Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay di động top drive PS2 500500 trên giàn khoan tự nâng cửu long ” với chuyên đề “tính toán lựa chọn đầu quay di động

1

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG Ơ
VIETSOVPETRO.............................................................................................4
1.1. Các phương pháp truyền chuyển động quay cho choòng khoan............4
1.1.1. Đầu quay rôto..................................................................................4
1.1.2. Đầu quay di động top drive.............................................................6
1.1.3. khoan bằng Tuabin..........................................................................7
1.1.4. Khoan bằng động cơ trục vít.........................................................11
1.1.5. Động cơ khoan điện.......................................................................13
1.2. Các loại đầu quay di động sử dụng trong công tác khoan dầu khí và đặc
tính kỹ thuật.................................................................................................14
CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TỔ HỢP
ĐẦU QUAY DI ĐỘNG PS2 500/500............................................................18
2.1. Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đầu quay di động PS2 500/500..............18
2.2. Cấu tạo của tổ hợp đầu quay di động PS2 500/500..............................19
2.2.1. Hộp số............................................................................................20
2.2.2. Vành quay......................................................................................22
2.2.3. Ống thủy lực..................................................................................24
2.2.4. Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator.........................................25
2.2.5. Blốc cân bằng................................................................................26
2.2.6. Xe lăn dẫn hướng..........................................................................27
2.2.7. Cụm van cầu..................................................................................27
2.2.8. Cụm ống rửa..................................................................................29
2.2.9. Hệ thống làm mát..........................................................................30
2.2.10. Các đường ống phụ trợ................................................................31
2.2.11. Hệ thống khí nén.........................................................................31
2.2.12. Hệ thống điều khiển tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 500/500....................................................................................................32

2.3. Các chế độ làm việc của Topdrive PS2 - 500/500...............................35
2.3.1. Quá trình di chuyển không lắp cần khoan cũng như trạng thái treo
bình thường không lắp cần......................................................................35
2.3.2. Quá trình Elevator kẹp cần khoan.................................................35
2.3.3. Quá trình tháo lắp đầu nối.............................................................35
2.3.4. Quá trình kéo tha...........................................................................36
2.3.5. Khoan thuận..................................................................................36
2.362. Khoan ngược (doa ngược)............................................................37
CHƯƠNG III: CÔNG TÁC KIỂM TRA, BẢO DƯỠNG, CÁC DẠNG
HỎNG HÓC THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC..............................38
3.1. Kiểm tra, bao dưỡng.............................................................................38
3.1.1. Bao dưỡng kiểm tra hàng ngày (hình 3.1).....................................39


2

3.1.2. Bao dưỡng kiểm tra hàng tuần (hình 3.2)......................................39
3.1.3. Bao dưỡng kiểm tra hàng tháng....................................................40
3.1.4. Bao dưỡng kiểm tra hàng quý.......................................................40
3.1.5. Bao dưỡng kiểm tra sau 6 tháng....................................................40
3.2. Các dạng hỏng hóc thường gặp, biện pháp khắc phục.........................43
3.3. Qui trình công nghệ sửa chữa bộ ngàm kẹp (grabs).............................48
3.3.1. Giới thiệu bộ ngàm kẹp đầu nối cần khoan (Grabs)......................48
3.3.2. Qui trình công nghệ sửa chữa bộ ngàm kẹp (Grabs).....................52
3.4. An toàn khi vận hành, bao dưỡng, sửa chữa topdrive PS2-500/500....53
3.4.1. Vận hành an toàn...........................................................................53
3.4.2. An toàn bao dưỡng và sửa chữa....................................................54
CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐẦU QUAY DI ĐỘNG.............57
4.1. Tính toán công suất khoan....................................................................57
4.1.1. Thông số giếng 127-BK15............................................................57

4.1.2. Tính toán công suất khoan.............................................................59
4.2. Lựa chọn đầu quay...............................................................................61
KẾT LUẬN.....................................................................................................63
KIẾM NGHI....................................................................................................64


