Nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay di động top drive Varco TDS-8SA trên giàn khoan biển

Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp
LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, cơng tác thăm dị 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 cịn 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 cơng tác thăm dị 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 cơng nghệ
cũng như các thiết bị hiện đại là cần thiết. Trong số các thiết bị cơng 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 cơng
việc khoan, thăm dị 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 mơn Thiết bị dầu khí và cơng
trình, tơi mạnh dạn thực hiện bản đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu về
cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay
di động top drive Varco TDS-8SA trên giàn khoan biển”. Đồ án chia làm
4 chương:

Chương I: Tổng quan về các phương pháp khoan, giới thiệu về tổ
hợp đầu quay di động;


Chương II: Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động Varco TDS8SA;

Chương III: Các dạng hỏng hóc, nguyên nhân, biện pháp khắc
phục và công tác kiểm tra bảo dưỡng;

Chương IV: Tính tốn lựa chọn đầu quay di động.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

1

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 chưa thật chính xác. Bên cạnh đó cịn 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-TS. Nguyễn Văn Giáp, các thầy giáo trong
bộ môn và các bạn đồng nghiệp đã giúp tơi hồn thành bản đồ án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ mơn Thiết bị dầu khí
và cơng trình, đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Văn Giáp và các bạn đồng
nghiệp đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tơi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Hà nội tháng 6 năm 2010
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trọng

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

2

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN, GIỚI
THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG
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
chng được truyền trực tiếp từ động cơ đặt ngay phía trên chng, nét đặc
trưng của phương pháp khoan này là cột cần khoan đứng im trong q 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
1. 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 tồn bộ tải trọng
chiều trục trong q 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
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

3

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ. Do
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.
2. Ưu, nhược điểm
Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ và
mơmen khoan. Ngồi ra, do cần khoan đứng im trong q trình khoan do đó
góp phần tăng tuổi thọ của cần khoan. Bên cạnh những ưu điểm trên, khoan
bằng động cơ điện chìm cịn có những nhược điểm như sau:
• Yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an tồn 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 cơng 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 khơng cao. Hiện nay, loại động
cơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm.
1.1.1.2. Khoan bằng tuabin khoan
1. 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 chng 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 khơng xâm nhập vào ổ trục chính. Ổ tựa chính được đặt ở phía dưới để
nâng tồn 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

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

4

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

nhằm bảo đảm áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình
làm việc.

2

1

3

4
8

7

6

1-Bao trong của stato
2-Bao trong của rơto
3-Rãnh then
4-Vỏ ngồi của stato

5

5-Đường đi của dịng nước
6-Cánh cong của rơto
7-Cánh cong của stato
8-Bao ngồi của rơto

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 q trình khoan. Để thu được mơmen quay và cơng suất lớn mà
khơng 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, cịn trục được nối bằng khớp nối có rãnh then (then hoa), bằng
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

5

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

khớp ma sát hoặc bằng khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh then
hoa).
Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của chng ln thay

đổi tùy theo tải trọng và độ cứng của đất đá khoan qua. Mơmen quay chng
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 ( η ) và
tốc độ quay (n) của trục tuabin được thể hiện trên biểu đồ sau:

N=ƒ(n)

Mh

M=ƒ(n)
η=f (n)

nkt

n

Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần trong khoan tua bin
Khi tốc độ quay n = 0 mômen quay đạt giá trị cực đại gọi là mômen
hãm ( M h ), 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 ( nkt ).
Đối với công suất (N): Với chế độ hãm ( n = 0 ) thì ( N = 0 ). Khi tốc độ
quay tăng lên công suất tăng lên đến giá trị cực đại (Cơng suất định mức) sau
đó lại giảm đến “0” ở chế độ không tải.
Sự biến thiên của hiệu suất (η ) cũng tương ứng với sự biến thiên của
N. Chế độ làm việc với ηmax gọi là chế độ “tối ưu”. Tốc độ quay của chế độ tối
ưu xấp xỉ bằng 1/ 2 tốc độ quay khơng tải, cịn mơmen quay xấp xỉ bằng 1/ 2
mômen hãm.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

6

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 %).
Mọi nhận xét trên đều rút ra trong trường hợp lưu lượng dòng chảy (Q)
không thay đổi. Quan hệ giữa n, P, M, η và N khi Q khơng đổi gọi là đặc tính
làm việc của tuabin.

