Cấu tạo, chức năng của cột cần khoan và kiểm toán cột cần giếng khoan 7003 giàn nhẹ BK 7 mỏ Bạch Hổ

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, ngành công nghiệp dầu khí đang là một ngành công nghiệp mũi nhọn trong công cuộc công nghiệp hoá, hiện đai hoá đất nước. Tập Đoàn Dầu Khí Việt Nam ngày càng phát triển không chỉ trong nước mà còn vươn xa tới thị trường quốc tế trong công tác thăm dò – khai thác dầu khí. Trong công tác khoan tổ hợp, thiết bị đóng vai trò quan trọng, làm tăng hiệu quả thi công, rút ngắn thời gian thi công đảm bảo độ chính xác cao. Trong tổ hợp thiết bị bị khoan thì cột cần khoan đóng vai trò không thể thiếu trong công tác khoan dầu khí cũng như khoan thăm dò địa chất. Qua thời gian học tập và thực tế tại các Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Vietsovpetro để tìm hiểu rõ thêm về cấu tạo chức năng cũng như sự cố hỏng hóc và biện pháp cứu chữa sự cố, em đã lựa chọn đề tài: “ Cấu tạo, chức năng của cột cần khoan và kiểm toán cột cần giếng khoan 7003 giàn nhẹ BK 7 mỏ Bạch Hổ ”. Kết cấu đồ án gồm có 4 chương: Chương I: Giới thiệu về tổ hợp thiết bị khoan. Chương II: Chức năng và cấu tạo các bộ phận của cột cần khoan. Chương III: Kiểm toán cột cần khoan giếng khoan 7003 giàn nhẹ BK. Chương IV: Các sự cố trong khoan và biện pháp khắc phục. Đồ án hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Đức Vinh và các thầy cô trong bộ môn Thiết bị Dầu khí. Do kiến thức còn hạn chế, thời gian tìm hiểu thực tế chưa nhiều nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy giáo và các bạn đồng nghiệp Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí, các bạn cùng lớp và đặc biệt là thầy Lê Đức Vinh đã giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành bản đồ án này. Hà nội, tháng 4 năm 2011 Sinh viên: Nguyễn Hồng Bá CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP THIẾT BỊ KHOAN Tổ hợp thiết bị khoan là tổ hợp bao gồm các thiết bị và các cơ cấu máy dùng để thực hiện chu trình công nghệ khoan theo một phương pháp khoan nào đó. * Các yếu tố ảnh hưởng tới thiết bị khoan - Cấu tạo, chủng loại thiết bị, nguyên lý thông số kỹ thuật. - Điều kiện thi công giếng khoan: * Chiều sâu giếng khoan (2000m ÷ 9000m). * Đường kính giếng khoan (700mm ÷ 168mm). * Địa bàn khoan (đồng bằng, núi, biển). - Thời gian hoạt động thiết bị và máy móc. - Cấu trúc giếng khoan: kết cấu của giếng khoan được gia công bằng hệ thống ống chống, nó đặc trưng cho số lượng, cột ống, đường kính, từng loại ống, chiều sâu từng loại ống, đường kính khoan và một số thông số khác như góc nghiêng. * Yêu cầu kỹ thuật đối với tổ hợp thiết bị khoan - Có khả năng truyền công suất tới đáy để phá huỷ đất đá hiệu quả cao. - Đảm bảo khả năng rửa sạch đáy giếng khoan. - Đảm bảo công suất cần thiết và khả năng sử dụng công suất cao. - Mức độ cơ khí hoá, tự động hoá một số quá trình khoan. - Khả năng tháo rỡ, vận chuyển dễ. - Đảm bảo độ bền độ tin cậy các chi tiết. 1. Cơ sở phân loại tổ hợp thiết bị khoan 1.1. Thiết kế: - Mục đích và điều kiện thi công giếng khoan. - Dạng giếng khoan và cấu trúc của giếng khoan. - Công nghệ và phương pháp khoan. - Điều kiện địa chất (đất đá, địa tầng cần được khảo sát) - Chế độ nhiệt và áp suất giếng khoan. - Nguồn cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động. Để sử dụng công suất của thiết bị cho hợp lý ta phân thiết bị khoan tương ứng với địa hình. Một thiết bị khoan không thể áp dụng hết các yêu cầu cho các giếng khoan khác nhau. 1.2. Thông số của tổ hợp thiết bị khoan Thông số cơ bản đặc trưng khả năng sử dụng thiết bị khoan là. - Công suất thiết bị (N) - Số tốc độ quay: (n) - Mômen quay: (M) Thông số cơ bản đặc trưng về cấu tạo thiết bị khoan. - Điều kiện sử dụng thiết bị. - Kích thước thiết bị và trọng lượng thiết bị. Nhiều cơ cấu thiết bị được đặc trưng với nhiều yếu tố khác nhau và giá trị khác nhau. Thông số chính đặc trưng cho chất lượng sử dụng và phải đáp ứng yêu cầu sử dụng thiết bị để khoan giếng khoan có chiều sâu và cấu trúc giếng khoan.Đặc trưng cho bản thân nó và không phụ thuộc vào điều kiện khách quan. * Sức nâng: Bộ phận chính là cơ cấu nâng thả phụ thuộc vào trọng lượng: Qm = q.α.L Khi thả giếng khoan do có lực đẩy acsimet: Qm = q.α.L.(1- γt/γd). * Công suất dẫn động: Công suất nâng: Nn =
Công suất khoan: Nk = N1 + N2 + N3 Trong đó: N1: Công suất quay trơn cột cần khoan. N2: Công suất phá huỷ đất đá. N3: Công suất thắng lực ma sát. n: Tốc độ vòng quay. λ: Hệ số quá tải của động cơ.