3

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay công tác thăm dò 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.
Khoan giếng dầu khí là công việc sống còn của ngành công nghiệp dầu khí vì
không có giếng thì không thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lòng 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 qua nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này. Để
nâng cao hiệu qua công 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 công nghệ mới áp dụng có tổ
hợp đầu quay di động (Topdrive) đã cho kết qua rất kha quan. Việc sử dụng tổ hợp
đầu quay di động đã gia tăng được khối lượng công việc khoan, thăm dò và khai
thác dầu khí, giam 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, em đã chọn
đề tài: “Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay di
động top drive PS2-500/500 trên giàn khoan tự nâng Cửu Long ” với chuyên đề
“Tính toán lựa chọn đầu quay di động.” làm đồ án tốt nghiệp cho mình. Với những
tài liệu thu thập trong quá trình học tập, qua thực tế tại giàn khoan tự nâng Cửu
Long, cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí
và hơn ca là của thầy Triệu Hùng Trường đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Do kiến thức còn hạn chế, thời gian tìm hiểu thực tế chưa nhiều nên đồ án
không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
của thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp
Em xin chân thành cam ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2014
Sinh viên

Nguyễn Văn Kính


4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VIỆC SỬ DỤNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG Ơ
VIETSOVPETRO
1.1. Các phương pháp truyền chuyển động quay cho choòng khoan
Để truyền chuyển động cho chòong khoan, có các phương pháp sau:
• Đầu quay rôto;
• Đầu quay di động topdrive;
• Khoan bằng tuabin;
• Động cơ khoan điện;
• Động cơ trục vít.
1.1.1. Đầu quay rôto
a. Chức năng và nguyên lý cấu tạo
* Chức năng:
- Đóng vai trò là bộ truyền trung gian, biến chuyển động quay của trục nằm
ngang thành chuyển động quay của trục thẳng đứng (cột cần khoan) để truyền
mômen quay từ trên bề mặt xuống choòng khoan;
- Chịu tai trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;
- Tiếp nhận các phan lực từ đáy trong quá trình khoan.
Trong công tác khoan dầu khí tuỳ theo yêu cầu mà có thể thiết kế chuyển động

cho bàn rôto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn động riêng cho rôto hoặc có thể
lấy từ tốc độ của tời thông qua bộ truyền xích hay trục các đăng.
* Nguyên lý cấu tạo:
- Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn xoay và hệ
thống ổ đỡ. Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trục dẫn nằm
ngang đến bàn quay. Tất ca các ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôi trơn bằng dầu;
- Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôto được đặt
các bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện của cần chủ đạo (hình vuông
hoặc hình lục giác);
- Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto trong
công tác khoan dầu khí thường từ 400 ÷ 700 (mm);
- Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cần
khoan hoặc cứu chữa sự cố;
- Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (có 2 loại ổ đỡ là ổ đỡ chính
và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân thành 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ chính ở trên và


5

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 tai trọng từ đáy do rung
động của cột cần khoan và phan lực gây nên.

Hình 1.1 Cấu tạo bàn rôto
1. Trục chủ động;
2. Gioăng lamg kín;
3. Bánh răng nón;
4. Ổ lăn chính;
5. Ổ lăn bánh răng nhỏ;

6. Ống nót hình nón;
7. Đầu vuôn dẫn động;
8. Miếng chèn chính;
9. Gioăng làm kín dung dịch khoan;
10. Ổ lăn tự lựa;
11. Các te.
b. Ưu, nhược điểm của bàn rôto
* Ưu điểm:

• Kết cấu đơn gian, ít phai bao dưỡng;
• Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình kéo tha
dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.
* Nhược điểm:

• Không dùng để khoan lấy mẫu do phai kéo bộ dụng cụ khoan lên khỏi đáy
khi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đá không ổn
định;

• Không sử dụng được với tần số khoan cao;
• Gây ồn trong quá trình làm việc.


