Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500 trên giàn khoan Tam Đảo-01 Vietsovpetro

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

LỜI NĨI ĐẦU
Hiện nay cơng tác thăm dị và khai thác dầu khí đang 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 tỉ đồng, đóng góp to lớn vào sự tăng trưởng
và sự phát triển của đất nước.
Cơng tác tìm kiếm và thăm dị dầu khí ở Việt Nam được triển khai từ trước
năm 1960, song mãi đến năm 1975 ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam mới chính
thức được thành lập.
Từ năm 1986, Việt Nam trở thành một trong những nước khai thác và xuất
khẩu dầu thơ trên thế giới. Tuy cịn non trẻ, nhưng ngành cơng nghiệp dầu khí đã
nhanh chóng gặt hái được nhiều thành công và là chỗ dựa vững chắc cho sự nghiệp
cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Cho đến năm 2002, Việt Nam đã khai thác
hơn 130 triệu tấn dầu thô và 8.5 tỷ m3 khí đồng hành.
Dầu và khí vẫn là nguồn năng lượng chiến lược và quan trọng nhất. Khoan
giếng dầu khí là cơng việc sống cịn của ngành cơng nghiệp dầu khí vì khơng có
giếng thì khơng thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lịng đất. Mục tiêu quan trọng
nhất của người kỹ sư dầu khí là biết áp dụng các kỹ thuật và công nghệ mới để khai
thác ngày càng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này.
Để nâng cao hiệu quả cơng tác khoan dầu khí, việc trang bị công nghệ cũng
như các thiết bị hiện đại là rất cần thiết. Trong số các thiết bị cơng nghệ mới áp dụng
có tổ hợp đầu quay di động ( Topdrive ) đã cho kết quả rất khả quan. Việc 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 và sớm đưa giếng khoan vào khai
thác.
Được sự đồng ý của các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và cơng
trình, tơi đã chọn đề tài: “ Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa tổ
hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500 trên giàn khoan Tam Đảo-01

Vietsovpetro ” làm đồ án tốt nghiệp cho mình.
Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và lập quy trình cơng nghệ sửa chữa tổ
hợp đầu quay di động. Với những tài liệu thu thập trong quá trình học tập và qua thực

Sinh viên: Phạm Văn Đức

1

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

tế tại giàn khoan Tam Đảo-01 Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsopetro, tơi xin trình
bày nội dung đồ án gồm các chương như sau:
Chương I: Các phương pháp truyền chuyển động quay cho choòng khoan và
giới thiệu tổ hợp đầu quay di động Topdrive.
Chương II: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tổ hợp đầu quay di động
Topdrive PS2-500/500.
Chương III: Các dang hỏng hóc, nguyên nhân, biện pháp khắc phục và công
tác bảo dưỡng sửa chữa Topdrive PS2-500/500.
Chương IV: Hệ thống khí nén và tính tốn tải trọng tác dụng lên đường ray
dẫn hướng để Topdrive PS2-500/500 làm việc an toàn.
Chương V: An toàn khi sử dụng tổ hợp đầu quay di động Topdrive
PS2-500/500.
Đồ án được hoàn thành nhưng cịn nhiều thiếu sót do những hạn chế về kiến
thức, thời gian thực tập và ngành dầu khí nước ta cịn non trẻ nên tài liệu Tiếng việt
cịn rất ít, nhiều thuật ngữ sử dụng chưa thật chính xác. Tơi mong nhận được sự đóng

góp ý kiến của các thầy cơ để đồ án có thể hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ mơn Thiết bị dầu khí và
cơng trình, đặc biệt là thầy giáo - Thạc sĩ Lê Đức Vinh đã tận tình hướng dẫn tơi
hồn thành đồ án này!

