Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hệ thống nâng hạ (Mã mô đun: KKT19MĐ40) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ trung cấp và cao đẳng, do Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020. Ban biên soạn giáo trình gồm Ks. Phạm Thế Anh (Chủ biên), cùng các tác giả Nguyễn Ngọc Thanh Trung và Phạm Hữu Tài.

Trong chương trình đào tạo tổng thể 56 tín chỉ (1380 giờ), mô đun KKT19MĐ40 có thời lượng 4 tín chỉ (105 giờ), được bố trí giảng dạy sau các môn học cơ sở như Cơ sở khoan (KKT19MH33), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ11), và học trước các mô đun chuyên ngành nâng cao như Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41), Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (KKT19MĐ42).

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

  • Về kiến thức (A1): Liệt kê đầy đủ các cụm thiết bị; trình bày chính xác cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các bộ phận trong hệ thống nâng hạ.
  • Về kỹ năng (B1): Phân tích được các dạng kết cấu tháp khoan; lập quy trình vận hành và bảo dưỡng kỹ thuật; thực hiện thành thạo thao tác vận hành nâng hạ cột cần khoan trên mô hình thực hành giàn khoan.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1, C3): Tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn lao động, phòng cháy chữa cháy và quy trình vận hành thiết bị cơ - điện - tự động hóa, bảo đảm không để xảy ra sự cố kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 bài học chuyên đề, tiếp cận từ tổng quan sơ đồ công nghệ, kết cấu chi tiết từng cụm máy, đến thực hành quy trình vận hành trên mô hình khoan thực tế. Điểm đặc thù của tài liệu là phân bổ dung lượng thực hành chiếm tỷ trọng lớn (87 giờ thực hành/14 giờ lý thuyết), kết hợp số liệu kỹ thuật thực tế từ các dòng thiết bị khoan của Mỹ (National Oilwell), Rumani và Liên Xô.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 5 bài học với tiến trình logic từ tổng quan hệ thống, phân tích chi tiết kết cấu cụm máy, đến thực hành thao tác:

  • Bài 1: Tổng quan về hệ thống nâng hạ (1 giờ): Giới thiệu chức năng biến chuyển động quay của tang tời thành chuyển động tịnh tiến thẳng đứng của móc nâng, giảm tải lực căng nhánh cáp; phân tích sơ đồ nguyên lý tổ hợp thiết bị khoan bề mặt (rôto, tời, máy bơm, động cơ dẫn động) và cụm nâng hạ gồm tháp khoan (Derrick), cáp khoan (Drilling line), tời khoan (Drawworks), cụm ròng rọc cố định (Crown block), ròng rọc động (Traveling block), móc nâng (Hook), bệ cố định đầu cáp chết (Deadline tiedown anchor) và cuộn cáp dự trữ (Supply reel).
  • Bài 2: Tời khoan (5 giờ lý thuyết): Phân loại tời theo tải trọng, công suất, số tang và phương thức dẫn động; phân tích kết cấu vỏ máy, trục phá rèn hợp kim tôi cải thiện, tang tời xẻ rãnh xoắn; khảo sát thông số kỹ thuật các dòng tời thực tế (National Oilwell 1625DE, 1320D; Rumani TF 35, TF 25; Liên Xô U2-55, BU200Br); phân tích cơ cấu dẫn động 4 trục truyền động, hộp số, cụm ly hợp khí nén (bánh hơi, đĩa ma sát); chi tiết hóa hệ thống phanh chính (phanh băng cơ học, phanh băng có xi lanh phụ) và phanh phụ (phanh thủy lực hấp thụ 85% nhiệt lượng, phanh điện động lực dòng Foucault); hệ thống điều khiển khí nén (van CRTr, van CRĐ, xi lanh S1, bộ thoát khí S2) và quy chuẩn bôi trơn dầu nhớt (SAE 5w-50, SAE 75-250), mỡ bôi trơn (gốc canxi, natri, liti).
  • Bài 3: Tháp khoan (4 giờ): Phân tích kết cấu tháp khoan, các thông số kỹ thuật hình học, phân bố tải trọng tĩnh và tải trọng động tác dụng lên thân tháp; phân loại tháp khoan (tháp néo dây trên rơ-moóc, tháp dạng cột, tháp chữ A) và quy trình kiểm tra, bảo dưỡng định kỳ.
  • Bài 4: Hệ ròng rọc (3 giờ): Cấu tạo, nguyên lý làm việc và giải pháp bảo dưỡng cụm ròng rọc tĩnh đỉnh tháp, ròng rọc động, móc nâng, quang treo, khớp xoay (Swivel), đòn treo (Elevator) và các thiết bị kẹp giữ phụ trợ.
  • Bài 5: Vận hành hệ thống nâng hạ trên mô hình thực hành khoan dầu khí động (92 giờ): Hướng dẫn quy trình chuẩn bị, kiểm tra an toàn và thực hiện nâng/hạ, di chuyển cột cần khoan trên bề mặt và trong giếng khoan đối với cả hai công nghệ: Khoan bàn xoay rôto (Rotary Drilling) và Khoan bằng hệ thống truyền động trên đỉnh (TopDrive).
Sơ đồ tiến trình kiến thức:
[Bài 1: Sơ đồ tổ hợp & Chức năng nâng hạ]
                   ↓
[Bài 2: Tời khoan, Phanh, Ly hợp khí nén, Bôi trơn]
                   ↓
[Bài 3 & 4: Kết cấu Tháp khoan & Cụm Hệ ròng rọc - Móc nâng]
                   ↓
[Bài 5: Quy trình vận hành & Thực hành mô hình (Khoan Rôto & Khoan TopDrive)]

