- 29 - Chơng ii Thiết bị khoan và các công trình trên mặt Để tiến hành thi công một giếng khoan cần phải có một tổ hợp thiết bị và các công trình phục vụ trên mặt. Sự phân loại thiết bị khoan thờng ngời ta căn cứ vào khả năng khoan sâu tối đa: - Thiết bị nhẹ : 1500 2000 m - Thiết bị trung bình : 3500 m - Thiết bị nặng: 6000 m - Thiết bị siêu nặng: 8000 10.000 m. Tính năng khoan sâu của thiết bị thờng đợc thể hiện bằng tải trọng định mức ở móc nâng (kể cả khối lợng của bộ khoan cụ và các cột ống chống). Tơng ứng với chiều sâu khoan đợc của từng loại thiết bị là các công suất làm việc của tời: - Thiết bị nhẹ: 650 mã lực - Thiết bị trung bình: 1300 mã lực - Thiết bị nặng: 2000 mã lực - Thiết bị siêu nặng: 3000 mã lực Các chức năng khác (nh quay, bơm) do chơng trình khoan và chống ống đợc quy định cho giếng ở chiều sâu cho trớc 2.1.Các thiết bị nâng thả Các thiết bị phục vụ công tác nâng thả bao gồm có tháp, tời, cáp, hệ thống pa lăng v.v 2.1.1 Tháp khoan: 2.1.1.1.Đặc điểm chung của tháp: - Tháp khoan đợc đặc trng bởi chiều cao, sức chịu tải, kích thớc sàn làm việc dới đất và sàn làm việc trên cao. Vật liệu chế tạo tháp là thép chuyên dùng. - 30 - - Trong tháp có bố trí hệ thống palăng, chỗ dựng cần khoan và đặt một phần thiết bị khoan, thiết bị điều khiển, che chắn cho công nhân làm việc. - Thông thờng tải trọng làm việc càng lớn thì tháp có chiều cao càng tăng, cho phép kéo thả đợc cần dựng dài, giảm đợc thời gian nâng thả. Tuy vậy tháp càng cao cũng có những điều bất lợi vì cần dựng dài quá dễ bị uốn cong khi dựng thẳng đứng do trọng lợng bản thân, ren zamốc đầu cần đặt trên giá đỡ dễ bị biến dạng. Hơn thế nữa còn tăng vốn đầu t, tăng giá thành xây lắp. Thực tế ngời ta chế tạo tháp theo các chiều cao tiêu chuẩn nh sau: - Tháp cao 28 m cho các giếng sâu 1200 1300 m - Tháp cao 41 42 cho các giếng sâu 1300 3500 m - Tháp cao 53 m cho các giếng sâu > 3500 m. 2.1.1.2.Phân loại tháp khoan. + Tháp 4 chân: Tháp 4 chân gồm nhiều tầng ghép lại với nhau và có thể tháo rời ra đợc. Thân tháp làm bằng cần khoan hoặc thép định hình. Đai thép cũng đợc làm bằng cần khoan nhng nhỏ và mỏng hơn. Các đoạn chân tháp, đai tháp, thanh giằng đợc nối với nhau bằng các ốp tháp bắt bu lông. Khi tháp làm việc cần thiết phải có giây chằng tháp để chống lật. Chính vì thế hiện nay hầu nh không còn đợc sử dụng cho thiết bị khoan ở trên đất liền mà hay đợc sử dụng ở các thiết bị khoan biển di động có mặt bằng lắp ráp tháp theo chiều ngang hạn chế hoặc đợc sử dụng ở dàn nhẹ phục vụ cho công tác khai thác và sửa chữa giếng Hình 14: Các loại tháp 4 chân Ưu điểm của tháp 4 chân là rất ổn định, chắc chắn khi làm việc. Tuy nhiên cũng có những nhợc điểm cơ bản là sản làm việc dới đất chật hẹp, bị vớng. Việc dựng và hạ tháp khó khăn tốn kém và nguy hiểm vì phải lắp ráp ở trên cao. - 31 - + Tháp chữ A: Tháp chữ A gồm 2 cột, đầu trên đợc liên kết với nhau còn đầu dới đợc bắt vào gối tựa kiểu bản lề. Khoảng cách giữa các gối tựa phải đảm bảo cho tháp đứng vững. Tháp chữ A có u điểm nổi bật là làm việc với tải trọng lớn nhng trọng lợng bản thân nhỏ (hiệu suất làm việc cao hơn) so với tháp 4 chân. Sàn làm việc dới mặt đất rộng và thoáng hơn. Cho phép lắp đặt tháp theo chiều ngang rồi dựng tháp bằng cáp tời và kích thuỷ lực nên việc dựng hạ tháp nhanh, thuận tiện và dễ vận chuyển. Tuy nhiên độ ổn định của tháp chữ A nhỏ hơn tháp 4 chân. Để tăng độ ổn định cho tháp khi làm việc cần phải có ít nhất 4 dây chằng tháp. Hiện nay do tính u việt của tháp chữ A nên nó đợc sử dụng rất rộng rãi cho các thiết bị khoan, nhất là những thiết bị khoan trên đất liền. Ngoài hai loại tháp chủ yếu trên còn có tháp dạng cột thờng đợc lắp trên các thiết bị khoan tự hành công suất nhỏ. + Cách chọn tháp khoan: Trong quá trình làm việc có 2 loại tải trọng tác dụng lên tháp: Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên móc nâng của cột cần khoan, hay ống chống và tải trọng theo phơng nằm ngang của cần dựng và của gió. Các tải trọng này đợc 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 đợc tải trọng tối đa của cột cần hay cột ống chống tác dụng lên móc nâng Q max = Q (1 - 1 ) . K. Trong đó : Q - Trọng lợng của bộ khoan cụ hoặc ống chống tác dụng lên móc nâng trong điều kiện không khí. K- hệ số kẹt mút (k = 1,3) 1 , - Trọng lợng riêng của dung dịch và của thép Ngoài ra còn căn cứ vào chiều sâu giếng khoan đợc thi công để chọn chiều cao của tháp (liên quan đến chiều dài cần dựng), kích thớc sàn làm việc trên mặt và trên cao. - 32 - 2.1.2.Tời khoan. 2.1.2.1.Công dụng. Tời khoan dùng để kéo thả cột cần khoan, ống chống tháo vặn cần, treo cột cần khi khoan. Trong một số trờng hợp tới khoan còn dùng để truyền động cho Roto. Tời còn đợc dùng để di chuyển các vật nặng phục vụ cho công tác dựng hạ tháp và công tác phụ trợ khác. 2.1.2.2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tời khoan: Tời khoan gồm 1 khung bằng kim loại trên đó có lắp các ổ bi đỡ các trục của tời. Một tời khoan đợc cấu tạo bởi nhiều trục (3 đến 4 trục) và trên đó có lắp các thành phần khác nhau nh các bánh răng xích, phanh hãm cơ khí, phanh thuỷ lực, tời phụ, các khớp nối. vv. Trong quá trình làm việc vì tải trọng ở móc nâng thay đổi theo thời gian với một giá trị rất lớn, còn động cơ của thiết bị chạy với công suất định mức với số vòng quay gần nh không đổi. Vì vậy để sử dụng động cơ một cách hợp lý tới khoan phải đợc chế tạo có nhiều tốc độ khác nhau. Để khi tải trọng ở móc nâng nhỏ thì vận tốc ở móc nâng lớn và ngợc lại. Tức là thay đổi tốc độ cuốn cáp ở tang tời. Hình16: Sơ đồ truyền động của 1 loại tời khoan - 33 - 2.1.2.3 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 17 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: ốngdẫn 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 lực phanh ngời ta liên kết tay phanh (3) với thanh giằng làm nhiệm vụ mở van tiết lu (4) để cho khí nén đi vào đờng ống (5) tác dụng lên phía trên của xi lanh khí động (9) Pittong di chuyển xuống phía dới làm tăng thêm lực quay của trục khuỷu (6) và má phanh càng ép chặt vào Puly của tời. Khi cần giảm lực phanh ta chỉ việc để tay gạt (3) quay ngợc ngợc chiều kim đồng hồ, dới tác dụng đẩy của lò xo (8) băng phanh sẽ tách khỏi Puly của tời cũng nh khí nén ở phía trên xi lanh (9) sẽ bị đẩy ngợc trở lại qua van tiết lu (4). 4 1 2 9 7 6 8 5 3 1 - 34 - * Phanh thuỷ động (Phanh phụ) + Công dụng Bộ hãm thuỷ động lắp trên trục nâng để điều chỉnh tốc độ thả dụng cụ và hỗ trợ cho phanh chính (phanh cơ khí) Do khả năng phanh của hệ thống băng (đai hãm) về động lực học là không đủ khi phải hạ vào giếng khoan một tải trọng rất lớn vì thế trong mọi thiết khoan cần phải lắp thêm thiết bị phanh phụ. Ngoài phanh thuỷ lực còn có thể lắp phanh điện từ. Đặc điểm của phanh thuỷ lực là hoạt động rất hiệu quả, độ tin cậy cao, ít phải bảo dỡng nhng có nhợc điểm cơ bản là hãm đợc ít ở tốc độ thấp và rất khó hiệu chỉnh. Chính vì vậy nó chỉ đợc lắp trong các thiết bị khoan có tải trọng làm việc trên 50 tấn. + Cấu tạo và nguyên lý làm việc. 1:Thành bộ hãm 6: cánh Roto 2:cánh stato 7,8:đờng thoát nớc 3:Roto 9:đờng cấp nớc 4:Trục tời 10:khoá nớc 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 động sẽ hỗ trợ cho phanh chính. Các cánh cong Roto (6) hớng về phía ngợc với cánh cong Stato(2) và phải bố trí sao Hình18: Bộ hãm thuỷ động 4 5 3 1 2 6 8 9 11 10 7 - 35 - cho khi kéo lên các cánh Roto không chịu lực cản của chất lỏng mà cánh Stato hớng vào. Ngợc lại khi thả xuống thì cánh Roto sẽ phải chịu một mô men phản do chất lỏng tạo nên. Tuỳ theo vận tốc thả (trọng lợng cần ống) ngời ta thay đổi mực chất lỏng trong bình (11) bằng các khoá nớc (10). Trong khi phanh làm việc, chuyển động của Roto quay sẽ biến thành nhiệt và nớc trong bộ hãm sẽ nhanh chóng bị hâm nóng lên. Nớc sẽ đợc làm nguội trong bình làm mát có tuần hoàn kín giữa bộ hãm và bình. * Phanh điện từ (phanh phụ) Để khắc phục những hạn chế của phanh thuỷ động thì ở thiết bị khoan nặng ngời ta sử dụng phanh điện từ. Cấu tạo của phanh điện từ gồm có 1 Roto và một bộ phận cố định cung cấp từ trờng có thể điều chỉnh bằng cơ cấu điều khiển. Rôto (Gắn vào trục nâng) cắt các đờng sức của từ trờng. Lực điện từ cảm ứng trong Roto sẽ chống lại chuyển động quay. Dòng xoáy (Dòng phu cô) sinh ra trong Roto làm toả nhiệt do hiệu ứng phun và nhiệt lợng này đợc tản ra nhờ hệ thống nớc tuần hoàn làm mát. Giá trị của mô men phanh có quan hệ với cờng độ của từ trờng đợc tạo ra trong các cuộn dây. Vì thế loại phanh này đợc sử dụng rất linh hoạt. 2.1.3.Hệ thống palăng. 2.1.3.1.Chức năng của hệ thống palăng và các đặc điểm của chúng. Hệ thống palăng biến chuyển động quay của tang tời thành chuyển động tịnh tiến lên xuống của móc nâng và làm giảm tải cho dây cáp. Tuỳ theo tải trọng nâng thả và số nhánh dây cáp, hệ thống pa lăng đợc phân ra làm nhiều cỡ. Với tải trọng 50 75 tấn sử dụng vỡ 2 x 3 hoặc 3 x 4 Với tải trọng 100 130 tấn sử dụng cỡ 4 x 5 hay 5 x 6 hoặc 6 x 7 . Trong ký hiệu trên: chữ số đầu chỉ số con lăn trên bộ ròng rọc động, chữ số thứ hai sau dấu (x) chỉ số con lăn trên bộ ròng rọc cố định. Dây cáp đợc mắc vào các con lăn của hệ thống Ròng rọc tĩnh và động theo một trình tự nhất định. Một đầu cáp đợc giữ cố định (thờng ở 1 chân - 36 - của tháp sao cho kíp trởng dễ quan sát khi làm việc) gọi là đầu cáp chết còn một đầu mắc vào tời khoan gọi là cáp tời hay là đầu cáp cuốn. 2.1.3.2.Các bộ phận chính của hệ thống palăng: + Bộ ròng rọc tĩnh: Gồm một khung kim loại trên đó có lắp một trục, trên trục đợc gắn các puly để luồn cáp tời đi qua. Toàn bộ bộ ròng rọc tĩnh đợc lắp lên sàn trên cao của tháp khoan. Tải trọng đặt lên hệ ròng rọc cố định cũng nh lên tháp khoan lớn hơn tải trọng ở móc nâng. 1: Khung đỡ 2:Trục 3:ổ bi đỡ 4:Pu li + Ròng rọc động và móc nâng: Ròng rọc động thờng chế tạo liền khối với móc nâng. Móc nâng dùng để treo cột cần khoan, móc vào êlêvatơ khi kéo thả dụng cụ. Ngoài móc nâng ra còn có quang treo, quang treo có 2 loại: loại đơn và loại kép. Quang treo là khâu nối giữa móc nâng và êlêvatơ. Ngoài ra cũng có thể chế tạo bộ ròng rọc động tách rời với móc nâng (Riêng biệt). 4 3 2 1 Hình 19: Ròng rọc tĩnh Hình 20: Ròng rọc động và quang treo 1 8 9 2 6 3 4 5 7 - 37 - + Cáp tời. Cáp tời gồm 6 múi đợc xoắn quanh lõi (bằng sợi hữu cơ hay kim loại). Mỗi múi lại có từ 19 đến 37 sợi thép xoắn với nhau tạo thành múi. Thông thờng chiều xoắn của các sợi thép ở các múi ngợc với chiều xoắn của các múi trên lõi cáp khoan. Chính điều này làm cho cáp cứng hơn nhng cũng phần nào giúp chống xoay. Cáp có lõi bằng vật liệu hữu cơ có khả năng tự bôi trơn cao, dễ uốn nhng chịu tải thấp. Cáp có lõi thép không tự bôi trơn đợc, khó uốn nhng khả năng chịu tải cao. Cáp khoan thờng đợc chế tạo theo các kích thớc quy chuẩn: 25 mm, 28 mm, 32 mm, 35 mm Tham khảo sức kháng đứt danh nghĩa của 1 loại cáp khoan ở bảng dới đây. Bảng 3 Đờng kính cáp (in) Sức kháng đứt danh nghĩa EIP* (tấn) 1 51,7 1 1 8 65,0 1 1 4 79,9 1 3 8 96,0 1 1 2 114,0 1 5 8 132,0 1 3 4 153,0 2 198,0 * EXTpa improved Plow Steel Tải trọng đợc tính theo sức bền chống đứt của cáp phải có hệ số an toàn C 3 - 38 - P cf = P đ C Trong đó P đ - Sức kháng đứt của cáp tời 2.1.4.Tính toán động học và động lực học của tời khoan và hệ thống palăng. 2.1.4.1.Tính toán động học và động lực của tời khoan. Tính toán động học và động lực học của tời khoan nhằm mục đích xác định: Số vòng quay ở các trục của tời, vận tốc cuốn cáp của tang tời, sức căng ở đầu dây cáp cuốn ứng với mỗi tốc độ A) Xác định số vòng quay ở các trục của tời: Việc xác định số vòng quay phải dựa vào sơ đồ động học của thiết bị khoan, của tời và số vòng quay của động cơ. Nếu gọi Z 1 , Z 3 , Z 5 , là số răng ở đĩa truyền động Và Z 2 , Z 4 , Z 6 , là số răng ở đĩa dẫn động Lúc đó số vòng quay ở trục tời đợc tính là (n t ) n t = n m . z 1 . z 3 . z 5 z 2 . z 4 . z 6 Trong đó: n m - số vòng quay của động cơ. B), Xác định vận tốc cuốn cáp ở tang tời (v t ) Với mỗi một tốc độ quay của tời ta có thể tính đợc tốc độ cuốn cáp (v t ) nh sau: v t = . D tb . n t 60 m/s Trong đó: D tb - Đờng kính trung bình của tang tời: (D tb = D t + 3d) D t - Đờng kính tang tời d - đờng kính cáp tời C) Sức căng cực đại ở đầu dây cáp cuốn đợc tính dựa theo công suất của động cơ. (P c. Max ) P c. max = 75 . N m . t v t [...]... treo bộ khoan cụ nhờ các chấu chèn và làm quay 1 1 1 đầu vuông dẫn khi khoan Kích thước lỗ này có thể là: 17 2 , 202 , 272 , 1 1 37 2 , 492 , 2.2 .1. 2.Cấu tạo và nguyên lý làm việc Hình 21: 1 Trục chủ động; 2 Gioăng làm kín; 3 Bánh răng nón; 4 ổ lăn chính; 5 ổ lăn bánh răng nhỏ; 6 ống lót hình nón; 7 Đầu vuông dẫn động; 8 Miếng chèn chính; 9 Gioăng làm kín dung dịch khoan; 10 ổ lăn tự lựa; 11 Các te... 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 - 41- (1) thành chuyển động quay theo chiều thẳng đứng của 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. .. tuabin (nếu có) + choòng khoan 2.2.Hệ thống quay 2.2 .1. Bàn quay Roto 2.2 .1. 1.Chức năng và các đặc điểm của bàn quay Roto Bản Roto được dùng để quay cột cần khoan Làm bệ tì để giữ cột cần, ống chống khi kéo thả và làm rất nhiều các công tác phụ khác Do vậy cấu tạo của bàn Roto phải phù hợp để vừa quay được cột cần với các tốc độ nhất định và bền chắc để có thể giữ được cột cần khoan nặng nhất Đường kính... nguyên lý làm việc của đầu thuỷ lực Quang treo cố định vào móc nâng của hệ thống palăng để điều chỉnh tiến độ khoan Thân (4) có ren trái được nối với phía trên của cần chủ đạo được quay nhờ bàn Roto Dung dịch khoan từ tuy ô cao áp được dẫn vào ống cổ ngỗng cao áp (11 ) và ống (10 ) vào trong cần khoan -42- ... được sử dụng tốt khi đạt tới chiều sâu thiết kế Vì vậy người ta phải chọn hệ thống palăng 2 x 3 và khi lỗ khoan sâu thêm thì thay thế dần dần -39 - các hệ 3 x 4; 4 x 5; 5 x 6; v v Thế nhưng việc thay thế hệ palăng mới rất phiền toái mất nhiều thời gian và công sức, cho nên trong thực tế người ta chỉ sử dụng 1 đến 2 hệ palăng là nhiều nhất + Chọn hệ palăng Chọn hệ palăng tất nhiên phải căn cứ vào tải... lực (đầu xanhic): 2.2.2 .1 Đặc điểm đầu xoay thuỷ lực Là bộ phận nối giữa hệ thống palăng với cột cần khoan với mục đích quay và treo dụng cụ vào móc nâng, dẫn dung dịch khoan từ tuy ô cao áp vào bên trong cột cần Nó được thiết kế để chịu được đồng thời cả tải trọng và tốc độ quay cực đại mà bàn Roto truyền cho cột cần khoan Đồng thời nhờ một gioăng xoay cho phép bơm dung dịch khoan dưới áp suất nhờ... c - Hệ số an toàn (c 3) Ta có công thức sau: Pđ QC + QM C (QC + QM) = 2 n Từ đó có 2 n = Pđ c Vậy số con lăn của bộ ròng rọc động (n) sẽ là : C (QC + QM) n= 2 Pđ + Chiều sâu cho phép chuyển hệ palăng được xác định bằng công thức sau: (Lcf) Pcf ( 2n - 1) (l qcn + qt) - cn q Lcf = 2n q ( - 1) m Trong đó: Pcf - Sức căng cho phép ở đầu cáp cuốn q, qcn - Trọng lượng 1m cần và 1m cần nặng lcn - Chiều... đầu cáp tời trong trường hợp kéo cần có gia tốc ở dầu móc nâng (Pt.Đ) được tính là a Pt.đ = Pt g Trong đó: a - giá tốc sinh ra trong thời điểm đầu và cuối ở móc nâng g- gia tốc rơi tự do Khi giếng khoan càng sâu, tải trọng trên móc nâng càng tăng Động cơ chạy tời được chọn để kéo thả bộ dụng cụ khoan và trọng lượng tối đa, cho nên trong quá trình khoan động cơ sẽ không được sử dụng tốt Công suất của... để chọn PC là: PC < Pc Max 2 .1. 4.2.Tính toán động học đối với hệ palăng: + ở trạng thái nghỉ (tĩnh), sức căng ở đầu cáp tời sẽ bằng ở đầu cáp chết (Pt = pch ) Pt = Pch = QC + QM 2.n. Trong đó Pt, Pch - sức căng ở đầu cáp tời và ở đầu cáp chết + Sức căng thực tế ở đầu cáp củaốn trong trường hợp kéo cần với vận tốc không đổi được tính (Pt) là: Pt = 2n( - 1) (QC + QM) 2n - 1 + Sức căng động ở đầu cáp . cáp (in) Sức kháng đứt danh nghĩa EIP* (tấn) 1 51, 7 1 1 8 65,0 1 1 4 79,9 1 3 8 96,0 1 1 2 11 4,0 1 5 8 13 2,0 1 3 4 15 3, 0 2 19 8,0 * EXTpa improved Plow Steel Tải trọng. cao 28 m cho các giếng sâu 12 00 13 00 m - Tháp cao 41 42 cho các giếng sâu 13 00 35 00 m - Tháp cao 53 m cho các giếng sâu > 35 00 m. 2 .1. 1.2.Phân loại tháp khoan. + Tháp 4 chân: Tháp. vuông để treo bộ khoan cụ nhờ các chấu chèn và làm quay đầu vuông dẫn khi khoan. Kích thớc lỗ này có thể là: 17 1 2 , 20 1 2 , 27 1 2 , 37 1 2 , 49 1 2 , 2.2 .1. 2.Cấu tạo và