Giới thiệu thiết bị và dụng cụ khoan - Đỗ Hữu Minh Triết

Nội dung text: Giới thiệu thiết bị và dụng cụ khoan - Đỗ Hữu Minh Triết

1. Giớithiệu THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN Trình bày: ThS. ĐỖ HỮU MINH TRIẾT Bộ môn Khoan – Khai thác Dầukhí Khoa Kỹ thuật ĐịachấtvàDầukhí Đạihọc Bách Khoa TP. HCM GEOPET NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH Nội dung khốikiếnthứctổng quan về công nghệ khoan dầukhí. 1. Giớithiệucơ sở khoan dầu khí: khái niệm, lịch sử, cơ sở khoan, các nguyên lý cơ bản 2. Thiếtkế và cấutrúcgiếng khoan, công nghệ khoan 3. Thiếtbị và dụng cụ khoan 4. Sự cố trong công tác khoan và các phương pháp xử lý 5. Đo đạc trong quá trình khoan và lấymẫu 6. Hoàn tấtgiếng – Gọidòng 7. Dung dịch khoan và Xi măng Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 2 GEOPET
2. NỘI DUNG BUỔI HỌC 1. Các loại giàn khoan 2. Các hệ thống thiết bị trên giàn khoan 3. Bộ khoan cụ 4. Choòng khoan Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 3 GEOPET MỤC TIÊU Sau khi học xong chương này, học viên sẽ có các kiến thức cơ bản về: ™ Các loại giàn khoan và phạm vi ứng dụng của chúng ™ Các hệ thống thiết bị chính trên giàn khoan dầu khí và chức năng ™ Các thành phần của bộ khoan cụ ™ Choòng khoan Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 4 GEOPET
3. 1. CÁC LOẠI GIÀN KHOAN Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 5 GEOPET CÁC LOẠI GIÀN KHOAN ™ Giàn khoan được chia thành hai loại: ƒ Giàn khoan đất liền ƒ Giàn khoan biển ™ Ngoài ra, giàn khoan còn được phân loại theo: ƒ Chiều sâu khoan được: nhẹ, trung bình, sâu và siêu sâu. • Thiết bị khoan nhẹ: dưới 650 mã lực, khoan tối đa 2000 m. • Thiết bị khoan trung bình: 650 - 1300 mã lực, khoan tối đa 4000 m. • Thiết bị khoan sâu: 1300 - 2000 mã lực, khoan tối đa 7000 m. • Thiết bị khoan siêu sâu: khoảng 3000 mã lực, khoan tối đa 9000 m. ƒ Tải trọng nâng: công suất tời khoan. ƒ Tính cơ động: cố định, tự hành, bán tự hành. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 6 GEOPET
4. GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN ™ Các giàn khoan nhẹ (khoan tối đa 2000m) được gắn trực tiếp trên xe tải cỡ lớn và dễ dàng di chuyển từ nơi này đến nơi khác. ™ Các giàn khoan trung bình và sâu thường gắn trên rơ móc chuyên dụng hoặc xe lăn khổng lồ. Các thiết bị khoan này có thể di chuyển nguyên bộ ở cự ly ngắn. Khi cần di chuyển xa, thiết bị được tháo rời từng phần. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 7 GEOPET GIÀN KHOAN TRÊN ĐẤT LIỀN ™ Giàn khoan cố định: ƒ Được sử dụng để khoan các giếng sâu và siêu sâu. ƒ Các bộ phận chính trên giàn có thể được tháo rời thành từng môđun, dễ dàng vận chuyển trên các xe tải có rơ-móc chuyên dụng và được lắp ráp lại tại khoan trường. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 8 GEOPET
5. CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN ™ Ở biển, tùy thuộc độ sâu mực nước mà người ta sử dụng các loại giàn khoan khác nhau: ƒ Xà lan khoan (badge) ƒ Giàn tự nâng (jack-up) ƒ Giàn bán tiềm thủy (semi-submersible) ƒ Tàu khoan (drill-ship) ™ Trên giàn khoan biển di động, thiết bị đầu giếng và thiết bị chống phun được lắp ngay dưới sàn khoan (nếu mực nước biển nhỏ hơn 60 m) hoặc dưới đáy biển (nếu mực nước biển lớn hơn 60 m). ™ Đối với mực nước biển dưới 100 m, người ta có thể dùng các giàn khoan biển cố định. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 9 GEOPET CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN DI ĐỘNG Xà lan khoan Giàn tự nâng Giàn bán tiềm thủy Tàu khoan 0 – 5 m 20 – 120 m 60 – 1200 m 30 – 2800 m Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 10 GEOPET
6. XÀ LAN KHOAN ™ Xà lan có đáy bằng, sử dụng tại các vùng sông nước nội địa, mặt nước yên tĩnh và nông (khoảng 3 - 5 m). ™ Xà lan được làm ngập và nằm trực tiếp lên đáy. ™ Giếng khoan được thực hiện từ sàn xà lan. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 11 GEOPET GIÀN TỰ NÂNG ™ Có cấu tạo như một xà lan nằm trên các chân thép khổng lồ. Giàn có thể khoan ở vùng nước sâu 20 – 120 m. ™ Tại vị trí khoan, các chân thép được hạ xuống đáy biển. Nước được bơm vào các boong xà lan làm cắm sâu các chân thép vào đáy biển, giúp ổn định giàn khoan trong quá trình làm việc. ™ Các thiết bị đặt trên giàn thường nhô ra bên ngoài và trượt được để có thể tiến hành khoan ngoài phạm vi của sàn khoan. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 12 GEOPET
7. GIÀN BÁN TIỀM THỦY ™ Cấu tạo từ hai hoặc nhiều khoang chứa nước dưới các chân đế, giúp giàn nổi lưng chừng, tạo thế ổn định giàn tốt nhất. ™ Nhờ hệ thống máy tính điện tử, hệ thống kiểm soát dằn được tự động giữ độ cao nhúng chìm giàn thích hợpvàổn định giàn. ™ Các giàn khoan bán tiềm thủy có thể được sử dụng để khoan thăm dò và khai thác trong vùng biển có mực nước sâu từ 60 - 1200 m. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 13 GEOPET TÀU KHOAN ™ Có tính cơ động cao nhất và thường được sử dụng cho các giếng khoan tìm kiếm, thăm dò xa đất liền. ™ Có thể vận hành trong vùng biển có chiều sâu mức nước từ 30 - 2000 m đôi khi đến 2800 m. ™ Hệ thống định vị động học có khả năng hiệu chỉnh tự động vị trí thiết bị khoan nhờ các động cơ đẩy dọc (propellers) và đẩy ngang (thrusters) gắn dưới tàu. Các động cơ này được kích hoạt và điều khiển bằng máy tính. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 14 GEOPET
8. GIÀN KHOAN BIỂN CỐ ĐỊNH ƒ Giàn khoan và khai thác cố định chế tạo lần đầu tiên vào năm 1937. ƒ Đa số giàn khoan cố định có cấu trúc chân đế bằng thép, một số giàn khoan thế hệ mới có chân đế bằng bê tông cốt thép. ƒ Các chân đế của giàn khoan được cắm vững chắc xuống đáy biển. ƒ Từ một giàn khoan cố định có thể khoan 16 - 32 giếng, hoặc 40 giếng đối với một số giàn đặc biệt. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 15 GEOPET CÁC LOẠI GIÀN KHOAN BIỂN KHÁC ™ Công nghệ hiện nay cho phép khoan và khai thác ở vùng biển sâu hơn 300 m với các thiết bị sau đây: ƒ Tháp chằng cáp (Guyed Towers) sử dụng khung thép nhẹ với các cáp neo xuyên tâm giữ cho tháp đứng thẳng. ƒ Giàn nổi có chân đế căng (Tension Leg Platforms), nối với đáy biển bằng các chân thép ở trạng thái căng. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 16 GEOPET
9. 2. CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRÊN GIÀN KHOAN Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 17 GEOPET CÁC HỆ THỐNG THIẾT BỊ TRÊN GIÀN KHOAN Các hệ thống thiết bị chính của giàn khoan bao gồm: 1. Tháp khoan và cấu trúc dưới tháp 2. Hệ thống cung cấp năng lượng 3. Hệ thống nâng thả 4. Hệ thống xoay 5. Hệ thống tuần hoàn dung dịch 6. Hệ thống kiểm soát giếng 7. Hệ thống đo Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 18 GEOPET
10. THÁP KHOAN ™ Tháp khoan là cấu trúc bằng thép, chịu tải trọng của bộ khoan cụ, cột ống chống trong quá trình làm việc. ™ Trong tháp khoan có hệ thống palăng, nơi dựng cần khoan và các thiết bị khoan. Giếng khoan càng sâu cần sử dụng tháp càng cao. ™ Có hai loại tháp khoan chủ yếu là tháp tiêu chuẩn (tháp 4 chân) và tháp chữ A (tự hành, tháp gập, tháp lồng). Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 19 GEOPET THÁP KHOAN 1. Giá xếp cần – Pipe Racks 5 2. Dốc tiếp khoan – Ramp 6 3. Tháp khoan – Derrick 4 4. Chuồng khỉ – Monkey board 7 3 5. Ròng rọc đỉnh – Crown block 8 6. Cáp khoan – Drill line 7. Khối ròng rọc động & móc treo – 2 9 Block & hook 8. Quang treo /đầu nâng – Links & 10 elevator 1 9. Cần chủ đạo – Kelly 11 10. Cấu trúc dưới – Substructure 11. Cụm đối áp – BOPs Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 20 GEOPET