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các cơ sở lý thuyết và công thức tính toán cơ học máy trong công nghệ nâng hạ dầu khí:

  • Tính toán hình học và dung lượng tang tời: Công thức xác định đường kính tang tời $D_t \ge 400 \delta$ (với $\delta$ là đường kính sợi cáp) hoặc chọn theo đường kính cáp $d_0$ qua tỷ lệ cấu trúc cáp ($6 \times 7$, $6 \times 19$, $6 \times 37$); chiều dài tang tời $L_t = (1,2 \div 2,2) D_t$; chiều dày thành tang $\delta = (0,03 \div 0,07) D_t$.
  • Động học và vận tốc móc nâng: Mối liên hệ giữa vận tốc cuốn cáp $V$ và vận tốc móc nâng $V_m$ qua số nhánh cáp động $m$ ($V = V_m \cdot m$); công thức tính vận tốc móc nâng cực tiểu: $$V_{m\min} = \frac{N_{\text{đc}} \cdot \eta}{Q_{m\max}}$$ (trong đó $N_{\text{đc}}$ là công suất động cơ, $\eta$ là hiệu suất truyền động, $Q_{m\max}$ là tải trọng danh định cực đại).
  • Chiều dài cáp cuốn nhiều lớp: Tính toán chuỗi cấp số cộng của đường kính cuốn cáp lớp thứ $z$: $D_z = D_{z-1} + 2d_0 = D_T + (2z-1)d_0$, kết hợp các hệ số quấn chặt $a = 0,95$ và hệ số giữa các lớp cáp $b = 0,93$ để tính chiều dài cáp chứa thực tế $L_c$.
  • Góc lệch định hướng cáp: Xác định khoảng cách từ tang tời tới ròng rọc định hướng $H = \frac{L_T}{2 \cdot \operatorname{tg}\alpha}$, với góc lệch cho phép $\alpha \in [45', 1^\circ30']$ nhằm triệt tiêu hiện tượng chồng cáp và mài mòn rãnh cáp.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận diện, đọc hiểu sơ đồ khí nén điều khiển tời; thực hiện đấu nối, kiểm tra các van phân phối khí CRTr, CRĐ và xi lanh phanh S1; điều chỉnh hệ thống bôi trơn và thay thế dầu nhớt công nghiệp đúng tiêu chuẩn độ nhớt SAE.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Tính toán lực căng cáp, phân tích trạng thái chịu lực của móc nâng khi có tải và không tải; so sánh hiệu suất và lựa chọn chế độ hãm giữa phanh băng cơ học, phanh thủy lực và phanh điện từ trong từng giai đoạn thả cần khoan.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Vận hành bảng điều khiển tời khoan để nâng, hạ và thả bộ dụng cụ khoan; thao tác ăn khớp elevator; phối hợp nhịp nhàng giữa tời và bàn xoay rôto hoặc hệ thống TopDrive trên mô hình thực hành động lực học giàn khoan.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo phương pháp đào tạo tích hợp mô đun nghề nghiệp, kết hợp chặt chẽ giữa giảng dạy lý thuyết chuyên môn và huấn luyện kỹ năng thao tác máy. Tỷ lệ phân bổ thời gian trong chương trình là 14 giờ lý thuyết, 87 giờ thực hành/thí nghiệm/thảo luận và 4 giờ kiểm tra đánh giá.

