BÀI GIẢNG KHOAN dầu KHÍ

Lời nói đầu
Bài giảng khoan dầu khí được viết cho sinh viên chuyên nghành
kỹ thuật khoan dầu khí . Nội dung bài giảng đề cập một cách hệ thống các
kiến thức cơ bản nhất từ việc phân tích các điều kiện địa chất, xây dựng và
tính toán cấu trúc một giếng khoan dầu khí đến phần lựa chọn dụng cụ, thiết
bị để thi công. Bài giảng cũng đề cập khá đầy đủ các phần tính toán lựa chọn
cấu trúc bộ khoan cụ, kiểm toán bền cột cần, tính toán cấu trúc cho các cột
ống chống, thiết kế chế độ khoan, công tác trám xi măng v.v...
Trong bài giảng đã đưa vào một số bài tập có tính ứng dụng để minh
hoạ cho phần lý thuyết hy vọng các sinh viên tập làm quen với công tác tính
toán. Môn học kỹ thuật khoan dầu khí chứa đựng nhiều vấn đề phức tạp liên
quan đến các kiến thức địa chất, cơ lý thuyết, sức bền vật liệu, cơ khí, cơ sở
khoan, phá huỷ, dung dịch và vữa trám. Chính vì vậy môn học này cần thiết
đuợc bắt đầu sau khi sinh viên đã học hết các môn liên quan nói trên.
Trong quá trình học môn học, sinh viên có phần thực hiện viết một đồ
án môn học về thiết kế kỹ thuật một giếng khoan thăm dò và khai thác dầu
khí.
Ngoài mục tiêu trên, bài giảng Khoan dầu khí còn được dùng làm tài
liệu tham khảo cho sinh viên các ngành thuộc lĩnh vực dầu khí.
Do thời gian hạn chế nên nội dung có thể chưa cập nhật và hình thức
trình bày còn có những điểm chưa hợp lý mong nhận được sự đóng góp của
các đồng nghiệp và các nhà chuyên môn. Xin chân thành cảm ơn!
Tác giả biên soạn

-1-


mở đầu
Trong ngành công nghiệp dầu khí công tác khoan giếng là một trong
những khâu rất quan trọng không thể thiếu, thông qua giếng khoan để tiến
hành việc tìm kiếm thăm dò và khai thác sản phẩm và làm nhiều công tác

nghiên cứu tiếp theo.
Giếng khoan được xem là một công trình hình trụ được thi công trong
vỏ trái đất có chiều sâu lớn gấp nhiều lần đường kính của nó.
Để tạo thành giếng khoan hiện nay hầu như chỉ còn được thực hiện
bằng phương pháp khoan xoay có rửa. Để phá huỷ đất đá tạo thành lỗ khoan
người ta sử dụng choòng khoan. Căn cứ vào đặc điểm phá huỷ của choòng trên
đáy mà thân giếng khoan được tạo thành bằng 2 kiểu sau:
- Khoan phá toàn đáy: Toàn bộ bề mặt đáy được phá huỷ thành mùn
khoan và được đưa lên mặt bởi dòng tuần hoàn (chủ yếu là chất lỏng) được
bơm xuống đáy từ trên mặt.
- Khoan lấy mẫu: Chỉ một phần đất đá ở thành lỗ khoan bị phá huỷ
thành mùn theo hình vành khăn, còn lõi đá ở giữa được lấy lên nguyên dạng
(bằng ống mẫu) gọi là mẫu lõi để nghiên cứu cấu trúc địa chất, tính chất cơ lý
và thành phần thạch học v.v...
Căn cứ vào công dụng của giếng khoan trong công nghiệp dầu khí
người ta chia giếng khoan thành 5 loại chính như sau:
1, Giếng khoang tìm kiến cấu tạo: Để nghiên cứu kiến tạo, địa tầng,
thạch học cũng như độ chứa sản phẩm của một tầng nào đó.
2, Gếng khoan chuẩn: Để nghiên cứu điều kiện địa chất và phương
hướng tìm kiếm dầu khí ở những vùng chưa được nghiên cứu kỹ.
3, Giếng khoan thăm dò: Để nghiên cứu tầng sản phẩm cũng như giá trị
công nghiệp của chúng. Để khoanh giới hạn tầng dầu, khí, nước ở các vỉa khai
thác.
4, Giếng khoan khai thác: Dùng để lấy sản phẩm dầu khí lên.
5. Giếng bơm ép: Được dùng để bơm nước, khí hoặc không khí nhằm
duy trì áp lực vỉa với mục đích kéo dài thời gian khai thác tự phun.
-2-


+ Các phương pháp khoan trong khoan dầu khí:

Trước đây (khoảng củaối thế kỷ XIX) tồn tại hai phương pháp khoan đó
là khoan đập (chủ yếu là đập cáp) và khoan xoay. Chiều sâu kỷ lục của
phương pháp khoan đập đạt được năm 1918 tại bang Techzat Mỹ là 2250m.
Phương pháp khoan đập bên cạnh những ưu điểm cũng bộc lộ nhiều hạn chế
không thể khắc phục được, trong đó chủ yếu bị hạn chế bởi chiều sâu giếng
khoan do cấu trúc quá phức tạp cho nên đã phải nhường chỗ cho phương pháp
khoan xoay có rửa. Ngày nay do những ưu việt vốn có, phương pháp khoan
đập vẫn được sử dụng để thi công các giếng khoan khai thác nước, thăm dò sa
khoáng hoặc các giếng khoan phục vụ công tác nổ mìn. Ngay cả ở Việt Nam
đã, đang và sẽ còn được sử dụng.
Như đã nói ở trên trong công tác khoan các giếng khoan thăm dò và
khai thác dầu khí duy nhất chỉ tồn tại phương pháp khoan xoay.
Trong phương pháp khoan xoay, căn cứ vào vị trí đặt động cơ lại chia ra
2 loại chính là:
- Phương pháp khoan Roto (hoặc đầu quay di động): Có động cơ đặt
trên mặt đất và truyền chuyển động quay cho choòng khoan thông qua cột cần
khoan.
- Phương pháp khoan bằng động cơ chìm (chủ yếu là động cơ tuabin
hoặc động cơ trục vit): Động cơ đặt ngầm trong lỗ khoan bên trên choòng
khoan.
+ Các quá trình chính của công tác khoan bao gồm:
- 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 lại
cần ít người tham gia nhất. Chỉ có kíp trưởng khoan trực tiếp điều khiển thông
qua tời, bàn quay Roto và dẫn động bộ dụng cụ phá huỷ nhờ cột cần khoan và
cần chủ đạo.
- Tiếp cần khoan: Khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo ta
cần phải nối dài thêm bộ khoan cụ bằng cách gắn thêm đoạn cần khác (có
-3-

chiều dài chiều dài làm việc của cần chủ đạo) dưới cần chủ đạo và được lắp
vào cột cần khoan phía dưới. Cứ như thế việc tiếp 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 tới chiều sâu dự kiến, bộ dụng cụ khoan cần được kéo lên để thay
choòng mới hay hạ cột 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 cột ống chống
và trám xi măng xong, bước tiếp theo là lắp đặt các thiết bị giá treo đầu ống
chống và làm kín ở phần 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 ở 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 đã thả 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 v.v... thông
giếng với tầng sản phẩm bằng bắn vỉa, thông tầng bằng các phương pháp xử
lý axit, vỡ vỉa bằng phương pháp thuỷ lực v.v... Sau đó là 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.

-4-


S¬ ®å 1 lo¹i thiÕt bÞ khoan dÇu khÝ (thiÕt bÞ khoan xoay).

-5-


Chương I: Choòng khoan
Choòng khoan là loại dụng cụ phá huỷ đất đá tạo thành lỗ khoan.
1.1.Phương pháp phân loại choòng khoan:

Do đặc điểm cơ lý của đất đá và sự đa dạng của phương pháp khoan
cũng như yêu cầu về kỹ thuật địa chất, kỹ thuật thi công nên choòng khoan
được chế tạo theo nhiều kiểu khác nhau về cấu trúc và nguyên lý phá huỷ.
Chính vì vậy công tác phân loại choòng cũng được thực hiện theo các quan
điểm khác nhau:
+ Căn cứ vào cấu tạo, choòng được chia ra:
- Choòng cánh dẹt
- Choòng chóp xoay
- Choòng kim cương
+ Căn cứ vào công dụng, choòng được chia ra:
- Choòng phá mẫu
- Choòng lấy mẫu
- Choòng có công dụng đặc biệt (choòng mở lỗ, choòng bậc,
choòng doa rộng, choòng để khoan định hướng,...)
+ Căn cứ vào cấu tạo lỗ thoát nước, choòng được chia ra:
- Choòng có nước chảy đều
- Choòng có vòi phun thuỷ lực
+ Căn cứ vào tính chất cơ lý của đất đá, choòng được chia ra:
- Choòng mềm
- Choòng trung bình
- Choòng cứng và các loại choòng liền kề (choòng mài mòn và ít
mài mòn).

Về mặt cấu trúc, một choòng khoan gồm có 3 bộ phận chính là phần lắp
nối, phần hoạt động và phần dẫn dung dịch. Riêng choòng chóp xoay có thêm
một bộ phận đặc thù đó là hệ thống ổ tựa của chóp xoay.

-6-


- Phần lắp nối là phần nối giữa choòng khoan và phần dưới của cột cần,
truyền năng lượng trực tiếp cho phần hoạt động. Phần lắp nối được tiện ren
(trong hoặc ngoài).
- Phần hoạt động: Là phần trực tiếp tác dụng lên bề mặt đáy. Đất đá bị
phá huỷ bởi các răng dạng nêm lưỡi cắt, răng hợp kim cứng định hình hoặc hạt
kim cương và chúng được bố trí theo các mặt tiếp xúc với đáy và thành lỗ
khoan nhằm tạo thành lỗ khoan có hình dạng và đường kính nhất định.
- Hệ thống dẫn dung dịch: Được bố trí ở các khoảng trống giữa các
chân choòng với các vòi dẫn dung dịch xuống đáy nhằm làm sạch đáy và làm
mát choòng.
Căn cứ vào vận tốc dòng dung dịch qua khỏi vòi phun (vj ) ta chia ra 2
loại:
Choòng có hệ thống rửa thường nếu vj < 70m/s
Choòng có vòi phun thuỷ lực nếu vj 70 130m/s
1.2. Các loại choòng khoan trong khoan dầu khí.