6

1.1.2. Đầu quay di động top drive
a. Chức năng của top drive
Đầu quay di động là cơ cấu cho phép cai 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 đòi hỏi phai mở rộng khoan ngang. Khoan ngang đòi hỏi công
nghệ thi công mới có tính đến việc tăng rủi ro xuất hiện kẹt cố. Đầu quay di động ra
đời đã góp phần giai quyết vấn đề này.
Công dụng chính của đầu quay di động là:
• Truyền mômen quay cho choòng khoan phá hủy đất đá;
• Tháo lắp và xiết chặt cần khoan, thực hiện thao tác kéo tha.
b. Ưu, nhược điểm của topdrive
* Ưu điểm:
• Không phai dùng cần chủ đạo;
• Thao tác lắp với bộ khoan cụ làm việc ở mọi độ cao;
• Có thể tiếp cần dựng;
• Làm quay bộ khoan cụ khi nâng và tuần hoàn dung dịch (doa ngược);
• Lấy lõi khoan dài;
• Có kha năng tác động ngẫu lực tĩnh trong thời gian không xác định (chỉ
trong trường hợp đầu quay lắp động cơ thủy lực).
* Nhược điểm:
• Phai lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất mômen can;
• Phai gia cố kết cấu do lực xoắn phụ;
• Phai tăng chiều cao tháp vì đầu quay dài hơn đầu xoay thủy lực thông thường;
• Phai 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 phai bao dưỡng cẩn thận hơn nhiều so với
hệ thống bàn rô to và cần chủ đạo.


7

Hình 1.2 topdrive

1.1.3. khoan bằng 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 đến 150 tầng, tăng công suất từ 10 – 20 lần, do đó giam 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.
a. Chức năng và nguyên lý cấu tạo của tuabin khoan
Trong cánh quạt tuabin, năng lượng thủy lực của dòng nước rửa được chuyển
hóa thành cơ năng của trục quay, làm quay choòng khoan. Tuabin gồm nhiều tầng
giống nhau (có thể lên đến 200 tầng). Mỗi tầng gồm 2 phần, phần quay được nối
với trục gọi là rôto, phần đứng yên được gắn với vỏ gọi là stato. Bên trong tuabin có
một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan không xâm nhập vào ổ trục


8

chính. Ổ tựa chính được đặt ở phía dưới để nâng toàn bộ khối rôto. Tùy theo chiều
dài của tuabin mà người ta có thể lắp 2 hoặc 3 ổ tựa ngang. Ơ phần trên cùng của
tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối vào đầu dưới của cột cần khoan. Phía dưới
cùng của tuabin có đế tuabin, đế này được bịt kín phần giữa tuabin và trục của
tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằm bao đam áp suất làm việc của tuabin không bị
hao hụt trong quá trình làm việc.

2

1

3

4
8

7

6

5

Hình 1.3 Cấu tạo một tầng tua bin
1- Bao trong của stato;
5- Đường đi của dòng nước;
2- Bao trong của rôto;
6- Cánh cong của rôto;
3- Rãnh then;
7- Cánh cong của stato;
4- Vỏ ngoài của stato;
8- Bao ngoài của rôto.
Trong một số trường hợp khi khoan qua tầng đất dẻo, mômen quay của tuabin
không đủ để thực hiện quá trình phá hủy, hay ở các giếng khoan sâu, lưu lượng
dung dịch nhỏ do đó giá trị của mômen và công suất không đủ để đáp ứng quá trình
khoan. Để thu được mômen quay và công suất lớn mà không phai thay đổi đường
kính của tuabin, chỉ có thể tăng số tầng của chúng lên, do đó phai chế tạo những
tuabin dài. Khi chế tạo những tua bin có độ dài quá lớn sẽ gây khó khăn trong việc
nâng tha tuabin ở giếng khoan cũng như khi lắp ráp, vận chuyển. Để giai quyết khó
khăn trên người ta chế tạo các tuabin nối mà mỗi đoạn là một tuabin đơn. Vỏ của các
tuabin được nối với nhau bằng ren, còn trục được nối bằng khớp nối có rãnh then (then
hoa), bằng khớp ma sát hoặc bằng khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh

then hoa).


