Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
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 khớp ma sát hoặc bằng
khớp nối kép (kết hợp giữa khớp ma sát và rãnh then hoa).
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
5
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Đặc điểm cơ bản của khoan tuabin là tốc độ quay của choòng luôn thay
đổi tùy theo tải trọng và độ cứng của đất đá khoan qua. Mômen quay choòng và
tốc độ quay tỷ lệ nghịch với nhau, tải trọng tác dụng lên choòng càng lớn, tốc
độ quay càng giảm.
Quan hệ giữa mômen quay (M), công suất (N), hệ số hiệu dụng (
η
) và
tốc độ quay (n) của trục tuabin được thể hiện trên biểu đồ sau:
n
kt
n
N=ƒ(n)
η=f (n)
M=ƒ(n)
M
h
Hình 1.2 Quan hệ giữa các thành phần trong khoan tua bin
Khi tốc độ quay
0n
=
mômen quay đạt giá trị cực đại gọi là mômen hãm
(
h
M
), khi mômen quay giảm dần, tốc độ quay tăng lên. Mômen quay giảm đến
“0” tốc độ quay đạt giá trị cực đại gọi là tốc độ quay không tải (
kt
n
).
Đối với công suất (N): Với chế độ hãm (
0n
=
) thì (
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.
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 %).
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
6
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
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.
Hình 1.3 Đường đặc tính làm việc của tua bin
b. Ưu, nhược điểm của khoan tuabin
* Ưu điểm:
•
Không phải chi phí công suất để quay cột cần khoan;
•
Do công suất của tuabin sinh ra được truyền trực tiếp lên choòng nên
choòng có thể quay với vận tốc rất lớn, vì thế có thể đạt vận tốc cơ học khoan
cao hơn nhiều so với khoan rôto;
•
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 khoan tuabin để khoan giếng khoan xiên định hướng và
khoan ngang rất hiệu quả;
•
Giảm tiếng ồn so với khoan rôto do đó cải thiện điều kiện lao động.
* Nhược điểm:
•
Tuabin làm việc với số vòng quay lớn ít phù hợp với đa số loại choòng
chóp xoay (vì choòng chóp xoay làm việc với tải trọng lớn, số vòng quay nhỏ);
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
7
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
•
Vùng làm việc ổn định của số vòng quay của tuabin hẹp, nếu ra khỏi
vùng này có thể làm tuabin ngừng hoạt động;
•
Cần có máy bơm công suất lớn để bơm chất lỏng xuống dẫn động
tuabin, đặc biệt với các giếng khoan sâu việc này rất khó thực hiện;
•
Việc điều chỉnh tốc độ quay của choòng rất khó khăn phức tạp;
•
Quá trình bảo dưỡng tốn nhiều thời gian hơn so với đầu quay di động
hoặc bàn rôto.
1.1.1.3. Khoan bằng động cơ trục vít PDM (Positive Displacement mud
Motor)
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Động cơ PDM hoạt động dựa trên nguyên lý Moinơ và được cấu tạo bởi
các thành phần cơ bản sau:
Hình 1.4 Cấu tạo động cơ trục vít
Van xả: có tác dụng ngăn cho động cơ không bị quay trong quá trình kéo
thả và được đặt ở phần trên cùng của động cơ. Van này có những lỗ cho phép
sự lưu thông giữa cột cần khoan và khoảng không vành xuyến. Các lỗ này được
đóng trong suốt quá trình khoan để dung dịch đi qua động cơ. Trong quá trình
kéo thả, khi bơm dung dịch ngừng hoạt động áp suất sẽ giảm xuống, các lỗ
thoát được mở ra làm cho cột cần khoan được tháo hết dung dịch bên trong khi
kéo hoặc đổ đầy khi hạ. Khi bơm làm việc, áp suất tăng lên, các lỗ thoát được
đóng kín lại.
Rôto: Là một trục bằng thép có dạng múi xoắn ốc. Đối với động cơ một
múi xoắn thì mặt cắt ngang của rôto là hình tròn. Đầu trên của rôto được để tự
do còn đầu dưới nối với khớp nối không gian.
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
8
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
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.
Ở những động cơ đơn múi (rôto có 1 múi xoắn) lưu lượng dòng chảy qua
động cơ lớn vì vậy tốc độ vòng quay sẽ lớn và chỉ tạo ra được mômen quay
nhỏ. Để tăng mômen quay ta có thể tăng số múi xoắn của rôto (3, 5, 7, 9 múi)
tương ứng với số rãnh của stato là (4, 6, 8, 10), khi đó lưu lượng dòng chảy qua
động cơ nhỏ dẫn đến số vòng quay nhỏ do đó tạo ra được mômen quay lớn.
Trong quá trình làm việc các múi và rãnh xoắn của rôto và stato liên tục
tiếp xúc với nhau để tạo ra những buồng áp suất kín, chính điều này làm bề mặt
stato mòn đi rất nhanh, cho nên stato phải được chế tạo bằng vật liệu cao su có
khả năng chịu mài mòn, chịu được nhiệt độ và áp suất cao.
Khớp nối không gian: Do chuyển động lệch trục với stato nên đầu dưới
của rôto phải được nối với một khớp nối không gian. Khớp nối này sẽ biến
chuyển động lệch trục thành chuyển động đồng trục của choòng. Có rất nhiều
kiểu khớp nối không gian được sử dụng nhưng phổ biến nhất là khớp cầu. Đầu
dưới của khớp nối không gian được nối với trục truyền.
Hệ thống ổ tựa: Đây là bộ phận thiết yếu nhất của động cơ. Nó quyết
định tuổi thọ của động cơ và thực hiện hai chức năng:
•
Truyền tải trọng dọc trục lên choòng;
•
Duy trì vị trí đồng trục của trục truyền.
b. Ưu, nhược điểm của động cơ trục vít
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.
Động cơ có đặc điểm nổi bật là tương đối bền khi bơm chất lỏng có chứa
tạp chất và không có tính chất bôi trơn, bởi vì các chi tiết ít bị mài mòn, sự
phân bố chất lỏng động cơ được tự động nhờ sự biến đổi liên tục vị trí không
gian của đường tiếp xúc động cơ trục vít.
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
9
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Động cơ trục vít dùng để khoan các giếng khoan xiên, ngang định hướng
đặc biệt đối với các giếng khoan sâu khi khoan bằng choòng có đường kính bé
và trong công tác sửa chữa giếng.
1.1.2 Phương pháp khoan xoay
Khoan xoay là phương pháp khoan mà trong đó chuyển động quay của
choòng được truyền từ động cơ trên mặt thông qua cột cần khoan. Có hai dạng
chính là sử dụng bàn rôto và sử dụng đầu quay di động (top drive).
1.1.2.1. Khoan bằng bàn rôto
a. Chức năng và nguyên lý cấu tạo của bàn xoay rôto
* Chức năng:
•
Đóng vai trò là bộ truyền trung gian, biến chuyển động quay của trục
nằm ngang thành chuyển động quay của trục thẳng đứng (cột cần khoan) để
truyền mômen quay từ trên bề mặt xuống choòng khoan;
•
Chịu tải trọng của bộ dụng cụ khoan hoặc ống chống;
•
Tiếp nhận các phản lực từ đáy trong quá trình khoan.
Trong công tác khoan dầu khí tuỳ theo yêu cầu mà có thể thiết kế chuyển
động cho bàn rôto theo 2 phương án đó là dùng động cơ dẫn động riêng cho
rôto hoặc có thể lấy từ tốc độ của tời thông qua bộ truyền xích hay trục các
đăng.
* 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;
•
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 của cần chủ đạo (hình vuông
hoặc hình lục giác);
•
Kích thước danh nghĩa được đặc trưng bằng đường kính lỗ bàn rôto
trong công tác khoan dầu khí thường từ 400
÷
700 (mm);
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
10
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Hình 1.5 Cấu tạo bàn rôto
•
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 thành 2 loại là bàn rôto có ổ đỡ
chính ở trên và bàn rôto có ổ đỡ chính ở dưới. Ổ đỡ chính là ổ đỡ mà trong quá
trình làm việc chịu tác dụng của toàn bộ trọng lượng cột cần khoan hoặc ống
chống treo trên nó và lực ma sát giữa cần chủ đạo với bàn rôto. Ổ đỡ phụ chỉ
chịu tác dụng của tải trọng từ đáy do rung động của cột cần khoan và phản lực
gây nên.
b. Ưu, nhược điểm của bàn xoay rôto
* Ưu điểm:
•
Kết cấu đơn giản, ít phải bảo dưỡng.
•
Thời gian cho việc chuẩn bị và kết thúc các thao tác trong quá trình
kéo thả dụng cụ khoan và tiếp cần rất nhanh gọn.
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
11
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
* 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.
Ta sẽ đi sâu tìm hiểu về đầu quay di động trong chương tiếp theo
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
12
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
CHƯƠNG 2
GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG –ĐẦU QUAY DI
ĐỘNG VARCO TDS-8SA
2.1. Giới thiệu về tổ hợp đầu quay di động
2.1.1 Đặc điểm chung
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 tính ưu việt của chúng trong thi công các giếng xiên và giếng nằm
ngang. Sự cần thiết của chúng trong việc cải thiện quá trình khoan, đem lại chi
phí thấp nhất.
Khoan bằng động cơ Top Drive cũng hoạt động dựa trên nguyên lý tương
tự như trong phương pháp khoan Roto, chuyển động xoay được truyền tới
choòng khoan thông qua cột cần khoan để phá huỷ đất đá. Tuy nhiên chuyển
động xoay này được truyền từ động cơ Top Drive, thay vì được truyền động từ
bàn roto như trong phương pháp khoan Roto. Chính vì vậy, khoan bằng động
cơ Top Drive có đầy đủ các đặc điểm giống khoan Roto như: Các thông số chế
độ khoan có thể được điều chỉnh độc lập, yêu cầu về công suất máy bơm khoan
không cần lớn như trong khoan bằng động cơ đáy, cho phép khoan với tải trọng
đáy cao. Mặc dù vậy khoan bằng động cơ Top Drive cũng có một số nét khác
biệt với phương pháp khoan Roto
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
13
Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Hình 2.1 Hình ảnh một tổ hợp đầu quay di động
Phần lớn đầu quay di động được dẫn động bằng động cơ điện một chiều,
có một số ít dẫn động bằng động cơ xoay chiều hoặc động cơ thủy lực. Công
suất dẫn động đến 800 (kW), mômen quay 2,5
÷
4,5 (kN.m).
Các hãng cung cấp lớn trên thế giới có thể kể đến như: Varco BJ; Tesco;
Maritime Hydraulic A.S.
Công dụng chính của đầu quay di động là:
• Truyền mômen quay cho choòng khoan phá hủy đất đá;
• Tháo lắp và xiết chặt cần khoan, thực hiện thao tác kéo thả.,
2.1.2 Phân loại
Có nhiều cách phân loại, sau đây là cách phân loại dựa vào dạng động
cơ.
SV: Trần Hải Sơn Lớp: Thiết bị dầu khí - K51
14
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét