GIAO TRINH 04 05 THIET BI VA DUNG CU KHOAN FILEMINIMIZER

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  6GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN  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 kh

THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Bài giảng được soạn bởi

Bộ môn Khoan – Khai thác Dầu khí

Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí Đại học Bách Khoa TP HCM

Tel: (08) 8647256 ext 5767

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  2

NỘI DUNG

1 Các loại giàn khoan

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

3 Bộ khoan cụ

MỤC TIÊU

Sau khi học xong chương này, học viên sẽ có các kiến thức cơ bản về:

 Các loại giàn khoan và phạm vi ứng dụng của chúng.

 Các hệ thống thiết bị chính trên giàn khoan dầu khí và chức năng của từng hệ thống.

 Các thành phần của bộ khoan cụ.

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  4

1 CÁC LOẠI GIÀN KHOAN

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN

 Giàn khoan được chia thành hai loại:

 Giàn khoan đất liền

 Giàn khoan biển

 Ngoài ra, giàn khoan còn 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 2000 m.

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

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

• Thiết bị khoan siêu sâu: khoảng 3000 mã lực, khoan tối đa 9000 m.

 Tải trọng nâng: công suất tời khoan

 Tính cơ động: cố định, tự hành, bán tự hành

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  6

GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN

 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

 Các giàn khoan trung bình và sâu thường gắn trên rơ móc chuyên dụng hoặc xe lăn 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

1 Các loại giàn khoan

GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN

 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 môđun, dễ dàng vận chuyển trên các xe tải có

rơ-móc chuyên dụng và được lắp ráp lại tại khoan trường

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  8

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN

 Ở biển, tùy thuộc độ sâu mực nước mà người ta sử dụng các loại

giàn khoan khác nhau:

 Xà lan khoan (badge)

 Giàn tự nâng (jack-up)

 Giàn bán tiềm thủy (semi-submersible)

 Tàu khoan (drill-ship)

 Trên giàn khoan biển di động, thiết bị đầu giếng và thiết bị chống phun được lắp ngay dưới sàn khoan (nếu mực nước biển nhỏ hơn 60 m) hoặc dưới đáy biển (nếu mực nước biển lớn hơn 60 m)

 Đối với mực nước biển dưới 100 m, người ta có thể dùng các giàn khoan biển cố định

1 Các loại giàn khoan

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN DI ĐỘNG

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  10

XÀ LAN KHOAN

 Xà lan có đáy bằng, sử dụng tại các vùng sông nước nội địa, mặt nước yên tĩnh và nông (khoảng 3 - 5 m)

 Xà lan được làm ngập và nằm trực tiếp lên đáy

 Giếng khoan được thực hiện từ sàn xà lan.

1 Các loại giàn khoan

GIÀN TỰ NÂNG

 Có cấu tạo như một xà lan nằm trên

các chân thép khổng lồ Giàn có thể khoan ở vùng nước sâu 20 – 120 m

 Tại vị trí khoan, các chân thép được hạ

xuống đáy biển Nước được bơm vào các boong xà lan làm cắm sâu các chân thép vào đáy biển, giúp ổn định giàn khoan trong quá trình làm việc

 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

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  12

GIÀN BÁN TIỀM THỦY

 Cấu tạo từ hai hoặc nhiều khoang chứa

nước dưới các chân đế, giúp giàn nổi lưng chừng, tạo thế ổn định giàn tốt nhất

 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

 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 -

1200 m

1 Các loại giàn khoan

TÀU KHOAN

 Có tính cơ động cao nhất và thường

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

 Có thể vận hành trong vùng biển có

chiều sâu mức nước từ 30 - 2000 m đôi khi đến 2800 m

 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

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  14

GIÀN KHOAN BIỂN CỐ ĐỊNH

 Giàn khoan và khai thác cố định chế tạo lần đầu tiên vào năm 1937

 Đa số 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

 Từ một giàn khoan cố định có thể khoan 16 - 32 giếng, hoặc 40 giếng đối với một số giàn đặc biệt

1 Các loại giàn khoan

CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN KHÁC

 Công nghệ hiện nay cho phép khoan

và khai thác ở vùng biển sâu hơn 300m với các thiết bị sau đây:

 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

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  16

2 CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ

TRÊN GIÀN KHOAN

CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRÊN 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

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  18

THÁP KHOAN

1 Giá xếp cần – Pipe Racks

2 Dốc tiếp khoan – Ramp

3 Tháp khoan – Derrick

4 Chuồng khỉ – Monkey board

5 Ròng rọc đỉnh – Crown block

6 Cáp khoan – Drill line

7 Khối ròng rọc động & móc treo –

Block & hook

8 Quang treo /đầu nâng – Links &

3 4

5 6

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  20

 Cấu trúc dưới tháp có thể độc lập với tháp

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

 Động cơ diezel hoặc tuabin khí

 Được trang bị nhiều động cơ tuỳ thuộc vào kích thước và chiều sâu tối

đa khoan được

 Truyền tải cơ năng và truyền tải điện năng

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  22

HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

Năng lượng yêu cầu cho giàn khoan là tổng công suất các thiết bị chính sau:

1. Tời khoan (Drawworks),

2. Các máy bơm dung dịch (Mud pumps),

3. Hệ thống rôto (Rotary system),

4. Năng lượng cho thắp sáng,… (Auxiliary power

requirements for lighting etc),

5. Sử dụng cho sinh hoạt (Life support system).

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  24

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Tời khoan: 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

Tời khoan và sơ đồ động học của tời khoan

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  26

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

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 động Ròng rọc tĩnh

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Sơ đồ móc cáp trong hệ thống ròng rọc

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  28

HỆ THỐNG NÂNG THẢCáp khoan

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Phanh chính: kiểm soát tốc độ chuyển động khi nâng thả bộ

khoan cụ.

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  30

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

Các hệ thống tự bù chuyển động dọc trên các giàn khoan nổi

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG NÂNG THẢ

 Elevator là một dụng cụ đặc biệt được sử dụng để nâng thả thiết bị dạng ống (các loại cần khoan và ống chống).

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  32

HỆ THỐNG XOAY

Đầu xoay thủy lực

 Bộ phận nối giữa hệ thống palăng và

cột cần khoan

 Đỡ toàn bộ trọng lượng bộ khoan cụ

 Cho phép bộ khoan cụ quay

 Làm kín áp suất và là đường dẫn

dung dịch khoan trong bộ khoan cụ

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  34

HỆ THỐNG XOAY

Cần chủ đạo: là một chi tiết đặc

biệt bằng thép rất cứng vững, rỗng ở tâm và có tiết diện vuông (4 cạnh) hoặc lục giác đều (6 cạnh), cho

phép truyền chuyển động quay của bàn rôto cho bộ khoan cụ, trượt dọc theo trục giếng khoan và dẫn dung dịch khoan xuống chuỗi cần khoan

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG XOAY

Bàn rôto

 Tên gọi bàn rôto xuất phát từ phương pháp khoan rôto

 Bàn rôto gồm nhiều chi tiết và vận hành nhờ động cơ điện riêng

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  36

HỆ THỐNG XOAY

Động cơ treo

(top drive): phổ

biến trong các

thiết bị khoan hiện

đại, đặc biệt khi

cần thi công giếng

sâu.