: Hệ số ròng rọc. Qm: Lực ma sát với thành giếng khoan Sự phân loại các thiết bị khoan trước tiên dựa vào khả năng khoan sâu tối đa. - Thiết bị nhẹ: 1.500 ÷ 2.000m. - Thiết bị trung bình: 3.500m. - Thiết bị nặng: 6.000m. - Thiết bị siêu nặng: 8.000 ÷ 10.000m. Các tính năng khoan sâu này được thể hiện bằng tải trọng ở móc nâng, kể cả khối lượng bộ khoan cụ và các cột ống chống. Khi tính đến định mức thời gian giành cho các thao tác kéo thả, người ta có thể đánh giá công suất tối đa của tời khoan. Chính vì vậy mà khi chọn một thiết bị khoan, người ta chỉ quan tâm đến công suất của tời. 1.3. Các thiết bị trong tổ hợp thiết bị khoan 1.3.1. Tháp khoan 4 chân Đây là dạng tháp khoan cổ nhất có nguồn gốc từ tháp khoan bằng gỗ. Nó có dạng hình chóp nhọn mà 4 chân của nó được đặt lên đỉnh hình vuông, diện tích này sẽ là sàn làm việc. Thực tế hầu như không còn loại tháp 4 chân dùng cho thiết bị khoan trên đất liền vì việc tháo lắp mất nhiều thời gian, nguy hiểm vì vậy không kinh tế. Ngược lại, các thiết bị khoan di động sử dụng kỹ thuật lắp rắp này vì nó kinh tế và rất thích hợp với điều kiện khoan biển. Trong điều kiện này, không cần phải tháo dỡ tháp khoan khi thay đổi vị trí khoan vì chính toàn bộ giàn khoan di chuyển. Ưu điểm của tháp 4 chân là rất ổn định, chắc chắn khi làm việc. Tuy nhiên cũng có những nhược điểm Là sàn làm việc dưới đất chật hẹp, bị vướng. Việc dựng và hạ tháp khó khăn tốn kém và nguy hiểm vì phải lắp ráp ở trên cao. Hình1.1 Các loại tháp 4 chân Thông số kỹ thuật của 2 loại tháp khoan 4 chân của hãng DRECO. * Tháp khoan động Chiều cao 160ft ( hành trình hữu ích của móc) Đáy 40ft Sàn trên 18ft Cửa hình chữ V 60ft Tải trọng tối đa móc 1.000.000lb a.Với 60% bộ khoan được dựng trong tháp, các điều kiện sử dụng trở thành. 800.000lb tải trọng ở móc 3 độ lắc dọc, chu kỳ 7s Gió 50 hải lý/giờ 8ft nhồi, chu kỳ 8s 10 độ lắc ngang, chu kỳ 10s 4 dây neo, mỗi dây 24 tấn Thiết bị di chuyển ở tốc độ cực đại. b. Chờ thời tiết và số cần dựng trong tháp tối đa. 250.000lb tải trọng ở móc ( các thiết bị được neo vào sàn) Gió 70 hải lý/ giờ 15 độ lắc ngang chu kỳ 10s 4 độ lắc dọc chu kỳ 7s 6ft nhồi, chu kỳ 8s 4 dây neo, mỗi dây 24 tấn c. Điều kiện giới hạn cuối cùng: 250.000lb tải trọng ở móc Gió 100 hải lý/ giờ 30 độ lắc ngang, chu kỳ 10s 6 độ lắc dọc chu kỳ 7s 7ft nhồi, chu kỳ 8s * Tháp tiêu chuẩn ( giàn khoan tự nâng) Chiều cao 147ft Đáy 30ft Đỉnh 8ft Cửa hình chữ V 34ft a.Khoan: 1.000.000lb tải trọng tĩnh ở móc Không có cần dựng trong tháp Gió 85 hải lý/giờ b. Điều kiện giới hạn cuối cùng: Gió 115 hải lý/giờ Không có cần dựng c. Chống ống: 700.000lb tải trọng móc Gió 85 hải lý/giờ Số cần dựng tối đa. d. Trên rơmóc: 250.000lb tải trọng ở móc Lắc ngang 20 độ, chu kỳ 10s 1.3.2. Tháp chữ A Tháp có dạng kết cấu chữ A rất gọn. Điểm đặc biệt nó được nối khớp với đáy, điều này cho phép tháo lắp theo phương ngang, sau đó dựng đứng nhờ tời khoan và dây cáp dựng riêng. Tháp khoan này hoàn toàn thích hợp các thiết bị khoan trên đất liền đòi hỏi tính di động cao. Cầu treo có dạng chìa ra và việc dựng cần được thực hiện trên sàn độc lập của cấu trúc tháp. Đặc điểm kỹ thuật cũng giống tháp 4 chân. - Tải trọng cực đại ở móc, kể cả bộ puli - Chiều cao tự do trong tháp. - Rộng ở đáy tháp - Sức cản gió trong điều kiện có hoặc không có cần dựng. Khả năng của chúng tương tự khả năng của tháp 4 chân. + Cách chọn tháp khoan: Trong quá trình làm việc có 2 loại tải trọng lên tháp: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên móc nâng của cột cần khoan, hay ống chống và tải trọng theo phương nằm ngang của cần dựng và của gió. Các tải trọng này được tính toán phải nhỏ hơn tải trọng làm việc của tháp (xem đặc tính kỹ thuật). Chính vì vậy khi chọn tháp để thi công một giếng khoan cụ thể ta phải tính được tải trọng tối đa của cột cần hay cột ống chống tác dụng lên móc nâng Qmax = Q (1 - ) . K. Trong đó: Q- Trọng lượng của bộ khoan cụ hoặc ống chống tác dụng lên móc nâng trong điều kiện không khí. K - Là hệ số kẹt mút (K = 1,3) (1,( - Trọng lượng riêng của dung dịch và của thép Ngoài ra còn căn cứ vào chiều sâu giếng khoan được thi công để chọn chiều cao của tháp (liên quan đến chiều dài cần dựng), kích thước sàn làm việc trên mặt và trên cao. 1.4. Cơ học hệ thống nâng thả 1.4.1. Hệ thống ròng rọc cáp khoan A. Nhánh cáp chết Cáp khoan được néo một đầu trên puli có rãnh đặc biệt cho phép đo sức căng ở đầu dây cáp này và đồng thời giúp đưa vào hệ thống một đoạn cáp mới để có thể dịch chuyển các điểm bị mòn trên puli của hệ ròng rọc cố định hoặc hệ ròng rọc động. Quy trình kéo sợi này cho phép kéo dài tuổi thọ của cáp. B. Hệ ròng rọc cố định Đây là một hệ các puli mà trên đó dây cáp đi qua. Nó được lắp lên sàn trên cao của tháp khoan. Tải trọng đặt lên hệ ròng rọc cố định cũng như lên tháp khoan lớn hơn tải trọng ở móc.Thực tế hệ ròng rọc là một hệ thống có hai nhánh cáp: nhánh cáp chết và nhánh cáp làm việc nối với tời
C. Hệ ròng rọc động và móc nâng Nó thường được coi là một bộ phận hoàn chỉnh, nghĩa là hệ thống các puli và móc được lắp gọn. Móc có bộ phận giảm xóc để hạn chế va đập mỗi khi có tải trọng và dễ dàng tháo lắp các đầu nối. Hai càng của thiết bị nâng được treo vào 2 tai bên cạnh. D. Cáp khoan Cáp của thiết bị khoan có lõi kim loại, trên đó người ta bện 6 dảnh làm bằng các sợi thép. Thông thường sợi xoắn của cách sợi thép ở các dảnh ngược với chiều xoắn của các dảnh trên lõi cáp khoan. Chính điều này làm cho cáp cứng hơn nhưng cũng phần nào giúp chống xoay. E. Nhánh cáp làm việc Đây chính là đầu mút của cáp cuộn tang tời. 1.4.2. Tời khoan * Công dụng Đây là bộ phận chủ yếu của thiết bị khoan vì chính công suất của tời đặc trưng cho thiết bị khoan và chỉ rõ chiều sâu tối đa có thể khoan được. Tời khoan dùng để kéo thả cột cần khoan, ống chống tháo vặn cần, treo cột cần khi khoan. Trong một số trường hợp tời khoan còn dùng để truyền động cho Roto. Tời còn được dùng để di chuyển các vật nặng phục vị cho công tác dựng hạ tháp và công tác phụ trợ khác. * Các bộ phận cơ khí chính của tời khoan. - Tang tời được cắt rãnh mà cáp sẽ được cuộn trên đó, các má tang tời gồm các vành mà trên đó có lắp các đai phanh cho phép giám sát việc hả tại trọng treo ở móc. Hệ thống phanh rất an toàn này không có khả năng hấp thụ nhiều năng lượng sản sinh khi hạ cột ống chống ở độ sâu lớn.Tất cả các tời được trang bị bộ hãm tải trọng lắp trên trục của tang tời. - Hộp tốc độ lắp phía sau tời cho phép thợ khoan chọn hai tới ba tỷ số truyền vận tốc. Hai tỷ số truyền là đủ khi dùng động cơ điện mà việc điều chỉnh hoàn toàn kiểm soát được. Hai trục song song liên hệ với nhau bằng bằng các cặp bánh răng gắn xích. Có bao nhiêu cặp bánh răng là có bấy nhiêu tỷ số truyền tốc độ. Mỗi bánh răng trong từng cặp có thể quay tự do xung quanh trục nếu như hệ thống ghép bằng vấu (khớp cam) được nhả ra. Chọn cài một vận tốc, đó là dịch chuyển hệ thống vấu để nó chẹn sự quay của bánh đối với trục: khi đó việc quay trục thứ cấp sẽ được thực hiện với vận tốc tương ứng với tỷ số giảm đã chọn. Trục thứ cấp cũng làm quay tang tời nhờ hai cặp bánh răng và xích nằm hai phía của vỏ hộp tốc độ.
Hình 1.3 Sơ đồ truyền động của 1 loại tời khoan 1.4.3. Hệ thống phanh của tời * Phanh cơ khí. + Công dụng: Dùng để dừng hoàn toàn khi kéo thả bộ dụng cụ khoan hay ống chống. Treo dụng cụ và để thả tiến độ từ từ trong khi khoan. + Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc.