Hà Nội, tháng 6 năm 2009
Sinh viên thực hiện

Phạm Văn Đức

Sinh viên: Phạm Văn Đức

2

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG
KHOAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO
CHOÒNG KHOAN
1.1.1. Khoan bằng động cơ đáy
Trong cơng tác khoan dầu khí việc sử dụng động cơ dẫn động cho choòng khoan
là một vấn đề cần thiết và được tính tốn hết sức cẩn trọng. Bởi nó khơng chỉ ảnh
hưởng tới cả q trình khoan sau này, mà còn ảnh hưởng tới kinh tế khi thi cơng một

giếng khoan dầu khí trên biển. Trên thực tế việc sử dụng những loại động cơ dẫn
động cho choòng, đã được các nhà thầu khoan áp dụng từ lâu. Qua những kiến thức
trên lớp và thực tế tôi sẽ giới thiệu sơ qua về nguyên lý cấu tạo và tính năng tác dụng
của những loại động cơ dùng để dẫn động quay cho chng khoan.
Có 3 loại động cơ chính dẫn động cho chng:
• Động cơ điện
• Tua bin khoan
• Động cơ trục vít
1.1.1.1. Khoan tuabin:
Từ đầu thế kỷ XX(1923) ở Liên Xô (nay là Liên Bang Nga ) đã dùng động cơ
chìm để quay chng. Vào đầu năm 1924, Tuabin khoan đầu tiên trên thế giới ra đời,
chỉ có một tầng từ đó phát triển rất nhanh tới loại có hàng trăm tầng.
Vào năm 1934, Nga và Mỹ đã chế tạo thành công tuabin nhiều tầng có thể từ 100
– 150 tầng, tăng cơng suất từ 10 – 20 lần, do đó giảm được tốc độ quay và không cần
đến dùng hộp số.
Sau năm 1954, khoan tuabin là chủ yếu, hiện nay song song với các phương pháp
khoan khác, tuabin vẫn được sử dụng rộng rãi.
Nguyên lý làm việc:
Tuabin dùng cho khoan là tuabin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ của tuabin được
nối với phần dưới của cột cần khoan bằng ren, còn trục của tuabin nối với chng
khoan.
Mỗi một tầng gồm hai phần chính, phần quay được nối với trục tuốc bin gọi là
Rôto. Phần đứng yên nối với vỏ gọi là Stato, Stato gồm 1 vịng thép trong đó có gắn

Sinh viên: Phạm Văn Đức

3

Lớp: Thiết bị dầu khí K49

Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

các cánh uốn cong. Rơto cũng gồm một vịng thép bên trong cũng được gắn các bản
thép cánh uốn cong nhưng ngược chiều với các cánh cong của Stato. Giữa Rôto và
Stato có khoảng cách hở để Rơto quay tự do, trong các cánh quạt của tuabin năng
lượng thuỷ lực của dịng nước rửa được chuyển hố thành cơ năng để quay trục
tuabin được nối với choòng khoan. Dung dịch qua các rãnh uốn cong của đĩa Stato,
dịng dung dịch đó bị đổi hướng, khi ra khỏi Stato có vận tốc tuyệt đối lớn đi vào các
rãnh Rôto uốn cong, và vận tốc ở rãnh khi vào Rơto dịng dung dịch tác dụng xuống
các cánh cong của Rôto làm đĩa Rôto quay dẫn đến trục Rôto quay. Ở Rôto chất lỏng
tham gia 2 chuyển động với 2 vận tốc. Vận tốc tương đối U1 (thành phần nằm ngang)
làm quay đĩa Rôto và W1 (thành phần thẳng đứng) theo hướng của cánh cong, véctơ
của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hướng, và đi ra khỏi Rôto là C2, với vận tốc này
dòng dung dịch đi vào rãnh của đĩa Stato. Ở tầng tiếp theo với vận tốc tuyệt đối C2 và
ở đây lại lặp lại như ở tầng 1.
Cấu trúc của tuabin (Hình 1.1)
Tuabin đơn:
Được tạo thành bằng vỏ tuabin và gắn chặt với đĩa Stato của tuabin, ở phía bên
trong có trục tuabin gắn với đĩa Rơto để treo trục. Bên trong tuabin phải có một ổ tựa
dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan khơng xâm nhập vào ổ trục chính, do
vậy người ta có thể đặt ổ tựa chính ở phía dưới để nâng tồn bộ khối Rơto. Tuỳ theo
chiều dài của tuabin người ta có thể lắp từ 2-3 ổ tựa ngang. Ở phần trên cùng của
tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối với đầu dưới của cột cần khoan. Phía dưới cùng
của tuabin có đế tuabin, đế này được bịt kín giữa phần tuabin và trục tuabin nhờ một
đệm đặc biệt nhằm đảm bảo áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá
trình làm việc.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

