Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (Mã mô đun: KKT19MĐ42) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ Trung cấp, do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020. Tài liệu do nhóm tác giả gồm Ks. Trần Thanh Huy (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Thanh Trung và Hoàng Trọng Quang biên soạn.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo khung gồm 56 tín chỉ (1380 giờ), mô đun KKT19MĐ42 có khối lượng 5 tín chỉ với tổng thời lượng 135 giờ. Về vị trí đào tạo, mô đun này được bố trí giảng dạy sau các môn học kỹ thuật cơ sở (Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản, Cơ sở điều khiển quá trình, Địa chất cơ sở) cùng các mô đun chuyên ngành tiên quyết như Cơ sở khoan (KKT19MH33), Thí nghiệm dung dịch khoan (KKT19MĐ37), Hệ thống nâng hạ (KKT19MĐ40) và Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41); đồng thời là nền tảng trực tiếp trước khi học sinh tiếp cận mô đun Hệ thống chống ống và trám xi măng (KKT19MĐ43) cũng như Hệ thống kiểm soát giếng khoan (KKT19MĐ44).

Chuẩn đầu ra của giáo trình được cấu trúc theo ba nhóm:

  • Kiến thức (A1): Mô tả cấu tạo, phân loại các loại cần khoan, za mốc nối, cần nặng và choòng khoan; giải thích chức năng truyền động, thủy lực của hệ thống chuỗi cần và thiết bị phá hủy đất đá; trình bày quy trình thao tác tiếp cần, kéo thả và các dạng sự cố cơ học.
  • Kỹ năng (B1): Thực hiện kết nối chuỗi cần khoan với cụm thiết bị quay (bàn quay Rôto, đầu xoay thủy lực Swivel, động cơ Topdrive); vận hành quy trình kéo thả theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật; phát hiện và thực hiện quy trình kỹ thuật cứu kẹt, cứu sự cố đứt gãy chuỗi cần.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Tuân thủ quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy, quy trình vận hành thiết bị cơ khí - thủy lực và chịu trách nhiệm bảo toàn hệ thống thiết bị trong ca làm việc.

Cấu trúc tiếp cận của giáo trình đi từ mô tả nguyên lý cơ học, thông số tiêu chuẩn của từng chi tiết đến quy trình thao tác thực hành trên mô hình mô phỏng và các phương án giải quyết sự cố kỹ thuật thực tế tại mỏ.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành các hợp phần chuyên đề kỹ thuật theo trình tự vận hành của bộ khoan cụ:

