Đồ án tốt nghiệp "tổng quan về các phương pháp khoan, khoan bằng Topdrive " docx

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ
ồ án tốt nghiệp

“Tổng quan về các phương pháp khoan, khoan bằng
Topdrive – Giới thiệu Topdrive Varco TDS-8SA. Tính
chọn đầu quay di động cho một giếng khoan”.










SV: Trần Hải Sơn
Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 2
LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang được phát triển rất

nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tế quốc
dân. Hàng năm nộp ngân sách nhà nước hàng ngàn tỷ đồng, đóng góp rất nhiều
vào sự tăng trưởng và phát triển kinh tế đất nước.
Trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng
lên rất nhiều. Dầu khí là một nguồn năng lượng hết sức quan trọng vì thế nó đã
gây nên những biến động mạnh mẽ về giá cả, thậm chí còn gây nên những bất
ổn chính trị. Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, đặc biệt là
từ khi Việt Nam ra nhập WTO thì nhu cầu năng lượng là rất cần thiết vì vậy
một trong những giải pháp quan trọng là đẩy mạnh công tác thăm dò và khai
thác dầu khí đáp ứng nhu cầu năng lượng cho đất nước và xuất khẩu.
Để nâng cao hiệu quả công tác khoan Dầu khí việc trang bị công nghệ
cũng như các thiết bị hiện đại là cần thiết. Trong số các thiết bị công nghệ mới
được áp dụng có tổ hợp đầu quay di động đã cho kết quả khả quan.
Sử dụng tổ hợp đầu quay di động đã gia tăng được khối lượng công việc
khoan, thăm dò và khai thác dầu khí, giảm chi phí cho một giếng khoan, sớm
đưa giếng khoan vào khai thác.
Được sự đồng ý của các Thầy trong bộ môn Thiết bị dầu khí và công
trình, tôi mạnh dạn thực hiện bản đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Tổng quan về
các phương pháp khoan, khoan bằng Topdrive – Giới thiệu Topdrive
Varco TDS-8SA. Tính chọn đầu quay di động cho một giếng khoan”. Đồ án
chia làm 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về các phương pháp khoan
 Chương 2: Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động – đầu quay di
động Varco TDS-8SA;
 Chương 3: Công tác vận hành, các dạng hỏng hóc, nguyên nhân,
biện pháp khắc phục và công tác kiểm tra bảo dưỡng;
 Chương 4: Tính toán lựa chọn đầu quay di động.

Trong điều kiện hạn chế về tài liệu, do ngành dầu khí nước ta còn non trẻ
nên tài liệu Tiếng Việt còn rất ít, do đó nhiều thuật ngữ sử dụng trong đồ án

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 3
chưa thật chính xác. Bên cạnh đó còn hạn chế về mặt thực tiễn sản xuất, thời
gian làm đồ án. Mặc dù vậy với sự cố gắng của bản thân và được sự hướng dẫn
tận tình của thầy giáo-GVC: Trần Văn Bản, các thầy giáo trong bộ môn và các
bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành bản đồ án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí
và công trình, đặc biệt là thầy giáo GVC: Trần Văn Bản và các bạn đồng
nghiệp đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp n
ày.

Hà nội tháng năm 2011
Sinh viên thực hiện: Trần Hải Sơn
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN

1.1. Giới thiệu các phương pháp khoan
1.1.1. Phương pháp khoan tuabin
Khoan tuabin là phương pháp khoan trong đó chuyển động quay của
choòng được truyền trực tiếp từ động cơ đặt ngay phía trên choòng, nét đặc
trưng của phương pháp khoan này là cột cần khoan đứng im trong quá trình
khoan. Khoan tuabin có thể được chia làm 3 dạng chính, dựa vào loại động cơ
được sử dụng, đó là:
 Động cơ điện;

 Tuabin khoan;
 Động cơ trục vít.
1.1.1.1. Khoan bằng động cơ điện
a. Nguyên lý cấu tạo
Bộ dụng cụ khoan điện chìm bao gồm động cơ điện, trục truyền để lắp
vào choòng khoan và bộ phận ngăn ngừa sự xâm nhập của dung dịch khoan vào
bên trong của động cơ.
Động cơ điện thường là động cơ không đồng bộ 3 pha ngậm dầu với rôto
ngắn mạch gồm nhiều đoạn, thân rôto làm bằng sắt từ và được lắp trên trục
truyền bằng các then hoa hoặc các ren côn. Stato của động cơ gồm nhiều tấm
ghép bằng sắt từ và phản từ, giữa các đoạn rôto và stato người ta lắp các ổ trục
hướng tâm.
Trục truyền có 2 loại chính là: trục ngậm dầu chạy trên các ổ bi và loại
chạy trên các ổ trượt cao su.
Phần dưới của động cơ có các ổ bi đỡ để tiếp nhận toàn bộ tải trọng chiều
trục trong quá trình làm việc. Đầu trên và đầu dưới của trục có lắp các phớt
chắn dầu. Khoảng trống trong động cơ được lấp đầy dầu,áp suất dầu trong động
cơ luôn phải lớn hơn áp suất chất lỏng tuần hoàn bên ngoài từ 2

