Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Đ
ồ án tốt nghiệp

“Tổng quan về các phương pháp khoan, khoan bằng
Topdrive – Giới thiệu Topdrive Varco TDS-8SA. Tính
chọn đầu quay di động cho một giếng khoan”.

SV: Trần Hải Sơn
Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 2
LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang được phát triển rất

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 3
chưa thật chính xác. Bên cạnh đó còn hạn chế về mặt thực tiễn sản xuất, thời
gian làm đồ án. Mặc dù vậy với sự cố gắng của bản thân và được sự hướng dẫn
tận tình của thầy giáo-GVC: Trần Văn Bản, các thầy giáo trong bộ môn và các
bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành bản đồ án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí
và công trình, đặc biệt là thầy giáo GVC: Trần Văn Bản và các bạn đồng
nghiệp đã tận tình chỉ bảo giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp n
ày.

Hà nội tháng năm 2011
Sinh viên thực hiện: Trần Hải Sơn
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN

1.1. Giới thiệu các phương pháp khoan
1.1.1. Phương pháp khoan tuabin
Khoan tuabin là phương pháp khoan trong đó chuyển động quay của
choòng được truyền trực tiếp từ động cơ đặt ngay phía trên choòng, nét đặc
trưng của phương pháp khoan này là cột cần khoan đứng im trong quá trình
khoan. Khoan tuabin có thể được chia làm 3 dạng chính, dựa vào loại động cơ
được sử dụng, đó là:
 Động cơ điện;

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 lại với nhau nhờ
vào một đầu nối đặc biệt gắn trên zamốc.
b. Ưu, nhược điểm
Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ và mômen
khoan. Ngoài ra, do cần khoan đứng im trong quá trình khoan do đó góp phần
tăng tuổi thọ của cần khoan. Bên cạnh những ưu điểm trên, khoan bằng động cơ
điện chìm còn có những nhược điểm như sau:

Yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệt đối;

Tuổi thọ của động cơ không cao do phải làm việc dưới nhiệt độ và áp
suất tương đối lớn;

Khả năng bảo dưỡng phức tạp, khó khăn. Chi phí cho công tác vận
hành tốn kém.
Qua ưu, nhược điểm của động cơ điện chìm, thì trên thực tế ít được ứng
dụng rộng rãi do nó mang lại hiệu quả kinh tế không cao. Hiện nay, loại động
cơ này đang ở trong giai đoạn thử nghiệm.
1.1.1.2. Khoan bằng tuabin khoan
a. Nguyên lý cấu tạo
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 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. Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối vào

vận chuyển. Để giải 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).
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 7
Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thay
đổi tùy theo tải trọng và độ cứng của đất đá khoan qua. Mômen quay choòng và
tốc độ quay tỷ lệ nghịch với nhau, tải trọng tác dụng lên choòng càng lớn, tốc
độ quay càng giảm.
Quan hệ giữa mômen quay (M), công suất (N), hệ số hiệu dụng (

) và
tốc độ quay (n) của trục tuabin được thể hiện trên biểu đồ sau:
nkt
n
N=ƒ(n)
f (n)
M=ƒ(n)
Mh

Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần trong khoan tua bin

Khi tốc độ quay
0
n

mômen quay đạt giá trị cực đại gọi là mômen hãm

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 tải sang chế độ hãm, tổn thất áp
lực chỉ tăng lên ít (10

15 %).
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 8
Mọi nhận xét trên đều rút ra trong trường hợp lưu lượng dòng chảy (Q)
không thay đổi. Quan hệ giữa n, P, M,

và N khi Q không đổi gọi là đặc tính
làm việc của tuabin.

Hình 1.3 Đường đặc tính làm việc của tua bin

b. Ưu, nhược điểm của khoan tuabin
* Ưu điểm:


Không phải 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;

Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp;


Quá trình bảo dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động
hoặc bàn rôto.
1.1.1.3. Khoan bằng động cơ trục vít PDM (Positive Displacement mud
Motor)
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Động cơ PDM hoạt động dựa trên nguyên lý Moinơ và được cấu tạo bởi
các thành phần cơ bản sau: Hình 1.4 Cấu tạo động cơ trục vít

Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình kéo
thả 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 khoảng không vành xuyến. Các lỗ này được
đóng trong suốt quá trình khoan để dung dịch đi qua động cơ. Trong quá trình
kéo thả, khi bơm dung dịch ngừng hoạt động áp suất sẽ giảm 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.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 10
Stato: Được đúc bằng cao su dạng rãnh xoắn tương ứng với rôto (số rãnh

Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng có chứa
tạp chất và không có tính chất bôi trơn, bởi vì các chi tiết ít bị mài mòn, sự
phân bố chất lỏng động cơ được tự động nhờ sự biến đổi liên tục vị trí không
gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 11
Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang định hướng
đặc biệt đối với các giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đường kính bé
và trong công tác sửa chữa giếng.
1.1.2 Phương pháp khoan xoay
Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay của
choòng được truyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan. Có hai dạng
chính là sử dụng bàn rôto và sử dụng đầu quay di động (top drive).
1.1.2.1. Khoan bằng bàn rôto
a. Chức năng và nguyên lý cấu tạo của bàn xoay rôto
* 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 tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;

Tiếp nhận các phản 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.