 Hình 1.4 Hệ thống phanh Chú thích: 1: Đai hãm má phanh 6: Trục khuỷu 2: Tang tời 7: Thanh đòn bẩy 3: Tay phanh tời 8: Lò xo 4: Van phân phối 9: Xi lanh khí động 5: Ống dẫn khí Khi tay phanh (3) quay theo chiều kim đồng hồ làm cho trục khuỷu (6) chuyển động quay xuống làm cho má phanh (1) ép chặt vào Puly của tang tời khiến tang tời đứng yên. Để hỗ trợ cho lựu phanh người ta liên kết tay phanh (3) với thanh giằng làm nhiệm vụ mở van tiết lưu (4) để cho khí nén đi vào đường ống (5) tác dụng lên phía trên của xilanh khí động (9) Pittông di chuyển xuống phía dưới làm tăng thêm lực quay của trục khuỷu (6) và má phanh càng ép chặt vào Puly của tời. Khi cần giảm lựu phanh ta chỉ việc để tay gạt (3) quay ngược ngược chiều kim đồng hồ, dưới tác dụng đẩy của lò xo (8) băng phanh sẽ tách khỏi Puly của tời cũng như khí nén ở phía trên xilanh (9) sẽ bị đẩy ngược trở lại qua van tiết lưu (4). * Phanh thuỷ lực. + Công dụng Bộ hãm thuỷ lực lắp trên trục nâng để điều chỉnh tốc độ thả dụng cụ và hỗ trợ cho phanh chính (phanh cơ khí). Đặc điểm của phanh thuỷ lực là hoạt động rất hiệu quả, độ tin cậy cao, ít phải bảo dưỡng nhưng có nhược điểm cơ bản là hãm được ít ở tốc đột thấp và rất khó hiệu chỉnh. Chính vì vậy nó chỉ được lắp đặt trong các thiết bị khoan có tải trọng làm việc trên 50 tấn. + Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Hình 1.5 Bộ hãm thuỷ động Chú thích: 1: Thành bộ hãm 6: Cánh Roto 2: Cánh stato 7,8: Đường thoát nước 3: Roto 9: Đường cấp nước 4: Trục tời 10: Khoá nước 5: Khớp nối 11: Bình chất lỏng Khi thả cột cần hay ống chống. Do tải trọng cột cần và ống lớn nên vận tốc thả cũng lớn vì thế phanh thuỷ lực sẽ hỗ trợ cho phanh chính. Các cánh cong Roto (6) hướng về phía ngược với cánh cong stato (2) và phải bố trí sao cho khi kéo lên các cánh Roto không chịu lực cản của chất lỏng mà cánh stato hướng vào. Ngược lại khi thả xuống thì cánh Rôto sẽ phải chịu một mômen phản do chất lỏng tạo nên. Tuỳ theo vận tốc thả ( trọng lượng cần ống ) người ta thay đổi mực chất lỏng trong bình (11) bằng các khóa nước (10). Trong khi phanh làm việc, chuyển động của Roto quay sẽ biến thành nhiệt và nước trong bộ hãm sẽ nhanh chóng bị hâm nóng lên. Nước sẽ được làm nguội trong bình làm mát có tuần hoàn kín giữa bộ hãm và bình. + Phanh điện từ. Để khắc phục những hạn chế của phanh thuỷ lực thì ở thiết bị khoan nặng người ta sử dụng phanh điện từ. Cấu tạo của phanh điện từ có một Rôto và một bộ phận cố định cung cấp từ trường có thể điều chỉnh bằng cơ cấu điều khiển. Rôto ( Gắn vào trục nâng) cắt các đường sức của từ trường. Lực điện từ cảm ứng trong Roto sẽ chống lại chuyển động quay. Dòng xoáy sinh ra trong Roto làm toả nhiệt do hiệu ứng phun và nhiệt lượng này được tản ra nhờ hệ thống nước tuần hoàn làm mát. Giá trị của mô men phanh có quan hệ với cường độ của từ trường được tạo ra trong các cuộn dây. Vì thế loại phanh này được sử dụng rất linh hoạt. 1.4.4. Các dụng cụ trên sàn khoan Được chia làm hai loại: - Những dụng cụ dùng để nâng, thả. - Những dụng cụ dùng để vặn. Các dụng cụ nâng thả: quang treo dùng để móc 2 càng đỡ thiết bị nâng thả. Mỗi loại thiết bị nâng thả phù hợp với một loại kích thước danh nghĩa của cần khoan. Để nâng thả cần nặng, thường sử dụng các đầu nặng của thiết bị nâng mà người ta vặn lên ren của cần nặng và phần trên của nó có cùng kích thước với các cần khoan để không phải thay đổi loại thiết bị nâng. Để treo bộ khoan cụ lên bàn roto, người ta sử dụng chấu chèn đặt trong các ống lót hình côn trong bàn roto. Đối với cần nặng trơn, người ta tăng độ an toàn bằng cách bắt vòng kẹp phía trên các chấu chèn. Các dụng cụ vặn: muốn tác động ngẫu lực xiết chặt hoặc tháo ra vẫn thường dùng khóa có nhiều má kẹp (vam). Khóa được giữa bằng cáp hoặc xích tại điểm cố định. Còn một khoá khác thì được nối với một ụ máy quay được nhờ tời khoan truyền tải. Lực kéo của tời đó tạo ra mômen lên ống nhờ cánh tay đòn tương ứng với chiều dài của khoá. Đối với tất cả các thiết bị khoan biển cũng như các thiết bị nặng trên đất liền, người ta trang bị trên sàn khoan những rôbốt để vặn và hãm bằng thuỷ lực, có thể thao tác được trong lỗ nhỏ.Các thiết bị này di chuyển trên đường ray để tháo bàn roto khi cần thiết. 1.5. Các thiết bị xoay 1.5.1. Bàn Rôto * Chức năng và các đặc điểm của bàn quay Roto Bộ phận cơ khí này rất đơn giản và rất ít phải bảo dưỡng, điều này rất hấp dẫn với điều kiện khoan. Ổ lăn chính phải chịu tải trọng cực đại ở trạng thái tĩnh hoặc ở vận tốc quay chậm. Thực tế khi khoan ( 50vòng/phút) khối lượng của bộ khoan cụ được treo ở móc. Việc bảo dưỡng bàn Rôto nhằm kiểm tra mức và chất lượng nhớt trong hệ thống bôi trơn. Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn Rôto trong đó đặt ống lỗ vuông để treo bộ khoan cụ nhờ các chấu chèn (slips) và làm quay đầu vuông dẫn động khi khoan. Kích thước lỗ này có thể là: 17 1/2, 20 1/2, 27 1/2, 37 1/2, và 49 1/2. Bàn rôto quay được nhờ bánh răng và xích hoặc từ tời khoan(thay đổi tỷ số truyền vận tốc nhờ hộp số) hoặc bằng độc cơ điện độc lập với sự truyền tải của tời trong các thiết bị nặng. * Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Hình 1.6 Bàn Rôto 1: Trục chủ động 7: Đầu vuông dẫn động 2: Gioăng làm kín 8: Miếng chèn chính 3: Bánh răng nón 9: Gioăng làm kín dung dịch 4: Ổ lăn chính 10: Ổ lăn tự lựa 5: Ổ lăn bánh răng nhỏ 11: Các te 6 Ống lót hình nón Truyền động từ tời khoan hoặc từ động cơ qua hộp giảm tốc đến trục dẫn (1). Thông qua cặp bánh răng nón (3) đã truyền chuyển động quay cho bàn Roto(7). Như vậy là đã biến chuyển động quay nằm ngang của trục dẫn (1) thành chuyển động quay theo chiều thẳng đứng của bàn Roto(7). Cần chủ đạo có tiết diện vuông phù hợp với lỗ của bàn Roto (7) Cũng chuyển động quay theo và thông qua cột cần khoan quay choòng trên đáy lỗ khoan. 