4

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo một tầng tua bin khoan
Tuabin kép:
Khi khoan các tầng đất đá dẻo để thực hiện q trình phá huỷ đất đá ở các giếng
có chiều sâu lớn, do lưu lượng dung dịch nhỏ do vậy giá trị mômen và công suất của
tuabin không đủ đáp ứng quá trình khoan. Vậy để đáp ứng được điều đó mà khơng
Sinh viên: Phạm Văn Đức

5

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

phải thay đổi đường kính tuabin, dẫn đến tăng ổ tựa số tầng tuabin, cần chế tạo tuabin
dài 150-200 tầng nối với nhau. Điều này khó khăn cho vận chuyển, chính vì thế mà
người ta chế tạo nhiều tuabin để nối với nhau tạo thành tuabin kép.

Tuabin kép có 3 kiểu:
-

Các trục nối với nhau bằng khớp nối có rãnh (nối kiểu then hoa).

-

Các trục của các đoạn tuabin đơn nối với nhau bằng ma sát hình nón cụt.

-

Các trục của các đoạn tuabin được nối với nhau thông qua khớp nối

kép tức là kết hợp giữa nối ma sát hình nón cụt và cơn, rãnh vỏ nối với nhau bằng ren.
Ưu, nhược điểm của tuabin khoan:
Có thể nói Tuabin khoan là một động cơ thuỷ lực trên đáy, có nhiệm vụ biến đổi
năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa thành cơ năng làm quay trục động cơ để
truyền chuyển động quay trực tiếp cho chng khoan trong q trình phá huỷ đất đá.
* Ưu điểm:
-

Khơng phải chi phí cơng suất để quay cột cần khoan.

-

Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng, cho nên

choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt được 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 q trình làm việc.
-

Có thể sử dụng Tuabin khoan để khoan giếng khoan xiên định hướng và

khoan ngang rất hiệu quả.
-

Do trên miệng giếng bàn Rôto không quay cho nên giảm được tiếng ồn và

cải thiện điều kiện lao động.
* Nhược điểm:
-

Tuabin làm việc với số vòng lớn ít phù hợp với đa số loại chng chóp

xoay (vì chng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vịng quay chậm)
-

Cần có máy bơm cơng suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động tuabin,

đặc biệt đối với các giếng khoan sâu thì việc này rất khó thực hiện.
-

Việc điều chỉnh tốc độ quay của chng rất khó khăn, phức tạp.

-

Quá trình bảo dưỡng, sữa chữa tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di

động hoặc bàn Rơto.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

6

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.2 : Sơ đồ tuabin khoan

Sinh viên: Phạm Văn Đức

7

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.3: Các đường đặc tính lý thuyết tua bin khoan

1.1.1.2. Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor)
Các kiểu chính của động cơ trục vít:
Động cơ trục vít có ba kiểu chính: Động cơ trục vít tốc độ thấp, tốc độ trung bình
và tốc độ cao.
-

Động cơ trục vít tốc độ thấp:

Có mơmen quay cao rất phù hợp với quá trình cắt xiên và khoan ngang, đặc biệt
việc tăng đường kính giếng mở rộng thân giếng khoan và ống chống hoặc khoan lấy
mẫu đạt hiệu quả tốt.
-

Động cơ trục vít tốc độ trung bình:

Sinh viên: Phạm Văn Đức

8

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Có thể tăng vận tốc cơ học khoan khi duy trì thời gian làm việc dài của choòng.
Thường được sử dụng khi khoan giếng thẳng đứng và khoan giếng có khoảng dịch
đáy lớn.
-

Động cơ trục vít tốc độ cao:

Mơmen quay nhỏ được dùng để khoan ngắn hoặc cắt thân giếng khoan vì trong
từng điều kiện cụ thể mà ta chỉ có thể lựa chọn chính xác phương của thân giếng, góc
lệch phương thân giếng. Điều này chỉ có thể được xác định khi tải trọng tác dụng lên
choòng thấp.
=> Động cơ trục vít có kích thước khơng lớn, phù hợp khi sử dụng chúng với ống
mềm quấn vào tang tời, khoan các giếng có đường kính bé chiều sâu lớn. Đặc biệt
khoan cắt xiên, khoan ngang và khoan những giếng có thân giếng yếu.
Ưu, nhược điểm:
-

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 chế tạo động cơ.
-

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 trong động cơ được tự động nhờ sự thay đổi liên tục vị trí khơng gian của đường
tiếp xúc.
-

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.

1.1.1.3. Động cơ điện chìm:
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 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 ngâm dầu chạy trên các ổ bi và loại chạy trên
các ổ trượt cao su.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

9

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

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 ở bên ngồi từ 2-3 at, để khơng cho chất lỏng
khoan lọt vào động cơ.
Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston : Một cái chứa dầu máy bay
dẫn vào bên trong phớt, còn 2 cái chứa dầu biến áp liên thông với phần trong của thân

động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ. Bời trong q trình làm việc xảy
ra sự rị rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động cơ bị đốt nóng thì áp suất sẽ giảm
cần phải bù thêm.
Đặc tính khơng tải của động cơ là dịng tăng rất nhanh khi số vịng quay tăng ít.
Vì vậy khi khởi động và chất tải cần phải tăng điện áp trong q trình làm việc thì trị
số mơmen cực đại thường gấp 2 lần mơmen định mức.
Q 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 với nhau bằng một đầu nối đặc biệt gắn
trong gia mốc.
Ưu nhược điểm:
-

Khoan bằng động cơ điện chìm về lý thuyết tỏ ra lợi thế như khoan tuabin và

khoan trục vít tuy nhiên có hạn chế về mặt đặc tính của động cơ số vòng quay cao,
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, áp suất tương

đối cao, khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn.
- Chi phí cho cơng tác vận hành tốn kém, động cơ cồng kềnh, phức tạp.
⇒ 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.
1.1.2. Khoan bằng động cơ trên bề mặt.
Có 2 loại chính cơ bản: Bàn rôto (bàn xoay) và đầu quay di động (Top Drive)
1.1.2.1. Bàn Rôto
Chức năng và nguyên lý cấu tạo

Chức năng của bàn quay rôto:

Sinh viên: Phạm Văn Đức

10

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

-

Đồ án tốt nghiệp

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 q trình khoan.

Trong cơng tác khoan dầu khí tùy theo yêu cầu mà có thể thiết kế truyền động cho
rôto bằng 2 phương án: dùng động cơ dẫn động riêng hoặc từ hộp tốc độ của tời qua
bộ truyền xích hay các đăng.

