Tải bản đầy đủ
KIỂM TOÁN BỀN THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

KIỂM TOÁN BỀN THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Tải bản đầy đủ

7.1.1. Kiểm toán cần khoan trong quá trình kéo.

Trong quá trình kéo cột cần khoan, tiết diện phía trên cùng của cần chịu
tải trọng lớn nhất bao gồm: trọng lượng cột cần, lực quán tính và lực ma sát. Ta
kiểm toán cho cột cần khoan có chiều dài lớn nhất 3272.98m.
Phần trên của cột cần khoan được gọi là bền khi thỏa mãn điều kiện:
K=

σc
≥ 1,4
σk

(7-1)
Trong đó: - K: Hệ số an toàn.
-

σc

: Giới hạn chảy của thép làm cần. Cần khoan 127 mác

thép S-135 có giới hạn chảy:

σc

= 105kG/mm2=10500kG/cm2.

σk

- : Ứng suất kéo tại phần trên cột cần. Được tính theo công thức.
σk =

Qk
F

(7-2)
- Qk: Tải trọng tác dụng lên phần trên cột cần (tải trọng móc nâng).
Qk=Q+Qqt+Qms

(7-3)

Với: - Q: Trọng lượng cột cần khoan ngâm trong dung dịch.

Q= [Qđ + (L-lđ).q]×

 γd 
1 − 
 γ th 

(7-4)

Trong đó:
- Qđ: Tải trọng bộ dụng cụ đáy.Tra bảng 4-9 ta được Qđ=33.316(tấn).
- lđ: Chiều dài bộ dụng cụ đáy. Tra bảng 4-9 ta được lđ =312.87(m).
- L: Chiều dài cột cần khoan, L=3272.98 (m).
- q: Trọng lượng 1m cần khoan, q=33 kG/m=0.033 tấn/m.
102

-

γd

γd

: Trọng lượng riêng dung dịch khoan, =1.04 Tấn/m3

γ th

-

γ th

: Trọng lượng riêng của thép chế tạo cần.

=7.85 Tấn/m3

Thay các thông số vào công thức (7-4) ta được:

Q = [33.316 + (3252.71-312.87) × 0.033] ×

 1,04 
1 −

 7,85 

= 113.06 (tấn).

- Qqt: Lực quán tính xuất hiện khi kéo.

Qqt=Q.

a
g

(7-5)

Với: - g: Là gia tốc trọng trường, g=9.81m/s2
- a: Gia tốc kéo cột cần. Gia tốc để đạt được 2m/s trong vòng 10s là:
2

a=0.2m/s .
Thay vào công thức (7-5) ta được:

Qqt=113.06×

0,2
9,81

=2.3 (tấn).

- Qms: Lực ma sát tác dụng lên cột cần.
Qms=μ.Q
(7-6)
Với: - μ: Hệ số ma sát giữa cột cần và thành giếng, trong trường hợp giếng
khoan nghiêng ta lấy μ=0.2.
Thay vào công thức (7-6) ta được:
Qms=0.2×113.06=22.612 (tấn).
Thay các giá trị Q, Qqt, Qms vào công thức (7-3) ta được:
Qk=113.06+2.3+22.612=137.972 (tấn)
- F: Tiết diện ngang của cần khoan.
103

F=0.785 × (D2-d2)

(7-7)

Trong đó: - D: Đường kính ngoài cần khoan, D=12.7 (cm).
- d: Đường kính trong cần khoan, d=10.7 (cm).
Thay vào (7-7) ta được: F= 0.785 × (12.72-10.72) =36.738 (cm2).
Thay Qk và F vào công thức (7-2) ta được:
σk =

137,972
= 3,756
36,738

tấn/cm2 = 3756kG/cm2

Thay vào công thức (7-1) ta tính được:

k=

10500
= 2,8
3756

> 1.4



Đảm bảo điều kiện bền kéo.

