Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500 trên giàn khoan Tam Đảo-01 Vietsovpetro

Hiện nay công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang phát triển rất nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tế quốc dân, hàng năm nộp ngân sách Nhà nước hàng ngàn tỉ đồng, đóng góp to lớn vào sự tăng trưởng và sự phát triển của đất nước.

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay công tác thăm dò và khai thác dầu khí đang phát triển rất nhanh chóng và trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn trong nền kinh tế quốc dân, hàng năm nộp ngân sách Nhà nước hàng ngàn tỉ đồng, đóng góp to lớn vào sự tăng trưởng và sự phát triển của đất nước.

Công tác tìm kiếm và thăm dò dầu khí ở Việt Nam được triển khai từ trước năm 1960, song mãi đến năm 1975 ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam mới chính thức được thành lập.

Từ năm 1986, Việt Nam trở thành một trong những nước khai thác và xuất khẩu dầu thô trên thế giới Tuy còn non trẻ, nhưng ngành công nghiệp dầu khí đã nhanh chóng gặt hái được nhiều thành công và là chỗ dựa vững chắc cho sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Cho đến năm 2002, Việt Nam đã khai thác hơn 130 triệu tấn dầu thô và 8.5 tỷ m3 khí đồng hành

Dầu và khí vẫn là nguồn năng lượng chiến lược và quan trọng nhất Khoan giếng dầu khí là công việc sống còn của ngành công nghiệp dầu khí vì không có giếng thì không thể khai thác dầu khí nằm sâu trong lòng đất Mục tiêu quan trọng nhất của người kỹ sư dầu khí là biết áp dụng các kỹ thuật và công nghệ mới để khai thác ngày càng hiệu quả nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá này.

Để nâng cao hiệu quả công tác khoan dầu khí, việc trang bị công nghệ cũng như các thiết bị hiện đại là rất cần thiết Trong số các thiết bị công nghệ mới áp dụng có tổ hợp đầu quay di động ( Topdrive ) đã cho kết quả rất khả quan Việc sử dụng tổ hợp đầu quay di động đã gia tăng được khối lượng công việc khoan, thăm dò và khai thác dầu khí, giảm chi phí cho một giếng khoan và sớm đưa giếng khoan vào khai thác

Được sự đồng ý của các thầy giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và công

trình, tôi đã chọn đề tài: “ Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình sửa chữa tổhợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500 trên giàn khoan Tam Đảo-01Vietsovpetro ” làm đồ án tốt nghiệp cho mình.

Mục đích của đồ án này là nghiên cứu và lập quy trình công nghệ sửa chữa tổ hợp đầu quay di động Với 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 Vietsopetro, tôi xin trình bày nội dung đồ án gồm các chương như sau:

Chương I: Các phương pháp truyền chuyển động quay cho choòng khoan và giới thiệu tổ hợp đầu quay di động Topdrive

Chương II: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500.

Chương III: Các dang hỏng hóc, nguyên nhân, biện pháp khắc phục và công tác bảo dưỡng sửa chữa Topdrive PS2-500/500.

Chương IV: Hệ thống khí nén và tính toán tải trọng tác dụng lên đường ray dẫn hướng để Topdrive PS2-500/500 làm việc an toàn.

Chương V: An toàn khi sử dụng tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2-500/500.

Đồ án được hoàn thành nhưng còn nhiều thiếu sót do những hạn chế về kiến thức, thời gian thực tập và ngành dầu khí nước ta còn non trẻ nên tài liệu Tiếng việt còn rất ít, nhiều thuật ngữ sử dụng chưa thật chính xác Tôi mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô để đồ án có thể hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị dầu khí và

công trình, đặc biệt là thầy giáo - Thạc sĩ Lê Đức Vinh đã tận tình hướng dẫn tôi

CHƯƠNG 1

CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO CHOÒNGKHOAN VÀ GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY DI ĐỘNG

1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHOCHOÒNG KHOAN

1.1.1 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 điện

• Tua bin khoan • Động cơ trục vít

1.1.1.1 Khoan tuabin:

Từ đầu thế kỷ XX(1923) 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

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

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 (Hình 1.1) 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

Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo một tầng tua bin khoanTuabin 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

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

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

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

Hình 1.2 : Sơ đồ tuabin khoan

Hình 1.3: Các đường đặc tính lý thuyết tua bin khoan

1.1.1.2 Khoan bằng động cơ trục vít (Positive Displaycement Mud Motor) Các kiểu chính của động cơ trục vít:

Động cơ trục vít có ba kiểu chính: Động cơ trục vít tốc độ thấp, tốc độ trung bình và 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

1.1.1.3 Động cơ điện chìm: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

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

1.1.2 Khoan bằng động cơ trên bề mặt

Có 2 loại chính cơ bản: Bàn rôto (bàn xoay) và đầu quay di động (Top Drive)

1.1.2.1 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 1.4: 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

Ưu, nhược điểm:

1 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

2 Nhược điểm:

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

1.1.2.2 Đầu quay di động (TopDrive)

Đây là loại thiết bị tạo chuyển động cho cột cần khoan quay rất hiện đại, để quay cột cần khoan và truyền chuyển động xuống choòng khoan Các mô tơ được lắp ở đầu trên cột cần khoan ngay dưới đầu tiếp nhận tuần hoàn chất lỏng Động cơ di động lên xuống theo cần dẫn hướng và được ổn định bởi hệ thống giá trượt dẫn hướng lắp dọc theo 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 và ít gây rung động va đập và đặc biệt có thể khử được mômen phản lực đáy

1.2 GIỚI THIỆU VỀ TỔ HỢP ĐẦU QUAY TOPDRIVE1.2.1 Đặc điểm chung

1.2.1.1 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.

1.2.1.2 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.

1.2.1.3 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.

1.2.1.4 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.

1.2.1.5 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.

1.2.1.6 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.

1.2.1.7 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.

1.2.1.8 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.

1.2.2 Một số hãng chế tạo tổ hợp đầu quay di động trên thế giới 1.2.2.1 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)

Hình 1.5 : Tesco-500T Topdrive

Hình 1.6 : Tesco-350T Topdrive

1.2.2.2 Hãng Rarco-BJ

Đây là hãng sản xuất của Mỹ với nhiều loại sản phẩm 3S, 4S, TDS6S Động cơ trên tổ hợp đầu quay là động cơ điện một chiều có công suất 1100 -1300HP.

1.2.2.3 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

1.2.3 Những ưu điểm chính của Topdrive

Trong công tác khoan việc sử dụng Topdrive thay thế bàn Roto và cần vuông tăng thêm nhiều ưu điểm:

Topdrive cho phép nối các mối nối ở bất kỳ vị trí nào trên tháp khoan; điều khiển vặn vào, tháo ra các mối nối từ xa nhanh chóng; tháo nối được nhiều loại đầu nối vì thế giảm rủi ro cho các thiết bị vặn cần và khóa càng cua.

Van cầu trên và van cầu dưới kiểm soát an toàn áp suất trong cần.

Do không phải dùng cần vuông nên giảm được độ mòn cho thiết bị chống phun BOP.

Tiếp cần là công việc nguy hiểm nhất của kíp khoan, Topdrive làm giảm mối nối chỉ còn 1/3 ( Do cần dài hơn 3 lần so với khoan Roto), điều này làm giảm các sự cố.

Không tốn thời gian lắp và nhấc cần vuông.

Không phải tốn thời gian nhấc đầu thủy lực và cần vuông khi đang khoan.

Thực hiện công việc nối vào ở bên dưới, trong khoan định hướng không cần các dụng cụ bề mặt sau mỗi lần nối.

Tăng thời gian khoan thuần túy, giảm được công tác kéo thả.

Van giữ dung dịch khoan được lắp trên thân của van cầu trên, tự động đóng khi áp suất dung dịch xuống khoảng 60PSi và tự động mở khi áp suất dung dịch tăng trở lại.

Các bộ phận chính như động cơ khoan bố trí để bảo dưỡng được đơn giản Động cơ điện có thể tháo tách rời khỏi hộp số Mức dầu trong hộp số dễ kiểm tra Hệ thống thủy lực và phin lọc nhớt có thể thay mà không cần xả dầu khỏi hộp số.

Tải được phân tách khi khoan và kéo thả cần cho phép tải phân theo đường vòng cho vòng bi đỡ trục chính trong Topdrive khi nâng hạ cột cần khoan và thả ống chống, cho phép nâng được tải lớn hơn ở vòng bi đỡ chính, làm tăng độ bền của vòng bi.

Quang treo Elevator được gắn với các xi lanh khí nén, cho phép lựa chọn 4 vị trí của Elevator:

- Đẩy ra sau tâm giếng khoan

- Đẩy ra trước tới lỗ phụ

- Đẩy ra trước tới sàn trên cao để đóng mở Elevator - Đẩy thẳng tâm giếng khoan để nâng hạ

Một đặc điểm quan trọng của Topdrive là vừa kéo cần vừa tuần hoàn dung dịch Việc liên tục xoay có ý nghĩa quan trọng là giảm ma sát khi chuyển cần khoan trong khoan định hướng hay khoan ngang.

Giảm chi phí cho chất phụ gia và bôi trơn, ít bị kẹt cần.

Topdrive có thể tiếp cần dựng với chiều dài 93foot (28m), như vậy thời gian tiếp cần giảm được 2/3.

Giảm thời gian khi doa lỗ, giảm thời gian làm sạch lỗ khoan

Khoan nhiều giếng trên cùng bộ khoan cụ vì không phải tháo cột cần khoan.

Cho phép giảm tải lên ren đầu nối cần khoan và ống chống khi lắp ráp hoặc khi tháo mối nối, tránh làm mòn ren.

Có 3 chế độ điều khiển hệ thống đối trọng từ bục kíp trưởng: - Chế độ chỉ Topdrive

- Chế độ tiếp cần khoan - Chế độ ống chống

1.2.4 Một số nhược điểm của Topdrive

- Vốn đầu tư ban đầu lớn, nếu xét về giá thành thiết bị thì Topdrive đắt hơn bàn Roto rất nhiều lần, do đó đòi hỏi chủ đầu tư phải có tiềm lực tài chính.

- Phải có tháp khoan chuyên dùng có gắn đường ray trượt cho Topdrive.

- Tải trọng chất lên sàn khoan lớn làm giảm khả năng chất tải lên giàn khoan, ảnh hưởng đến độ vươn xa của sàn control.

- Topdrive là tổ hợp nhiều cơ cấu thiết bị nên chi phí về bảo dưỡng sửa chữa hàng năm lớn.

- Topdrive là thiết bị hiện đại do đó đòi hỏi người vận hành phải có kiến thức, trình độ làm việc cao hơn.

1.2.5 Công dụng của Topdrive

- Có khả năng kẹp chặt các cần để tháo ra, vặn vào các mối nối của cần khoan.

- Liên kết giữa bộ khoan cụ và hệ thống bơm dung dịch cao áp.

- Thông qua tời, ròng rọc động, ròng rọc tĩnh để nâng hạ cột cần khoan, ống chống, treo bộ khoan cụ trong khi khoan và bơm rửa.

Dùng lắp các thiết bị chống phun như van cầu,đối áp ,van ngược ……

CHƯƠNG 2

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TỔ HỢP ĐẦU QUAYDI ĐỘNG TOPDRIVE PS2 - 500/500

Xí nghiệp LDDK Vietsovpetro đã đưa vào sử dụng bộ đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500 do hãng National Oilwell sản xuất tại giàn khoan tự nâng Tam đảo - 01 và Cửu Long.

Topdrive PS2 - 500/500 là một thiết bị hiện đại được đưa vào sử dụng đã giúp cho XNLDDK Vietsovpetro gia tăng khối lượng công việc, đẩy nhanh tiến độ khoan thăm dò và khai thác dầu khí ở thềm lục địa nước ta.

Hình 2.1: Topdrive PS2-500/500

15.Động cơ điện

Hình 2.2 : Cấu tạo Topdrive PS2-500/500.

- Tải trọng lớn nhất khi khoan 500T

- Động cơ điện một chiều GE752 đặt thẳng đứng với nhiệt độ môi trường tối đa là 145°C

- Các thông số khác:

o Công suất liên tục lớn nhất: 1130HP tại điện áp 750Volts

o Mômen quay không tải lớn nhất: 66200lb.ft tại điện áp 750Volts o Tốc độ quay không tải lớn nhất là 1200 v/p

o Tốc độ quay lớn nhất (Tỉ số truyền 4,05 : 1): 269 v/p o Tốc độ quay nhỏ nhất (Tỉ số truyền 8,22 :1): 145 v/p - Phanh động cơ

o Mômen quay 1033lb.ft tại áp suất 100PSi o Áp suất làm việc của cụm ống rửa: 5000PSi o Áp suất làm việc của ống rửa: 500PSi o Tải trọng làm việc của ổ đỡ chính: 500T - Van cầu trên

o Áp suất làm việc: 15000PSi

o Cơ cấu mở van cầu trên được dẫn động bằng khí nén có mômen quay 400lb.ft

o Áp suất làm việc của van cầu dưới: 15000PSi - Đường ray dẫn hướng

o Khoảng cách giữa hai thanh : 66inchs o Chiều dài thanh ray: 1378inchs

2.2 CẤU TẠO, CHỨC NĂNG VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC BỘ PHẬNCHÍNH

2.2.1 Hộp số hai tốc độ

- Thân hộp số

Là kết cấu hàn được lắp ráp vào thân bằng mối ghép bulông, nắp trên hộp số là bệ đỡ để lắp khung giá động cơ và cổ cong tuyô khoan Hộp số gồm 3 trục: Trục chủ động nối với trục động cơ điện thông qua khớp nối răng truyền chuyển động quay sang trục trung gian bởi hệ thống bánh răng đổi số Trục chính có cấu tạo thân rỗng cho phép dung dịch khoan chảy qua với áp suất cao, truyền chuyển động quay từ trục trung gian sang bộ khoan cụ.

o Khi mômen quay có giá trị thấp thì tốc độ cao, tỷ số truyền là 4,05:1 o Khi mômen quay có giá trị cao, tỷ số truyền là 8,23 :1

- Hệ thống bôi trơn hộp số

Do hộp số làm việc ở vị trí thẳng đứng nên ổ đỡ trên phải chủ động bôi trơn Một hệ thống được sử dụng bôi trơn cho hộp số gồm: Bơm bánh răng, bộ lọc dầu, van tự động lắp trên đường ống từ bơm tới bộ lọc Dung tích dầu bôi trơn của hộp số là 91gallons.

Áp suất dầu thông qua bộ cảm biến dẫn đến bục điều khiển kíp trưởng khoan Mức dầu trong hộp số được kiểm tra bằng mắt kính hoặc que thăm ở mặt trên hộp số.

- Cần sang số

Cần sang số được gắn với một xilanh khí nén nằm ngang, một cần sang số tay được đặt ở phía sau hộp số cho phép sang số khi xilanh khí nén bị hỏng Cơ cấu

điều khiển đổi số được điều khiển từ bảng điều khiển của kíp trưởng khoan và chỉ thị bởi hai đèn tín hiệu.

Hình 2.3 : Hộp số Topdrive2.2.2 Cụm ống rửa

Cụm ống rửa gồm có: Gioăng tròn , vòng hãm , đai ốc , thân chứa gioăng , gioăng làm kín , ống rửa và vú mỡ.

Cụm ống rửa là thiết bị rất quan trọng và cần thiết Cụm ống rửa nối trục chính của hộp số với cổ cong tuyô, cho dòng dung dịch với nhiệt độ và áp suất luôn thay đổi và với một tốc độ quay của trục.

Chức năng của gioăng xoay là phải quay ở vị trí thẳng đứng.

Đầu quay phải gắn với cơ cấu gioăng xoay một cách chính xác và luôn được bôi trơn, nếu đầu quay được cất giữ một thời gian thì phải tháo ra để kiểm tra lại các bộ phận gioăng xoay, xem xét sự ăn mòn và hư hỏng.

Hình 2.4: Cụm ống rửa2.2.3 Vành quay

Vành quay có cấu tạo hình trụ rỗng , bên ngoài ở hai phía đối diện có hai móc để lắp quang treo Elevator, vành quay tựa vào thân trên ổ bi con lăn và ổ trượt , phía trên vành quay có lắp bánh răng ăn khớp với bánh răng truyền chuyển động quay mômen từ mô tơ khí nén qua hộp giảm tốc đến vành quay Bên hông vành quay ở hai phía đối diện có giá lắp ống thủy lực và giá lắp các xilanh nâng hạ quang treo Elevator Trên thân vành quay có hàng lỗ có tác dụng như các kênh dẫn khí nén nguồn cho các xilanh nâng hạ quang treo Elevator, khí nén điều khiển van cầu trên, khí nén điều khiển van thủy lực bộ ngàm kẹp , khí nén nguồn cấp cho bộ ngàm kẹp Vành quay được chốt bởi hai chốt trong trường hợp tháo hoặc lắp mối ren cần khoan.

Các chốt được dẫn động bởi các xilanh khí nén lắp trên thân và được điều khiển từ bảng điều khiển của kíp trưởng khoan.

Vành quay là nơi lắp Elevator, là một thành phần trong hệ thống chịu tải khi kéo thả bộ khoan cụ, ống chống.

2.2.4 Bộ ngàm kẹp cần

Các xilanh của bộ ngàm kẹp cần được cung cấp áp suất thủy lực lên tới 2800PSi để đóng các vấu kẹp, kẹp chặt cột cần khoan.

Khi muốn nhả các vấu kẹp thì cần áp suất nén là (100 – 200)PSi trên cần của xilanh Bộ ngàm kẹp cần được điều khiển từ bảng điều khiển của người vận hành.

Bộ ngàm kẹp là một thành phần trong hệ thống khí nén.

2.2.5 Ống thủy lực

Ống thủy lực đỡ bộ ngàm kẹp và truyền mômen từ bộ ngàm kẹp đến vành quay Ống thủy lực cũng là bình chứa dầu thủy lực và chứa bên trong nó ắc quy thủy lực, đồng thời nó là giá để bơm thủy lực, phin lọc, van an toàn, cụm van điều khiển định hướng.

Những thành phần này cùng với hệ thống đường ống tạo thành một hệ thống thủy lực độc lập cung cấp áp lực dầu cho các xilanh của bộ ngàm kẹp.

1 Đường khí 7 Bơm

13.Đường dẫn khí

2.2.6 Hệ thống chống phun bên trong cần IBOP

Hình 2.7 : Hệ thống chống phun bên trong cần IBOP

1 IBOP phía trên

2 Thân van tiết kiệm dung dịch 3 IBOP phía dưới

4 Van tiết kiệm dung dịch 5 Đầu nạp van

6 Vòng kẹp hình chữ O 7 Chuỗi các thiết bị van 8 Dấu hiệu cảnh báo 9 Vòng kẹp hình chữ O 10 Cửa van

11 Chân tiết kiệm dung dịch 12 Chìa vặn đai ốc

2.2.6.1 IBOP phía trên

IBOP phía trên được gắn trực tiếp với đầu trên của trục chính với một đầu nối ren thuận đường kính 7"5/8 theo tiêu chuẩn của API Bên trong có một van cầu với đường kính lỗ 3" Hai cơ cấu dẫn động khí nén dùng để điều chỉnh van đóng mở.

Mỗi bên của van được gắn với một cơ cấu dẫn động để cung cấp một mômen quay 400lb.ft để đóng van Ngoài ra trục của cơ cấu dẫn động có chỗ để clê vào đóng mở bằng tay khi cần thiết.

2.2.6.2 IBOP phía dưới

IBOP phía dưới đặt ở van tiết kiệm dung dịch khoan và đầu nối bảo vệ, kích cỡ của van cầu dưới được chọn theo kích cỡ của đầu nối và kích cỡ của ống chống.

2.2.6.3 Bộ vòng kẹp

Khi động cơ dẫn động tạo mômen xoắn để liên kết hoặc tháo đầu nối cột cần khoan thường xẩy ra sự nới lỏng hoặc chặt quá Để ngăn ngừa sự nới lỏng hay chặt quá các đầu nối trong quá trình khoan người ta sử dụng các bộ vòng kẹp.

Đó là vòng liên kết được lắp bao quanh các bề mặt tiếp xúc của đầu nối.

2.2.6.4 Van khống chế dung dịch khoan

Phần giữa của van cầu là van khống chế dung dịch khoan Nó là đầu nối chuyển tiếp giữa van cầu trên và van cầu dưới, đầu trên của nó có kích thước cỡ ren 6"5/8 ăn khớp với ren đầu dưới của van cầu trên; đầu dưới nối với van cầu dưới.

Chức năng của van khống chế dung dịch là tự động đóng mở, duy trì áp suất dung dịch tới 90PSi trên đường ống sau khi bơm dung dịch ngừng hoạt động.

Áp suất làm việc của van: - Lớn nhất: 150psi - Nhỏ nhất: 90psi

2.2.7 Xe lăn dẫn đường

Xe lăn dẫn đường gồm có 4 cụm xe lăn, hai cụm dưới gắn vào thân Topdrive PS2 - 500/500, hai thanh trên gắn vào khung giá động cơ điện.

Mỗi cụm xe lăn có cấu tạo: con lăn gắn vào thanh đàn hồi

Topdrive được hướng dẫn trong đường ray bởi hệ thống con lăn lò xo nên thiết bị dễ dàng di chuyển theo phương thẳng đứng.

Tuy nhiên yêu cầu với đường ray phải thẳng hàng không cong vặn, bóp méo, các con lăn có khả năng tự điều chỉnh khe hở giữa nó và đường ray.

Với hai tầng lò xo cho phép giới hạn chuyển động con lăn, với hệ thống lò xo này giúp con lăn luôn tiếp xúc với bề mặt của đường ray.

Hình 2.8 : Xe lăn dẫn đường2.2.8 Hệ thống làm mát

Topdrive PS2 - 500/500 được làm mát bởi một hệ thống thổi, phin lọc, bộ phận thải chất bẩn, bộ phận phun tia lửa điện

Tất cả các hệ thống này gắn trên khung động cơ và cách ly với động cơ bởi một vòng cao su được đặt giữa khung hệ thống thổi, khung động cơ

Động cơ ba pha 15HP cung cấp khí sạch qua phin lọc vào khoang động cơ và hấp thụ lượng nhiệt tỏa ra khi làm việc Hệ thống làm mát này được điều khiển bởi cơ cấu cung cấp khí đặt trên giàn khoan.

2.2.9 Các đường ống phụ trợ

Những thông tin điều khiển nguồn khí nén ở dưới điều chỉnh hệ thống cân bằng được chuyển tới Topdrive qua các đường ống phụ trợ, các đường ống này đuợc bao bọc bởi một lớp mạ kẽm chống gỉ, một lớp vỏ bọc bên ngoài gắn chặt hệ thống dây có tác dụng đỡ trọng lượng hệ thống và đảm bảo an toàn cho hệ thống dây.

Các hộp nối dùng cho việc nối các đầu ống dây của hệ thống, các đường phụ trợ, nó được đặt trên mặt bằng làm việc của tháp.

2.2.10 Hệ thống khí nén2.2.10.1 Nguồn khí nén

Hầu hết các thành phần của Topdrive đều được điều khiển hoạt động bằng khí nén.

Yêu cầu của nguồn khí nén là phải sạch, có nhiệt độ hóa hơi thấp hơn nhiệt độ của môi trường với áp suất nhỏ nhất là 100Psi Khí nén luôn được sấy khô và lọc sạch bởi một hệ thống phin lọc có thể lọc hạt bụi cỡ 25μm

2.2.10.2 Cơ cấu khí nén điều khiển dầm cân bằng

Dầm cân bằng thực hiện chức năng treo trọng lượng Topdrive dưới áp lực khí nén, mục đích là bảo vệ đầu nối ren trong khi tháo hoặc nối cột cần khoan.

Hộp điều khiển được đặt tại kíp trưởng gửi tín hiệu khí nén tới dầm cân bằng Dầm cân bằng được nối tới van điều chỉnh bằng một ống dẫn trong hệ thống các đường ống phụ trợ.

Bóng đèn trung tâm được hoạt động bởi một công tắc trên dầm cân bằng, công tắc điều chỉnh này sẽ mở một bóng đèn trên bảng điều khiển để báo cho người vận hành biết vị trí của đầu quay so với cột cần khoan để có thể nối hoặc tháo đầu nối của cột cần khoan.

2.2.10.3 Phanh của động cơ dẫn động

Phanh của động cơ dẫn động được đặt bên trên động cơ GE-752 với đường khí

Các công tắc lựa chọn “ Off - Auto on” được đặt trên bản điều khiển Tại đây, các tín hiệu được điều khiển đến hộp nối van điện từ điều khiển phanh.

- Dòng khí nén đi vào các ống cao su tạo ra lực ép những má phanh chống lại chuyển động quay của động cơ.

- Khi công tắc ở vị trí “Off”, lúc này van ở trạng thái đóng đồng thời có đèn báo và còi hú.

- Khi công tắc ở trạng thái “ Auto on”, van ở trạng thái mở và đóng tự động, lúc này đang khoan bình thường.

2.2.10.4 Cơ cấu chuyển đổi tốc độ

Cơ cấu chuyển đổi tốc độ là một xilanh khí đặt trong hộp số, có tác dụng chuyển đổi tốc độ quay của trục chính đầu quay.

Một hệ thống tín hiệu đèn trên bảng điều khiển giúp người vận hành nhận biết tốc độ đã chọn Công tắc lựa chọn “ TRANSMISSON : LOW/HIGH”, nếu lựa chọn “LOW” ta có tốc độ quay chậm nhưng mômen lớn, ngược lại nếu lựa chọn “HIGH” cho ta tốc độ lớn và mômen nhỏ.

2.2.11 Hệ thống điều khiển tổ hợp đầu quay di động Topdrive PS2 - 500/500

Hệ thống điều khiển tổ hợp đầu quay Topdrive PS2 - 500/500 được biểu diễn qua bảng điều khiển mà trên đó thể hiện tất cả các chức năng của Topdrive.

Các thành phần chính của hệ thống điều khiển: - Thiết bị cho người vận hành, bảng điều khiển - Bảng chuyển tiếp tín hiệu điều khiển

- Các hệ thống dây điện và thiết bị phụ trợ

Bảng chuyển tiếp gồm có các bộ phận tiếp xúc một chiều để mở nguồn điện cho động cơ Một chương trình điều khiển các chức năng của hệ thống một cách chính xác và hợp lý.

Hình 2.9: Sơ đồ hệ thống điều khiển Topdrive PS2 - 500/5002.2.10.1 Thiết bị và bảng điều khiển cho người vận hành

cùng với công tắc điều khiển

o Điều khiển từ xa đóng mở hệ thống van cầu trong cần o Điều chỉnh phanh động cơ.

o Điều khiển công tắc chuyển tiếp.

o Điều khiển mômen quay động cơ, mômen quay giới hạn khi vặn.

- Bảng điều khiển có các đèn báo chỉ dẫn xác định trạng thái chức năng của từng thiết bị trong quá trình vận hành:

o Phanh động cơ.

o Hệ thống điều khiển từ xa van cầu trong o Điều khiển bơm thủy lực.

2.2.10.2 Bảng chuyển tiếp tín hiệu điều khiển

Topdrive được điều khiển từ phòng SCR và nguồn điện được nối giữa chúng qua bảng chuyển tiếp tín hiệu Các thiết bị trên bảng điều khiển chuyển tiếp tín hiệu gồm có:

- Các bộ tiếp xúc một chiều - Chương trình điều khiển.

- Các thiết bị điện xoay chiều phụ trợ.

- Các thiết bị của giàn được liên kết để ghi lại tốc độ và mômen quay của trục chính.