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,23 tháng 5 năm 2017.
Sinh viên thực hiện:
Đào Duy Tùng

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, lắp
1.1.2.

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 tang

1.1.3.

1.1.4.

1.1.5.

1.1.6.

1.1.7.

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 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,
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.
Hệ thống điều khiển của tời khoan:
Là bộ phận tập trung các hoạt động điều khiển tời khoan.
Có các thiết bị kiểm tra thông số tời khoan trong quá trình làm việc.

3


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. Sơ đồ động học của tời khoan.
Qua hình vẽ 1.2, ta thấy tời Y2 - 55 có 5 vận tốc, trong đó có 4 vận tốc
của trục nâng IV được truyền từ trục số qua trục các đăng I và trục cao tốc II của
hộp số. Sau đó qua các cặp bánh răng có tỉ số truyền 27/93 để truyền tới trục
giảm tốc III. Từ lực này chuyền qua sang trục IV bằng côn hơi kép 15. Để côn
hơi làm việc thì khí nén được nạp vào miệng 16 và được điều khiển từ bảng điều
khiển.

4

Vận tốc thứ 5 là vận tốc độc lập, dùng để nâng êlêvatơ. Nó được truyền từ
hộp số dẫn động qua trục các đăng VIII đến IX. Sau đó truyền đến trục IV thông
qua bánh xích 7, xích 6 và cụm bánh xích 13.
Cụm bánh xích 13 được lắp trên hai vòng bi đũa. Nó còn được dùng để
truyền chuyển động cho trục tời phụ X. Việc đóng ngắt vận tốc số 5 được thực
hiện bằng côn hơi 14 thông qua miệng nạp khí 16 để cung cấp nguồn khí cho
côn hơi này từ bảng điều khiển.
Tời phụ nhận được chuyển động qua bộ bánh xích 13, cặp bánh răng
19/35, xích 6, trục tời X. Trục tời quay sẽ truyền chuyển động đến bộ bánh răng
hành tinh, nếu đóng côn ma sát của tời phụ thì tời phụ sẽ làm việc.
Để truyền chuyển động cho Rotor thông qua trục các đăng trục II. Cặp
bánh răng 27/44 sẽ được tiếp tục truyền chuyển động các tốc độ cho trục VI.
Nếu đóng khớp nối vấu 19, côn hơi MP500 thì bánh xích 21 sẽ truyền lực quay
đến rotor với các cấp tốc độ khác nhau. Ở đầu trục VII có miệng nạp khí 22 để
đóng côn hơi MP500 (20). Việc đóng ngắt côn hơi này được thực hiện từ bảng
điều khiển. Cấu tạo của tời Y2 - 55 cho phép trong khi trục nâng của tời vẫn
hoạt động thì Rotor vẫn nhận được chuyển động quay, đồng thời nguyên công
quay Rotor trong khi thả bộ khoan cụ.
Trong nguyên công quay thả bộ khoan cụ, trục nâng tách khỏi nguồn cấp
lực bằng ngắt côn hơi MP1070 (15) và được nối với phanh thuỷ lực bởi khớp
nối vấu 9. Chuyển động quay lúc này do trọng lực của bộ ròng rọc động và bộ
khoan cụ tác động. Vận tốc thả khoan cụ sẽ được điều chỉnh bằng phanh cơ học
12 và mực nước vào phanh thuỷ lực 8.
Như vậy khi thả bộ khoan cụ vận tốc sẽ đều, từ từ không gây hư hỏng bộ
khoan cụ cũng như làm hỏng phanh cơ học.

5

6


Hình 1.2. Sơ đồ động học của tời Y2-55.

7


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
8


19: Khớp nối cứng

Bảng 1.1: Các thông số cơ bản của tời Y2-55.

STT

Nội dung

Đơn vị

Đặc tính

1

Công suất

KW

810

2

Đường kính cáp

Mm

Ф 32

3

Số vận tốc

4

Vận tốc cáp

m/s

2,5 ÷ 15,8

5

Đường kính tang tời

mm

800

6

Chiều dài tang tời

mm

1000

7

Đường kính tang phanh

mm

1450

8

Chiều rộng tang phanh

mm

250

9

Chiều dài m cáp Ф 18

mm

3000

10

Chiều dài m cáp Ф 32

mm

900

5

Nguyên lý hoạt động của tời khoan.
Trước khi vận hành tời, phải căn cứ vào cột cần khoan hoặc ống chống để lựa

1.2.1

chọn chế độ điện cho động cơ và lựa chọn tốc độ nâng của tang tời chính, lựa
chọn đầu tời phụ ở chế độ tháo cần hay siết cần để chọn chuyển động điện.
Sau khi chọn xong các chế độ trên, bật công tắc khởi động để hai động cơ
điện (17) làm việc. Động cơ điện truyền chuyển động qua khớp nối răng (Z =
25 và Z = 28) làm quay trục trung gian và quay hai đĩa răng xích ở hai đầu
trục. Từ hai đĩa xích này, truyền chuyển động qua bộ truyền xích (Z= 28 và Z
= 38) làm quay đĩa xích tốc độ nhanh (Z = 38) và bộ truyền xích (Z = 25 và Z
= 77).