1.2.1. Choòng cánh dẹt:

a.

b.

a. Choòng 2 cánh; b. Choòng 3 cánh

Hình 1 Choòng cánh dẹt

+ Phạm vi sử dụng : Choòng cánh làm việc theo nguyên lý cắt - vỡ,
thường được dùng trong đất đá mềm hoặc dẻo. Không được sử dụng trong
khoan tuabin vì mô men phá huỷ lớn.
+ Các loại choòng cánh và cấu tạo.
Căn cứ vào số cánh mà choòng được phân ra các loại choòng 2 cánh, 3
cánh và 4 cánh.

-7-


Phía trên cùng tiện ren để nối với cần khoan. Mặt trước và mặt bên đều
được gắn hợp kim để tăng độ cứng của choòng. Lỗ thoát nước hướng chất lỏng
từ cột cần khoan chảy trực tiếp lên đáy được bố trí ở khoảng cách 2/3 bán kính
tính từ tâm choòng khoan. Sự bố trí vòi phun đảm bảo lệch dòng chất lỏng về
phía trước lưỡi cắt chút ít nhằm đảm bảo làm sạch đáy và làm mát tốt nhất.
Tốc độ khoan sẽ tốt lên nếu tạo cho vòi phun đạt tốc độ 70 130m/s.
+ Vật liệu chế tạo choòng.
Choòng cánh được chế tạo từ thép có kết cấu hàm lượng các bon trung
bình. Thân và cánh được sản xuất theo kiểu rèn hoặc dập: Thân bằng thép các
bon không hợp kim. Hàm lượng Cacbon từ 035 0,4%. Cánh choòng bằng
thép hợp kim với Crom, Silic, Măngan. Thông thường khi chế tạo, cánh được
hàn vào thân choòng, cũng có khi được rèn liền khối với thân. Cánh choòng
được trám hợp kim Rêlit để tăng khả năng chống mòn.
1.2.2. Choòng kim cương:

Hình 2

+ Phạm vi sử dụng: Làm việc theo nguyên lý cắt - vỡ, dùng trong đất đá
có độ cứng từ trung bình đến rất cứng, trong các loại đất đá như sa thạch,
đôlômít, đá vôi và các loại đá mà hiệu suất khoan của choòng chóp xoay đạt
thấp. Dùng được cho tất cả các phương pháp khoan. Tuy nhiên khoan bằng
động cơ đáy phù hợp nhất vì đạt được vận tốc quay cao.

-8-


+ Cấu trúc và sự phân loại choòng kim cương.
Thông thường cấu trúc của 1 choòng kim cương gồm có các phần chính
như: đầu nối ren để nối với cần khoan, lõi thép và khuôn đấu.
Trên bề mặt khuôn đấu có gắn các hạt kim cương (xem hình vẽ). Trong
đó khuôn đấu là bộ phận quan trọng nhất nó phải có hệ số dãn nở nhiệt và độ
mài mòn gần giống với kim cương để tránh hiện tượng bong tróc các hạt kim
cương khỏi khuôn đấu. Và cuối cùng là bộ phận dẫn dung dịch được bố trí
thích hợp giữa các bề mặt đáy được gắn kim cương theo những hình dạng
khác nhau.
Căn cứ vào cách gắn các hạt kim cương và kích thước các hạt kim
cương mà người ta phân ra 3 loại chính:
- Choòng kim cương 1 lớp (khoan trong đá đồng nhất).
- Choòng kim cương nhiều lớp (khoan trong đá nứt nẻ).
- Choòng kim cương thấm nhiễm (khoan trong đá nứt nẻ).
Ngoài ra người ta còn có cách phân loại như: Choòng kim cương được
gắn lưỡi cắt là kim cương tự nhiên, loại choòng có lưỡi cắt PDC hay kim
cương đa tinh thể và cuối cùng là lưỡi cắt TSP hay kim cương đa tinh thể bền
nhiệt (Độ chịu nhiệt của PDC 8000C, loại TSP có độ ổn định nhiệt tốt hơn).
+ Tính chất của kim cương:
Là khoáng vật cứng nhất trong tự nhiên (cấp Xii), nhiệt độ nóng chảy là
36500C. Kim cương bị grafit hoá ở 14500C. Đơn vị đo khối lượng của kim

cương là Cara (1 cara = 0,2053 g). Kích thước các hạt kim cương được gắn
vào choòng thay đổi từ 2-12 hạt/cara.
Đặc điểm của kim cương là rất cứng nhưng dòn, không chịu được va
đập và nhiệt độ đáy cao. Kim cương được dùng để chế tạo choòng kim cương
thường là kim cương nhân tạo vì giá thành rẻ hơn kim cương tự nhiên.
+ Sử dụng choòng kim cương:
Việc có quyết định chọn và sử dụng choòng kim cương hay không phải
căn cứ vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố giá thành là rất quan trọng. Những