11. CẤU TRÚC DƯỚI THÁP ™ Dưới chân tháp khoan là khung các dầm thép được lắp ráp với nhau bằng bu lông. ™ Cấu trúc dưới tháp chịu tải trọng của tháp khoan và tạo khoảng trống cần thiết để bố trí hệ thống đầu giếng, thiết bị miệng giếng và thiết bị chống phun. ™ Cấu trúc dưới tháp có thể độc lập với tháp. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 21 GEOPET HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG ™ Động cơ diezel hoặc tuabin khí. ™ Được trang bị nhiều động cơ tuỳ thuộc vào kích thước và chiều sâu tối đa khoan được. ™ Truyền tải cơ năng và truyền tải điện năng. Động cơ diezel Máy phát điện diezel Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 22 GEOPET
12. HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG Năng lượng yêu cầu cho giàn khoan là tổng công suất các thiết bị chính sau: 1. Tời khoan (Drawworks), 2. Các máy bơm dung dịch (Mud pumps), 3. Hệ thống rôto (Rotary system), 4. Năng lượng cho thắp sáng, (Auxiliary power requirements for lighting etc), 5. Sử dụng cho sinh hoạt (Life support system). Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 23 GEOPET HỆ THỐNG CUNG CẤP NĂNG LƯỢNG Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 24 GEOPET
13. HỆ THỐNG NÂNG THẢ Các thành phần của hệ thống nâng thả Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 25 GEOPET HỆ THỐNG NÂNG THẢ Tời khoan: để nâng thả và treo bộ khoan cụ, cột ống chống, di chuyển các vật nặng và thực hiện các chức năng phụ trợ khác. Tời khoan và sơ đồ động học của tời khoan Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 26 GEOPET
14. HỆ THỐNG NÂNG THẢ Hệ thống ròng rọc: biến đổi chuyển động quay của tang tời thành chuyển động tịnh tiến của móc nâng và đồng thời giảm tải cho dây cáp. Ròng rọc tĩnh Ròng rọc động Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 27 GEOPET HỆ THỐNG NÂNG THẢ Sơ đồ móc cáp trong hệ thống ròng rọc Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 28 GEOPET
15. HỆ THỐNG NÂNG THẢ Cáp khoan Cáp khoan Đầu cáp chết Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 29 GEOPET HỆ THỐNG NÂNG THẢ Phanh chính: kiểm soát tốc độ chuyển động khi nâng thả bộ khoan cụ. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 30 GEOPET
16. HỆ THỐNG NÂNG THẢ Các hệ thống tự bù chuyển động dọc trên các giàn khoan nổi Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 31 GEOPET HỆ THỐNG NÂNG THẢ ™ Elevator là một dụng cụ đặc biệt được sử dụng để nâng thả thiết bị dạng ống (các loại cần khoan và ống chống). Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 32 GEOPET
17. HỆ THỐNG XOAY Bao gồm: • Đầu xoay thủy lực (xa-nhích), •Cần chủ đạo, • Bàn rôto. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 33 GEOPET HỆ THỐNG XOAY Đầu xoay thủy lực ™ Bộ phận nối giữa hệ thống palăng và cột cần khoan. ™ Đỡ toàn bộ trọng lượng bộ khoan cụ. ™ Cho phép bộ khoan cụ quay. ™ Làm kín áp suất và là đường dẫn dung dịch khoan trong bộ khoan cụ. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 34 GEOPET
18. HỆ THỐNG XOAY Cần chủ đạo: là một chi tiết đặc biệt bằng thép rất cứng vững, rỗng ở tâm và có tiết diện vuông (4 cạnh) hoặc lục giác đều (6 cạnh), cho phép truyền chuyển động quay của bàn rôto cho bộ khoan cụ, trượt dọc theo trục giếng khoan và dẫn dung dịch khoan xuống chuỗi cần khoan. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 35 GEOPET HỆ THỐNG XOAY Bàn rôto ƒ Tên gọi bàn rôto xuất phát từ phương pháp khoan rôto. ƒ Bàn rôto gồm nhiều chi tiết và vận hành nhờ động cơ điện riêng. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 36 GEOPET
19. HỆ THỐNG XOAY Động cơ treo (top drive): phổ biến trong các thiếtbị khoan hiện đại, đặc biệt khi cần thi công giếng sâu. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 37 GEOPET HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 38 GEOPET
20. HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH Máy bơm hút dung dịch từ bể chứa dung dịch và đẩy chúng theo đường ống cao áp đến ống đứng. Ống đứng là một ống bằng thép lắp thẳng đứng trên một chân của tháp khoan. Dung dịch qua ống đứng vào tuyô cao áp đến đầu xoay thủy lực. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 39 GEOPET HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH ™ Dung dịch tiếp tục chảy vào cần chủ đạo, cần khoan, cần nặng rồi thoát ra các vòi phun thủy lực ở choòng khoan. ™ Sau đó dung dịch đi ngược lên bề mặt theo khoảng không vành xuyến giữa thành giếng và bộ khoan cụ. ™ Cuối cùng dung dịch rời khỏi giếng theo đường hồi dung dịch và chảy vào bể chứa dung dịch sau khi dẫn qua các thiết bị xử lý dung dịch như sàn rung, thiết bị tách cát, thiết bị lắng bùn, thiết bị tách khí ™ Dung dịch hồi về các bể chứa dung dịch và được gia công lại rồi bơm tiếp tục vào giếng. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 40 GEOPET
21. HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH Máy tách cát Máy tách bùn Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 41 GEOPET HỆ THỐNG TUẦN HOÀN DUNG DỊCH Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 42 GEOPET
22. HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG Hệ thống kiểm soát giếng Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 43 GEOPET HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG Hệ thống kiểm soát giếng Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 44 GEOPET
23. BỘ ĐỐI ÁP (BOP) Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 45 GEOPET HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG Sơ đồ kiểm soát giếng trong trường hợp phun trào Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 46 GEOPET
24. CÁC LOẠI ĐỐI ÁP Các loại đối áp Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 47 GEOPET CÁC LOẠI ĐỐI ÁP Đối áp dạng ngàm Đối áp vành xuyến Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 48 GEOPET
25. HỆ THỐNG KIỂM SOÁT GIẾNG Thiết bị hướng dòng và đối áp trong cần Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 49 GEOPET HỆ THỐNG ĐO ™ Đồng hồ đo tải trọng: mặt đồng hồ có hai kim, một kim chỉ tải trọng treo ở móc nâng và kim kia chỉ tải trọng lên choòng (WOB). ™ Đồng hồ hiển thị tổng thể tích dung dịch. ™ Đồng hồ hiển thị mức thay đổi thể tích dung dịch. ™ Đồng hồ hiển thị thể tích bể chứa đang vận hành. ™ Đồng hồ hiển thị lưu lượng dung dịch hồi về bể chứa. ™ Đồng hồ hiển thị số hành trình của bơm. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 50 GEOPET
26. HỆ THỐNG ĐO ™ Đồng hồ hiển thị tổng số hành trình của bơm. ™ Đồng hồ hiển thị áp lực bơm. ™ Đồng hồ hiển thị chu kỳ bơm tính bằng số lần đập/phút. ™ Đồng hồ hiển thị vận tốc quay của bàn rôto. ™ Đồng hồ hiển thị mômen ở động cơ điện. ™ Đồng hồ hiển thị mômen ở khóa tháo vặn cần. ™ Đồng hồ hiển thị mômen ở bàn rôto. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 51 GEOPET HỆ THỐNG ĐO Thiết bị tự ghi: ghi lại tất cả các thông số trong quá trình khoan, bao gồm các bộ phận: ƒ Một cuộn băng giấy được gắn vào trục của một môtơ, khi môtơ hoạt động làm cuộn giấy quay với một vận tốc đã được định trước. ƒ Một đầu kim ghi được tẩm mực tì vào cuộn băng giấy, đầu kia được gắn vào một hệ thống tiếp nhận tín hiệu. ƒ Bộ phận tiếp nhận tín hiệu: hoạt động bằng cơ khí hoặc khí nén. Nguyên lý hoạt động: khi các thông số khoan thay đổi làm cho hệ thống tiếp nhận tín hiệu thay đổi theo. Sự thay đổi này làm kim dao động theo phương ngang và vẽ lên cuộn băng giấy đang quay đều. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 52 GEOPET
27. HỆ THỐNG ĐO Máy tự ghi có thể ghi liên tục 6 thông số: ƒ Tải trọng ở móc nâng ƒ Vận tốc khoan ƒ Vận tốc quay ƒ Ngẫu lực ở bàn rôto ƒ Lưu lượng bơm ƒ Áp suất bơm. Ngoài các thiết bị đo trên, hiện nay sử dụng phổ biến các hệ thống đo trong khi khoan (MWD). Các hệ thống này cho phép đo và truyền tức thì các thông số của đất đá và chất lưu vỉa lên bề mặt, giúp hiệu chỉnh kịp thời và tối ưu các thông số chế độ khoan. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 53 GEOPET HỆ THỐNG ĐO Các thông số được giám sát trong quá trình khoan Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 54 GEOPET
28. 3. BỘ KHOAN CỤ Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 55 GEOPET CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ ™ Truyền chuyển động quay của bàn rôto tới choòng khoan hoặc nhận mômen của động cơ đáy trong quá trình phá hủy đất đá ở đáy giếng. ™ Cho phép thiết lập tuần hoàn dung dịch khoan từ bề mặt đến đáy giếng và ngược lại. ™ Tạo tải trọng cho choòng. ™ Dẫn hướng và điều khiển quỹ đạo của choòng trong quá trình khoan (đặc biệt trong khoan định hướng và khoan ngang). ™ Đảm bảo tính ổn định của bộ dụng cụ đáy (BHA) nhằm giảm thiểu sự rung động và lắc lư của choòng. ™ Cho phép tiến hành các công tác phụ trợ khác như doa, mở rộng thành giếng, thử vỉa bằng cần, khảo sát giếng, khắc phục các sự cố. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 56 GEOPET
29. CHỨC NĂNG CỦA BỘ KHOAN CỤ Tổ hợp lực tác dụng lên bộ khoan cụ ƒ Lực kéo do trọng lượng bản thân của bộ khoan cụ ƒ Lực nén do tác dụng của tải trọng lên choòng ƒ Mômen xoắn do tác dụng quay của bộ khoan cụ ƒ Mômen uốn ƒ Áp suất dư của dung dịch khoan trong và ngoài cần ƒ Các tải trọng động Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 57 GEOPET THÀNH PHẦN CỦA BỘ KHOAN CỤ ™ Chuỗi cần khoan (drillpipe): gồm các cần đơn nối trực tiếp với nhau bằng chính các đầu nối cần. ™ Bộ dụng cụ đáy BHA bao gồm: ƒ Cần khoan nặng ƒ Dụng cụ ổn định ƒ Búa thủy lực ƒ Ống giảm xóc ƒ Đầu nối cong (nếu có) ƒ Cần nặng ƒ Cần nặng không nhiễm từ ƒ Động cơ đáy (nếu có) ƒ Đầu nối choòng. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 58 GEOPET
30. THÀNH PHẦN CỦA BỘ KHOAN CỤ Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 59 GEOPET CẦN KHOAN ™ Chú ý đường kính ngoài, đường kính trong, trọng lượng danh định và mác thép. Phân loại dựa vào mức độ mòn ƒ Cần mới: không mòn (đánh dấu bằng một vòng sơn màu trắng). ƒ Cần loại 1 (premium): cần bị mòn đều, chiều dày thành ống còn lại 85 % (đánh dấu bằng hai vòng sơn màu trắng). ƒ Cần loại 2: một cạnh mòn với chiều dày thành ống còn lại là 65%, những phần khác bị mòn với chiều dày thành ống còn lại 80% (đánh dấu bằng một vòng sơn màu vàng). ƒ Cần loại 3: chiều dày thành ống chỉ còn lại 55% ở một cạnh (đánh dấu bằng một vòng sơn màu xanh da trời). Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 60 GEOPET
31. CẦN KHOAN ™ Các cần khoan được nối với nhau tạo thành chuỗi cần nhờ các đầu nối (tool joint). Đầu nối có loại ren ngoài (đầu đực) và ren trong (đầu cái). Đầu nối có chiều dày lớn hơn phần thân cần khoan để tăng độ bền của mối nối. Phần dày hơn này gọi là phần chồn. ™ Kiểu chồn hỗn hợp IEU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường kính ngoài của thân cần khoan nhưng đường kính trong của đầu nối thì nhỏ hơn đường kính trong của cần khoan. ™ Kiểu chồn trong IU: đường kính trong của đầu nối nhỏ hơn đường kính trong của thân cần và đường kính ngoài của đầu nối bằng đường kính ngoài của cần khoan. ™ Kiểu chồn ngoài EU: đường kính ngoài của đầu nối lớn hơn đường kính ngoài của thân cần khoan còn đường kính trong đầu nối bằng đường kính trong của cần khoan. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 61 GEOPET CẦN KHOAN Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 62 GEOPET
32. CẦN KHOAN Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 63 GEOPET CẦN KHOAN THÀNH DÀY ™ Chuyển tiếp giữa cần nặng và cần khoan nhằm tăng độ cứng và giảm hiện tượng mỏi do chênh lệch độ cứng giữa cần khoan và cần nặng. ™ Cung cấp tải trọng cho choòng để phá hủy đất đá. ™ Giảm nguy cơ làm hỏng các đầu nối khi khoan qua những đoạn giếng bị gập. ™ Giảm mômen xoắn và kéo trên chuỗi cần khoan. ™ Giảm nguy cơ kẹt cần do chênh áp. ™ Tăng khả năng chỉnh xiên. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 64 GEOPET
33. CẦN NẶNG ™ Cần nặng là loại cần khoan đặc biệt, cung cấp tải trọng trực tiếp cho choòng để phá hủy đất đá ở đáy giếng khoan. Hai dạng hình học chủ yếu: ƒ Cần nặng thường (nhẵn) ƒ Cần nặng xoắn (có rãnh xoắn) Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 65 GEOPET DỤNG CỤ ỔN ĐỊNH Là một loại đầu nối đặc biệt có gắn các cánh phá hủy đất đá trên thân, thường được sử dụng nhằm mục đích: ™ Giảm dao động bộ khoan cụ, nâng cao chất lượng thi công giếng nhờ điều khiển tốt các thông số định hướng của quỹ đạo giếng khoan, tăng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khoan. ™ Giảm nguy cơ gây sự cố. Dựa theo kiểu cánh và nguyên lý hoạt động của dụng cụ ổn định, người ta phân biệt: cánh quay và cánh cố định. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 66 GEOPET
34. BÚA ĐẬP THỦY LỰC (JARS) ™ Búa đập thủy lực được sử dụng nhằm tạo một lực giật hướng lên hoặc hướng xuống lớn gấp nhiều lần lực tác dụng để giải phóng bộ khoan cụ trong trường hợp bị kẹt. ™ Búa hoạt động theo nguyên lý cơ học hoặc thủy lực hoặc phối hợp giữa cơ học - thủy lực. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 67 GEOPET ỐNG GIẢM XÓC (SHOCK SUB) ™ Ống giảm xóc được lắp phía trên choòng khoan nhằm mục đích hấp thụ toàn bộ hoặc làm giảm bớt những dao động dọc trục do choòng gây ra khi khoan trong đácứng. ™ Thành phần chính của ống giảm xóc là lò xo thép cứng hoặc các đệm cao su. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 68 GEOPET
35. THIẾT KẾ BỘ KHOAN CỤ ™ Thông số thiết kế ƒ Tải trọng (ứng suất) tác dụng ƒ Xác định hệ số an toàn ƒ Xác định kích thước hình họctừng đoạncủa bộ khoan cụ ƒ Chọn dụng cụ và thiết bị hợp lý. ™ Kiểm tra các điều kiện bền tĩnh và độ bền mỏi ƒ Điều kiện khoan thực tế khác với những dữ liệu thiết kế ƒ Bộ khoan cụ thiết kế bị thay đổi trong quá trình thi công ƒ Phân tích sự cố. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 69 GEOPET THIẾT KẾ BỘ KHOAN CỤ ™ Kiểm toán về độ bền, cần xác định các thông số sau: ƒ Tải trọng dọc trục do lực kéo của ống ƒ Mômen uốn ở đoạn cong của giếng ƒ Mômen xoắn do quay bộ khoan cụ ƒ Ứng suất pháp và ứng suất tiếp tương ứng với tải trọng làm việc. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 70 GEOPET
36. 4. CHOÒNG KHOAN Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 71 GEOPET NỘI DUNG ™ Phân loại chung ™ Choòng chóp xoay ™ Choòng liền khối ™ Choòng lấy mẫu ™ Choòng doa Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 72 GEOPET
37. PHÂN LOẠI CHUNG ™ Phân loại theo tiêu chí: ƒ Cấu tạo: cánh dẹt (đuôi cá), chóp xoay, liền khối. ƒ Đặc tính phá hủy đất đá: cắt, đập, thủy lực. ƒ Công dụng: phá mẫu, lấy mẫu, đặc biệt (doa, phá, cứu sự cố). ƒ Vật liệu chế tạo răng hoặc hạt cắt: răng phay, răng đính, kim cương. ™ Theo đặc tính phá hủy đất đá, choòng khoan được phân loại theo 03 nhóm: ƒ Nguyên lý cắt - tách ƒ Nguyên lý đập - tách ƒ Nguyên lý cắt - mài Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 73 GEOPET CÁC LOẠI CHOÒNG KHOAN Choòng đuôi cá Choòng chóp xoay Choòng kim cương Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 74 GEOPET
38. CHOÒNG CHÓP XOAY Lịch sử phát triển ™ 1916, kỹ sư Lôman (Đức) sử dụng các hợp kim cứng để chế tạo dụng cụ phá hủy đá. ™ 1924, choòng chóp xoay tự rửa sạch ra đời và năm 1930 choòng ba chóp xoay răng phay được sử dụng. ™ 1949, các hạt cắt bằng cacbit vônfram được chế tạo và choòng răng đính bằng cacbít vônfram bắt đầu được chế tạo. ™ Năm 1953 các vòi phun thủy lực ở choòng ra đời. ™ Năm 1969 xuất hiện ổ đỡ kín. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 75 GEOPET CẤU TẠO ™ Thân choòng: bằng thép đặc biệt, chịu được tải trọng, lực va đập và mômen xoắn. ™ Chóp xoay: chóp nhọn bằng thép. ™ Răng choòng: răng phay hoặc răng đính ƒ Đảm nhận vai trò cắt, nạo hoặc đục đất đá ƒ Răng đính có các hình dạng chính: •Quả trứng, đầu đạn • Hình chóp; lưỡi đục kiểu: super scoop, scoop, hai mép vát. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 76 GEOPET
39. CẤU TẠO ™ Ổ trục: có rãnh để lắp các ổ bi (bi cầu, bi đũa) ƒ Ổ đỡ hở: bôi trơn bằng dung dịch khoan ƒ Ổ đỡ kín: bôi trơn bằng dầu ƒ Ổ ma sát: một ổ đỡ khớp với mặt doa trong của chóp. ™ Vòi phun thủy lực: được chế tạo bằng thép hay gốm đặc biệt ™ Răng đầu nối choòng: dạng hình tam giác hoặc hình thang Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 77 GEOPET CẤU TẠO Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 78 GEOPET
40. CẤU TẠO Răng phay Răng đính Nguyên lý phá hủy đất đácủa choòng chóp xoay 2 và 6 chóp xoay Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 79 GEOPET CẤU TẠO Dung dịch đi qua trục choòng Dung dịch đi qua vòi phun thủy lực Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 80 GEOPET
41. PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN Theo IADC (1987), mã hiệu là một dãy bốn ký tự gồm ba chữ số và một chữ cái: ™ Chữ số đầu tiên: ƒ 1, 2, 3 chỉ dụng cụ có răng bằng thép ƒ 4, 5, 6, 7, 8 chỉ dụng cụ gắn răng cacbít vônfram, dùng để khoan trong đất đá có độ cứng tăng dần. ™ Chữ số thứ hai: ƒ 1 - đất đá mềm, ƒ 2 - đất đá từ mềm đến trung bình, ƒ 3 - đất đá cứng, và 4 (đất đá rất cứng). ™ Chữ số thứ ba: từ 1 đến 9 qui định loại ổ đỡ và mức độ bảo vệ thân chóp xoay. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 81 GEOPET PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN Quy định các chữ cái: ƒ A: choòng có ổ đỡ trơn, thích hợp cho khoan thổi khí ƒ C: Choòng thủy lực với vòi phun ở tâm ƒ D: Choòng đặc biệt để khoan định hướng ƒ E: Choòng thủy lực với vòi phun kéo dài ƒ G: Choòng có bảo vệ tăng cường chống mòn đường kính ƒ J: Choòng thủy lực có vòi phun nghiêng ƒ R: Choòng được gia cường bằng phương pháp hàn, sử dụng trong điều kiện va đập ƒ S: Choòng răng thép tiêu chuẩn ƒ X: Choòng gắn răng dạng lưỡi cắt ƒ Y: Choòng gắn răng hình côn ƒ Z: Choòng gắn răng có dạng khác với lưỡi cắt và hình côn Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 82 GEOPET