9


Khi đó nếu chọn chế độ làm việc của tời ở tốc độ thả nhanh (thả cần, kéo
các vật nhẹ,…) thì đĩa xích tốc độ nhanh sẽ làm quay côn nhanh (3) để truyền
chuyển động quay đến trục tời.
Nếu chọn chế độ làm việc của tời ở tốc độ chậm (kéo cần, kéo các vật
nặng,…) thì đĩa xích tốc độ chậm sẽ làm quay côn chậm (2) để truyền chuyển
động quay đến trục tời.
Tời khoan muốn làm việc phải thông qua hệ thống ròng rọc động và ròng
rọc tĩnh, như vậy đòi hỏi tháp phải có sự ổn định vững chắc để đóng vai trò

như là ổ tựa cho hệ thống tời khoan làm việc.
Trong quá trình làm việc, tời khoan phải tạo được mômen thắng trọng
lượng bản thân của tời. Cơ cấu dẫn động của tang tời tạo lên được mômen
hãm lớn để thắng mômen quán tính của các phần quay vì thế khi khởi động
thì mômen và công suất của tời đạt giá trị cực đại.

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tời.
1: Cụm trục tang tời

11. Dầm đỡ

2: Côn ly hợp chậm

12. Trục truyền trung gian

3: Côn ly hợp nhanh

13. Cụm trục truyền động
10


4: Cụm phanh chính

14. Bộ phận cấp dầu bôi trơn

5: Đầu nối không khí với nước

15. Buồng điều khiển chính

6: Ly hợp an toàn

16. Buồng điều khiển phụ

7: Cụm trục tời phụ

17. Động cơ điện

8: Khớp ly hợp

18. Bộ hãm quán tính

9: Đầu mèo

19. Phanh điện

10: Bộ hãm tời phụ

20. Bộ điều khiển mực nước

21. Cụm khớp ly hợp.

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

Các thông số

01

Công suất trục tời

Đơn vị
HP

11

I
550


02

Chiều sâu giếng

m

5000

03

Hệ ròng rọc

04

Loại cần khoan

mm

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

5x6
141
3

Diezen
tấn

300

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:
= . . = 320 . . = 106 (v/ph)

-

Tốc độ của trục trung gian:

12


= . = 106 . = 38 (v/ph)
= . = 106 . = 39 (v/ph)
= . = 106 . = 101 (v/ph)
= . = 106 . = 184

-

(v/ph)

Tốc độ của trục nâng:
= . = 38 . = 26 (v/ph)
= . = 39 . = 27 (v/ph)
= . = 101 . = 70 (v/ph)

= . = 821 . = 127 (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.
13


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,
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).
- Lớp thứ tư
: = + 6. = 850 + 6.32 = 1042 (mm).

14


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.

-

=
=

= = 0,14 (m/s)
= = 0,15 (m/s)

=

= = 0,38 (m/s)

=

= = 0,7 (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 rong rọc động.
Thay số ta có = 0,85.

15


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.

-

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

= 2457,11 (T)
= 2293,3 (T)
= 905,25 (T)
= 491,42 (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

16


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
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
17


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).
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).
18


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 = = 234,74 (kW)
N2 = = 251,50 (kW)
N3 = = 637,15 (kW)
N4 = = 1173,69 (kW).
Nhìn vào các kết quả trên ta thấy công suất nâng ở tốc độ nhỏ nhất là
N1 = 234,74 (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 = 0,15(m/s) là:
N2 = = 154,38 (kW) < 404,7 kw.

a.
-

19


-

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 = 0,38(m/s) là:
N3 =

= 202,49 (kW) < 404,7 kw

Vậy từ 1100m trở lên ta dùng để nâng bộ khoan cụ.
Còn tốc độ = 0,7 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:

-

Kéo bộ khoan cụ với= 0,14 m/s từ độ sâu 5000m lên đến 2800m.
Kéo bộ khoan cụ với = 0,15 m/s từ độ sâu 2800m lên đến 1100m.
Kéo bộ khoan cụ với = 0,38 m/s từ độ sâu 1100m trở lên.
Kéo không tải hoặc tải nhỏ với = 0,70 m/s.

20


21