Hình 1.4: Các bộ phận chính của bàn rôto
Nguyên lý cấu tạo :
Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn quay và hệ
thống ổ đỡ (vòng bi). Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trục
dẫn nằm ngang đến bàn quay xung quanh trục thẳng đứng. Tất cả các hệ thống ổ đỡ
và cặp bánh răng đều được bơi trơn bằng dầu.
Đặc tính kỹ thuật của bàn rôto là: tần số quay và số tốc độ truyền công suất, tải
trọng tĩnh cho phép lên rôto và đường kính lỗ bàn rơto.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

11

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

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 cần chủ đạo (hay cịn gọi là các chấu
chèn).
Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rơto trong cơng
tác khoan dầu khí thì điều kiện lỗ bàn rơto từ (400 – 700) mm.
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 ra làm 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ chính ở trên và

bàn rơto có ổ đỡ chính ở dưới.
Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trong q trình làm việc chịu tác dụng của tồn 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 khoan và
phản lực đáy gây nên.
Ưu, nhược điểm:
1. Ưu điểm:
-

Bộ phận cơ khí này có kết cấu đơn giản và rất 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.
2. 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.
-

Sử dụng thiết bị đầu quay rôto không dùng được tần số cao.

1.1.2.2. Đầu quay di động (TopDrive)
Đây là loại thiết bị tạo chuyển động cho cột cần khoan quay rất hiện đại, để quay
cột cần khoan và truyền chuyển động xuống chng khoan. Các mơ tơ được lắp ở

đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếp nhận tuần hoàn chất lỏng. Động cơ di động
lên xuống theo cần dẫn hướng và được ổn định bởi hệ thống giá trượt dẫn hướng lắp
dọc theo 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 và ít gây rung động va đập và đặc biệt có thể khử được
mômen phản lực đáy.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

12

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

1.2. GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY TOPDRIVE
1.2.1. Đặc điểm chung
1.2.1.1. Trong cơng tác khoan dầu khí dùng bàn Roto, cần vuông là tiêu chuẩn
công nghiệp trong thời gian nhiều năm. Để lắp ráp cần khoan phải sử dụng cùng lúc
nhiều thiết bị và dụng cụ.
Phương pháp khoan này làm việc tốn nhiều sức lao động, làm giảm đi hiệu quả và
sự cản trở phát triển.
Topdrive thay đổi đáng kể việc tiếp cần khoan, truyền chuyển động quay, tăng
thêm sự an toàn và hiệu quả khi khoan. Đặc biệt Topdrive làm giảm đáng kể khả
năng kẹt bộ khoan cụ trong giếng khoan.
1.2.1.2. Topdrive là tổ hợp thiết bị quay gắn liền với thiết bị nâng. Vòng bi quay
gắn vào thân hộp số, điều này cho phép nó vừa quay cột cần khoan vừa để đỡ cụm

thiết bị.
Topdrive còn tách biệt tải khi khoan và tải khi kéo thả bộ cần khoan, ống chống.
Việc tách biệt tải như trên làm tăng an tồn và tăng độ bền của vịng bi quay.
1.2.1.3. Topdrive bao gồm hệ thống giữ cần để vặn vào, tháo ra các mối nối trong
quá trình khoan.
Khi vặn vào, tháo ra các mối nối cần khoan với mômen tăng hoặc giảm được thực
hiện bằng việc tăng hoặc giảm mômen vặn ở động cơ điện thông qua hộp số.
Mối nối ren giữa van cầu trên và đầu nối chủ lực, van cầu trên và van giữ dung
dịch, van giữ dung dịch và van cầu dưới, van cầu dưới và đầu nối làm việc được hãm
bởi vành kẹp để các mối nối đó khơng tự tháo ra được trong khi tiếp cần và tháo bớt
cần khoan.
1.2.1.4. Elevator có thể thay đổi vị trí nhờ các xi lanh gắn vào quang treo.
Elevator có thể đưa tới lỗ phụ, đẩy ra phía trước, phía sau của Topdrive để tránh
giếng khoan trong khi khoan. Khả năng di chuyển đó cung cấp cho thợ khoan thao
tác thuận tiện với cột cần khoan.
1.2.1.5. Hệ thống cân bằng cho phép thợ khoan vặn tháo các mối nối cần khoan
với sự làm giảm mòn và hư hỏng ren của mối nối.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

