Tổng quan về giáo trình

Giáo trình “Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá” (Tên mô đun chính thức trong chương trình đào tạo: Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá, Mã mô đun: PETD55142) là tài liệu đào tạo chuyên môn do Tập đoàn Dầu khí Việt Nam và Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành kèm theo Quyết định số 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022. Tài liệu được biên soạn bởi tập thể tác giả gồm Ks. Trần Thanh Huy (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Thanh Trung và Hoàng Trọng Quang, phục vụ đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ trung cấp và cao đẳng.

Trong khung chương trình đào tạo chuyên ngành, mô đun PETD55142 có thời lượng 5 tín chỉ với tổng cộng 135 giờ (bao gồm 14 giờ lý thuyết, 116 giờ thực hành/thảo luận/bài tập và 5 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí học sau các học phần kỹ thuật cơ sở (như Địa chất cơ sở PETD53031, Vẽ kỹ thuật MECM52003, Điện kỹ thuật cơ bản ELEO53012, Cơ sở điều khiển quá trình AUTM52111) cùng các mô đun chuyên môn tiền đề (Cơ sở khoan PETD53033, Thí nghiệm dung dịch khoan PETD53137, Hệ thống nâng hạ PETD54140, Hệ thống tuần hoàn dung dịch PETD54141). Kiến thức của mô đun là điều kiện tiên quyết trước khi người học tiếp cận các mô đun tiếp theo gồm Hệ thống chống ống và trám xi măng (PETD54143) và Hệ thống kiểm soát giếng khoan (PETD55144).

Chuẩn đầu ra của giáo trình được xác định cụ thể trên ba phương diện:

  • Kiến thức (A1–A4): Mô tả và nhận biết các loại cần khoan, choòng khoan; liệt kê thứ tự lắp đặt thiết bị trong chuỗi khoan; giải thích chức năng của thiết bị quay cần và dụng cụ phá hủy đất đá; trình bày quy trình vận hành hệ thống.
  • Kỹ năng (B1–B5): Phân loại cần khoan; thao tác kết nối cần khoan và thiết bị phụ trợ; kết nối chuỗi cần với cụm thiết bị quay; vận hành hệ thống theo quy trình; phát hiện và xử lý sự cố kẹt, gãy, đứt cần.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy (PCCC), quy trình vận hành thiết bị cơ – điện – tự động hóa và đảm bảo an toàn kỹ thuật cho hệ thống thiết bị.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo mô hình kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học cột cần và quy trình thực nghiệm trên thiết bị mô phỏng. Điểm đặc sắc của tài liệu là việc chuẩn hóa thông số kỹ thuật theo các tiêu chuẩn quốc tế (API, GOST, IADC) và gắn liền với dữ liệu kỹ thuật vận hành tại mỏ dầu khí thực tế (vùng mỏ Bạch Hổ của Liên doanh Vietsovpetro).

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình và chương trình chi tiết của mô đun được cấu trúc thành các nội dung chuyên đề chính:

[Hệ thống bề mặt & Truyền lực] (Bàn quay Roto / Đầu xoay thủy lực / Topdrive)
  1. Tổng quan về hệ thống cột cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (Bài 1): Trình bày chức năng cơ bản của bộ khoan cụ trong việc truyền năng lượng cơ học/thủy lực, dẫn hướng quỹ đạo giếng, đặt tải trọng lên đáy và tuần hoàn dung dịch khoan. Phân tích sơ đồ nguyên lý tổ hợp từ đầu xoay thủy lực, van ngược, cần chủ đạo, các loại đầu nối (za mốc), cần khoan, cần nặng đến choòng khoan.
  2. Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan (Bài 2): Khái quát cấu tạo chi tiết các bộ phận của chuỗi cần; nguyên lý làm việc của cần chủ đạo (tiết diện vuông, lục giác, bát giác; đường kính danh định 65, 80, 112, 140, 155 mm; chiều dài 12–14 m); thông số cần khoan và đầu nối za mốc; phân tích các kiểu chồn ren (IU, EU, IEU); đặc tính kỹ thuật cần nặng (thép 4165H, 42CD4, loại nhẵn, xoắn ốc, vuông, không nhiễm từ); quy trình tiếp cần khoan và thao tác kéo thả bộ khoan cụ.
  3. Dụng cụ phá hủy đất đá (Bài 3): Phân loại và nguyên lý làm việc của các loại choòng khoan gồm: choòng cánh dẹt, choòng kim cương, choòng chóp xoay (3 chóp xoay răng thép và răng hợp kim), choòng lấy mẫu và choòng doa. Tiêu chuẩn phân loại theo hệ thống GOST và mã hiệu IADC; các tiêu chí đánh giá mài mòn để loại bỏ choòng.
  4. Động cơ đáy và các thiết bị phụ trợ (Bài 4 & tích hợp Bài 6): Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ đáy trục vít (Positive Displacement Motor – PDM gồm cụm công tác Rotor – Stator, khớp nối cong, trục các-đăng); các thiết bị phụ trợ đáy giếng gồm dụng cụ ổn định (Drill Stabilizer), búa đập thủy lực (Drilling jars) và bộ giảm xóc VNIIBT.
  5. Cụm thiết bị dẫn động quay bề mặt (Tích hợp trong Bài 2, 3, 4 khung chi tiết): Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và quy trình bảo dưỡng của đầu xoay thủy lực (Swivel), bàn quay Rôto và hệ thống truyền động xoay đỉnh (Topdrive).

