Đồ án thiết bị khoan: 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

Mục Lục

1


LỜI NÓI 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.
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. Em đã được nhận 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 ".
Đồ án của em được chia thành 2 chương:
Chương 1: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tời khoan.
Chương 2: Tính toán động học của tời khoan.
Qua quá trình học tập tại trường, cũng như sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy
Nguyễn Thanh Tuấn, em đã hoàn thành đồ án này.Tuy nhiên trong quá trình
tìm hiểu và tiếp xúc chưa nhiều nên cuốn đồ án này còn nhiều hạn chế, song đây
là cơ hội rất tốt để em nâng cao nhận thức và hiểu biết về các thiết bị trong công
tác dầu khí mà cụ thể là tời khoan. Kính mong các thầy cô giáo, các bạn đọc
đóng góp ý kiến quý báu để cuốn đồ án này được hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Thanh Tuấn đã tận tình giúp đỡ

em hoàn thành cuốn đồ án này.
Hà nội, tháng 5 năm 2017.
Sinh viên thực hiện:
Đỗ Ngọc Quang

2


CHƯƠNG 1: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
CỦA TỜI KHOAN
1.1. Cấu tạo tời khoan:
1.1.1. Trục tang tời:

Trục tang tời là bộ phận quan trọng, đảm bảo độ an toàn cho bộ
thiết bị khoan, tuổi thọ lâu dài của máy. Vì vậy công việc thiết kế, chế tạo,
1.1.2.

lắp ráp, vận hành và bảo dường đòi hỏi chính xác và chất lượng.
Tang tời:
Tang tời là thiêt bị hình trụ được lắp trên trục tang tời. Trên tang tời
được xẻ rãnh xoắn theo chiều cuốn cáp để cáp được cuốn khít. Hai đầu

1.1.3.

1.1.4.

tang được luyện cứng và chống mài mòn, ở đó được lắp hai băng phanh.
Có tang tời chính và tang tời phụ.
Hệ thống phanh (hãm tời):
Dùng để phanh và dừng hẳn để treo bộ khoan cụ vào móc nâng

trong quá trình khoan hay chống ống.
Treo bộ cần khoan để điều chỉnh tải trọng.
Điều chỉnh tốc độ nâng thả.
Côn của tời:
Côn ly hợp dùng truyền momen nhất định từ trục dẫn sang trục bị
dẫn.
Côn ly hợp phải đảm bảo đóng nhanh và hoạt động hiệu quả dưới

1.1.5.

tác dụng của tải trọng lớn.
Hộp số của tời:
Dùng để thay đổi tốc độ cuốn cáp của tang tời.
Bao gồm: trục vào, trục ra, các trục trung gian, côn ly hợp bánh răng,

1.1.6.

bánh răng xích, xích.
Đầu mèo:
Là tang tời nhỏ được lắp hai bên tời khoan trên một trục riêng.
Đầu mèo dùng để cuốn các sợi xích để tháo lắp cần khoan, ống chống.

Có đầu mèo văn ren và tháo ren ống chống.
1.1.7.

Hệ thống điều khiển của tời khoan:
Là bộ phận tập trung các hoạt động điều khiển tời khoan.
3

Có các thiết bị kiểm tra thông số tời khoan trong quá trình làm việc.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo tời khoan
1. Cáp khoan

6. Bảng điều khiển

2. Phanh điện từ

7. Phanh cơ học

3. Xích truyền động cho bàn Rotor

8. Môtơ điện

4. Răng để tựa cáp khoan

9. Đầu mèo

5. Tay phanh cơ học

10. Đường rãnh cáp địa vật lý

1.2. 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.

4

1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan loại 1

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
4 – Trục trung gian.
5 – Ổ đỡ trục
6,7,8 - Bộ phận truyền chuyển động.
9 – Tời khoan.
10 – Ly hợp ma sát.
11- Ly hợp cam.
12 – Truyền chuyển động ra Roto.
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.
5


1.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan loại 2

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.
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
6


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).
1.2.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tời khoan 3

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 cam;
10 – Tời khoan phụ;
11 – Tời khoan chính;
12 – Ly hợp ma sát đĩa;
13 – Truyền chuyển động quya ra bàn roto.
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
7


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).

