quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 trên giàn khoan Tam đảo – 01

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Nghành dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của đất
nước. Để phát triển nó cần rất nhiều các yếu tố, trong đó sự phát triển về thiết
bị cũng là một nhân tố rất quan trọng. Trong quá trình đi thực tập trên giàn
Tam Đảo 01. Bản thân em đã được tiếp xúc với rất nhiều thiết bị. Nhưng bộ
phận tương đối mới mẻ chính là động cơ khoan topdriver. Và được sự nhất trí
của giáo viên hướng dẫn, thầy Trần Văn Bản em đã được chọn đề tài tốt
nghiệp làm về: ” quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tổ
hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 trên giàn khoan Tam đảo
– 01”
Chuyên đề:
“tính toán thông số công suất của động cơ điện GE752 trong quá trình
khoan trên biển”
Mục đích của đồ án là nghiên cứu và lập quy trình công nghệ sửa chữa
tổ hợp đầu quay di động dựa trên những tài liệu thu thập trong quá trình học
tập và qua thực tế tại giàn khoan Tam Đảo 01 - Xí nghiệp liên doanh dầu khí
Vietsovpetro, sự giúp đỡ của quý thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn.


Hà Nội 6/2009

Nguyễn Sỹ Cường 1 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
PHẦN I: CÔNG TÁC KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN
ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG
CHƯƠNG I: CÔNG TÁC KHOAN
Với trình độ khoa học hiện nay chưa có một phương pháp nào mà từ
trên mặt đất có thể phát hiện dầu khí nằm sâu trong lòng đất hoặc trong lòng
đại dương một cách chính xác. Các giếng khoan dầu khí đã được thực hiện
nhằm xác định được khả năng chứa dầu, tính chất về địa chất của vùng dầu

sau đó mới đem vào khai thác. chiều sâu của một giếng khoan dầu khí, để đạt
được mục tiêu của nó, có thể thay đổi từ vài trăm mét đến 10.000m. Nhưng
trung bình là khoảng 2.500m, giếng khoan sâu trên 3.500m, giếng khoan cực
sâu là trên 4.500m, giếng khoan sâu nhất trên thế giới được biết là khoảng
15.000m .
Giếng khoan là một công trình rất tốn kém, vì vậy cũng như mọi vấn đề
đâu tư làm các công trình khác, cần phải nghiên cứu và lập kế hoạch hết sức
kỹ càng mới thực hiện được nó.
Bước đầu tiên của việc nghiên cứu này nhằm xác định cấu trúc địa tầng
của tầng đất đá, sau đó mới phác hoạ được cấu trúc mặt cắt của giếng khoan
trên lý thuyết.
Việc xây dựng mặt cắt và các phương pháp để đạt tới mục tiêu là kết
quả làm việc tập thể của nhiều người thuộc nhiều bộ phận chuyên môn khác
nhau. Sau khi thiết kế và được sự đồng ý về kế hoạch khoan. dưới sự chỉ đạo
của phòng công nghệ khoan và các ban nghành liên quan bao gồm đội khoan,
cán bộ kĩ thuật mới bắt đầu thực hiên.
Nói chung công tác khoan bao gồm các bước sau:
- Công tác xây lắp và chuẩn bị mọi mặt cho công tác thi công.
- Công tác khoan thuần tuý. Choòng trực tiếp phá huỷ đất đá
ở đáy và tuần hoàn dung dịch. Đây là thao tác cơ bản tạo ra giếng khoan
nhưng nó cần ít người tham gia nhất. Chỉ có kíp trưởng khoan trực tiếp điều
Nguyễn Sỹ Cường 2 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
khiển thông qua tời, bàn quay rôto và dẫn động bộ dụng cụ phá huỷ nhờ cột
cần khoan và cần chủ đạo hoặc thông các loại khoan khác.
- Tiếp cần khoan: Khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo ta
cần nối dài thêm bộ khoan cụ bằng cách gắn thêm đoạn cần khác( có chiều dài
bé hơn chiều dài làm việc của cần chủ đạo) và được lắp vào cột cần khoan
phía dưới. Cứ như thế cần được lặp đi lặp lại sau mỗi lần khoan hết chiều dài
làm việc của cần vuông.