3 (at), để ngăn
không cho chất lỏng lọt vào động cơ.
Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một bộ chứa dầu
máy bay dẫn vào bên trong phớt, 2 bộ còn lại chứa dầu biến áp liên thông với
phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ. Do
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 5
trong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động
cơ bị đốt nóng áp suất sẽ giảm nên cần phải bù thêm.

Quá trình truyền điện từ trên mặt xuống động cơ là nhờ cáp điện lắp phía
trong cần khoan, chiều dài mỗi đoạn cáp tương ứng với chiều dài của cần
khoan. Khi lắp cần khoan thì các đoạn cáp điện tự động nối lại với nhau nhờ
vào một đầu nối đặc biệt gắn trên zamốc.
b. Ưu, nhược điểm
Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ và mômen
khoan. Ngoài ra, do cần khoan đứng im trong quá trình khoan do đó góp phần
tăng tuổi thọ của cần khoan. Bên cạnh những ưu điểm trên, khoan bằng động cơ
điện chìm còn có những nhược điểm như sau:

Yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệt đối;

Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ và áp
suất tương đối lớn;

Khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn. Chi phí cho công tác vận
hành tốn kém.
Qua ưu, nhược điểm của động cơ điện chìm, thì trên thực tế ít được ứng
dụng rộng rãi do nó mang lại hiệu quả kinh tế không cao. Hiện nay, loại động
cơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm.
1.1.1.2. Khoan bằng tuabin khoan
a. Nguyên lý cấu tạo
Trong cánh quạt tuabin, năng lượng thủy lực của dòng nước rửa được
chuyển hóa thành cơ năng của trục quay, làm quay choòng khoan. Tuabin gồm
nhiều tầng giống nhau (có thể lên đến 200 tầng). Mỗi tầng gồm 2 phần, phần
quay được nối với trục gọi là rôto, phần đứng yên được gắn với vỏ gọi là stato.
Bên trong tuabin có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan
không xâm nhập vào ổ trục chính. Ổ tựa chính được đặt ở phía dưới để nâng
toàn bộ khối rôto. Tùy theo chiều dài của tuabin mà người ta có thể lắp 2 hoặc
3 ổ tựa ngang. Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối vào

đầu dưới của cột cần khoan. Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đế này
được bịt kín phần giữa tuabin và trục của tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằm
bảo đảm áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình làm việc.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 6
1
2
3
4
5
6
7
8

1-Bao trong của stato 5-Đường đi của dòng nước
2-Bao trong của rôto 6-Cánh cong của rôto
3-Rãnh then 7-Cánh cong của stato
4-Vỏ ngoài của stato 8-Bao ngoài của rôto

Hình 1.1 Cấu tạo một tầng tua bin

Trong một số trường hợp khi khoan qua tầng đất dẻo, mômen quay của
tuabin không đủ để thực hiện quá trình phá hủy, hay ở các giếng khoan sâu, lưu
lượng dung dịch nhỏ do đó giá trị của mômen và công suất không đủ để đáp
ứng quá trình khoan. Để thu được mômen quay và công suất lớn mà không phải
thay đổi đường kính của tuabin, chỉ có thể tăng số tầng của chúng lên, do đó
phải chế tạo những tuabin dài. Khi chế tạo những tua bin có độ dài quá lớn sẽ
gây khó khăn trong việc nâng thả tuabin ở giếng khoan cũng như khi lắp ráp,

vận chuyển. Để giải quyết khó khăn trên người ta chế tạo các tuabin nối mà mỗi
đoạn là một tuabin đơn. Vỏ của các tuabin được nối với nhau bằng ren, còn trục
được nối bằng khớp nối có rãnh then (then hoa), bằng khớp ma sát hoặc bằng
khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh then hoa).
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 7
Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thay
đổi tùy theo tải trọng và độ cứng của đất đá khoan qua. Mômen quay choòng và
tốc độ quay tỷ lệ nghịch với nhau, tải trọng tác dụng lên choòng càng lớn, tốc
độ quay càng giảm.
Quan hệ giữa mômen quay (M), công suất (N), hệ số hiệu dụng (

) và
tốc độ quay (n) của trục tuabin được thể hiện trên biểu đồ sau:
nkt
n
N=ƒ(n)
f (n)
M=ƒ(n)
Mh

Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần trong khoan tua bin

Khi tốc độ quay
0
n

mômen quay đạt giá trị cực đại gọi là mômen hãm

(
h
M
), khi mômen quay giảm dần, tốc độ quay tăng lên. Mômen quay giảm đến
“0” tốc độ quay đạt giá trị cực đại gọi là tốc độ quay không tải (
kt
n
).
Đối với công suất (N): Với chế độ hãm (
0
n

) thì (
0
N

). Khi tốc độ
quay tăng lên công suất tăng lên đến giá trị cực đại (Công suất định mức) sau
đó lại giảm đến “0” ở chế độ không tải.
Sự biến thiên của hiệu suất (

) cũng tương ứng với sự biến thiên của N.
Chế độ làm việc với
ax
m

gọi là chế độ “tối ưu”. Tốc độ quay của chế độ tối ưu
xấp xỉ bằng
1/ 2
tốc độ quay không tải, còn mômen quay xấp xỉ bằng

1/ 2

mômen hãm.
Khác với mômen quay và công suất, tổn thất áp lực trong tuabin hầu như
không thay đổi. Khi chuyển từ chế độ không tải sang chế độ hãm, tổn thất áp
lực chỉ tăng lên ít (10

15 %).
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 8
Mọi nhận xét trên đều rút ra trong trường hợp lưu lượng dòng chảy (Q)
không thay đổi. Quan hệ giữa n, P, M,

và N khi Q không đổi gọi là đặc tính
làm việc của tuabin.

Hình 1.3 Đường đặc tính làm việc của tua bin

b. Ưu, nhược điểm của khoan tuabin
* Ưu điểm:


Không phải chi phí công suất để quay cột cần khoan;


Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng nên
choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ học khoan
cao hơn nhiều so với khoan rôto;


Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mòn hơn nên giảm được sự cố về cần
khoan trong quá trình làm việc;


Có thể sử dụng khoan tuabin để khoan giếng khoan xiên định hướng và
khoan ngang rất hiệu quả;


Giảm tiếng ồn so với khoan rôto do đó cải thiện điều kiện lao động.
* Nhược điểm:


Tuabin làm việc với số vòng quay lớn ít phù hợp với đa số loại choòng
chóp xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay nhỏ);
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 9


Vùng làm việc ổn định của số vòng quay của tuabin hẹp, nếu ra khỏi
vùng này có thể làm tuabin ngừng hoạt động;


Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động
tuabin, đặc biệt với các giếng khoan sâu việc này rất khó thực hiện;



Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp;


Quá trình bảo dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động
hoặc bàn rôto.
1.1.1.3. Khoan bằng động cơ trục vít PDM (Positive Displacement mud
Motor)
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Động cơ PDM hoạt động dựa trên nguyên lý Moinơ và được cấu tạo bởi
các thành phần cơ bản sau:


Hình 1.4 Cấu tạo động cơ trục vít

Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình kéo
thả và được đặt ở phần trên cùng của động cơ. Van này có những lỗ cho phép
sự lưu thông giữa cột cần khoan và khoảng không vành xuyến. Các lỗ này được
đóng trong suốt quá trình khoan để dung dịch đi qua động cơ. Trong quá trình
kéo thả, khi bơm dung dịch ngừng hoạt động áp suất sẽ giảm xuống, các lỗ
thoát được mở ra làm cho cột cần khoan được tháo hết dung dịch bên trong khi
kéo hoặc đổ đầy khi hạ. Khi bơm làm việc, áp suất tăng lên, các lỗ thoát được
đóng kín lại.
Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc. Đối với động cơ một
múi xoắn thì mặt cắt ngang của rôto là hình tròn. Đầu trên của rôto được để tự
do còn đầu dưới nối với khớp nối không gian.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 10
Stato: Được đúc bằng cao su dạng rãnh xoắn tương ứng với rôto (số rãnh

xoắn của stato bao giờ cũng nhiều hơn 1 so với số múi xoắn của rôto) và được
đặt trong vỏ động cơ.
Khi rôto được đặt trong stato, do hình dạng khác nhau chúng tạo ra hàng loạt
các khoang kín. Khi dung dịch khoan được bơm qua động cơ, nó sẽ chuyển
động vào giữa rôto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rôto và làm cho
rôto quay.
Ở những động cơ đơn múi (rôto có 1 múi xoắn) lưu lượng dòng chảy qua
động cơ lớn vì vậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mômen quay
nhỏ. Để tăng mômen quay ta có thể tăng số múi xoắn của rôto (3, 5, 7, 9 múi)
tương ứng với số rãnh của stato là (4, 6, 8, 10), khi đó lưu lượng dòng chảy qua
động cơ nhỏ dẫn đến số vòng quay nhỏ do đó tạo ra được mômen quay lớn.
Trong quá trình làm việc các múi và rãnh xoắn của rôto và stato liên tục
tiếp xúc với nhau để tạo ra những buồng áp suất kín, chính điều này làm bề mặt
stato mòn đi rất nhanh, cho nên stato phải được chế tạo bằng vật liệu cao su có
khả năng chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
Khớp nối không gian: Do chuyển động lệch trục với stato nên đầu dưới
của rôto phải được nối với một khớp nối không gian. Khớp nối này sẽ biến
chuyển động lệch trục thành chuyển động đồng trục của choòng. Có rất nhiều
kiểu khớp nối không gian được sử dụng nhưng phổ biến nhất là khớp cầu. Đầu
dưới của khớp nối không gian được nối với trục truyền.
Hệ thống ổ tựa: Đây là bộ phận thiết yếu nhất của động cơ. Nó quyết
định tuổi thọ của động cơ và thực hiện hai chức năng:

Truyền tải trọng dọc trục lên choòng;

Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền.
b. Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít
Mômen quay không phụ thuộc vào đặc điểm lưu lượng dòng dung dịch
của máy bơm mà vẫn cho hiệu suất cao, có thể kiểm tra tải trọng động cơ theo
sự giảm áp, có kết cấu đơn giản tiết kiệm vật liệu.

Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng có chứa
tạp chất và không có tính chất bôi trơn, bởi vì các chi tiết ít bị mài mòn, sự
phân bố chất lỏng động cơ được tự động nhờ sự biến đổi liên tục vị trí không
gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 11
Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang định hướng
đặc biệt đối với các giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đường kính bé
và trong công tác sửa chữa giếng.
1.1.2 Phương pháp khoan xoay
Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay của
choòng được truyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan. Có hai dạng
chính là sử dụng bàn rôto và sử dụng đầu quay di động (top drive).
1.1.2.1. Khoan bằng bàn rôto
a. Chức năng và nguyên lý cấu tạo của bàn xoay rôto
* Chức năng:

Đóng vai trò là bộ truyền trung gian, biến chuyển động quay của trục
nằm ngang thành chuyển động quay của trục thẳng đứng (cột cần khoan) để
truyền mômen quay từ trên bề mặt xuống choòng khoan;

Chịu tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;

Tiếp nhận các phản lực từ đáy trong quá trình khoan.
Trong công tác khoan dầu khí tuỳ theo yêu cầu mà có thể thiết kế chuyển
động cho bàn rôto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn động riêng cho
rôto hoặc có thể lấy từ tốc độ của tời thông qua bộ truyền xích hay trục các
đăng.

* Nguyên lý cấu tạo:

Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn xoay và hệ
thống ổ đỡ. Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trục dẫn
nằm ngang đến bàn quay. Tất cả các ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôi trơn
bằng dầu;

Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôto được đặt
các bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện của cần chủ đạo (hình vuông
hoặc hình lục giác);


Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto
trong công tác khoan dầu khí thường từ 400

700 (mm);
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 12

Hình 1.5 Cấu tạo bàn rôto



Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cần
khoan hoặc cứu chữa sự cố;


Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (có 2 loại ổ đỡ là ổ

đỡ chính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân thành 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ
chính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới. Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trong quá
trình làm việc chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cột cần khoan hoặc ống
chống treo trên nó và lực ma sát giữa cần chủ đạo với bàn rôto. Ổ đỡ phụ chỉ
chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cột cần khoan và phản lực
gây nên.
b. Ưu, nhược điểm của bàn xoay rôto
* Ưu điểm:


Kết cấu đơn giản, ít phải bảo dưỡng.


Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình
kéo thả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 13
* Nhược điểm:

Không dùng để khoan lấy mẫu do phải kéo bộ dụng cụ khoan lên khỏi
đáy khi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đá không ổn
định.

Không sử dụng được với tần số khoan cao.

