第一篇：顶驱钻井平台毕业设计

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日期：杨青

顶驱钻机的构设计 饶美丽 机电一体化 2010年11月19日

顶驱钻井的结构设计

摘 要

20多年来世界上蓬勃发展的顶部驱动钻井装置，实现了钻机现代化的历史跨越。介绍了顶部驱动钻机的中提技术，描述了顶部驱动的结构和功能。对其主要的技术参数，结构和工作性能等做出了详细的介绍。致命了它在钻井，修井方面的广阔应用前景。

关键词：钻井，钻机，顶部驱动，原理，结构

TOP DRIVE RIG STRUCTUREDESIGING

ABSTRACR

For more than 20 years of world booming top drive drilling rig device, have realized modernization a historical leap.Introduces top drive rig advice, describes the top drive technology of structure and function.Its main technical parameters, structure and working performance and so make were introduced in detail.Deadly it up on the drilling and workover aspects, broad application prospect.KEY WORDS: Drilling, the drill, top drive, principle, structure

前 言

近20年来，世界上发展起来的顶部驱动钻井转转显著提高了组阿宁作业能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。目前在世界上不少国家的上千台大，中型钻机上，将它用于钻中深井（2000-4500M）,深井（4500-6000M），超深井（6000-9000M）的日益增多。该产品自80年代初开始研制，值到现在已发展到最先进的整体顶部驱动钻井装置，英文简写为IDS(INTRGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，显示出它强大的生命力。

从世界钻井机械的发展趋势来看，为适应钻井自动化的进一步需求，顶驱钻井装置和井下钻头加压装置，将成为21世界世界钻井机械发展的主要方向。据悉，目前我国赴国外工作的钻井队，如果钻机未安装顶驱装置，工程投标将不予中标。可见顶驱装置已到了非用不可的地步。自1981年12月美国研制的顶部驱动系统投入使用以来，顶驱逐渐被世界各国石油钻井所采用。目前，浅海上的钻井船或平台，几乎全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越开越多地使用了顶驱。

顶驱装置的发展历程

1.1 什么事顶驱钻井装置

顶驱钻井装置是美国，法国，挪威近20多年来相继研制成功，正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。它可以从井架空间上不直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，弯沉钻柱旋转钻进，循环钻井液，接力跟，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。如图1所示。该装置主要由3部分组成，导向滑车总成，水龙头，井钻马达总成和钻杆上卸扣装置总成。

该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。实践表明，该系统可节省钻井时间20%-25%，并可预防卡钻事故的发生，用于钻斜井，高难度定向井时经济效果尤其显著。

图1 1.2历史性的跨越

20世纪初.美国人发明了旋转钻井法.常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进 较顿钻是历史的飞跃。据统计!美国63%的石油井用旋转钻井法钻成！转盘钻井方式下立下功劳，但在转盘钻井历史上，它有2个突出的矛盾未能得到解决。其一，由于起下钻中不能及时循环旋转，遇上复杂地层，或是岩屑沉积，往往造成卡钻。卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以数计。其二，由于常规钻井在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，每次只能接单根，所以费工效率低，劳动强度大。而顶部驱动则是把钻机动力部分由下边的转盘移到上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。由于取消了方钻杆，无论在钻进中，还是起下钻时，旋转钻具的动力以及循 环井眼的泥浆始终可与钻具联接在一起。因而，由各种原因引起的遇卡，遇阻事故均可以得到及时有效的处理。同时，可以进行立根钻进,大大提高了钻速，平均提高钻井时效25%左右。国外自1982年首台顶驱成功地钻了1口井斜32°，井深2198m的定向井之后!迅速发展。不仅在海洋及深井，定向井中采用。而且在2000m钻机上也开始大批使用.生产顶驱的厂商也由当初的美国,挪威扩展到法国,加拿大等 4国 7家公司.之后,中国,英国也加入到该装置的生产行列.实现了钻机自动化进程的阶段性跨越.1.3 钻井装置的的研制过程

1．31钻井自动化推动了顶驱钻井法德诞生

上个世纪，旋转钻机得到了普遍使用，但是繁重艰苦的钻井劳动，笨重的钻机，钻具操作以及安全等问题，使得实现钻机自动化，成了几代钻井和矿机行业众多人士的长期愿望。石油钻井多年来一直采用标准的转盘和方钻杆钻法，利用转盘，方钻杆，钻杆大钳，卡瓦卡瓦座和方补芯接单根。把钻柱联接在一起&除了如方钻杆旋扣器这样小的改进外，几十年来这种接单根的方法实际上并没有重大变化。