-9-


trường hợp sau đây sẽ là căn cứ để có thể sử dụng choòng kim cương thay cho
choòng chóp xoay:
- Khi tuổi thọ chóp xoay quá ngắn do mòn các ổ lăn, răng hoặc gãy
răng.
- Khi tốc độ khoan quá nhỏ (1,5m/h), do tỷ trọng của dung dịch khoan
lớn hoặc do thiếu công suất thuỷ lực của thiết bị khoan.
- Khi gk 6 mà tuổi thọ của choòng chóp xoay bị hạn chế.
- Khi độ nghiêng tăng lên trong khoan định hướng hoặc tải trọng lên
choòng bị hạn chế.
- Trong khoan tuabin có số vòng quay lớn và đất đá phù hợp sẽ hiệu quả
hơn so với khoan Roto.
Tuy nhiên trong đá rắn chắc và nứt nẻ, các loại đá chứa đá lửa hoặc pirit
sẽ không phù hợp với choòng kim cương.
Nếu sử dụng hợp lý 1 choòng kim cương có thể thay thế được tới 15
choòng chóp xoay.
Trước khi bắt đầu khoan bằng choòng kim cương cần phải doa thân lỗ
khoan, lấy hết các mảnh vụn đất đá và kim loại lên khỏi đáy. Vì thế trước khi
khoan kim cương trong 2 hay 3 hiệp khoan bằng choòng chóp xoay cuối cùng,

cần phải thả ống mùn để lấy hết các vụn kim loại và đá. ống mùn được lắp
trên choòng trong khoan Roto và trên tuabin trong khoan tuabin. Trong trường
hợp cần doa lỗ khoan và bơm rửa thêm cần phải khoan hiệp khoan đặc biệt có
sử dụng ống mùn.
1.2.3. Choòng chóp xoay:
1.2.3.1.Phạm vi sử dụng và ưu nhược điểm của choòng chóp xoay:
Trong công tác khoan dầu khí choòng chóp xoay được sử dụng rộng rãi
nhất chiếm tỷ lệ trên 90%. Dùng được trong mọi loại đất đá có độ cứng và tính
chất khác nhau.
Choòng chóp xoay có những ưu điểm nổi bật là:
- Diện tích tiếp xúc với đáy nhỏ nhưng độ dài của mép làm việc lại lớn
vì vậy hiệu suất phá đá cao.
-10-


- Các chóp xoay lăn trên đáy nên ít bị mài mòn hơn choòng cánh.
- Mômen quay choòng nhỏ.
Tuy nhiên nhược điểm là thời gian làm việc của ổ tựa chóp xoay thường
ngắn, các răng choòng kém cứng vững, nhất là những choòng có đường kính
nhỏ.
Hiện người ta chế tạo các loại choòng 1, 2, 3, 4 chóp, riêng loại 3 chóp
xoay là phổ biến nhất.
1.2.3.2.Cấu tạo của choòng 3 chóp xoay:

5
3

2
4

1- Ren nối
2- Thân choòng
3- Chân choòng
4- Lỗ thoát nước
5- Chóp xoay
Hình 3

-11-


Choòng 3
chóp xoay gồm 4 phần chính đó là thân choòng, phần
làm việc, hệ thống ổ tựa và hệ thống rửa.
- Thân choòng: Tuỳ theo cấu tạo mà thân choòng được chia ra 2 nhóm:
Nhóm thân liền và nhóm thân rời.
* Nhóm thân liền (Nhóm A): thân được đúc liền khối, các chân choòng
(trên đó được lắp chóp xoay) được hàn vào thân. Phần trên thân có tiện ren
bên trong.
* Nhóm thân rời (Nhóm B): thân choòng được tạo thành bằng cách hàn
các chân lại. Trên chân choòng có lắp các chóp xoay. Phía trên thân choòng
tiện ren ngoài để lắp với cột cần khoan.
Choòng nhóm A có đường kính 345490mm.
Choòng nhóm B có đường kính 76320mm.
- Phần làm việc (bao gồm chóp xoay, các răng của chóp xoay).
Chóp xoay vừa quay quanh trục của choòng đồng thời quay quanh trục
của chóp xoay và bị trượt khi quay nên vừa có tác dụng đập vừa có tác dụng
cắt hữu hiệu đối với đất đá mềm.
Chính vì thế để tăng hiệu quả cắt và tăng tốc độ khoan trong đá mềm
người ta sẽ bố trí các chóp xoay lệch trục so với trục của choòng. Các răng của
choòng được chế tạo theo những hình dạng khác nhau. Cụ thể loại răng thép

(choòng răng phay) để khoan trong đá mềm có tốc độ quay cao. Bề mặt răng
đều được phủ lớp Cacbuavonfram để tăng độ cứng và chống mòn. Các loại
choòng khoan trong đá mềm có răng dài, nằm xa nhau để tạo điều kiện tăng
chiều sâu cắm ngập vào đất đá và phá vỡ các mảng lớn. Các choòng khoan
trong đất đá cứng trung bình và nửa cứng thì các răng bố trí gần nhau hơn.
Răng cũng có các góc hơi lớn hơn để có thể chịu tải trọng lớn đủ để thắng sức
kháng nén của đá. Đối với đất đá cứng thì choòng cần phải có răng vững chắc,
nằm gần nhau, chóp xoay lớn để có thể chịu tải trọng lớn. Ngày nay nhờ tiến
bộ của ngành luyện kim và hình dạng các răng nhọn định hình cho phép người

-12-


ta chế tạo ra được các loại choòng phù hợp với phần lớn các loại đất đá khi
khoan. (Ví dụ dạng cầu, dạng quả trứng, dạng đầu đạn, dạng hình chóp, dạng
lưỡi đục, dạng thìa múc đặt biệt vv.).
- Hệ thống ổ tựa chóp xoay:
ổ tựa chóp xoay có 3 loại đó là ổ bi cầu hoặc bi
đũa hở, ổ bi cầu hoặc bi đũa kín và loại ổ đỡ ma sát
(còn gọi là vòng trượt)
Chức năng của từng loại ổ đỡ là: Bi cầu có tác
dụng chịu tải trong chiều trục và tải trọng hướng tâm
(hướng tải trọng về phía đỉnh chóp). Song chịu tải
trọng chiều trục là chính. Ngoài ra còn có tác dụng

Hình 4
hãm chốt trên trục. Bi cầu là ổ tựa không thể thiếu trong choòng chóp xoay.
Một chóp xoay có từ 1 đến 2 ổ bi cầu. Bi đũa chịu lực hướng tâm là chủ yếu
và có tác dụng truyền tải trọng cho lưỡi cắt. Vòng trượt có thể thay cho bi đũa
và làm tăng thể tích côn, tăng độ vững chắc của ngõng trục.

- Hệ thống cách ly và bôi trơn các ổ tựa chóp xoay:
Các ổ bi cầu và bi đũa hở không được bôi trơn thường có thời gian làm
việc ngắn, tuổi thọ giảm, chúng được làm mát và bôi trơn chủ yếu nhờ nước
rửa (khí nén hoặc dung dịch).
Các ổ bi cầu và bi đũa kín được bôi trơn bởi các loại mỡ nhờ hệ thống
cách ly đặc biệt có tuổi thọ cao ít nhất bằng tuổi thọ của các răng choòng. Hệ
thống bôi trơn gồm có một hốc chứa mỡ, một cơ cấu bù trừ bằng màng cao su
và một đường ống dẫn kín. Cơ cấu bù trừ làm cân bằng áp lực trong ổ lăn giữa
áp lực của dung dịch khoan và áp lực mỡ được tra vào từ khi chế tạo. Vòng
cách ly được chế tạo từ loại vật liệu đặc biệt chịu nhiệt, chịu mài mòn dưới áp
suất cao.
- Hệ thống vòi rửa thuỷ lực:

-13-


Được bố trí trong thân choòng với các
đường dẫn dung dịch tới đáy nhằm đáp ứng
yêu cầu làm sạch đáy và làm mát choòng
khoan.
Có 2 loại cấu trúc hệ thống dẫn dung dịch:
Loại choòng 3 chóp xoay thông thường chỉ có
một lỗ thông chất lỏng vào trục dụng cụ. Chất
lỏng rửa bên trong các chóp xoay có hiệu quả

Hình 5
kém hơn các tia. Hệ thống rửa thường có lỗ rửa được thiết kế ở giữa tâm
choòng với hình dạng và tiết diện khác nhau: Lỗ tròn, tam giác hoặc kiểu 3 lỗ
liền kề.
Dòng chất lỏng qua lỗ rửa đập trực tiếp xuống các chóp xoay sau đó

mới tới đáy để cuốn theo các mảnh vụn đất đá. Vận tốc trung bình khi ra khỏi
vòi phun V j 70m/s.
- Hệ thống rửa kiểu vòi phun thuỷ lực là hệ thống rửa có hiệu quả tốt
nhất. Hệ thống này gồm 3 vòi phun được bố trí giữa các chóp xoay (hình vẽ).
Có thể điều chỉnh tia với hiệu quả cực đại bằng cách thay đổi đường kính vòi
phun. Dòng chảy rối có hiệu quả với vận tốc đạt khoảng từ 80 150 m/s. Các
tia không những có tác dụng rửa sạch các chóp xoay mà còn có tác dụng làm
nguội và tống thoát mùn khoan một cách nhanh chóng ra khỏi không gian
vành xuyến. Có thể nối dài các vòi phun làm tăng hiệu quả làm sạch đáy
giếng. Các vòi phun được chế tạo từ hợp kim chống mòn, có thể được thay
mới theo cách tháo lắp răng Ren với bề mặt đáy của choòng khoan.
1.2.3.3.Qui luật phá huỷ của choòng chóp xoay:
Choòng chóp xoay phá đá nhờ 2 chuyển động:
- Chuyển động tịnh tiến từ trên xuống do tác dụng của áp lực chiều trục.
- Chuyển động quay do tác dụng của Roto hoặc tuabin.
Trong quá trình làm việc các chóp xoay của choòng quay xung quanh
trục của mình và xung quanh trục của choòng. Khi quay xung quanh trục của
mình, các chóp xoay lúc thì tỳ 1 răng lúc thì tỳ 2 răng lên đáy lỗ khoan. Vì
-14-


vậy trong quá trình quay các chóp xoay sẽ có sự dịch chuyển lên xuống và tác
dụng va đập từng phần lên đáy. Nhờ thế mà chóp xoay tác dụng lên đáy cả tải
trọng tĩnh lẫn tải trọng động. Tuỳ theo hình dạng của chóp xoay và vị trí tương
đối giữa trục của choòng và trục của chóp xoay mà tác dụng của răng choòng
lên đất đá ở đáy là đập thuần tuý hoặc đập cộng với cắt.
Trong quá trình quay xung quanh trục của mình và trục của choòng, các
chóp xoay thực hiện một chuyển động phức tạp.
A
B