Gây ồn trong quá trình làm việc.
1.1.2.2. Khoan bằng đầu quay di động (top drive)

Đầu quay di động dùng để nối giữa hệ thống palăng với cột cần khoan
nhằm mục đích quay và treo cột cần khoan vào móc nâng, dẫn nước từ tuy ô
cao áp vào bên trong cần khoan và truyền chuyển động quay cho cột cần khoan.
Động cơ của nó có thể là động cơ điện hoặc động cơ thủy lực. Loại động cơ
thủy lực ít phổ biến vì cần lắp đặt thêm một thiết bị có công suất thủy lực đặc
biệt. Động cơ được lắp phía đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếp nhận
chất lỏng. Đầu quay được gắn trên xe lăn dẫn hướng, xe lăn di chuyển lên
xuống dọc theo ray dẫn hướng lắp trên tháp khoan. Hệ thống truyền động này
cho phép tăng công suất truyền cho cột cần khoan mà nó không phụ thuộc vào
công tác khoan, công nghệ khoan. Thiết bị này làm việc rất ổn định, ít gây rung
động, va đập, tiếng ồn và đặc biệt có thể khử được mômen phản lực đáy.
Ta sẽ đi sâu tìm hiểu về đầu quay di động trong chương tiếp theo








Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 14
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG –ĐẦU QUAY DI
ĐỘNG VARCO TDS-8SA
2.1. Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động
2.1.1 Đặc điểm chung
Đầu quay di động được sử dụng trên thế giới lần đầu tiên vào năm 1982

và ngày càng trở nên phổ biến, việc sử dụng đầu quay di động trong thực tiễn
cho thấy tính ưu việt của chúng trong thi công các giếng xiên và giếng nằm
ngang. Sự cần thiết của chúng trong việc cải thiện quá trình khoan, đem lại chi
phí thấp nhất.
Khoan bằng động cơ Top Drive cũng hoạt động dựa trên nguyên lý tương
tự như trong phương pháp khoan Roto, chuyển động xoay được truyền tới
choòng khoan thông qua cột cần khoan để phá huỷ đất đá. Tuy nhiên chuyển
động xoay này được truyền từ động cơ Top Drive, thay vì được truyền động từ
bàn roto như trong phương pháp khoan Roto. Chính vì vậy, khoan bằng động
cơ Top Drive có đầy đủ các đặc điểm giống khoan Roto như: Các thông số chế
độ khoan có thể được điều chỉnh độc lập, yêu cầu về công suất máy bơm khoan
không cần lớn như trong khoan bằng động cơ đáy, cho phép khoan với tải trọng
đáy cao. Mặc dù vậy khoan bằng động cơ Top Drive cũng có một số nét khác
biệt với phương pháp khoan Roto

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 15


Hình 2.1 Hình ảnh một tổ hợp đầu quay di động

Phần lớn đầu quay di động được dẫn động bằng động cơ điện một chiều,
có một số ít dẫn động bằng động cơ xoay chiều hoặc động cơ thủy lực. Công
suất dẫn động đến 800 (kW), mômen quay 2,5

4,5 (kN.m).
Các hãng cung cấp lớn trên thế giới có thể kể đến như: Varco BJ; Tesco;
Maritime Hydraulic A.S.

Công dụng chính của đầu quay di động là:
 Truyền mômen quay cho choòng khoan phá hủy đất đá;
 Tháo lắp và xiết chặt cần khoan, thực hiện thao tác kéo thả.,
2.1.2 Phân loại
Có nhiều cách phân loại, sau đây là cách phân loại dựa vào dạng động
cơ.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 16


Các loại: TDX-1250; TDX-1000; HPS-1000; TDS-1000; TDS-8SA;
TDS-4; TDS-12; TDS-11SA; TDS-4A; IDS-350PE; TDS-10SA. Những loại
này cho mô men xoắn lớn, tải trọng nâng lớn và công suất của động cơ lớn, cho
phép khoan sâu. Tuy nhiên nhược điểm là trọng lượng lớn nên cần phải có kết
cấu tháp vững chắc. Hệ thống điện, điều khiển phức tạp. Loại này dùng động
cơ điện.


Đầu quay thủy lực: TD-350; TDS-250; TD-150. Đầu quay thủy lực có
trọng lượng bản thân nhỏ hơn so với đầu quay cơ điện. Đầu quay loại này có
hộp số cho tỉ số truyền lớn hơn so với nhiều đầu quay điện khác. Tuy nhiên
công suất nhỏ, kết cấu cồng kềnh do cần thêm ống dẫn dung dịch và cần thêm
hệ thống bơm cho đầu xoay.

