sẽ phải chịu một mô men phản do chất lỏng tạo nên Tuỳ theo vận tốc thả (trọng lượng cần ống) người ta thay đổi mực chất lỏng trong bình (11) bằng các khoá nước (10) Trong khi phanh làm việc, chuyển động của Roto quay sẽ biến thành nhiệt và nước trong

bộ hãm sẽ nhanh chóng bị hâm nóng lên Nước sẽ được làm nguội trong bình làm mát có tuần hoàn kín giữa bộ hãm và bình

* Phanh điện từ (phanh phụ)

Để khắc phục những hạn chế của phanh thuỷ động thì ở thiết bị khoan nặng người ta sử dụng phanh điện từ Cấu tạo của phanh điện từ gồm có 1 Roto và một bộ phận cố định cung cấp từ trường có thể điều chỉnh bằng cơ cấu điều khiển Rôto (Gắn vào trục nâng) cắt các đường sức của từ trường Lực điện từ cảm ứng trong Roto sẽ chống lại chuyển động quay Dòng xoáy (Dòng phu cô) sinh ra trong Roto làm toả nhiệt do hiệu ứng phun và nhiệt lượng này được tản ra nhờ hệ thống nước tuần hoàn làm mát Giá trị của mô men phanh có quan hệ với cường độ của từ trường được tạo ra trong các cuộn dây Vì thế loại phanh này được sử dụng rất linh hoạt

2.1.3.Hệ thống palăng

2.1.3.1.Chức năng của hệ thống palăng và các đặc điểm của chúng

Hệ thống palăng biến chuyển động quay của tang tời thành chuyển

động tịnh tiến lên xuống của móc nâng và làm giảm tải cho dây cáp

Tuỳ theo tải trọng nâng thả và số nhánh dây cáp, hệ thống pa lăng được phân ra làm nhiều cỡ

Với tải trọng 50  75 tấn sử dụng vỡ 2 x 3 hoặc 3 x 4

Với tải trọng 100  130 tấn sử dụng cỡ 4 x 5 hay 5 x 6 hoặc 6 x 7 Trong ký hiệu trên: chữ số đầu chỉ số con lăn trên bộ ròng rọc động, chữ số thứ hai sau dấu (x) chỉ số con lăn trên bộ ròng rọc cố định

Dây cáp được mắc vào các con lăn của hệ thống Ròng rọc tĩnh và động theo một trình tự nhất định Một đầu cáp được giữ cố định (thường ở 1 chân

của tháp sao cho kíp trưởng dễ quan sát khi làm việc) gọi là đầu cáp chết còn

một đầu mắc vào tời khoan gọi là cáp tời hay là đầu cáp cuốn

2.1.3.2.Các bộ phận chính của hệ thống palăng:

+ Bộ ròng rọc tĩnh:

Gồm một khung kim loại trên đó có lắp một trục, trên trục được gắn các puly để luồn cáp tời đi qua Toàn bộ bộ ròng rọc tĩnh được lắp lên sàn trên cao của tháp khoan Tải trọng đặt lên hệ ròng rọc cố định cũng như lên tháp khoan lớn hơn tải trọng ở móc nâng

1: Khung đỡ

2:Trục

3:ổ bi đỡ

4:Pu li

+ Ròng rọc động và móc nâng:

Ròng rọc động thường chế tạo liền khối với móc nâng Móc nâng dùng

để treo cột cần khoan, móc vào êlêvatơ khi kéo thả dụng cụ Ngoài móc nâng

ra còn có quang treo, quang treo có 2 loại: loại đơn và loại kép Quang treo là khâu nối giữa móc nâng và êlêvatơ

Ngoài ra cũng có thể chế tạo bộ ròng rọc động tách rời với móc nâng (Riêng biệt)

4

3

2

1

Hình 19: Ròng rọc tĩnh

Hình 20: Ròng rọc động và quang treo

2

6

3

4

5

7

+ Cáp tời

Cáp tời gồm 6 múi được xoắn quanh lõi (bằng sợi hữu cơ hay kim loại) Mỗi múi lại có từ 19 đến 37 sợi thép xoắn với nhau tạo thành múi Thông thường chiều xoắn của các sợi thép ở các múi ngược với chiều xoắn của các múi trên lõi cáp khoan Chính điều này làm cho cáp cứng hơn nhưng cũng phần nào giúp chống xoay

Cáp có lõi bằng vật liệu hữu cơ có khả năng tự bôi trơn cao, dễ uốn nhưng chịu tải thấp

Cáp có lõi thép không tự bôi trơn được, khó uốn nhưng khả năng chịu tải cao

Cáp khoan thường được chế tạo theo các kích thước quy chuẩn: 25 mm,

28 mm, 32 mm, 35 mm

Tham khảo sức kháng đứt danh nghĩa của 1 loại cáp khoan ở bảng dưới đây

Bảng 3

Đường kính cáp (in) Sức kháng đứt danh nghĩa EIP* (tấn)