Hình 1.3 Đường đặc tính làm việc của tua bin
2. Ưu, nhược điểm của khoan tuabin
* Ưu điểm:
• Khơng phải chi phí cơng suất để quay cột cần khoan;
• Do cơng suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên chng nên
chng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ học khoan
cao hơn nhiều so với khoan rơto;
• Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mịn 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 rơto do đó cải thiện điều kiện lao động.
* Nhược điểm:

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

7

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

• Tuabin làm việc với số vịng quay lớn ít phù hợp với đa số loại

chng chóp xoay (vì chng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vịng
quay nhỏ);
• 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 cơng 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 chng rất khó khăn phức tạp;
• Q 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)
1. 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 khơng bị quay trong q trình
kéo thả và được đặt ở phần trên cùng của động cơ. Van này có những lỗ cho

phép sự lưu thơng giữa cột cần khoan và khoảng khơng 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
thốt được đóng kín lại.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

8

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc. Đối với động cơ một
múi xoắn thì mặt cắt ngang của rơto là hình trịn. Đầu trên của rơto được để tự
do cịn đầu dưới nối với khớp nối khơng gian.
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 rơto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rơto và làm cho
rơto quay.
Ở những động cơ đơn múi (rơto có 1 múi xoắn) lưu lượng dịng chảy
qua động cơ lớn vì vậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mơmen

quay nhỏ. Để tăng mơmen 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 dịng
chảy qua động cơ nhỏ dẫn đến số vịng quay nhỏ do đó tạo ra được mơmen
quay lớn.
Trong q 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 mịn, 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 chng. Có rất nhiều
kiểu khớp nối khơng 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 chng;
• Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền.
2. Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít
Mơmen quay khơng phụ thuộc vào đặc điểm lưu lượng dịng 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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

9

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng có
chứa tạp chất và khơng có tính chất bơi 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
khơng gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.
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 chng có đường
kính bé và trong cơng tác sửa chữa giếng.
1.1.2 Phương pháp khoan xoay
Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay của
chng được truyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan. Có hai
dạng chính là sử dụng bàn rơto và sử dụng đầu quay di động (top drive).
1.1.2.1. Khoan bằng bàn rôto
1. Chức năng và nguyên lý cấu tạo của bàn xoay rơto
* Chức năng:
• Đóng vai trị 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 mơmen quay từ trên bề mặt xuống chng khoan;
• Chịu tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;
• Tiếp nhận các phản lực từ đáy trong quá trình khoan.
Trong cơng tác khoan dầu khí tuỳ theo u cầu mà có thể thiết kế
chuyển động cho bàn rơto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn động
riêng cho rơto hoặc có thể lấy từ tốc độ của tời thơng qua bộ truyền xích hay
trục các đăng.
* Ngun 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 bơi
trơn bằng dầu;

• Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rơto được đặt
các bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện của cần chủ đạo (hình
vng hoặc hình lục giác);
• Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rơto
trong cơng tác khoan dầu khí thường từ 400 ÷ 700 (mm);
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

10

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.5 Cấu tạo bàn rơto
• Rơto 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 rơto có ổ
đỡ chính ở trên và bàn rơto 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.
2. Ưu, nhược điểm của bàn xoay rơto
* 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.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

11

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

* Nhược điểm:
• Khơng 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
khơng ổn định.
• Khơng sử dụng được với tần số khoan cao.
• Gây ồn trong q 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 ơ
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 cơng 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 khơng phụ thuộc

vào cơng tác khoan, cơng 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.
1.2. Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động top drive
1.2.1. Đặc điểm chung
Đầu quay di động là cơ cấu cho phép cải thiện quá trình khoan các
giếng khoan xiên và giếng nằm ngang. Về nguyên lý đây có thể coi là cơ cấu
loại mới của máy khoan, cho phép thực hiện nhiều thao tác công nghệ. 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 việc khai thác dầu và khí với chi phí thấp nhất địi hỏi phải mở
rộng khoan ngang. Khoan ngang địi hỏi cơng nghệ thi cơng mới có tính đến
việc tăng rủi ro xuất hiện kẹt cố. Đầu quay di động ra đời đã góp phần giải
quyết vấn đề này.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