13

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi thợ khoan. Các chế độ này dùng để tách

mối nối, nối các mối nối với sự kiểm soát tải lên ren và đặt xấp xỉ tải Topdrive để thả
ống chống.
1.2.1.6. Topdrive có nhiều cách để quay cột cần khoan khi khoan các giếng dầu
khí và khi tiếp cần. Hệ thống giữ cần của Topdrive để thiết kế tiếp cần dựng. Do đó
giảm được 2/3 thời gian tiếp, tháo cần khi khoan. Topdrive linh hoạt hơn bàn Roto ,
có thể kéo cần cùng với sự tuần hoàn dung dịch khoan, quay cùng với kéo cần, thả
ống chống với cột ống dựng.
1.2.1.7. Topdrive được liên kết với hệ ròng rọc động bằng quang treo động cơ
thủy lực. Một trục chính dẫn đường từ động cơ điện 1 chiều qua hộp số, một hệ
thống van cầu được gắn bên trục chính, sự thiết kế này đã tạo ra tải trọng tập trung
vào ổ đỡ của đầu thủy lực trong khi khoan.
Topdrive làm việc có hiệu quả hơn, khả năng đặc biệt của nó là có thể doa ngược,
tức là vừa kéo cần vừa quay bộ khoan cụ.
1.2.1.8. Bục điều khiển của thợ khoan được thiết kế để thợ khoan thao tác đơn
giản nhất. Bục điều khiển bao gồm các đèn chỉ thị để thợ khoan theo dõi tình trạng
hiện hữu của các bộ phận trong Topdrive.
Đồng hồ đo mômen, đồng hồ đo tốc độ quay cũng nằm trong bục điều khiển.
1.2.2. Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới
1.2.2.1. Hãng Tesco
Đây là hãng chế tạo thiết bị khoan Canađa đã nghiên cứu chế tạo thành công
Topdrive từ năm 1986.
Sản phẩm của hãng Tesco được sử dụng trên cả đất liền và trên biển. Nó có khối
lượng là 12.000pounds, do đó làm giảm tải trọng cho tháp khoan và lắp ráp cũng như
vận chuyển dễ dàng.
Các sản phẩm của hãng: Tesco-500T, Tesco-350T
Các thông số kỹ thuật: Tesco-350T,Tesco-500T
Mômen quay lớn nhất: 40000f -L6
Tốc độ quay lớn nhất : 200(v/p)

Sinh viên: Phạm Văn Đức

14

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Công suất: 200 - 400HP
Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực: (1000 -2000) PSi
Tải trọng làm việc ( 350 - 500) T
Trọng lượng: (11000 - 12000) pounds
Dùng với tháp khoan có chiều cao 142ft

Sinh viên: Phạm Văn Đức

15

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.5 : Tesco-500T Topdrive

Sinh viên: Phạm Văn Đức

16

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.6 : Tesco-350T Topdrive

Sinh viên: Phạm Văn Đức

17

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

1.2.2.2. Hãng Rarco-BJ
Đây là hãng sản xuất của Mỹ với nhiều loại sản phẩm TDS-3S, TDS-4S, TDS-6S.
Động cơ trên tổ hợp đầu quay là động cơ điện một chiều có cơng suất 1100 1300HP.
1.2.2.3. Hãng Maritime Hydraulics A.S
Đây là hãng sản xuất Topdrive của Nauy, sản phẩm của hãng là: DDM500-DC
Các thông số kỹ thuật:
Động cơ điện một chiều: GE 753USI