20世纪年代，现了动力水龙头。于改革了驱动方式，用水龙头直接驱动钻具。在相当程度上改善了工人的操作条件，加快了钻进速度。但是，早期的动力水龙头只是水龙头与钻井马达的结合，没有解决高效上卸钻杆螺纹的问题，未从根本上摆脱转盘，不具备起钻后就能迅速旋转钻具，循环钻井液的能力，因此缺乏竞争力。同期先后出现的铁钻工装置，液压大钳等，只是局部解决了钻杆移位，联接等问题，但都没有达到石油人理想的程度。随着科技进步的发展。现代化的顶驱装置和早期的动力水龙头完全不同，它除具有常规水龙头和钻井马达之外，更为重要的是，发展了钻柱上卸扣技术。配备了特殊的钻杆上卸扣装置，传统的方钻杆大钩，转盘已经淘汰。1.3．2顶驱钻井装置研制过程

a)美国Varco公司的研制历程 Varco BJ公司大致经历了两个阶段。第一阶段，20世纪80年代。1981年开始研制TDS-1型装置的系列马达圆形，并设计了TDS-2型递过去钻井装置。1983年生产了单速TDS-3型顶驱装置，并由此形成了工业标准。在这个阶段上历时5年时间，至1988年研制开发了具有新标准的2速TDS-4型情趣装置，同年还生产了临时性的单速TDS-5型顶驱装置。

至80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4型2中顶驱应用了新式马达，并在钻机上得以应用。

第二阶段，20世纪90年代。这一阶段的可证是应用整体式水龙头，游车等。在1990年首先生产出了整体式水龙头，装配在TDS-3S（图2），TDS-4S两种型号的顶驱装置上，得到广泛应用。随着钻井深度的增加，要求驱动更大质量的钻柱，于是设计了双马达的顶驱装置，它具有单速传动(速比5.33：1)，命名为TDS-6S型，用于深井钻机。1991-1992年间，应用了整体式水龙头和游车，于是陆续又研制出TDS-3SB，TDS-4SB,TDS-6SB等型号的顶驱装置。

1993之后，研制的IDS型整体式顶驱钻井装置，是一种具有单速比6.00:1，紧凑的行星齿轮驱动的先进装置，它是真正意义上的整体式顶驱钻井装置。由TDS型发展到IDS型，既由顶驱发展到整体顶驱装置，在其研制史上实现了新的飞跃。目前该公司研制出500t的TDS-11S型，400t的TDS-9S型及轻便的250t的TDS-10S型顶驱。其中尤以TDS-11S型引人注目，它具有成本低，轻便，可靠性高及维护费用低等优越性，可用在修井机和轻便钻机上。

1-接线盒;2-水龙头；3-气刹车；4-钻井马达；

5-齿轮；6-主轴

图2 水龙头-钻井马达总成

b)我国的研制过程 我国从上个世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术。1993年列入原中国石油天然气总公司重点科研计划，由石油勘探开发科学研究院机械所,宝鸡石油机械厂等单位联合承担试制开发任务。研制中科研人员与 国内多家厂商积极合作，克服资料,材料不全等许多困难认真按照计划执行。打破了国外关于空心电动机的垄断。解决了一批机, 电,液,气一体化技术难题。于1995年完成样机。并在台架试验中不断改进完 善。1997-04样机安装在塔里木6501钻井队钻机上进行工业试验。适应多种复杂钻井要求，当年完成任务，钻抵5590m目的层。该井在试验期间，起下钻约50次，多次遇阻遇卡，使用情趣装置均能顺利通过。国产顶驱装置的成就，宣告了我国DK-60D型顶驱钻井装置已研制成功，标志着我国钻机自动化实现了历史性的跨越。我国已经成为世界上第5个可 以制作顶驱装置的国家。项目因此荣获原总公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖-目前我国顶驱装置已由宝石厂投入生产6如图3

图3 DK-60型顶驱结构 2 顶驱装置的结构

顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成：

水龙头-钻井马达总成 ；马达支架/导向滑车总成；钻杆上卸扣装置总成;平衡系统;冷却系统；顶部驱动钻井装置控制系统；可选用的附属设备。2.1 水龙头钻井马达总成

水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件。它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。钻井水龙头额定载荷是6500 kN；采用串激（或并激）直流电动机立式传动，驱动主轴。轴上端装有气动刹车（16VC600气离合器）。当气压为0.62 MPa时，可产生47.5 kN?m的扭矩，用于马达的快速制动。这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时，旋转体转动惯量大，惯性则大，因此立即刹止，改变运动方式是不易的，故要有气刹车刹止才能克服惯性，制止钻具的旋转运动。马达轴下伸轴头装有小齿轮（Z=18），与装在主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻杆柱，最大转速为 430 r/min。钻井时，当马达电枢电流为 1325 A时，间隙尖峰扭矩51.5 kN/m，而当电流为1050A时，连续运转扭矩为39.1kN/m，主轴转速可达180r/min。

其中水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件：钻井马达和制动器（气刹车）；齿轮箱（变速箱）；整体水龙头；平衡器。

钻井马达：在顶部驱动钻井装置上安装的是 1100/1300hp的并激直流钻井马达。马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。气刹车用于承受钻柱扭矩，避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。气刹车由一个远控电磁阀控制。如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片。

