Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở khoan (Mã môn học: KKT19MH33) là tài liệu giảng dạy chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Khoan Khai thác dầu khí và nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí ở trình độ Cao đẳng, được ban hành theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do ThS. Phạm Thị Nụ làm chủ biên cùng tác giả Hoàng Trọng Quang biên soạn, lưu hành nội bộ phục vụ công tác đào tạo kỹ thuật.

Trong chương trình đào tạo chuyên môn toàn khóa gồm 51 tín chỉ (1.320 giờ), môn học Cơ sở khoan có thời lượng 3 tín chỉ (tổng số 45 giờ quy chuẩn, bao gồm 42 giờ giảng dạy lý thuyết và 3 giờ kiểm tra định kỳ). Về mặt tiến trình đào tạo, môn học này được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần kỹ thuật cơ sở và địa chất nền tảng như Địa chất cơ sở (KKT19MH31), Địa chất dầu khí (KKT19MH32), đồng thời là điều kiện tiên quyết bắt buộc trước khi học tiếp môn Cơ sở khai thác (KKT19MH34) cùng các mô-đun thực hành vận hành thiết bị giàn khoan.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể theo 3 chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1): Trình bày có hệ thống các khái niệm, thuật ngữ chuyên ngành kỹ thuật khoan; cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các hệ thống thiết bị, dụng cụ trên giàn khoan; quy trình thi công các đoạn giếng khoan và các công tác phụ trợ liên quan.
  • Kỹ năng (B1): Xây dựng và phân tích được quy trình công nghệ thi công hoàn chỉnh một giếng khoan dầu khí từ giai đoạn chuẩn bị mặt bằng đến giai đoạn kết thúc thi công.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành phương pháp làm việc khoa học, tính cẩn trọng, kỷ luật an toàn lao động và năng lực phối hợp làm việc nhóm kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình được thiết kế theo cách tiếp cận mô-đun kỹ thuật thực tế với 4 chương chính. Điểm đặc sắc của tài liệu là sự chuẩn hóa các dữ liệu công nghệ, tích hợp hệ thống sơ đồ kỹ thuật chi tiết về thiết bị cơ khí giếng khoan và bám sát khung đào tạo nghề của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             GIÁO TRÌNH CƠ SỞ KHOAN
                                 (KKT19MH33)
                                      |
         +----------------------------+----------------------------+
         |                            |                            |
    Chương 1                     Chương 2                     Chương 3 & 4
Khái niệm cơ bản &          Quy trình thi công &        Hệ thống giàn khoan &
Cấu trúc giếng khoan        Công nghệ chống ống          Kỹ thuật khoan lệch
  - Đặc điểm dầu khí VN       - Lập chương trình khoan     - 5 hệ thống chính
  - TVD, MD, α, φ             - Tiếp cần & tháo cần        - Phân loại giàn biển
  - 4 cấp ống chống           - Trám xi măng 1 tầng 2 nút  - Quỹ đạo J, S & BHA

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 4 chương chuyên đề theo trật tự logic của quá trình thi công mỏ:

