Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay, công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang được phát triển
rất nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tế
quốc dân. Hàng năm nộp ngân sách nhà nước hàng ngàn tỷ đồng, đóng góp
rất nhiều vào sự tăng trưởng và phát triển kinh tế đất nước.
Trong những năm gần đây, nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng
lên rất nhiều. Dầu khí là một nguồn năng lượng hết sức quan trọng vì thế nó
đã gây nên những biến động mạnh mẽ về giá cả, thậm chí còn gây nên những
bất ổn chính trị. Ở Việt Nam, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế, đặc
biệt là từ khi Việt Nam ra nhập WTO thì nhu cầu năng lượng là rất cần thiết
vì vậy một trong những giải pháp quan trọng là đẩy mạnh công tác thăm dò và
khai thác dầu khí đáp ứng nhu cầu năng lượng cho đất nước và xuất khẩu.
Để nâng cao hiệu quả công tác khoan Dầu khí việc trang bị công nghệ
cũng như các thiết bị hiện đại là cần thiết. Trong số các thiết bị công nghệ
mới được áp dụng có tổ hợp đầu quay di động đã cho kết quả khả quan.
Sử dụng tổ hợp đầu quay di động đã gia tăng được khối lượng công
việc khoan, thăm dò và khai thác dầu khí, giảm chi phí cho một giếng khoan,
sớm đưa giếng khoan vào khai thác.
Được sự đồng ý của các Thầy trong bộ môn Thiết bị dầu khí và công
trình, tôi mạnh dạn thực hiện bản đồ án tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu về
cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các dạng hỏng hóc của tổ hợp đầu quay
di động top drive Varco TDS-8SA trên giàn khoan biển”. Đồ án chia làm
4 chương:
 Chương I: Tổng quan về các phương pháp khoan, giới thiệu về tổ
hợp đầu quay di động;
 Chương II: Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động Varco TDS-
8SA;
 Chương III: Các dạng hỏng hóc, nguyên nhân, biện pháp khắc
phục và công tác kiểm tra bảo dưỡng;
 Chương IV: Tính toán lựa chọn đầu quay di động.

Bộ dụng cụ khoan điện chìm bao gồm động cơ điện, trục truyền để lắp
vào choòng khoan và bộ phận ngăn ngừa sự xâm nhập của dung dịch khoan
vào bên trong của động cơ.
Động cơ điện thường là động cơ không đồng bộ 3 pha ngậm dầu với
rôto ngắn mạch gồm nhiều đoạn, thân rôto làm bằng sắt từ và được lắp trên
trục truyền bằng các then hoa hoặc các ren côn. Stato của động cơ gồm nhiều
tấm ghép bằng sắt từ và phản từ, giữa các đoạn rôto và stato người ta lắp các ổ
trục hướng tâm.
Trục truyền có 2 loại chính là: trục ngậm dầu chạy trên các ổ bi và loại
chạy 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 bên ngoài từ 2
÷
3
(at), để ngăn không cho chất lỏng lọt vào động cơ.
Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một bộ chứa dầu
máy bay dẫn vào bên trong phớt, 2 bộ còn lại chứa dầu biến áp liên thông với
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 3 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ. Do
trong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động
cơ bị đốt nóng áp suất sẽ giảm nên cần phải bù thêm.
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.
2. Ưu, nhược điểm
Sử dụng động cơ điện chìm giúp ta dễ dàng điều chỉnh tốc độ và

1
2
3
4
5
6
7
8
1-Bao trong của stato 5-Đường đi của dòng nước
2-Bao trong của rôto 6-Cánh cong của rôto
3-Rãnh then 7-Cánh cong của stato
4-Vỏ ngoài của stato 8-Bao ngoài của rôto
Hình 1.1 Cấu tạo một tầng tua bin
Trong một số trường hợp khi khoan qua tầng đất dẻo, mômen quay của
tuabin không đủ để thực hiện quá trình phá hủy, hay ở các giếng khoan sâu,
lưu lượng dung dịch nhỏ do đó giá trị của mômen và công suất không đủ để
đáp ứng quá trình khoan. Để thu được mômen quay và công suất lớn mà
không phải thay đổi đường kính của tuabin, chỉ có thể tăng số tầng của chúng
lên, do đó phải chế tạo những tuabin dài. Khi chế tạo những tua bin có độ dài
quá lớn sẽ gây khó khăn trong việc nâng thả tuabin ở giếng khoan cũng như
khi lắp ráp, 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
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 5 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
khớp ma sát hoặc bằng khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh then
hoa).
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,