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CỦA TỜI KHOAN
BẢNG THÔNG SỐ TÍNH TOÁN
STT

Các thông số

01

Công suất trục tời

02

Chiều sâu giếng

Đơn vị
HP
m

8

I
550
5000


03

Hệ ròng rọc

5x6

04

Loại cần khoan

05

Trọng lượng riêng của
dung dịch

G/cm

1,5

06

Tốc độ quay của chòong

v/ph

300

07

Đường kính chòong

mm

215

08

Tốc độ vào hộp số của tời

v/ph

320

09

Góc nghiêng trung bình của
giếng

θo

18

10

Tải trọng lên đáy khi khoan

tấn

13

11

Chiều cao tháp

m

56

12

Đường kính tang tời

mm

850

13

Loại động cơ dẫn động

14

Tải trọng móc

mm

141
3

Diezen
tấn

300

Với bảng thông số trên ta lựa chọn tời khoan loại 2, có 4 cấp tốc độ phục
vụ cho công tác khoan. Sau khi khởi động, động cơ điện truyền chuyển động
qua khớp nối và cho tốc độ ban đầu n 0 đi vào tời. Qua cặp bánh răng (32;58),
tốc độ được truyền vào trục truyền n1. Thông qua các cặp bánh răng (35;27),
(35,47), (22,47) sẽ có 3 cấp tốc độ truyền sang trục trung gian. Từ trục này,
thông qua cặp bánh răng (36,72) và từ trục truyền (43,33), tốc độ sẽ được

truyền sang trục nâng.
2.1. Xác định các tốc độ từ :
* Các thông số cơ bản của tời:
- Tải trọng móc
Q = 300 T.
- Công suất trục tời
N = 550HP = 550 x 0,736 = 404,7 kw.
- Hệ ròng rọc
5x6
- Số nhánh cáp làm việc
m = 10.
- Đường kính tang tời
= 850 mm.
- Tốc độ từ trục dẫn động vào tời = 320 v/ph.
* Xác định các thông số của tời:
-

Tốc độ trục truyền:
9


32
58

=.

-

= 176,5 (v/ph)

Tốc độ của trục trung gian:

=.

=.

=.

-

= 320 .

32
58

22
47

35
47

35
27

= 176,5 .

= 176,5 .

= 176,5 .

22
47

35
47

= 82,6 (v/ph)

= 131,4 (v/ph)

35
27

= 228,8 (v/ph)

Tốc độ của trục nâng:

=.

36
72

=.

=.

= .

= 82,6.

36
72

36
72

43
33

36
72

= 131,4.

= 228,8.

= 176,5.

10

= 41,3 (v/ph)

36
72

36
72

43
33

= 65,7 (v/ph)

= 114,4 (v/ph)

= 230 (v/ph).


- Tốc độ trên trục dẫn bàn Roto:
n1roto = 41,3. = 31,8 (v/ph)
n2roto = 65,7. = 50,7 (v/ph)
n3roto = 114,4. = 88,2 (v/ph)
n4roto = 230. = 177,3 (v/ph)
2.2. Xác định tốc độ móc:
2.2.1. Xác định cáp:
Với hệ ròng rọc 5 x 6 mắc đối xứng ta có số nhánh cáp làm việc m=10.
Hệ số hiệu dụng của ròng rọc là:
Ƞr =
Trong đó: m là số nhánh cáp làm việc, m = 10.
Ƞ là hệ số hiệu dụng của puli, lấy ƞ = 0,97.
Thay vào ta có Ƞr = 0,86.
Sức căng lớn nhất của cáp cuốn khi nâng bộ khoan cụ là:
Pt =
Trong đó: là tải trọng lớn nhất trên móc,
11


λ là hệ số quá tải động cơ diesel, λ = 1,1.
Ta có được: ≥ với n = 3 là hệ số an toàn.
là ứng lực kéo đứt cáp.

Từ đó suy ra ≥
Thay số vào ta có ≥ 61,4 T.
Căn cứ vào bảng đặc tính của cáp tời ta chọn loại cáp K-PO có các đặc tính sau:

-

Cáp có 186 sợi.
Đường kính cáp = 32mm.
Ứng lực kéo đứt cáp = 62,6 T.

2.2.2. Xác định đường kính tính toán của tang tời:
Số lớp cáp cuốn trên tang là 3 lớp vì để tránh hỏng mòn cho cáp.
- Lớp thứ nhất: = + = 850 + 32 = 882 (mm)
- Lớp thứ hai : = + 2. = 850 + 2.32 = 914 (mm)
- Lớp thứ ba
: = + 4. = 850 + 4.32 = 978 (mm).
2.2.3. Tốc độ móc nâng được tính theo công thức sau:
=
Trong đó:

-

là tốc độ móc nâng.
là đường kính tính toán của tang tời (ở lớp cáp cuối cùng).
là số vòng quay của trục nâng ở các cấp tốc độ.
là số nhánh cáp làm việc.

12

=
=

= = 0,21 (m/s)
= = 0,34 (m/s)

=

= = 0,59 (m/s)

=

= = 1,18 (m/s).

