Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang 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 tỉ đồng, đóng góp to lớn vào sự tăng trưởng
và sự phát triển của đất nước.
Công tác tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở Việt Nam được triển khai từ trước
năm 1960, song mãi đến năm 1975 ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam mới chính
thức được thành lập.
Từ năm 1986, Việt Nam trở thành một trong những nước khai thác và xuất
khẩu dầu thô trên thế giới. Tuy còn non trẻ, nhưng ngành công nghiệp dầu khí đã
nhanh chóng gặt hái được nhiều thành công và là chỗ dựa vững chắc cho sự nghiệp
công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước. Cho đến năm 2002, Việt Nam đã khai thác
hơn 130 triệu tấn dầu thô và 8.5 tỷ m
3
khí đồng hành.
Dầu và khí vẫn là nguồn năng lượng chiến lược và quan trọng nhất. Khoan
giếng dầu khí là công việc sống còn của ngành công nghiệp dầu khí vì không có
giếng thì không thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lòng đất. Mục tiêu quan trọng
nhất của người kỹ sư dầu khí là biết áp dụng các kỹ thuật và công nghệ mới để khai
thác ngày càng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này.
Để nâng cao hiệu quả công tác khoan dầu khí, việc trang bị công nghệ cũng
như các thiết bị hiện đại là rất cần thiết. Trong số các thiết bị công nghệ mới áp dụng
có tổ hợp đầu quay di động ( Topdrive ) đã cho kết quả rất khả quan. Việc 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 và sớm đưa giếng khoan vào khai
thác.
Được sự đồng ý của các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và công
trình, tôi đã chọn đề tài: “ Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa tổ
hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500 trên giàn khoan Tam Đảo-01
Vietsovpetro ” làm đồ án tốt nghiệp cho mình.
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 1
CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG
KHOAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG
1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO
CHOÒNG KHOAN
1.1.1. 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 điện
• Tua bin khoan
• Động cơ trục vít
1.1.1.1. Khoan tuabin:
Từ đầu thế kỷ XX(1923) 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 giới ra đời,
chỉ có một tầng từ đó phát triển rất nhanh tới loại có hàng trăm tầng.
Vào năm 1934, Nga và Mỹ đã chế tạo thành công tuabin nhiều tầng có thể từ 100
– 150 tầng, tăng công suất từ 10 – 20 lần, do đó giảm được tốc độ quay và không cần
đến dùng hộp số.
Sau năm 1954, khoan tuabin là chủ yếu, hiện nay song song với các phương pháp
khoan khác, tuabin vẫn được sử dụng rộng rãi.
Nguyên lý làm việc:
Tuabin dùng cho khoan là tuabin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ của tuabin được
nối với phần dưới của cột cần khoan bằng ren, còn trục của tuabin nối với choòng
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.
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
4
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo một tầng tua bin khoan
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 được điều đó mà không
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
5
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
phải thay đổi đường kính tuabin, dẫn đến tăng ổ tựa số tầng tuabin, cần chế tạo tuabin
dài 150-200 tầng nối với nhau. Điều này khó khăn cho vận chuyển, chính vì thế mà
người ta chế tạo nhiều tuabin để nối với nhau tạo thành tuabin kép.
Tuabin kép có 3 kiểu:
- Các trục nối với nhau bằng khớp nối có rãnh (nối kiểu then hoa).
- Các trục của các đoạn tuabin đơn nối với nhau bằng ma sát hình nón cụt.
- Các trục của các đoạn tuabin được nối với nhau thông qua khớp nối
kép tức là kết hợp giữa nối ma sát hình nón cụt và côn, rãnh vỏ nối với nhau bằng ren.
Ưu, nhược điểm của tuabin khoan:
Có thể nói Tuabin khoan là một động cơ thuỷ lực trên đáy, có nhiệm vụ biến đổi
năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa thành cơ năng làm quay trục động cơ để
Động cơ trục vít có ba kiểu chính: Động cơ trục vít tốc độ thấp, tốc độ trung bình
và tốc độ cao.
- Động cơ trục vít tốc độ thấp:
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:
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
8
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
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 thân giếng, góc
lệch phương thân giếng. Điều này chỉ có thể được xác định khi tải trọng tác dụng lên
choòng thấp.