Áp suất thủy lực: 180 (bar) (2650PSi)
Áp suất khí nén: 7bar
Mơmen quay liên tục: 44.000 N - m
Mômen quay gián đoạn: 50.000 N - m
Tốc độ quay lớn nhất: 186 v/p
Tải trọng làm việc: 500T
Chiều dài: 6935mm
Trọng lượng: 16T
1.2.2.4. National Oilwell
Đây là hãng sản xuất của Mỹ, các sản phẩm chính của hãng: PS2-500/500, PS500/500, PS-350/500.
1.2.3. Những ưu điểm chính của Topdrive
Trong công tác khoan việc sử dụng Topdrive thay thế bàn Roto và cần vng tăng
thêm nhiều ưu điểm:
•

An tồn

Topdrive cho phép nối các mối nối ở bất kỳ vị trí nào trên tháp khoan; điều khiển
vặn vào, tháo ra các mối nối từ xa nhanh chóng; tháo nối được nhiều loại đầu nối vì
thế giảm rủi ro cho các thiết bị vặn cần và khóa càng cua.
Van cầu trên và van cầu dưới kiểm sốt an tồn áp suất trong cần.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

18

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Do khơng phải dùng cần vng nên giảm được độ mịn cho thiết bị chống phun
BOP.
•

An tồn cho kíp khoan

Tiếp cần là cơng việc nguy hiểm nhất của kíp khoan, Topdrive làm giảm mối nối
chỉ còn 1/3 ( Do cần dài hơn 3 lần so với khoan Roto), điều này làm giảm các sự cố.
•

Tăng hiệu quả và giảm giá thành khoan

Không tốn thời gian lắp và nhấc cần vuông.
Không phải tốn thời gian nhấc đầu thủy lực và cần vuông khi đang khoan.
Thực hiện công việc nối vào ở bên dưới, trong khoan định hướng không cần các
dụng cụ bề mặt sau mỗi lần nối.
Tăng thời gian khoan thuần túy, giảm được cơng tác kéo thả.
•

Giữ dung dịch khoan

Van giữ dung dịch khoan được lắp trên thân của van cầu trên, tự động đóng khi
áp suất dung dịch xuống khoảng 60PSi và tự động mở khi áp suất dung dịch tăng trở
lại.
•

Cải thiện cơng tác bảo dưỡng

Các bộ phận chính như động cơ khoan bố trí để bảo dưỡng được đơn giản. Động
cơ điện có thể tháo tách rời khỏi hộp số. Mức dầu trong hộp số dễ kiểm tra. Hệ thống
thủy lực và phin lọc nhớt có thể thay mà khơng cần xả dầu khỏi hộp số.
•

Phân tách tải khi khoan và khi kéo thả cần

Tải được phân tách khi khoan và kéo thả cần cho phép tải phân theo đường vịng
cho vịng bi đỡ trục chính trong Topdrive khi nâng hạ cột cần khoan và thả ống
chống, cho phép nâng được tải lớn hơn ở vòng bi đỡ chính, làm tăng độ bền của vịng
bi.
•

Quang treo Elevator

Quang treo Elevator được gắn với các xi lanh khí nén, cho phép lựa chọn 4 vị trí
của Elevator:
-

Đẩy ra sau tâm giếng khoan

Sinh viên: Phạm Văn Đức

19

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

-

Đẩy ra trước tới lỗ phụ

-

Đẩy ra trước tới sàn trên cao để đóng mở Elevator

-

Đẩy thẳng tâm giếng khoan để nâng hạ

•

Vừa xoay vừa đẩy cột cần khoan đi xuống

Một đặc điểm quan trọng của Topdrive là vừa kéo cần vừa tuần hồn dung dịch
Việc liên tục xoay có ý nghĩa quan trọng là giảm ma sát khi chuyển cần khoan
trong khoan định hướng hay khoan ngang.
Giảm chi phí cho chất phụ gia và bơi trơn, ít bị kẹt cần.
•

Giảm thời gian tiếp cần

Topdrive có thể tiếp cần dựng với chiều dài 93foot (28m), như vậy thời gian tiếp
cần giảm được 2/3.
Giảm thời gian khi doa lỗ, giảm thời gian làm sạch lỗ khoan

Khoan nhiều giếng trên cùng bộ khoan cụ vì khơng phải tháo cột cần khoan.
•

Hệ thống đối trọng bằng khí nén

Cho phép giảm tải lên ren đầu nối cần khoan và ống chống khi lắp ráp hoặc khi
tháo mối nối, tránh làm mịn ren.
Có 3 chế độ điều khiển hệ thống đối trọng từ bục kíp trưởng:
-

Chế độ chỉ Topdrive

-

Chế độ tiếp cần khoan

-

Chế độ ống chống

1.2.4. Một số nhược điểm của Topdrive
-

Vốn đầu tư ban đầu lớn, nếu xét về giá thành thiết bị thì Topdrive đắt hơn bàn

Roto rất nhiều lần, do đó địi hỏi chủ đầu tư phải có tiềm lực tài chính.
-

Phải có tháp khoan chuyên dùng có gắn đường ray trượt cho Topdrive.

-

Tải trọng chất lên sàn khoan lớn làm giảm khả năng chất tải lên giàn khoan,

ảnh hưởng đến độ vươn xa của sàn control.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

20

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

-

Đồ án tốt nghiệp

Topdrive là tổ hợp nhiều cơ cấu thiết bị nên chi phí về bảo dưỡng sửa chữa

hàng năm lớn.
-

Topdrive là thiết bị hiện đại do đó địi hỏi người vận hành phải có kiến thức,

trình độ làm việc cao hơn.
1.2.5. Cơng dụng của Topdrive
-

Truyền chuyển động quay và mômen quay cần thiết cho bộ khoan cụ.

-

Có khả năng kẹp chặt các cần để tháo ra, vặn vào các mối nối của cần

khoan.
-

Liên kết giữa bộ khoan cụ và hệ thống bơm dung dịch cao áp.

-

Thơng qua tời, rịng rọc động, rịng rọc tĩnh để nâng hạ cột cần khoan, ống

chống, treo bộ khoan cụ trong khi khoan và bơm rửa.
Dùng lắp các thiết bị chống phun như van cầu,đối áp ,van ngược ……

Sinh viên: Phạm Văn Đức

21

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

CHƯƠNG 2

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ HỢP ĐẦU QUAY
DI ĐỘNG TOPDRIVE PS2 - 500/500

Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro đã đưa vào sử dụng bộ đầu quay di động Topdrive
PS2 - 500/500

do hãng National Oilwell sản xuất tại giàn khoan tự nâng Tam

đảo - 01 và Cửu Long.
Topdrive PS2 - 500/500 là một thiết bị hiện đại được đưa vào sử dụng đã giúp
cho XNLDDK Vietsovpetro gia tăng khối lượng cơng việc, đẩy nhanh tiến độ khoan
thăm dị và khai thác dầu khí ở thềm lục địa nước ta.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

22

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Hình 2.1: Topdrive PS2-500/500

Sinh viên: Phạm Văn Đức

23

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đồ án tốt nghiệp

Ghi chú:
1. Blốc
ròng
rọc
động
2. Blốc
cân
bằng
3. Phần
di động
4. Hộp
số
5. Cụm
ống rửa
6. Vành
quay
7. Xilanh
quang
treo
8. Quang
treo
9.

Elevator
10. Bộ ngàm kẹp
11. Ống thủy lực
12. Hệ thống chống phun IBOP
13. Xe lăn dẫn đường
14. Khung giá động cơ

Sinh viên: Phạm Văn Đức

24

Lớp: Thiết bị dầu khí K49


Trường Đại học Mỏ - Địa chất

15.Động

Đồ án tốt nghiệp

cơ

điện

Hình 2.2 : Cấu tạo Topdrive PS2-500/500.

Sinh viên: Phạm Văn Đức

25

Lớp: Thiết bị dầu khí K49