  • Phương pháp giảng dạy của giáo viên: Giảng viên áp dụng các kỹ thuật dạy học tích cực gồm: nêu vấn đề kỹ thuật thực tế, thuyết trình sơ đồ nguyên lý, làm mẫu (demonstration) các thao tác điều khiển tời và xử lý phanh trên mô hình mô phỏng, hướng dẫn sinh viên khai thác tài liệu kỹ thuật máy, phân chia nhóm thực hành từ 2 đến 3 người để thực hiện bài tập tình huống và phân tích sự cố.
  • Phương pháp học tập của người học: Sinh viên nghiên cứu tài liệu và bản vẽ trước khi lên lớp; thảo luận nhóm theo chủ đề được giao; ghi chép nhật ký vận hành; trực tiếp thao tác điều khiển tời khoan, đóng mở côn ly hợp, vận hành hệ thống làm mát và thực hành chu trình nâng hạ cần khoan trên phòng mô hình mô phỏng công nghệ khoan.
  • Quy định chuyên cần và tự học: Người học phải tham dự tối thiểu 70% thời lượng các buổi lý thuyết và 100% các buổi thực hành tại xưởng/phòng mô hình. Trường hợp vắng quá 30% lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào (>0%), sinh viên bắt buộc phải học lại mô đun.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá: Đánh giá kết quả học tập tuân thủ Quy chế đào tạo ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH của Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội, áp dụng thang điểm 10:
    • Điểm kiểm tra thường xuyên và định kỳ (Trọng số 40%): Gồm 1 cột kiểm tra thường xuyên (vấn đáp, bảng kiểm kỹ năng sau 5 giờ) và 4 cột kiểm tra định kỳ (tự luận, trắc nghiệm hoặc đánh giá sản phẩm thao tác sau 15 giờ).
    • Điểm thi kết thúc mô đun (Trọng số 60%): Tổ chức sau 105 giờ đào tạo, kết hợp thi viết lý thuyết (tự luận/trắc nghiệm) và kiểm tra kỹ năng thao tác thực hành trên mô hình trạm khoan.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp dữ liệu công nghệ thực tế: Giáo trình tổng hợp và đối chiếu trực tiếp các thông số kỹ thuật công nghiệp từ ba trường phái chế tạo thiết bị khoan tiêu biểu:
    • Hãng National Oilwell (Mỹ): các mẫu tời 1625DE (1850 kW), 1320D (1200 kW), 80B (742 kW), 55P (520 kW).
    • Rumani: các dòng tời TF 35 (1500 kW), TF 25 (1100 kW), TF 15 (390 kW).
    • Liên Xô: các dòng tời U2-55 (810 kW), BU200Br (810 kW), BU50Br (400 kW). Tài liệu đưa ra các nhận xét kỹ thuật về sự tương quan giữa công suất, sức kéo cáp, dải biến thiên vận tốc và kích thước tang/phanh của các hãng chế tạo.
  • Đồng bộ hai giải pháp công nghệ khoan hiện đại: Bên cạnh phương pháp truyền thống sử dụng bàn xoay rôto (Rotary Table), giáo trình đưa vào quy trình thao tác và vận hành hệ thống nâng hạ kết hợp thiết bị truyền động trên đỉnh (TopDrive), phản ánh đúng xu thế chuyển dịch công nghệ trên các giàn khoan thăm dò và khai thác ngoài khơi.
  • Hệ thống hóa sâu các giải pháp hãm và điều khiển tự động: Giáo trình mô tả chi tiết cơ cấu làm việc của phanh điện động lực tạo mômen nhờ từ trường và dòng điện cảm ứng Foucault trong rôto không bị mài mòn cơ học; phân tích cơ cấu khí nén đa van (CRTr, CRĐ, xupap chuyển hướng C4, C5) kết hợp hệ thống làm mát tuần hoàn khép kín có bồn vách ngăn đối lưu chống phân lớp nhiệt.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Đối tượng học tập: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở đào tạo chuyên ngành kỹ thuật dầu khí, mỏ - địa chất.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học kỹ thuật cơ sở và cơ sở chuyên ngành trong chương trình khung, bao gồm: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ11), Địa chất cơ sở (KKT19MH31) và Cơ sở khoan (KKT19MH33).
  • Mục đích sử dụng của giảng viên: Giáo trình là căn cứ chuẩn mực để xây dựng đề cương bài giảng, giáo án lý thuyết/thực hành, thiết lập bảng kiểm đánh giá kỹ năng nghề (skill checklists) và biên soạn ngân hàng đề thi kết thúc mô đun.
  • Mục đích tự học và tra cứu: Kỹ thuật viên, công nhân kỹ thuật vận hành tời và giàn khoan tại các doanh nghiệp thăm dò, khai thác dầu khí có thể sử dụng tài liệu để tra cứu thông số bôi trơn, sơ đồ mạch khí nén điều khiển và quy trình bảo dưỡng hệ thống phanh, tháp khoan, ròng rọc.