  • Chương 1: Khái niệm về khoan dầu khí (3 giờ lý thuyết): Khái quát lịch sử khai thác dầu khí trên thế giới và tại Việt Nam; phân tích các thông số vật lý – hóa học của dầu khí Việt Nam (dầu nhẹ có tỷ trọng 0,83–0,85, hàm lượng lưu huỳnh thấp 0,03–0,09%, hàm lượng paraffin cao 15–27%, nhiệt độ đông đặc 22–30°C); định nghĩa và cấu trúc không gian giếng khoan gồm 4 thành phần (miệng giếng, thành giếng, đáy giếng, trục giếng); các thông số kỹ thuật giếng khoan như chiều sâu thẳng đứng (TVD), chiều dài đo dọc trục (MD), góc nghiêng ($\alpha$), góc phương vị ($\varphi$); cấu trúc các cột ống chống (ống định hướng 18–36", ống bề mặt 70–400 m, ống trung gian 7–13 ⅜", ống khai thác 4 ½–9 ⅝", ống chống lửng); phân loại phương pháp khoan cơ học (khoan đập cáp, khoan đập cần, khoan xoay rôto/động cơ đáy) và phương pháp khoan thủy động lực dùng tia nước áp lực cao (20–200 MPa).
  • Chương 2: Quy trình cơ bản thi công giếng khoan (15 giờ: 14 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Trình tự lập chương trình khoan thăm dò; khảo sát vị trí khoan trường trên hệ tọa độ UTM; 3 nhiệm vụ cốt lõi khi thi công (phá hủy đất đá đáy giếng, vận chuyển mùn khoan bằng dung dịch, gia cố thành giếng); chế độ khoan (tối ưu, hợp lý, đặc biệt) dựa trên 3 thông số cơ bản: tải trọng lên choòng (WOB), vận tốc quay choòng (RPM), lưu lượng và tính chất dung dịch rửa; công nghệ thi công chi tiết từng đoạn giếng (khoan lớp mặt, tiếp cần bằng bàn rôto và khóa càng cua, tháo cần dựng cần đôi/cần ba, khoan đoạn trung gian, khoan đến mục tiêu); công nghệ chống ống và công nghệ trám xi măng một tầng hai nút qua đế dẫn hướng và ống nối van một chiều, thời gian chờ đông cứng (24–48 giờ).
  • Chương 3: Giàn khoan và các hệ thống chính trên giàn (19 giờ: 18 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Phân loại giàn khoan đất liền và giàn khoan biển (giàn cố định, giàn tự nâng jack-up, giàn bán tiềm thủy semi-submersible, giàn chân đế thép jacket); cấu tạo chi tiết 5 hệ thống thiết bị chức năng:
    1. Hệ thống nâng hạ: Tháp khoan 4 chân hoặc chữ A, cụm ròng rọc tĩnh (crown block), ròng rọc động (traveling block), móc nâng, tời khoan.
    2. Hệ thống quay cần: Bàn rôto, cần chủ đạo (Kelly), đầu xoay thủy lực (swivel), hệ thống động cơ treo (top drive).
    3. Hệ thống tuần hoàn dung dịch: Bơm dung dịch, đường ống cao áp, máng dẫn, sàng rung tách mùn khoan, bể lắng, bể chứa.
    4. Hệ thống phát lực: Cụm động cơ diesel và hệ thống truyền động điện - cơ khí.
    5. Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá: Cần khoan (drill pipe), cần khoan nặng (drill collar), dụng cụ ổn định (stabilizer), choòng khoan 3 chóp xoay (roller cone bit), choòng cào kim cương đa tinh thể (PDC).
  • Chương 4: Khoan định hướng (8 giờ: 7 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Khái niệm, phân loại và các ứng dụng kỹ thuật của khoan lệch; thiết kế hình học các quỹ đạo giếng khoan (quỹ đạo chữ J, chữ J kéo dài, chữ S, chữ S cải biên); dụng cụ định hướng và bộ khoan cụ đáy (BHA); 3 nguyên lý kỹ thuật điều khiển góc nghiêng lỗ khoan: nguyên lý điểm tựa (fulcrum principle) để tăng góc nghiêng, nguyên lý con lắc (pendulum principle) để giảm góc nghiêng, nguyên lý ổn định (packed hole principle) để duy trì góc nghiêng; phân loại giếng khoan ngang theo bán kính cong (ngắn, trung bình, dài).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp hệ thống lý thuyết kỹ thuật gồm:

  • Cơ học đất đá và phá hủy đáy giếng: Cơ chế tác động nén, cắt, mài mòn của các loại choòng khoan dưới ảnh hưởng của tải trọng chiều trục và chuyển động quay.
  • Thủy lực học giếng khoan: Nguyên lý duy trì áp suất thủy tĩnh của cột dung dịch khoan để cân bằng áp suất vỉa, ngăn chặn hiện tượng mất dung dịch hoặc phun trào khí nổ.
  • Kỹ thuật thiết kế vỏ chống giếng: Tính toán độ bền chịu áp suất bóp méo, áp suất nổ bên trong, độ bền kéo đứt của các cấp ống chống theo tiêu chuẩn kỹ thuật mỏ.
  • Cơ học bộ khoan cụ BHA: Nguyên lý biến dạng cơ học của cần nặng và bố trí các bộ định tâm nhằm điều khiển hướng đi của thân giếng trong không gian ba chiều.