齿轮箱（变速箱）总成：顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成：96齿大齿轮；18齿大齿轮；上、下箱体；主轴/驱动杆；马达支座机罩。变速箱是一个单速齿轮减速装置，齿轮减速比5.33：1。由于大齿轮的缘故，马达中心线与主轴中心线距离为579.1mm。水龙头主止推轴承装在上齿轮箱内，后者固定于整体水龙头提环上。由主止推轴承支撑的主轴/驱动杆通过一个锥形衬套连接大齿轮。两个齿轮箱体构成齿轮的密封润滑油室，并支撑钻杆上卸扣装置。顶部驱动钻井装置的油润滑系统为油泵强制供油系统，油泵由普通3～4hp电马达驱动、可使润滑油通过一个自由流动的小间隙滤网由油泵泵到齿轮箱底齿轮箱是一台重型钢制壳体，在其底部有筋板散热。过滤了的润滑油通过主止推轴承、上轴承，再经齿轮间隙连续循环。油热交换器是水冷或空冷的。热交换器的类型依赖于钻井马达冷却系统的选择。油泵、油热交换器和油滤清器安装于传动箱外壳上，传动箱上开有玻璃窗可监视油面高度。

整体水龙头：整体水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部。主轴经锻制而成，上部台阶坐于主止推轴承上以支承钻柱负荷。龙头密封总成装在钻井马达上方由标准冲管、组合盘根、联管螺母组成。联管螺母使密封总成作为一个整体运动。水龙头密封总成工作压力为42MPa。盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致，只要松开上、下压紧盘根帽，即可很快装卸冲管和盘根。

马达冷却系统：马达冷却系统为风冷。冷却动力由两台5hp电动机提供。

2.2 导向滑车总成

导向滑车类似于海洋钻机上使用的滑车结构，它由导向滑车焊接框架和马达支架两部分组成。

导向滑车焊接框架：该框架上装有导向轮，并且当马达支架的支点位于排放立根的位置上时，可为起升系统设备运作提供必要的间隙空间。

马达支架（底座架）：该底座架包括支架与马达壳体总成间的一个支座，用以支承马达和其它所有附件。整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车（如果需要的话）一起运动。当钻井马达处于排放立根的位置上时，导向滑车则可作为马达的支承梁。导轨装在井架内部，对游车及顶部驱动钻井系统起导向作用，钻进时同时承受反扭矩。导轨间距1.57 m，当导轨上钻井反扭矩为565.4 kN?m时，每根导轨上承受载荷33.1kN。对于为给定的导轨系统设计的导向滑车结构，用类似于海洋钻机滑车和运动补偿器的矩形管和工字梁来制造。导轨有双轨及单轨两种，加拿大制造的还有浮动式的。导轨两端用支座固定。钻井马达总成通过马达壳体上的两支耳轴销与导向滑车相连。耳轴销允许马达总成在钻柱沿导轨上下运动时，二者保持良好对中。马达自身的重量由马达对中液缸来平衡，该液缸安装在马达齿轮箱和马达支架下横梁之间。钻井时液缸允许自动找正，而当钻具重量减小时还能维持马达沿垂直轴向不偏移。用户安装所需导轨时选定。2.3 钻杆上卸扣装置总成

钻杆上卸扣装置，它为顶部驱动钻井装置提供了提放28m长立柱、并用马达上卸立柱扣的能力。它由下列部件组成：扭矩扳手；内防喷器和启动器；吊环联接器和限扭器；吊环倾斜装置：旋转转头。

钻杆上卸扣装置具有84 kN/m的卸扣扭矩，可在井架任意高度卸扣。钻进时，钻杆上卸扣装置固定不动，不妨碍钻柱的起下。钻井马达通过主轴、内防喷器和保护接头将扭矩传给钻柱，驱动钻柱旋转。当使用钻杆吊卡起下钻时，吊环联结器将提升载荷转移到主轴上。液路和气路均通过旋转头，旋转头允许吊卡自由旋转。自动复位机构使自由转动吊卡复位。各型顶部驱动钻井装置均可使用钻杆上卸扣装置。

扭矩扳手；扭矩扳手总成提供卸开钻杆的手段。吊杆可悬挂于旋转头上，支撑扭矩扳手。扭矩扳手位于内防喷器下部的保护接头一侧，它的两个液缸连接在扭矩管和下钳头之间，下钳头延伸至保护接头公扣下方。钳头有一直径10的夹紧活塞，用以夹持与保护与接头相连接的钻杆母扣。夹持的标准接头直径范围为5.5～7.5。为适应不同直径的接头还准备了可供用户选用的6.5或3.5钻杆接头。扭矩扳手上卸扣期间，扭矩管上的母花键同上部内防喷器下方的公花键相啮合为液缸提供反扭矩。扭矩扳手启动后，自动上升2 in同内防喷器上的花键相啮合，在得到程序控制压力后，夹紧活塞夹住母接头。在上升至夹紧压力后，另一程序阀自动开启将压力传给扭矩液缸。扭矩液缸在 84 kN/m的最大扭矩下可旋转25度，整个作业由司钻控制台上的电按钮自动控制完成。使用扭矩管升降机构上的一挡，夹紧装置可以升起。到能夹住保护接头为止，从而可根据需要上紧和卸开保护接头。换用二挡则可以卸开下防喷器或调节接头。手动阀控制上卸扣旋转方向。在上扣方式中，可以调节减压阀和预置上扣扭矩，但在卸扣方式时减压阀处于旁通状态。简而言之，液控扭矩扳手由连接在钻井马达上的吊架支承。卸扣时夹紧活塞（又称夹持爪）先夹紧钻杆母接头，该动作由夹紧液缸驱动完成。然后，与扭矩管相连的两个扭矩液缸动作，转动保护接头及主轴松扣（即井场上称为“崩扣”的瞬间操作）再启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作。钻杆上卸扣装置另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程125m。