Câu hỏi thường gặp

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

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên theo học nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ trung cấp và cao đẳng nghề; đồng thời là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho công nhân kỹ thuật giàn khoan, kỹ thuật viên cơ khí và bảo trì thiết bị khoan dầu khí.

2. Cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Người học bắt buộc phải tích lũy các kiến thức nền tảng về an toàn vệ sinh lao động, đọc hiểu bản vẽ cơ khí, kiến thức điện kỹ thuật cơ bản, nguyên lý điều khiển quá trình và cơ sở công nghệ khoan giếng dầu khí.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết thuần túy là gì?

Tài liệu tập trung phần lớn thời lượng cho kỹ năng thực hành (87/105 giờ), hướng dẫn cụ thể từng bước thao tác vận hành trên phòng mô hình khoan động lực, bao quát cả hai công nghệ Khoan Rôto và Khoan TopDrive, đi kèm các công thức tính toán và thông số máy móc thực tế của các hãng công nghiệp.

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

Người học cần kết hợp đọc hiểu sơ đồ nguyên lý tổ hợp, tự giải các bài toán tính toán kích thước tang tời, dung lượng cáp cuốn, góc lệch định hướng cáp; đối chiếu sơ đồ động học 4 trục và cấu trúc mạch khí nén với mô hình thực tế trong các buổi học thực hành tại xưởng.

5. Giáo trình sử dụng các nguồn tài liệu tham khảo bổ trợ nào?

Tài liệu được xây dựng dựa trên sự kế thừa từ các tài liệu chuyên ngành tiêu chuẩn gồm: Sửa chữa thiết bị khoan (Vũ Văn Thựng, 1987), Thiết bị khoan (Trương Minh Thông, 1987), Kỹ thuật khoan dầu khí (Lê Phước Hào dịch, NXB Giáo dục, 1995), Máy và thiết bị nâng (Trương Quốc Thành, PTS. Phạm Quang Dũng, NXB Khoa học và Kỹ thuật), Bài giảng thiết bị khoan thăm dò (TS. Nguyễn Văn Giáp, Trường ĐH Mỏ – Địa chất) và Hướng dẫn sử dụng tời khoan Y2-55.

Kết luận

Giáo trình Hệ thống nâng hạ (KKT19MĐ40) cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và có cấu trúc chặt chẽ về cấu tạo, nguyên lý động học, hệ thống truyền động khí nén, cơ cấu phanh hãm và giải pháp bảo dưỡng các thiết bị nâng hạ trong công nghệ khoan giếng dầu khí. Với định hướng chú trọng kỹ năng thực hành trên mô hình khoan mô phỏng, tài liệu trang bị cho người học năng lực thao tác máy chuẩn xác, nhận biết rủi ro và tuân thủ kỷ luật an toàn kỹ thuật trong môi trường sản xuất dầu khí.

Việc hoàn thành mô đun này tạo tiền đề kỹ thuật trực tiếp để người học tiếp cận các mô đun chuyên sâu tiếp theo trong chương trình đào tạo, bao gồm Hệ thống tuần hoàn dung dịch, Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá, Hệ thống chống ống và trám xi măng, và Hệ thống kiểm soát giếng khoan.