Đồ án môn Thiết bị khoan: tính toán các thông số kỹ thuật cho hệ thống nâng thả trong quá trình khoan

LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp dầu khí của nước ta hiện nay đang rất phát triển, nó đóng góp
khoảng 25% GDP mỗi năm. Nó được coi là ngành kinh tế mũi nhọn, nằm trong
chiến lược phát triển kinh tế quan trọng của đất nước.
Trong giai đoạn hiện nay của ngành dầu khí, ngành thiết bị dầu khí là một phần rất
quan trọng. Mọi thiết bị dầu khí muốn được sử dụng với hiệu quả tốt nhất thì ta
phải biết được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, có chế độ làm việc, bảo dưỡng, sửa
chữa định kỳ đúng tiêu chuẩn và bộ môn thiết bị dầu khí đã đáp ứng được điều đó.
Việc tính toán các thông số kỹ thuật và thông số làm việc của hệ thống nâng thả nói
chung và tời khoan nói riêng là rất quan trọng, dựa vào đó ta có thể lựa chọn các
chế độ làm việc cho hệ thống nâng thả trong quá trình khoan, thi công trên giàn.
Đây cũng là yêu cầu cần đạt ra với đồ án môn Thiết bị khoan này.
Đề hoàn thành được đồ án môn thiết bị khoan này, em xin chân thành gửi lời cmả
ơn đến thầy Nguyễn Thanh Tuấn , bộ môn thiết bị dầu khí .Em rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp quý báu các thầy.
Hà Nội, ngày 26 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện
VŨ VĂN TÚ


PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ TỜI KHOAN TRONG KHOAN KHAI THÁC
DẦU KHÍ
I.1. Chức năng, nhiệm vụ và yêu cầu kỹ thuật đối với tời khoan
I.1.1. Chức năng, nhiệm vụ của tời khoan
Trong quá trình thi công giếng khoan dầu khí thì tời khoan sẽ thực hiện các
nhiệm vụ chính như sau:
- Thực hiện công tác kéo thả cột cần khoan để tiến hành tháo, lắp cần khoan,
thay choòng khoan và bộ khoan cụ.
- Tiến hành thả và treo giữ ống chống trong quá trình chống ống trám xi
măng.
- Điều chỉnh tốc độ truyền tải tọng cho choòng khoan trong quá trình phá hủy

đất đá (chủ yếu thực hiện đối với quá trình khoan giảm tải cho choòng bằng cách
treo một phần trọng lượng của cột cần khoan trên móc nâng trong khi khoan đối
với những giếng khoan có chiều sâu lớn).
Ngoài ra, tời khoan còn thực hiện một số công tác phụ trợ trong quá trình xây
lắp, trong quá trình khoan và trong quá trình khai thác.
I.1.2. Yêu cầu kĩ thuật đối với tời khoan
Khi tính toán thiết kế lựa chọn tời khoan phải đảm bảo một số yêu cầu kỹ
thuật chính như sau:
- Công suất của tời khoan phải đủ lớn, đáp ứng được yêu cầu của quá trình
khoan thả cột cần khoan và ống chống.
- Phải có số tốc độ (k) cũng như việc bố trí các tốc độ trung gian một cách
hợp lý để giảm thời gian của quá trình kéo thả.
- Có sơ đồ động học đơn giản và các tốc độ phải sử dụng tối đa công suất của
động cơ dẫn động.
- Hệ thống hãm (phanh) của tời phải làm việc an toàn với độ tin cậy cao.
- Phải thiết kế một tốc độ lớn nhất để thực hiện quá trình kéo thả móc nâng
không tải (đó là quá trình móc nâng chuyển động lên hoặc xuống mà không có treo
cột cần khoan hoặc ống chống).
- Phải thuận lợi cho việc điều chỉnh được tốc độ truyền tải trọng cho choòng
khoan tỏng quá trình phá hủy đất đá.
I.2. Cấu tạo của tời khoan.
Tùy thuộc vào số lượng trục truyền, số lượng tang tời và cơ cấu truyền động
mà có thể phân ra các loại tời khoan khác nhau. Theo nguyên lý cấu tạo có thể chia
tời khoan ra làm 3 loại: tời khoan loại 1, tời khoan loại 2 và tời khoan loại 3.