- Công tác kéo thả: Khi choòng khoan đã mòn, cần thay choòng mới
hay khi đã đạt đến chiều sâu dự kiến, bộ dụng cụ khoan phải kéo lên để thay
choòng mới hay hạ ống chống.
- Công tác chống ống: Hạ xuống giếng cột ống chống đã được tính toán
trước và tiến hành trám xi măng theo thiết kế được duyệt.
- Công tác lắp đặt đầu ống chống (đầu giếng): khi thả ống chống và
trám xi măng xong, bước tiếp theo là lắp đặt các thiết bị giá treo đầu ống
chống và làm phủ kín ở đầu mút phía trên của nó giữa các cột ống chống( trừ
ống bảo vệ không được liên kết). Các thao tác này được thực hiện bằng tay
đối với các đầu giếng trên mặt đất. các thiết bị này cũng cho phép lắp đặt các
đối áp và các đường ống cao áp, trong đó có đường dập giếng và đường xả.
Sau khi lắp đặt cần kiểm tra độ an toàn của giá treo ống, đối áp, và áp suất
làm việc của đầu ống chống.
- Công tác hoàn thiện giếng khoan: Đây là công đoạn cuối cùng( sau
khi thả ống cột ống chống khai thác) gồm có công việc thả vào giếng các thiết
bị cần thiết theo thiết kế như pake, ống khai thác, van an toàn… thông giếng
với tầng sản phẩm bằng bắn vỉa, thông tầng bằng các phương pháp xử lý axit,
mở vỉa bằng phương pháp thủy lực… sau đó bàn giao giếng khoan cho các
công ty khai thác quản lý.
- bước tiếp theo là thu dọn khoan trường và chuyển đến địa điểm mới.
Nguyễn Sỹ Cường 3 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG
QUAY CHO CHOÒNG KHOAN
Dầu khí là một dạng năng lượng hóa thạch tồn tại chủ yếu trong lòng
đất đá nằm ở trên đất liền hoặc ở dưới biển dưới dạng các mỏ còn gọi là mỏ
dầu. Để khai thác được chúng con người cần tạo một lỗ khoan vào sâu trong
lòng đất. Để làm được điều đó cần có động cơ dẫn động choòng khoan. Sau
đây là các phương pháp dẫn động cho choòng.
2.1. Khoan bằng động cơ đáy

Trong công tác khoan dầu khí việc sử dụng động cơ dẫn động cho
choòng khoan là một vấn đề cần thiết và được tính toán hết sức cẩn trọng. Bởi
nó không chỉ ảnh hưởng tới cả quá trình khoan sau này, mà còn ảnh hưởng tới
kinh tế khi thi công 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 choòng khoan.
Có 3 loại động cơ chính dẫn động cho choòng:
− Động cơ khoan điện;
− Tua bin khoan;
− Động cơ trục vít.
2.2.1. Khoan tuabin
Từ đầu thế kỷ XX ở Liên Xô (nay là Liên Bang Nga ) đã dùng động cơ
chìm để quay choòng. 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 công suất từ 10 – 20 lần, do đó giảm được tốc độ
quay và không cần đến dùng hộp số.
Nguyễn Sỹ Cường 4 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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.
Hình 2.1: tuabin khoan
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 choòng 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 vòng thép
trong đó có gắn các cánh uốn cong. Rôto cũng gồm một vòng thép bên trong
cũng được gắn các bản thép cánh uốn cong nhưng ngược chiều với các cánh
Nguyễn Sỹ Cường 5 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
cong của Stato. Giữa Rôto và Stato có khoảng cách hở để Rôto quay tự do,
trong các cánh quạt của tuabin năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa được
chuyển hoá thành cơ năng để quay trục tuabin được nối với choòng khoan.
Dung dịch qua các rãnh uốn cong của đĩa Stato, dòng 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 Rôto dòng 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 U
1
(thành phần nằm
ngang) làm quay đĩa Rôto và W
1
(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 C
2
, với vận tốc này dòng dung dịch đi vào rãnh của đĩa Stato. Ở tầng tiếp
theo với vận tốc tuyệt đối C
2
và ở đây lại lặp lại như ở tầng 1.
Cấu trúc của tuabin:
− 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 Rôto để treo trục. Bên trong tuabin
phải có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan không xâm