đỡ chính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân thành 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 cần khoan và phản lực
gây nên.
b. Ưu, nhược điểm của bàn xoay rôto
* Ưu điểm:


Kết cấu đơn giản, 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.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 13
* 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.

Không sử dụng được với tần số khoan cao.

Gây ồn trong quá trình làm việc.
1.1.2.2. Khoan bằng đầu quay di động (top drive)

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 chúng trong việc cải thiện quá trình khoan, đem lại chi
phí thấp nhất.
Khoan bằng động cơ Top Drive cũng hoạt động dựa trên nguyên lý tương
tự như trong phương pháp khoan Roto, chuyển động xoay được truyền tới
choòng khoan thông qua cột cần khoan để phá huỷ đất đá. Tuy nhiên chuyển
động xoay này được truyền từ động cơ Top Drive, thay vì được truyền động từ
bàn roto như trong phương pháp khoan Roto. Chính vì vậy, khoan bằng động
cơ Top Drive có đầy đủ các đặc điểm giống khoan Roto như: Các thông số chế
độ khoan có thể được điều chỉnh độc lập, yêu cầu về công suất máy bơm khoan
không cần lớn như trong khoan bằng động cơ đáy, cho phép khoan với tải trọng
đáy cao. Mặc dù vậy khoan bằng động cơ Top Drive cũng có một số nét khác
biệt với phương pháp khoan Roto

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 15Hình 2.1 Hình ảnh một tổ hợp đầu quay di động

Phần lớn đầu quay di động được dẫn động bằng động cơ điện một chiều,
có một số ít dẫn động bằng động cơ xoay chiều hoặc động cơ thủy lực. Công
suất dẫn động đến 800 (kW), mômen quay 2,5

4,5 (kN.m).
Các hãng cung cấp lớn trên thế giới có thể kể đến như: Varco BJ; Tesco;
Maritime Hydraulic A.S.

Không phải dùng cần chủ đạo do đó việc tiếp cần khoan nhanh chóng
và thuận lợi, an toàn cho kíp khoan;


Tiến hành tháo lắp bộ khoan cụ ở mọi độ cao;


Có thể doa ngược được;


Lấy được mẫu khoan tốt trong khoan lấy mẫu;


Giảm tổn hao năng lượng và khống chế được mômen phản lực đáy
trong quá trình khoan.


Khắc phục sự cố do kẹt bộ dụng cụ hiệu quả hơn so với khoan Roto vì
động cơ Top Drive có khả năng vừa quay vừa kéo bộ khoan cụ.
2.1.3.2 Nhược điểm


Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất momen
cản, và ra cố kết cấu tháp do có lực xoắn phụ.


phải có các ống mềm hoạc cắp tải điện phụ trong tháp khoan.


Phải lắp thêm hệ thống ray dẫn hướng ở trên tháp.


Chiều cao làm việc: 24 (ft);


Trọng lượng: 38750 (lb);


Hộp số: 1 tốc độ;


Tỷ số truyền: 8,5:1;


Tốc độ quay lớn nhất: 353 (v/p);


Mômen quay liên tục lớn nhất: 62250 (ft.lb);


Số vòng quay tương ứng mômen quay lớn nhất: 94 (v/p);


Mômen quay không tải: 95000 (ft.lb);


Sức nâng: 750 (tấn);


Kích thước cần khoan sử dụng:
5

răng chủ động gắn trên trục động cơ, bánh răng này ăn khớp với bánh răng phía
trên của cặp bánh răng kép làm quay cặp bánh răng kép. Bánh răng phía dưới
của cặp bánh răng kép ăn khớp với bánh răng chính gắn trên trục dẫn. Trục dẫn
được nối với cột cần khoan qua cụm van cầu, làm quay cột cần khoan. Dung
dịch khoan được dẫn vào qua hệ thống cổ ngỗng vào ống rửa đặt phía trên nắp
hộp tốc độ.

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 18Cài hình vẽ A3 (Hình 2.2)


Động cơ điện;


Hộp tốc độ;


Cụm ống rửa.
a. Động cơ điện
Động cơ điện mà TDS-8SA sử dụng là GEB-20A1 AC, sử dụng dòng
điện 3 pha.
Các thông số của động cơ:
 Điện áp: 600 (V);
 Cường độ dòng điện: 1470 (A);
 Mômen quay: 10600 (ft.lb);
 Khối lượng động cơ: 5960 (lb);
 Tốc độ quay lớn nhất: 2300 (v/p);
 Dao động lớn nhất cho phép: 0,44 (in/s);
 Điện trở (tại 25
C