9

Đặc điểm cơ ban của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thay đổi
tùy theo tai trọng và độ cứng của đất đá khoan qua. Mômen quay choòng và tốc độ
quay tỷ lệ nghịch với nhau, tai trọng tác dụng lên choòng càng lớn, tốc độ quay
càng giam.
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 1.4 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 giam dần, tốc độ quay tăng lên. Mômen quay giam đến “0” tốc độ
quay đạt giá trị cực đại gọi là tốc độ quay không tai ( 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 (Công suất định mức) sau đó lại giam
đến “0” ở chế độ không tai.

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 không tai, còn mômen quay xấp xỉ bằng 1/ 2 mômen hãm.
Khác với mômen quay và công suất, tổn thất áp lực trong tuabin hầu như
không thay đổi. Khi chuyển từ chế độ không tai 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 chay (Q) không
thay đổi. Quan hệ giữa n, P, M, η và N khi Q không đổi gọi là đặc tính làm việc của
tuabin.


10

Hình 1.5 Đường đặc tính làm việc của tua bin
b. Ưu, nhược điểm của khoan tuabin
* Ưu điểm:
• Không phai chi phí công suất để quay cột cần khoan;
• Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng nên
choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ học
khoan cao hơn nhiều so với khoan rôto;
• Cột cần khoan ít chịu tai hơn, ít mòn hơn nên giam 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 qua;
• Giam tiếng ồn so với khoan rôto do đó cai thiện điều kiện lao động.
* Nhược điểm:
• Tuabin làm việc với số vòng quay lớn ít phù hợp với đa số loại choòng chóp
xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tai trọng lớn, số vòng 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 công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động tuabin,
đặc biệt với các giếng khoan sâu việc này rất khó thực hiện;
• Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp;


11

• Quá trình bao dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động hoặc
bàn rôto.
1.1.4. Khoan bằng động cơ trục vít
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của động cơ trục vít
Hình dáng bên ngoài của động cơ trục vít:

Hình 1.6 Động cơ trục vít
Động cơ trục vít cấu tạo bởi các thành phần cơ ban sau:

Hình 1.7 Cấu tạo động cơ trục vít
Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình kéo tha
và được đặt ở phần trên cùng của động cơ. Van này có những lỗ cho phép sự lưu
thông giữa cột cần khoan và khoang không vành xuyến. Các lỗ này được đóng trong
suốt quá trình khoan để dung dịch đi qua động cơ. Trong quá trình kéo tha, khi bơm
dung dịch ngừng hoạt động áp suất sẽ giam xuống, các lỗ thoát được mở ra làm cho
cột cần khoan được tháo hết dung dịch bên trong khi kéo hoặc đổ đầy khi hạ. Khi
bơm làm việc, áp suất tăng lên, các lỗ thoát được đóng kín lại.
Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc. Đối với động cơ một múi
xoắn thì mặt cắt ngang của rôto là hình tròn. Đầu trên của rôto được để tự do còn
đầu dưới nối với khớp nối không gian.
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.

12

Khi rôto được đặt trong stato, do hình dạng khác nhau chúng tạo ra hàng loạt
các khoang kín. Khi dung dịch khoan được bơm qua động cơ, nó sẽ chuyển động
vào giữa rôto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rôto và làm cho rôto quay.
Ơ những động cơ đơn múi (rôto có 1 múi xoắn) lưu lượng dòng chay qua động
cơ lớn vì vậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mômen quay nhỏ. Để tăng
mômen quay ta có thể tăng số múi xoắn của rôto (3, 5, 7, 9 múi) tương ứng với số
rãnh của stato là (4, 6, 8, 10), khi đó lưu lượng dòng chay qua động cơ nhỏ dẫn đến
số vòng quay nhỏ do đó tạo ra được mômen quay lớn.
Trong quá trình làm việc các múi và rãnh xoắn của rôto và stato liên tục tiếp
xúc với nhau để tạo ra những buồng áp suất kín, chính điều này làm bề mặt stato
mòn đi rất nhanh, cho nên stato phai được chế tạo bằng vật liệu cao su có kha năng
chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
Khớp nối không gian: Do chuyển động lệch trục với stato nên đầu dưới của
rôto phai được nối với một khớp nối không gian. Khớp nối này sẽ biến chuyển động
lệch trục thành chuyển động đồng trục của choòng. Có rất nhiều kiểu khớp nối
không gian được sử dụng nhưng phổ biến nhất là khớp cầu. Đầu dưới của khớp nối
không gian được nối với trục truyền.
Hệ thống ổ tựa: Đây là bộ phận thiết yếu nhất của động cơ. Nó quyết định tuổi
thọ của động cơ và thực hiện hai chức năng:
- Truyền tai trọng dọc trục lên choòng;
- Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền.
b. Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít
* Ưu điểm:
• Trong khoan tuabin cột cần khoan không quay. Do đó trong quá trình làm
việc cột cần khoan chịu tai nhẹ hơn. Hiện tượng mỏi sinh ra do tai trọng đặc
biệt là ứng suất uốn sẽ có giá tri nhỏ hay bị triệt tiêu dẫn đến sự cố về đứt