0N
=
). Khi tốc độ
quay tăng lên công suất tăng lên đến giá trị cực đại (Công suất định mức) sau
đó lại giảm đến “0” ở chế độ không tải.
Sự biến thiên của hiệu suất (
η
) cũng tương ứng với sự biến thiên của
N. Chế độ làm việc với
axm
η
gọi là chế độ “tối ưu”. Tốc độ quay của chế độ tối
ưu xấp xỉ bằng
1/ 2
tốc độ quay không tải, còn mômen quay xấp xỉ bằng
1/ 2

mômen hãm.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 6 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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 %).
Mọi nhận xét trên đều rút ra trong trường hợp lưu lượng dòng chảy (Q)
không thay đổi. Quan hệ giữa n, P, M,
η
và N khi Q không đổi gọi là đặc tính
làm việc của tuabin.

•
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)
1. 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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 8 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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.
Stato: Được đúc bằng cao su dạng rãnh xoắn tương ứng với rôto (số
rãnh xoắn của stato bao giờ cũng nhiều hơn 1 so với số múi xoắn của rôto) và
được đặt trong vỏ động cơ.
Khi rôto được đặt trong stato, do hình dạng khác nhau chúng tạo ra hàng loạt
các khoang kín. Khi dung dịch khoan được bơm qua động cơ, nó sẽ chuyển
động vào giữa rôto và stato, chuyển động đó làm dịch chuyển rôto và làm cho
rôto quay.

không gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.
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
1. 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.
* Nguyên lý cấu tạo:
•
Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn xoay và
hệ thống ổ đỡ. Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trục
dẫn nằm ngang đến bàn quay. Tất cả các ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôi
trơn bằng dầu;
•

Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
* 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)
Đầu quay di động dùng để nối giữa hệ thống palăng với cột cần khoan
nhằm mục đích quay và treo cột cần khoan vào móc nâng, dẫn nước từ tuy ô
cao áp vào bên trong cần khoan và truyền chuyển động quay cho cột cần
khoan. Động cơ của nó có thể là động cơ điện hoặc động cơ thủy lực. Loại
động cơ thủy lực ít phổ biến vì cần lắp đặt thêm một thiết bị có công suất thủy
lực đặc biệt. Động cơ được lắp phía đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếp
nhận chất lỏng. Đầu quay được gắn trên xe lăn dẫn hướng, xe lăn di chuyển
lên xuống dọc theo ray dẫn hướng lắp trên tháp khoan. Hệ thống truyền động
này cho phép tăng công suất truyền cho cột cần khoan mà nó không phụ thuộc
vào công tác khoan, công nghệ khoan. Thiết bị này làm việc rất ổn định, ít
gây rung động, va đập, tiếng ồn và đặc biệt có thể khử được mômen phản lực
đáy.
1.2. Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động top drive
1.2.1. Đặc điểm chung
Đầu quay di động là cơ cấu cho phép cải thiện quá trình khoan các
giếng khoan xiên và giếng nằm ngang. Về nguyên lý đây có thể coi là cơ cấu
loại mới của máy khoan, cho phép thực hiện nhiều thao tác công nghệ. Đầu
quay di động được sử dụng trên thế giới lần đầu tiên vào năm 1982 và ngày
càng trở nên phổ biến, việc sử dụng đầu quay di động trong thực tiễn cho thấy

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.
1.2.2.2. Nhược điểm
•
Phải lắp thêm hệ thống ray dẫn hướng ở trên tháp làm tăng khối
lượng ở trên cao;
•
Tăng chiều cao của tháp vì đầu quay di động dài hơn đầu quay thủy
lực thông thường;
•
Tăng giá thành thiết bị khoan đặc biệt là công tác bảo dưỡng, sửa
chữa phức tạp hơn nhiều so với bàn rôto;
•
Do cấu tạo phức tạp nên đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ
chuyên môn cao.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 14 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG VARCO TDS-8SA
2.1. Các thông số kỹ thuật của TDS-8SA
Tổ hợp đầu quay TDS-8SA (Hình 2.1) có các thông số kỹ thuật như
sau:
•
Động cơ dẫn động: GEB-20A1 AC;
•
Công suất động cơ: 1150 (HP);
•
Chiều cao làm việc: 24 (ft);

360°
/ không giới hạn;
•
Hệ thống làm mát: Quạt gió;
•
Dải nhiệt độ làm việc:
20 40C C− ° → + °
.
2.2. Nguyên lý hoạt động của TDS-8SA
2.2.1. Nguyên lý truyền động
Chuyển động quay từ động cơ được truyền sang hộp tốc độ nhờ bánh
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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 15 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
Cài hình vẽ A3 (Hình 2.1)
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 16 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
2.2.2. Khoan thuận
Trình tự tiến hành khi khoan thuận (tiếp cần dựng):
•
Đặt chấu chèn để giữ cột cần khoan và cho dừng tuần hoàn dung
dịch;
•
Tháo mối nối giữa cột cần khoan và đầu nối bảo vệ (trên cụm van
cầu), sử dụng bàn kẹp và động cơ khoan ở chế độ đảo chiều (từ bàn điều

Hộp tốc độ;
•
Cụm ống rửa.
2.3.1.1. 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);
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 17 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
• 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 (
Ω
).
* 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 van ở trạng thái đóng đồng thời có đèn báo và còi hú báo hiệu cho
người vận hành biết. Khi công tắc ở vị trí “OFF”, lúc này van mở và ta có thể
tiến hành khoan bình thường.

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
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 2.5 Cụm ống rửa
2.3.2. 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.
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 21 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
TDS-8SA được treo bởi hệ ròng rọc 750 (tấn). Khi tải trọng nhẹ, chẳng
hạn chỉ có đầu quay hay đầu quay với một đầu nối thì dầm chịu tải trọng
chính được đỡ bởi 8 bình tích khí nén được liên kết với hệ thống quang treo.
Áp suất trong bình tích khí nén có thể được điều chỉnh cho các tải trọng khác
nhau. Không khí sạch và khô từ giàn cung cấp tới van điều chỉnh, van này
được gắn trên đường ống dẫn khí. Hộp điều khiển tại bàn của kíp trưởng đưa
tín hiệu tới van hoặc để cung cấp cho các bình tích khí nén hoặc để xả khí từ
bình tích.

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.
2.3.5 Hệ thống xilanh ổn định hướng cho đầu quay (Hình 2.8)
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).
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 23 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
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
(trong quá trình tháo lắp cần) làm cho quá trình tháo lắp cần dễ dàng hơn.
Hình 2.7 Hệ thống làm mát
Hình 2.8 Xilanh ổn định hướng
Sinh viên: Nguyễn Văn Trọng 24 Lớp: Thiết bị dầu khí K50
Trường Đại học Mỏ Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
2.3.6. Hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển của TDS-8SA có sơ đồ cấu tạo như Hình 2.9.
Trong hệ thống điều khiển có bàn điều khiển giúp người vận hành dễ dàng
thao tác các chức năng của tổ hợp đầu quay.
Trên bàn điều khiển có các nút bấm để thực hiện các chức năng như:
điều chỉnh bản lề nghiêng qua đó điều chỉnh vị trí của elevator; đóng mở
phanh động cơ; điều chỉnh mômen vặn, tháo cần; điều khiển các động cơ phụ
trợ (quạt gió, bơm dầu…); điều chỉnh giá đỡ liên kết quay; đóng mở van cầu
trên; thay đổi chiều quay của đầu quay. Bàn điều khiển thực hiện các chức