11

* EXTpa improved Plow Steel

Tải trọng được tính theo sức bền chống đứt của cáp phải có hệ số an toàn C  3

Pcf = PCđ Trong đó Pđ - Sức kháng đứt của cáp tời

2.1.4.Tính toán động học và động lực học của tời khoan và hệ thống palăng

2.1.4.1.Tính toán động học và động lực của tời khoan

Tính toán động học và động lực học của tời khoan nhằm mục đích xác

định: Số vòng quay ở các trục của tời, vận tốc cuốn cáp của tang tời, sức căng

ở đầu dây cáp cuốn ứng với mỗi tốc độ

A) Xác định số vòng quay ở các trục của tời:

Việc xác định số vòng quay phải dựa vào sơ đồ động học của thiết bị khoan, của tời và số vòng quay của động cơ

Nếu gọi Z1, Z3, Z5, là số răng ở đĩa truyền động

Và Z2, Z4, Z6, là số răng ở đĩa dẫn động

Lúc đó số vòng quay ở trục tời được tính là (nt)

nt = nm zz1 z3 z5

2 z4 z6 Trong đó: nm - số vòng quay của động cơ

B), Xác định vận tốc cuốn cáp ở tang tời (v t )

Với mỗi một tốc độ quay của tời ta có thể tính được tốc độ cuốn cáp (vt) như sau:

vt =  D60tb nt m/s Trong đó: Dtb - Đường kính trung bình của tang tời: (Dtb = Dt + 3d)

Dt - Đường kính tang tời

d - đường kính cáp tời

C) Sức căng cực đại ở đầu dây cáp cuốn được tính dựa theo công suất của

động cơ (P c Max )

Pc max = 75 Nvm t

Trong đó: Nm - Công suất của động cơ (mã lực)

t - Hiệu suất truyền từ động cơ đến trục tời

vt - Vận tốc cuốn cáp ở tời

D), Vận tốc ở móc nâng (v mn )

vmn = vt 2n.

Trong đó:  - Hệ số ma sát ở các con lăn của hệ palăng

Điều kiện để chọn PC là:

PC < Pc Max

2.1.4.2.Tính toán động học đối với hệ palăng:

+ ở trạng thái nghỉ (tĩnh), sức căng ở đầu cáp tời sẽ bằng ở đầu cáp chết (Pt = pch )

Pt = Pch = QC + QM

2.n.

Trong đó Pt, Pch - sức căng ở đầu cáp tời và ở đầu cáp chết

+ Sức căng thực tế ở đầu cáp củaốn trong trường hợp kéo cần với vận tốc không đổi được tính (Pt) là:

Pt = 

2n

( - 1)

2n - 1 (QC + QM)

+ Sức căng động ở đầu cáp tời trong trường hợp kéo cần có gia tốc ở dầu móc nâng (Pt.Đ) được tính là

Pt.đ = Pt a

g Trong đó: a - giá tốc sinh ra trong thời điểm đầu và cuối ở móc nâng g- gia tốc rơi tự do

Khi giếng khoan càng sâu, tải trọng trên móc nâng càng tăng Động cơ chạy tời được chọn để kéo thả bộ dụng cụ khoan và trọng lượng tối đa, cho nên trong quá trình khoan động cơ sẽ không được sử dụng tốt Công suất của

động cơ chỉ được sử dụng tốt khi đạt tới chiều sâu thiết kế Vì vậy người ta phải chọn hệ thống palăng 2 x 3 và khi lỗ khoan sâu thêm thì thay thế dần dần

các hệ 3 x 4; 4 x 5; 5 x 6; v v Thế nhưng việc thay thế hệ palăng mới rất phiền toái mất nhiều thời gian và công sức, cho nên trong thực tế người ta chỉ

sử dụng 1 đến 2 hệ palăng là nhiều nhất

+ Chọn hệ palăng

Chọn hệ palăng tất nhiên phải căn cứ vào tải trọng lớn nhất của cột ống hoặc cột cần và theo giới hạn bền của cáp

Pcf = Pcđ

ở đây: Pcf - Tải trọng cho phép tác dụng lên móc nâng

Pđ - Giới hạn bền đứt của cáp

c - Hệ số an toàn (c  3)

Ta có công thức sau:

Pđ

c =

QC + QM

2 n Từ đó có 2 n =

C (QC + QM)

Pđ Vậy số con lăn của bộ ròng rọc động (n) sẽ là :

n = C (Q2 PC + QM)

đ + Chiều sâu cho phép chuyển hệ palăng được xác định bằng công thức sau: (Lcf)

Lcf = Pcf (

2n - 1)

q 2n ( - 1) -

(lcn qcn + qt)

Trong đó: Pcf - Sức căng cho phép ở đầu cáp cuốn

q, qcn - Trọng lượng 1m cần và 1m cần nặng

lcn - Chiều dài cần nặng

qt - Trọng lượng tuabin (nếu có) + choòng khoan

2.2.Hệ thống quay

2.2.1.Bàn quay Roto

2.2.1.1.Chức năng và các đặc điểm của bàn quay Roto

Bản Roto được dùng để quay cột cần khoan Làm bệ tì để giữ cột cần, ống chống khi kéo thả và làm rất nhiều các công tác phụ khác Do vậy cấu tạo của bàn Roto phải phù hợp để vừa quay được cột cần với các tốc độ nhất định

và bền chắc để có thể giữ được cột cần khoan nặng nhất Đường kính lỗ Roto phải đủ lớn để đút lọt cột ống đường kính lớn nhất thường dùng Thân của