内防喷器和启动器:内防喷器是全尺寸、内开口、球型安全阀式的。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器形成内井控防喷系统。内防喷器采用6.5 in正规扣，工作压力为105 MPa。远控上部内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分。当上卸和时，扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合形成扭矩。顶部驱动钻井装置使用的下部内防喷器型式与上部内防喷器相同，但外表面没有经过特殊加工。二个内防喷器一直接在钻柱中，因此可随时将顶部驱动钻井装置同钻柱连接使用。在井控作业中，下部内防喷器可以卸开留在钻柱中。顶部驱动装置还可以接入一个转换接头，连接在钻柱和下部内防喷器中间。扭矩扳手架上安装有二个双作用液缸。液缸推动位于上部内防喷器一侧的圆环。同液缸相连接的启动器臂（即启动手柄）与圆环相啮合；远控开启或关闭上部内防喷器。位于司钻控制台上的电开关和电磁阀控制液缸的动作。

吊环联结器、吊环和钻杆吊卡: 吊环联结器通过吊环将下部吊卡与主轴相连，主轴穿过齿轮箱壳体，后者又同整体水龙头相连。吊环联结器额定负荷650 t，可配350 t至650 t提升能力的标准吊环。一般钻井配用3.35 m长350 t吊环和中开闩钻杆吊卡。为留出一定的空隙装固井水泥头，固井时要用4.57 m长吊环。Varco BJ吊环是由优质、高抗拉强度的合金钢坯锻制而成。吊环配对使用，以保持最佳平衡效果。吊环联接器、承载箍和吊环将提升负荷传给主轴，在没有提升负荷的条件下，主轴可在吊环联接器内转动。吊环联接器可根据起下钻作业的需要随旋转头转动。Varco瓶颈状中开闩的钻杆吊卡承重350t，能适应恶劣的油田条件。该吊卡在连接吊环处的形状不同于常规吊卡，常规吊卡使用直吊环而 Varco BJ钻杆吊卡使所接吊环向二侧展宽，增大吊环间的宽度。中心距的加大主要是避免钻进时同其他设备相碰。非金属的防磨引鞋保护吊卡的内表面，使吊卡在钻进时同钻柱接触而不致损坏吊卡体。Varco钻杆吊卡均符合API标准，实验拉力为额定拉力的1.5倍。吊卡内表面经高频硬化达到最高的抗磨能力。运动部件都配有润滑油嘴，以延长使用寿命。

吊环倾斜装置: 吊环倾斜装置上的吊环倾斜臂位于吊环联接器的前部，由空气弹簧启动。钻杆上卸扣装置上的2.7m长吊环在吊环倾斜装置启动器的作用下，可以轻松的摆动提放小鼠洞内的钻杆。启动器由电磁阀控制。该装置的中停机构便于井架工排放钻具作业。因此，吊环倾斜装置有两个主要功用：吊鼠洞中的单根；接立根时，不用井架工在二层台上将大钩拉靠到二层台上。若行程为1.3m的吊环倾斜装置不能满足使用要求，则可使用行程为2.9m的长行程吊环倾斜装置，同时配备双空气弹簧。

旋转头总成: 顶部驱动钻井装置旋转头是一个滑动总成。当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱部件旋转时，它能始终保持液、气路的连通。固定法兰体内部钻有许多油气流道，一端接软管口，另一端通往法兰向下延伸圆柱部分的下表面。在旋转滑块的表面部分有许多密封槽，槽内也有许多流道，密封槽与接口靠这些流道相通。当旋转滑块就位于固定法兰的支承面上时，密封槽与孔眼相对接，使滑块和法兰不论是在旋转还是任一固定位置始终都有油气通过。旋转头可自由旋转。如果锁定在24个刻度中任意刻度位置上，那么通过凸轮顶杆和自动返回液缸对凸轮的作用，旋转头会象标准钻井大钩一样自动返回到原预定位置。2.4平衡系统

