Đề tài Nghiên cứu và lập quy trình công nghệ sửa chữa đầu quay di động topdriver ps2-500-500 trên giàn tam đảo-01

LỜI NÓI ĐẦU Nghành dầu khí là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của đất nước. Để phát triển nó cần rất nhiều các yếu tố, trong đó sự phát triển về thiết bị cũng là một nhân tố rất quan trọng. Trong quá trình đi thực tập trên giàn Tam Đảo 01. Bản thân em đã được tiếp xúc với rất nhiều thiết bị. Nhưng bộ phận tương đối mới mẻ chính là động cơ khoan topdriver. Và được sự nhất trí của giáo viên hướng dẫn, thầy Trần Văn Bản em đã được chọn đề tài tốt nghiệp làm về: ” quy trình lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 trên giàn khoan Tam đảo – 01” Chuyên đề: “tính toán thông số công suất của động cơ điện GE752 trong quá trình khoan trên biển” Mục đích của đồ án là nghiên cứu và lập quy trình công nghệ sửa chữa tổ hợp đầu quay di động dựa trên những tài liệu thu thập trong quá trình học tập và qua thực tế tại giàn khoan Tam Đảo 01 - Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro, sự giúp đỡ của quý thầy cô. Tôi xin chân thành cảm ơn. Hà Nội 6/2009 PHẦN I: CÔNG TÁC KHOAN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG CHƯƠNG I: CÔNG TÁC KHOAN Với trình độ khoa học hiện nay chưa có một phương pháp nào mà từ trên mặt đất có thể phát hiện dầu khí nằm sâu trong lòng đất hoặc trong lòng đại dương một cách chính xác. Các giếng khoan dầu khí đã được thực hiện nhằm xác định được khả năng chứa dầu, tính chất về địa chất của vùng dầu sau đó mới đem vào khai thác. chiều sâu của một giếng khoan dầu khí, để đạt được mục tiêu của nó, có thể thay đổi từ vài trăm mét đến 10.000m. Nhưng trung bình là khoảng 2.500m, giếng khoan sâu trên 3.500m, giếng khoan cực sâu là trên 4.500m, giếng khoan sâu nhất trên thế giới được biết là khoảng 15.000m . Giếng khoan là một công trình rất tốn kém, vì vậy cũng như mọi vấn đề đâu tư làm các công trình khác, cần phải nghiên cứu và lập kế hoạch hết sức kỹ càng mới thực hiện được nó. Bước đầu tiên của việc nghiên cứu này nhằm xác định cấu trúc địa tầng của tầng đất đá, sau đó mới phác hoạ được cấu trúc mặt cắt của giếng khoan trên lý thuyết. Việc xây dựng mặt cắt và các phương pháp để đạt tới mục tiêu là kết quả làm việc tập thể của nhiều người thuộc nhiều bộ phận chuyên môn khác nhau. Sau khi thiết kế và được sự đồng ý về kế hoạch khoan. dưới sự chỉ đạo của phòng công nghệ khoan và các ban nghành liên quan bao gồm đội khoan, cán bộ kĩ thuật mới bắt đầu thực hiên. Nói chung công tác khoan bao gồm các bước sau: - Công tác xây lắp và chuẩn bị mọi mặt cho công tác thi công. - Công tác khoan thuần tuý. Choòng trực tiếp phá huỷ đất đá ở đáy và tuần hoàn dung dịch. Đây là thao tác cơ bản tạo ra giếng khoan nhưng nó cần ít người tham gia nhất. Chỉ có kíp trưởng khoan trực tiếp điều khiển thông qua tời, bàn quay rôto và dẫn động bộ dụng cụ phá huỷ nhờ cột cần khoan và cần chủ đạo hoặc thông các loại khoan khác. - Tiếp cần khoan: Khi khoan hết chiều dài làm việc của cần chủ đạo ta cần nối dài thêm bộ khoan cụ bằng cách gắn thêm đoạn cần khác( có chiều dài bé hơn chiều dài làm việc của cần chủ đạo) và được lắp vào cột cần khoan phía dưới. Cứ như thế cần được lặp đi lặp lại sau mỗi lần khoan hết chiều dài làm việc của cần vuông. - Công tác kéo thả: Khi choòng khoan đã mòn, cần thay choòng mới hay khi đã đạt đến chiều sâu dự kiến, bộ dụng cụ khoan phải kéo lên để thay choòng mới hay hạ ống chống. - Công tác chống ống: Hạ xuống giếng cột ống chống đã được tính toán trước và tiến hành trám xi măng theo thiết kế được duyệt. - Công tác lắp đặt đầu ống chống (đầu giếng): khi thả ống chống và trám xi măng xong, bước tiếp theo là lắp đặt các thiết bị giá treo đầu ống chống và làm phủ kín ở đầu mút phía trên của nó giữa các cột ống chống( trừ ống bảo vệ không được liên kết). Các thao tác này được thực hiện bằng tay đối với các đầu giếng trên mặt đất. các thiết bị này cũng cho phép lắp đặt các đối áp và các đường ống cao áp, trong đó có đường dập giếng và đường xả. Sau khi lắp đặt cần kiểm tra độ an toàn của giá treo ống, đối áp, và áp suất làm việc của đầu ống chống. - Công tác hoàn thiện giếng khoan: Đây là công đoạn cuối cùng( sau khi thả ống cột ống chống khai thác) gồm có công việc thả vào giếng các thiết bị cần thiết theo thiết kế như pake, ống khai thác, van an toàn… thông giếng với tầng sản phẩm bằng bắn vỉa, thông tầng bằng các phương pháp xử lý axit, mở vỉa bằng phương pháp thủy lực… sau đó bàn giao giếng khoan cho các công ty khai thác quản lý. - bước tiếp theo là thu dọn khoan trường và chuyển đến địa điểm mới. CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNG KHOAN Dầu khí là một dạng năng lượng hóa thạch tồn tại chủ yếu trong lòng đất đá nằm ở trên đất liền hoặc ở dưới biển dưới dạng các mỏ còn gọi là mỏ dầu. Để khai thác được chúng con người cần tạo một lỗ khoan vào sâu trong lòng đất. Để làm được điều đó cần có động cơ dẫn động choòng khoan. Sau đây là các phương pháp dẫn động cho choòng. . Khoan bằng động cơ đáy Trong công tác khoan dầu khí việc sử dụng động cơ dẫn động cho choòng khoan là một vấn đề cần thiết và được tính toán hết sức cẩn trọng. Bởi nó không chỉ ảnh hưởng tới cả quá trình khoan sau này, mà còn ảnh hưởng tới kinh tế khi thi công một giếng khoan dầu khí trên biển. Trên thực tế việc sử dụng những loại động cơ dẫn động cho choòng, đã được các nhà thầu khoan áp dụng từ lâu. Qua những kiến thức trên lớp và thực tế tôi sẽ giới thiệu sơ qua về nguyên lý cấu tạo và tính năng tác dụng của những loại động cơ dùng để dẫn động quay cho choòng khoan. Có 3 loại động cơ chính dẫn động cho choòng: Động cơ khoan điện; Tua bin khoan; Động cơ trục vít. Khoan tuabin Từ đầu thế kỷ XX ở Liên Xô (nay là Liên Bang Nga ) đã dùng động cơ chìm để quay choòng. Vào đầu năm 1924, Tuabin khoan đầu tiên trên thế 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.
Hình 2.1: tuabin khoan 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 khoan. Mỗi một tầng gồm hai phần chính, phần quay được nối với trục tuốc bin gọi là Rôto. Phần đứng yên nối với vỏ gọi là Stato, Stato gồm 1 vòng thép trong đó có gắn các cánh uốn cong. Rôto cũng gồm một vòng thép bên trong cũng được gắn các bản thép cánh uốn cong nhưng ngược chiều với các cánh cong của Stato. Giữa Rôto và Stato có khoảng cách hở để Rôto quay tự do, trong các cánh quạt của tuabin năng lượng thuỷ lực của dòng nước rửa được chuyển hoá thành cơ năng để quay trục tuabin được nối với choòng khoan. Dung dịch qua các rãnh uốn cong của đĩa Stato, dòng dung dịch đó bị đổi hướng, khi ra khỏi Stato có vận tốc tuyệt đối lớn đi vào các rãnh Rôto uốn cong, và vận tốc ở rãnh khi vào Rôto dòng dung dịch tác dụng xuống các cánh cong của Rôto làm đĩa Rôto quay dẫn đến trục Rôto quay. Ở Rôto chất lỏng tham gia 2 chuyển động với 2 vận tốc. Vận tốc tương đối U1 (thành phần nằm ngang) làm quay đĩa Rôto và W1 (thành phần thẳng đứng) theo hướng của cánh cong, véctơ của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hướng, và đi ra khỏi Rôto là C2, với vận tốc này dòng dung dịch đi vào rãnh của đĩa Stato. Ở tầng tiếp theo với vận tốc tuyệt đối C2 và ở đây lại lặp lại như ở tầng 1. Cấu trúc của tuabin: Tuabin đơn: Được tạo thành bằng vỏ tuabin và gắn chặt với đĩa Stato của tuabin, ở phía bên trong có trục tuabin gắn với đĩa Rôto để treo trục. Bên trong tuabin phải có một ổ tựa dọc (ổ tựa chính) để giữ cho dung dịch khoan không xâm nhập vào ổ trục chính, do vậy người ta có thể đặt ổ tựa chính ở phía dưới để nâng toàn bộ khối Rôto. Tuỳ theo chiều dài của tuabin người ta có thể lắp từ 2-3 ổ tựa ngang. Ở phần trên cùng của tuabin là đầu nối chuyển tiếp để nối với đầu dưới của cột cần khoan. Phía dưới cùng của tuabin có đế tuabin, đế này được bịt kín giữa phần tuabin và trục tuabin nhờ một đệm đặc biệt nhằm đảm bảo áp suất làm việc của tuabin không bị hao hụt trong quá trình làm việc. *Tuabin kép: Khi khoan các tầng đất đá dẻo để thực hiện quá trình phá huỷ đất đá ở các giếng có chiều sâu lớn, do lưu lượng dung dịch nhỏ do vậy giá trị mômen và công suất của tuabin không đủ đáp ứng quá trình khoan. Vậy để đáp ứng được điều đó mà không 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 truyền chuyển động quay trực tiếp cho choòng khoan trong quá trình phá huỷ đất đá. *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, cho nên choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt được vận tốc cơ học khoan cao hơn nhiều so với khoan Rôto. Cột cần khoan ít chịu tải hơn, ít mòn hơn nên giảm được sự cố về cần khoan trong quá trình làm việc. Có thể sử dụng Tuabin khoan để khoan giếng khoan xiên định hướng và khoan ngang rất hiệu quả. Do trên miệng giếng bàn Rôto không quay cho nên giảm được tiếng ồn và cải thiện điều kiện lao động. * Nhược điểm: Tuabin làm việc với số vòng lớn ít phù hợp với đa số loại choòng chóp xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay chậm) Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động tuabin, đặc biệt đối với các giếng khoan sâu thì việc này rất khó thực hiện. Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn, phức tạp. Quá trình bảo dưỡng, sữa chữa tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động hoặc bàn Rôto. 2.1.2. Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor)
Hình 2.2. mặt cắt ngang của động cơ trục vít.
Hình 2.3. Hình dạng ngoài của động cơ trục vít * Động cơ trục vít có ba kiểu chính: Động cơ trục vít tốc độ thấp tốc độ trung bình Động cơ trục vít tốc độ cao Có mômen quay cao rất phù hợp với quá trình cắt xiên và khoan ngang, đặc biệt việc tăng đường kính giếng mở rộng thân giếng khoan và ống chống hoặc khoan lấy mẫu đạt hiệu quả tốt. Động cơ trục vít tốc độ trung bình: 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 biệt đối với các giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đường kính bé và trong công tác sửa chữa giếng. 2.1.3. Động cơ khoan điện. Nguyên lý cấu tạo: 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 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 ngâm 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 ở bên ngoài từ 2-3 at, để không cho chất lỏng khoan lọt vào động cơ. Phần trên của động cơ lắp 3 bộ điều áp kiểu piston: Một cái chứa dầu máy bay dẫn vào bên trong phớt, còn 2 cái chứa dầu biến áp liên thông với phần trong của thân động cơ để bổ sung áp suất cho dầu trong động cơ. Bời trong quá trình làm việc xảy ra sự rò rỉ dầu qua phớt cũng như quá trình động cơ bị đốt nóng thì áp suất sẽ giảm cần phải bù thêm. Đặc tính không tải của động cơ là dòng tăng rất nhanh khi số vòng quay tăng ít. Vì vậy khi khởi động và chất tải cần phải tăng điện áp trong quá trình làm việc thì trị số mômen cực đại thường gấp 2 lần mômen định mức. Quá trình truyền điện từ trên mặt xuống động cơ là nhờ cáp điện lắp phía trong cần khoan, chiều dài mỗi đoạn cáp tương ứng với chiều dài của cần khoan. Khi lắp cần khoan thì các đoạn cáp điện tự động nối với nhau bằng một đầu nối đặc biệt gắn trong gia mốc. * Ưu nhược điểm: Khoan bằng động cơ điện chìm về lý thuyết tỏ ra lợi thế như khoan tuabin và khoan trục vít tuy nhiên có hạn chế về mặt đặc tính của động cơ số vòng quay cao, yêu cầu kỹ thuật dẫn điện xuống động cơ phải an toàn tuyệt đối. 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. 2.2. Khoan bằng động cơ trên bề mặt Có 2 loại chính cơ bản: - Bàn rôto (bàn xoay); - Đầu quay di động (topdriver). 2.2.1. Bàn Rôto Chức năng và nguyên lý cấu tạo Chức năng của bàn quay rôto: 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.
Hình 2.4. Các bộ phận chính của bàn rôto Nguyên lý cấu tạo : Bao gồm các bộ phận chính sau: trục dẫn, cặp bánh răng nón, bàn quay và hệ thống ổ đỡ (vòng bi). Cặp bánh răng nón dùng để truyền chuyển động quay từ trục dẫn nằm ngang đến bàn quay xung quanh trục thẳng đứng. Tất cả các hệ thống ổ đỡ và cặp bánh răng đều được bôi trơn bằng dầu. Đặc tính kỹ thuật của bàn rôto là: tần số quay và số tốc độ truyền công suất, tải trọng tĩnh cho phép lên rôto và đường kính lỗ bàn rôto. Để truyền chuyển động quay lên cần chủ đạo thì phía trong lỗ rôto được đặt các bạc hãm định hình theo kích thước và tiết diện cần chủ đạo (hay còn gọi là các chấu chèn). Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto trong công tác khoan dầu khí thì điều kiện lỗ bàn rôto từ (400 – 700) mm. Rôto có từ 3 đến 6 tốc độ truyền và một tốc độ quay ngược để tháo cần khoan hoặc cứu chữa sự cố. Tùy theo cách bố trí cặp bánh răng nón và các ổ đỡ (Có 2 loại ổ đỡ là ổ đỡ chính và ổ đỡ phụ) mà bàn rôto được phân ra làm 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ chính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới. Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trong quá trình làm việc chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cột cần khoan hoặc ống chống treo trên nó và lực ma sát giữa cần chủ đạo với bàn rôto. Ổ đỡ phụ chỉ chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cột khoan và phản lực đáy gây nên. a) Ưu, nhược điểm: * Ưu điểm: Bộ phận cơ khí này có kết cấu đơn giản và rất ít phải bảo dưỡng. Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình kéo thả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn. * Nhược điểm: Không dùng để khoan lấy mẫu do phải kéo bộ dụng cụ khoan lên khỏi đáy khi tiếp cần nên dễ làm vỡ mẫu, sập thành lỗ khoan trong đất đá không ổn định. Sử dụng thiết bị đầu quay rôto không dùng được tần số cao. 2.2.2 Đầu quay di động (TopDrive) Như tên gọi, thiết bị này ngoài việc thực hiện các chức năng như đầu xoay thủy lực thông thường mà nó có thể truyền động lên trục quay. Động cơ này có thể giống với động cơ của bàn rô to độc lập, có nghĩa là động cơ điện một chiểu 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. Thiết bị này thường được sử dụng trong các hoạt động khai thác của giếng khoan tốn kém (như ở biển bắc ) vì nó 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 (doa ngược) - 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 ngẩu lực tĩnh trong thời gian không xác định (chỉ trong trường hợp đầu quay lắp động cơ thủy lực)
Hình 2.5. động cơ topdriver Tuy vậy, việc lắp đặt đầu quay có một số nhược điểm sau : - Phải lắp đặt một hệ thống dẫn hướng trong tháp để làm mất mômen cản - Phải gia cố kết cấu do lực xoắn phụ - Phải tăng chiều cao tháp vì đầu quay dài hơn đầu xoay thủy lực thông thường - Phải có các ống mềm và cáp điện trong tháp khoan - Tăng khối lượng đáng kể ở trên cao - Tăng giá thành thiết bị và nhất là phải bảo dưỡng cẩn thận hơn nhiều so với hệ thống bàn rô to và cần chủ đạo. PHẦN II: SỬ DỤNG, BẢO DƯỠNG ĐẦU QUAY DI ĐỘNG PS2-500/500 TẠI GIÀN KHOAN TAM ĐẢO 01 CHƯƠNG III: CẤU TẠO CHỨC NĂNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU QUAY DI ĐỘNG 3.1 Lịch sử phát triển và nguyên lý cấu tạo Từ việc khoan chủ yếu bằng phương pháp khoan đập trong những năm cuối thế kỉ 19 đầu thế kỉ 20 thì trong những thập niên sau này phương pháp khoan roto đã chứng minh được khả năng ưu việt của nó. Để khoan được chiều sâu lớn. Thời gian khoan nhanh, đem đến hiệu quả cao về kinh tế. Trong những năm 80 của thế kỉ 20 thì trên thế giới xuất hiện một thiết bị khoan mà chúng kết hợp với đầu xoay thuỷ lực cộng với sự quay của cột cần nhờ động cơ gắn trực tiếp. Thiết bị này người ta gọi là đầu quay di động hay con gọi là topdriver. Tập đoàn dầu khí VIETSOVPETRO đã đem vào sữ dụng đầu quay di động ps2-500/500 của hãng national oilwell (Mĩ) vào năm 1996 đã thể hiện được tính năng ưu việt của nó trên giàn tụ nâng Tam Đảo và Cửu Long. Đây cũng là dấu hiệu cho sự phát triển của nghành dầu khí nước ta sau này. 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. 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. Topdrive còn tách biệt tải khi khoan và tải khi kéo thả bộ cần khoan, ống chống. Việc tách biệt tải như trên làm tăng an toàn và tăng độ bền của vòng bi quay. Topdrive bao gồm hệ thống giữ cần để vặn vào, tháo ra các mối nối trong quá trình khoan. Khi vặn vào, tháo ra các mối nối cần khoan với mômen tăng hoặc giảm được thực hiện bằng việc tăng hoặc giảm mômen vặn ở động cơ điện thông qua hộp số. Mối nối ren giữa van cầu trên và đầu nối chủ lực, van cầu trên và van giữ dung dịch, van giữ dung dịch và van cầu dưới, van cầu dưới và đầu nối làm việc được hãm bởi vành kẹp để các mối nối đó không tự tháo ra được trong khi tiếp cần và tháo bớt cần khoan. - Elevator có thể thay đổi vị trí nhờ các xi lanh gắn vào quang treo. - Elevator có thể đưa tới lỗ phụ, đẩy ra phía trước, phía sau của Topdrive để tránh giếng khoan trong khi khoan. Khả năng di chuyển đó cung cấp cho thợ khoan thao tác thuận tiện với cột cần khoan. Hệ thống cân bằng cho phép thợ khoan vặn tháo các mối nối cần khoan với sự làm giảm mòn và hư hỏng ren của mối nối. Ba chế độ của hệ thống được chọn bởi thợ khoan. Các chế độ này dùng để tách mối nối, nối các mối nối với sự kiểm soát tải lên ren và đặt xấp xỉ tải Topdrive để thả ống chống. Topdrive có nhiều cách để quay cột cần khoan khi khoan các giếng dầu khí và khi tiếp cần. Hệ thống giữ cần của Topdrive để thiết kế tiếp cần dựng. Do đó giảm được 2/3 thời gian tiếp, tháo cần khi khoan. Topdrive linh hoạt hơn bàn Roto, có thể kéo cần cùng với sự tuần hoàn dung dịch khoan, quay cùng với kéo cần, thả ống chống với cột ống dựng. Topdrive được liên kết với hệ ròng rọc động bằng quang treo động cơ thủy lực. Một trục chính dẫn đường từ động cơ điện 1 chiều qua hộp số, một hệ thống van cầu được gắn bên trục chính, sự thiết kế này đã tạo ra tải trọng tập trung vào ổ đỡ của đầu thủy lực trong khi khoan. Topdrive làm việc có hiệu quả hơn, khả năng đặc biệt của nó là có thể doa ngược, tức là vừa kéo cần vừa quay bộ khoan cụ. Bục điều khiển của thợ khoan được thiết kế để thợ khoan thao tác đơn giản nhất. Bục điều khiển bao gồm các đèn chỉ thị để thợ khoan theo dõi tình trạng hiện hữu của các bộ phận trong Topdrive. Đồng hồ đo mômen, đồng hồ đo tốc độ quay cũng nằm trong bục điều khiển * Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới - Hãng Tesco Đây là hãng chế tạo thiết bị khoan Canađa đã nghiên cứu chế tạo thành công Topdrive từ năm 1986. Sản phẩm của hãng Tesco được sử dụng trên cả đất liền và trên biển. Nó có khối lượng là 12.000pounds, do đó làm giảm tải trọng cho tháp khoan và lắp ráp cũng như vận chuyển dễ dàng. Các sản phẩm của hãng: Tesco-500T, Tesco-350T Các thông số kỹ thuật: Tesco-350T,Tesco-500T Mômen quay lớn nhất: 40000f -L6 Tốc độ quay lớn nhất : 200(v/p) 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 - Hãng Rarco-BJ Đây là hãng sản xuất của Mỹ với nhiều loại sản phẩm TDS-3S, TDS-4S, TDS-6S. Động cơ trên tổ hợp đầu quay là động cơ điện một chiều có công suất 1100 - 1300HP. - Hãng Maritime Hydraulics A.S Đây là hãng sản xuất Topdrive của Nauy, sản phẩm của hãng là: DDM500-DC Các thông số kỹ thuật: + Động cơ điện một chiều: GE 753USI + Áp suất thủy lực: 180 (bar) (2650PSi) + Áp suất khí nén: 7bar + Mômen quay liên tục: 44.000 N - m + Mômen quay gián đoạn: 50.000 N - m + Tốc độ quay lớn nhất: 186 v/p + Tải trọng làm việc: 500T + Chiều dài: 6935mm + Trọng lượng: 16T - National Oilwell Đây là hãng sản xuất của Mỹ, các sản phẩm chính của hãng: PS2-500/500, PS-500/500, PS-350/500. thông số cơ bản: tốc độ quay không tải lớn nhất : 1200 vòng/phút. mômen lớn nhất 66200 ft-lb tuong đương với 99300 N.m. Áp suất làm việc lớn nhất của cụm ống rữa 500 psi. Tải trọng móc nâng lớn nhất 500 tấn 3.2. Cấu tạo và chức năng hoạt động của đầu quay di động PS2-500/500 Topdriver là thiết bị khoan hiện đại, đạt năng suất khi khoan. Do đó nó có cấu tạo tương đối phức tạp. Do vậy, để biết rõ nó ta phải tìm hiểu kĩ.