1.5.2. Cần chủ đạo 1.5.2.1. Cần chủ đạo Với tiết diện vuông hoặc lục giác, cần chủ đạo quay nhờ bàn rôto và khối vuông dẫn động lắp xung quanh chiều dài thường dùng của nó. Khối vuông dẫn động này gồm 4 trục lăn nằm ngang có hình dạng thích hợp để truyền ngẫu lực cho cần và và do vậy mà truyền cho bộ khoan cụ lắp dưới nó. Toàn bộ có thể trượt dọc. Đối với cần chủ đạo có chiều dài tổng cộng là 40ft hoặc 54ft thì chiều dài làm việc tuơng ứng của nó là 37ft và 5ft. Do nguyên nhân an toàn đối với hiện tượng phun bên trong bộ khoan cụ, người ta lắp các van cần chủ đạo. Hai van này hoạt động nhờ 1/4 vòng bằng khóa đặt sẵn trên sàn khoan. Van dưới cần có kích thước sao cho nó có thể thả xuống giếng khi khoan. 1.5.2.2. Đầu nối chống mòn Sau khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo, phải tiếp thêm cần khoan. Muốn vậy, phải cần tháo cần chủ đạo, sau đó vặn nó lại vào bộ khoan cụ. Thao tác này phải làm thường xuyên, dễ hao mòn và hỏng ren cần chủ đạo. Do đó trong thực tế, người ta thường thay bằng một đầu nối rẻ tiền hơn để chống mòn ren cần chủ đạo. Đầu nối này quay bên trong thiết bị đối áp BOP và để chống mòn lỗ trong của chúng, người ta thường lắp một vòng bảo vệ bằng cao su quanh đường kính ngoài. 1.5.2.3. Đầu xoay thuỷ lực Đây là bộ phận có quai treo và móc nâng. Nó được thiết kế để chịu đồng thời tải trọng và tốc độ quay cực đại của bộ khoan cụ. Mặt khác, một gioăng xoay cho phép bơm dung dịch khoan dưới áp suất nhờ ống mềm nối với ống cổ ngỗng của đầu xoay thủy lực. Cần lưu ý rằng tất cả đầu nối phía trên tiết diện làm việc của cần chủ đạo phải có ren trái để trống nới lỏng ren do bàn rôto quay về bên phải. 1: Đầu nối 2: Thân 3: Mũ ốc 4: Bạc lót 5: Đệm chắn đầu 6 Vỏ 7 Ổ bị đỡ 8: Ổ bi chặn 9: Vòng tựa 10: Ổ bị đũa chặn 11:Chốt 12: Đệm chắn đầy trên 13: Đệm chắn nước 14: Ống cao áp 15: Quang treo Hình 1.7 Cấu tạo đầu xa nhích 1.5.2.4. Đầu quay (Top drive) Thiết bị này ngoài việc thực hiện các chức năng như đầu xoay thuỷ lực thông thường còn truyền động lên trục quay. Động cơ này có thể giống với động cơ của bàn rôto độc lập, Có nghĩa là động cơ điện một chiều hoặc động cơ thuỷ lực. Loại động cơ ít phổ biến vì cần lắp đặt thêm một thiết bị có công suất thuỷ lực đặc biệt. Hình 1.8 Cụm đầu quay di động * Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của đầu quay di động Hình 1.9 Cấu tạo đầu quay di động Thiết bị này thường được sử dụng trong các hoạt động khai thác giếng khoan tốn kém vì có các ưu điểm sau. - Không phải dùng cần chủ đạo. - Thao tác lắp với bộ khoan cụ làm việc ở mọi độ cao. - Có thể tiếp cần dựng. - Làm quay bộ khoan cụ khi nâng và tuần hoàn dung dịch. - Lấy lõi khoan dài. - Không cần tháo rời bộ khoan cụ giữa hai giếng khoan khai thác khi việc dịch chuyển thiết bị khoan có thể thực hiện với tháp khoan đứng và cần dựng trong tháp. - Có khả năng tác động ngẫu lực tĩnh trong thời gian không xác định. - Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất mômen cản. - Phải gia cố kết cấu do có lực xoắn phụ. - Phải có các ống mềm hoặc cáp tải điện phụ trong tháp khoan. - Tăng đáng kể khối lượng ở trên cao. -Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều so với hệ thống bàn rôto và cần chủ đạo. 1.6. Thiết bị bơm dung dịch Đây là các máy bơm pittông. Chuyển động tịnh tiến qua lại của các pittong và các cần là do cơ cấu thanh truyền và trục khuỷu. Các bơm theo nguyên lý thể tích này cung cấp lưu lượng phụ thuộc trực tiếp vào thể tích làm việc của xilanh bơm và chế độ quay của trục khuỷu. Muốn điều chỉnh lưu lượng thợ khoan tính số chu trình trong một phút bằng số hành trình của máy bơm trong một phút. Trong khoan dầu khí thường sử dụng các loại bơm piston, đó là máy bơm 2 xilanh nằm ngang tác dụng kép hoặc máy bơm 3 xi lanh nằm ngang tác dụng đơn. Yêu cầu đối với bơm khoan là: Bơm được dung dịch có độ nhớt cao, trọng lượng riêng lớn và chứa các pha rắn mài mòn như cát, chất làm nặng v.v... Đồng thời có được lưu lượng và áp suất làm việc cao đảm bảo thắng được sức cản thuỷ lực khi tuần hoàn. Máy bơm bền chắc, hệ số tin tưởng cao, lắp đặt và vận hành đơn giản. + Sơ đồ nguyên lý làm việc của bơm 2 xilanh tác dụng kép. 1: Píton 2: Xi lanh 6 3,4:Van hút 5,6 : Van đẩy 7: Cần piston 8: Con trượt 9: Thanh truyền 10: Tay quay 11: Ống hút 12: Bể dung dịch 13: Bình điều hoà 14: Khoá nước Hình 1.10 Sơ đồ động học của bơm piston Nguyên lý làm việc của máy bơm là: Chuyển động từ động cơ qua hộp giảm tốc được truyền tới bánh đà, qua cơ cấu tay quay thanh truyền 10, 9 đã biến chuyển động quay của bánh đà thành chuyển động tịnh tiến nằm ngang của piston trong xi lanh. Giả sử piston chuyển động từ trái sang phải thì van hút 3 mở ra van đẩy 5 đóng lại, trong khi ở bên phải thì van 4 đóng lại và van 6 được mở ra, dung dịch qua van 6 được đẩy ra ngoài. Nếu piston chuyển động từ phải qua trái thì quá trình xảy ra ngược lại. Như vậy trong một hành trình của piston xảy ra 2 lần hút và 2 lần xả gọi là tác dụng kép. Lưu lượng của máy bơm trong 1s được tính như sau: Q =  . K l/s F - Diện tích tiết diện của xi lanh F - Diện tích tiết diện của cần piston (ty bơm) L - Bước piston n - Số hành trình của piston m - Số xi lanh K - Hệ số hút đầy (Phụ thuộc vào sự hao mòn của van, piston và xi lanh). 