Cơ cấu nâng thả của thiết bị khoan

CHƯƠNG 3 CƠ CẤU NÂNG THẢ CỦA THIẾT BỊ KHOAN 3.1. Khái niệm về quá trình nâng thả bộ dụng cụ khoan Quá trình nâng thả bộ dụng cụ khoan bao gồm các thao tác được lặp lại theo một chu trình. Thời gian để thực hiện quá trình nâng thả chia làm hai loại: - Thời gian máy. - Thời gian tay - máy (tháo, vặn cần dựng, dựng cần vào giá đỡ cần…). Thời gian chi phí cho nâng và thả một đoạn cột cần có chiều dài 1 cần dựng có thể xác định bằng các thành phần: 1 'nm e tm me t tmT t t t t t t      là thời gian nâng bằng máy; là thời gian thả elevator không tải; là thời gian nâng cần dựng kết hợp tay-máy; là thời gian nâng elevator bằng máy; là thời gian thả đoạn cần dài bằng 1 cần dựng; là thời gian thả 1 cần dựng kết hợp tay máy. Thời gian nâng cột cần lên 1 quãng dài = chiều dài cần dựng bằng máy: là hệ số kể đến chiều cao nâng dự trữ; là chiều dài cần dựng; là tốc độ trung bình của elevator khi nâng cần dựng nmt et tmt met tt 'tmt . c nm tb lt v   1,02 1,05   cl tbv 3.2. Tháp khoan Tháp khoan là kết cấu kim loại bằng thép được đặt trên giàn khoan với mục đích sau: - Để treo bộ ròng rọc động, tĩnh và móc tải. - Để tựa bộ cần khoan khi kéo lên. - Để treo các loại khoá vặn cần, ống chống. - Tạo khoảng trống thẳng đứng cần thiết để nâng hạ cột cần khoan, ống chống. - Lắp sàn làm việc cho thợ ở trên cao,… Tháp khoan có một số loại: tháp 4 chân, tháp 3 chân, tháp chữ A…Nhưng hiện nay trong khoan dầu khí thường sử dụng tháp 4 chân vì nó có những ưu điểm sau: - Có độ ổn định cao trong quá trình làm việc. - Dễ chế tạo và lắp ráp. - Có độ ổn định cao, ngay cả trong việc dịch chuyển Tháp khoan trên Jack up 3.2.1. Cấu tạo tháp Trong quá trình làm việc các phần tử của tháp chịu tác động của các tải trọng động, chúng khác nhau cả về phương, chiều, độ lớn và đặc tính tác dụng. Để hệ số an toàn các phần tử của tháp bằng nhau thì kích thước của chúng phải khác nhau. Để đơn giản trong chế tạo, xây lắp thì tháp phaỉ thoả mãn các điều kiện sau : + 4 chân cột của tháp phải cùng tiết diện. + Các thanh ngang cùng 1 tiết diện. + Các thanh giằng cùng tiết diện. + Chiều cao của các tầng phải bằng nhau. 3.2.2. Các thông số kỹ thuật của tháp. 1. Chiều cao của tháp ( H ). Là khoảng cách từ ròng rọc tĩnh tới điểm tựa của chân tháp theo chiều thẳng đứng. H được xác định theo: H = K1 ( L1 + Lcd ) K1: Hệ số dự trữ nâng ( K1 = 1,2 – 1,3 ). L1 : Chiều dài cơ cấu nâng ( chiều cao từ chân tháp tới mặt bàn rôto ). Lcd : Chiều dài cần dựng. Để đơn giản hơn dùng công thức, theo: H = K2 . Lcd K2 : Là hệ số phụ thuộc vào chiều dài cơ cấu nâng và chiều cao dự trữ khi nâng ( K2 = 1,3 – 1,5 ). 2. Sức nâng của tháp ( Q). + Sức nâng định mức của tháp theo: Trong đó : Qđm : Sức nâng định mức α Là hệ số đầu nối (α = 1,05 – 1,1 ). q : Trọng lượng 1m cần khoan ( kg/ m) . L: Chiều dài bộ dụng cụ khoan ( m) . γd,γt Trọng lượng riêng của dung dịch khoan và vật liệu chế tạo cần khoan ( G/ cm3 ) . + Sức nâng tính toán : Sức nâng tính toán được tính bằng tải trọng tác dụng lên móc nâng trong quá trình kéo, theo: Qtt = Kc . Qđm Kc : Hệ số kể đến lực cản khi nâng ( lực ma sát, lực quán tính ) Trong khoan thăm dò : Kc = 1,5 – 2 Trong khoan sâu : Kc = 1,25 – 1,5 )1.