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  38

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

Máy bơm hút dung dịch từ bể chứa dung dịch và đẩy chúng theo đường ống cao áp đến ống đứng Ống đứng là một ống bằng thép lắp thẳng đứng trên một chân của tháp khoan Dung dịch qua ống đứng vào tuyô cao áp đến đầu xoay thủy lực

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

 Dung dịch tiếp tục chảy vào cần chủ đạo, cần khoan, cần nặng rồi

thoát ra các vòi phun thủy lực ở choòng khoan

 Sau đó dung dịch đi ngược lên bề mặt theo khoảng không vành xuyến giữa thành giếng và bộ khoan cụ

 Cuối cùng dung dịch rời khỏi giếng theo đường hồi dung dịch và chảy vào bể chứa dung dịch sau khi dẫn qua các thiết bị xử lý dung dịch như sàn rung, thiết bị tách cát, thiết bị lắng bùn, thiết bị tách khí

 Dung dịch hồi về các bể chứa dung dịch và được gia công lại rồi bơm tiếp tục vào giếng

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  40

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

Máy tách cát Máy tách bùn

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  42

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG

Hệ thống kiểm soát giếng

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  44

BỘ ĐỐI ÁP (BOP)

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG

Sơ đồ kiểm soát giếng trong

trường hợp phun trào

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  46

CÁC LOẠI ĐỐI ÁP

Các loại đối áp

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

CÁC LOẠI ĐỐI ÁP

Đối áp vành xuyến

Đối áp dạng ngàm

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  48

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG

Thiết bị hướng dòng và đối áp trong cần

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG ĐO

 Đồng hồ đo tải trọng: mặt đồng hồ có hai kim, một kim chỉ tải trọng treo ở móc nâng và kim kia chỉ tải trọng lên choòng (WOB)

 Đồng hồ hiển thị tổng thể tích dung dịch

 Đồng hồ hiển thị mức thay đổi thể tích dung dịch

 Đồng hồ hiển thị thể tích bể chứa đang vận hành

 Đồng hồ hiển thị lưu lượng dung dịch hồi về bể chứa

 Đồng hồ hiển thị số hành trình của bơm

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  50

HỆ THỐNG ĐO

 Đồng hồ hiển thị tổng số hành trình của bơm

 Đồng hồ hiển thị áp lực bơm

 Đồng hồ hiển thị chu kỳ bơm tính bằng số lần đập/phút

 Đồng hồ hiển thị vận tốc quay của bàn rôto

 Đồng hồ hiển thị mômen ở động cơ điện

 Đồng hồ hiển thị mômen ở khóa tháo vặn cần

 Đồng hồ hiển thị mômen ở bàn rôto

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

HỆ THỐNG ĐO

Thiết bị tự ghi: ghi lại tất cả các thông số trong quá trình

khoan, bao gồm các bộ phận:

 Một cuộn băng giấy được gắn vào trục của một môtơ, khi môtơ hoạt động làm cuộn giấy quay với một vận tốc đã được định trước

 Một đầu kim ghi được tẩm mực tì vào cuộn băng giấy, đầu kia được gắn vào một hệ thống tiếp nhận tín hiệu

 Bộ phận tiếp nhận tín hiệu: hoạt động bằng cơ khí hoặc khí nén

Nguyên lý hoạt động: khi các thông số khoan thay đổi làm cho hệ thống

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

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  52

HỆ THỐNG ĐO

Máy tự ghi có thể ghi liên tục 6 thông số:

 Tải trọng ở móc nâng

 Vận tốc khoan

 Vận tốc quay

 Ngẫu lực ở bàn rôto

 Lưu lượng bơm

 Áp suất bơm

Ngoài các thiết bị đo trên, hiện nay sử dụng phổ biến các hệ thống đo trong khi khoan (MWD) Các hệ thống này cho phép đo và truyền tức thì các thông số của đất đá và chất lưu vỉa lên bề mặt, giúp hiệu chỉnh kịp thời và tối ưu các thông số chế độ khoan

2 Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  54

3 BỘ KHOAN CỤ

CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ

 Truyền chuyển động quay của bàn rôto tới choòng khoan hoặc nhận mômen của động cơ đáy trong quá trình phá hủy đất đá ở đáy giếng

 Cho phép thiết lập tuần hoàn dung dịch khoan từ bề mặt đến đáy

giếng và ngược lại

 Tạo tải trọng cho choòng

 Dẫn hướng và điều khiển quỹ đạo của choòng trong quá trình khoan (đặc biệt trong khoan định hướng và khoan ngang)