cần khoan ít hơn;
• Cột cần khoan không quay sẽ giam được sự mài mòn cho các bộ phận của
cột cần khoan và các chi tiết quay trên bề mặt;
• Sử dụng tuabin khoan định hướng dễ hơn và năng suất hơn.
* Nhược điểm:

• Đặc tính làm việc của tuabin làm việc với số vòng quay lớn nên cần phai sử
dụng những loại choòng có kha năng chịu được những vòng quay như thế.


13

Đối với choòng chóp xoay chúng làm việc với tai trọng lớn và số vòng
giam. Do đó loại choòng này không thỏa mãn khi khoan tuabin. Thời gian
làm việc bị rút ngắn do sự mài mòn nhanh nhất là ổ tựa;

• Ơ một số đất dẻo đòi hỏi phai mômen phá lớn rất nhiều loại tuabin thông
thường không đạt được những yêu cầu này;

• Vùng làm việc ổn định của số vòng quay ở tuabin hẹp. Nếu vượt quá giới
hạn này có thể dẫn đến tuabin ngừng quay;

• Trong khoan tuabin công suất thủy lực của máy bơm lớn hơn rất nhiều so
với khoan rotor. Trong khoan rotor công suất thủy lực của bơm chủ yếu là
tiêu thụ trong hệ thống tuần hoàn dung dịch. Nhưng trong khoan tuabin
ngoài thành phần công suất bơm còn cung cấp cho tuabin và cho choòng
phá đáy. Do đó đòi hỏi những thiết bị bơm có công suất lớn và còn sử dụng
những thành phần hệ thống tuần hoàn đam bao an toàn trong điều kiện làm
việc áp suất lớn của tuabin. Thông thường kha năng làm việc của bơm giới
hạn chiều sâu làm việc của tuabin;

• Những chỉ tiêu cho việc bao dưỡng, bao quan sửa chữa tuabin đưa đến giá
thành tăng khi khoan tuabin.
1.1.5. Động cơ khoan điện
a. Chức năng và 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 phan 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 tai trọng chiều trục
trong quá trình làm việc. Đầu trên và đầu dưới của trục có lắp các phớt chắn dầu.
Khoang trống trong động cơ được lấp đầy dầu, áp suất dầu trong động cơ luôn phai


14

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 xay ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động cơ bị đốt nóng thì áp suất
sẽ giam cần phai bù thêm.
Đặc tính không tai của động cơ là dòng tăng rất nhanh khi số vòng quay tăng
ít. Vì vậy khi khởi động và chất tai cần phai 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.
b. Ưu nhược điểm của động cơ điện
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 phai an toàn tuyệt đối.
Tuổi thọ của động cơ không cao do phai làm việc dưới nhiệt độ, áp suất tương
đối cao, kha năng bao 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 qua kinh tế không cao. Hiện nay loại động
cơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm.
1.2. Các loại đầu quay di động sử dụng trong công tác khoan dầu khí và đặc
tính kỹ thuật
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 Đao 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 phai sử dụng cùng lúc
nhiều thiết bị và dụng cụ. Phương pháp khoan này làm việc tốn nhiều sức lao động,
làm giam đi hiệu qua và sự can trở phát triển.