1.7. Thiết bị động lực dùng cho công tác khoan. Thiết bị động lực là toàn bộ hệ thống để biến điện năng hoặc năng lượng của nhiên liệu thành cơ năng và hệ thống điều khiển cơ năng. Công suất của thiết bị động lực chủ yếu dùng để quay cột cần khi khoan, dùng cho máy bơm để thực hiện công việc tuần hoàn nước rửa, dùng cho công việc nâng thả cột cần khoan, ống chống. Yêu cầu cơ bản đối với thiết bị động lực là phải có đường “đặc tính mềm” Nghĩa là có khả năng tự động hoặc có điều khiển thích ứng một cách nhanh chóng với sự thay đổi của phụ tải, bảo đảm sử dụng công suất động cơ một cách tốt nhất. “Đặc tính mềm” được đặc trưng bởi hệ số chịu tải k và khoảng điều chỉnh tốc độ R. Hệ số k còn thể hiện ở khả năng quá tải. k =  Mmax - Mô men quay lớn nhất củ động cơ làm việc ở chế độ ổn định. Mđ.M - Mô men quay định mức. Khả năng điều chỉnh tốc độ R =  Nmax - Số vòng quay lớn nhất. Nmin - Số vòng quay nhỏ nhất Động cơ điện 1 chiều và động cơ đốt trong có bộ truyền thuỷ lực sẽ có được “đặc tính mềm cao”. Nghĩa là có hệ số chịu tải và khoảng điều chỉnh tốc độ tốt. Ngoài đặc tính cơ bản trên, yêu cầu động cơ chạy tời và Roto phải có là: - Mômen khởi động cao (để thắng quán tính của cột cần khoan và lực ma sát với thành lỗ khoan). - Khởi động êm: Vì nếu gia tốc lớn thì ứng suất động trong cột cần sẽ lớn và như thế có thể gây ra sự cố. - Có thể đảo chiều quay dễ dàng. - Khả năng quá tải cao. Yêu cầu chung: Động cơ phải có cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, có thể dừng lại ngay khi cần thiết, an toàn cháy nổ và kinh tế. Động cơ cho máy bơm: Không cần đảo chiều quay, không cần mô men khởi động lớn, còn các yếu tố khác cũng giống như động cơ chạy tời và Roto. Sau đây là tóm tắt bảng phân bố thiết bị động lực trang bị trong một thiết bị khoan hoạt động. Bảng 1. Bảng phân bố thiết bị động lực Chiều sâu đạt tới (m)  Tải trọng ở móc nâng (t)  Công suất ở tời (Kw)  Công suất ở các máy bơm (Kw)  Công suất tổng cộng (Kw)   6000(9000 4000(6000 3000(4000 900(3000  400(600 300(400 200(300 100(170  1500 1100 750 300(525  2000(2600 1800(2000 1100(1800 750(1100  3000(3750 2250(3000 1850(2250 1100(1850   Hiện nay trong trang bị thiết bị động lực hiện đại có hai loại chủ yếu là: Động cơ đốt trong (diezel) và động cơ điện. Mỗi loại đều có ưu và nhược điểm nhất định. + Động cơ Diezel có ưu điểm là hoạt động độc lập, xa nguồn điện lưới quốc gia, tiêu hao nhiên liệu thấp. Song nhược điểm cơ bản là: Không đảo được chiều quay (phải lắp thêm bộ phận đảo chiều), không cho phép quá tải trên 20%. + Thiết bị động lực dùng điện xoay chiều (động cơ điện xoay chiều) có ưu điểm cơ bản là lắp đặt và vận hành đơn giản chắc chắn và kinh tế. Thích hợp cho vùng khoan khai thác tập trung có mạng lưới điện quốc gia chạy qua. CHƯƠNG II CHỨC NĂNG VÀ CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA CỘT CẦN KHOAN Cột cần khoan một kích thước được hình thành từ các ống khoan cùng một loại ống đường kính ngoài; nhiều kích thước được hình thành từ các loại ống đường kính ngoài khác nhau; nhiều đoạn hình thành từ các đoạn ống có cùng một nhóm độ bền, một đường kính ngoài có cùng chiều dày thành ống và có cùng cấu trúc ren nối. 2.1. Chức năng: Là khâu nối giữa dụng cụ đáy và thiết bị trên mặt,thực hiện các nhiệm vụ. + Truyền chuyển động quay cho choòng khoan trong khoan Roto hoặc đầu quay di động. + Dẫn nước rửa cho động cơ tuabin làm việc trong khoan tuabin. + Dẫn nước rửa làm sạch mùn, làm mát dụng cụ đáy trong quá trình tuần hoàn. + Truyền tải trọng, kéo thả dụng cụ khoan. + Thực hiện các công tác phụ trợ khác như vỉa, cứu chữa sự cố... * Thành phần cột cần khoan: Cột cần khoan gồm có các bộ phận: - Cần chủ đạo - Cần khoan - Za mốc cần khoan - Cần nặng - Đầu nối chuyển tiếp - Định tâm 2.2. Cấu tạo các bộ phận của cột cần khoan 2.2.1. Cần chủ đạo Là khâu nối giữa cần khoan và đầu thuỷ lực. cần chủ đạo tạo lên một môi trường trung gian nhận chuyển động quay từ bàn Roto truyền cho choòng qua một cột cần khoan. Để nhận được chuyển động quay này, cần chủ đạo phải có hình dáng bên ngoài được cấu tạo đặc biệt. Cần chủ đạo có tiết diện hình vuông, hình sáu cạnh và hình tám cạnh. Cần chủ đạo thường có các đường kính quy ước: 65; 80; 112; 140; 155 (mm) Chiều dài cần chủ đạo thường cỡ 12 ÷ 14 m; (40 ÷ 54ft) Hình 2.1 Mặt cắt ngang cần chủ đạo Đầu cần có thể chôn dày hoặc không chôn dày. Loại không chôn dày ít được sử dụng vì đầu ren của cần yếu. Người ta cần sản xuất hàng loạt các cần chủ đạo đồng bộ với perekhốt trên và dưới của nó. 2.2.2. Cần khoan: Đây là bộ phận chính của cột cần, thực chất đó là loại ống thép được chôn dày ở 2 đầu để tăng độ bền của ren nối. Tuỳ theo cấu tạo của đầu chồn mà người ta chia ra 3 loại cần đó là. - Đầu cần chồn dày về phía trong và tiện ren bước ngắn. - Đầu cần chồn dày về phía ngoài và tiện ren bước ngắn. - Đầu cần chồn dày về cả hai phía trong và ngoài có tiện ren bước ngắn - Ngoài ra còn dùng cần hàn (với za mốc) – là loại đầu nối hiện đại. Cần khoan được đặc trưng bởi chiều dài và đường kính của chúng. Cần khoan được chế tạo chủ yếu theo 6 cấp đường kính sau: 60; 73; 89;114; 141;168 mm với mỗi cỡ đường kính có bề dày δ từ 8 ÷ 11mm có các cỡ chiều dài khác nhau từ 6 ÷ 11m. Với các cỡ đường kính: 2 3/8’’; 2 7/8’’; 3* 1/2’’; 4*1/2’’; 5*’’; 5 1/2’’ * Được dùng rộng rãi trong khoan dầu ở Mỹ. Các cỡ chiều dài của cần khoan theo API được phân làm 3 loại: Loại 1: 18 ÷ 22 ft ( 5,486 ÷ 6,71m) Loại 2: 27 ÷ 30ft ( 8,229 ÷ 9,144m) Loại 3: 38 ÷ 45ft (11,582 ÷ 13,716m) Thép cần khoan là thép hợp kim có độ bền cao. 1.Ren tam giác. Hình 2.2 Mặt chồn và tiện ren của cần khoan 2 Phần đầu cần được chôn dày. Đặc tính của cần khoan theo tiêu chuẩn API của Mỹ đã quy chuẩn 4 cấp thép. Bảng 2.1. Các đặc tính của cần khoan Cấp thép  Giới hạn đàn hồi  Tải trọng