I.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan loại 1
Nguyên lý làm việc: Chuyển động quay từ hộp tốc độ truyền ra trục (1), từ đây
thông qua bộ truyền động xích hoặc truyền động bánh răng (6,7,8) truyền chuyển
động đến trục nâng có gắn tời chính (3) và trục trung gian (4) để truyền chuyển

động cho bàn Roto. Tời khoan (9) được gắn cố định trên trục nâng (3) và để tời
khoan quay ta sử dụng ly hợp ma sát (10) lắp ở hai đầu của tang tời. Chuyển động
quay từ trục trung gian (4) sẽ truyền cho bàn roto, tại bàn roto có nhiệm vụ biến
chuyển động quay của trục (4) theo chiều nằm ngang thành chuyển động quay
thẳng đứng của cột cần khoan. Còn trên trục nâng (2) có thể được bố trí thêm tời
khoan phụ tùy theo yêu cầu của quá trình khoan.

Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tời khoan loại 1
1 - Trục ra cảu hộp tốc độ
2- Trục nâng phụ


3 – Trục nâng gắn với tời chính
5 – Ổ đỡ trục
9 – Tời khoan.
11– Ly hợp cam.

4 – Trục trung gian.
6,7,8–Bộ phận truyền chuyển động.
10 – Ly hợp ma sát.
12 – Truyền chuyển động ra Roto.

I.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan loại 2
Nguyên lý làm việc: Loại tời này được trang bị một tang tời chính (12) và một
tang tời phụ (11). Trong quá trình làm việc chuyển động quay từ hộp tốc độ truyền
ra trục (1), nhờ li hợp cam (10) và bộ truyền động (6) để truyền chuyển động đến
trục nâng (2), tang tời phụ (11) được gắn trên trục nâng (2) thông qua các ổ đỡ (5)
và tang tời phụ làm việc được là nhờ li hợp cam (10). Chuyển động từ trục (2)
được truyền đến trục (3) thông qua bộ truyền chuyển động (7,8) đều được bố trí về
phía bên trái của tang tời chính (12), bộ truyền động (7,8) được lắp đặt cố định trên

trục (2) còn trên trục (3) được lắp bởi các li hợp cam (10) và li hợp bánh hơi (13).
Tang tời chính (12) được gắn cố định trên trục nâng (3), khi làm việc ở dài tốc độ
cao nhờ li hợp bánh hơi (13) còn khi làm việc ở dài tốc độ thấp là nhờ li hợp cam
(10). Trục trung gian (4) nhận chuyển động trực tiếp từ trục (1) thông qua bộ
truyền (9) và truyền ra bàn roto (15) là nhờ li hợp bánh hơi (14).


Hình I.2: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tời khoan 2
1 – Trục ra của hộp số tốc độ
2 – Trục nâng gắn với tời phụ
3 – Trục nâng gắn với tời chính
4 – Trục trung gian truyền ra bàn roto
5 - Ổ đỡ trục
6,7,8,9 – Bộ phận truyền chuyển động
10 – Ly hợp cam
11 – Tời khoan phụ;
12 – Tời khoan chính
13,14 – Ly hợp bánh hơi
15 – Truyền chuyển động quay ra bàn roto
I.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan 3


Nguyên lý làm việc: Loại tời này được trang bị một tang tời chính (11) và một
tang tời phụ (10). Trong quá trình làm việc chuyển động quay từ hộp tốc độ truyền
ra trục (1), nhờ ly hợp cam (9) và bộ truyền động (6) truyền chuyển động đến trục
nâng (2), tang tời phụ (10) được gắn trên trục nâng (2) thông qua các ổ đỡ (5) và
tang tời phụ làm việc được là nhờ li hợp cam (9). Tang tời chính (11) được gắn cố
định trên trục nâng (3) và nhận truyền động trực tiếp từ trục (1) thông qua hai bộ
truyền động (7,8) và các ly hợp ma sát đĩa (12). Trục trung gian (4) cũng nhận
chuyển động trực tiếp từ trục (1) thông qua bộ truyền động (8) và các ly hợp ma sát

đĩa (12,13) và sau đó trục trung gian (4) sẽ truyền chuyển động ra bàn roto (15).

Hình I.3: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của tời khoan 3


1 – Trục ra của hộp tốc độ
2 – Trục nâng gắn với tời phụ
3 – Trục nâng gắn với tời chính
4 – Trục trung gian
5 - Ổ đỡ trục
6,7,8 – Bộ phận truyền chuyển động
9 – Ly hợp ca
10 – Tời khoan phụ
11 – Tời khoan chính
12 – Ly hợp ma sát đĩa
13 – Truyền chuyển động quya ra bàn roto
I.3. Một số loại tời khoan được sử dụng trong các công tác khoan dầu khí
Trong thực tế công tác khoan dầu khí thì việc phân loại tời khoan rất khác
nhau có thể căn cứ vào sức căng trên nhánh cáp chủ động, công suất nâng trên trục
tời hoặc dạng động cơ dẫn động, … Chính vì vậy, mà khi lựa chọn tời khoan ta
phải dựa vào yêu cầu cụ thể của công tác khoan để chọn sao cho phù hợp nhất.
Các loại tời khoan hiện đang sử dụng có hiệu quả trong công tác khoan là các
loại tời khoan của Nga, Mỹ và một số nước khác.
- Các loại tời khoan của Nga thường dùng gồm có , , , ,… Trong đó, những
ký hiệu của các loại tời khoan trên có ý nghĩa như sau:
y: tên nhà sản xuất.
2: số thứ tự của cụm tời trong tổ hợp thiết bị
khoan.
4: số tốc độ của tời.
8: Số mô đen.

2: Số thứ tự của cụm tời trong tổ hợp thiết bị khoan.
300: Sức nâng lớn nhất của tời.

БY-3000

БY: Kí hiệu của tời.
3000: Công suất lớn nhất trên trục tời.

Ngoài ra ta còn gặp các kí hiệu khác như: Д (tời được dẫn động bằng động cơ
diezen); Э (tời được dẫn động bằng động cơ điện); (tời không có chế độ làm mát
bằng hơi nước); (tời không có chế độ làm mát bằng hơi nước).
- Các loại tời khoan của Mỹ thường được dùng bao gồm các loại ở bảng dưới
đây:
Bảng I.1: Một số loại tời khoan của Mỹ


Loại tời
Thông số cơ bản
Công suất định mức Nđm
(kw)
Số tốc độ (K) của tời
Chiều sâu khoan tối đa L
(m)
Trọng lượng của tời (tấn)

80B
80VE
750

110M

110VE
1100

1320M
1320UE
1500

1625M
1625UE
2200

4 hoặc 6
4000

4 hoặc 6
5000

4 hoặc 6
6500

4 hoặc 6
9000

22

26

45

45

PHẦN II: TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT NÂNG CỦA TỜI KHOAN
II.1 Sơ đồ động học của tời khoan



I: Trục các đăng
II: Trục cao tốc
III: Trục thấp tốc
IV: Trục nâng
V: Trục phanh thuỷ lực
VI: Trục của hộp giảm tốc truyền động cho Rotor
VII: Trục truyền chuyển động cho Rotor
VIII: Trục các đăng truyền vận tốc thứ năm
IX: Trục dẫn động vận tốc thứ năm
X: Trục tời phụ
XI: Trục chủ động của tời
1: Bộ ma sát
2-7-10-21: Bánh xích
3: Cặp bánh răng
4: Hộp số
5: Hộp giảm tốc
6: Xích
8: Phanh thuỷ lực
9: Khớp nối vấu
11-12: Phanh đai
13: Cụm bánh xích
14-15-20: Côn hơi
16-22: Van nạp khí nén
17-18: Bánh răng

19: Khớp nối cứng
Tời khoan có 4 tốc độ.


