Tải bản đầy đủ
2 Kiểm toán độ bền cột cần khoan

2 Kiểm toán độ bền cột cần khoan

Tải bản đầy đủ

bơm rửa, cứu chữa sự cố... Tổ hợp các lực tác dụng lên bộ cần khoan khác nhau, nhưng có
thể bao gồm các lực chủ yếu sau:
- Lực kéo do tác dụng của tải trọng bản thân cần.
- Lực nén do tải trọng đáy.
- Mômen xoắn do chuyển động quay của cột cần khoan.
- Áp lực dư trong và dư ngoài của dung dịch khoan.
- Lực ma sát giữa cần khoan và thành giếng/
- Lực quán tính..
Do đó công tác thiết kế cần khoan có một tầm quan trọng đặc biệt, nếu thiết kế phù
hợp thì công tác khoan sẽ đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật và thời gian thi công, giảm giá
thành thuê thiết bị, giảm các sự cố với bộ cần khoan, do đó sẽ nâng cao hiệu quả sản xuất.
7.2.1 Kiểm toán độ bền cột 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 mat sát.
Xác định chiều dài cần nặng:

Lcn =

c.Gc
γ
qcn (1 − d )
γ

(m) (7.30)

Trong đó:
c = 1,25: Là hệ số kể đến sự tăng chiều dài cần nặng trên.
Gc: Tải trọng đáy (KG)
qcn: Trọng lượng một m cần nặng
Phần trên cột cần khoan được gọi là bền khi thỏa mãn điều kiện:

K=

σc
σk

≥ 1,4 (7.31)

Trong đó:
K: Hệ số an toàn
126

σc: Giới hạn chảy của thép làm cần. Cần khoan 5140mm) 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

(7.32)

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

(7.33)

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

Q = [(L- lcn).q + lcn.qcn + G].

 γd 
1 −

γ
th 


(7.34)

Tra bảng .3.14.d ta có :
L: Chiều dài cột cần khoan. L = 4368 m
Chiều dài cần nặng : lcn = 75,2(m)
q: Trọng lượng 1 m cần khoan. q = 21,9 (lb/ft) =33kG/m = 0,033 T/m
qcn : Trọng lượng 1m cần nặng qcn = 160 lb/ft = 240 KG/m = 0,24 T/m
G : Trọng lượng của Choòng : G = 0,12 (tấn)
γd: Trọng lượng riêng dung dịch khoan. γd = 1,26 T/m3
γth: Trọng lượng riêng của thép chế tạo cần. γth = 7,85 T/m3
Thay các thông số vào công thức (7.28) ta được:

Q = [ (4368 – 75,2).0,033 + 75,2.0,24 + 0,12].

 1,26 
1 −

 7,85 

Qqt: Lực quán tính xuất hiện khi kéo
a
g

Qqt = Q.
Với:
127

(7.35)

= 134,17 (tấn)

g: Là gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2
a: Gia tốc kéo cột cần. Gia tốc để đạt được 2m/s trong vòng 10s là: a = 0,2 m/s 2
Thay vào công thức (7.29) ta được:
0,2
9,81

Qqt = 134,17.

= 2,735(tấn)

Qms: Lực ma sát tác dụng lên cột cần
Qms = μ.Q

(7.36)

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 (7.30) ta được:
Qms = 0,2.134,17 = 26,834 (tấn)
Thay các giá trị Q, Qqt , Qms vào công thức (7.33) ta được:
Qk = 134,17 + 2,735 + 26,834 = 163,739 (tấn)
F: Tiết diện ngang của cần khoan
F = 0,785. (D2 - d2)

(7.37)

Với:
D: Đường kính ngoài cần khoan: D = 14 (cm)
d: Đường kính trong cần khoan: d = 12,2 (cm)
Thay vào (7.31) ta được:
F = 0,785.(142 – 12,22) = 37,021(cm2)
Thay Qk và F vào công thức (7.32) ta được:
163,739
37,021

σk =

= 4,422 tấn/cm2 = 4422 kG/cm2

Thay vào công thức (7.25) ta tính được:

128

K=

10500
4422

= 2,374> 1,4

=> Cột cần khoan đảm bảo điều kiện bền kéo

7.2.2 Kiểm toán độ bền cột cần khoan trong quá trình khoan.
Trong quá trình khoan thì cột cần khoan chịu tác dụng của ứng suất kéo (σ k), ứng suất
nén (σn), ứng suất uống (σu) và ứng suất xoắn (τx). Các thành phần ứng suất này tác dụng lên
cột cần khoan rất phức tạp. Vì vậy, ta cần lựa chọn các tiết diện nguy hiểm trên cột cần
khoan để tiến hành kiểm toán. Cụ thể như sau :
Ở phía trên cột cần (mặt cắt 1-1) sẽ chịu tác dụng của ứng suất kéo lớn nhất và ứng
suất xoắn lớn nhất.
Ở phần giữa (mặt cắt 2-2) được gọi là mặt cắt trung hòa sẽ xảy ra hiện tượng mỏi của
vật liệu chế tạo cần. Tại tiết diện trung hòa sẽ chịu tác dụng của ứng suất uốn và ứng xuất
xoắn.
Ở phía dưới cột cần (mặt cắt 3-3) chịu ứng suất nén lớn nhất, ứng suất xoắn và ứng
suất uốn.

Hình 7.5. biểu đồ ứng suất của cột cần trong quá trình khoan.
7.2.2.1. Kiểm toán độ bền tĩnh phần trên cột cần khoan:
129

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 (7.38)

Trong đó:

σΣ

: Ứng suất tổng cộng tại tiết diện trên cùng. Ứng suất này được tính theo công thức:

σΣ
σc

σ k2 + 4τ 2

=

(7.39)

: Giới ghạn chảy của thép làm cần khoan (KG/cm2)

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

σk =

Qk
F

(7.40)

Với:
Qk: Trọng lượng cột cần khoan tác dụng lên móc nâng khi khoan. Được xác định theo
công thức:

Q = [(L- lcn).q + lcn.qcn + G].

 γd 
1 −

 γ th 

(7.41)

Trong đó :
L: Chiều dài cột cần khoan. L = 4368 m
Chiều dài cần nặng : lcn = 75,2(m)
q: Trọng lượng 1 m cần khoan. q = 21,9 (lb/ft) =33kG/m = 0,033 T/m
qcn : Trọng lượng 1m cần nặng qcn = 160 lb/ft = 240 KG/m = 0,24 T/m
G : Trọng lượng của Choòng : G = 0,12 (tấn)
γd: Trọng lượng riêng dung dịch khoan. γd = 1,26 T/m3
130

γth: Trọng lượng riêng của thép chế tạo cần. γth = 7,85 T/m3
Thay các thông số vào công thức (7.41) ta được:

Q = [ (4368 – 75,2).0,033 + 75,2.0,24 + 0,12].

 1,26 
1 −

 7,85 

= 134,17 (tấn)

Với tiết diện ngang của cần khoan đã được tính là: 37,021()
Khác với quá trình kéo thả trường hợp trong quá trình khoan tức choòng làm việc với
tải trọng Gc thì:

σk =

Q − Gc
F

= = 3300(kG/cm2)

τ: Ứng suất xoắn tác dụng lên phần trên của cột cần khoan. Được tính theo công thức
sau:

τ=

Mx
wx

(7.42)

Với:
wx: Mômen chống xoắn của cột cần khoan. Được tính như sau:

wx =

π D 4 − d 4 3,14 14 4 − 12,2 4
.
=
.
= 227,968
16
D
16
14

cm3

Mx: Mô men xoắn lớn nhất được tính theo công thức:

Mx = 71620.

N kt + N c
.k đ
n

(7.43)

Trong đó:
n: Tốc độ quay của cột cần khoan: n = 100 v/phút
kđ: Hệ số động học, kđ = 1,2
Nkt: Công suất để quay cột cần khoan không tải:
Nkt = C.γdd.Dc2.n1,7.L

(7.44)

131

Với C là hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng.(xem bảng 4.3. Hệ số cong C của
giếng khoan )
STT

Góc

Hệ số C

1

18,8.

2

3 5°

22,6 ÷ 28,8.

3

6 9°

30,8 ÷ 34,3.

4

10 16°

35,2 ÷ 40,3.

5

17 25°

41,5 ÷ 46,6.

6

°

47,5 ÷ 52,2.

C = 52,2.
γdd = 1,2 G/cm3
L = 4610 (m)
Dc: Đường kính choòng khoan: Dc = 0,311 (m)
Thay vào công thức (7.44) ta được:
Nkt = 52,2.10-5.1,26.0,3112.4368.1001,7 = 697,98 (kw)
Nc: Công suất tiêu thụ choòng phá đá được tính như sau:
Nc = 46,4.10-4.k.Gc.Dc.n

(7.45)

Với:
k: Là hệ số mòn của choòng. K = 0,1
Nc = 46,4.10-4.0,1.12.0,311.100 = 0,173 (kw)
Thay Nkt , Nc , kđ vào công thức (7.43) ta được:

Mx = 71620.

697,98 + 0,173
.1,2 = 600020,61
100

(kG/cm)

Thay Mx và wx vào công thức (7.42) ta được:
600020,61
227,968

τ=

= 2632,03 (kG/cm2)
132

Áp dụng công thức (7.39) ta tính được:

σΣ

33002 + 4.( 2632,03) 2

= 6212,92 kG/cm2

=

Theo công thức (7.40) ta có:
10500
= 1,7
6212,92

K=

> 1,4

=> đảm bảo bền

7.2.2.2. Kiểm toán độ bền phần dưới cột 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:
f .I
l .wu
2

σu = 2000.

(7.46)

Trong đó:
f: Độ võng của cung uốn, tính bằng cm và được tính theo công thức:

f=

1,1.Dc − Dd
2

(7.47)

Dc = 311,1 mm
Dd: Đường kính ngoài của đầu nối cần khoan. D = 7in =177,8 mm
Thay vào công thức (7.41) ta được: f = 82,21mm = 8,221 cm
I: Mômen quán tính của tiết diện cần khoan. Được tính theo công thức:

I=

π .( D 4 − d 4 )
64

(7.48)

Với:
D = 14 cm
d = 12,2 cm (đường kính trong của cần khoan chỗ cần dày)
Thay vào công thức (7.42) ta được:
133

I = 797,886 (cm4)
l: Chiều dài nửa cung uốn được xác định theo công thức:
l = . , m (7.49)

(7.49)

Trong đó :
z : Khoảng chịu nén trong đoạn cần khoan, tính từ điểm đang kiểm toán đến mặt cắt
trung hòa, vì sử dụng cần nặng nên có thể coi cần khoan không bị nén z = 0
q: Trọng lượng 1 cm cần khoan. q = 0,33 kG/cm
ω: Vân tốc góc (rad/s)

ω=

π .n 3,14.100
=
= 10,47
30
30

(rad/s)

Thay các thông số vào (7.49) ta được:
l = 6,174 (m)
wu: Mômen chống uốn được xác định theo công thức:

wu =

π .( D 4 − d ) 3,14.(14 4 − 12,2 4 )
=
= 113,984
32.D
32.14

(cm3)

Thay các giá trị, f, I, l và wu vào công thức (7.46) ta được:
8,221.797,886
= 3019,4
6,174 2.113,984

σu = 2000.

kG/cm2

- Ứng suất xoắn tác dụng lên phần dưới của cột cần khoan được tính theo công thức
(7.42):

τ=

Mx
wx

Trong đó:
Wx = 227,968 (cm3)
Mx: Mômen xoắn được tính theo công thức (7.43)
Nkt: Công suất để quay cột cần không tải tính theo công thức (7.38).
134

Với:
L: Chiều dài bộ dụng cụ đáy ;
L = 124,3 m
Thay vào công thức (7.38) ta được:
Nkt = 19,862 (kw)
Công suất tiêu thụ cho choòng phá đá:
Nc = 0,173 (kw)
Thay vào công thức (7.37) ta được:
Mx = 17218,88 (kG/cm)
Thay Mx và Wx vào công thức (7.36) ta được:
17218,88
= 75,532
227,968

(kG/cm2)

τ=

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

σ Σ = σ u2 + 4τ 2
Thay σu và τ vào công thức trên ta được:
σ Σ = 3019,4 2 + 4.75,5322 = 3023,177

(kG/cm2)
- Hệ số an toàn trong phần này là:
10500
= 3,4
3023,177

K=

> 1,4 => Đảm bảo bền

Vậy trong quá trình khoan cũng như kéo thả thì với bộ khoan cụ và cần khoan 140mm
mác thép S-135 đã chọn đảm bảo được độ bền trong suốt quá trinh khoan thi công giếng.

135

CHƯƠNG 8: PHỨC TẠP - SỰ CỐ TRONG KHOAN VÀ CÔNG
TÁC AN TOÀN LAO ĐỘNG

8.1. Những hiện tượng phức tạp trong khoan thường gặp
Những hiện tượng phức tạp trong quá trình khoan là tất cả các hiện tượng làm cho
công tác thi công giếng khoan không thể tiến hành bình thường được, do đó phải chi phí
thêm thời gian, kinh phí, nhân lực để khắc phục (trong đó không kể đến hiện tượng hư hỏng
thiết bị dụng cụ). Các phức tạp và sự cố phổ biến là : sập lở đất đá trên thành giếng khoan,
mất dung dịch, xuất hiện dầu hoặc khí trong nước và hiện tượng mút kẹt cột ống khoan.
8.1.1. Hiện tượng sập lở đất đá ở thành lỗ khoan.
8.1.1.1. Những dấu hiệu của sập lở đất đá ở thành lỗ khoan.

- Áp lực trong máy bơm tăng lên đột ngột.
- Dung dịch đưa từ giếng khoan lên chứa nhiều vụn đất đá.
- Trong khi khoan và kéo thả cần khoan bị mắc.
- Thả dụng cụ không tới đáy giếng khoan.
8.1.1.2. Nguyên nhân gây hiện tượng sập lở đất đá ở thành lỗ khoan.
Đất đá ở thành lỗ khoan bị sập lở khi mất ổn định. Theo quan điểm cơ học, sự ổn định
của đất đá bị mất khi ứng suất trên thành giếng khoan vượt quá giới hạn đàn hồi của nó.
Điều này có thể xảy ra hai trường hợp sau đây:

-

Do tác dụng của nước rửa, đất đá ở thành lỗ khoan bị giảm độ bền, chúng bị mất ổn định và
sập lở xuống lỗ khoan. Đất đá bở rời, các tầng chứa muối, đất sét dễ bị nước tác động nhất.
Loại đất sét Bentonit Na chứa trong các tầng khi hấp thụ nước chúng sẽ tăng thể tích lên rất
nhiều lần và gây lở. Đối với các tầng chứa muối thông thường các tầng này kém chắc,
không ổn định và có khả năng chứa khí, nếu khoan bằng dung dịch chứa gốc nước ngọt sẽ
gây sập lở. Mức độ gây sập lở của đất đá cũng còn phụ thuộc vào góc nghiêng của tầng có
khả năng gây sụp lở. Nếu góc nghiêng càng lớn khả năng gây sụp lở càng lớn.

136