它是顶部驱动钻井装备特色设备之一。它的主要作用是防止上卸接头扣时螺纹损坏，其次在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，这依赖于它为顶部驱动钻井装置提供了一个类似于大钩的152mm的减震冲程。这一点之所以必要，是因为使用顶部驱动钻井装置后没有再安装大钩了；退一步说，即使装有大钩，它的弹簧也将由于顶部驱动钻井装置的重量而吊长，起不了缓冲作用。平衡系统包含两个相同油缸及其附件，以及两个液压储能器和一个管汇及相关管线。油缸一端与整体水龙头相连，另一端或者与大钩耳环连接或者直接连到游车上。这两个液缸还与导向滑车总成马达支架内的液压储能器相通。储能器通过液压油补充能量并且保持一个预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。故这种装置又称为液气弹簧式平衡装置。该管汇是整个装置的动力源，也包括向操纵钻杆上卸扣装置扭矩扳手部分的液压阀提供动力。2.5 顶部驱动钻井装置控制系统

顶部驱动钻井装置的控制系统为司钻提供了一个控制台，通过控制台实现对顶部驱动钻井装置自身的控制。控制系统部件有：司钻仪表控制台；控制面板；动力回流。

同转盘钻井一样，顶部驱动钻井装置由可控硅供电作业。控制面板含有程序控制器，用于逻辑和报警功能转换。建立程序控制器模拟必要的逻辑功能是安装可控硅装置的需要。

司钻控制台和仪表由扭矩表、转速表、各种开关和指示灯组成。顶部驱动钻井装置可实行的基本控制功能是：吊环倾斜；远控内防喷器；马达控制；马达旋扣扭矩控制；紧扣扭矩控制;转换开关。钻进时的转速、扭矩和旋转方向由可控硅控制台控制。可控硅控制台装有下列情况指示灯；马达控制；远控内防喷器；马达风机。

2.6 钻杆、立根、套管处理装置

顶部驱动钻井装置的使用带来一个新的矛盾，即井架内部可利用空间变小，使得大量钻杆的排放成为突出问题，直接影响到顶部驱动钻井装置效用的发挥。配合顶部驱动钻井装置的使用，高效，安全地处理各类管材钻具，它的工作量是不容忽视的。现在发展了一系列辅助装置，例如Varco公司的钻杆摆放装置（PRS），钻杆处理机（PHM），钻杆自动夹取、堆放装置（PLS），钻杆传输装置（PCS），钻杆铺放装置（PDM）等。它们与钻台设备诸如铁钻工等相配合，完成各类管状钻具、钢管等的搬移、堆放任务，可以完全实现自动钻井。例如PRS-5R型钻杆排放装置，高约47m．重6.12t。上导板可沿指梁处一横梁移动，两个强力交流驱动电动机，可驱动上、下机械臂围绕立柱转动，亦可上下移动。起升臂与上、下机械臂的配合动作，利用臂端的张合卡互可抱紧立根，将其从井的中心移开或上下移动，指梁平衡排放器则将立根排放整齐。该装置可由钻杆处理操作手单人远控操作，实现立根的排放。安全性好、效率高，这一点尤其受到腰缠安全带在二层台来回走动，经常拉动、堆放立根作业的井架工的欢迎。它的安装简单，维护费用低，操作方便，有利于钻杆的起下钻，是新一代的自动电驱钻杆排放装置的代表。

驱装置操作过程 3.1接立根钻进

接立根钻进是顶部驱动钻井装置普遍采用的方式。采用立根钻进方法很多。对钻从式井的轨道钻机和可带立根运移的钻机，钻杆立根可立在井架上不动，留待下一口井接立根钻进使用。若没有立根，推荐两种接立根方法：一是下钻时留下一些立根竖在井架上不动，接单根下钻到底，用留下的立根钻完钻头进尺；二是在钻进期间或休闲时，在小鼠洞内接立根。为安全起见，小鼠洞最好垂直，以保证在垂直平面内对扣，简化接扣程序。还应当注意接头只要旋进钻柱母扣即可，因为顶部驱动钻井钻井马达还要施加紧扣扭矩上接头。3.2接单根钻进

通常在两种情况需要接单根钻进。一种是新开钻井，井架中没有接好的立根；另一种是利用井下马达造斜时每9．4 m必须测一次斜。吊环倾斜装置将吊卡推向小鼠洞提起单根，从而保证了接单根的安全，提高了接单根钻进的效率。接单根钻进程序如下：钻完单根坐放卡瓦于钻柱上，停止泥浆循环；钻杆上卸扣装置上的扭矩扳手卸开保护接头与钻杆的连接扣；用钻井马达旋扣；提升顶部驱动钻井装置。提升前打开钻杆吊卡，以便让吊卡通过卡瓦中的母接箍起动吊环倾斜装置，使吊卡摆至鼠洞单根上，扣好吊卡；提单根出鼠洞。当单根公扣露出鼠洞后，关闭起动器使单根摆至井眼中心对好钻台面的接扣，下放顶部驱动钻井装置，使单根底部进入插入引鞋用钻井马达旋扣和紧扣，打背钳承受反扭矩。3.3起下钻操作