II.2 Thông số tính toán
Bảng II.1: Thông số tính toán
STT

Các thông số

Đơn vị

Thông số

01

Công suất trục tời

HP

500

02

Chiều sâu giếng

m

5500

03

Hệ ròng rọc

04

Loại cần khoan

05

Trọng lượng riêng của dung dịch

06

Tốc độ quay của choòng

v/ph

350

07

Đường kính choòng

mm

215

08

Tốc độ vào hộp số của tời

v/ph

300

09

Góc nghiêng trung bình của giếng

θo

13

10

Tải trọng lên đáy khi khoan

tấn

12

11

Chiều cao tháp

m

56

12

Đường kính tang tời

mm

770

13

Loại động cơ dẫn động

14

Tải trọng móc

15

Trọng lượng riêng của thép vật liệu
làm cần

5x6
mm

141
3

G/cm

1,5

Diezen
tấn

350

G/cm3

7,5


16

Đường kính cáp

mm

II.3 Tính toán công suất nâng của tời khoan ở các tốc độ
1. Xác định các tốc độ quay (n) của tời:
Tốc độ trục truyền:
ntt = n0. . = 300. . = 136 (v/p)
Tốc độ của trục trung gian:
n1tg = ntt. = 136. = 49 (v/p)
n2tg = ntt. = 136. = 54 (v/p)
n3tg = ntt. = 136. = 130 (v/p)
n4tg = ntt. = 136. = 236 (v/p)
Tốc độ của trục nâng:
n1tn = n1tg. = 49. = 34 (v/p)
n2tn = n2tg. = 54. = 37 (v/p)
n3tn = n3tg. = 130. = 90 (v/p)

n4tn = n4tg. = 236. = 163 (v/p)
2. Xác định đường kính tang tời theo các lớp cáp trên tang tời.
- Đường kính tang tời ở lớp cuộn thứ nhất:
Dt1 = Dt + dc
Trong đó:
Dt: Đường kính tang tời (mm)
dc: Đường kính cáp (mm).
- Đường kính tang tời ở lớp cuộn thứ hai:
Dt2 = Dt + 2dc
- Đường kính tang tời ở lớp cuộn thứ ba:

32


Dt3 = Dt + 4dc
- Đường kính tang tời ở lớp cuộn thứ tư:
Dt4 = Dt + 6dc
Từ thông số cơ bản của tời: Dt = 800 (mm), dc = 32 (mm), nên ta có:
Dt1 = Dt + dc = 770+ 32 =802 (mm)
Dt2 = Dt + 2dc = 770 + 2.32 = 834 (mm)
Dt3 = Dt1 + 4dc= 770 + 4.32 = 898 (mm)
Dt4 = Dt1 + 6dc= 770 + 6.32 = 962 (mm)
3. Tính toán hệ ròng rọc.
a. Xác định tốc độ móc nâng:
Tốc độ của móc nâng được tính theo công thức:
Vmóc =
Trong đó:
Dp: Đường kính tính toán của tang tời (ở lớp cáp cuối cùng)
Vmóc: Tốc độ móc, (m/s)
nitn: Số vòng quay của trục nâng ở tốc độ i (i = 1÷ 4)

m: Số nhánh cáp làm việc. Giả sử hệ hệ ròng rọc 5x6 nên: m=10
Tốc độ của móc nâng ở các cấp độ vân tốc:
V1móc = = = 0.17(m/s)
V2móc =

= = 0.19 (m/s)

V3móc =

= = 0.46 (m/s)

V4móc = = = 0.84 (m/s)
b. Hiệu suất hệ thống nâng thả:
ξ=
Trong đó:

β=1,03: Chỉ tiêu ngược của hiệu suất


z=5: Là số ròng rọc động.
Thay số ta có: ξ=0,85.
c. Tải trọng móc ở các cấp độ:
Ta có công thức:
Qm=
Trong đó :
Qm : Là tải trọng định mức của móc nâng.
N : Là công suất của tang tời.
ξ : Là hiệu suất nâng thả.
Vm : Là vận tốc móc.
Vậy ta có :

Q1m = = 2500 (tấn)
Q2m = = 2236 (tấn)
Q3m = = 924 (tấn)
Q4m = = 510 (tấn)
d. Tính toán trọng lượng bộ khoan cụ.
Tính toán cần nặng:
Dcn= (0,75÷ 0,85).dt = 0,8.215=172 (mm)
Chiều dài cần nặng:

Lcn =

KG c
q cn .cosθ .(1-

Trong đó:
K=1,25: Là hệ số cứu kẹt

gd
)
gt


Lcn: Là chiều dài cần nặng
qcn =138 (kG/m): Trọng lượng 1m cần nặng
Gc =12 (tấn) : Tải trọng đáy
θ0 =130 : Góc nghiêng của giếng
gd =1,5 (G/cm3): Trọng lượng riêng dung dịch khoan
gt =7,5 (G/cm3): Trọng lượng riêng của thép vật liệu làm cần
Vậy ta có:
Lcn = 139 (m).