OA
MN
M

O1
O

B
N

a
b

a
OB
a

O1

b

Hình 6 : Phân tích sự chuyển động của chóp xoay
Khi quay choòng quanh trục OA theo chiều kim đồng hồ với tốc độ OA
các chóp xoay sẽ lăn và quay quanh trục OB ngược chiều kim đồng hồ với tốc
độ OB. Chuyển động tuyệt đối của chóp xoay (tổng hợp 2 chuyển động trên)
là chuyển động quanh trục tức thời MN với tốc độ MN. Trục MN đi qua giao
điểm O (giữa trục choòng và trục chóp xoay) và O1 (là tiếp điểm giữa răng
choòng với mặt đáy lỗ khoan). Mọi điểm nằm trên trục quay tức thời đều đứng
yên. Mọi điểm nằm ngoài trục quay tức thời MN đều chuyển động trên đường

tròn bán kính bằng khoảng cách từ điểm đó đến MN. Khi chuyển động quay
quanh trục quay tức thời, các chóp xoay cắt đất đá. Cường độ trượt của choòng
được đánh giá bằng hệ số trượt K (là tỷ số giữa diện tích trượt của choòng và

-15-


diện tích đáy sau 1 vòng quay). Dựa vào vị trí tương đối giữa các trục của
chóp xoay người ta có thể phân ra:
* Choòng có tác dụng đập thuần tuý:
Là choòng có đường sinh của chóp xoay trùng với trục tức thời MN hay
đỉnh của côn trùng với tâm lỗ khoan (có hệ số trượt = 0).
A
B
M
N
O

Hình 7

Choòng khoan chạy trục:
Chóp có thể đơn côn hoặc đa côn. Trường hợp đơn côn nhưng có đỉnh
vượt ra ngoài hay hụt vào trong tâm lỗ khoan đều được gọi là choòng chạy
trục. Loại choòng này ngoài tác dụng đập còn có hiện tượng trượt vuông góc
với đường sinh. Khoảng chạy trục f càng lớn thì trượt càng nhiều. Nếu chóp đa
côn, hiện tượng trượt được xem xét cho từng côn riêng rẽ. Côn nào có đỉnh
nằm ở tâm sẽ không có hiện tượng trượt và ngược lại.

O

O

a,Choòng hụt trục

Hình 8

b,Choòng vượt trục

* Choòng lệch trục:
Choòng lệch trục là choòng mà trục của chóp xoay và trục của choòng
không giao nhau, nhằm tăng cường hệ số trượt K (dọc + ngang)

-16-


O

O

b, lệch trục âm

a, lệch trục dương

Hiện tượng lệch trục được xem là lệch dương (a) nếu lệch về phía chiều
quay của choòng. Trường hợp ngược lại (b) là lệch âm. Như vậy nếu choòng
lệch trục lại thêm hiện tượng trượt dọc hướng vào trong (lệch dương) và trượt
dọc hướng ra ngoài (lệch âm).
Tóm lại: Dựa vào đặc tính phá huỷ của choòng ta có thể phân ra 3
nhóm: Choòng có tác dụng đập thuần tuý, choòng đập + cắt và choòng có tác
dụng đập + cắt + dọc.

Khi nghiên cứu sự làm việc của choòng ta cần quan tâm tới các khả
năng trượt ngẫu nhiên và trượt cưỡng bức.
Choòng tự làm sạch: Sự cần thiết tăng hệ số trượt và thể tích côn sẽ
dẫn đến sự xâm nhập lẫn nhau giữa các chóp. Nghĩa là hàng răng của chóp
này đi vào rãnh giữa 2 hàng răng của chóp kia ngăn ngừa sự lấp nhét mùn
khoan ở các choòng này. Hiện tượng đó được gọi là tự làm sạch.
Hệ số phủ (): Là tỷ số giữa tổng chiều dài của các răng của 1 chóp
tiếp xúc với đáy lỗ khoan ở một thời điểm nào đó và bán kính của choòng
khoan.
Với choòng thường dùng có = 1,2 1,5
Đất đá càng mềm, dẻo thì dùng choòng có hệ số phủ càng lớn và ngược lại.
+ Phương pháp phân loại choòng chóp xoay:
Để đáp ứng với sự đa dạng của điều kiện địa chất ở các nước người ta
chế tạo ra rất nhiều những loại choòng có đặc tính làm việc phù hợp.
Theo OCT người ta phân ra 4 loại chính là: mềm, trung bình, cứng và
rắn tương ứng với các ký hiệu chữ cái là: M, C, T và K. Bên cạnh đó còn chế
-17-


tạo ra các loại choòng liền kề để phù hợp với điều kiện đất đá cứng mềm và
mài mòn xen kẹp.
Cụ thể theo GOST - 20692-75 được thể hiện ở bảng dưới đây (bảng 1).
Ngoài các ký hiệu được nêu trong bảng còn các ký hiệu khác như:
B: Các ổ đỡ rãnh lăn,
H: Một ổ đỡ trượt, các ổ đỡ còn lại là ổ đỡ có rãnh lăn,
A: ổ đỡ trượt,
U: Choòng có nước rửa thường,
: Choòng có vòi phun thuỷ lực,
: Choòng khoan thổi khí, v.V....

-18-


Bảng phân loại choòng 3 chóp xoay theo GOST. 20692-75
bảng 1
Phạm vi sử dụng

Loại choòng

Dạng răng

M

Đất đá mềm

Răng phay

MZ

Đất đá mềm, mài mòn

Răng chốt

MC

Đất đá mềm có các lớp kẹp cứng vừa

Răng phay

MCZ

Đất đá mềm mài mòn có các lớp kẹp Răng phay và răng
cứng vừa

chốt

Đá cứng trung bình

Răng phay

CZ

Đá cứng trung bình có mài mòn

Răng chốt

CT

Đá cứng trung bình có các lớp kẹp Răng phay

C

cứng
T

Đá cứng

Răng phay

TZ

Đá cứng mài mòn

Răng phay

TK

Đá cứng có xen kẹp rắn

Răng phay và răng
chốt

TKZ

Đá cứng xen kẹp rắn mài mòn, liền Răng chốt
khối

K

Đá rắn mài mòn

Răng chốt

OK

Đá rất rắn mài mòn

Răng chốt

C1

Đá cứng trung bình và giòn

Răng phay
(1 chóp đường kính)

Ngoài ra theo tiêu chuẩn phương Tây, cụ thể là theo hiệp hội các nhà
thầu khoan (IADC) phân loại choòng 3 Chóp xoay bằng 4 ký hiệu gồm 3 chữ
số và 1 chữ cái. Qua đó ta có thể phân biệt được loại choòng phù hợp với từng
loại đất đá khi khoan. Ví dụ có loại choòng ATJ 22 của hãng Hughes có mã
hiệu 5 - 1 - 7 (G) được hiểu là:
5: Choòng răng nhọn để khoan trong đá mềm và hơi mềm
1: Loại có độ cứng thấp
-19-


7: Mảnh bảo vệ trên đường kính và các ổ lăn trơn (nhẵn),
G: Có bảo vệ tăng cường (chống mòn đường kính ngoài)
Phân loại choòng chóp xoay theo mã hiệu IADC
Bảng 2

Loại

Loại đất đá

ổ lăn
tiêu
Hạng
chuẩn
1

Dụng
cụ
răng
phay

Dụng
cụ
răng
chốt

1

Đất đá mềm có độ
khoan thấp

2

Đất đá mềm trung bình
đến cứng trung bình
sức kháng nén cao

3

Đất đá nửa mài mòn
hoặc mài mòn

4

Đất đá mềm có sức

kháng nén thấp và độ
khan cao

5

Đất đá mềm đến cứng
trung bình sức kháng
nén thấp

6

Đất đá cứng trung bình
có sức kháng nén cao

7

Đất đá cứng nửa mài
mòn đến mài mòn

8

Đất đá rất rắn và mài
mòn lớn

ổ lăn
Mảnh
tiêu
bảo vệ
chuẩn
chóp

thổi khí xoay
2
3

1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2

3
4
1
2
3
4

-20-

ổ lăn
kín
4

Mảnh
bảo vệ
ổ lăn
kín
5

ổ lăn
trơn
6

Mảnh
bảo vệ
ổ lăn
trơn
7

1.2.4. Các loại choòng đặc biệt:
+ Choòng đầu nhọn: Dùng để khoan chuyển đường kính từ lớn sang
nhỏ, khoan phá nút xi măng trong ống chống, dùng để cứu sự cố (ha)

a, Choòng đầu nhọn

Hình 10

b, Choònh lệch tâm

+ Choòng lệch tâm: Dùng để khoan mở lỗ nhánh trong trường hợp cần
có lỗ khoan đường kính lớn hơn đường kính đã cho (hb)
+ Choòng lưỡi xoắn: Dùng để khoan xiên giếng khoan trong trường hợp
khoan bằng phương pháp khoan roto có sử dụng máng nghiêng (hc)

c, Choòng xoắn

Hình 11

-21-

d, Choòng doa rộng


+ Choòng doa rộng: Là loại choòng dùng để mở rộng đường kính thân
lỗ khoan. Thường có 2 loại: Loại cấu tạo cánh để doa trong đất đá mềm, loại
bằng chóp xoay để doa trong đất đá cứng (h.D)
+ Choòng khoan mẫu: Là loại choòng phá huỷ đất đá ở đáy theo hình
vành khăn sát thành lỗ khoan để lại mẫu lõi ở giữa: Choòng lấy mẫu có nhiều
kiểu cấu trúc khác nhau. Loại lưỡi cắt choòng kim cương loại 4 chóp xoay có

độ cứng cũng rất khác nhau phù hợp với từng loại đất đá khoan qua. Choòng
khoan mẫu được lắp phía dưới của ống mẫu bằng ren (h12)

Hình 12 Choòng khoan mẫu
1.3. Phương pháp lựa chọn choòng khoan.

Do tính chất rất khác nhau về độ cứng, độ mài mòn của đất đá cũng như
sự đa dạng, phong phú về chủng loại nên việc lựa chọn được choòng thật phù
hợp cho từng đối tượng đất đá là công việc rất khó khăn và hầu như không thể.
ở đây ta chia ra 2 trường hợp:
1.3.1.Đối với lỗ khoan thăm dò:
Cột địa tầng mới chỉ là dự kiến sơ bộ các tính chất cơ lý của đất đá
(chưa hiểu rõ) và sự thay đổi đột ngột của chúng thường gây rất nhiều khó
khăn cho việc sử dụng choòng. Việc lựa chọn choòng ở đây hoàn toàn mang
tính chất giả định. Vì vậy phải kết hợp chặt chẽ với sự phán đoán của kỹ thuật
địa chất để làm cơ sở lựa chọn chủng loại hợp lý. Trong trường hợp này các
chủng loại choòng cần được chuẩn bị nhiều hơn để đề phòng mọi trường hợp
phát sinh bất ngờ.
-22-