12

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.6 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), mơmen 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.
Cơng dụng chính của đầu quay di động là:
• Truyền mơmen quay cho chng khoan phá hủy đất đá;
• Tháo lắp và xiết chặt cần khoan, thực hiện thao tác kéo thả.
1.2.2.Ưu, nhược điểm
1.2.2.1. Ưu điểm
• Khơng phải dùng cần chủ đạo do đó việc tiếp cần khoan nhanh chóng
và thuận lợi, an tồn cho kíp khoan;
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

13

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

• 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 mơmen phản lực đáy

trong q trình khoan.
1.2.2.2. Nhược điểm
• 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 thơng thường;
• Tăng giá thành thiết bị khoan đặc biệt là công tác bảo dưỡng, sửa
chữa phức tạp hơn nhiều so với bàn rơto;
• Do cấu tạo phức tạp nên đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ
chun mơn cao.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

14

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG VARCO TDS-8SA
2.1. Các thông số kỹ thuật của TDS-8SA
Tổ hợp đầu quay TDS-8SA (Hình 2.1) có các thơng số kỹ thuật như
sau:
• Động cơ dẫn động: GEB-20A1 AC;
• Cơng 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);

• Mơmen quay liên tục lớn nhất: 62250 (ft.lb);
• Số vịng quay tương ứng mơmen quay lớn nhất: 94 (v/p);
• Mơmen quay khơng tải: 95000 (ft.lb);
• Sức nâng: 750 (tấn);
• Kích thước cần khoan s dng: 3 1 ữ 6 5 (in);
2
8
ã B kẹp cần: PH-100;
• Áp suất làm việc của IBOP (internal blowout preventer): 15000 (psi);
• Khả năng quay / sự định hướng: 360° / khơng giới hạn;
• Hệ thống làm mát: Quạt gió;
• Dải nhiệt độ làm việc: −20°C → +40°C .

2.2. Nguyên lý hoạt động của TDS-8SA
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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

15

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

Cài hình vẽ A3 (Hình 2.1)

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

16

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

2.2.2. Khoan thuận
Trình tự tiến hành khi khoan thuận (tiếp cần dựng):
• Đặt chấu chèn để giữ cột cần khoan và cho dừng tuần hồn dung
dịch;
• Tháo mối nối giữa cột cần khoan và đầu nối bảo vệ (trên cụm van
cầu), sử dụng bàn kẹp và động cơ khoan ở chế độ đảo chiều (từ bàn điều
khiển);
• Kéo rịng rọc lên và kẹp elevator vào đầu cần dựng nhờ thợ khoan ở
trên cao;
• Nhấc cần dựng lên, nối vào đầu nối bảo vệ và cột cần khoan;
• Nhấc bỏ chấu chèn, tuần hồn dung dịch và tiếp tục q trình khoan.
2.2.3. Doa ngược
Trình tự tiến hành khi doa ngược:
• Vừa khoan vừa kéo cột cần khoan đi lên đến khi đầu trên của đoạn

cần thứ tư lên mặt quá mặt sàn khoan thì dừng lại;
• Dừng tuần hồn đồng thời đặt chấu chèn vào giữ cột cần khoan;
• Tháo mối nối giữa cần dựng với cột cần khoan và đầu nối bảo vệ;
• Nhấc cần dựng lên và đặt trở lại giá dựng cần;
• Hạ rịng rọc xuống, nối cột cần khoan vào đầu nối bảo vệ;
• Nhấc chấu chèn, cho tuần hồn dung dịch và tiếp tục q trình doa
ngược.
2.3. Cấu tạo chức năng và hoạt động của các bộ phận chính
2.3.1. Hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động (Hình 2.3) bao gồm các bộ phận chính sau:
• Động cơ điện;
• Hộp tốc độ;
• Cụm ống rửa.
2.3.1.1. Động cơ điện
Động cơ điện mà TDS-8SA sử dụng là GEB-20A1 AC, sử dụng dịng
điện 3 pha.
Các thơng số của động cơ:
•

Điện áp: 600 (V);

•

Cường độ dịng điện: 1470 (A);

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

17

Lớp: Thiết bị dầu khí K50

Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

•

Mơmen 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 ( Ω ).