Trọng lượng bộ cần nặng : Qcn= 139.0,138 = 19,18 (tấn).
Tính toán trọng lượng bộ cần khoan:
Áp dụng công thức:

Qck = L.qck .(1-

gd
)
gt

Trong đó:
L: Chiều dài cột cần khoan
Qck: Trọng lượng cột cần
qck = 31,9(kG/m): Trọng lượng 1 m cần khoan.
Vậy ta có :
Qck = (5500-139).0,0319.(1-0,2) = 136,81 (tấn).
Tính toán trọng lượng bộ dụng cụ khoan :
Q = Qcn + Qck + Qchoòng
Trong đó :
Qck : Là trọng lượng bộ dụng cụ khoan.


Qchoòng = 0,04 (tấn): Là trọng lượng choong.
Vậy:
Q = 19,18 + 136,81 + 0,04 = 156,03 (tấn).
4. Tính toán công suất nâng thả của tời ở các cấp tốc độ:
Áp dụng công thức:

N=

Q.1000.Vmoc
102.ξ

Thay số vào công thức trên ta được các kết quả:
= = 306 (kW)
= = 342 (kW)
= = 828(kW)
= = 1512(kW)
Từ các kết quả ta thấy công suất nâng ở tốc độ:
Nhỏ là :

N2 = 342 (kW) < Ntời = 500 (kW)

Lớn nhất là :

N4 = 1512 (kW) > Ntời = 500 (kW)

Ta thấy, công suất nâng thả ở tốc độ nhỏ n 2 đã nhỏ hơn công suất của tời. Trong
phần này ta đã giả sử cách mắc của hệ ròng rọc là 5x6 là cách bố trí số ròng rọc
nhỏ nhất đã thỏa mãn yêu cầu đề bài nên ta sử dụng luôn cách mắc này để tránh
lẵng phí.
Vì vậy ta chọn cách bố trí hệ ròng rọc : 5x6.


KẾT LUẬN
Mọi thiết bị dầu khí muốn được sử dụng với hiệu quả tốt nhất thì ta phải biết
được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, có chế độ làm việc, bảo dưỡng, sửa chữa định
kỳ đúng tiêu chuẩn và bộ môn thiết bị dầu khí đã đáp ứng được điều đó.
Trên giàn khoan thì tời khoan vô cùng quan trọng. Nó đặc biệt cần thiết cho
công tác nâng, thả bộ dụng cụ khoan. Nó biến chuyển động quay của động cơ

thành chuyển động tịnh tiến móc ròng rọc. Nó chuyền tải cho choòng khoan để phá
hủy đất đá. Đề tài:“Dựa vào sơ đồ động học của tời khoan, dựa vào bảng thông


số đã cho, hãy tính toán công suất nâng của tời khoan ở các tốc độ có thể có của
tời khoan” giúp sử dụng tời khoan đúng với công suất của nó.
Tuy nhiên do sự hạn hẹp về thời gian cũng như sự hạn chế về kiến thức và
kinh nghiệm chuyên môn nên cuốn đồ án này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Em
mong nhận được nhưng ý kiến đóng góp chân thành của thầy cô, các cán bộ
chuyên môn và bạn bè. Từ đó tạo điều kiện cho em rút ra được những kinh nghiệm
quý báu để vững vàng hơn khi ra ngoài thực tế.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn NGUYỄN
THANH TUẤN đã giúp đỡ, tạo điều kiện tốt nhất giúp em hoàn thành bản đồ án
này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Quyển: Kỹ thuật khoan dầu khi của NXB Giáo dục 1995 do J.P. Nguyễn,
người dịch: Lê Phước Hào,
2. Quyển: Máy và thiết bị nâng của NXB Khoa học và kỹ thuật
do PTS. Trương Quốc Thành, PTS. Phạm Quang Dũng biên soạn.
3. Quyển: Bài giảng thiết bị khoan thăm do của NXB Hà Nội Trường Đại
học Mỏ – Địa Chất do TS. Nguyễn Văn Giáp biên soạn.
4. Hướng dẫn sử dụng tời khoan Y2-55.
5. Bài gảng thiết bị dầu khi của thầy: Trần Văn Bản, bộ môn thiết bị dầu khí,
Đại học Mỏ - Địa Chất.
6. Cở sở tinh toán thiết kế dụng cụ khoan của thầy Trần Văn Bản, bộ môn
thiết bị dầu khí, Đại học Mỏ - Địa Chất.