15

Topdrive thay đổi đáng kể việc tiếp cần khoan, truyền chuyển động quay, tăng
thêm sự an toàn và hiệu qua khi khoan. Đặc biệt Topdrive làm giam đáng kể kha

năng kẹt bộ khoan cụ trong giếng khoan.
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 tai khi khoan và tai khi kéo tha bộ cần khoan, ống chống.
Việc tách biệt tai 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 giam được
thực hiện bằng việc tăng hoặc giam 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. Kha 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 giam 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 tai lên ren và đặt xấp xỉ tai Topdrive
để tha 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 giam
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, tha ống
chống với cột ống dựng.
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 tai trọng tập trung vào ổ

đỡ của đầu thủy lực trong khi khoan.


16

Topdrive làm việc có hiệu qua hơn, kha 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 gian
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.
San phẩm của hãng Tesco được sử dụng trên ca đất liền và trên biển. Các san
phẩm của hãng: Tesco-500T, Tesco-350T.
- Thông số kỹ thuật của Tesco-350T:
1. Mômen quay lớn nhất: 40000f -L6;
2. Tốc độ quay lớn nhất : 200(v/p);
3. Công suất: 200 HP;
4. Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực: 1000 PSi;
5. Tai trọng làm việc 350 T;
6. Trọng lượng: 11000 pounds;
7. Dùng với tháp khoan có chiều cao 142 ft.
- Thông số kỹ thuật Tesco-500 T:
1. Mômen quay lớn nhất: 40000 f -L6;
2. Tốc độ quay lớn nhất : 200(v/p);
3. Công suất: 400 HP;
4. Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực: 2000 PSi;

5. Tai trọng làm việc: 500 T;
6. Trọng lượng: 12000 pounds;
7. Dùng với tháp khoan có chiều cao 142 ft.
 Hãng Rarco-BJ
Đây là hãng san xuất của Mỹ với nhiều loại san phẩm TDS-3S, TDS-4S, TDS6S. Động cơ trên tổ hợp đầu quay là động cơ điện một chiều có công suất 1100 1300HP.
 Hãng Maritime Hydraulics A.S


17

Đây là hãng san xuất Topdrive của Nauy, san phẩm của hãng là: DDM500DC.
Các thông số kỹ thuật của DDM500-DC:
1. Động cơ điện một chiều: GE 753USI;
2. Áp suất thủy lực: 180 (bar);(2650 PSi);
3. Áp suất khí nén: 7 bar;
4. Mômen quay liên tục: 44.000 Nm;
5. Mômen quay gián đoạn: 50.000 Nm;
6. Tốc độ quay lớn nhất: 186 v/p;
7. Tai trọng làm việc: 500 T;
8. Chiều dài: 6935 mm;
9. Trọng lượng: 16 T.
 National Oilwell
Đây là hãng san xuất của Mỹ, các san phẩm chính của hãng: PS2-500/500, PS500/500, PS-350/500.
Các thông số kỹ thuật của PS2-500/500:
1. Tốc độ quay không tai lớn nhất : 1200 vòng/phút;
2. Mômen lớn nhất 66200 ft-lb tương đương với 99300 Nm;
3. Áp suất làm việc lớn nhất của cụm ống rữa: 500 psi;
4. Tai trọng móc nâng lớn nhất: 500 tấn.

18

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA TỔ HỢP ĐẦU
QUAY DI ĐỘNG PS2 500/500
2.1. Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đầu quay di động PS2 500/500
* Đặc tính kỹ thuật của tổ hợp đầu quay di động PS2 500/500:
Tai trọng cho phép khi tha ống chống:

500 tấn;

Tai trọng cho phép khi kéo tha bộ cần khoan:

500 tấn;

PS 500/500 sử dụng động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp;
Các thông số động cơ điện khi nhiệt độ môi trường ở 50 oC và 145 oC:
Công suất đầu vào (chế độ dài hạn ):

1130 HP ở 660 V;

Công suất đầu vào (chế độ ngắn hạn ):

