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

KIỂM TOÁN THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ KHOAN

Tải bản đầy đủ

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

- Cột ống chống có trọng lượng lớn nhất là cột ống trung gian 245 với trọng lượng:
Q245 =119,36 tấn.
Tải trọng tác dụng lên móc nâng của cột ống 245:
(7.1)
Với:
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. γd = 1,14 T/m3
γ: Trọng lượng riêng của thép chế tạo. γ = 7,85 T/m3
Thay các thông số vào công thức ta được:

- Tải trọng tác dụng lên móc nâng khi kéo cột cần khoan trong quá trình khoan mở
vỉa sản phẩm:
Qk = Q + Qqt + Qms

(7.2)

Trong đó:
Q: Trọng lượng cột cần khoan ngâm trong dung dịch.
(7.3)
Qđ: Trọng lượng bộ dụng cụ đáy. Qđ = 22,313 tấn
L: Chiều dài cột cần khoan. L = 2524 m
lđ: Chiều dài bộ dụng cụ đáy. lđ = 194,90 m
q: Trọng lượng 1m cần khoan. q = 29,3 kG/m = 0,0293 T/m
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. γd = 1,14 T/m3
γ: Trọng lượng riêng của thép chế tạo cần khoan. γ = 7,85 T/m3
Thay các thông số trên vào công thức ta tính được:
=
Qqt: Lực quán tính xuất hiện khi kéo
(7.4)
a: Gia tốc kéo cột cần khoan. Để tránh hiện tượng tạo hiệu ứng piston gây sập lở
thành giếng khoan hoặc mất dung dịch, cột cần khoan được kéo với gia tốc a=0,15
m/s2
g: Gia tốc trọng trường, g = 9,8 m/s2
Vậy ta được:
Qms: Lực ma sát tác dụng lên cột cần

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
84

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

(7.5)
µ: Hệ số ma sát giữa cột cần và thành giếng, µ = 0,2
Vậy ta được: Qms = 0,2. 77,32 = 15,47tấn
Thay các giá trị Q, Qqt, Qms vào công thức tính (7.2) ta có:
Qk = 93,98 tấn.
Như vậy, trong quá trình thả ống chống Φ245mm thì các thiết bị nâng thả phải chịu
tải trọng lớn nhất là 102,03 tấn. Sau đây ta đi kiểm toán các thiết bị nâng thả theo
tải trọng này:
* Tháp khoan: Tải trọng cực đại tác dụng lên móc nâng mà tháp khoan có thể chịu
được là Qmax = 600 tấn. Vậy tháp khoan đủ bền trong quá trình làm việc.
* Tời khoan: Tải trọng cực đại Qmax = 500 tấn. Vậy tời khoan đã chọn đáp ứng được
về tải trọng trong quá trình nâng thả.

7.2. Kiểm toán cột cần khoan:
Ta biết khi khoan bằng phương pháp top drive và phương pháp khoan bằng động
cơ đáy ở cùng một độ sâu, thì cột cần khoan trong khoan bằng Top Drive luôn chịu
ứng suất và tải trọng lớn hơn vì vậy khi kiểm toán bền cho cột cần ta chỉ cần kiểm
toán cho khoảng khoan bằng động cơ Top Drive, nếu cột cần đủ bền thì co nghĩa là
các khoảng khác cũng thỏa mãn. Ở đây khoảng khoan 935 – 2524 dùng phương
pháp khoan bằng động cơ Top drive mà cũng là khoảng khoan có chiều sâu lớn
nhất. Vì vậy ta chỉ cần kiểm toán bền cho khoảng khoan này
Trong quá trình làm việc cũng như quá trính kéo thả, cần khoan chịu tác dụng của
cả tải trọng tĩnh lẫn tải trọng động, các tải trọng này làm cho cần khoan làm việc
mất ổn định và thậm chí có thể gây ra sự cố đối với cần khoan. Để tránh sự cố gãy
cần ta tiến hành kiểm tra độ bền của bộ cần khoan trong quá trình làm việc ở chiều
sâu lớn nhất trong khoan bằng động cơ Top Drive.
7.2.1. Trình tự kiểm toán cần khoan trong quá trình kéo:
Trong quá trình kéo cột cần khoan, tiết diện phía trên cùng của cột cần phải chịu tải
trọng kéo lớn nhất bao gồm: Trọng lượng cột cần, lực quán tính và lực ma sát. Sau
đây ta đi kiểm toán cho trường hợp này:
Phần trên của cột cần khoan được gọi là đạt bền khi thoả mãn điều kiện:
(7.6)
Trong đó:
K: Hệ số an toàn
: Giới hạn chảy của thép làm cần. Cần khoan 127 với mác thép S-135 có giới hạn
chảy: = 105 kG/ mm2 = 10500kG/cm2

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
85

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

: Ứng suất kéo tại phần trên cột cần. Ứng suất này được tính theo công thức:
Qk : Tải trọng kéo tác dụng lên phần trên cột cần. Đây cũng chính là tải trọng tác
dụng lên móc nâng mà ta đã tính được trong phần kiểm toán thiết bị nâng thả: Q k
=93,98 tấn
F: Tiết diện ngang của cần khoan
( 7.8)
D: Đường kính ngoài của cần khoan. D = 12,7m
d: Đường kính trong của cần khoan. d = 10,9m
Thay các số liệu vào công thức ta được:
Thay các giá trị Qk và F vào công thức ta được:
Thay các giá trị và vào công thức ta được:
Vậy cột cần khoan đủ bền trong quá trình kéo.
7.2.2.Trình tự kiểm toán cần khoan trong quá trình khoan:
Trong quá trình khoan, cột cần khoan phải 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 và phần
dưới cột cần.
7.2.2.1. Kiểm toán độ bền phần trên của cần khoan:
Trong công tác khoan thăm dò và khoan khai thác dầu khí, người ta thực hiện việc
khoan giảm tải (chỉ một phần trọng lượng của cần nặng tác dụng lên đáy) nên trong
quá trình khoan, phần trên của cột cần chỉ chịu tải trọng kéo và tải trọng xoắn.
Phần trên của cột cần khoan đủ bền khi thoả mãn điều kiện:
Trong đó:
K: Hệ số an toàn
= 105kG/mm2 = 10500 kG/cm2
: Ứng suất tương đương, ứng suất này được tính theo công thức:
(7.9)
: Ứng suất kéo tại phần trên cột cần. Ứng suất này được tính theo công thức:
Qk: Trọng lượng cột cần khoan tác dụng lên móc nâng khi khoan. Q k được tính theo
công thức:

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
86

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

(7.10)
Ta có các thông số:
Qđ = 22,313 tấn
L = 2524 m
lđ = 194,9 m
q = 29,3 kG/m = 0,0293 T/m
γd = 1,14 T/m3
γ = 7,85 T/m3
Gc: Tải trọng đáy. Gc = 10 tấn
Thay các thông số trên vào công thức (7.10) ta tính được:
F: Tiết diện ngang của cần khoan
D: Đường kính ngoài của cần khoan. D = 12,7m
d: Đường kính trong của cần khoan. d = 10,9m
Thay các số liệu vào công thức ta được:
Thay các giá trị Qk và F vào công thức ta được:
: Ứng suất xoắn tác dụng lên phần trên của cột cần khoan. được tính theo công
thức:
(7.11)
Wx: Mô men chống xoắn của cần khoan.
(7.12)
Mx: Mô men xoắn. Mx được tính theo công thức:
(7.13)
n: Tốc độ quay của động cơ. n = 160 v/p
Hệ số động = 1,5 – 2 ( chọn )
Nkt: Công suất để quay cột cần không tải
c: Hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng.
Bảng 7.1. Hệ số c theo góc nghiêng của giếng khoan No 504 RC5
STT

Góc nghiêng của giếng (độ)

SV: Trần Giáp Tuất

Hệ số c

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
87

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

1

≤3

18,8.10-5

2

3-5

(22,6-28,8) .10-5

3

6-9

(30,8-34,3) .10-5

4

10-16

(35,2-40,3) .10-5

5

18-25

(41,5-46,6) .10-5

6

26-35

(47,5-52,2) .10-5

Góc nghiêng của giếng là 34.860. Chọn c = 52,2.10-5
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. γd = 1,14 T/m3
Dck: Đường kính choòng khoan. Dck = 0,127m
L: Chiều dài cột cần. L = 2524m
Thay các thông số vào công thức ta được:
Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng
k: Hệ số mòn của choòng. k =0,3
Gc: Tải trọng đáy. Gc = 10000 kG
Thay các thống số vào công thức ta được:
Vậy ta tính được mô men xoắn
Thay Mx và Wx vào công thức ta được:
Thay các giá trị và vào công thức ta có:
Thay các giá trị và vào công thức ta được:
Vậy phần trên của cột cần khoan đủ bền
7.2.2.2. Kiểm toán độ bền phần dưới cột cần
Trong quá trình khoan, tiết diện nguy hiểm ở 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. Sau
đây ta đi kiểm toán bền cho cần khoan tại tiết diện này.

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
88

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

Phần dưới của cột cần khoan được coi là đủ bền khi thoả mãn điều kiện:
Trong đó:
K: Hệ số an toàn
= 105kG/mm2 = 10500 kG/cm2
: Ứng suất tương đương, ứng suất này được tính theo công thức:
(7.14)
(Phía dưới cần khoan được lắp cần nặng nên ứng suất nén )
- Ứng suất uốn tác dụng lên phần dưới cần khoan do lực ly tâm được tính theo công
thức:
(7.15)
Trong đó:
f: Độ võng cung uốn. f được tính theo công thức:
(7.16)
Dlk: Đường kính lỗ khoan. Dlk = M.Dc = 1,2.311,1 = 373,32 mm
Dz: Đường kính gia mốc của cần khoan 127mm. Dz = 142mm
Vậy:
I: Mô men quán tính của tiết diện cần khoan. I được tính theo công thức:
Thay D = 12,7cm và d = 10,9cm vào công thức trên ta được:
l: Độ dài của nửa cung uốn. Độ dài này được tính theo công thức:
(7.17)
Trong đó:
Z: Khoảng cách từ điểm trung hoà đến tiết diện tính toán. Vì phía dưới cột
cần khoan được lắp cần nặng nên ta có Z=0.( không chịu nén)
ω: Vận tốc góc.
q': Trọng lượng 1cm cần khoan. q' = 0,293kG/cm
Thay các thông số tìm được vào công thức (7.17) ta được:
Wu: Mô men chống uốn. Wu được xác định theo công thức:

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
89

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

Thay các giá trị f, I, l và W u vào công thức tính toán ứng suất uốn tại phần dưới của
cần khoan ta được:
- Ứng suất xoắn tác dụng lên phần trên của cột cần khoan. được tính theo công
thức:
Wx: Mô men chống xoắn của cần khoan.
Mx: Mô men xoắn. Mx được tính theo công thức:
n: Tốc độ quay của động cơ. n = 160 v/p
Hệ số động = 1,5 – 2 ( chọn )
Nkt: Công suất để quay cột cần không tải
c: Hệ số phụ thuộc vào độ cong của giếng.
Góc nghiêng của giếng là 34,86o. Chọn c = 52,2.10-5
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan. γd = 1,14 T/m3
Dck: Đường kính cần khoan. Dck = 0,127m
* Chiều dài cần nặng được xác định theo công thức:
Lcn =

(7.18)

Trong đó:
Lcn : Chiều dài cần nặng.
C = 1,25: Hệ số tính đến việc tăng chiều dài cần nặng lên tải trọng đáy.
Gc = 10tấn = 10000kG: Tải trọng đáy.
qcn = 192kG/m: Trọng lượng 1m cần nặng.
= 1,14G/cm3: Trọng lượng riêng của dung dịch.
= 7,85G/cm3: Trọng lượng riêng của thép làm cần.

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
90

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

Thay vào công thức (5.15) được:
Lcn =

=92,88 (m).

Chọn Lcn gồm 10 cần nặng đơn khi đó:
Lcn = 10.9,4 = 94 (m).
L: Chiều dài từ chòong khoan đến tiết diện tính toán. L = 94m
Thay các thông số vào công thức ta được:
Nc: Công suất tiêu thụ ở choòng
k: Hệ số mòn của choòng. k =0,3
Gc: Tải trọng đáy. Gc =10000 kG
Thay các thống số vào công thức ta được:
Vậy ta tính được mô men xoắn
Thay Mx và Wx vào công thức ta được:
Thay các giá trị và vào công thức ta có:
Thay các giá trị và vào công thức ta được:
Vậy phần dưới của cần khoan đủ bền trong quá trình thi công giếng khoan.

7.3. Kiểm toán ống chống
7.3.1. Phương pháp kiểm toán ống chống
7.3.1.1. Kiểm toán ống chống theo áp suất dư bên ngoài
Ống chống đạt độ bền về bóp méo khi thoả mãn điều kiện:
(7.19)
Trong đó:
Pbm: Áp suất làm bóp méo ống chống
n1: Hệ số an toàn đối với áp lực dư bên ngoài
Pdn: Áp suất dư bên ngoài cột ống.

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
91

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

Có nhiều trường hợp làm xuất hiện áp suất dư bên ngoài cột ống chống, tuỳ thuộc
vào từng ống chống cụ thể mà áp suất dư này có thể xuất hiện và được tính toán như
sau:
* Trường hợp sau khi chống ống tiến hành khoan với dung dịch có trọng lượng
riêng nhẹ hơn:
(7.20)
Trong đó:
γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng đã khoan trước đó
γnh: Trọng lượng riêng của dung dịch nhẹ khoan đoạn tiếp theo
Hx: Chiều sâu tính toán
* Áp suất dư bên ngoài do cột dung dịch xi măng bên ngoài ống chống gây ra
trước khi đông cứng:
(7.21)
Trong đó:
γdx: Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng
γde: Trọng lượng riêng của dung dịch ép
h: Chiều cao của cốc xi măng
* Trường hợp mất dung dịch bên trong cột ống:
Trong trường hợp áp lực vỉa thấp có thể làm cho cột dung dịch bên trong ống chống
bị hạ xuống. Khi đó áp suất dư bên ngoài cột ống chống được tính theo công thức:
(7.22)
Trong đó:
Ka: Gradient áp suất vỉa tại điểm tính toán
Hx: Chiều sâu tại điểm tính toán
H0: Chiều sâu hạ mực chất lỏng (từ miệng ống đến bề mặt chất lỏng bên trong ống
chống).
γd: Trọng lượng riêng của chất lưu bên trong cột ống
Như vậy, trong phần lớn các trường hợp thì áp suất dư bên ngoài cột ống luôn đạt
giá trị cực đại tại đáy của cột ống chống. Vì vậy, khi kiểm toán ống chống theo áp
suất bóp méo ta chỉ cần tính chọn thông qua áp suất dư bên ngoài cột ống tại phần
đáy của cột ống chống đó.
7.3.1.2. Kiểm toán ống chống theo áp suất dư bên trong:
Ống chống đạt độ bền nổ khi thoả mãn điều kiện:
(7.23)

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
92

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

Trong đó:
n2: Hệ số an toàn đối với áp lực dư bên trong.
Pno: Áp suất nổ ống chống
Pdt: Áp suất dư bên trong cột ống.
Tính toán Pdt trong các trường hợp làm xuất hiện áp suất dư bên trong cột ống:
* Trường hợp khoan với dung dịch nặng hơn sau khi chống ống:
(7.24)
Trong đó:
γna: Trọng lượng riêng của dung dịch nặng khoan sau đó
γnh: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan trước đó
Hx: Chiều sâu tính toán
Trong trường hợp này, Pdt đạt giá trị cực đại tại tại đáy ống chống.
* Áp suất dư bên trong cực đại xuất hiện trong quá trình bơm trám:
(7.25)
Trong đó:
γdx: Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch
h: Chiều cao của cốc xi măng
H: Chiều sâu thân giếng
Pd: Áp suất dư sinh ra để đánh thủng nút trám dưới. Pd = 20at
Trong trường hợp này, Pdt đạt giá trị cực đại tại tại đáy ống chống.
* Trường hợp phải đóng giếng khi có hiện tượng phun:
Trong trường hợp này, áp suất dư bên trong đạt giá trị cực đại tại miệng giếng khoan
và được tính theo công thức:
(7.26)
Trong đó:
Kv: Gradient áp suất của vỉa sản phẩm
H: Chiều sâu của vỉa có xuất hiện dầu khí phun
γt: Trọng lượng riêng của chất lưu bên trong ống chống
7.3.1.3. Kiểm toán ống chống theo tải trọng kéo:
Ống chống đạt độ bền kéo khi thoả mãn điều kiện:
(7.27)
Trong đó:
n3: Hệ số an toàn kéo của mối nối

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
93

Đồ án tốt nghiệp

Đại Học Mỏ Địa Chất

QK: Tải trọng kéo đứt mối nối
QT: Tải trọng lớn nhất tác dụng lên mối nối trên cùng của cột ống chống
(7.28)
Q: Trọng lượng cột ống chống ngâm trong dung dịch
(7.29)
Qoc: Trọng lượng của cột ống chống
γep: Trọng lượng riêng của dung dịch ép
γ: Trọng lượng riêng của thép chế tạo ống chống
Qph: Tải trọng phụ sinh ra trong giai đoạn cuối của quá trình bơm trám
(7.30)
Pth: Áp suất tiêu thụ để thắng sức cản trong hệ thống tuần hoàn
(7.31)
Pd: Áp suất dư sinh ra khi nút trám trên tì lên nút trám dưới. Pd = 20at
dvd: Đường kính trong của ống chống tại vòng dừng
7.4. Kiểm toán các cột ống chống:
7.4.1.Ống chống dẫn hướng Φ508mm:
Trong phần lựa chọn ống chống, ta đã lựa chọn ống chống Φ508mm với mác thép
K- 55 và bề dày thành nhỏ nhất là 11 mm. Tra bảng ta có đặc tính bền của ống
chống này như sau:
Pbm = 32at
Pno = 195at
QK = 403T
Bởi vì ta trám toàn bộ cột ống nên không có áp suất dư bên ngoài
7.4.1.1.Kiểm toán ống chống Φ508mm theo áp suất dư bên trong:
Đối với ống chống Φ508mm, áp suất dư bên trong chỉ xuất hiện và đạt giá trị cực
đại tại đáy ống trong quá trình bơm trám và được tính theo công thức:
Trong đó:
γdx: Trọng lượng riêng của dung dịch xi măng, γdx = 1,26G/cm3
γd: Trọng lượng riêng của dung dịch khoan (nước biển), γd = 1,05G/cm3
h: Chiều cao của cốc xi măng, h = 20m
H: Chiều sâu thân giếng, H = 250m
Pd: Áp suất dư sinh ra để đánh thủng nút trám dưới. Pd = 20at
Hx: Chiều sâu tính toán, Hx = H = 250m

SV: Trần Giáp Tuất

Lớp: Khoan Khai Thác B – K57
94