=> Động cơ trục vít có kích thước không lớn, phù hợp khi sử dụng chúng với ống
mềm quấn vào tang tời, khoan các giếng có đường kính bé chiều sâu lớn. Đặc biệt
khoan cắt xiên, khoan ngang và khoan những giếng có thân giếng yếu.
Ưu, nhược điểm:
- Mômen quay không phụ thuộc vào đặc điểm lưu lượng dòng dung dịch của
máy bơm mà vẫn cho hiệu suất cao, có thể kiểm tra tải trọng động cơ theo sự giảm
áp, có kết cấu đơn giản, tiết kiệm vật liệu chế tạo động cơ.
- 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 trong động cơ được tự động nhờ sự thay đổi liên tục vị trí không gian của đường
tiếp xúc.
- Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang, định hướng đặc
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.
- 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 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.
1.1.2. Khoan bằng động cơ trên bề mặt.
Có 2 loại chính cơ bản: Bàn rôto (bàn xoay) và đầu quay di động (Top Drive)
1.1.2.1. Bàn Rôto
Chức năng và nguyên lý cấu tạo
Chức năng của bàn quay rôto:
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
10
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
- 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 tùy theo yêu cầu mà có thể thiết kế truyền động cho
rôto bằng 2 phương án: dùng động cơ dẫn động riêng hoặc từ hộp tốc độ của tời qua
bộ truyền xích hay các đăng.
dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.
2. 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.
1.1.2.2. Đầu quay di động (TopDrive)
Đây là loại thiết bị tạo chuyển động cho cột cần khoan quay rất hiện đại, để quay
cột cần khoan và truyền chuyển động xuống choòng khoan. Các mô tơ được lắp ở
đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếp nhận tuần hoàn chất lỏng. Động cơ di động
lên xuống theo cần dẫn hướng và được ổn định bởi hệ thống giá trượt dẫn hướng lắp
dọc theo 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 và ít gây rung động va đập và đặc biệt có thể khử được
mômen phản lực đáy.
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
12
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
1.2. GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY TOPDRIVE
1.2.1. Đặc điểm chung
1.2.1.1. Trong công tác khoan dầu khí dùng bàn Roto, cần vuông là tiêu chuẩn
công nghiệp trong thời gian nhiều năm. Để lắp ráp cần khoan phải sử dụng cùng lúc
nhiều thiết bị và dụng cụ.
Phương pháp khoan này làm việc tốn nhiều sức lao động, làm giảm đi hiệu quả và
sự cản trở phát triển.
Topdrive thay đổi đáng kể việc tiếp cần khoan, truyền chuyển động quay, tăng
thêm sự an toàn và hiệu quả khi khoan. Đặc biệt Topdrive làm giảm đáng kể khả
năng kẹt bộ khoan cụ trong giếng khoan.
1.2.1.2. Topdrive là tổ hợp thiết bị quay gắn liền với thiết bị nâng. Vòng bi quay
gắn vào thân hộp số, điều này cho phép nó vừa quay cột cần khoan vừa để đỡ cụm
thiết bị.
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.
1.2.1.8. 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.
1.2.2. Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới
1.2.2.1. 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
Các thông số kỹ thuật: Tesco-350T,Tesco-500T
Mômen quay lớn nhất: 40000f -L6
Tốc độ quay lớn nhất : 200(v/p)
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
14
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
Công suất: 200 - 400HP
Áp suất làm việc của hệ thống thủy lực: (1000 -2000) PSi
Tải trọng làm việc ( 350 - 500) T
Trọng lượng: (11000 - 12000) pounds
Dùng với tháp khoan có chiều cao 142ft
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
15
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
Hình 1.5 : Tesco-500T Topdrive
Topdrive cho phép nối các mối nối ở bất kỳ vị trí nào trên tháp khoan; điều khiển
vặn vào, tháo ra các mối nối từ xa nhanh chóng; tháo nối được nhiều loại đầu nối vì
thế giảm rủi ro cho các thiết bị vặn cần và khóa càng cua.
Van cầu trên và van cầu dưới kiểm soát an toàn áp suất trong cần.