nhập vào ổ trục chính, do vậy người ta có thể đặt ổ tựa chính ở phía dưới để
nâng toàn bộ khối Rôto. 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.
*Tuabin kép:
Khi khoan các tầng đất đá dẻo để thực hiện quá 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 không phải thay đổi đường kính tuabin, dẫn đến tăng ổ tựa
Nguyễn Sỹ Cường 6 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 côn, 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 choòng khoan trong quá
trình phá huỷ đất đá.
*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,
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 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 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 choòng chóp
xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay chậm)
Nguyễn Sỹ Cường 7 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Cần có máy bơm công 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 choòng rất khó khăn, phức tạp.
Quá trình bảo dưỡng, sữa chữa tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay
di động hoặc bàn Rôto.
2.1.2. Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor)
Hình 2.2. mặt cắt ngang của động cơ trục vít.
Hình 2.3. Hình dạng ngoài của động cơ trục vít
* Động cơ trục vít có ba kiểu chính:
− Động cơ trục vít tốc độ thấp
− tốc độ trung bình
− Động cơ trục vít tốc độ cao
Có mômen 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:
Nguyễn Sỹ Cường 8 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
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:
Mômen 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 không 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 không có tính chất bôi 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 không 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 choòng có đường
kính bé và trong công tác sửa chữa giếng.
2.1.3. Động cơ khoan điện.
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.
Nguyễn Sỹ Cường 9 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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.
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 ở bên ngoài từ 2-
3 at, để không 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 quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động
cơ bị đốt nóng thì áp suất sẽ giảm cần phải bù thêm.
Đặc tính không tải của động cơ là dòng tăng rất nhanh khi số vòng
quay tăng ít. Vì vậy khi khởi động và chất tải cần phải tăng điện áp trong quá
trình làm việc thì trị số mômen cực đại thường gấp 2 lần mômen định mức.
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 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.
Nguyễn Sỹ Cường 10 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 công 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.
2.2. Khoan bằng động cơ trên bề mặt
Có 2 loại chính cơ bản:
- Bàn rôto (bàn xoay);
- Đầu quay di động (topdriver).
2.2.1. Bàn Rôto
Chức năng và nguyên lý cấu tạo
Chức năng của bàn quay rôto:
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 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.
Nguyễn Sỹ Cường 11 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 2.4. 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 bôi 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 rôto.
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 cần chủ đạo (hay
còn gọi là các chấu chèn).
Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto
trong công tác khoan dầu khí thì điều kiện lỗ bàn rôto từ (400 – 700) mm.
Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cần khoan
hoặc cứu chữa sự cố.
Nguyễn Sỹ Cường 12 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 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
khoan và phản lực đáy gây nên.
a) Ưu, nhược điểm:
* 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.
* 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.
2.2.2 Đầu quay di động (TopDrive)
Như tên gọi, thiết bị này ngoài việc thực hiện các chức năng như đầu
xoay thủy lực thông thường mà nó có thể truyền động lên trục quay. Động cơ
này có thể giống với động cơ của bàn rô to độc lập, có nghĩa là động cơ điện
một chiểu 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. Thiết bị này thường được
sử dụng trong các hoạt động khai thác của giếng khoan tốn kém (như ở biển
bắc ) vì nó có các ưu điểm sau :
- Không phải dùng cần chủ đạo
- Thao tác lắp với bộ khoan cụ làm việc ở mọi độ cao
- Có thể tiếp cần dựng
Nguyễn Sỹ Cường 13 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
- Làm quay bộ khoan cụ khi nâng và tuần hoàn dung dịch (doa ngược)
- Lấy lõi khoan dài
- Không cần tháo rời bộ khoan cụ giữa hai giếng khoan khai thác khi
việc dịch chuyển thiết bị khoan có thể thực hiện với tháp khoan đứng và cần
dựng trong tháp.
- Có khả năng tác động ngẩu lực tĩnh trong thời gian không xác định
(chỉ trong trường hợp đầu quay lắp động cơ thủy lực)
Hình 2.5. động cơ topdriver
Tuy vậy, việc lắp đặt đầu quay có một số nhược điểm sau :
- Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất mômen
cản
- Phải gia cố kết cấu do lực xoắn phụ
Nguyễn Sỹ Cường 14 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp

- Phải tăng chiều cao tháp vì đầu quay dài hơn đầu xoay thủy lực thông
thường
- Phải có các ống mềm và cáp điện trong tháp khoan
- Tăng khối lượng đáng kể ở trên cao
- Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều
so với hệ thống bàn rô to và cần chủ đạo.
Nguyễn Sỹ Cường 15 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
PHẦN II: SỬ DỤNG, BẢO DƯỠNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG PS2-
500/500 TẠI GIÀN KHOAN TAM ĐẢO 01
CHƯƠNG III: CẤU TẠO CHỨC NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU
QUAY DI ĐỘNG
3.1 Lịch sử phát triển và nguyên lý cấu tạo
Từ việc khoan chủ yếu bằng phương pháp khoan đập trong những năm
cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 thì trong những thập niên sau này phương pháp
khoan roto đã chứng minh được khả năng ưu việt của nó. Để khoan được
chiều sâu lớn. Thời gian khoan nhanh, đem đến hiệu quả cao về kinh tế.
Trong những năm 80 của thế kỉ 20 thì trên thế giới xuất hiện một thiết bị
khoan mà chúng kết hợp với đầu xoay thuỷ lực cộng với sự quay của cột cần
nhờ động cơ gắn trực tiếp. Thiết bị này người ta gọi là đầu quay di động hay
con gọi là topdriver.
Tập đoàn dầu khí VIETSOVPETRO đã đem vào sữ dụng đầu quay di
động ps2-500/500 của hãng national oilwell (Mĩ) vào năm 1996 đã thể hiện
được tính năng ưu việt của nó trên giàn tụ nâng Tam Đảo và Cửu Long. Đây
cũng là dấu hiệu cho sự phát triển của nghành dầu khí nước ta sau này.
Trong công 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.
Nguyễn Sỹ Cường 16 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 toàn và tăng độ bền của
vòng bi quay.
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 không tự tháo ra được
trong khi tiếp cần và tháo bớt cần khoan.
- 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.
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.
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.
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.
Nguyễn Sỹ Cường 17 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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.
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
* Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới
- 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)
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
- Hãng Rarco-BJ
Nguyễn Sỹ Cường 18 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 công
suất 1100 - 1300HP.
- 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
+ Mômen 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
- National Oilwell
Đây là hãng sản xuất của Mỹ, các sản phẩm chính của hãng: PS2-
500/500, PS-500/500, PS-350/500.
thông số cơ bản:
- tốc độ quay không tải lớn nhất : 1200 vòng/phút.
- mômen lớn nhất 66200 ft-lb tuong đương với
99300 N.m.
- Áp suất làm việc lớn nhất của cụm ống rữa 500