1395 HP ở 750 V;

Mô men xoắn cực đại đầu vào (chế độ dài hạn):

8977 Nm khi 660 V;

Mô men xoắn cực đại đầu vào(chế độ ngắn hạn):

11214 Nm khi 750 V;

Dòng điện trong lõi sắt (Chế độ dài hạn ): 1250 A khi mô men cực đại;
Dòng điện trong lõi sắt (Chế độ ngắn hạn ):1500 A khi điện áp 750 V;
Tốc độ lớn nhất (Không tai):

1200 V/p;

Tỉ số truyền ở tốc độ nhanh:

4.05:1;

Tốc độ lớn nhất ở đầu trục ra động cơ :

296 V/p;

Tỉ số truyền ở tốc độ chậm:

8.23:1;

Tốc độ ra lớn nhất:

145 V/p;

Phanh động cơ (áp suất khí nén 100psi);

14011 Nm;

Áp suất làm việc trên cổ ngỗng:

5000 psi;

Áp suất làm việc trên đầu tiếp dung dịch: 5000 psi;
Tai trọng trên ổ đỡ:

500 TN;

Áp suất làm việc van cầu trên:

15000 psi;

Áp suất làm việc van cầu dưới:

15000 psi;

Van giữ dung dịch:

Loại túi cao su.


19

2.2. Cấu tạo của tổ hợp đầu quay di động PS2 500/500
Topdrive là thiết bị khoan hiện đại, đạt năng suất khi khoan. Do đó nó có cấu
tạo tương đối phức tạp.

Hình 2.1 Topdrive PS2-500/500


20

Topdrive PS2-500/500 có cấu tạo như sau (hình 2.1):
1. Blốc ròng rọc động;

2. Blốc cân bằng;

3. Phần di động;

4. Hộp số;

5. Thân;

6. Vành quay;

7. Xi lanh nâng, hạ quang treo elêvator;

8. Quang treo elêvator;

9. Elêvator;

10. Ngàm kẹp;

11. Ống thuỷ lực;

12. Van cầu;

13. Xe lăn dẫn hướng;

14. Khung giá động cơ điện;

15. Động cơ điện.
2.2.1. Hộp số
a/ Công dụng:
Hộp số truyền chuyển động quay từ động cơ điện đến bộ khoan cụ theo hai tốc
độ số nhanh và số chậm.
b/ Cấu tạo: (hình 2.2)
Thân hộp số là kết cấu hàn được lắp ráp vào thân 5 (hình 2.1) bằng mối ghép
bulông, nắp trên hộp số là bệ đỡ để lắp khung giá động cơ điện và cổ cong tuyô
khoan. Hộp số gồm 3 trục: trục 1 nối với trục động cơ điện thông qua khớp nối
răng, truyền chuyển động quay sang trục trung gian 2 bởi hệ thống bánh răng
chuyển đổi số, trục chính 3 có cấu tạo thân rỗng cho phép dung dịch khoan chay
qua với áp suất cao, truyền chuyển động quay từ trục 2 sang bộ khoan cụ. Hệ thống
bánh răng giam tốc có tỷ số truyền động 4,05:1 (số nhanh, momen thấp); tỷ số
truyền động 8,23:1 (số chậm, momen cao). Hệ thống bánh răng và các vòng bi của
hộp số được bôi trơn cưỡng bức bằng hệ thống bơm dầu 5 lắp trực tiếp vào đầu trục
1 (hình 2.2). Áp suất dầu thông qua bộ cam biến được dẫn đến bục điều khiển của
kíp trưởng khoan. Mức dầu trong hộp số được kiểm tra bằng mắt kính hoặc que
thăm ở mặt bên hộp số. Cơ cấu chuyển đổi số 4 được điều khiển từ bang điều khiển
của kíp trưởng khoan và chỉ thị bởi hai đèn tín hiệu.