- đối với mỗi cặp cực): 0,0088 (

).
* Phanh động cơ
Phanh của động cơ được đặt ngay phía trên của động cơ dẫn động. Phanh
hoạt động dựa vào khí nén, nguồn khí nén này được cấp qua hệ thống cấp khí,
và được điều khiển từ bàn điều khiển với 2 vị trí “ON” và “OFF”. Tại đây các
tín hiệu được điều khiển đến hộp nối van điện từ (van solenoid) điều khiển
phanh. Dòng khí nén đi vào các ống cao su tạo ra lực ép, ép lên má phanh
chống lại chuyển động quay của động cơ. Khi công tắc ở vị trí “ ON”, lúc này

Cụm ống rửa nối trục chính của hộp số với phần tĩnh của cổ ngỗng, nó
cho phép dung dịch khoan đi qua với nhiệt độ và áp suất thay đổi với mọi tốc
độ quay của trục. Chức năng của gioăng xoay là thực hiện chuyển động quay tự
do ở vị trí thẳng đứng. Đầu quay phải được gắn với gioăng xoay một cách
chính xác và luôn được bôi trơn. Nếu đầu quay được cất giữ trong một thời
gian, thì phải tháo ra để kiểm tra gioăng xoay, xem xét sự mòn hỏng nếu có.
Cổ ngỗng nằm ngay phía trên cụm ống rửa nối ống rửa và ống chữ S. Cổ ngỗng
có phần tĩnh và phần động, phần tĩnh được bắt chặt vào vỏ bọc trục dẫn còn
phần động nối với ống chữ S. Giữa phần tĩnh và phần động có đệm làm kín để
ngăn sự rò rỉ của dung dịch
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 23

1-Vỏ bọc trục dẫn 2-Lò xo 3-Đai ốc hãm
4-Gioăng cố định 5-Thân dưới 6-Thân trên
7-Cơ cấu treo (Điều chỉnh sự lệch trục) 8-Gioăng xoay
Hình 2.6 Cụm ống rửa

2.2.2.3. Hệ thống cân bằng sử dụng khí nén
Hệ thống cân bằng có chức năng treo trọng lượng của hệ thống đầu quay
dưới áp lực khí nén, có tác dụng điều khiển và giữ thăng bằng cho cột cần
khoan và ống chống trong quá trình nối ống. Nó được điều chỉnh để giảm tải
trọng lên ren của đầu nối bảo vệ và cần khoan trong quá trình tiếp cần, qua đó
bảo vệ các chi tiết này.
Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi kíp trưởng từ phòng điều khiển.
Các chế độ này dùng trong các quá trình tháo, lắp cần với sự kiểm soát tải lên
ren và một chế độ dùng trong quá trình thả ống chống.
TDS-8SA được treo bởi hệ ròng rọc 750 (tấn). Khi tải trọng nhẹ, chẳng

Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51 25
(3,04 m), điều này đảm bảo các ống cao áp không chạm sàn khoan khi xe lăn ở
vị trí thấp nhất.
Các con lăn có khả năng tự điều chỉnh khe hở giữa nó và thanh ray đảm
bảo sự di chuyển thuận lợi và an toàn khi mà các thanh ray không được hoàn
hảo. Với hai tầng lò xo cho phép giới hạn chuyển động của các con lăn với hệ
thống lò xo đã tạo cho các con lăn luôn tiếp xúc với bề mặt của thanh ray. Các
con lăn được gắn lò xo nên lực ép được giảm không chỉ cho thanh ray mà cho
cả trục lăn do đó gia tăng tuổi thọ của các bộ phận này.
2 2.2.5. Hệ thống làm mát (Hình 2.8)
Hệ thống quạt gió thổi liên tục không khí tới làm mát động cơ, đồng thời
tạo ra đối lưu cưỡng bức đối với bộ trao đổi nhiệt của hệ thống truyền động,
làm giảm nhiệt độ của dầu bôi trơn.
Hệ thống làm mát bao gồm: quạt gió hướng trục (tác dụng làm giảm
nhiệt độ của dầu bôi trơn); quạt gió làm mát động cơ; hệ thống ống dẫn khí và
động cơ có 2 trục dẫn với công suất 20 (HP). Động cơ này đồng thời dẫn động
cho cả quạt gió hướng trục, quạt gió làm mát động cơ.
Một bộ khử ẩm được đặt ngay ở cửa nạp khí giúp loại bỏ bớt hơi nước có
trong không khí nạp vào.
2.2.2.6. Hệ thống xilanh ổn định hướng cho đầu quay (Hình 2.9)
Hệ thống bao gồm xilanh, ắcqui thủy lực, cụm van điều áp và các thiết bị
liên quan như buồng góp, ống dẫn Xilanh (hoạt động bằng thủy lực) nối phần
đáy của hộp tốc độ với giá xe lăn dẫn hướng, được điều chỉnh thông qua một
ắcqui nằm trên xe lăn dẫn hướng. Ắcqui được nạp bằng nitơ và được giữ ở một
mức áp suất nhất định (điều chỉnh bởi van điều áp).
Cùng với hệ thống cân bằng, xilanh ổn định hướng có tác dụng giữ cho
đầu nối bảo vệ luôn ở trạng thái thẳng đứng khi tháo rời khỏi cột cần khoan