Progression logic (Tính logic của nội dung): Nội dung giáo trình phát triển từ tổng quan hệ thống cơ sở đến chi tiết kết cấu cơ khí từng thiết bị, tiếp tục mở rộng sang động học đáy giếng và các thiết bị phụ trợ chuyên dụng, cuối cùng hoàn thiện bằng quy trình vận hành tổng hợp, nhận diện rủi ro và các giải pháp kỹ thuật cứu chữa sự cố.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình trang bị hệ thống lý thuyết kỹ thuật khoan chuyên sâu:

  • Cơ học biến dạng và ứng suất cột cần khoan: Phân tích các trạng thái tải trọng tĩnh và động tác động lên chuỗi cần: ứng suất kéo cực đại xuất hiện ở tiết diện gần miệng giếng khoan; ứng suất nén hình thành ở phần dưới do trọng lượng bản thân và phản lực đáy; ứng suất xoắn do truyền mô-men từ bàn quay/Topdrive đến đáy giếng; ứng suất uốn dạng sóng sinh ra bởi lực ly tâm khi cột cần quay với tần số cao kết hợp tải trọng dọc trục.
  • Tiêu chuẩn phân loại kỹ thuật và mác thép:
    • Phân loại cần khoan theo độ mòn: Cần mới (sơn 1 vòng trắng), Loại 1 (độ dày thành ống còn $\ge 85%$, sơn 2 vòng trắng), Loại 2 (cạnh mòn còn $65%$, phần khác còn $80%$, sơn 1 vòng vàng), Loại 3 (thành ống còn $55%$, sơn 1 vòng xanh da trời), Cần quá mòn loại bỏ (sơn 1 vòng xanh lá cây).
    • Phân loại kiểu chồn đầu nối: Chồn trong (Internal Upset - IU), chồn ngoài (External Upset - EU), chồn hỗn hợp (Internal-External Upset - IEU).
    • Tiêu chuẩn cơ tính cần nặng: Thép hợp kim Crom - Molipđen tôi và ram (mác 4165H của Mỹ, 42CD4 của Pháp), giới hạn đàn hồi tối thiểu từ $100.000\text{ psi}$ đến $110.000\text{ psi}$ tùy kích thước đường kính ngoài từ $3\ 1/8\text{ inch}$ đến $10\text{ inch}$.
  • Cơ sở lý thuyết thủy lực và phá hủy đất đá: Nguyên lý thủy lực đáy giếng qua hệ thống vòi phun choòng khoan; quy chuẩn mã hóa choòng chóp xoay theo tiêu chuẩn quốc tế IADC và tiêu chuẩn GOST.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thực hiện quy trình lắp ráp và kết nối ren za mốc (bước ren ngắn nối cần, bước ren dài nối za mốc, góc đỉnh $60^\circ$); thao tác vận hành thiết bị nâng hạ và thiết bị quay (bàn quay Rôto, Topdrive, đầu xoay thủy lực); kỹ thuật gia nhiệt lắp nóng za mốc ở nhiệt độ $400^\circ\text{C}$.

  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đánh giá tình trạng mài mòn và hư hỏng của choòng khoan; nhận diện dấu hiệu sự cố qua thông số hiển thị trên bàn điều khiển khoan (đột ngột tụt tải trọng trên đồng hồ chỉ thị đứt cần, tụt áp suất bơm và giảm nhiệt độ dung dịch do thủng cần); tính toán xác định vị trí điểm kẹt cần tự do bằng công thức:

    $$L = \frac{1{,}05 \cdot \Delta l \cdot E}{P_2 - P_1}$$

    (Trong đó: $L$ là độ dài phần tự do trên điểm kẹt (m); $1{,}05$ là hệ số khóa nối; $\Delta l$ là độ giãn cần khoan sau hai lần kéo; $E$ là mô đun đàn hồi của thép; $P_1, P_2$ là lực kéo lần 1 và lần 2).