2.3. Xác định hiệu suất hệ thống thả:
- Ta có công thức tính:
=
Trong đó: β là chỉ tiêu ngược của hiệu suất (β = 1,03).
Z là số ròng rọc động.
Thay số ta có = 0,85.
2.4. Xác định tải trọng móc ở các tốc dộ khác nhau:
- Ta có công thức tính: =
Trong đó: là tải trọng định mức của móc nâng.
N là công suất tang tời.
là hiệu suất nâng thả.
là tốc độ móc.
13


-

Vậy ta có được:
Q1m =
Q2m =
Q3m =
Q4m =

= 1660,2 (T)
= 1019,3 (T)
= 587,4 (T)
= 293,7 (T)

2.5. Tính toán trọng lượng bộ khoan cụ.
Tính toán cần nặng:
Dcn= (0,75÷ 0,85).Dc = 0,8.215 = 172 (mm)
Chiều dài cần nặng:

Lcn =

KG c
q cn .cosθ .(1-

gd
)
gt

Trong đó:
K = 1,25: Là hệ số cứu kẹt
Lcn: Là chiều dài cần nặng
qcn = 138 (kG/m): Trọng lượng 1m cần nặng

Gc = 13 (tấn): Tải trọng đáy
θ = 180: Góc nghiêng của giếng
14


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 = 155 (m).
Trọng lượng bộ cần nặng: Qcn= 155.0,138 = 21,39 (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 = (5000-155).0,0319.(1- ) = 123,64 (tấn).
15


Tính toán trọng lượng bộ dụng cụ khoan:
Q = Qcn + Qck + Qchoong + Qđt

Trong đó:
Qck : Là trọng lượng bộ dụng cụ khoan.
Qchoong = 0,04 (tấn): Là trọng lượng choòng.
Qđt

= 0,3 (tấn) trọng lượng định tâm

Vậy:
Q = 21,39 + 123,64+ 0,04 + 0,3 = 145,37 (tấn).
2.6. 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:
N1 = = 352,11 (kW)
N2 = = 570,08 (kW)
N3 = = 989,25 (kW)
16


N4 = = 1978,51 (kW).
Nhìn vào các kết quả trên ta thấy công suất nâng ở tốc độ nhỏ nhất là
N1 = 352,11 (kW) < Ntời = 404,7 kw. Do vậy ta chọn tốc độ là tốc độ để nâng bộ
dụng cụ khoan khi trọng lượng lớn nhất.
Để sử dụng các tốc độ còn lại khi thực hiện quá trình nâng bộ dụng cụ thì ta
thực hiện như sau: tiến hành nâng bộ khoan cụ có khối lượng lớn nhất bằng , sau

khi lên 1 đoạn dài ta sẽ thay đổi tốc độ khác lớn hơn để nâng bộ khoan cụ vì khi
này công suất nâng sẽ phù hợp với công suất tời. Ta có thể tính toán như sau:
Ta kéo bộ khoan cụ với từ độ sâu 5000m lên đến 2800m:
Trọng lượng bộ khoan cụ lúc này sẽ còn là:
Qbkc = (2800-155).0,0319.(1- ) + 21,39 + 0,04 + 0,3 = 89,23 (T).
Công suất nâng ở tốc độ = 0,34(m/s) là:
N2 = = 349,9 (kW) < 404,7 kw.
Vậy từ 2800m trở lên ta dùng để nâng bộ khoan cụ.
b. Ta kéo bộ khoan cụ với từ 2800m đến 1100m:
Trọng lượng bộ khoan cụ lúc này sẽ còn là:
Qbkc = (1100-155).0,0319.(1- ) + 21,39 + 0,04 + 0,3 = 46,2 (T).
Công suất nâng ở tốc độ = 0,54(m/s) là:
a.
-

-

N3 =

= 287,8 (kW) < 404,7 kw

Vậy từ 1100m trở lên ta dùng để nâng bộ khoan cụ.
Còn tốc độ = 1,18 m/s ta sẽ dùng để kéo khi làm việc ở chế độ không tải
hoặc tải nhỏ.
KẾT LUẬN:
Ta sẽ thực hiện nâng thả bộ khoan cụ với các tốc độ và độ sâu tương ứng như
sau:
17

-

Kéo bộ khoan cụ với= 0,21 m/s từ độ sâu 5000m lên đến 2800m.
Kéo bộ khoan cụ với = 0,34 m/s từ độ sâu 2800m lên đến 1100m.
Kéo bộ khoan cụ với = 0,59 m/s từ độ sâu 1100m trở lên.
Kéo không tải hoặc tải nhỏ với = 1,18 m/s.

18