139 Chơng V khoan bằng động cơ đáy Bắt đầu từ những năm 30 của thế kỷ trớc, song song với phơng pháp khoan rôto, ngời ta còn áp dụng những phơng pháp khoan khác, trong đó có phơng pháp khoan bằng động cơ đáy. Trong phơng pháp khoan bằng động cơ đáy, động cơ truyền chuyển động cho choòng khoan có thể là Tuốc Bin khoan trục vít hay động cơ điện. Động cơ này lắp ngay bên trên choòng khoan. Trong quá trình khoan bằng động cơ đáy, cột cần khoan không quay và tạo điều kiện làm việc nhẹ nhàng cho chúng. A - Khoan tuốc bin Trong nhiều hớng khoan bằng động cơ đáy, hớng khoan Tuốc Bin là đợc sử dụng rộng rãi nhất. Năm 1923 Kỹ s Liên Xô Kapenciusnhikov đã để nghị dùng động cơ chìm để quay choòng khoan. Năm 1924 Tuốc Bin của Kapenciusnhikov đã đợc sử dụng để khoan giếng đầu tiên trên thế giới. Tuốc Bin này chỉ có một tầng, có hộp giảm tốc. Nó không đợc sử dụng rộng rãi vì trong Tuốc Bin một tầng chất lỏng chảy với tốc độ cao. Dòng chảy với tốc độ cao mang theo các hạt cát làm cho cánh Tuốc Bin rất chóng mài mòn. Năm 1934, Kỹ s Sumilôp đã để nghị dùng kiểu Tuốc Bin mới gồm nhiều tầng. Trong một Tuốc Bin có tới 100 - 150 tầng, cho phép tăng công suất lên 10 - 20 lần, hạ thấp tốc độ quay xuống nhờ vậy mà không cần hộp giảm tốc nữa. Tốc độ chảy của nớc rửa giảm nên cánh Tuốc Bin ít bị mài mòn. Từ năm 1940 - 1941. ở Ba Cu bắt đầu sử dụng Tuốc Bin khoan trong thực tế. Năm 1944 khoan Tuốc Bin bắt đầu sử dụng rộng rãi trong các mỏ dầu. Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 khoan Tuốc Bin là một trong những phơng pháp khoan chủ yếu ở Liên Xô. Ngày nay cấu trúc Tuốc Bin khoan càng ngày càng hoàn thiện và ngời ta đã chế tạo nhiều loại Tuốc bin có đặc tính kỹ thuật khác nhau. 140 5.1 Ưu nhợc điểm, nguyên lý làm việc và cấu trúc của Tuốc Bin khoan. 5.1.1.Ưu nhợc điểm của Tuốc Bin khoan So với phơng pháp khoan rôto khoan Tuốc Bin có những u điểm sau. 1. Trong khoan Tuốc Bin cột cần khoan không quay. Do đó trong quá trình làm việc cột cần khoan chịu tải nhẹ hơn. Hiện tợng mỏi sinh ra do tải trọng động đặc biệt là ứng suất uốn sẽ có giá rất nhỏ hay bị triệt tiêu dẫn đến sự cố về đứt cần khoan tha hơn. Cho phép khoan ở những độ sâu lớn hơn. 2. Cột cần khoan không quay sẽ giảm đợc sự mài mòn cho các bộ phận của cột cần khoan và các chi tiết quay của thiết bị trên mặt. 3. sử dụng Tuốc Bin khoan để khoan định hớng dễ hơn và năng suất hơn. Nhợc điểm: 1. Đặc tính của Tuốc Bin là làm việc với số vòng quay lớn, nên cần phải sử dụng những loại choòng có khả năng chịu đợc những vòng quay nh thế. Đối với choòng chóp xoay, chúng làm việc với tải trọng lớn và số vòng quay giảm. Do đó loại choòng này không thoả mãn với điều kiện trong khoan Tuốc Bin. Thời gian làm việc bị rút ngắn do sự mài mòn nhanh nhất là ổ tựa. 2. ở một số đất dẻo, đòi hỏi mômen phá đá lớn, rất nhiều các loại Tuốc Bin thông thờng không đạt đợc những momen nh vậy. 3. Vùng làm việc ổn định của số vòng quay ở Tuốc Bin hẹp. Nếu ra ngoài giới hạn này có thể đa đến ngừng Tuốc Bin. 4. Trong khoan Tuốc Bin công suất thuỷ lực của máy bơm lớn hơn rất nhiều so với khoan rôto. Trong khoan rôto, công suất thuỷ lực chủ yếu tiêu thụ trong hệ thống tuần hoàn. Nhng trong khoan Tuốc Bin ngoài thành phần điện, công suất bơm còn cung cấp cho Tuốc Bin và cho choòng phá đá. Do đó đòi hỏi những thiết bị bơm có công suất lớn và còn sử dụng những thành phần cấu tạo trong hệ thống tuần hoàn bảo đảm an toàn trong điều kiện làm việc áp suất lớn của Tuốc Bin . Thông thờng khả năng làm việc của bơm giới hạn chiều sâu làm việc của tuốc bin 141 5. Những chỉ tiêu cho việc bảo dỡng, bảo quản, sửa chữa Tuốc Bin đa đến việc tăng giá thành khoan Tuốc Bin. 5.1.2. Nguyên lý làm việc của tuốc bin khoan. Tuốc Bin dùng cho khoan là Tuốc Bin dọc nhiều tầng giống nhau, vỏ của Tuốc Bin đợc nối với phần dới của cột khoan, trục của tuốc bin nối với choòng khoan. Mỗi một tầng Tuốc Bin gồm 2 phần chính (hình 1). Hình 1 Phần quay đợc nối với trục goị là rôto. Phần đứng yên nối với vỏ gọi là stato, stato gồm vòng thép (1), trong đó có các cánh uốn cong (5). Mép trong của các cánh đợc liên kết với nhau bằng vòng (3) Rôto gồm vòng (2),các cánh (6) đợc uốn cong theo chiều ngợc với cánh Stato. Các mép ngoài của Hình: 142 cánh đợc gắn với nhau qua mép (4). Giữa rôto và stato có khoảng hở để rôto quay tự do. Trong cánh quạt của Tuốc Bin , năng lợng thủy lực của dòng nớc rửa đợc chuyển hoá thành cơ năng để quay trục có mang theo choòng khoan. Dung dịch khoan đi qua các rãnh các cánh palét uốn cong của đĩa stato. Dòng dung dịch đó nó tiếp tục đổi hớng. Khi ra khỏi stato vận tốc tuyệt đối C 0 đợc coi là bằng vận tốc tuyệt đối vào các rãnh của các cánh palét uốn cong của đĩa rôto C 1 ( C 0 = C 1 ). Khi vào rôto dòng dung dịch tác dụng xuống các cánh uốn cong của rôto là cho đĩa rôto quay. Khi vào rôto chất lỏng tham gia hai chuyển động. - Vận tốc tơng đối 1 U quay theo đĩa rôto - Vận tốc tơng đối 1 theo hớng của palét uốn cong. Thành phần U làm quay Tuốc Bin khoan, véc tơ của vận tốc tuyệt đối tiếp tục đổi hớng và ra khỏi rôto là C 2 với vận tốc này dòng dung dịch vào trong rãnh của đĩa Stato ở tầng tiếp theo. ở đây quá trình lại đợc lặp lại. 143 5.1.3 Cấu trúc của Tuốc Bin khoan. Trong khoan thờng sử dụng các loại Tuốc Bin: Đơn và Nối 5.1.3.1. Tuốc Bin đơn. Tuốc Bin đơn đợc tạo thành bằng vỏ Tuốc Bin (1) và nó gắn chặt với đĩa Stato của Tuốc Bin. ở phía bên trong có trục Tuốc Bin (2) gắn với đĩa rôto. Để treo trục bên trong Tuốc Bin nhờ ổ tựa dọc (5) với loại ma sát trợt kim loại trên cao su hay cao su trên cao su. Do dạng của ổ tựa này nên ngời ta vẫn gọi là ổ tựa răng lợc. Để giữ không cho dung dịch khoan xâm nhập vào ổ tựa răng lợc ở một số cấu trúc của Tuốc Bin ổ tựa đợc lắp ở phần dới. Để tránh bị cong trục tuốc bin ngời ta lấy 2 hay 3 ổ tựa ngang (6). Các ổ tựa này đợc lắp ở khoảng cách tơng đối bằng nhau và giữa chúng là các tầng Tuốc Bin . ở phần trên của Tuốc Bin có đầu nối chuyển tiếp để nối với phần dới của cột cần khoan. Phía dới có đế (7). Đế (7) này nó bịt kín giữa thân tuốc bin và trục nhờ đệm bịt kín (15) bên trong đế. Trong khi vặn đế vào đế Tuốc Bin, đế ép chặt vòng thép bên ngoài của đĩa stato để gắn chặt chúng với vỏ Tuốc Bin. ở phần trên trục Tuốc Bin có ren. Ren này đợc vặn chặt vào ốc (9). Nó ép chặt các vành thép bên trong của đĩa rôto vào trục tuốc bin, ốc hãm (10) để giữ ốc (9). Phần dới của trục có 2 lỗ thoát (11) để liu thông dung dịch xuống choòng khoan. Tuốc Bin đơn thờng dùng là loại T12M 5.1.3.2. Tuốc Bin nối. Trong một số trờng hợp khi khoan qua các tầng đất đá dẻo, momen quay của Tuốc Bin không đủ để thực hiện quá trình phá đá, hay ở các giếng khoan sâu, lu lợng dung dịch nhỏ, do đó giá trị của momen và công suất không đáp ứng cho quá trình khoan. Để thu đợc momen quay và công suất lớn của Tuốc Bin mà không thay đổi đờng kính của chúng. Chúng ta chỉ giải quyết bằng cách tăng số tầng của Hình3 144 chúng lên. Do đó cần phải chế tạo những Tuốc Bin dài, ngời ta cũng đã chế tạo những Tuốc Bin đến 150 tầng đĩa. Nếu chế tạo những Tuốc Bin có độ dài quá lớn, gây khó khăn cho việc nâng thả và sử dụng nó ở giếng khoan, trong khâu lắp ráp vận chuyển và bảo quản. Để giải quyết những khó khăn trên, ngời ta đã chế tạo loại Tuốc Bin nối. Cấu trúc của nó có từ 2 - 4 đoạn và đợc nối với nhau tào thành Tuốc Bin nối. Mỗi một đoạn là một Tuốc Bin đơn có ít nhiều thay đổi về mặt cấu trúc. Vỏ của từng đoạn Tuốc Bin đợc nối với nhau bằng ren. Các đoạn phần trên không có đế và thay vào đó là những đoạn nối Để nối các trục của các đoạn Tuốc Bin có ba phơng án cấu trúc. a. Các trục đợc nối với nhau bằng khớp nối có rãnh (then hoa). Trong phơng án này, ở các đoạn Tuốc Bin có ổ tựa chính lắp ở phía trên. Các ổ tựa của các đoạn Tuốc Bin ở phía trên làm việc suốt thời gian với chịu tải có hớng từ trên xuống. Do đó các chi tiết của ổ tựa cũng bị mài mòn đi rất nhanh và các chi tiết của khớp nối có rãnh cũng bị mòn nhanh, nên loại này sử dụng hạn chế. b. Các trục của các đoạn Tuốc Bin đợc nối với nhau bằng khớp ma sát. Hình 4 Trong quá trình nối vỏ lại với nhau thì đầu nối đực và đầu nối cái nó sẽ ép chặt lại với nhau và Tuốc Bin đợc gắn chặt với nhau qua chúng. c. Các trục của các đoạn Tuốc Bin nối với nhau qua khớp nối kép. Loại khớp nối này vừa kết hợp khớp nối ma sát hình nón cụt côn rãnh. 5.1.3.3. Tuốc Bin có trục Spenden. Trong Tuốc Bin khoan dù đơn hay nối, thành phần chịu mòn nhiều nhất là ổ tựa chính (ổ tựa răng lợc). Khi cần sửa chữa hay thay thế ổ tựa, phải tháo 145 toàn bộ Tuốc Bin, việc này phải đa vào xởng, mất nhiều thời gian. Để tránh phải vận chuyển và việc tháo lắp Tuốc Bin, ngời ta đã chế tạo đợc Tuốc Bin có lắp trục Spenden. Spenden là trục có lắp sẵn ổ tựa chính có cấu trúc độc lập và lắp ở phía dới Tuốc Bin đơn hay đoạn dới của Tuốc Bin nối. Chúng đợc lắp với nhau bằng khớp nối ma sát hay khớp rãnh . Trong trờng hợp mòn ổ tựa chính thì chúng ta chỉ việc thay trục Spenden ngay tại miệng lỗ khoan. Qua việc dùng Spenden có thể giảm đợc độ mất dung dịch ở đế. 5.2. Chuyển vận của dung dịch bên trong Tuốc Bin . Sự chuyển vận của dung dịch khoan qua lỗ thoát nớc giữa các mạng palét của đĩa rôto và stato là một hiện tợng phức tạp. Nghiên cứu quá trình chuyển vận của nó nhằm xác định bằng lý thuyết các giá trị của các thông số hoạt động của Tuốc Bin khoan, chúng ta cần một số giả thiết nhằm đơn giản hoá. - Chúng ta coi rằng dung dịch khoan có độ lu thông tuyệt đối, các lực cản do độ nhớt là không đáng kể. - Lu lợng của dung dịch khoan qua các rãnh thoát nớc của đĩa rôto và Stato là không đổi Q = Const. - Chúng ta xem rằng dòng dung dịch chuyển vận giữa khoảng không gian của hai mặt trụ đồng tâm. Dung dịch cũng chảy thành từng lớp hình trụ đồng tâm. Giả thuyết này cho phép áp dụng định luật cular về máy thuỷ lực. - Độ hở giữa đĩa rôto và Stato nhỏ. 5.2.1. Đờng kính lý thuyết của tuốc bin khoan. Để nghiên cứu hoạt động của Tuốc Bin khoan, ta hãy tách một lớp hình trụ trung bình của dòng dung dịch. Lớp dung dịch này chuyển vận ở đờng kính lý thuyết (Dlt) hay đờng kính trung bình của Tuốc Bin. một tia dung dịch của mặt trụ nói trên đợc coi là một tia trung bình hay một tia tơng đơng có vận tốc chuyển động trung bình và không thay đổi theo thời gian. Và chúng ta giả thiết rằng các tia dung dịch tơng đơng này chuyển động 146 trong các khoảng không gian giữa mạng palét uốn cong và nó có hiệu quả nh những tia thật chuyển động tại các điểm khác nhau của rãnh thoát nớc. Hình 5 Mặt cắt dọc của một Tuốc Bin . Nh vậy đờng kính lý thuyết nằm giữa đờng kính ngoài và trong của mạng phalet. Đờng kính lý thuyết có thể tính bằng 2 cách. 1. Đờng kính trung bình giữa đờng kính ngoài và đờng kính trong. d lt = D n + D t 2 (1) 2. Đờng kính mà nó chia tiết diện vành xuyến giới hạn giữa D n và D t thành hai phần bằng nhau. 4 .(D n 2 - d lt 2 ) = 4 .(d lt 2 - D t 2 ) Từ đó rút ra d lt = 2 D 2 n +D 2 t 2 (2) 5.2.2: Hệ số sử dụng của tuốc bin khoan. (hệ số giảm rãnh thoát nớc Strangular) Hiện diện của palét trong mạng của đĩa rôto và stato làm giảm diện tích rãnh thoát nớc của dung dịch. Chúng ta gọi H hệ số sử dụng của Tuốc Bin là tỷ số giữa diện tích thật của rãnh thoát nớc A c và diện tích rãnh thoát nớc trong điệu kiện không có hiệu diện của cánh palét. H = A c A' c (3) 147 Diện tích A c đợc tính bằng công thức: A c = .d lt .h h - là chiều cao ngang của rãnh palét: h = 1 2 .(D n - D t ) A c - Diện tích thật của rãnh thoát nớc: A c = A c - A P Trong đó A P là diện tích của các cánh palét A P = Z. h sin = .d lt t .h . sin t- là bớc của palet. A c = d lt .h - d lt .h sin A c = A c (1 - tsin ) H = A c A' c = 1 - tsin (4) Z = d lt t Hình 6 5.2.3: Các tam giác vận tốc Dung dịch khoan sau khi đi qua rãnh thoát nớc của đĩa Stato. Trong thời điểm dung dịch ra khỏi đĩa Stato, hớng của dòng dung dịch tiến tới hớng của palét ở rìa ra. Hay nói cách khác giá trị của góc thuỷ lực tl gần bằng giá trị của góc cấu trúc c , chế độ thuỷ không sóc. tl = c t sin 148 ở rãnh thoát nớc của đĩa rô tơ, một phần tử nớc tham gia 2 chuyển động tơng đối - u: Vận tốc tơng đối chuyển động theo đĩa rôto - : Vận tốc tơng đối chuyển động theo hớng palét. Tổng hợp của 2 chuyển động trên chúng ta đợc vận tốc tuyệt đối C. ở mỗi điểm của rãnh thoát nớc tơng ứng với một điểm của tam giác vận tốc. Với mục đích nghiên cứu sự chuyển vận của dung dịch bên trong Tuốc Bin. Nhằm xác định các thông số hoạt động của Tuốc Bin chúng ta lấy 4 điểm đặc trng nằm ở rìa ra và rìa vào của đĩa Stato và đĩa rôto của một tia dung dịch trung bình chuyển động ở đờng kính lý thuyết vào Tuốc Bin . Hình 7 Chúng ta hãy xem khoảng cách giữa hai đĩa rôto và Stato là không đáng kể, vì vậy chúng ta xem rằng. - Tất cả các hiện tợng xảy ra ở rìa vào rôto trùng với các hiện tợng xẩy ra ở rìa ra Stato. - Tất cả các hiện tợng xảy ra ở rìa ra rôto trùng rìa vào Stato. Nh vậy tại hai điểm A và B của tia dung dịch trung bình chảy ở đờng kính lý thuyết chúng ta vẽ đợc hai tam giác vận tốc. Nh vậy: Tam giác vận tốc rìa vào rôto trùng tam giác vận tốc rìa ra Stato. 0 ký hiệu : rìa vào rãnh thoát nớc ở đĩa Stato Không ký hiệu : rìa ra đĩa stato 1 : rìa vào đĩa rôto 2.: rìa ra đĩa rôto 0 1 Không ký hiệu 2 u 1 A B 1 c 1 2 u 1 u 2 c 2 u 2 [...]... (hình vẽ bên) u1 = u 2 = u u C1u 1 c2u 1 2 2 c1 c2 z Hình 8 C1 = C , C2 = C0 , w1 = w 0 u 1 = u , u 2 = u0 , w 2 = w 0 Từ các tam giác vận tốc chúng ta rút ra được các công thức sau đây Vì cùng chung tốc độ quay nên: u1= u2 = u C1z = C2z = w1z = w2z = Cz C1u= Cz cotg1 (5) C2u= - (Cz cotg 2 - u) = u - Cz cotg 2 (6) Các giá trị C1u , C2u quyết định đến các thông số hoạt động của Tuốc Bin 5 .2. 4 Định luật... u u c1 2 1 1 c2 1 c2 c2 c) < 1 b) = 1 a) > 1 2 c1 2 c1 Hình 10 Thay đổi giữa hiệu suất của Tuốc Bin, áp suất đối với 3 loại Tuốc Bin như sau: P =1 >1 >1 . của Tuốc Bin sẽ là. u C 1u 1 c 1 u 1 = u 2 = u c 2u 2 2 1 c 2 z 15 0 N = .M = U r et .k. Q g .r et . (C 1u - C 2u ) N = k. Q g u(C 1u - C 2u ) (8) áp suất bên trong. 2 u 1 c1 c2 2 u u 1 c1 2 c2 a) > 1 b) = 1 c) < 1 Hình 11 P > ;1 = 1 < 1 > ;1 =1 < ;1 n n . 1 hớng của véctơ vận tốc 1 và C 2 song song với trục của Tuốc Bin. Tuốc bin làm việc trong chế độ tối u (công suất cực đại) . u 1 = u 2 = u 0 c2 c1 1 2 u 1 c1 c2 2