phá huỷ    Nhỏ nhất  Lớn nhất  Nhỏ nhất    Psi  Psi  Psi   E  75.000  105.000  100.000   X - 95  95.000  125.000  105.000   G - 105  105.000  135.000  115.000   S - 135  135.000  165.000  145.000   2.2.3. Za mốc nối cần khoan 4 5 4 1 2 3 Hinh 2.3 Đầu chồn Za mốc 1: Cần khoan 2: Zamốc cái 3: Zamốc 4: Ren 5: Zamốc đực Dùng để nối các đoạn cần khoan với nhau. Za mốc nối cần khoan gồm 2 chi tiết: za mốc đực và za mốc cái. Việc dùng đầu nối za mốc nhằm mục đích. + Bảo vệ ren cần khoan bởi vì chúng bị mài mòn rất nhanh do tháo lắp liên tục + Giảm thời gian tháo vặn cần khoan vì bước ren za mốc lớn hơn bước ren của cần. Các chi tiết của za mốc được nối với cần khoan qua ren bước ngắn, các chi tiết được nối với nhau qua ren bước dài hơn gọi là ren za mốc. Có 3 loại za mốc được chế tạo cho cần khoan: + Loại za mốc có lỗ mở thường ( dz <d’t) Cần chồn dày bên trong. + Loại za mốc có lỗ mở rộng (dz ( d’t) Cần chồn dày bên trong. + Loại za mốc có lỗ mở tăng cường (dz>d’t) cần chồn dày bên ngoài. Za mốc có lỗ mở thường có đường kính bên trong của za mốc đực nhỏ hơn đường kính bên trong của phần chồn dày. Hai loại za mốc có lỗ mở thường và za mốc có lỗ mở rộng được lắp vào loại cần khoan có đầu chồn dày bên trong. Đường kính định mức của za mốc không tương ứng với đường kính ngoài za mốc mà tương ứng với đường kính định mức của cần lắp za mốc đó. Ngoài ra cần khoan và đầu nối còn có các loại sau. + Cần khoan được nối với các chi tiết za mốc bằng hàn ( cần hàn) + Cần khoan được chôn dày và nối với nhau qua đầu nối mupta. * Đặc tính của ren cần khoan và ren za mốc a.Ren cần khoan: Là ren nối giữa các đầu cần và với các chi tiết của zamốc - Tiết diện ren hình tam giác, đầu và chân ren lượn tròn,góc đỉnh bằng 600. đường phân giác chia đôi góc đỉnh của ren vuông góc với trục cần khoan - Bước ren của cần khoan là khoảng cách giữa hai đường phân giác đi qua hai đỉnh gần nhau, ký hiệu là P. Bước ren cần khoan thường là 3,175mm ( 8 vong ren/in) - Độ côn của đầu ren cần khoan là 1/16 góc nghiêng là 1047’24’’ - Ren cần có thể trái hoặc phải. b.Ren za mốc: Tiết diện của ren za mốc hình tam giác, chân ren lượn tròn, đỉnh ren cắt phẳng.Góc đỉnh bằng 600 đường phân giác góc đỉnh vuông với góc trục Độ côn za mốc phụ thuộc vào cỡ kiểu za mốc, thường là ¼ hay 1/5 Bước ren của za mốc dài hơn ren cần, nó vào khoảng 4 hay 5 vòng/in Hiện nay cần khoan loại 1 được sử dụng rộng rãi nhất, loại cần có đầu nối mở rộng thường dùng cho khoan tucbin, loại cần có đầu nối thường được dùng cho khoan roto. 2.2.4. Cần nặng Cần nặng được lắp trên choòng khoan, nhằm giữ hướng thẳng đứng phần dưới của lỗ khoan nhờ độ cứng vững của nó lớn hơn cần khoan và khe hở cũng bé hơn. Dùng để truyền tải trọng cho choòng khoan bằng một phần trọng lượng của nó.
Hình 2.4 Cần nặng Có nhiều loại cần nặng. * Cần nặng nhẵn: được chia làm 2 loại + Loại có đường kính đều + Loại có hai đầu tăng dần * Cần nặng hình xoắn ốc ( giảm diện tích tiếp xúc với thành giếng khoan và giúp tuần hoàn dung dịch tốt hơn). * Cần nặng vuông (độ cứng vững cao và khả năng dẫn hướng tốt nhưng giá thành cao và sử dụng phức tạp nên ít dùng). Cần nặng được nối trực tiếp với nhau không thông qua đầu nối trung gian. Chiều dài cần nặng được chuẩn hóa: 9,144m Đường kính cần nặng thường là: 241,3 mm; 203,2mm; 196,85mm; 171,45mm; 120,65mm. 2.2.5. Đầu nối chuyển tiếp Là đầu nối giữa những chi tiết có đường kính khác nhau với nhau. Đấu nối chuyển tiếp được phân thành 2 nhóm: a. .Nhóm đầu nối chuyển tiếp của cần chủ đạo Đầu nối chuyển tiếp phía trên của cần chủ đạo được nối với đầu thuỷ lực là đầu nối ren trái để tránh tháo trong quá trình khoan. Đầu nối phía dưới của cần chủ đạo với cần khoan là đầu nối ren phải. b. .Nhóm đầu nối chuyển tiếp trung gian Nhóm đầu nối chuyển tiếp trung gian để nối các phần trong cột cần khoan như giữa cần khoan và cần nặng, giữa cần nặng có đường kính khác nhau với nhau, giữa cần nặng và choòng v.v. 2.2.6. Định tâm cần khoan Đinh tâm là một chi tiết của bộ dụng cụ dùng để định tâm cột cần khoan tại vị trí đặt định tâm - Công dụng: Ngăn ngừa sự cong lệch giếng khoan khi thi công. Nhờ tiếp xúc với thành giếng khoan ở 3 điểm nên bộ đinh tâm đảm bảo sự đông trục giữa cột cần khoan và giếng khoan đặc biệt trong khoan tuabin. Định tâm được đặt ở phần nén bộ dụng cụ, trong vị trí cần nặng có xu hướng bị uốn và định tâm thực hiện vai trò như trụ đỡ trung gian. Có nhiều loại định tâm khác nhau phụ thuộc vào độ cứng đất đá ở thành giếng khoan. Ví dụ định tâm trên được sử dụng phổ biến hơn cả. Trên thân có 3 rãnh phân bố cách nhau 1200. Trên mỗi bách có lắp 2 bắnh răng hình trụ, hai đầu định tâm có ren để nối với đầu nối chuyển tiếp của cột cần khoan nhằm giảm tối đa lực ma sát với thành giếng khoan. Nhiều trường hợp người ta lắp trên tuabin hai bộ định tâm, xen giữa 2 bộ định tâm là một đoạn cần nặng. Một số loại định tâm thường sử dụng: Đinh tâm dẫn hướng được dùng trong khoan Roto được chế tạo từ thép cán crom – niken độ bền cao và là một chi tiết đồng bộ cùng cánh xoắn được gắn các răng hợp kim cứng vonfram – cacbon. Các cánh hoàn toàn phủ kín tiết diện giếng và đảm bảo tiếp xúc tròn với thành giếng. Để đặt giữa các đoạn cần nặng các định tâm dẫn hướng được chế tạo đầu ren nối za mốc trong và ngoài. Định tâm di động dùng để điều chỉnh góc đỉnh giếng khi góc phương vị ổn định. Định tâm gồm 6 mufta với 6 cánh thẳng gắn hạt hợp kim cứng chống mài mòn và ống đàn hồi xẻ rãnh bậc. Để cố định định tâm ở thân động cơ đáy mufta được vặn chặt với ống đàn hồi, ống đàn hồi được nén lại khi bao quanh thân và đảm bảo cố định tâm nhờ ma sát tĩnh.
Hình 2.5 Các loại định tâm 2.2.7. Vật liệu chế tạo các chi tiết cần khoan. Là thép hợp kim với thành phần cácbon trung bình. Mọi chi tiết của cần khoan đều được ra công nhiệt luyện để tăng cơ tính. Gần đây người ta đã chế tạo các cần khoan nhẹ bằng hợp kim đặc biệt. Cần khoan nhẹ dùng trong khoan Roto và tuabin là hợp kim nhôm hai đầu được chôn dày vào phía trong. Za mốc cũng được cấu tạo nhẹ. Cần khoan bằng hợp kim nhôm có những ưu điểm sau: Trọng lượng cột cần nhỏ nên khoan được chiều sâu lớn với cùng thiết bị. Thời gian nâng thả nhanh, tiêu thụ năng lượng giảm, vận chuyển và bảo quản nhẹ nhành hơn. Nhược điểm: - Giá thành cao - Đặc tính bền giảm đi khi nhiệt độ đáy tăng trên 1100C - Mài mòn nhanh do ma sát với thành giếng khoan vì vậy cần hợp kim nhôm chỉ được dùng rộng rãi trong khoan tuabin vì cột cần không quay 2.3. Chịu tải của cột cần khoan trong quá trình làm việc Trong quá trình làm việc tải trọng tác dụng lên cột cần khoan rất đa dạng khác nhau về đặc tính và giá trị. Chịu cả tải trọng động và tải trọng tĩnh bao gồm: Kéo, nén, uốn, xoắn, lực ma sát, quán tính và các dao động. Đặc tính của các lực tác dụng lên cột cần khoan luôn luôn thay đổi và phụ thuộc vào chiều dài của cột cần khoan. Ở gần đáy các lực luôn biến đổi, khi càng gần miệng tải trọng càng ổn định dần. Nói tóm lại đặc điểm của sự làm việc của cột cần khoan là sự mất ổn định dưới tác dụng của các lực ngang lực chiều trục, lực xoắn. Trục của cột cần khoan trong trong trường hợp chung có hình xoắn trong không gian. Độ dài các bước xoắn thay đổi theo chiều sâu giếng khoan. Chiều dài bước xoắn nhỏ nhất ở điểm trung hoà và tăng dần lên miệng giếng khoan. 2.3.1. Ứng suất kéo của cột cần khoan. Ứng suất kéo lớn nhất trong quá trình kéo cột cần khoan, tổng hợp lực phần trên sẽ là: Qk = Q + Qm + Qqt Trong đó: Q – Trọng lượng bản thân cột cần Qm – Lực ma sát với thành giếng khoan Qqt - Lực quán tính ; Qqt = q  a – Gia tốc kéo; g – gia tốc trọng trường Qm = (. Q ; ( = 0,2 ( 0,3 (hệ số ma sát) Bây giờ xét từng trường hợp cụ thể. Q - Trọng lượng của cột cần khoan khi ngâm trong dung dịch, được tính bằng công thức sau: Q = [(L - lcn) q + lcn . qcn + G ] ( 1 -  ) Trong đó : L - Chiều dài cột cần, m Lcn - Chiều dài cần nặng, m q, qcn - Trọng lượng 1m cần khoan, cần nặng,kg G - Trọng lượng của choòng và tuabin,kg (d , (t - Trọng lượng riêng của dung dịch và của thép Như vậy, ứng suất kéo của cột cần khoan được tính theo công thức: (K =  F =  (D2 - d2) - Tiết diện cần khoan D,d - Đường kính ngoài và trong của cột cần khoan. Ta xét ứng suất kéo ở phần trên cột cần trong 3 trường hợp sau: - Trường hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan: (K’ (K’ =  - Trường hợp cột cần treo trên đáy lỗ khoan nhưng có sự tuần hoàn của nước rửa: (K” (K” = (K’ +  Trong đó: P – Tổn thất áp suất bên trong cần khoan, cần nặng, tuabin, choòng. Ft - Diện tích tiết diện ngang lỗ thoát nước trong cần khoan. - Trong trường hợp choòng làm việc với tải trọng Gc : (K”’ (K”’ =  + Độ dãn cần : Trong trường hợp giếng khoan thẳng đứng độ dãn nở toàn phần do trọng lượng bản thân của cột cần được xác định theo biểu thức sau đây: (L =  . K .  [(L - lcn)2 + l2cn + 2lcn (L - lcn) . ] Trong đó: E – Môđun đàn hồi của thép cần khoan. Fcn - Tiết diện ngang của cần nặng. 2.3.2. Ứng suất xoắn của cột cần khoan Trong khi khoan đồng thời với ứng suất kéo, cột cần phải chịu ứng suất xoắn do sự quay của cột cần khoan: ( Được mô tả theo hình vẽ dưới đây). 0
0
Ma sát với thành nhỏ, Mx còn truyền tới miệng Ma sát với thành lớn, Mx bi trượt tiếp tuyến tại một điểm nào đó L L Khoan Roto Khoan tuabin Hình 2.6 Ứng suất xoắn của cột cần - Trong khoan Roto Mx có giá trị tăng dần từ đáy lên miệng. - Trong khoan tuabin: biến thiên ngược lại, phía dưới cùng có giá trị lớn nhất bằng mô men phản của tuabin và giảm dần lên mặt và tuỳ thuộc vào ma sát với thành giếng khoan (hình vẽ). Trong khoan Roto ứng suất xoắn cực đại (max ở phần trên cùng của cột cần cần được tính như sau: (max =  = 71620  Trong đó: Nkt – Công suất để quay cột cần khoan không tải Nc – Công suất tiêu thụ để quay choòng phá đá N - Số vòng quay Mmax – Mô men xoắn lớn nhất. Wx =  Môđun chống xoắn. Như vậy ứng suất tổng cộng xuất hiện tại tiết diện trên cùng của cột cần khoan được tính : (( (( =  2.3.3. Ứng suất phần dưới cột cần khoan Trong quá trình làm việc phần dưới của cột cần chịu các ứng suất: Xoắn. Kéo, nén, uốn. a, Ứng suất nén: ((n) Khi khoan với tải trọng đáy là Gc , ứng suất nén sẽ có giá trị lớn nhất tại tiết diện dưới cùng của cột cần. (n =  b, Ứng suất uốn: ( (u) + Ứng suất uốn do cong lỗ khoan: Ứng suất uốn sinh ra trong cột cần khoan, khi cần khoan làm việc trong một giếng khoan xiên có bán kính cong R được tính bằng công thức: (u =  - (1) D - Đường kính ngoài cần khoan. E - Modul đàn hồi của thép cần khoan. R – Bán kính cong của giếng khoan. + Mômen uốn do lực ly tâm tác dụng Trong quá trình quay cột cần . Hình 2.7 Độ cong của giếng Khi quay dưới tác dụng của lực ly tâm cộng với áp lực chiều trục cột cần khoan bị lệch khỏi hướng cân bằng ban đầu, tạo thành các cung uốn. Mômen xoắn sẽ làm cho cột cần khoan tạo thành cung uốn một hình xoáy ốc. Trong điều kiên bình thường ở giếng khoan thẳng đứng phương trình của cung uốn của trục cần khoan là: P y = f . sin  - (2) l - Độ dài nửa cung uốn. l f F - Độ võng ở nửa cung uốn. P Z Hình 2.8 Chịu uốn của cột cần khoan Mômen uốn được xác định qua biểu thức đường trung hoà:  (3) Lấy đạo hàm bậc 2 của phương trình (2) thay vào (3) ta được: Mu =  Mômen uốn sẽ đạt giá trị cực đại khi sin = 1. Tức là: tại điểm z = sin  = sin (  nghĩa là giữa cung uốn: z=l/2 Mumax=  f Mômen này tương đương với ứng suất uốn là: (u =  =  . f Nếu ta thay E = 2 .106 KG/cm2 và (2 (10 sẽ có được công thức sau: (u = 2000 .  Trong đó: f - Độ võng của cung uốn, tính bằng cm, f =  Dc ; Dd - Đường kính choòng và zamốc (tính bằng cm) I – Mômen quán tính của tiết diện cần khoan. I =  (D4 - d4) W – Môdunl chống uốn của cần W =  D,d - Đường kính ngoài và trong của cần ở chỗ chôn dày. Trong khoan Roto ứng suất uốn có đặc tính thay đổi. Qua 1 vòng quay ứng suất của nó thay đổi liên tục từ giá trị cực đại đến giá trị cực tiểu. Sự tuần hoàn của thay đổi ứng suất này dẫn đến hiện tượng mỏi cần khoan. 