TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ HỌC THUẬT GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: HỆ THỐNG NÂNG HẠ (MÃ MÔ ĐUN: PETD62036 / PETD54140)

1. Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Giáo trình mô đun Hệ thống nâng hạ (Mã mô đun: PETD62036 / PETD54140) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí ở trình độ Cao đẳng. Tài liệu được ban hành chính thức theo Quyết định số 211/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí trực thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam, do nhóm tác giả gồm Ks. Phạm Thế Anh (Chủ biên), Nguyễn Ngọc Thanh Trung và Phạm Hữu Tài biên soạn.

                  CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ KHOAN KHAI THÁC DẦU KHÍ
                                 (Trình độ Cao đẳng)
[Khối Kỹ thuật Cơ sở]                                             [Khối Chuyên môn Ngành]
- Vẽ kỹ thuật (MECM52003)                                         - Cơ sở khoan (PETD53033)
- Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012)                                - Hệ thống phát lực (PETD62138)
- Cơ sở ĐK quá trình (AUTM52111)                                  - TN dung dịch khoan (PETD53137)
[Học phần Kế tiếp 1]                                              [Học phần Kế tiếp 2]
- HT tuần hoàn dung dịch (PETD54141)                              - Vận hành chuỗi cần khoan (PETD55142)
- HT chống ống & trám xi măng (PETD54143)                         - Kiểm soát giếng 1 & 2 (PETD55144/63145)

Về vị trí trong khung chương trình đào tạo 87 tín chỉ (2040 giờ), mô đun Hệ thống nâng hạ gồm 4 tín chỉ với tổng thời lượng 105 giờ (14 giờ lý thuyết, 87 giờ thực hành/thảo luận, 4 giờ kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học/mô đun kỹ thuật cơ sở và chuyên môn nền tảng như: Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Địa chất cơ sở (PETD53031), Cơ sở khoan (PETD53033), Hệ thống phát lực (PETD62138), Thí nghiệm dung dịch khoan (PETD53137); đồng thời là điều kiện tiên quyết trước khi học viên tiếp cận mô đun Hệ thống tuần hoàn dung dịch (PETD54141), Vận hành hệ thống chuỗi cần khoan và dụng cụ phá hủy đất đá (PETD55142), Hệ thống chống ống và trám xi măng (PETD54143), và Hệ thống kiểm soát giếng khoan (PETD55144).

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

  • Về kiến thức (A1): Liệt kê đầy đủ các thiết bị trong tổ hợp nâng hạ; trình bày chính xác cấu tạo cơ khí, nguyên lý truyền động học và hệ thống điều khiển khí nén, bôi trơn, làm mát của hệ thống nâng hạ giàn khoan.
  • Về kỹ năng (B1): Phân tích các dạng kết cấu tháp khoan; thiết lập quy trình vận hành và bảo dưỡng kỹ thuật các cụm chi tiết; thực hiện thành thạo thao tác vận hành nâng, hạ và di chuyển bộ khoan cụ trên mô hình khoan mô phỏng.
  • Về mức độ tự chủ và trách nhiệm (C1, C3): Tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn lao động, phòng chống cháy nổ (PCCC); thực hiện đúng quy trình công nghệ nhằm hạn chế tối đa sự cố hỏng hóc thiết bị.

Cấu trúc giáo trình gồm 5 bài học được biên soạn theo nguyên tắc tích hợp lý thuyết kết cấu máy với quy trình thực hành công nghệ, lấy mô hình khoan thực hành động làm phương tiện rèn luyện kỹ năng thao tác.

2. Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

                                  CẤU TRÚC TỔ HỢP HỆ THỐNG NÂNG HẠ
         [ CỤM TỜI KHOAN ]                [ HỆ RÒNG RỌC ]                  [ THÁP KHOAN ]
         - Vỏ hộp thép đúc                - Crown Block (tĩnh)             - Tháp chữ A / 4 chân
         - Tang tời xẻ rãnh               - Traveling Block (động)         - Tháp rơ-moóc néo dây
         - Hộp số & Côn khí nén           - Móc nâng & Elevator            - Tải trọng đỉnh & chân
         - Phanh dải & Phanh phụ          - Cáp nâng & Điểm neo cáp        - Kết cấu dầm thép định hình
                               [ MÔ HÌNH VẬN HÀNH THỰC HÀNH ]
                               - Phương pháp khoan Bàn xoay (Rotary Table)
                               - Phương pháp khoan Truyền động đỉnh (Topdrive)

