TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐẠI CHẤT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

“quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và
sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 -
500/500 trên giàn khoan Tam đảo – 01” Nguyễn Sỹ Cường
Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 2 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
LỜI NÓI ĐẦU



Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 3 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

PHẦN I: CÔNG TÁC KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN
ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG

CHƯƠNG I: CÔNG TÁC KHOAN
Với trình độ khoa học hiện nay chưa có một phương pháp nào mà từ
trên mặt đất có thể phát hiện dầu khí nằm sâu trong lòng đất hoặc trong lòng
đại dương một cách chính xác. Các giếng khoan dầu khí đã được thực hiện
nhằm xác định được khả năng chứa dầu, tính chất về địa chất của vùng dầu
sau đó mới đem vào khai thác. chiều sâu của một giếng khoan dầu khí, để đạt
được mục tiêu của nó, có thể thay đổi từ vài trăm mét đến 10.000m. Nhưng
trung bình là khoảng 2.500m, giếng khoan sâu trên 3.500m, giếng khoan cực
sâu là trên 4.500m, giếng khoan sâu nhất trên thế giới được biết là khoảng
15.000m .
Giếng khoan là một công trình rất tốn kém, vì vậy cũng như mọi vấn đề
đâu tư làm các công trình khác, cần phải nghiên cứu và lập kế hoạch hết sức
kỹ càng mới thực hiện được nó.
Bước đầu tiên của việc nghiên cứu này nhằm xác định cấu trúc địa tầng
của tầng đất đá, sau đó mới phác hoạ được cấu trúc mặt cắt của giếng khoan
trên lý thuyết.
Việc xây dựng mặt cắt và các phương pháp để đạt tới mục tiêu là kết
quả làm việc tập thể của nhiều người thuộc nhiều bộ phận chuyên môn khác
nhau. Sau khi thiết kế và được sự đồng ý về kế hoạch khoan. dưới sự chỉ đạo
của phòng công nghệ khoan và các ban nghành liên quan bao gồm đội khoan,
cán bộ kĩ thuật mới bắt đầu thực hiên.
Nói chung công tác khoan bao gồm các bước sau:
- Công tác xây lắp và chuẩn bị mọi mặt cho công tác thi công.

công ty khai thác quản lý.
- bước tiếp theo là thu dọn khoan trường và chuyển đến địa điểm mới. Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 5 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG
QUAY CHO CHOÒNG KHOAN
Dầu khí là một dạng năng lượng hóa thạch tồn tại chủ yếu trong lòng
đất đá nằm ở trên đất liền hoặc ở dưới biển dưới dạng các mỏ còn gọi là mỏ
dầu. Để khai thác được chúng con người cần tạo một lỗ khoan vào sâu trong
lòng đất. Để làm được điều đó cần có động cơ dẫn động choòng khoan. Sau
đây là các phương pháp dẫn động cho choòng.
2.1 . Khoan bằng động cơ đáy
Trong công tác khoan dầu khí việc sử dụng động cơ dẫn động cho
choòng khoan là một vấn đề cần thiết và được tính toán hết sức cẩn trọng. Bởi
nó không chỉ ảnh hưởng tới cả quá trình khoan sau này, mà còn ảnh hưởng tới
kinh tế khi thi công một giếng khoan dầu khí trên biển. Trên thực tế việc sử
dụng những loại động cơ dẫn động cho choòng, đã được các nhà thầu khoan
áp dụng từ lâu. Qua những kiến thức trên lớp và thực tế tôi sẽ giới thiệu sơ
qua về nguyên lý cấu tạo và tính năng tác dụng của những loại động cơ dùng
để dẫn động quay cho choòng khoan.
Có 3 loại động cơ chính dẫn động cho choòng:
 Động cơ khoan điện;
 Tua bin khoan;
 Động cơ trục vít.
2.2.1. Khoan 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

cánh cong của Rôto làm đĩa Rôto quay dẫn đến trục Rôto quay. Ở Rôto chất
lỏng tham gia 2 chuyển động với 2 vận tốc. Vận tốc tương đối U
1
(thành phần
nằm ngang) làm quay đĩa Rôto và W
1
(thành phần thẳng đứng) theo hướng
của cánh cong, véctơ của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hướng, và đi ra khỏi
Rôto là C
2
, với vận tốc này dòng dung dịch đi vào rãnh của đĩa Stato. Ở tầng
tiếp theo với vận tốc tuyệt đối C
2
và ở đây lại lặp lại như ở tầng 1.
Cấu trúc của tuabin:
 Tuabin đơn:
Được tạo thành bằng vỏ tuabin và gắn chặt với đĩa Stato của tuabin, ở
phía bên trong có trục tuabin gắn với đĩa Rôto để treo trục. Bên trong tuabin
phải có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan không xâm
nhập vào ổ trục chính, do vậy người ta có thể đặt ổ tựa chính ở phía dưới để
nâng toàn bộ khối Rôto. Tuỳ theo chiều dài của tuabin người ta có thể lắp từ
2-3 ổ tựa ngang. Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối
với đầu dưới của cột cần khoan. Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đế
này được bịt kín giữa phần tuabin và trục tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằm
đảm bảo áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình làm
việc.
*Tuabin kép:
Khi khoan các tầng đất đá dẻo để thực hiện quá trình phá huỷ đất đá ở
các giếng có chiều sâu lớn, do lưu lượng dung dịch nhỏ do vậy giá trị mômen
và công suất của tuabin không đủ đáp ứng quá trình khoan. Vậy để đáp ứng

Tuabin làm việc với số vòng lớn ít phù hợp với đa số loại choòng chóp
xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay chậm)
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 9 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động
tuabin, đặc biệt đối với các giếng khoan sâu thì việc này rất khó thực hiện.
Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn, phức tạp.
Quá trình bảo dưỡng, sữa chữa tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay
di động hoặc bàn Rôto.
2.1.2. Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor)

Hình 2.2. mặt cắt ngang của động cơ trục vít.

Hình 2.3. Hình dạng ngoài của động cơ trục vít
* Động cơ trục vít có ba kiểu chính:
 Động cơ trục vít tốc độ thấp
 tốc độ trung bình
 Động cơ trục vít tốc độ cao
Có mômen quay cao rất phù hợp với quá trình cắt xiên và khoan ngang,
đặc biệt việc tăng đường kính giếng mở rộng thân giếng khoan và ống chống
hoặc khoan lấy mẫu đạt hiệu quả tốt.
Động cơ trục vít tốc độ trung bình:
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 10 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Có thể tăng vận tốc cơ học khoan khi duy trì thời gian làm việc dài của
choòng. Thường được sử dụng khi khoan giếng thẳng đứng và khoan giếng có
khoảng dịch đáy lớn.
Động cơ trục vít tốc độ cao:
Mômen quay nhỏ được dùng để khoan ngắn hoặc cắt thân giếng khoan
vì trong từng điều kiện cụ thể mà ta chỉ có thể lựa chọn chính xác phương của

trên các ổ trượt cao su.
Phần dưới của động cơ có các ổ bi đỡ để tiếp nhận toàn bộ tải trọng
chiều trục trong quá trình làm việc. Đầu trên và đầu dưới của trục có lắp các
phớt chắn dầu. Khoảng trống trong động cơ được lấp đầy dầu, áp suất dầu
trong động cơ luôn phải 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 xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động
cơ bị đốt nóng thì áp suất sẽ giảm cần phải bù thêm.
Đặc tính không tải của động cơ là dòng tăng rất nhanh khi số vòng
quay tăng ít. Vì vậy khi khởi động và chất tải cần phải 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.
* Ưu nhược điểm:
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 phải an toàn tuyệt
đối.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 12 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ, áp suất
tương đối cao, khả năng bảo 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

Đặc tính kỹ thuật của bàn rôto là: tần số quay và số tốc độ truyền công
suất, tải trọng tĩnh cho phép lên rôto và đường kính lỗ bàn rôto.
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 cần chủ đạo (hay
còn gọi là các chấu chèn).
Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto
trong công tác khoan dầu khí thì điều kiện lỗ bàn rôto 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.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 14 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
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 ra làm 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ
chính ở trên và 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 tải trọng từ đáy do rung động của cột
khoan và phản lực đáy gây nên.
a) Ưu, nhược điểm:
* Ưu điểm:
Bộ phận cơ khí này có kết cấu đơn giản và rất ít phải bảo dưỡng.
Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình kéo
thả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.
* Nhược điểm:
Không dùng để khoan lấy mẫu do phải 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.
Sử dụng thiết bị đầu quay rôto không dùng được tần số cao.
2.2.2 Đầu quay di động (TopDrive)

- Phải 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 phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều
so với hệ thống bàn rô to và cần chủ đạo.