  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Thành thạo quy trình tiếp cần khoan (sử dụng hố tiếp cần, vận hành khóa hơi, khóa càng cua - rig tongs); xử lý kỹ thuật cứu kẹt (dạo cần, sử dụng búa thủy lực, ngâm hóa chất dầu nhờn/axit HCl, kích nổ mìn rung tháo phần tự do); vận hành các dụng cụ bắt cá/cứu kẹt chuyên dụng như Metric (đuôi chuột tạo ren trái trong), Côlôcôn (tạo ren trái ngoài) và giỏ cứu kẹt.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình xác định rõ phương pháp sư phạm tích hợp lý thuyết với thực hành mô phỏng:

Thành phần đào tạo Thời lượng Phương pháp & Nội dung thực hiện
Lý thuyết 14 giờ Giảng dạy tích cực, nêu vấn đề, hướng dẫn nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, phân tích tình huống kỹ thuật sàn khoan.
Thực hành / Thảo luận / Bài tập 116 giờ Chia nhóm 2–3 người; luyện tập thao tác tiếp cần, kéo thả cần, vận hành trên phòng mô hình khoan động, xử lý tình huống bó kẹt giả lập.
Kiểm tra đánh giá 5 giờ 1 giờ kiểm tra lý thuyết và 4 giờ kiểm tra thực hành trực tiếp trên mô hình mô phỏng.

Đánh giá và kiểm tra

Quy trình đánh giá áp dụng theo quy chế đào tạo ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH và hướng dẫn của Trường Cao đẳng Dầu khí:

  • Đánh giá thường xuyên (Trọng số thành phần, Hệ số 1): Thực hiện sau mỗi 15 giờ giảng dạy thông qua quan sát, bảng kiểm và hỏi đáp trực tiếp (đánh giá chuẩn đầu ra A1–A4, B1–B5, C1–C3).
  • Đánh giá định kỳ (Hệ số 2): Thực hiện sau mỗi 30 giờ với 4 cột điểm kiểm tra thực hành chuyên môn trên thiết bị mô phỏng. Tổng điểm thường xuyên và định kỳ chiếm trọng số 40% tổng điểm mô đun.
  • Thi kết thúc mô đun: Tổ chức sau khi hoàn thành 135 giờ, hình thức tự luận/trắc nghiệm kết hợp đánh giá sản phẩm thực hành, chiếm trọng số 60% tổng điểm mô đun.
  • Thang điểm: Chấm theo thang điểm 10, làm tròn đến một chữ số thập phân.