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
18
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
Do không phải dùng cần vuông nên giảm được độ mòn cho thiết bị chống phun
BOP.
• An toàn cho kíp khoan
Tiếp cần là công việc nguy hiểm nhất của kíp khoan, Topdrive làm giảm mối nối
chỉ còn 1/3 ( Do cần dài hơn 3 lần so với khoan Roto), điều này làm giảm các sự cố.
• Tăng hiệu quả và giảm giá thành khoan
Không tốn thời gian lắp và nhấc cần vuông.
Không phải tốn thời gian nhấc đầu thủy lực và cần vuông khi đang khoan.
Thực hiện công việc nối vào ở bên dưới, trong khoan định hướng không cần các
dụng cụ bề mặt sau mỗi lần nối.
Tăng thời gian khoan thuần túy, giảm được công tác kéo thả.
• Giữ dung dịch khoan
Van giữ dung dịch khoan được lắp trên thân của van cầu trên, tự động đóng khi
áp suất dung dịch xuống khoảng 60PSi và tự động mở khi áp suất dung dịch tăng trở
lại.
• Cải thiện công tác bảo dưỡng
Các bộ phận chính như động cơ khoan bố trí để bảo dưỡng được đơn giản. Động
cơ điện có thể tháo tách rời khỏi hộp số. Mức dầu trong hộp số dễ kiểm tra. Hệ thống
thủy lực và phin lọc nhớt có thể thay mà không cần xả dầu khỏi hộp số.
• Phân tách tải khi khoan và khi kéo thả cần
Tải được phân tách khi khoan và kéo thả cần cho phép tải phân theo đường vòng
cho vòng bi đỡ trục chính trong Topdrive khi nâng hạ cột cần khoan và thả ống
chống, cho phép nâng được tải lớn hơn ở vòng bi đỡ chính, làm tăng độ bền của vòng
Roto rất nhiều lần, do đó đòi hỏi chủ đầu tư phải có tiềm lực tài chính.
- Phải có tháp khoan chuyên dùng có gắn đường ray trượt cho Topdrive.
- Tải trọng chất lên sàn khoan lớn làm giảm khả năng chất tải lên giàn khoan,
ảnh hưởng đến độ vươn xa của sàn control.
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
20
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
- Topdrive là tổ hợp nhiều cơ cấu thiết bị nên chi phí về bảo dưỡng sửa chữa
hàng năm lớn.
- Topdrive là thiết bị hiện đại do đó đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức,
trình độ làm việc cao hơn.
1.2.5. Công dụng của Topdrive
- Truyền chuyển động quay và mômen quay cần thiết cho bộ khoan cụ.
- Có khả năng kẹp chặt các cần để tháo ra, vặn vào các mối nối của cần
khoan.
- Liên kết giữa bộ khoan cụ và hệ thống bơm dung dịch cao áp.
- Thông qua tời, ròng rọc động, ròng rọc tĩnh để nâng hạ cột cần khoan, ống
chống, treo bộ khoan cụ trong khi khoan và bơm rửa.
Dùng lắp các thiết bị chống phun như van cầu,đối áp ,van ngược ……
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
21
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG 2
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ HỢP ĐẦU QUAY
DI ĐỘNG TOPDRIVE PS2 - 500/500
Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro đã đưa vào sử dụng bộ đầu quay di động Topdrive
PS2 - 500/500 do hãng National Oilwell sản xuất tại giàn khoan tự nâng Tam
đảo - 01 và Cửu Long.
Topdrive PS2 - 500/500 là một thiết bị hiện đại được đưa vào sử dụng đã giúp
cho XNLDDK Vietsovpetro gia tăng khối lượng công việc, đẩy nhanh tiến độ khoan
Elevator
10. Bộ ngàm kẹp
11. Ống thủy lực
12. Hệ thống chống phun IBOP
13. Xe lăn dẫn đường
14. Khung giá động cơ
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
24
Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đồ án tốt nghiệp
15.Động cơ điện
Hình 2.2 : Cấu tạo Topdrive PS2-500/500.
Sinh viên: Phạm Văn Đức Lớp: Thiết bị dầu khí K49
25
Copyright: Tài liệu đại học ©