1.3.2.Đối với các giếng khoan khai thác:
Cột địa tầng đã biết trước một cách khá chính xác về tính chất cơ lý, độ
cứng và bề dày các lớp đất đá. Vì thế ta có thể chủ động lựa chọn được choòng
phù hợp. Đối với một loại đất đá cụ thể ở chiều sâu nhất định có thể có nhiều
loại choòng có khả năng phá huỷ tốt. Vì vậy công việc nghiên cứu mang tính
so sánh được thực hiện ở giếng khoan đầu tiên sẽ tạo ra điều kiện thuận lợi
cho phép thực hiện ở những giếng khoan khai thác tiếp theo đạt được hiệu quả
cao về thời gian khoan cũng như kinh tế. ở đây ta xem loại choòng khoan hợp
lý nhất là choòng cho phép đạt giá thành 1m khoan thấp nhất trong điều kiện

kỹ thuật tốt.
Sau đây là những ví dụ để so sánh trong việc lựa chọn choòng phù hợp
với địa tầng khoan qua:
Ta đã biết, giá thành 1m khoan được tính như sau; (Gm):
Gm =

Gc + Gh (tc + tnt)
; VND/m
h

Trong đó:
Gm - Giá thành 1m khoan
Gc - Giá thành của choòng
Gh - Giá thành 1 giờ làm việc của thiết bị khoan
tc - Thời gian khoan thuần tuý
tnt - Thời gian nâng thả
h - Số lượng m khoan được
Ví dụ1: Một choòng A loại hơi cứng khoan được 41m trong 17h. Cũng trong
địa tầng ấy, một choòng B khác hơi mềm hơn khoan được 35m trong 12h.
Trong khi đó được biết: giá 1h thuê thiết bị là: 8.000.000đ, giá thành choòng
A = giá thành choòng B = 17.000.000 đ. Thời gian nâng thả hết 4h00.
Từ kết quả trên ta tính được
Đối với choòng A:
GmA =

17.000.000 + 8.000.000 (17+4)
= 4.512.195 đ/m
41

-23-

Đối với choòng B:
GmB =

17.000.000 + 8.000.000 (12+4)
= 4.142.857 đ/m
35

Như vậy việc sử dụng choòng B kinh tế hơn so với choòng A
Ví dụ 2: Về sự lựa chọn giữa choòng chóp xoay và choòng kim cương.
Giếng khoan 1: Cần 3 choòng chóp xoay mới khoan được 310m trong 126h,
như vậy 1 choòng trung bình khoan được 103m trong 42h. Giá trung bình 1
choòng là 35.200.000 đ. Giá 1h thuê thiết bị là: 12.500.000đ, thời gian kéo thả
trung bình là: 12h
Từ đó ta tính được:
Gm =

35.200.000 + 12.500.000 (42 + 12)
= 6.895.146 đ/m
103

Giếng khoan thứ 2:
Một choòng kim cương khoan được 330m trong thời gian 117h giá
choòng là: 500.000.000 đ (bằng giá thành choòng mới trừ đi giá kim cương
thu hồi được).
Các điều kiện khác giống giếng khoan thứ nhất
Vậy ta tính được Gm là
Gm =

500.000.000đ + 12.500.000đ (117 + 12)
= 6.401.512 đ/m
330

Như vậy rõ ràng trong trường hợp này nên chọn choòng kim cương để khoan
sẽ kinh tế hơn.
1.4. Phương pháp loại bỏ choòng khoan hợp lý:

Việc loại bỏ choòng khoan hợp lý có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật rất lớn.
Giá thành 1m khoan phụ thuộc phần lớn vào mức độ hợp lý của việc thay
choòng đúng thời điểm.
Việc giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy cho phép tăng được
tốc độ cơ học cực đại, nhưng việc thay choòng lại không thể căn cứ vào tốc độ
cơ học được mà phải căn cứ vào tốc độ hiệp (vh) sao cho vh đạt cực đại.
h
vh = t + t
c
nt

(1)

-24-


Từ (1) ta có thể phân tích thành (2)
1 tc tnt
vh = h + h

(2)

Trong đó:
vh - Tốc độ hiệp
tc - Thời gian khoan thuần tuý
tnt - Thời gian nâng thả
h - Số mét khoan được
Biểu thức (2) biểu thị sự phân bố thời gian để thực hiện được 1m trong 1 hiệp
khoan.
t
- Khi tăng thời gian làm việc của choòng trên đáy, thành phần ch tăng
1
t
lên và hnt sẽ giảm xuống kết quả là v tăng lên vh giảm xuống
h
t
- Khi giảm thời gian làm việc của choòng trên đáy thì hnt sẽ tăng lên rất
1
t
nhiều hơn hẳn mức độ giảm xuống của hc , kết quả là v tăng lên suy ra vh
h
giảm đi.
Như vậy không thể đạt được vh cực đại khi kéo thật dài hoặc rút thật
ngắn thời gian làm việc của choòng trên đáy. Do đó sẽ tồn tại một thời gian tối
ưu mà ở đó vh sẽ đạt cực đại.
Trong quá trình nghiên cứu và thực nghiệm MinHim đã thiết lập được
mối quan hệ sau.
vch = v0. e-k.t
Trong đó:

(3)

vch - Tốc độ cơ học
v0 - Tốc độ cơ học ban đầu
k - Hệ số đặc trưng cho tốc độ mòn của choòng.
t - Thời gian choòng làm việc trên đáy
e- Hằng số Lôga tự nhiên

Từ công thức (3) chúng ta có thể tính được tiến độ sau 1 hiệp

-25-