(.. t d dm LqQ     + Sức nâng cực đại : Sức nâng cực đại là tải trọng lớn nhất tác dụng lên tháp khoan. Nếu bỏ qua góc lệch giữa các nhánh cáp với phương thẳng đứng, theo: Qo = Qtt + Pt + Pc Trong đó : Pt : Sức căng của nhánh cáp đi vào tời Pc : Sức căng của nhánh cáp chết Nếu coi sức căng của các nhánh cáp bằng nhau thì: P1 = P2 = P3 = … = Pt = P c = P1,P2,P3,… : Sức căng của nhánh cáp đi vào tời m : Số nhánh cáp động Thay vào, ta có : Qo = Qtt ( 1 +γd/γt ) i : Hệ số phụ thuộc vào cách mắc Có đầu cáp chết : i = 2 Không có đầu cáp chết : i = 1 Kích thước khung nền và khung đỉnh phụ thuộc vào các yếu tố sau : + Việc bố trí thiết bị khoan + Việc bố trí hệ ròng rọc tĩnh + Sự an toàn trong quá trình làm việc + Phụ thuộc vào hình dáng tối ưu để đảm bảo độ bền và độ ổn định của tháp khoan. Khi thiết kế tháp khoan, phải làm sao cho Qtt đạt giá trị min. - Khả năng chứa cần dựng của tháp ( S ): S = K .n . f ( m2 ) Trong đó : S : Khả năng chứa cần dựng của tháp ( m2 ) K : Hệ số phụ thuộc vào khoảng hở giữa các cần dựng n : Số cần dựng f : Diện tích chiếm chỗ của một cần dựng ( m2 ) * Các tải trọng tác dụng lên tháp Trong quá trình làm việc, các thành phần tải trọng tác dụng lên tháp rất đa dạng gây nên sự mất ổn định chung của tháp. Các thành phần tải trọng tác dụng theo nhiều phương khác nhau, tuy nhiên có thể quy về hai nhóm chính đó là tải trọng tác dụng theo phương đứng và tải trọng tác dụng theo phương ngang. Tải trọng tác dụng theo phương đứng bao gồm : - Trọng lượng bộ khoan cụ trên móc nâng. - Trọng lượng bản thân của tháp. - Thành phần thẳng đứng của sức căng trong nhánh cáp cuốn tời và trọng lượng bộ cần dựng trong tháp. Thành phần tải trọng ngang. - Sức đẩy của gió tác dụng lên tháp. - Tải trọng gió tác dụng lên bộ cần dựng để trong tháp ( nếu có ). - Thành phần nằm ngang của sức căng trong nhánh cáp cuốn vào tời và thành phần nằm ngang do bộ cần dựng trong tháp. 3.3. Hệ ròng rọc động – tĩnh Khi trọng lượng của bộ dụng cụ khoan tăng đến một giá trị nào đó thì sức nâng của tời không đủ để nâng thả trực tiếp bộ dụng cụ khoan. Khi đó ta cần sử dụng hệ ròng rọc (lợi về lực nhưng thiệt về đường đi). Mục đích là biến chuyển động quay của tời thành chuyển động lên xuống của vật nâng hạ toàn bộ tải trọng của bộ dụng cụ, biến chuyển động ma sát trượt thành ma sát lăn, chịu tác dụng của lực đột ngột, giảm tải trọng cho sợi cáp, vì vậy nó cho phép tăng sức kéo của tời tùy theo số nhánh cáp. Tuỳ theo tải trọng và số nhánh dây cáp, hệ thống ròng rọc được chia ra nhiều cỡ. Với tải trọng từ 50 đến 75 tấn, dùng hệ ròng rọc 2x3 hoặc 3x4 con lăn; tải trọng từ 100 đến 300 tấn, dùng hệ ròng rọc 4x5, 5x6 hoặc 6x7 con lăn, (trong ký hiệu này, số thứ nhất chỉ số con lăn của hệ ròng rọc động, số thứ hai chỉ số con lăn của hệ ròng rọc tĩnh). Sơ đồ cấu tạo hệ ròng rọc 1: Cáp khoan 2: Ròng rọc động 3: Neo cáp cố định 4: Kẹp 5: Cuộn dây dự trữ 6: Tời khoan 7: Ròng rọc tĩnh - Ròng rọc tĩnh: Là những ròng rọc mà trong suốt quá trình làm việc chỉ thực hiện một chuyển động quay quanh trục bản thân hoặc đứng yên. - Ròng rọc