起下钻仍采用常规方法。为提高井架工扣吊卡的能力和减少起下钻时间，可以使用吊环倾斜装置使吊卡靠近井架工。吊环倾斜装置有一个中停机构，通过它可调节吊卡距二层台的距离，便于井架工操作。打开旋转锁定机构和旋转钻杆上卸扣装置可使吊卡开口定在任一方向。如钻柱旋转，吊卡将回到原定位置。起钻中遇到缩径或键槽卡钻，钻井马达可在井架任一高度同立根相接，立即建立循环和旋转活动钻具，使钻具通过卡点。3.4倒划眼操作

使用顶部驱动钻井装置倒划眼从而防止钻杆粘卡和破坏井下键槽。倒划眼并不影响正常起钻排放立根，即不必卸单根。

倒划眼起升程序；在循环和旋转时提升游车，直至提出的钻柱第三个接头时停止泥浆循环和旋转，即已起升提出一个立根；钻工坐放卡瓦于钻柱上，把钻柱卡在简易转盘中；从钻台面上卸开立根，用钻井马达旋扣(倒车扣)；用扭矩扳手卸开立根上部与马达的连接扣，这时只有顶部驱动钻井装置吊卡卡住立根。在钻台上打好背钳，用钻井马达旋扣；钻杆吊卡提起自由立根；将立根排放在钻杆盒中；放下游车和顶部驱动钻井装置到钻台；将钻井马达下部的公接头插入钻柱母扣，用钻井马达旋扣和紧扣。稍微施加一点卡瓦力，则钻杆上卸扣装置的扭矩扳手就可用于紧扣；恢复循环，提卡瓦，起升和旋转转柱，继续倒划眼起升。

顶部驱动钻井装置配用500～750 t吊环和足够额定提升能力的游动滑车，就能进行额定重量500～650 t的下套管作业。为留有足够的空间装水龙头，必须使用4．6 m的长吊环。将一段泥浆软管线同钻杆上卸扣装置保护接头相连，下套管过程中可控制远控内防喷器的开启与关闭，实现套管的灌浆。如果需要，也可使用悬挂在顶部驱动钻井装置外侧的游动滑车和大钩，配用Varco BJ规定吊卡和适当的游动设备，按常规方法下套管。顶部驱动钻井装置起下套管装置

第二篇：顶驱钻井系统

顶部驱动钻井系统

1.顶部驱动钻井系统概述；

1.1.顶部驱动钻井系统简介（图1）；

顶部驱动钻井装置是当今石油钻井的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果（交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统）之一。

20世纪末期，美国、法国、挪威等国家研制应用的一种新型的钻井系统。现在已成为石油钻井行业的标准产品。它适用性极广，从2000米到9000米的井深都可以使用顶部驱动钻井系统；从世界钻井机械的发展趋势上看，它符合21世纪钻井自动化的历史潮流。现在，我国赴国外打井的队伍，如果没有安装该系统将不允许在投标竞争中中标，由此可见，顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步。

所谓的顶驱，就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。

1.吊卡;2.吊环;3.转拒板手;4.花健上防喷阀;5.防喷阀启动器;6.吊环倾料器;7.吊环联接器;8.限扭器;9.旋转头;10.钻井马达及传动箱总成;11.水龙头;12.游车大钩;13.导向机;14.平衡液缸;15.S形管;16.马达滑车总成;17.水龙带;18.流体管束;19.主轴;20.电缆束

图1 1.2.顶部驱动装进系统的研制过程；

钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油井是用旋转法钻井打成的。

但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得到有效的解决：其

一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其

二、方钻杆的长度限制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的强度，降低了安全系数。

二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。

二十世纪八十年代，美国首先研制了顶部驱动钻井系统TDS-3S投入石油钻井的生产。80年代末期新式高扭矩马达的出现为顶驱注入了新的血液和活力。TDS—3H、TDS—4应运而生，直至后来的TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB。

二十世纪九十年代研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，用紧凑的行星齿轮驱动，才形成了真正意义上的顶驱，既有TDS到IDS，由顶部驱动钻井装置到整体式顶部驱动钻井装置，实现了历史性的飞跃。

2.与转盘钻井的对比；

顶驱钻井技术和转盘钻井技术相比，具有以下优点；

2.1.缩短建井周期；

采用顶驱钻井技术，可以节省转进时间的11%（或总时间的8%），节省时间主要来自：

（a）：采用接立根钻进方式，钻柱连接次数可减少2/3；

（b）:对于深度在300米以内井段起下钻，其起下时间可减少30分钟；

（c）:每次洗井与扩眼平均可节约30分钟，因为顶驱钻井可用整个立根进行反向扩眼;

（d）:不需要接卸方钻杆;