Kỹ năng phát triển

Thông qua nội dung các chương, sinh viên hình thành các khối năng lực thực hành chuyên môn:

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc hiểu và vẽ sơ đồ cấu trúc giếng khoan; tính toán lựa chọn cấp đường kính choòng khoan và đường kính ống chống tương ứng; thiết lập trình tự các bước tiếp cần, tháo cần, quy trình thả cột ống chống và bơm ép xi măng một tầng.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích các thông số chế độ khoan (tải trọng, vòng quay, lưu lượng bơm); nhận diện các dấu hiệu dị thường áp suất vỉa, sập lở thành giếng hoặc hiện tượng bó hẹp lòng giếng do đất sét trương nở.
  • Kỹ năng thực hành quy trình (Practical competencies): Lập bảng tiến trình công nghệ khoan giếng; kiểm tra và nghiệm thu các phụ tùng ống chống (đế dẫn hướng, van một chiều, vòng dừng, khớp nối); phân loại thiết bị cơ khí trên bề mặt giàn khoan đất liền và ngoài khơi.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Thành phần phương pháp Mô tả chi tiết theo quy định môn học KKT19MH33
Phương pháp giảng dạy Áp dụng phương pháp dạy học tích cực; giảng viên nêu vấn đề kỹ thuật, hướng dẫn tra cứu tài liệu mỏ, phân tích bản vẽ cấu trúc thiết bị và tổ chức thảo luận nhóm theo ca học.
Phương pháp học tập Học tập kết hợp giữa nghiên cứu cá nhân và làm việc nhóm (mỗi nhóm từ 2–3 sinh viên); nghiên cứu bài học và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp; hoàn thành các bài tập tình huống kỹ thuật.
Điều kiện thực hiện Phòng học lý thuyết tiêu chuẩn; trang bị máy tính, máy chiếu (projector), bảng viết, mô hình học cụ, giáo trình và hệ thống giáo án bài giảng.
Quy định tham gia Sinh viên bắt buộc tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết trên lớp. Trường hợp vắng mặt quá 30% số tiết quy định sẽ không được dự thi và phải học lại môn học.

Công tác kiểm tra và đánh giá kết quả học tập được thực hiện theo Quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội (Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH) với cơ cấu điểm số như sau:

$$\text{Điểm tổng kết môn học} = (\text{Điểm quá trình} \times 0{,}4) + (\text{Điểm thi kết thúc} \times 0{,}6)$$

Trong đó:

  1. Điểm đánh giá quá trình (Trọng số 40%):
    • Kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1): Đánh giá sau 5 giờ học đầu tiên thông qua phương pháp quan sát, hỏi đáp vấn đáp và bảng kiểm kỹ năng theo chuẩn A1, B1, C1.
    • Kiểm tra định kỳ (Hệ số 2): Gồm 2 cột kiểm tra viết dưới hình thức tự luận hoặc trắc nghiệm khách quan thực hiện sau 15 giờ học.
  2. Điểm thi kết thúc môn học (Trọng số 60%):
    • Tổ chức sau 45 giờ học lý thuyết; hình thức thi trắc nghiệm trên máy tính hoặc thi viết tự luận tổng hợp.
    • Toàn bộ điểm thành phần và điểm tổng kết được chấm theo thang điểm 10, làm tròn đến một chữ số thập phân.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp công nghệ thiết bị hiện đại: Giáo trình cập nhật nguyên lý hoạt động của các hệ thống thiết bị khoan tiên tiến như hệ thống động cơ treo (Top Drive System), động cơ bùn đáy giếng (Downhole Mud Motor) và các công cụ khoan định hướng chuyên dụng, khắc phục hạn chế truyền động của bàn rôto truyền thống.
  • Dữ liệu đặc thù của công nghiệp dầu khí Việt Nam: Tài liệu cung cấp các chỉ số địa chất - hóa phẩm thực tế từ các mỏ dầu khí trong nước (đặc tính dầu thô nhiều paraffin, độ đông đặc cao tại bồn trũng Cửu Long, Nam Côn Sơn) và các mốc lịch sử kỹ thuật như dòng khí khai thác đầu tiên tại Tiền Hải C (1981), tấn dầu thô thương mại đầu tiên tại mỏ Bạch Hổ (1986).
  • Tiêu chuẩn hóa công nghiệp: Hệ thống hóa các quy chuẩn công nghiệp dầu khí quốc tế về kích thước hình học ống chống, đường kính choòng khoan, tọa độ lưới chiếu UTM và phân cấp các loại giàn khoan biển ngoài khơi.
  • Tính kế thừa học thuật: Nội dung được tổng hợp, đối chiếu trực tiếp từ các giáo trình chuyên ngành đã xuất bản:
    • Lê Phước Hảo, Cơ sở khoan và khai thác dầu khí, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
    • Nguyen, Kỹ thuật khoan dầu khí, Nhà xuất bản Giáo dục (1995).