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 17 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

PHẦN II: SỬ DỤNG, BẢO DƯỠNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG PS2-
500/500 TẠI GIÀN KHOAN TAM ĐẢO 01

CHƯƠNG III: CẤU TẠO CHỨC NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU
QUAY DI ĐỘNG

3.1 Lịch sử phát triển và nguyên lý cấu tạo
Từ việc khoan chủ yếu bằng phương pháp khoan đập trong những năm
cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 thì trong những thập niên sau này phương pháp
khoan roto đã chứng minh được khả năng ưu việt của nó. Để khoan được
chiều sâu lớn. Thời gian khoan nhanh, đem đến hiệu quả cao về kinh tế.
Trong những năm 80 của thế kỉ 20 thì trên thế giới xuất hiện một thiết bị
khoan mà chúng kết hợp với đầu xoay thuỷ lực cộng với sự quay của cột cần
nhờ động cơ gắn trực tiếp. Thiết bị này người ta gọi là đầu quay di động hay
con gọi là topdriver.
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 Đảo và Cửu Long. Đây
cũng là dấu hiệu cho sự phát triển của nghành dầu khí nước ta sau này.

khoan với sự làm giảm 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 tải lên ren và đặt xấp xỉ tải
Topdrive để thả 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 giảm 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, thả ống chống với cột ống dựng.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 19 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
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 tải trọng
tập trung vào ổ đỡ của đầu thủy lực trong khi khoan.
Topdrive làm việc có hiệu quả hơn, khả 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
giản 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.
Sản phẩm của hãng Tesco được sử dụng trên cả đất liền và trên biển.
Nó có khối lượng là 12.000pounds, do đó làm giảm tải trọng cho tháp khoan
và lắp ráp cũng như vận chuyển dễ dàng.
Các sản phẩm của hãng: Tesco-500T, Tesco-350T

thông số cơ bản:
- tốc độ quay không tải lớn nhất : 1200 vòng/phút.
- mômen lớn nhất 66200 ft-lb tuong đương với
99300 N.m.
- Áp suất làm việc lớn nhất của cụm ống rữa 500
psi.
- Tải trọng móc nâng lớn nhất 500 tấn

Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 21 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

3.2. Cấu tạo và chức năng hoạt động của đầu quay di động PS2-500/500
Topdriver là thiết bị khoan hiện đại, đạt năng suất khi khoan. Do đó nó
có cấu tạo tương đối phức tạp. Do vậy, để biết rõ nó ta phải tìm hiểu kĩ.

Hình 3.1. Hình dáng bên ngoài của topdriver PS2-500/500
1 – Hệ thống vành đĩa chịu lực;
2 – vành quay;
3 – Hệ thống xi lanh khí nén điều khiển elevator;
4 – elevator;
5 – Đường ống dung dịch;
6 – Hệ thống kẹp cần khoan;
7 – Hệ thống van cầu và bộ vòng kẹp.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 22 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
3.2.1 Blốck cân bằng


dàng đo được mức dầu.
- Hệ thống bánh răng và ổ bi
Hộp số có kết cấu là một cặp bánh răng nghiêng giảm tốc. Hộp số có
hai cấp tốc độ đó là :
4,05 : 1 cho tốc độ cao mômen nhỏ và 8,23 : 1 cho tốc độ thấp mômen
lớn.
Hệ thống ổ bi của đầu xoay di động là các ổ bi có độ côn nên có khả
năng chịu lực dọc trục.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 24 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu
Hình 3.3 Hộp số Topdrive
 Hệ thống bôi trơn hộp số.
Trường Đại Học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Nguyễn Sỹ Cường 25 Lớp thiết bị K49_Vũng Tàu

Hình 3.4. Hệ thống bơm dầu bôi trơn

Do hộp số đặt thẳng đứng vì vậy cân phải có hệ thông bơm dầu bôi trơn
cho các bánh răng nằm phía trên. Có hai bầu lọc đảm bảo dầu bôi trơn được
lọc sạch. Bầu lọc này nằm ở phía ngoài hộp số cho phép có thể thay thế nếu
cần thiết. Một cái cảm biến áp suất được lắp phía trong bầu lọc có thể cho thợ
khoan biết được sự mất áp suất dầu trong bơm. Trong trường hợp thợ khoan
thử tháo bầu lọc ra trong quá trình vận hành đường hút dầu của bơm sẻ tự
động bị van ngắt. Khả năng chứa của hộp số là 41 gallon.
- Cơ cấu chuyển đổi số:
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.