（e）:对于丛式井，一般不需要将立根卸成单根；

（f）:钻定向井时，需直接用接立根方式钻井，可减少测量次数；

（g）:减少了钻井事故而节省大量钻井时间。

2.2.改善了钻井工人的工作条件；

顶部驱动钻井系统是自动化程度较高，操作使用比较方便，降低了劳动强度；取消了转盘等旋转设备，改善了作业条件，提高了操作安全性。

2.3.减少了钻井事故；

顶驱钻井系统在起下钻时，均可进行扩孔倒划眼等作业。此外，钻杆旋转可以大大减少岩石对钻柱的阻力，这样就能有效地避免卡钻，若钻大斜度的延伸井，要求钻具在井中能不断旋转，泥浆不断循环，以防卡钻，顶部驱动钻井系统能很好的满足这种技术要求。采用顶部驱动钻井技术，不论钻井或起下钻作业中，在任何位置均可利用液控安全阀关闭钻杆内部通道。由于取消了方钻杆，防喷器可在任何位置关闭，使钻井系统的井控能力大为提高。

2.4.降低钻井成本；

费用的节省只要来源于节省钻井时间、减少钻井事故及降低设备管材消耗，此外，顶驱钻井系统装有可遥控的钻杆内防喷阀，有助于降低淤泥费用。对于难钻的斜井，易钻的直井和斜井，以及大斜井，费用节省就更可观，一般来说，钻井成本越高，节省的费用也越多，如沙漠或海上钻井。尽管顶驱钻井系统的初始投资较高（平均每套需100万美元左右），但与采用顶驱钻井技术所带来的效益相比，还是非常值得的。

3.顶驱钻井系统的结构组成；

顶那驱动钻井系统由六部分组成:分别是钻井马达和水龙头总成;导向滑车总成;平衡系统；管子上卸装置;动力和控制系统;和辅助设备。

3.1.钻井马达和水龙头总成（图2）；

顶部驱动钻井系统使用一台735KW(1000马力)串激或并激直流钻井马达(如GE752直流马达)驱动主轴。马达转轴两端外伸,转轴靠集电环端装有止推轴承。转轴上端装有刹车轮毂,当气压为620kPa时,16VC600气胎在输出轴上可产生47464N.m静制动力矩。转轴下端装18齿小齿轮,96齿大齿轮借花键装于主轴,减速比为5.33:1,齿轮密封润滑。齿轮箱为厚钢板焊制而成,底部悬挂着管子上卸装置。马达及滑车重量通过连杆由水龙头支承。连杆连接在加长的水龙头提环销上(图3)。（图4）为标准的钻井马达冷却系统。钻井马达所需冷却空气在2.45kPa表压下为793m3/min。在钻井马达上装一台重型压力鼓风机,由另一台15马力、345r/min的防爆交流马达驱动。送风系统在钻井马达下行的最低点(离钻台6m高处)继续吸入空气。钻井马达与鼓风机之间用刚性通风管道相连。强制通风系统出口带有火花制止器, 防止来自井眼的可燃气体的爆炸。

在某些情况下,冷却空气的最低吸入高

1.接线盒;2.水龙头；3.气刹车;4.GE752度必须提高，此时可将通风系统的吸入

钻井马达;5.齿轮(96齿、18齿);6.主轴;

图2

图4

1.火花制止器;2.钻井马达;3.15马力防爆交流马达及离心式鼓风机;4.水龙头;5.刚性通风

管道;6.马达接线盒

口装在游车上,用软管连接再下放至鼓风机。这样, 最低吸入高度离钻台约9m。

如果钻机不能保证提供安全的冷却空气,例如四周围起来的井架, 此时可将一台22kw(30马力)防爆交流马达和一台离心压力鼓风机安装在与猴台相同高度的井架上, 从井架外面吸入冷却空气, 并用一根软管送至钻井马达。

如需要, 也可使用闭合循环冷却系统。系统由两台管式热交换器和两台鼓风机组成, 安装在钻井马达两边, 热交换器由90/10镍铜合金管和集流管组成,它要求冷却液(冷却淡水、海水或乙二醇)最小流量为1511/min(最高温度32℃)。系统亦需要表压为6.86kPa、流量为20m3/min的吹扫空气以保持系统内部压力高于外部, 防止任何外界空气的空气侵入。

3.2.导向滑车总成；

钻井马达导向滑车总成(图5)由两部分组成:

（1）滑车构架(装有导向轮)。

（2）钻井马达构架(支承钻井马达及附件)。

构架均由矩形断面管材焊制而成, 两部分由销子连接。导向滑车在导轨上运行,导轨间距1.57m,51524N.m的钻井扭矩在每根导轨上产生的负荷为32813N。

图5 1.钻井马达构架;2.钻井马达耳抽安装支座;3.S形管支座;4.滑车构架;5.销轴;

6.导向滚轮;7.管束支座

3.3.平衡系统；

平衡系统(图6)在以顶部驱动钻井系统进行上卸扣时能防止钻杆接头丝扣损坏, 这是由系统提供的15.2cm缓冲冲程(与大钩相似)而实现的。需要平衡系统的原因是: 顶部