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình Cơ sở khoan được biên soạn hướng tới các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống đào tạo kỹ thuật:

  • Sinh viên chính khóa: Tài liệu học tập bắt buộc đối với học viên, sinh viên theo học nghề Khoan Khai thác dầu khí và nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí ở cả hai hệ đào tạo Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề tại Trường Cao đẳng Dầu khí.
  • Sinh viên các ngành liên quan: Tài liệu tham khảo chuyên môn cho học viên các nghề Sửa chữa thiết bị chế biến dầu khí và Vận hành thiết bị chế biến dầu khí nhằm bổ trợ hiểu biết về nguồn nguyên liệu đầu vào và thiết bị đầu giếng.
  • Điều kiện tiên quyết đối với người học (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức khoa học cơ bản và kỹ thuật cơ sở bao gồm: Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MĐ06), Hóa đại cương (CNH19MH09), Địa chất cơ sở (KKT19MH31) và Địa chất dầu khí (KKT19MH32).
  • Giảng viên và cán bộ kỹ thuật: Cung cấp tài liệu chuẩn để giảng viên xây dựng giáo án bài giảng lý thuyết, phiếu bài tập thực hành, đề thi kiểm tra; đồng thời là tài liệu tra cứu kỹ thuật nền tảng cho cán bộ, kỹ thuật viên tại các đơn vị vận hành giàn khoan và dịch vụ mỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu là giáo trình bắt buộc dành cho sinh viên hệ Cao đẳng và Trung cấp các nghề Khoan Khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị khai thác dầu khí; đồng thời là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành chế biến dầu khí và kỹ thuật viên vận hành giàn khoan.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình?

Người học cần tích lũy các học phần kỹ thuật nền tảng gồm Địa chất cơ sở (KKT19MH31), Địa chất dầu khí (KKT19MH32), Hóa đại cương (CNH19MH09) và Vẽ kỹ thuật (CK19MH01).

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác là gì?

Giáo trình kết hợp chặt chẽ giữa nguyên lý thiết bị cơ khí (5 hệ thống giàn khoan) với quy trình công nghệ hiện trường chi tiết (thao tác tiếp cần, tháo cần, thả ống chống, trám xi măng 1 tầng 2 nút, kỹ thuật khoan định hướng theo nguyên lý cơ học BHA).

4. Làm sao để tự học hiệu quả môn học này?

Sinh viên cần đọc trước tài liệu trước khi lên lớp, phân tích hệ thống sơ đồ thiết bị và mặt cắt giếng khoan, làm việc theo nhóm 2–3 người để giải quyết các bài tập tình huống về thiết kế cấu trúc giếng và tuân thủ thời lượng học tập tối thiểu 70% trên lớp.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Học phần liên kết trực tiếp với các giáo trình nguồn (Cơ sở khoan và khai thác dầu khí – NXB ĐHQG TP.HCM, Kỹ thuật khoan dầu khí – NXB Giáo dục 1995) cùng các mô-đun thực hành chuyên sâu như Thí nghiệm dung dịch khoan, Hệ thống chống ống và trám xi măng, Hệ thống kiểm soát giếng khoan.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở khoan (KKT19MH33) là tài liệu giảng dạy tiêu chuẩn, cung cấp đầy đủ các cơ sở khoa học về cấu trúc giếng khoan, quy trình công nghệ thi công, cấu tạo 5 hệ thống thiết bị chính trên giàn khoan và kỹ thuật khoan định hướng.

Về lộ trình học tập, hoàn thành môn học này là yêu cầu bắt buộc để sinh viên tiếp cận các học phần nâng cao tiếp theo trong chương trình đào tạo, bao gồm môn học Cơ sở khai thác (KKT19MH34), Nguyên lý phá hủy đất đá (KKT19MH36) và các mô-đun kỹ năng chuyên môn như Hệ thống nâng hạ (KKT19MĐ40), Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41), Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (KKT19MĐ42), Hệ thống chống ống và trám xi măng (KKT19MĐ43), Hệ thống kiểm soát giếng khoan 1 & 2 (KKT19MĐ44, KKT19MĐ45). Người học có thể khai thác thêm các học liệu bổ trợ tại thư viện kỹ thuật và hệ thống xưởng thực hành mô phỏng của Trường Cao đẳng Dầu khí để hoàn thiện năng lực nghề nghiệp.