psi.
- Tải trọng móc nâng lớn nhất 500 tấn
Nguyễn Sỹ Cường 19 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
3.2. Cấu tạo và chức năng hoạt động của đầu quay di động PS2-500/500
Topdriver là thiết bị khoan hiện đại, đạt năng suất khi khoan. Do đó nó
có cấu tạo tương đối phức tạp. Do vậy, để biết rõ nó ta phải tìm hiểu kĩ.
Hình 3.1. Hình dáng bên ngoài của topdriver PS2-500/500
1 – Hệ thống vành đĩa chịu lực;
2 – vành quay;
3 – Hệ thống xi lanh khí nén điều khiển elevator;
4 – elevator;
5 – Đường ống dung dịch;
6 – Hệ thống kẹp cần khoan;
7 – Hệ thống van cầu và bộ vòng kẹp.
Nguyễn Sỹ Cường 20 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
3.2.1 Blốck cân bằng
Hình 3.2. blôck cân bằng
a) Cấu tạo:
Block cân bằng có cấu tạo bao gồm 8 xilanh khí nén được bố trí đối
xứng hai bên của dầm treo. Cơ cấu điều khiển block cân bằng bao gồm một
van điều chỉnh áp suất. Hệ thống cung cấp khí nén. Tại bảng điều khiển có
một áp kế đo áp suất của tính hiệu điều kiển từ van điều chỉnh áp suất và 3 bộ
tiết lưu.
b) Chức năng, hoạt động:
Chức năng chính của hệ thống cân bằng là treo toàn bộ khối lượng của
đẩu quay di động hoặc thêm khối lượng của một cần dựng hoặc khối lượng
của một ống chống nhằm hổ trợ quá trình tháo và vặn cần khoan hoặc ống
Nguyễn Sỹ Cường 21 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
chống. Hệ thống khí nén trong 8 xilanh khí giúp cho quá trình điều chỉnh sự
thẳng đứng của cần dựng hoặc ống chống tốt hơn. Khi khối lượng kéo quá lớn
toàn bộ khối lượng của topdriver sẽ được truyền cho dầm di động thông qua
chốt liên kết. Sức tải của chốt này có thể lên đến 500 tấn. Chiều dài di chuyển
của chốt liên kết là 11 inch do đó độ dịch chuyển của pittong trong xi lanh khí
củng là 11 inch.
3.2.2. Hộp số hai tốc độ
Hộp số được gắn phía trên của vành chịu lực và nằm phía dưới khung
động cơ.
- Thân hộp số
Vỏ hộp số được kết cấu bằng hàn. Nó được lắp với vành chịu lực thông
qua nhiều mối nối bằng bulong. Nắp phía trên hộp số là bệ đỡ để lắp khung
giá động cơ và cổ ngổng (tuy ô khoan). Nắp hộp số cũng được liên kết với
thân hộp số thông qua bulông. Phía sau và phía bên cạnh hộp số có nhiều nắp
có thể tháo lắp nhằm cho phép kiểm tra toàn bộ hộp số, bánh răng, bầu lọc và
cho phép bơm dầu. Hai tấm kính phía sau hộp số và que đo nhớt cho phép dễ
dàng đo được mức dầu.
- Hệ thống bánh răng và ổ bi
Hộp số có kết cấu là một cặp bánh răng nghiêng giảm tốc. Hộp số có
hai cấp tốc độ đó là :
4,05 : 1 cho tốc độ cao mômen nhỏ và 8,23 : 1 cho tốc độ thấp mômen
lớn.
Hệ thống ổ bi của đầu xoay di động là các ổ bi có độ côn nên có khả
năng chịu lực dọc trục.
Nguyễn Sỹ Cường 22 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.3 Hộp số Topdrive
− Hệ thống bôi trơn hộp số.
Nguyễn Sỹ Cường 23 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.4. Hệ thống bơm dầu bôi trơn
Do hộp số đặt thẳng đứng vì vậy cân phải có hệ thông bơm dầu bôi trơn
cho các bánh răng nằm phía trên. Có hai bầu lọc đảm bảo dầu bôi trơn được
lọc sạch. Bầu lọc này nằm ở phía ngoài hộp số cho phép có thể thay thế nếu
cần thiết. Một cái cảm biến áp suất được lắp phía trong bầu lọc có thể cho thợ
khoan biết được sự mất áp suất dầu trong bơm. Trong trường hợp thợ khoan
thử tháo bầu lọc ra trong quá trình vận hành đường hút dầu của bơm sẻ tự
động bị van ngắt. Khả năng chứa của hộp số là 41 gallon.
- Cơ cấu chuyển đổi số:
Cơ cấu chuyển đổi số bao gồm một vòng thẳng đứng ăn khớp với trục
trung gian tại hai cấp tốc độ thấp và cao của hộp số. Vòng này được liên kết
với một xilanh thủy lực vận hành bằng khí nén. Thợ khoan điều khiển tốc độ
quay của topdriver thông qua hệ thống khí nén của xilanh này.
Nguyễn Sỹ Cường 24 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 3.5. Cơ cấu chuyển đổi số
3.2.3. Cụm ống rửa
Cụm ống rửa được liên kết với thân trục của đầu quay di động thông
qua tuyu ô cao áp nằm ở phía trên và hộp số ở phía dưói. chức năng của nó là
liên kết phần không quay là ống dung dịch với trục của hộp số nhằm tuần
hoàn dung dịch khoan. cấu tạo như hình .
Phía ngoài được bao kín bằng vỏ ống tuyu ô cao áp. Cụm ống rửa chỉ
hoạt động tôt khi đặt nó nằm thẳng đứng.
Nguyễn Sỹ Cường 25 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu