Dụng cụ khoan giếng kiểu vít xoắn — Kiến thức cơ bản
Tổng quan: Máy khoan giếng kiểu vít là một loại dụng cụ điện thể tích đặt dưới lòng đất, sử dụng dung dịch khoan (bùn) làm nguồn năng lượng, chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học. Bùn được bơm từ bề mặt đi qua van bypass vào động cơ dưới lòng đất. Sự chênh lệch áp suất giữa đầu vào và đầu ra của động cơ làm cho rôto quay bên trong stato. Tốc độ và mô-men xoắn của rôto được truyền qua khớp nối vạn năng (trục mềm) và trục truyền động đến mũi khoan, cho phép khoan.
Các bộ phận chính Một cụm khoan kiểu vít chủ yếu bao gồm bốn cụm chính: van bypass, mô tơ bùn, khớp nối vạn năng và trục truyền động.
Động cơ bùn là thành phần chính. Kinh nghiệm thực tế và phân tích lý thuyết cho thấy, để hoạt động bình thường và đáng tin cậy, độ giảm áp suất trên mỗi cấp động cơ lý tưởng không được vượt quá 0,8 MPa; nếu không sẽ xảy ra hiện tượng rò rỉ chất lỏng, tốc độ quay của rôto giảm nhanh chóng, và trong trường hợp nghiêm trọng, quá trình quay có thể dừng lại và động cơ có thể bị hư hỏng. (Một dây dẫn động cơ tương đương với một cấp.) Lưu lượng bùn được sử dụng trong thực tế phải nằm trong phạm vi khuyến nghị; lưu lượng nằm ngoài phạm vi đó sẽ làm giảm hiệu suất động cơ và tăng sự mài mòn. Các thông số hiệu suất của động cơ quyết định hiệu suất chính của toàn bộ cụm khoan. Mô-men xoắn đầu ra lý thuyết của động cơ tỷ lệ thuận với độ giảm áp suất của động cơ, và tốc độ quay đầu ra tỷ lệ thuận với lưu lượng bùn đầu vào. Khi tải trọng mũi khoan tăng, tốc độ quay giảm; do đó, bằng cách theo dõi lưu lượng bơm bề mặt và áp suất bơm (thông qua đồng hồ đo áp suất ống đứng), mô-men xoắn và tốc độ dưới giếng có thể được suy ra và kiểm soát.
Van bypass Van bypass bao gồm thân van, ống lót, lõi van và lò xo. Dưới áp suất, lõi van trượt vào bên trong ống lót, và vị trí của nó thay đổi đường dẫn chất lỏng để tạo ra hai trạng thái: bypass (mở) và đóng. Trong quá trình vận hành thử hoặc dừng hoạt động, các cổng trên ống lót và thân van được mở để bùn chảy vòng qua động cơ và chảy vào vành đai. Khi lưu lượng và áp suất bùn đạt đến điểm đặt của van, lõi van di chuyển xuống và đóng cổng bypass; bùn sau đó chảy qua động cơ, chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học. Nếu lưu lượng trở nên quá nhỏ hoặc quá trình bơm dừng lại, lò xo sẽ đẩy lõi van lên và van mở lại để bùn lại chảy vòng qua động cơ.
Cấu tạo và hoạt động của động cơ: Động cơ bao gồm stato và rôto. Stato được tạo ra bằng cách gắn một lớp lót cao su vào thành trong của vỏ thép; lỗ bên trong của nó là một hình xoắn ốc với hình dạng xác định. Rôto là một vít thép tôi cứng. Rôto và stato ăn khớp với nhau để tạo thành các buồng kín hình xoắn ốc nhờ sự chênh lệch bước xoắn, cho phép chuyển đổi năng lượng. Rôto có thể có một hoặc nhiều thùy (một đầu hoặc nhiều đầu). Ít thùy hơn tạo ra tốc độ cao hơn nhưng mô-men xoắn thấp hơn; nhiều thùy hơn tạo ra tốc độ thấp hơn và mô-men xoắn cao hơn.
Khớp vạn năng: Khớp vạn năng chuyển đổi chuyển động hành tinh (lệch tâm) của động cơ thành chuyển động quay đều của trục truyền động và truyền mô-men xoắn và tốc độ của động cơ đến trục truyền động và mũi khoan. Loại trục mềm thường được sử dụng.
Trục truyền động: Trục truyền động truyền công suất quay từ động cơ đến mũi khoan và cũng phải chịu các tải trọng hướng trục và hướng tâm do trọng lượng tác động lên mũi khoan và tiếp xúc với địa tầng tạo ra.
Yêu cầu vận hành
Yêu cầu về dung dịch khoan: Động cơ kiểu trục vít có thể hoạt động hiệu quả với nhiều loại dung dịch khoan khác nhau, bao gồm bùn gốc dầu, nhũ tương, bùn bentonit gốc nước, và thậm chí cả nước tương đối sạch. Độ nhớt và mật độ của bùn ít ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất động cơ nhưng ảnh hưởng trực tiếp đến áp suất hệ thống. Nếu áp suất ở lưu lượng khuyến nghị vượt quá áp suất định mức của bơm, cần giảm lưu lượng hoặc giảm độ sụt áp giữa động cơ và mũi khoan. Các hạt rắn như cát làm tăng tốc độ mài mòn ổ trục và stato động cơ, do đó hàm lượng chất rắn phải được giữ dưới 1%. Mỗi kiểu động cơ đều có phạm vi lưu lượng đầu vào được chỉ định mà ở đó hiệu suất tốt; điểm giữa của phạm vi đó thường là lưu lượng hoạt động tối ưu.
Kiểm soát áp suất bùn và áp suất bơm: Khi động cơ không chạm đáy và lưu lượng không đổi, độ giảm áp suất trên động cơ vẫn không đổi. Khi mũi khoan chạm đáy và trọng lượng tác dụng lên mũi khoan tăng lên, áp suất tuần hoàn và áp suất bơm tăng lên. Người khoan có thể sử dụng công thức: Áp suất bơm khi động cơ chạm đáy (trong khi khoan) = Áp suất bơm tuần hoàn khi động cơ không chạm đáy + độ giảm áp suất tải của động cơ. Áp suất bơm tuần hoàn khi động cơ không chạm đáy là áp suất bơm khi động cơ không chạm đáy (còn được gọi là áp suất bơm tự do khi không chạm đáy hoặc áp suất bơm tuần hoàn). Áp suất này thay đổi theo độ sâu giếng và đặc tính của bùn, vì vậy nó không phải là một hằng số cố định. Trên thực tế, chỉ cần sử dụng áp suất khi động cơ không chạm đáy được đo ngay sau khi nhấc mũi khoan lên làm giá trị gần đúng cho các tính toán điều khiển. Khi áp suất bơm khi động cơ chạm đáy đạt đến mức tối đa được khuyến nghị của động cơ, động cơ sẽ tạo ra mô-men xoắn tối ưu; việc tăng thêm trọng lượng tác dụng lên mũi khoan sẽ làm tăng áp suất bơm và nếu vượt quá áp suất thiết kế tối đa, động cơ có thể bị kẹt. Trong trường hợp đó, người khoan phải giảm trọng lượng tác dụng lên mũi khoan ngay lập tức để tránh hư hỏng bên trong.
Cách xử lý và sử dụng
Lưu ý chung trước khi sử dụng lần đầu: Các mối nối ren giữa các bộ phận được nhà máy chuẩn bị sẵn với chất kết dính kỵ khí và siết chặt theo giá trị quy định; thông thường không cần siết lại trước khi sử dụng lần đầu.
Kiểm tra bề mặt trước khi đưa vào giếng
Nâng cụm chi tiết bằng bộ phận nâng và đặt vào bàn xoay sao cho van bypass nằm phía trên bàn và dễ dàng quan sát. Lắp các chốt an toàn và tháo bộ phận nâng.
Kiểm tra hoạt động của van bypass: dùng que gỗ ấn vào bộ phận van rồi thả ra; lò xo sẽ đẩy bộ phận van trở lại vị trí ban đầu một cách trơn tru. Lặp lại 3-5 lần để xác nhận không bị kẹt.
Với cửa xả phụ nằm bên dưới bàn xoay, hãy khởi động bơm trong thời gian ngắn: cửa xả phụ sẽ đóng lại, động cơ sẽ khởi động và khớp truyền động sẽ quay. Sau khi dừng bơm, bộ phận van sẽ trở về vị trí ban đầu và bùn sẽ được xả ra qua cửa xả phụ, cho thấy hoạt động bình thường.
Khởi động động cơ trong lỗ
Kiểm soát chặt chẽ tốc độ vận hành để tránh việc lao xuống dốc đột ngột có thể khiến động cơ quay ngược và làm lỏng các mối nối ren bên trong, cũng như để tránh hư hỏng khi đi qua các cầu cát, đế ống hoặc gờ đá.
Tại các đoạn hầm sâu hoặc có nhiệt độ cao, và khi đi qua các vùng cát không ổn định, cần định kỳ tuần hoàn bùn để làm mát động cơ, bảo vệ gioăng cao su stato và ngăn ngừa hiện tượng cát bám vào.
Giảm tốc độ khi động cơ gần chạm đáy; tuần hoàn nước trước khi đặt vật liệu cuối cùng, bắt đầu với lưu lượng thấp cho đến khi vụn khoan nổi lên mặt nước, sau đó tăng lưu lượng khi cần thiết.
Không được làm rung lắc động cơ xuống đáy hoặc để động cơ nằm yên một chỗ dưới đáy.
Khoan bằng động cơ
Làm sạch kỹ đáy giếng và đo áp suất bơm tuần hoàn phía trên đáy trước khi bắt đầu khoan.
Tăng dần trọng lượng khoan ngay từ đầu. Sử dụng mối quan hệ áp suất bơm ở trên để kiểm soát quá trình khoan.
Không nên khoan quá nhanh ngay từ đầu; động cơ, mũi khoan và đáy lỗ rất "chặt chẽ", và việc làm sạch lỗ không kỹ có thể gây tắc nghẽn mũi khoan.
Mô-men xoắn của động cơ tỷ lệ thuận với độ giảm áp suất của động cơ; việc tăng trọng lượng tác động lên mũi khoan sẽ làm tăng tải trọng của động cơ, do đó làm tăng độ giảm áp suất và mô-men xoắn.
Tốc độ khoan đều và ổn định, cùng với việc điều chỉnh nhịp độ của chuỗi khoan, giúp duy trì khả năng kiểm soát độ nghiêng của lỗ khoan và độ chính xác về hướng.
Đưa vật ra khỏi hố và tiến hành kiểm tra.
Xả van bypass bằng nước sạch và dùng que gỗ đẩy bộ phận van lên xuống cho đến khi van đóng kín chắc chắn.
Dùng cờ lê ống kẹp chặt cụm chi tiết, dùng cờ lê xích xoay khớp nối truyền động theo chiều kim đồng hồ đồng thời bơm nước sạch qua đầu van bypass để làm sạch bên trong, sau đó cho một lượng nhỏ dầu bôi trơn (dầu khoáng) vào động cơ.
Kiểm soát tốc độ kéo để tránh kẹt ống hoặc hư hỏng động cơ.
Đo khe hở ổ trục; nếu khe hở ổ trục vượt quá giới hạn cho phép, động cơ phải được sửa chữa và thay thế ổ trục. Đối với động cơ được sửa chữa hoặc bảo dưỡng, khe hở ổ trục hướng trục cần được điều chỉnh khi cần thiết.
Danh sách kiểm tra bề mặt trước khi chạy (tóm tắt)
Hợp chất khóa ren được bôi lên tất cả các vỏ trừ khớp nối giữa van nâng và van bypass.
Lắp mũi khoan kiểu vít bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi mũi khoan phù hợp. Chỉ sử dụng cờ lê xích ở đầu trục truyền động và chỉ xoay ngược chiều kim đồng hồ (nhìn từ trên xuống) khi siết chặt để tránh làm lỏng các ren bên trong.
Nâng động cơ bằng bộ phận nâng và đặt vào vị trí quay; đặt van bypass ở vị trí dễ quan sát, cố định bằng kẹp và tháo bộ phận nâng.
Kiểm tra độ kín của van bypass: ấn bộ phận van xuống và đổ đầy nước vào khu vực bypass từ phía trên. Nếu van kín, mực nước sẽ không giảm đáng kể. Tháo que thăm dò; bộ phận van sẽ bật lên nhờ lực lò xo và nước sẽ chảy đều từ các lỗ bên cạnh - điều này cho thấy van hoạt động bình thường.
Sau khi chạy thử, đặt van bypass ở vị trí dễ nhìn thấy bên dưới cần khoan/máy quay. Khởi động bơm bùn và tăng dần lưu lượng cho đến khi van bypass đóng lại. Nâng động cơ lên một chút và quan sát xem mũi khoan có quay không; khi van đóng, không được có bùn thoát ra khỏi van bypass. Sau khi dừng bơm, xác nhận van bypass mở lại và bùn được xả ra qua các cửa bypass. Không được nâng van bypass lên cao hơn bàn quay khi bơm vẫn đang chạy để tránh làm ô nhiễm sàn giàn khoan.
Lắp ráp các chi tiết uốn cong cần thiết, cổ khoan không từ tính, bộ ổn định, v.v., theo thiết kế lắp ráp.
Chạy trong hố — hướng dẫn bổ sung
Kiểm soát tốc độ hạ độ sâu để tránh hư hại do cầu cát, gờ đá hoặc đế ống chống. Nếu gặp phải các đoạn như vậy, hãy tuần hoàn bùn và từ từ mở rộng lỗ khoan trước khi tiếp tục.
Nếu sử dụng các khớp nối hoặc vỏ bọc bị uốn cong, mặt mũi khoan có thể dễ dàng tiếp xúc với thành giếng khoan hoặc đế ống chống; cần xoay cụm thiết bị định kỳ để giảm thiểu hiện tượng lệch hướng.
Đối với giếng sâu hoặc giếng có nhiệt độ cao, hãy thực hiện tuần hoàn gián đoạn trong quá trình hạ mũi khoan để ngăn ngừa tắc nghẽn mũi khoan và bảo vệ cao su stato khỏi hư hại do nhiệt.
Nếu bùn không chảy nhanh qua cổng thoát bùn trong quá trình hạ xuống, hãy giảm tốc độ chạy máy hoặc tạm dừng định kỳ để đổ đầy bùn vào động cơ. Không được giật mạnh hoặc đặt động cơ xuống đáy.
Khởi động động cơ trong lỗ
Nếu động cơ đang ở dưới đáy, hãy nâng nó lên 0,3–0,4 m và khởi động bơm bùn. Ghi lại áp suất trong ống đứng và so sánh với các tính toán thủy lực. Áp suất cao hơn một chút là bình thường do tải trọng ngang tác động lên mũi khoan.
Làm sạch kỹ đáy giếng, đặc biệt là ở các giếng khoan định hướng. Mùn khoan tích tụ ảnh hưởng đến tốc độ quay và có thể gây ra hiện tượng giếng bị lệch hướng. Việc tuần hoàn nước tốt trong khi quay động cơ từ từ (hoặc quay từng bước 30°–40° một) sẽ giúp làm sạch mùn khoan ở đáy giếng. Sau khi làm sạch, nâng động cơ lên 0,3–0,4 m, kiểm tra và ghi lại các giá trị áp suất.
Đưa mũi khoan trở lại đáy giếng, từ từ tăng trọng lượng lên mũi khoan; mô-men xoắn của động cơ sẽ tăng lên và áp suất trong ống đứng cũng sẽ tăng. Sự tăng áp suất trong ống đứng phải tương ứng với các giá trị giảm áp suất của động cơ được chỉ định cho kiểu động cơ đó. Việc theo dõi sự tăng này cung cấp phản hồi cho biết tải trọng động cơ và trọng lượng khoan là phù hợp và tốc độ động cơ ổn định. Giữ áp suất trong ống đứng trong giới hạn khuyến nghị của động cơ để người vận hành có thể nhanh chóng đánh giá tình trạng của dụng cụ.
Nếu động cơ không ở dưới đáy giếng và áp suất tuần hoàn cao, các vòi phun của mũi khoan có thể bị tắc hoặc trục truyền động có thể bị kẹt.
Phê thuốc — biện pháp phòng ngừa
Trong quá trình rút cần khoan, van bypass ở trạng thái bypass (mở) và cho phép dung dịch khoan trong cần khoan chảy vào vành đai, nhưng động cơ không thể tự xả dung dịch. Thông thường, người ta sẽ bơm dung dịch nặng hơn vào đầu cần khoan trước khi rút động cơ để đảm bảo việc dịch chuyển an toàn.
Sau khi động cơ đạt đến mức van bypass ở sàn giàn khoan, hãy tháo các bộ phận bypass và xả sạch động cơ bằng nước sạch từ phía trên van bypass. Dùng que gỗ hoặc cán búa để đẩy bộ phận van lên xuống cho đến khi nó di chuyển tự do. Sau khi làm sạch, lắp lại bộ phận nâng và kéo động cơ ra.
Nếu có sẵn nước sạch để rửa tại chỗ, hãy xả sạch động cơ trước khi cất giữ.
Nếu không có sẵn thiết bị làm sạch, hãy cố định thân động cơ xuống sàn giàn khoan, kẹp và xoay đầu lớn của trục truyền động (đầu nối với mũi khoan) bằng kìm thủy lực theo chiều kim đồng hồ (cùng chiều quay của quá trình khoan dưới giếng). Thao tác này sẽ đẩy bùn ra khỏi các khoang kín của động cơ và giúp bảo vệ động cơ khỏi bị ăn mòn. Việc này đặc biệt quan trọng vào mùa đông để ngăn bùn còn sót lại bên trong động cơ bị đóng băng trước khi động cơ được vận hành trở lại.