2.1.3 Ưu, nhược điểm
2.1.3.1 Ưu điểm



Không phải dùng cần chủ đạo do đó việc tiếp cần khoan nhanh chóng
và thuận lợi, an toàn cho kíp khoan;


Tiến hành tháo lắp bộ khoan cụ ở mọi độ cao;


Có thể doa ngược được;


Lấy được mẫu khoan tốt trong khoan lấy mẫu;


Giảm tổn hao năng lượng và khống chế được mômen phản lực đáy
trong quá trình khoan.


Khắc phục sự cố do kẹt bộ dụng cụ hiệu quả hơn so với khoan Roto vì
động cơ Top Drive có khả năng vừa quay vừa kéo bộ khoan cụ.
2.1.3.2 Nhược điểm


Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất momen
cản, và ra cố kết cấu tháp do có lực xoắn phụ.


phải có các ống mềm hoạc cắp tải điện phụ trong tháp khoan.


Phải lắp thêm hệ thống ray dẫn hướng ở trên tháp.


Làm tăng khối lượng ở trên cao;


Tăng chiều cao của tháp vì đầu quay di động dài hơn đầu quay thủy lực
thông thường;


Tăng giá thành thiết bị khoan đặc biệt là công tác bảo dưỡng, sửa chữa
phức tạp hơn nhiều so với bàn rôto;
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 17


Do cấu tạo phức tạp nên đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên
môn cao.

2.2 Topdrive TDS-8SA
2.2.1. Các thông số kỹ thuật của TDS-8SA
Tổ hợp đầu quay TDS-8SA (Hình 2.1) có các thông số kỹ thuật như sau:


Động cơ dẫn động: GEB-20A1 AC;


Công suất động cơ: 1150 (HP);


Chiều cao làm việc: 24 (ft);


Trọng lượng: 38750 (lb);


Hộp số: 1 tốc độ;


Tỷ số truyền: 8,5:1;


Tốc độ quay lớn nhất: 353 (v/p);


Mômen quay liên tục lớn nhất: 62250 (ft.lb);


Số vòng quay tương ứng mômen quay lớn nhất: 94 (v/p);


Mômen quay không tải: 95000 (ft.lb);


Sức nâng: 750 (tấn);


Kích thước cần khoan sử dụng:
5

1
3 6
2 8

(in);


Bộ kẹp cần: PH-100;


Áp suất làm việc của IBOP (internal blowout preventer): 15000 (psi);


Khả năng quay / sự định hướng:
360

/ không giới hạn;


Hệ thống làm mát: Quạt gió;


Dải nhiệt độ làm việc:
20 40
C C
    
.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của TDS-8SA
2.2.2.1. Nguyên lý truyền động
Chuyển động quay từ động cơ được truyền sang hộp tốc độ nhờ bánh

răng chủ động gắn trên trục động cơ, bánh răng này ăn khớp với bánh răng phía
trên của cặp bánh răng kép làm quay cặp bánh răng kép. Bánh răng phía dưới
của cặp bánh răng kép ăn khớp với bánh răng chính gắn trên trục dẫn. Trục dẫn
được nối với cột cần khoan qua cụm van cầu, làm quay cột cần khoan. Dung
dịch khoan được dẫn vào qua hệ thống cổ ngỗng vào ống rửa đặt phía trên nắp
hộp tốc độ.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 18


Cài hình vẽ A3 (Hình 2.2)

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 19
2.2.2.2 Hệ thống truyền động

Hình 2.3 Hệ thống truyền động
1-Xilanh cân bằng 6-Bánh răng kép 11-Vỏ bọc trục dẫn
2-Phanh động cơ 7-Đáy hộp tốc độ 12-Ổ đỡ chính
3-Động cơ 8-Quang treo 13-Bánh răng chính
4-Bánh răng chủ động 9-Cổ ngỗng 14-Giá đỡ
5-Nắp hộp tốc độ 10-Ống rửa 15-Trục dẫn

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 20
Hệ thống truyền động (Hình 2.3) bao gồm các bộ phận chính sau:



Động cơ điện;


Hộp tốc độ;


Cụm ống rửa.
a. Động cơ điện
Động cơ điện mà TDS-8SA sử dụng là GEB-20A1 AC, sử dụng dòng
điện 3 pha.
Các thông số của động cơ:
 Điện áp: 600 (V);
 Cường độ dòng điện: 1470 (A);
 Mômen quay: 10600 (ft.lb);
 Khối lượng động cơ: 5960 (lb);
 Tốc độ quay lớn nhất: 2300 (v/p);
 Dao động lớn nhất cho phép: 0,44 (in/s);
 Điện trở (tại 25
C

- đối với mỗi cặp cực): 0,0088 (

).
* Phanh động cơ
Phanh của động cơ được đặt ngay phía trên của động cơ dẫn động. Phanh
hoạt động dựa vào khí nén, nguồn khí nén này được cấp qua hệ thống cấp khí,
và được điều khiển từ bàn điều khiển với 2 vị trí “ON” và “OFF”. Tại đây các
tín hiệu được điều khiển đến hộp nối van điện từ (van solenoid) điều khiển
phanh. Dòng khí nén đi vào các ống cao su tạo ra lực ép, ép lên má phanh
chống lại chuyển động quay của động cơ. Khi công tắc ở vị trí “ ON”, lúc này

van ở trạng thái đóng đồng thời có đèn báo và còi hú báo hiệu cho người vận
hành biết. Khi công tắc ở vị trí “OFF”, lúc này van mở và ta có thể tiến hành
khoan bình thường.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 21


Hình 2.4 Phanh động cơ
b. Hộp tốc độ
Hộp tốc độ của TDS-8SA là hộp tốc độ đơn với tỷ số truyền từ động cơ
sang trục dẫn là 8,5:1. Bên trong hộp tốc độ gồm 1 cặp bánh răng kép, 1 bánh
răng chính, các bạc lót và các gioăng làm kín. Ngoài ra còn có 2 cặp ổ đỡ
chính, đây là thành phần chịu tải trong quá trình nâng, thả ống và quá trình
khoan. Vỏ hộp tốc độ tạo thành một khoang kín để chứa dầu bôi trơn cho hệ
thống bánh răng và các ổ trục. Bên sườn của vỏ hộp tốc độ có mắt thăm dầu để
kiểm tra mức dầu bên trong. Dầu bôi trơn luôn được tuần hoàn trong hộp tốc độ
nhờ vào bơm dầu (bơm được đặt ở ngay trên vỏ hộp tốc độ) và hệ thống các
kênh dẫn, điều này đảm bảo rằng các bánh răng và ổ chặn luôn được bôi trơn.
Bên sườn và dưới đáy hộp tốc độ có các gờ nhỏ để làm tăng sự thoát nhiệt cho
hộp tốc độ.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 22

Hình 2.5 Cấu tạo hộp tốc độ
c. Cụm ống rửa

Cụm ống rửa nối trục chính của hộp số với phần tĩnh của cổ ngỗng, nó
cho phép dung dịch khoan đi qua với nhiệt độ và áp suất thay đổi với mọi tốc
độ quay của trục. Chức năng của gioăng xoay là thực hiện chuyển động quay tự
do ở vị trí thẳng đứng. Đầu quay phải được gắn với gioăng xoay một cách
chính xác và luôn được bôi trơn. Nếu đầu quay được cất giữ trong một thời
gian, thì phải tháo ra để kiểm tra gioăng xoay, xem xét sự mòn hỏng nếu có.
Cổ ngỗng nằm ngay phía trên cụm ống rửa nối ống rửa và ống chữ S. Cổ ngỗng
có phần tĩnh và phần động, phần tĩnh được bắt chặt vào vỏ bọc trục dẫn còn
phần động nối với ống chữ S. Giữa phần tĩnh và phần động có đệm làm kín để
ngăn sự rò rỉ của dung dịch
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 23

1-Vỏ bọc trục dẫn 2-Lò xo 3-Đai ốc hãm
4-Gioăng cố định 5-Thân dưới 6-Thân trên
7-Cơ cấu treo (Điều chỉnh sự lệch trục) 8-Gioăng xoay
Hình 2.6 Cụm ống rửa

2.2.2.3. Hệ thống cân bằng sử dụng khí nén
Hệ thống cân bằng có chức năng treo trọng lượng của hệ thống đầu quay
dưới áp lực khí nén, có tác dụng điều khiển và giữ thăng bằng cho cột cần
khoan và ống chống trong quá trình nối ống. Nó được điều chỉnh để giảm tải
trọng lên ren của đầu nối bảo vệ và cần khoan trong quá trình tiếp cần, qua đó
bảo vệ các chi tiết này.
Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi kíp trưởng từ phòng điều khiển.
Các chế độ này dùng trong các quá trình tháo, lắp cần với sự kiểm soát tải lên
ren và một chế độ dùng trong quá trình thả ống chống.
TDS-8SA được treo bởi hệ ròng rọc 750 (tấn). Khi tải trọng nhẹ, chẳng

hạn chỉ có đầu quay hay đầu quay với một đầu nối thì dầm chịu tải trọng chính
được đỡ bởi 8 bình tích khí nén được liên kết với hệ thống quang treo.
Áp suất trong bình tích khí nén có thể được điều chỉnh cho các tải trọng khác
nhau. Không khí sạch và khô từ giàn cung cấp tới van điều chỉnh, van này được
gắn trên đường ống dẫn khí. Hộp điều khiển tại bàn của kíp trưởng đưa tín hiệu
tới van hoặc để cung cấp cho các bình tích khí nén hoặc để xả khí từ bình tích.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 24


Hình 2.7 Hệ thống cân bằng

Các bình tích được liên kết với van điều chỉnh bằng hệ thống ống dẫn.
Hộp điều khiển được lắp bởi 3 bộ tiết lưu dùng để điều chỉnh áp suất với các
điều kiện tải trọng khác nhau. Mỗi bộ tiết lưu được liên kết với van và đồng hồ
cho phép người vận hành dễ dàng điều chỉnh các mức áp suất khác nhau.
Một thiết bị tăng áp suất khí nén với một bình dự trữ khí nén ở giàn
khoan, một van điều chỉnh được dùng trong hệ thống giúp cho hệ thống cân
bằng. Có nguồn áp suất khí nén lớn để hoạt động khi các thiết bị phụ trợ khác
cần lượng khí nén cao. Việc giảm áp suất khí nén cho hệ thống cân bằng có thể
dẫn đến phá huỷ đầu nối, hay gây ra một số hư hỏng khác.
2.2.2.3 Hệ thống dẫn hướng
TDS-8SA được đặt trên xe lăn dẫn hướng, xe lăn này có thể di chuyển
lên xuống trên thanh ray nhờ vào các con lăn. Tuy nhiên các thanh ray phải thật
sự thẳng hàng, không bị bóp méo và chúng phải song song với nhau. Ở phía
dưới cùng của mỗi thanh ray có các tấm đệm để giới hạn chuyển động của xe
lăn dẫn hướng. Các tấm đệm này phải đặt cách mặt sàn khoan tối thiểu là 11ft

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất


SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 25
(3,04 m), điều này đảm bảo các ống cao áp không chạm sàn khoan khi xe lăn ở
vị trí thấp nhất.
Các con lăn có khả năng tự điều chỉnh khe hở giữa nó và thanh ray đảm
bảo sự di chuyển thuận lợi và an toàn khi mà các thanh ray không được hoàn
hảo. Với hai tầng lò xo cho phép giới hạn chuyển động của các con lăn với hệ
thống lò xo đã tạo cho các con lăn luôn tiếp xúc với bề mặt của thanh ray. Các
con lăn được gắn lò xo nên lực ép được giảm không chỉ cho thanh ray mà cho
cả trục lăn do đó gia tăng tuổi thọ của các bộ phận này.
2 2.2.5. Hệ thống làm mát (Hình 2.8)
Hệ thống quạt gió thổi liên tục không khí tới làm mát động cơ, đồng thời
tạo ra đối lưu cưỡng bức đối với bộ trao đổi nhiệt của hệ thống truyền động,
làm giảm nhiệt độ của dầu bôi trơn.
Hệ thống làm mát bao gồm: quạt gió hướng trục (tác dụng làm giảm
nhiệt độ của dầu bôi trơn); quạt gió làm mát động cơ; hệ thống ống dẫn khí và
động cơ có 2 trục dẫn với công suất 20 (HP). Động cơ này đồng thời dẫn động
cho cả quạt gió hướng trục, quạt gió làm mát động cơ.
Một bộ khử ẩm được đặt ngay ở cửa nạp khí giúp loại bỏ bớt hơi nước có
trong không khí nạp vào.
2.2.2.6. Hệ thống xilanh ổn định hướng cho đầu quay (Hình 2.9)
Hệ thống bao gồm xilanh, ắcqui thủy lực, cụm van điều áp và các thiết bị
liên quan như buồng góp, ống dẫn Xilanh (hoạt động bằng thủy lực) nối phần
đáy của hộp tốc độ với giá xe lăn dẫn hướng, được điều chỉnh thông qua một
ắcqui nằm trên xe lăn dẫn hướng. Ắcqui được nạp bằng nitơ và được giữ ở một
mức áp suất nhất định (điều chỉnh bởi van điều áp).
Cùng với hệ thống cân bằng, xilanh ổn định hướng có tác dụng giữ cho
đầu nối bảo vệ luôn ở trạng thái thẳng đứng khi tháo rời khỏi cột cần khoan

(trong quá trình tháo lắp cần) làm cho quá trình tháo lắp cần dễ dàng hơn.