Hướng dẫn tự học và kỷ luật học tập

  • Sinh viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu được cung cấp trước khi đến lớp; làm việc nhóm theo chủ đề được phân công (nhóm 2–3 người).
  • Quy định chuyên cần: Người học bắt buộc phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết và 100% số tiết thực hành. Trường hợp vắng quá $30%$ lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào ($>0%$), người học không đủ điều kiện dự thi và phải học lại mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp các hệ thống tiêu chuẩn quốc tế: Giáo trình hệ thống hóa các bảng tra cứu kỹ thuật theo hệ thống tiêu chuẩn công nghiệp dầu khí thế giới, bao gồm tiêu chuẩn phân loại choòng chóp xoay theo GOST và phân loại theo hệ thống 3 chữ số của IADC (International Association of Drilling Contractors), kết hợp bảng thông số ren nối và kích thước danh định theo tiêu chuẩn API (American Petroleum Institute).
  • Cập nhật công nghệ thiết bị hiện đại: Bên cạnh phương pháp truyền động quay truyền thống dùng bàn quay Rôto và cần chủ đạo Kelly, giáo trình bổ sung cấu tạo và quy trình vận hành hệ thống xoay đỉnh Topdrive – công nghệ chủ lực trên các giàn khoan hiện đại; tích hợp phân tích động cơ đáy trục vít PDM phục vụ thi công các giếng khoan định hướng và giếng khoan ngang.
  • Dữ liệu kỹ thuật gắn liền với thực tế sản xuất: Đưa vào tài liệu các bảng dữ liệu kỹ thuật thực tế, tiêu biểu như Bảng 4.3: Lựa chọn bộ khoan cụ cho một giếng khoan tại vùng mỏ Bạch Hổ của Vietsovpetro, giúp người học tiếp cận chính xác quy trình công nghệ đang áp dụng tại thềm lục địa Việt Nam.
  • Quy trình công nghệ bảo dưỡng và phục hồi thiết bị: Cung cấp chi tiết các giải pháp gia cố cơ khí như kỹ thuật hàn phủ hợp kim cứng (cacbit vonfram) lên za mốc dưới dạng vành nhẫn (1 lớp, 2 lớp), phương pháp ép đầu nối nguội/nóng có đệm cách nhiệt bằng sợi amiăng (axebet) nhằm chống mài mòn và hạn chế sự cố đứt gãy tại vị trí tập trung ứng suất ren.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên: Dành cho học sinh, sinh viên trình độ trung cấp và cao đẳng theo học nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo chuyên ngành dầu khí.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và chuyên môn:
    • Kỹ thuật cơ sở: Địa chất cơ sở (PETD53031), Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), An toàn vệ sinh lao động (SAEN52001).
    • Chuyên môn nghề: Cơ sở khoan (PETD53033), Thí nghiệm dung dịch khoan (PETD53137), Hệ thống nâng hạ (PETD54140), Hệ thống tuần hoàn dung dịch (PETD54141).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn hóa, căn cứ để biên soạn giáo án lý thuyết, phiếu hướng dẫn thực hành và xây dựng ngân hàng đề kiểm tra/đánh giá kết thúc mô đun trên phòng mô hình khoan động.
  • Kỹ thuật viên và công nhân vận hành: Sử dụng làm tài liệu tra cứu kỹ thuật, hướng dẫn quy trình vận hành chuẩn và xử lý sự cố thiết bị tại các giàn khoan dầu khí biển và đất liền.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho học sinh, sinh viên theo học nghề Khoan khai thác dầu khí trình độ trung cấp và cao đẳng; đồng thời là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho kỹ sư khoan, kỹ thuật viên vận hành sàn khoan tại các đơn vị thành viên thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học bắt buộc phải tích lũy các kiến thức nền tảng về vẽ kỹ thuật, cơ học, an toàn lao động, địa chất cơ sở, dung dịch khoan cũng như nguyên lý vận hành của hệ thống nâng hạ và hệ thống tuần hoàn dung dịch khoan trước khi tiếp cận mô đun này.

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu tập trung tỷ trọng thực hành vượt trội (116 giờ thực hành trên tổng số 135 giờ), đào tạo trực tiếp trên phòng mô hình mô phỏng khoan động; tích hợp song song các tiêu chuẩn phân loại quốc tế (API, GOST, IADC) và sử dụng dữ liệu tham chiếu từ giếng khoan thực tế tại vùng mỏ Bạch Hổ.

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần kết hợp việc nắm vững các công thức tính toán cơ học (tính điểm kẹt, phân tích phân bố ứng suất kéo – nén – xoắn – uốn) với việc nghiên cứu trước các quy trình thao tác kỹ thuật; tham gia thảo luận nhóm 2–3 người và tuân thủ tuyệt đối quy định tham gia $100%$ thời lượng thực hành trên mô hình.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu tham khảo chính thống được quy định trong giáo trình gồm:

  1. Giáo trình Thiết bị khoan dầu khí – Trường Cao đẳng nghề Dầu khí.
  2. Giáo trình Kỹ thuật khoan dầu khí – Nhà xuất bản Giáo dục, năm 1995. Cùng các bảng tra cứu kỹ thuật về đầu nối za mốc, cần nặng, choòng khoan và quy trình hướng dẫn thực hành trên mô hình khoan động.

Kết luận

Giáo trình “Hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá” (Mã mô đun: PETD55142) cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và có tính ứng dụng kỹ thuật cao về cấu tạo, cơ học ứng suất, quy trình vận hành và biện pháp xử lý sự cố đối với chuỗi thiết bị khoan dưới lòng đất.

Lộ trình học tập đề xuất:

  1. Nắm vững nguyên lý tổ hợp và cơ học cột cần: Hoàn thiện Bài 1 và Bài 2 để làm chủ cấu tạo cần chủ đạo, cần khoan, za mốc và cần nặng.
  2. Làm chủ thiết bị phá đá và động cơ đáy: Nghiên cứu Bài 3 và Bài 4 nhằm nắm vững phân loại choòng khoan (IADC/GOST), động cơ PDM và thiết bị phụ trợ (búa thủy lực, dụng cụ định tâm).
  3. Thực hành vận hành và xử lý sự cố: Luyện tập 116 giờ thực hành trên mô hình khoan động để thuần thục kỹ năng tiếp cần, kéo thả cần, nhận diện tụt áp/tụt tải và thực hiện các quy trình cứu kẹt/cứu đứt cần khoan trước khi bước vào giai đoạn Thực tập sản xuất (PETD54246).