 Đảm bảo tính ổn định của bộ dụng cụ đáy (BHA) nhằm giảm thiểu sự rung động và lắc lư của choòng

 Cho phép tiến hành các công tác phụ trợ khác như doa, mở rộng

thành giếng, thử vỉa bằng cần, khảo sát giếng, khắc phục các sự cố

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  56

CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ

Tổ hợp lực tác dụng lên bộ khoan cụ

 Lực kéo do trọng lượng bản thân của bộ khoan cụ

 Lực nén do tác dụng của tải trọng lên choòng

 Mômen xoắn do tác dụng quay của bộ khoan cụ

 Mômen uốn

 Áp suất dư của dung dịch khoan trong và ngoài cần

 Các tải trọng động

3 Bộ khoan cụ

THÀNH PHẦN CỦA BỘ KHOAN CỤ

 Chuỗi cần khoan (drillpipe): gồm các cần đơn

nối trực tiếp với nhau bằng chính các đầu nối cần

 Bộ dụng cụ đáy BHA bao gồm:

 Cần nặng không nhiễm từ

 Động cơ đáy (nếu có)

 Đầu nối choòng

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  58

THÀNH PHẦN CỦA BỘ KHOAN CỤ

3 Bộ khoan cụ

CẦN KHOAN

 Chú ý đường kính ngoài, đường kính trong, trọng lượng danh định và mác thép

Phân loại dựa vào mức độ mòn

 Cần mới: không mòn (đánh dấu bằng một vòng sơn màu trắng).

 Cần loại 1 (premium): cần bị mòn đều, chiều dày thành ống còn lại 85

% (đánh dấu bằng hai vòng sơn màu trắng)

 Cần loại 2: một cạnh mòn với chiều dày thành ống còn lại là 65%,

những phần khác bị mòn với chiều dày thành ống còn lại 80% (đánh dấu bằng một vòng sơn màu vàng)

 Cần loại 3: chiều dày thành ống chỉ còn lại 55% ở một cạnh (đánh dấu

bằng một vòng sơn màu xanh da trời)

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  60

CẦN KHOAN

 Các cần khoan được nối với nhau tạo thành chuỗi cần nhờ các đầu

nối (tool joint) Đầu nối có loại ren ngoài (đầu đực) và ren trong (đầu

cái) Đầu nối có chiều dày lớn hơn phần thân cần khoan để tăng độ bền của mối nối Phần dày hơn này gọi là phần chồn

 Kiểu chồn hỗn hợp IEU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn

đường kính ngoài của thân cần khoan nhưng đường kính trong của đầu nối thì nhỏ hơn đường kính trong của cần khoan

 Kiểu chồn trong IU: đường kính trong của đầu nối nhỏ hơn đường

kính trong của thân cần và đường kính ngoài của đầu nối bằng đường kính ngoài của cần khoan

 Kiểu chồn ngoài EU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường

kính ngoài của thân cần khoan còn đường kính trong đầu nối bằng đường kính trong của cần khoan

3 Bộ khoan cụ

CẦN KHOAN

GEOPET Thiết bị và dụng cụ khoan  62

CẦN KHOAN

3 Bộ khoan cụ

CẦN KHOAN THÀNH DÀY

 Chuyển tiếp giữa cần nặng và cần khoan

nhằm tăng độ cứng và giảm hiện tượng mỏi do chênh lệch độ cứng giữa cần khoan và cần nặng

 Cung cấp tải trọng cho choòng để phá hủy

đất đá

 Giảm nguy cơ làm hỏng các đầu nối khi

khoan qua những đoạn giếng bị gập

 Giảm mômen xoắn và kéo trên chuỗi cần

khoan

 Giảm nguy cơ kẹt cần do chênh áp

 Tăng khả năng chỉnh xiên