2.1. Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 5 bài học trọng tâm:

  • Bài 1: Tổng quan về hệ thống nâng hạ (Thời lượng: 1 giờ LT, 1 giờ TH/KT) Thiết lập sơ đồ bố trí tổ hợp thiết bị khoan dầu khí (rô-to miệng giếng, tời khoan, giá dựng cần, sàn chạy cần, cụm truyền động, động cơ dẫn động, máy bơm khoan, khung nền tháp). Phân tích sơ đồ nguyên lý tổ hợp hệ thống nâng hạ gồm 8 cụm thiết bị: Tháp khoan (Derrick), Cáp khoan (Drilling line), Tời khoan (Drawworks), Ròng rọc cố định (Crown block), Ròng rọc động (Traveling block), Móc nâng (Hook), Cuộn cáp dự trữ (Supply reel), và Điểm mắc cáp chết (Deadline tiedown anchor).
  • Bài 2: Tời khoan (Thời lượng: 5 giờ LT, 5 giờ TH/KT) Phân tích cấu tạo vỏ thép chịu lực, trục tang tời chế tạo bằng phương pháp phá rèn thép hợp kim qua tôi cải thiện. Phân loại tời theo công suất, số tang (1 tang, 2 tang), số trục (1, 2, 3 trục). Cung cấp bảng thông số kỹ thuật đối chiếu các hệ tời:
    • Hãng National Oilwell (Mỹ): các mẫu 1625DE, 1625M, 1320D, 1300E, 80B, 55P, 45T (công suất từ 400 đến 1850 kW, đường kính tang 457 - 915 mm).
    • Rumani: các mẫu TF 35, TF 25, TF 21, TF 15 (công suất 390 - 1500 kW, lực kéo cáp cực đại 150 - 440 kN).
    • Liên Xô: các mẫu U2-55, U2-47, U2-18, BU200Br, BU50Br, BU40Br (công suất 190 - 900 kW). Cấu tạo hộp số tời, nguyên lý ly hợp bánh hơi đàn hồi và ly hợp đĩa ma sát. Kết cấu phanh cơ học (bộ hãm băng đơn giản, bộ hãm băng có xi lanh khí nén phụ) và phanh phụ (bộ hãm thủy lực cánh nghiêng đối lưu, bộ hãm điện động lực dòng fucô). Cơ cấu hệ thống khí nén điều khiển bàn khoan qua hệ thống van phân phối CRTr1-4, CRĐ1-3, xupap C4-C5, xi lanh phanh S1 và côn hơi MP1-3. Quy chuẩn bôi trơn dầu nhớt SAE (SAE 5w-50, SAE 75-250, SAE 10w đến 40) và mỡ bôi trơn gốc natri, gốc canxi chịu nước, gốc liti.
  • Bài 3: Tháp khoan (Thời lượng: 4 giờ LT, 4 giờ TH/KT) Phân tích kết cấu tháp khoan, các thông số kỹ thuật kích thước hình học, thành phần tải trọng tĩnh và động tác dụng lên đỉnh tháp, thân tháp và chân tháp. Phân loại tháp dạng kết cấu thép hình, tháp chữ A, tháp néo dây lắp trên rơ-moóc; quy trình kiểm tra bảo dưỡng hệ thống kết cấu giàn.
  • Bài 4: Hệ ròng rọc (Thời lượng: 2 giờ LT, 1 giờ TH/KT) Nguyên lý biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và quy tắc cân bằng lực trong hệ ròng rọc tĩnh (Crown block) và ròng rọc động (Traveling block). Cấu tạo móc nâng (Hook), quang treo, ống kẹp cần (Elevator), các thiết bị phụ trợ đầu mèo và quy chuẩn bảo dưỡng ổ bi, rãnh puly đỡ cáp.
  • Bài 5: Vận hành hệ thống nâng hạ trên mô hình khoan (Thời lượng: 2 giờ LT, 87 giờ TH, 3 giờ KT) Thiết lập quy trình kỹ thuật và thực hiện các thao tác vận hành di chuyển cần khoan trên bề mặt, nâng và hạ cột cần khoan trong giếng theo hai phương pháp công nghệ: Khoan bàn xoay rô-to truyền thống (Rotary Drilling) và Khoan sử dụng bộ truyền động đỉnh (Topdrive).

2.2. Kiến thức nền tảng và công thức tính toán

Giáo trình cung cấp hệ thống công thức tính toán cơ học ứng dụng cho hệ thống nâng hạ:

  • Đường kính tang tời ($D_t$): $$D_t \ge 400 \cdot d_0$$ (trong đó $d_0$ là đường kính sợi cáp; đối với cấu trúc cáp $6\times7$, $D_t = (42 \div 72)d_0$; cáp $6\times19$, $D_t = (30 \div 45)d_0$).
  • Chiều dài tang tời ($L_t$) và chiều dày thành tang ($\delta$): $$L_t = (1,2 \div 2,2) D_t$$ $$\delta = (0,03 \div 0,07) D_t$$
  • Vận tốc cuốn cáp ($V$) và vận tốc móc nâng cực tiểu ($V_{m\min}$): $$V = V_m \cdot m$$ $$V_{m\min} = \frac{N_{đc} \cdot \eta}{Q_{m\max}}$$ (thông số tiêu chuẩn: $V_{m\min} = 0,3 \div 0,8\text{ m/s}$, $V_{m\max} < 2\text{ m/s}$, $m$ là số nhánh cáp động).
  • Độ chứa cáp trên tang ($L_c$) xác định theo chuỗi cấp số cộng số lớp cáp $z$, hệ số quấn chặt $a = 0,95$, $b = 0,93$: $$L = n \cdot \pi \cdot \left[ D_t + z \cdot d_0 \right]$$
  • Khoảng cách lắp đặt giữa tang tời và ròng rọc phụ ($H$): $$H = \frac{L_t}{2 \cdot \tan\alpha}$$ (với góc lệch quy định $45' \le \alpha \le 1^\circ 30'$ nhằm tránh hiện tượng chồng cáp hoặc quấn không chặt).

2.3. Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc bản vẽ động học tời khoan, sơ đồ mạch khí nén điều khiển phanh - ly hợp; tính toán các thông số cơ bản của tang tời và dây cáp nâng; thực hiện quy trình bôi trơn, thay thế má phanh, tra mỡ ổ bi, bảo dưỡng puly ròng rọc.
  • Kỹ năng phân tích: Đánh giá sự cố biến dạng nhiệt trên bánh hãm phanh băng, mất áp suất khí nén trong côn bánh hơi, mài mòn rãnh cáp trên tang tời và puly.
  • Kỹ năng vận hành thực tế: Thao tác nhịp nhàng tay phanh, cần gạt ly hợp khí nén, điều khiển tốc độ nâng thả bộ khoan cụ, phối hợp nhịp nhàng giữa tời khoan, elevator và sàn khoan trong cả hai phương pháp khoan Rô-to và Topdrive trên mô hình thực hành.

3. Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

                            TIẾN TRÌNH DẠY HỌC TÍCH HỢP MÔ ĐUN
[ LÝ THUYẾT NÊU VẤN ĐỀ ]         [ BÀI TẬP NHÓM & TÌNH HUỐNG ]      [ THỰC HÀNH MÔ HÌNH ]
(14 giờ)                         (2 - 3 sinh viên/nhóm)             (87 giờ trên mô hình khoan)
- Sơ đồ nguyên lý động lực       - Đọc mạch khí nén PB/CRTr         - Vận hành phương pháp Rô-to
- Tính toán cơ học tang tời      - Xử lý mài mòn băng phanh         - Vận hành phương pháp Topdrive
                          [ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THEO NĂNG LỰC ]
                          - Thường xuyên (Checklist/Hỏi đáp sau mỗi 5h)
                          - Định kỳ (4 bài kiểm tra sau 15h)
                          - Kết thúc môn (Tự luận + Trắc nghiệm + Thực hành sau 105h)

Giáo trình áp dụng mô hình dạy học tích hợp giữa lý thuyết chuyên môn và thực hành nghề nghiệp:

  • Phương pháp giảng dạy: Giảng viên sử dụng phương pháp dạy học tích cực, bao gồm nêu vấn đề kỹ thuật, phân tích sơ đồ động lực học máy, trình diễn thao tác mẫu trên thiết bị và điều phối thảo luận tình huống sự cố.
  • Bài tập và thực hành xưởng: Thời lượng thực hành chiếm ưu thế tuyệt đối (87/105 giờ, tương đương 82,8%). Người học được chia thành các nhóm nhỏ (2-3 sinh viên) để thực hiện các bài tập phân tích sơ đồ điều khiển khí nén, tính toán tải trọng cáp, lập bảng quy trình bảo dưỡng và trực tiếp vận hành thao tác nâng - thả cột cần khoan trên mô hình khoan dầu khí động.
  • Phương pháp đánh giá: Căn cứ theo quy chế đào tạo ban hành theo Thông tư số 09/2017/TT-BLĐTBXH, thang điểm 10 làm tròn đến một chữ số thập phân:
    • Kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1, chiếm trọng số 40% kết hợp định kỳ): Đánh giá thông qua bảng kiểm quan sát kỹ năng (checklist), hỏi đáp vấn đáp trực tiếp tại xưởng thực hành sau mỗi 5 giờ học.
    • Kiểm tra định kỳ (Hệ số 2): 4 cột điểm kiểm tra lý thuyết (tự luận, trắc nghiệm) và đánh giá sản phẩm thao tác thực hành sau mỗi 15 giờ.
    • Thi kết thúc mô đun (Chiếm trọng số 60% tổng điểm): Bài kiểm tra kết hợp lý thuyết tổng hợp (trắc nghiệm, tự luận) và thực hành thao tác vận hành hệ thống nâng hạ trên mô hình sau khi kết thúc 105 giờ.
  • Hướng dẫn tự học và kỷ luật học tập: Người học phải nghiên cứu tài liệu trước khi lên lớp, hoàn thiện báo cáo phân tích theo nhóm. Quy chế chuyên cần quy định: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết và bắt buộc 100% thời lượng thực hành; trường hợp vắng trên 30% lý thuyết hoặc vắng bất kỳ buổi thực hành nào (>0%) sẽ không đủ điều kiện dự thi và phải học lại mô đun.

4. Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

  • Kế thừa và hệ thống hóa tài liệu kinh điển: Giáo trình kế thừa có chọn lọc các lý thuyết cơ bản từ những tài liệu chuyên ngành khoan và thiết bị nâng tại Việt Nam: Sửa chữa thiết bị khoan (Vũ Văn Thựng, 1987), Thiết bị khoan (Trương Minh Thông, 1987), Công việc của người thợ sửa chữa cơ khí (Tô Xuân Giáp, 1998), Kỹ thuật khoan dầu khí (Lê Phước Hào dịch, 1995), Máy và thiết bị nâng (Trương Quốc Thành, Phạm Quang Dũng), và Bài giảng thiết bị khoan thăm dò (Nguyễn Văn Giáp, Trường Đại học Mỏ - Địa chất).
  • Tích hợp công nghệ khoan truyền động đỉnh (Topdrive): Cập nhật song song hai công nghệ nâng hạ bộ khoan cụ: phương pháp cổ điển qua bàn quay rô-to (Rotary Table) và phương pháp hiện đại sử dụng bộ truyền động đỉnh (Topdrive) tại Bài 5, phản ánh đúng thực tế thiết bị trên các giàn khoan tự nâng (Jack-up) và giàn bán chìm (Semi-submersible) hiện nay.
  • Cập nhật kết cấu điều khiển và phanh hãm hiện đại: Nội dung Bài 2 đi sâu vào cấu tạo của bộ hãm điện động lực dòng fucô (phanh điện từ) bên cạnh phanh thủy lực, phân tích chi tiết cơ cấu ly hợp bánh hơi cao su đàn hồi và hệ thống điều khiển tự động bằng van khí nén, thay thế các cơ cấu ly hợp vấu và phanh đai thủ công cũ.
  • Dữ liệu thiết bị bám sát thực tiễn ngành dầu khí: Hệ thống hóa bảng thông số kỹ thuật chuẩn của các dòng máy tời công nghiệp từ các quốc gia sản xuất thiết bị dầu khí lớn (National Oilwell Varco - Hoa Kỳ, hệ tời TF - Rumani, hệ tời BU và U2-55 - Liên Xô), tạo cơ sở dữ liệu tra cứu kỹ thuật chuẩn xác cho người học.

5. Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

  • Sinh viên đào tạo chính quy: Học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí và sinh viên các ngành Kỹ thuật Dầu khí, Thiết bị Dầu khí, Khoan - Khai thác thuộc các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần tích lũy các học phần cơ sở kỹ thuật và địa chất:
    • Khối cơ sở kỹ thuật: Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012), Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM52111), Hóa đại cương (PETR63001).
    • Khối chuyên ngành nền tảng: Địa chất cơ sở (PETD53031), Địa chất dầu khí (PETD62032), Cơ sở khoan (PETD53033), Nguyên lý phá hủy đất đá (PETD62036), Hệ thống phát lực (PETD62138) và Thí nghiệm dung dịch khoan (PETD53137).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu chuẩn để xây dựng đề cương bài giảng, thiết kế bài tập tình huống thực hành xưởng và biên soạn ngân hàng câu hỏi kiểm tra đánh giá theo chuẩn năng lực thực hiện.
  • Kỹ thuật viên và công nhân kỹ thuật: Tài liệu tham khảo nghiệp vụ cho kỹ thuật viên sàn khoan (Driller, Assistant Driller, Roughneck), thợ bảo dưỡng cơ khí - khí nén giàn khoan trong công tác bảo trì và vận hành thiết bị tại các đơn vị khoan dầu khí.

6. Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

6.1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Khoan khai thác dầu khí, đồng thời phù hợp làm tài liệu bồi dưỡng tay nghề, thi nâng ngạch cho công nhân vận hành thiết bị nâng hạ sàn khoan dầu khí.

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

Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ bản về truyền động cơ khí, mạch điện - khí nén cơ bản, các nguyên lý cơ sở khoan và đã học qua mô đun Hệ thống phát lực, Thí nghiệm dung dịch khoan.

6.3. Điểm khác biệt của tài liệu này so với các giáo trình máy nâng hạ thông thường?

Tài liệu không phân tích máy nâng chung chung mà đi sâu vào đặc thù giàn khoan dầu khí: tải trọng lớn, vận hành liên tục, kết hợp đồng bộ giữa tời khoan, hệ ròng rọc động/tĩnh, tháp khoan, hệ thống làm mát bằng nước đối lưu và cơ cấu điều khiển bằng khí nén chuyên dụng.

6.4. Làm sao để tự học và nắm vững kiến thức mô đun hiệu quả?

Học viên cần đọc kỹ phần lý thuyết cấu tạo, chủ động đối chiếu công thức tính toán độ chứa cáp ($L_c$), góc lệch cáp ($\alpha$) với bảng thông số thực tế của các hãng National, Rumani, Liên Xô và tận dụng tối đa 87 giờ thực hành trên mô hình mô phỏng.

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

Kèm theo giáo trình là hệ thống phiếu hướng dẫn thực hành quy trình vận hành khoan Rô-to/Topdrive, quy trình bôi trơn - bảo dưỡng tời khoan, cùng danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành của Trường Đại học Mỏ - Địa chất và tài liệu hướng dẫn vận hành tời U2-55.

7. Kết luận (150 từ)

Giáo trình mô đun Hệ thống nâng hạ (PETD62036) là tài liệu đào tạo chuyên môn cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện và quy chuẩn thực hành kỹ thuật về tổ hợp nâng hạ trong công nghệ khoan dầu khí. Với tỷ trọng 82,8% thời lượng dành cho thực hành trên mô hình khoan mô phỏng, tài liệu giúp người học hình thành năng lực phân tích kết cấu, tính toán thông số động học và vận hành thành thạo các phương thức khoan bàn quay Rô-to và Topdrive.

                    TIẾN TRÌNH ĐÀO TẠO CHUYÊN SÂU NGHỀ KHOAN
                      [ HỆ THỐNG NÂNG HẠ (PETD62036) ]
[ HT TUẦN HOÀN DUNG DỊCH ]                               [ VẬN HÀNH CHUỖI CẦN KHOAN ]
       (PETD54141)                                               (PETD55142)
                         [ KIỂM SOÁT GIẾNG 1 & 2 ]
                           (PETD55144 - PETD63145)
                       [ THỰC TẬP SẢN XUẤT & KHÓA LUẬN ]
                            (PETD54246 - PETD63247)

Hoàn thành mô đun này là điều kiện kỹ thuật bắt buộc để người học tiến vào các học phần chuyên sâu tiếp theo của chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí: Hệ thống tuần hoàn dung dịch (PETD54141), Hệ thống chống ống và trám xi măng (PETD54143), Hệ thống kiểm soát giếng khoan (PETD55144/PETD63145), hướng tới kỳ Thực tập sản xuất (PETD54246) và Khóa luận tốt nghiệp (PETD63247) tại các giàn khoan thực địa.