  • Bài 1: Tổng quan về hệ thống cột cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá: Phân tích sơ đồ nguyên lý tổ hợp hệ thống từ bề mặt xuống đáy giếng gồm: đầu xoay thủy lực (Swivel), van ngược, cần chủ đạo (Kelly), đầu nối bảo vệ, cần khoan tiêu chuẩn, các loại đầu nối chuyển tiếp (Crossover Sub), cần khoan nặng (HWDP), cần nặng (Drill Collar), dụng cụ ổn định (Stabilizer) và choòng khoan (Drill Bit). Hệ thống thực hiện các chức năng: truyền cơ năng quay và tải trọng đè, dẫn hướng quỹ đạo giếng, tạo kênh tuần hoàn dung dịch áp suất cao, hỗ trợ đo thử vỉa và xử lý sự cố.
  • Bài 2: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan: Phân tích chi tiết từng bộ phận cơ khí:
    • Cần chủ đạo (Kelly): Cấu tạo tiết diện vuông, 6 cạnh hoặc 8 cạnh; đường kính quy ước 65, 80, 112, 140, 155 mm; chiều dài tiêu chuẩn 12–14 m (40–54 ft); đầu nối chồn dày để tăng độ bền ren.
    • Cần khoan (Drill Pipe): Tiêu chuẩn hóa theo cấp độ mòn (Cần mới đánh dấu 1 vòng sơn trắng; Cần loại 1 mòn thành ống còn 85% đánh dấu 2 vòng trắng; Cần loại 2 mòn còn 65–80% đánh dấu 1 vòng vàng; Cần loại 3 mòn còn 55% đánh dấu 1 vòng xanh da trời; Cần quá mòn đánh dấu vòng xanh lá cây). Cấu trúc chồn ren gồm 3 kiểu: chồn trong (IU), chồn ngoài (EU) và chồn hỗn hợp (IEU).
    • Za mốc nối (Tool Joint): Phân loại za mốc lỗ thường, lỗ mở rộng và lỗ tăng cường; đặc tính ren tam giác góc đỉnh 60°, độ côn 1/16 (ren cần) hoặc 1/4–1/5 (ren za mốc); kỹ thuật ghép nóng tại nhiệt độ 400°C và hàn phủ hợp kim cứng chống mài mòn.
    • Cần nặng (Drill Collar) và Cần khoan nặng (HWDP): Chế tạo từ thép hợp kim 4165H hoặc 42CD4 tôi ram; phân loại theo hình dạng: cần nhẵn có rãnh kẹp trượt (ZIP), cần tiện rãnh xoắn ốc (giảm 4% khối lượng giúp hạn chế diện tích tiếp xúc chống kẹt do chênh áp), cần tiết diện vuông và cần không nhiễm từ phục vụ đo phương vị giếng.
    • Quy trình thao tác: Các bước tiếp cần (đặt cần vào hố tiếp cần mousehole, kết nối cần chủ đạo bằng khóa hơi và kìm càng cua rig tongs, kéo thả vào giếng) và quy trình kéo thả bộ khoan cụ theo đoạn cần dựng đơn, đôi hoặc ba tùy thuộc chiều cao tháp khoan.
  • Bài 3: Dụng cụ phá hủy đất đá: Phân loại và cấu tạo các loại choòng khoan:
    • Choòng cánh dẹt: Thân thép cacbon (0,35–0,4% C), cánh thép hợp kim Cr-Si-Mn trám hợp kim Rêlit; hoạt động theo nguyên lý cắt - vỡ trong tầng đất đá mềm, dẻo.
    • Choòng kim cương: Bao gồm kim cương tự nhiên, kim cương đa tinh thể PDC (chịu nhiệt đến 800°C) và kim cương đa tinh thể bền nhiệt TSP; kết cấu 1 lớp, nhiều lớp hoặc thấm nhiễm; ứng dụng cho đất đá cứng, độ mài mòn cao hoặc khoan góc nghiêng.
    • Choòng chóp xoay: Chiếm hơn 90% khối lượng khoan dầu khí; cấu tạo 1, 2, 3 hoặc 4 chóp (phổ biến nhất là choòng 3 chóp xoay răng thép hoặc răng hợp kim); cơ chế làm việc kết hợp đập nghiền và trượt cắt; phân loại theo tiêu chuẩn GOST và hệ thống mã hóa IADC.
    • Hệ thống thủy lực choòng: Phân cấp vận tốc tia dung dịch qua vòi phun ($v_j < 70\text{ m/s}$ đối với rửa thường và $v_j = 70 - 130\text{ m/s}$ đối với hệ thống vòi phun thủy lực áp lực cao).
  • Bài 4 và Thiết bị phụ trợ: Động cơ đáy trục vít PDM (nguyên lý stator/rotor tạo công suất thủy lực, khớp nối cong chỉnh hướng), dụng cụ ổn định giếng (Drill Stabilizer), bộ định tâm, búa đập thủy lực (Drilling Jars) và bộ giảm xóc VNIIBT.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống cơ sở kỹ thuật thông qua các nguyên lý:

  1. Cơ học ứng suất phức hợp trong giếng khoan: Phân tích 4 dạng ứng suất tác động đồng thời lên chuỗi cần: ứng suất kéo cực đại tại miệng giếng do trọng lượng bản thân; ứng suất nén tại phần dưới do tải trọng đè lên đáy ($WOB$); ứng suất xoắn do truyền mô men quay từ bàn roto/topdrive và ma sát thành giếng; ứng suất uốn dạng sóng do lực ly tâm quán tính khi quay trong thân giếng lệch.
  2. Cơ chế phá hủy cơ học và thủy lực đất đá: Động học tiếp xúc của chóp xoay và lưỡi cắt kim cương đối với các cấu trúc thạch học (sét, cát kết, đá vôi, đôlômít); động năng dòng tia dung dịch khoan từ 70 đến 130 m/s tại các vòi phun thủy lực.
  3. Mô hình tính toán điểm kẹt cơ học: Phương pháp xác định vị trí kẹt cần theo định luật biến dạng đàn hồi của thép: $$L = \frac{1{,}05 \cdot \Delta l \cdot E \cdot F}{P_2 - P_1}$$ (trong đó $L$ là chiều dài đoạn cần tự do; $\Delta l$ là độ giãn dài qua hai lần kéo với lực $P_1$ và $P_2$; $E$ là mô đun đàn hồi; $1{,}05$ là hệ số tính đến khớp nối).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Kiểm tra kích thước hình học và độ mòn cần khoan bằng mắt và dưỡng Calip; phân loại và đánh dấu sơn nhận diện cấp chất lượng; quy trình làm sạch bôi trơn và vặn ren za mốc bằng phương pháp nhiệt luyện/nung nóng 400°C; thao tác điều khiển thiết bị nâng, chấu chèn (slips), kìm kẹp hơi trong quy trình tiếp cần và kéo thả cần dựng.
  • Kỹ năng phân tích: Đọc và phân tích thông số áp suất bơm, mô men quay và đồng hồ tải trọng để nhận biết dấu hiệu thủng cần (sụt áp, giảm nhiệt dung dịch ra) hoặc đứt gãy chuỗi cần (giảm đột ngột trọng lượng treo); phân tích nguyên nhân bó kẹt do áp suất chênh lệch, sập lở thành hệ hoặc trương nở khoáng sét.
  • Kỹ năng xử lý sự cố: Lựa chọn và vận hành dụng cụ cứu sự cố đứt gãy trong lòng giếng gồm: Metric (taro ren trong cứu kẹt), Côlôcôn (ống tạo ren ngoài), giỏ cứu kẹt vớt mảnh kim loại; kỹ thuật vận hành búa đập thủy lực hai chiều, ngâm tẩm dung dịch hóa chất/HCl để hạ ma sát và kỹ thuật kích nổ mìn rung tháo ren phần cần tự do.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Cơ cấu phân bổ thời lượng của mô đun KKT19MĐ42 thể hiện rõ tính định hướng thực hành nghề nghiệp:

Nội dung thành phần Lý thuyết (giờ) Thực hành / Thảo luận (giờ) Kiểm tra (giờ) Tổng thời lượng (giờ)
Bài 1: Tổng quan hệ thống quay cần và dụng cụ phá hủy đất đá 2 0 0 2
Bài 2: Đầu xoay thủy lực 1 1 0 2
Bài 3: Vận hành bàn quay roto 2 2 0 4
Bài 4: Vận hành động cơ Topdrive 2 18 0 20
Bài 5: Vận hành hệ thống cột cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá 2 98 4 104
Bài 6: Động cơ đáy và các thiết bị phụ trợ 2 1 0 3
Tổng cộng toàn mô đun 11 120 4 135

(Ghi chú: Theo bảng phân bổ chi tiết tại chương trình khung, tổng số giờ lý thuyết tích hợp là 14 giờ, thực hành/thảo luận là 116 giờ, kiểm tra định kỳ 5 giờ).

  • Phương pháp giảng dạy: Giảng viên áp dụng phương pháp dạy học tích cực, kết hợp thuyết trình giải thích nguyên lý trên mô hình mặt cắt 2D/3D với việc giao bài tập tình huống kỹ thuật (như nhận diện sự cố tụt áp bơm hoặc tính toán điểm kẹt cần). Giảng dạy thực hành được tổ chức chia ca nhóm nhỏ tại phòng mô hình khoan động và xưởng cơ khí chuyên dụng.
  • Phương pháp học tập: Học viên làm việc nhóm từ 2–3 người để thực hiện phân tích tài liệu kỹ thuật, thao tác quy trình kết nối ren, kiểm tra thiết bị trước ca khoan và thực hành điều khiển các tổ hợp máy móc.
  • Quy chế kiểm tra và đánh giá: Căn cứ Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội:
    • Điểm đánh giá thường xuyên và định kỳ (Trọng số 40%): Gồm 1 cột kiểm tra thường xuyên (vấn đáp/bảng kiểm sau 15 giờ) và 4 cột kiểm tra định kỳ thực hành trên mô hình mô phỏng sau mỗi 30 giờ học.
    • Điểm thi kết thúc mô đun (Trọng số 60%): Tổ chức đánh giá kết hợp lý thuyết tự luận/trắc nghiệm và thao tác thực hành trực tiếp trên sản phẩm học tập.
    • Điều kiện chuyên cần: Học viên phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết và 100% số tiết thực hành; trường hợp vắng quá 0% giờ thực hành bắt buộc phải học lại mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp các hệ thống thiết bị khoan hiện đại: Giáo trình không chỉ dừng lại ở hệ thống truyền động truyền thống qua bàn quay Rôto và cần chủ đạo Kelly mà dành riêng 20 giờ thực hành chuyên sâu cho hệ thống động cơ kéo dẫn động trên đỉnh (Topdrive System), cùng hệ thống động cơ đáy thủy lực dạng trục vít PDM.
  • Chuẩn hóa thông số theo tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế: Hệ thống ren, đầu nối Za mốc và cần nặng được tra cứu theo chuẩn viện dầu khí Hoa Kỳ API (như các loại đầu nối số hiệu NC23, NC50, chuẩn ren IF, REG); tiêu chuẩn phân loại choòng chóp xoay đối chiếu đồng thời theo thang đo GOST và bảng mã 3 chữ số của Hiệp hội các nhà thầu khoan quốc tế IADC.
  • Dữ liệu kỹ thuật gắn liền với thực tế khai thác mỏ tại Việt Nam: Giáo trình tích hợp các bảng thông số kỹ thuật lựa chọn bộ khoan cụ thực tế được áp dụng tại các giếng khoan thuộc mỏ Bạch Hổ do Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro thi công (được hệ thống hóa tại Bảng 4.3).
  • Quy trình an toàn và giải pháp xử lý sự cố chuẩn hóa: Tập trung giải quyết các bài toán rủi ro lớn nhất trong công tác thi công giếng khoan dầu khí (nơi trên 80% sự cố khoan xoay xảy ra với chuỗi cần khoan), cung cấp các bảng thông số giới hạn bền, tải trọng phá hủy đàn hồi của thép cần ($100.000 - 110.000\text{ psi}$) và quy trình cứu kẹt từng bước.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học sinh, sinh viên: Phục vụ trực tiếp cho người học hệ Trung cấp và Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp có đào tạo chuyên ngành kỹ thuật dầu khí, địa chất công trình.
  • Điều kiện tiên quyết đối với người học: Cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn trong chương trình đào tạo gồm: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ12), Địa chất cơ sở (KKT19MH31), Cơ sở khoan (KKT19MH33), Thí nghiệm dung dịch khoan (KKT19MĐ37), Hệ thống nâng hạ (KKT19MĐ40) và Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm tài liệu khung để biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án thực hành, xây dựng bảng kiểm kỹ năng (checklist) và thiết kế ngân hàng đề thi đánh giá năng lực nghề nghiệp.
  • Kỹ thuật viên, công nhân kỹ thuật mỏ: Sử dụng làm tài liệu tham khảo, tra cứu các bảng thông số kỹ thuật cơ học (kích thước ren, khối lượng danh định, ứng suất phá hủy) trong công tác bảo dưỡng, kiểm định cần khoan tại các căn cứ dịch vụ dầu khí và giàn khoan ngoài khơi.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Trung cấp nghề Khoan khai thác dầu khí, đồng thời là tài liệu tham khảo cho sinh viên hệ Cao đẳng kỹ thuật mỏ địa chất và đội ngũ kỹ thuật viên vận hành thiết bị giàn khoan.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Người học cần hoàn thành khối kiến thức về cơ học vật liệu, an toàn lao động, địa chất đại cương, nguyên lý dung dịch khoan và nắm rõ cấu tạo của hệ thống nâng hạ, hệ thống tuần hoàn dung dịch khoan.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu chung về kỹ thuật khoan?

Giáo trình tập trung chuyên biệt vào kết cấu cơ khí chi tiết của chuỗi cần khoan và cơ cấu phá hủy đất đá; thời lượng thực hành chiếm trên 85% tổng số giờ, gắn liền với các tiêu chuẩn quốc tế API, IADC, GOST và dữ liệu địa chất - mỏ thực tế tại Việt Nam.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu sơ đồ mặt cắt cấu tạo thiết bị trước khi lên lớp, phân tích nguyên lý phân bố ứng suất cơ học, liên hệ các công thức lý thuyết (như công thức tính điểm kẹt) với dữ liệu bảng tra kỹ thuật và đối chiếu trực tiếp với các mô hình thực hành trong xưởng.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Các tài liệu tham khảo chính thức được trích dẫn gồm có: Giáo trình Thiết bị khoan dầu khí (Trường Cao đẳng nghề Dầu khí) và Giáo trình Kỹ thuật khoan dầu khí (Nhà xuất bản Giáo dục, 1995).

Kết luận

Giáo trình Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (Mã mô đun: KKT19MĐ42) cung cấp hệ thống tri thức chuyên sâu về cấu tạo, tính toán cơ học, quy chuẩn thiết bị và quy trình vận hành chuỗi cần khoan, choòng khoan và động cơ đáy trong công tác khoan dầu khí. Việc hoàn thành 135 giờ của mô đun này là điều kiện bắt buộc để người học hoàn thiện kỹ năng chuyên ngành, chuẩn bị cho các mô đun chuyên sâu tiếp theo gồm Hệ thống chống ống và trám xi măng (KKT19MĐ43), Hệ thống kiểm soát giếng khoan (KKT19MĐ44) và học phần Thực tập sản xuất (KKT19MĐ46) tại các giàn khoan thực địa. Người học có thể mở rộng tra cứu thêm các quy chuẩn kỹ thuật thiết bị mỏ hiện hành từ Nhà xuất bản Giáo dục và tài liệu tiêu chuẩn API để củng cố năng lực chuyên môn.