động: Là những ròng rọc trong quá trình làm việc thì nó tham gia đồng thời hai chuyển động: chuyển động quay quanh trục bản thân và chuyển động tịnh tiến lên xuống. Ròng rọc tĩnh Ròng rọc động Ròng rọc trên Jack up TD 03 Đặc tính kỹ thuật của một số loại ròng rọc tĩnh và động Các thông số Kiểu ròng rọc tĩnh Kiểu ròng rọc động БY- 50 БP Y3-200-2 5Y-75- БP Y4-200-2 Tải trọng định mức, T 50 200 75 200 Tải trọng tối đa trên móc nâng, T 70 250 100 250 Số con lăn 5 6 4 5 Đường kính ròng rọc, mm 800 1000 800 1000 Đường kính cáp, mm 25 33 28 33 Trọng lượng, kg 923 3815 2090 3565 3.4. Dây cáp Cáp khoan thường có các đường kính 22, 28, 32, 38 mm (loại 32 mm thường được sử dụng nhiều nhất). Có hai cách mắc cáp: Cách thứ nhất gọi là cách mắc có đầu cáp chết. Nhánh cáp chết bao giờ cũng được mắc đối diện với nhánh cáp vào tang tời, lúc đó nó có ưu điểm là hệ thống làm việc được ổn định và ít bị rung, nhưng tải trọng tác dụng lên tháp sẽ lớn hơn. Cách mắc thứ hai gọi là cáchmắc không có đầu cáp chết, nó ngược lại với cách thứ nhất. Cáp khoan cần được giám sát kĩ lưỡng và để đánh giá độ mỏi mà nó có thể chịu được thì người phụ trách công việc này cần phải tính công hằng ngày của cáp( bằng tích của tải trọng với đoạn chuyển vị của nó). Tổng hợp công của cáp được tính bằng tấn x km ( hoặc tấn x dặm) cho các mốc bắt đầu các công việc sửa chữa như kéo ra và sau đó cắt cáp. Cáp khoan Băng kẹp cáp Cuộn cáp dự trữ Sợi cáp 3.5. Êlêvatơ Dùng để kéo thả tự động cần khoan, ống chống trong quá trình nâng hạ, ngoài ra còn dùng để treo đầu thuỷ lực khi khoan giếng. Cấu tạo: gồm hai phần chính: phần chịu lực và hệ thống đòn bẩy. Phần chịu lực chịu sức nặng của cần khoan trong quá trình nâng thả và khoan giếng, hệ thống đòn bẩy thực hiện quá trình nâng lên hạ xuống các chấu kẹp. 3.6. Tời khoan 3.6.1. Cấu tạo tời khoan 1. Trục tang tời Trục tang tời là bộ phận quan trọng, đảm bảo độ an toàn cho bộ thiết bị khoan, tuổi thọ lâu dài của máy. Vì vậy công việc thiết kế, chế tạo, lắp rắp, vận hành và bảo dưỡng đòi hỏi chính xác và chất lượng. 2. Tang tời Tang tời là thiết bị hình trụ được lắp trên trục tang tời. Trên tang tời được xẻ rãnh xoắn theo chiều cuốn cáp để cáp được cuốn khít. Hai đầu tang được luyện cứng và chống mài mòn, ở đó được lắp hai băng phanh. Có tang tời chính và tang tời phụ. 3. Hệ thống phanh ( hãm tời ) Dùng để phanh và dừng hẳn để treo bộ khoan cụ vào móc nâng trong quá trình khoan hay chống ống. Treo bộ cần khoan để điều chỉnh tải trọng. Điều chỉnh tốc độ nâng thả. 4. Côn của tời Côn ly hợp dùng truyền mô men nhất định từ trục dẫn sang trục bị dẫn. Côn ly hợp phải đảm bảo đóng nhanh và hoạt động hiệu quả dưới tác dụng của tải trọng lớn. 5. Hộp số của tời Dùng để thay đổi tốc độ cuốn cáp của tang tời. Bao gồm: trục vào, trục ra, các trục trung gian, côn ly hợp, bánh răng, bánh răng xích, xích. 6. Đầu mèo Là tang tời nhỏ được lắp hai bên tời khoan trên một trục riêng. Đầu mèo dung để cuốn các sợi xích đê tháo lắp cần khoan, ống chống. Có đầu mèo vặn ren và tháo ren ống chống. 7. Hệ thống điều khiển của tời khoan Là bộ phận tập trung các hoạt động điều khiển tời khoan. Có các thiết bị kiểm tra thông số tời trong quá trình làm việc. Sơ đồ cấu tạo tời khoan 1 : Cáp khoan 6 : Bảng điều khiển 2 : Phanh điện từ 7 : Phanh cơ học 4 : Răng để tựa cáp khoan 8 :Môtơ điện 5 : Tay phanh cơ học 9 : Đầu mèo 10 : Đường rãnh cáp địa vật lý Hệ thống tời khoan trên TD 03 * Nguyên lý làm việc: Động cơ truyền mômen quay sang trục truyền số I thông qua cặp bánh răng (z1, z1’) tức trên trục I có 1 cấp tốc độ và trên trục này được lắp một bánh hãm ma sát A. Tiếp theo momen quay được truyền trực tiếp từ trục I xuống trục II thông qua các cặp bánh răng (z2, z2’), (z3, z3’) và (z4, z4’) tức là trên trục ta sẽ có 3 cấp tốc độ, để đảm bảo an toàn người ta lắp trên trục II một bánh hãm ma sát B, tương tự vậy momen quay tiếp tục được truyền trực tiếp xuống trục III thông qua các cặp bánh răng (z5, z5’) và (z8, z8’) thông qua các cặp bánh răng (z2, z2’), (z3, z3’) và (z4, z4’) do vậy trên trục III sẽ có 4 cấp tốc độ. Trên trục này cũng được lắp một bánh hãm ma sát C, do được lắp tang tời trên trục này nên trên trục này còn được lắp bộ ly hợp thuỷ lực để đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc. Để dẫn động xuống rôto thì momen quay được truyền trực tiếp từ trục II xuống thông qua cặp bánh răng (z7, z7’) gắn với cặp bánh răng (z6, z6’), do vậy trên rôto sẽ có 3 cấp tốc độ. Như vậy dẫn động cho tang tời có 4 cấp tốc độ, còn dẫn động cho rôto sẽ có 3 cấp tốc độ. Bảng thông số tính toán tời khoan STT Các thông số Đơn vị 01 Công suất trục tời HP Kw 02 Chiều sâu giếng m 03 Hệ ròng rọc 04 Loại cần khoan mm 05 Trọng lượng riêng của dung dịch G/cm 06 Tốc độ quay của chòong v/ph 07 Đường kính chòong mm 08 Tốc độ vào hộp số của tời v/ph 09 Góc nghiêng trung bình của giếng 10 Tải trọng lên đáy khi khoan tấn 11 Chiều cao tháp m 12 Đường kính tang tời mm 13 Loại động cơ dẫn động 3 o * Tính toán tời khoan Bước 1: Xác định các thông số của tời - Tốc độ từ trục dẫn động vào tời no - Tốc độ trục truyền - Tốc độ của trục trung gian - Tốc độ của trục nâng - Tốc độ trên trục dẫn bàn roto. Bước 2: Xác định cáp - Hệ số hiệu dụng của ròng rọc là: - Ưng lực kéo đứt cáp Rc Bước 3: Xác định đường kính tính toán của tang tời - Lớp thứ nhất: D1 = Dt + dc - Lớp thứ hai: D2 = Dt + 2.dc - Lớp thứ ba: D3 = Dt + 4.dc )1.( )1.(       m m r r c m Qn R .. . max Bước 4: Xác định tốc độ móc nâng Tốc độ móc nâng được tính theo công thức sau: Trong đó: - Vm là tốc độ móc nâng. - Dp là đường kính tính toán của tang tời ( ở lớp cáp cuối cùng ). - ntn là số vòng quay của trục nâng ở các cấp tốc độ. - m là số nhánh cáp làm việc. m nD V tnpm .60 ..  Bước 5: Xác định hiệu suất hệ thống nâng thả - Ta có công thức tính: Trong đó: β là chỉ tiêu ngược của hiệu suất ( = 1,03 ). Z là số ròng rọc động. Bước 6: Xác định tải trọng móc ở các tốc độ khác nhau - Ta có công thức tính: Trong đó: Qm là tải trọng định mức của móc nâng. N là công suất tang tời. ηr là hiệu suất nâng thả. Vm là tốc độ móc. )1.(..2 1 2 2       z z r z m r m V NQ . Bước 7: Tính toán cần nặng Bước 8: tính toán trọng lượng bộ khoan cụ Bước 9: Tính toán công suất nâng thả của tời ở các cấp tốc độ Áp dụng công thức : r mVQN .102 .1000. 