7.1.2. Kiểm toán cần khoan trong quá trình khoan.

Trong quá trình khoan, cột cần khoan chịu các tải trọng bao gồm: kéo,
nén, uốn, và xoắn.Trong đó tồn tại hai tiết diện nguy hiểm nhất đó là phần trên
cùng của cột cần và phần dưới cột cần chỗ nối giữa cần dày với cần khoan.
* Kiểm toán phần trên của cần khoan.
Trong quá trình khoan phần trên cùng của cột cần khoan chỉ chịu tải trọng
kéo và tải trọng xoắn.
Phần trên của cột cần khoan đảm bảo độ bền khi thỏa mãn điều kiện:

K=

σc

σΣ

1.4

(7-8)
Trong đó: σΣ

thức:
(7-9)
-

σk

σΣ

:Ứng suất tương đương, ứng suất này được tính theo công
σ k2 + 4τ 2

=

: Ứng suất kéo tại phần trên cột cần, được tính theo công thức:
104

σk =

Qk
F

(7-10)
Trong đó: - Qk: Trọng lượng cột cần khoan tác dụng lên móc nâng khi
khoan, xác định theo công thức:

Qk = [Qđ + (L-lđ).q-Gc]×

 γ dd
1 −
 γ th





(7-11)
Trong đó:

Qđ= 33.316 tấn.
lđ= 312.87 m.
L= 3272.98m.
Gc= 17.025 tấn (tải trọng đáy).

Thay các giá trị vào công thức (7-11) ta được:

Qk=[33.316+(3272.98-312.87)×0.033-17.025]×

 1,05 
1 −

 7,85 

=98.73

tấn.
Với tiết diện ngang của cần khoan đã tính được là 36.738 cm2.
Thay vào công thức (7-10) ta được:
σk =

98.73
= 2.687
36,738

tấn/cm2 =2687kG/cm2

τ

τ

- : Ứng suất xoắn tác dụng lên phần trên của cột cần khoan, được tính
theo công thức sau:
τ

=

Mx
wx

(7-12)
Trong đó: - wx: Mômen chống xoắn của cột cần khoan, được xác định như
sau:
105

wx=

π D4 − d 4
.
16
D

=

3,14 12,7 4 − 10,7 4
.
= 199,44
16
12,7

cm3

- Mx: Mômen xoắn được tính theo công thức:
71620.

Mx=

N kt + N c
.k đ
n

(7-13)

Trong đó: - n: Tốc độ quay của cột cần: n=90 v/phút.
- kđ: Hệ số động, kđ=1.2.
- Nkt: Công suất để quay cột cần không tải:
2
c

Nkt=C×γdd×D ×n1,7×L

(7-14)

Trong đó: - C: Hệ số phụ thuộc độ cong của giếng. C=18.8×10-5
- γdd =1.04 G/cm3
- L=3272.98m.
- Dc=0.2159m.
Thay vào công thức (7-14) ta được: Nkt=62.25 (kw).
Nc- công suất tiêu thụ ở choòng được tính như sau:
Nc = 46.4×10-4×k×Gc×Dc×n
Với: - k: Hệ số mòn của choòng, k=0.3.


Nc=46.4×10-4×0.3×20×0.2159×90=0.541kw.

Thay Nkt, Nc, kđ vào công thức (7-13) ta được:
71620.

Mx=

62,25 + 0,541
.1,2 = 59961
90

(kG.cm).

Thay Mx và wx vào công thức (7-12) ta được:
τ=

59961
= 300,71
199,44

kG/cm2
106

(7-15)

Áp dụng công thức (7-9) ta tính được:
σ Σ = 2672 2 + 4.300,712 = 2738.8

kG/cm2

Theo công thức (7-8) ta có:

K=

10500
= 3.83
2738.8



>1.4

Đảm bảo bền.

* Kiểm toán phần dưới của cần khoan.
Trong khi khoan, tiết diện nguy hiểm của cần khoan tại phần dưới cột cần
nằm ngay sát với bộ dụng cụ đáy. Tại tiết diện này, cần khoan chịu tải trọng uốn
và tải trọng xoắn.
- Ứng suất uốn tác dụng lên phần dưới cần khoan được tính theo công
thức sau:
σ u = 2000.

f .I
l .wu
2

(7-16)

f

Trong đó: -

f

: Độ võng cung uốn,
f =

được tính theo công thức:

1,1.Dlk − D
2

(7-17)

Trong đó: - Dlk=M.Dc=1.05×215.9=226.7mm.
- D: Đường kính ngoài cần, D=127mm.
f

Thay vào (7-17) ta được:

=6.19 (cm)

- I: Mômen quán tính của tiết diện cần khoan. được tính theo
công thức:
π .( D 4 − d 4 )
64

I=
(7-18)
Với: - D=12.7cm; d=10.7 cm thay vào công thức (7-18) ta được: I=633.2 (cm4).
- l: Độ dài của nửa cung uốn được xác định theo công thức:
107

l=

10 4
0,2.I .ω 2
. 0,5.z + 0,25.z 2 +
ω
q

(cm)

(7-19)

Với: - z: Khoảng cách từ tiết diện trung hòa đến tiết diện kiểm tra. Khi
sử dụng cần nặng thì ta có σ = 0 vì vậy theo bảng (3-9), với tải trọng đáy là
17.025 tấn thì tiết diện trung hòa sẽ cách đáy 152.25m, vậy z=312.87152.25=157.62m=15762cm.
ω

- : Vận tốc góc, được xác định như sau:
ω=

2.π .n 2.3,14.90
=
= 9,42
60
60

(rad/s).

- q: Trọng lượng 1cm cần khoan. q=0.33kG/cm. Thay các thông
số vào (7-19), ta tính được: l=12.06 (cm).
- wu- mômen chống uốn được xác định theo công thức:
wu =

π .( D 4 − d 4 ) 3,14.(12,7 4 − 10,7 4 )
=
= 99,72
32.D
32.12,7

(cm3).

Thay các giá trị f, I, l và wu vào công thức (7-16) ta được:
σ u = 2000.

6,19.633,2
= 540,5
12,06 2.99,72

kG/cm2

- Ứng suất xoắn tác dụng lên phần dưới của cột cần khoan được tính theo
công thức (7-12):
τ=

Mx
wx

.

Trong đó: - wx=199.44 (cm3).
- Mx: Mômen xoắn được tính theo công thức (7-13).
Ta có:

Nkt- công suất để quay cột cần không tải tính theo (7-14).

Với: L- chiều dài cần khoan từ choòng đến tiết diện tính toán.
L=312.87m
108

Thay vào công thức (7-14) ta được: Nkt=5.98 (kw)
Ta có:

Nc= 0.541 (kw)

Thay vào công thức (7-13) ta tính được mômen xoắn Mx :
Mx=6227.12 (kG.cm)
Thay Mx và wx vào công thức (7-12) ta được:
τ=

6227,12
= 31,22
199,44

kG/cm2

- Ứng suất tương đương tác dụng lên phần dưới cột cần được xác định
theo công thức:
σΣ

σ u2 + 4τ 2

=
Thay
σΣ

σu

τ

và vào công thức trên ta được:

540,5 2 + 4.31,22 2 = 544,1

=

kG/cm2

- Hệ số an toàn trong phần này là:

K=

10500
= 19,3
544,1

>1.4



Đảm bảo bền.

Vậy trong quá trình khoan cũng như kéo thả thì với bộ khoan cụ và cần
khoan 127mm S-135 đã chọn đảm bảo được độ bền.
Bảng 7-1: Bảng thống kê hệ số bền cột cần khoan có chiều dài 3272.98m.
Hệ số an toàn trong quá trình kéo

2.80

Hệ số an toàn phần trên trong khi khoan

3.92

Hệ số an toàn phần dưới khi trong khoan

19.3

109

7.2. Kiểm toán bền các cột ống chống.

Việc kiểm toán và tính toán cột ống chống là rất cần thiết, ống chống
không những để gia cố thành giếng khoan, ngăn ngừa các sự cố phức tạp như:
sập lở, bó hẹp thành giếng khoan, mất dung dịch khoan... mà còn rất cần thiết
cho quá trình bơm trám ximăng, cách ly vỉa. Trong quá trình làm việc ống chống
chịu các lực rất phức tạp như: ứng lực bóp méo do áp suất dư bên ngoài, ứng lực
nổ ống do áp suất bên trong, tải trọng kéo đứt thân cột ống chống. Vì vậy, tính
toán ống chống được thực hiện khi thiết kế giếng khoan với mục đích lựa chọn
chiều dày thành ống, mác thép ống chống, hệ số dự phòng độ bền sao cho lượng
tiêu hao nguyên liệu là ít nhất mà vẫn đảm bảo an toàn. Khi tính toán cần tính
đến các điều kiện phức tạp địa chất, công nghệ và điều kiện môi trường làm
việc.
 Phương pháp tính toán.

* Kiểm toán ống chống theo áp suất dư bên ngoài:
Ống chống đạt độ bền về bóp méo ống khi thỏa mãn điều kiện sau.

n1=

Pbm
≥ 1,3
Pdn

(7-20)

Trong đó: - Pbm: Áp suất làm bóp méo ống chống.
- Pdn: Áp suất dư bên ngoài ống chống.
Có nhiều trường hợp xuất hiện áp suất dư bên ngoài cột ống chống, tùy
vào từng điều kiện cụ thể mà áp suất dư ngoài được tính theo các công thức khác
nhau.
- Trường hợp sau khi chống ống tiến hành khoan với dung dịch có trọng
lượng riêng nhẹ hơn.
Pdn= 0.1×Hx×(γna- γnh) (at)

(7-21)

Trong đó: - Hx: Chiều sâu tại điểm tính toán.
- γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng khoan trước đó.
- γnh: Trọng lượng riêng của dung dịch nhẹ khoan sau đó.
- Trường hợp áp suất dư bên ngoài do cột vữa xi măng bên ngoài ống
chống gây ra trong quá trình đông cứng.
Pdn=0.1×(γxm- γep)×(Hx-h) (at)

(7-22)
110

Trong đó: - γep: Trọng lượng riêng dung dịch ép.
- H: Chiều cao cốc ximăng.
- Trường hợp mất dung dịch bên trong ống chống.
Pdn=0.1×[Ka×Hx-(Hx-H0)×γd] (at)

(7-23)

Trong đó: - Ka: Gradien áp suất vỉa tại điểm tính toán.
- γd: Trọng lượng riêng của chất lưu bên trong cột ống.
- H0: Chiều sâu hạ mực chất lỏng (tính từ miệng giếng
đến mặt chất lỏng trong ống).Được xác định như sau:

H0=Hv×(1-

Kv
γd

)

(7-24)
Trong đó: - Hv: Chiều sâu của giếng khoan.
- Kv: Gradien áp suất vỉa.
Trong tất cả các trường hợp trên thì áp suất dư ngoài đạt cực đại tại đáy
của các cột ống chống. Vì vậy kiểm toán bóp méo ống ta chỉ cần tính Pdn tại đáy
ống chống.
* Kiểm toán bền ống chống theo áp suất dư bên trong:
Ống chống đạt độ bền nổ khi thỏa mãn yêu cầu sau.

n2=

Pno
≥ 1,3
Pdt

(7-25)

Trong đó: - Pno: Áp suất làm nổ ống chống.
- Pdt: Áp suất dư bên trong cột ống chống.
Áp suất dư trong cũng được tính toán theo nhiều trường hợp khác nhau.
- Trường hợp khoan với dung dịch nặng hơn khi chống ống.
Pdt=0.1×Hx×(γna- γnh) (at)

(7-26)

Trong đó: - Hx: Chiều sâu tại điểm tính toán.
- γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng khoan sau đó.
111