* 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. Dịng 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 cơng 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 cơng tắc ở vị trí “OFF”, lúc này van mở và ta có thể
tiến hành khoan bình thường.

Hình 2.2 Phanh động cơ
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

18

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

1-Xilanh cân bằng
2-Phanh động cơ
3-Động cơ
4-Bánh răng chủ động
5-Nắp hộp tốc độ

Đồ án tốt nghiệp

6-Bánh răng kép
7-Đáy hộp tốc độ
8-Quang treo
9-Cổ ngỗng
10-Ống rửa

11-Vỏ bọc trục dẫn
12-Ổ đỡ chính
13-Bánh răng chính
14-Giá đỡ
15-Trục dẫn

Hình 2.3 Hệ thống truyền động
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

19

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

2.3.1.2. 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. Ngồi ra cịn 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 bơi 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

thốt nhiệt cho hộp tốc độ.

Hình 2.4 Cấu tạo hộp tốc độ
2.3.1.3. 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
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

20

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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 mịn 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

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 2.5 Cụm ống rửa
2.3.2. 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 q trình nối ống. Nó được điều chỉnh để giảm
tải trọng lên ren của đầu nối bảo vệ và cần khoan trong q trình tiếp cần, qua
đó bảo vệ các chi tiết này.
Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi kíp trưởng từ phịng 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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

21

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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. Khơng khí sạch và khơ 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.

Hình 2.6 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
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

22

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.
2.3.3. 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, khơng 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 (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 tồn khi mà các thanh ray khơng được hồn
hảo. Với hai tầng lị 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 lị xo nên lực ép được giảm khơng chỉ cho thanh ray mà cho
cả trục lăn do đó gia tăng tuổi thọ của các bộ phận này.
2.3.4. Hệ thống làm mát (Hình 2.7)
Hệ thống quạt gió thổi liên tục khơng 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 cơng 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 khơng khí nạp vào.
2.3.5 Hệ thống xilanh ổn định hướng cho đầu quay (Hình 2.8)
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).

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

23

Lớp: Thiết bị dầu khí K50

Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

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.

Hình 2.7 Hệ thống làm mát

Hình 2.8 Xilanh ổn định hướng
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

24

Lớp: Thiết bị dầu khí K50


Trường Đại học Mỏ Địa Chất

Đồ án tốt nghiệp

2.3.6. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển của TDS-8SA có sơ đồ cấu tạo như Hình 2.9.
Trong hệ thống điều khiển có bàn điều khiển giúp người vận hành dễ dàng
thao tác các chức năng của tổ hợp đầu quay.
Trên bàn điều khiển có các nút bấm để thực hiện các chức năng như:
điều chỉnh bản lề nghiêng qua đó điều chỉnh vị trí của elevator; đóng mở

phanh động cơ; điều chỉnh mômen vặn, tháo cần; điều khiển các động cơ phụ
trợ (quạt gió, bơm dầu…); điều chỉnh giá đỡ liên kết quay; đóng mở van cầu
trên; thay đổi chiều quay của đầu quay. Bàn điều khiển thực hiện các chức
năng trên nhờ vào một hệ thống các van điện từ ni vi cỏc b phn ú.
Động cơ 3 pha

VFD
Tín hiệu
điều khiển
Bàn điều khiển

Tín hiệu
điều khiển

PLC

TDS-8SA

Trung tâm điều khiển

VFD: Variable Frequency Drive-Bộ biến tần
PLC: Programmable Logic Control-Bộ điều khiển logic

Hỡnh 2.9 Mơ hình hệ thống điều khiển
Bẩy đèn báo sáng trên bàn điều khiển cho ta biết các điều kiện sau:
• Hệ thống van cầu đã đóng;
• Phanh động cơ đang đóng (ở vị trí “ON”);
• Áp suất dầu bơi trơn bị giảm;
• Sự lưu thơng khơng khí bị gián đoạn;
• Động cơ bị quá nhiệt;

• Lỗi dẫn động;
• Chế độ tự động.
Bàn điều khiển cũng có hệ thống cịi báo để cảnh báo các điều kiện cho
người vận hành biết, cịi báo này có thể được tắt đi.

Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng

25

Lớp: Thiết bị dầu khí K50