21

Hình 2.2 Hộp số Topdrive
1. Trục nối với động cơ;
3. Trục chính;

2. Trục trung gian;
4. Cơ cấu chuyển đổi số;

5. Hệ thống bơm dầu.
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.


22

Hình 2.3 Cơ cấu chuyển đổi số
2.2.2. Vành quay
a/ Công dụng:
Vành quay là nơi lắp quang treo elêvator, là một thành phần trong hệ thống
chịu tai khi thao tác kéo tha bộ khoan cụ cũng như khi tha bộ ống chống. Vành quay
là giá đỡ của ống thuỷ lực, giá đỡ xi lanh nâng hạ quang treo elêvator, là một thành
phần trong hệ thống khí nén của topdriver.
b/ Cấu tạo: (hình 2.4)
Vành quay có cấu tạo hình trụ rỗng 1, bên ngoài ở hai phía đối diện có hai
móc 2 để lắp quang treo elêvator, vành quay tựa vào thân 5 (hình 2.1) trên ổ bi con
lăn 3 và ổ trượt 4, phía trên vành quay có lắp vành bánh răng 5 ăn khớp với bánh
răng 6 truyền chuyển động quay từ môtơ khí nén 7 qua hộp giam tốc 8 đến vành
quay 1. Bên hông vành quay ở hai phía đối diện có giá lắp ống thuỷ lực 11 (hình
2.1) và giá lắp các xi lanh 7 (hình 2.1) nâng hạ quang treo elêvator. Trên thân vành
quay có hàng lỗ có tác dụng như các kênh dẫn khí nén nguồn cho các xi lanh nâng


23

hạ quang treo elêvator, khí nén điều khiển van cầu trên, khí nén điều khiển van thuỷ
lực bộ ngàm kẹp (grabs), khí nén nguồn cấp cho bộ ngàm kẹp. Vành quay được

chốt bởi hai chốt 9 trong trường hợp tháo hoặc lắp mối nối ren cần khoan. Các chốt
được dẫn động bởi các xi lanh khí nén lắp trên thân 5 (hình 2.1) và được điều khiển
từ bang điều khiển của kíp trưởng khoan.

1. Ống hình trụ rỗng;
3. Ổ bi con lăn;
5. Bánh răng lớn;
7. Môtơ khí nén;
9. chốt.

Hình 2.4 vành quay
2. Móc lắp elêvartor;
4. Ổ trượt;
6. Bánh răng nhỏ;
8. Hộp giam tốc;


24

2.2.3. Ống thủy lực
a/ Công dụng:
Ống thủy lực chuyển đổi mômen từ bộ kẹp tới vành quay để tháo vặn cột cần
khoan và ống chống. Ống thủy lực là buồng chứa dầu thủy lực. Có bầu lọc và hệ thống
ống thủy lực bơm thủy lực van an toàn cụm van điều khiển định hướng.
b/ Cấu tạo: (hình 2.5)
Ống thủy lực đỡ bộ ngàm kẹp và truyền moment kháng từ bộ ngàm kẹp đến
vành quay. Ống thủy lực cũng là bình chứa dầu thuỷ lực và bên trong nó chứa ắc
quy thuỷ lực, đồng thời nó là giá để lắp bơm thuỷ lực, phin lọc, van an toàn, cụm
van điều khiển định hướng. Những thành phần này cùng với hệ thống đường ống
tạo thành một hệ thống thuỷ lực độc lập cung cấp áp lực dầu cho các xi lanh của bộ

ngàm kẹp.

Hình 2.5 Ống thủy lực/ Bộ ngàm kẹp


25

2.2.4. Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator
a) Công dụng:
Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator cho phép điều khiển Elevator theo bốn vị trí
là vị trí khi khoan, vị trí trung gian, vị trí tiếp cần lỗ phụ và vị trí tiếp cần dựng.
b) Cấu tạo: (hình 2.6)
Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator gồm có hai xi lanh 1 tác dụng kép điều
khiển bằng khí nén, đầu trên ghép vào vành quay 2 bởi khớp nối cầu, đầu dưới ghép
vào quang treo Elevator. Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator được gắn vào vành
quay nên kíp trưởng khoan dễ dàng điều khiển Elevator theo tín hiệu của thợ làm
việc trên tháp khoan.

Hình 2.6 Cơ cấu điều khiển quang treo Elevator