2.4. Ổn định cột cần khoan. Dưới tác dụng của một số tải trọng cần khoan có thể mất ổn định. Nói chung sự mất ổn định của cột cần khoan là do tải trọng đáy, lực ly tâm, lực uốn, xoắn và áp lực... Quan trọng nhất vẫn do tải trọng đáy và lực ly tâm làm cho cột cần tạo thành một đường cong trong không gian. + Cột cần khoan mất ổn định do áp lực đáy sinh ra: Trong quá trình khoan cần phải tạo áp lực đáy xuống choòng bằng một phần trọng lượng của cột cần. Nếu tải trọng này vượt quá một giá trị tới hạn thì cột cần khoan sẽ bị mất ổn định và bị võng ở phần dưới cột cần. Nếu cần khoan quay thì lực ly tâm còn hỗ trợ thêm cho độ võng tăng lên. Để nghiên cứu độ võng của cột cần khoan chúng ta chỉ đề cập đến tác dụng của tải trọng chiều trục do trọng lượng riêng bản thân cột cần ở vùng giếng thẳng đứng. Với giả thiết rằng ở 2 đầu của thanh dầm, phần dưới ngàm cố định, phần trên di động. Theo Tymisenko sự mất ổn định của thanh dầm do trọng lượng riêng của nó sẽ vượt qua một lực tới hạn (Pth). Lực tới hạn bằng một nửa trọng lượng riêng của dầm ở chiều tới hạn. Như vậy cân bằng lực tới hạn cho bằng công thức culer với trường hợp trên, lực tới hạn theo Tymisenko sẽ thu được : Pth =  Từ đó rút ra: lth =  EI – Độ cứng của cần. Bất kỳ điều kiện nào ở hai đầu của dầm, chiều dài tới hạn uốn võng của cần khoan ở phía dưới có thể viết qua biểu thức chung: lth = u .  Trong đó u là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào điều kiên giới hạn ở 2 đầu. Gần nhất với điều kiện thực tế là trường hợp u = 1. Trong thực tế khi khoan tải trọng đáy được chọn lớn hơn rất nhiều so với tải trọng giới hạn. Có thể nói rằng, cần khoan làm việc bị uốn võng. Nhưng độ võng cực đại bị giới hạn bởi đường kính giếng khoan và đường kính cần nặng. Khi tải trọng đáy đạt tới giá trị tới hạn, cần khoan sẽ rời khỏi trạng thái ổn định. Cần sẽ chạm vào thành giếng khoan ở một điểm nằm trong khoảng giữa choòng và điểm trung hoà. Nếu tiếp tục tăng tải trọng đáy thì sẽ xuất hiện 2 hay nhiều nửa cung uốn. + Ổn định cột cần khoan trong chuyển động quay: Khi khoan Roto cột cần khoan quay, phần dưới chịu nén. Dưới tác dụng của lực ly tâm, nêu số vòng quay vượt quá một giá trị tới hạn thì sẽ rời khỏi vị trí thẳng đứng và tạo ra cung uốn. 2.5. Kiểm toán cột cần khoan Khi khoan và khi kéo thả cột cần khoan chịu tải trọng tĩnh lẫn tải trọng động. Để kiểm toán bền cột cần phải tính toán ứng suất tổng hợp tại các tiết diện nguy hiểm của cột cần. Ứng suất tổng hợp này không được phép vượt quá ứng suất cho phép của cột cần. Khi kiểm toán cần khoan kiểu mới người ta kiểm toán bộ bền tĩnh, nghiên cứu hiện tượng mỏi. Các phương pháp kiểm toán độ bền trong khoan rôto và khoan tuabin cũng khác nhau. 2.5.1. Kiểm toán độ bền cột cần khoan trong khoan Rôto Trong khoan roto chúng ta sẽ tiến hành kiểm toán cột cần tại 2 tiết diện nguy hiểm trong trường hợp có cần nặng. Khi không có cần nặng tại 3 tiết diện (hình vẽ a,b): Các bước kiểm toán tiến hành như sau: a, Xác định chiều dài cần nặng: lcn =  , m Trong đó: (c = 1,25 () - Là hệ số kể đến sự tăng chiều dài cần nặng trên tải trọng đáy. Gc - Tải trọng đáy ( KG) qcn - Trọng lượng 1m cần nặng (kg/m) b. Kiểm tra độ bền tĩnh phần trên cột cần khoan (tại tiết diện 1 - 1). Hệ số an toàn ở tiết diện trên cùng được xác định bằng công thức: k =  ( 1,4 (c - giới hạn chảy của thép cần khoan KG/cm2 (( - ứng suất tổng cộng tại tiết diện trên cùng. (( =  (K =  , KG/cm2 ( =  Mx - mômen xoắn. Wx - Modul chống xoắn. Mômen xoắn lớn nhất Mx = 71620 .k đ Ở đây: kđ- hệ số động N- Công suất quay cột cần phục vụ choòng phá đá N = Nkt + Nc Nkt= C. (d. D2.L . n 1.7, kw ( Công suất quay cột cần không tải) Nc= 46,4 .10 -4.k .Gc.Dcn, kw( Công suất tiêu thụ cho choòng phá đá) ở đây: C . hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng( xem bảng dưới ) Bảng 2.2.Bảng hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng khoan Góc nghiêng của giếng khoan  Hệ số C   (3 3( 5 6(9 10(16 18(25 26(35  18,8.10-5 (22,6( 28,8).10-5 (30,8( 34,3).10-5 (35,2( 40,3).10-5 (41,5( 46,6).10-5 (47,5( 52,2).10-5   D - Đường kính ngoài cần khoan, m L - Chiều dài cần khoan, m K - Hệ số phụ thuộc vào độ mòn của choòng. Nếu choòng mới K = 0,1,nếu choòng đã mòn K = 0,2 ( 0,3 Gc - Tải trọng đáy (T) Dc - Đường kính choòng. Wx - Modul chống xoắn, Wx =  Chúng ta có thể tính ( theo công thức sau: ( = 71620 .  kđ Thông thường phần dưới của cột cần khoan chịu những ứng suất tĩnh nhỏ dần, do đó chúng ta có thể lắp ở phần dưới một khoảng chiều dài nào đó loại cần có chất lượng thấp hơn. Hệ số dự trữ bền phần dưới được tính bằng công thức sau đây: k =  ( 1,4 Trong đó: q1, l1 - là trọng lượng một mét cần và chiều dài của đoạn cần phía dưới. Độ dài l1 chúng ta phải ước chừng, nếu như đoạn l1 được chọn mà tính toán có k>1,4 thì lại tăng chiều dài lên. Nếu cột cần được lắp ráp bằng 2 đoạn cần có đường kính khác nhau thì phần dưới chúng ta cũng kiểm tra độ bền như công thức trên. Để tính toán hệ số bền (an toàn) cho tiết diện trên cùng, chúng ta dùng công thức sau đây: k =  ( 4 c. Kiểm tra độ bền phần dưới của cột cần khoan: Hệ số dự trữ phần dưới của cột cần khoan được tính theo công thức sau: k =  ( 1,4 (( - ứng suất tổng cộng xuất hiện ở phần dưới cùng của cột cần khoan. (( =  Trong trường hợp lắp cần nặng (tiết diện 2 - 2), (n = 0. Ứng suất tổng sẽ là: (( =  Ứng suất uốn được tính theo công thức: (u = 2000. , Trong đó: f =  ; I =  Wu =  l - Chiều dài nửa bước sóng được tính theo công thức của Sarkisov: l = .  , m z - khoảng cách từ tiết diện trung hoà đến tiết diện tính toán, m q* - trọng lượng 1 m cần khoan. Nếu phần dưới cột cần có lắp cần nặng thì z = 0, nên l sẽ được tính như sau: l =  , m ( - vận tốc góc rad/300 ( ( =  Giá trị ứng suất tiếp ( ở tiết diện dưới (3-3) không có cần nặng được tính như sau: ( = 71620  kđ Trường hợp có cần nặng được tính là: ( = 71620 .  kđ Ncn - công suất quay cần nặng không tải. CHƯƠNG III KIỂM TOÁN CỘT CẦN GIẾNG KHOAN 7003 GIÀN NHẸ Bk -7 Do cấu tạo của địa chất nên trong quá trình khoan giếng 7003 người ta chia thành 5 khoảng khoan với thông số của bộ khoan cụ được biểu thị trên bảng. Bảng 3.1. Bộ khoan cụ trong khoảng khoan từ 85 ( 250m Bộ khoan cụ  Đường kính (mm)  Chiều dài (m)  Trọng lượng (kG)  Tổng chiều dài (m)  Tổng trọng lượng (T)   Choòng 660,4 3S  660,4  0,80  617  0,80  0,617   Cần nặng xoắn  228,6  18,80  5456  19,60  6,073   Định tâm  660,4  2,41  1062  22,01  7,135   Cần nặng xoắn  228,6  9,40  2728  31,41  9,863   Cần nặng xoắn