42. PHÂN LOẠI CHOÒNG KHOAN Ví dụ 135M 447X 637Y Thành hệ mềm Thành hệ mềm; răng đính; Thành hệ cứng trung Răng phay; ổ ma sát có bảo vệ; răng bình; răng đính; ổ ma sát dạng lưỡi cắt có bảo vệ; răng dạng Đĩa bảo vệ chóp xoay hình côn Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 83 GEOPET ĐÁNH GIÁ ĐỘ MÒN CHOÒNG ™ Theo ba yếu tố ƒ Độ mòn răng choòng ƒ Độ mòn ổ đỡ ƒ Độ mòn đường kính. ™ Độ mòn răng choòng ƒ T1: mòn 1/8 chiều cao răng ƒ T2: mòn 1/4 chiều cao răng ƒ T3: mòn 3/8 chiều cao răng ƒ T4: mòn 1/2 chiều cao răng ƒ T5: mòn 5/8 chiều cao răng ƒ T6: mòn 3/4 chiều cao răng ƒ T7: mòn 7/8 chiều cao răng ƒ T8: mòn hoàn toàn. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 84 GEOPET
43. ĐÁNH GIÁ ĐỘ MÒN CHOÒNG ™ Độ mòn ổ đỡ (từ B1 đến B8) ƒ B1: mòn 1/8 ƒ B4: mòn một nửa (1/2 ) ƒ B8: mòn toàn bộ (ổ đỡ bị kẹt hoặc rơi). ™ Độ mòn đường kính (từ G1 đến G8) ƒ I (in gauge): choòng mới (G1) ƒ O (out of gauge): choòng quá mòn, không sử dụng được (G8). Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 85 GEOPET ĐÁNH GIÁ ĐỘ MÒN CHOÒNG ™ 7 tiêu chí đánh giá thay choòng ƒ I: vòng răng trong cùng ƒ O: vòng răng ngoài cùng ƒ D: độ mòn mặt côn hay bi ƒ L: vị trí mòn ƒ B: độ mòn ổ ƒ G: độ mòn đường kính ƒ O: các lý do khác. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 86 GEOPET
44. CHOÒNG LIỀN KHỐI Lịch sử phát triển ™ 1862: kim cương tự nhiên được đề nghị để chế tạo dụng cụ phá hủy đất đá. ™ 1864, dụng cụ khoan kim cương được chế tạo. ™ 1970, chế tạo thành công kim cương nhân tạo. ™ Đầu 1980, choòng kim cương đa tinh được thể thương mại hóa. ™ 1990, các choòng khoan kim cương đa tinh thể thế hệ mới ra đời. Sau đó xuất hiện choòng hai tâm (bi-center) để khoan giếng ngang. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 87 GEOPET CHOÒNG KIM CƯƠNG ™ Là choòng liền khối (không có các chóp xoay) với răng cắt là các hạt kim cương (tự nhiên hoặc nhân tạo) gắn cố định vào thân và các mặt bên thân choòng được chế tạo bằng các hợp kim cứng. ™ Mặt cắt dọc theo thân choòng có ba dạng: dạng tròn, dạnh hình côn ngắn và dạng hình côn dài. ™ Có ba loại chủ yếu: ƒ Choòng kim cương tự nhiên ƒ Choòng kim cương đa tinh thể PDC (ổn định nhiệt ở 750 0C) ƒ Choòng kim cương đa tinh thể bền nhiệt TSP (ổn định nhiệt ở 1200 0C). ™ Cơ chế phá hủy đất đá là mài nạo và đập – nghiền. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 88 GEOPET
45. MỘT SỐ LOẠI CHOÒNG KHOAN KIM CƯƠNG Choòng kim cương Choòng kim cương Choòng TSP tự nhiên nhân tạo Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 89 GEOPET PHÂN LOẠI CHOÒNG KIM CƯƠNG Theo IADC, choòng kim cương cũng được ký hiệu bằng bốn ký tự. ™ Ký tự đầu tiên qui định loại răng (hạt) cắt và vật liệu thân choòng: •D: kim cương tự nhiên, thân hợp kim • M: PDC, thân hợp kim • S: PDC, thân thép • T: TSP, thân hợp kim •O: loại khác. ™ Ký tự thứ hai qui định loại và hình dạng chung của choòng (số 1-9) ™ Ký hiệu thứ ba qui định về chế độ thủy lực của choòng ™ Ký hiệu thứ tư (số 1-9) xác định kích thước các lưỡi cắt và mật độ của chúng trên choòng. Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 90 GEOPET
46. CHOÒNG LẤY MẪU Kim cương Hợp kim Chóp xoay Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 91 GEOPET CHOÒNG DOA Lưỡi cắt Lưỡi cắt cố định di động Choòng có lưỡi cắt cố định Choòng có lưỡi cắt di động Các dạng lưỡi cắt Thiết bị và dụng cụ khoan ™ 92 GEOPET
47. KKẾẾTT THÚCTHÚC