图6

驱动钻井系统可以不用大钩, 水龙头直接悬

1.水龙头提环;2.大钩;挂在游车上;在有大钩的情况下, 大钩的缓

3.梨形环;4.连接环;5.链;冲弹簧会被悬挂在其下的顶部驱动钻井系统

6.平衡液缸总成;7.水龙头连杆 的重量所压坏。

平衡系统由两个液缸及金属附件、两个液压储能器和液压管汇组成。液缸一头连接水龙头的连杆, 另一头连接大钩吊环耳;或者通过可调节的大断面链条直接连接在游车上(在无大钩的情况下)。

两个液缸和位于导向滑车的钻井马达构架内的液压储能器相连。储能器充以液压油,保持预定压力。该压力由位于导向滑车上的平衡管汇调定。顶部驱动钻井系统所需全部液压能量都来自该管汇。管汇还带有操纵管子上卸装置转矩扳手的液压阀。

3.4.管子上卸扣装置；

管子上卸装置能提起和下放27m长的立根,并能将立根与钻井马达总成相连或分离。它由容量为500t的吊环联接器、转矩扳手、吊环、吊卡、遥控防喷阀启动器及吊环倾斜器组成如（图7）。

管子上卸装置可在井架内的任意高度上紧、卸开钻杆。卸扣扭矩可达81346N.m。

钻井时,管子上卸装置保持静止状态,与穿过其中的钻柱不发生接触。钻井马达通过主轴和保护接头旋转钻柱。转矩扳手与液压管线保持连通, 随时可获液压能量。随着立根向下钻进, 下放至钻台的吊卡由一固定台支承, 钻井马达和转矩扳手继续下放直至与吊卡接触。

座好卡瓦后, 挂合转矩扳手将钻井马达与钻柱卸开,并用钻井马达旋扣。开启吊卡并上提至二层台,扣入另一立根。上提立根,先在钻台上将立根插入钻柱, 再在井架内将主轴和保护接头插入立根。用钻井马达将上下两处的丝扣旋紧。上扣时, 在钻台上打上手动大钳,咬住钻柱。

3.5.动力控制系统；

顶部驱动钻井系统与原转盘相同的都是由同一个可控制硅整流系统操作。动力通过配电柜在顶部驱动钻井系统和转盘之间进行切换，柜内装有直流开关以及切换钻井马达所需动力。柜内还装有程序控制装置以换接到逻辑和报警系统。司钻控制和仪表盘由扭矩表、转速表、控制顶部驱动钻井系统各项功能相应的传动元件和开关以及修改后的原转盘控制系统部分组成。

图7

3.6.辅助设备；

1.带花健的防喷阀;2.吊环倾料器;

辅助设备包括: 旋转吊卡支座、3.主轴;4.旋转头;5.限扭器;PS-16动力卡瓦、液压支持臂、收缩机构、6.吊环联接器;7.防喷阀启动器;液压设备、井架监控系统。

8.转矩扳手;9.标准吊环;

10.标准的BNC钻杆吊卡

4.顶部驱动钻井系统的发展简况；

顶部驱动钻井是80 年代发展成熟起来的一项新技术。自从1982年4月6日第一套不同于已往的顶部驱动装置,在美国阿布扎比近海的Sedenht201号自升式平台钻机上投入使用以来,至1990年底已有362 套顶部驱动装置售往世界各地(见表1)。其中直流电马达驱动装置333台,液马达驱动装置29台。

顶部驱动装置的发展大体上经历了三个发展阶段:(1)小型动力水龙头(Power Swivel);(2)顶部驱动钻井系统(Top-Drive Drilling System),包括大功率、大扭矩动力水龙头加管子装卸装置;(3)侧部驱动装置(Side-Drive Drilling System),包括易卸短节管子装卸装置。第一阶段属于顶部驱动装置的初期试验阶段, 其特点是装置的输出扭矩小, 未配备管子装卸装置, 因而不能有效地进行起下钻, 接立根作业。第二阶段属于顶部驱动装置的发展成熟阶段, 主要的改进和优点: 一是采用了大功率、大扭矩的动力马达(电马达或液马达)以达到适合于钻井的扭矩一转速特性;二是采用了装卸管子的装置。使得能在井架内的任何位置卸开钻柱, 从而发挥了顶部驱动方式突出的优点。而第二个优点正是早期动力水龙头不具备而存在的主要缺点。第三阶段则以研制、发展结构简单、费用低的侧部驱动装置为特点。它与一般顶部驱动装置的不同主要有两点, 一是动力来源原转盘动力;二是采用易卸短节代替扭矩板手, 简化了管子装卸装置。它克服了一般顶部驱动装置大量管线安装及保养的缺点,节省了时间和费用。侧部驱动装置于1987年5月问世,截止1990年底已有6台完善和改进后的装置在北海Penrod使用,3台在英国,3台在荷兰。

4.1.国内发展简况；

顶部驱动技术以及应用顶部驱动技术的设备不断的进行着更新和换代2000年五月底，中国就已经拥有了合计一百多台具有顶部驱动的钻井系统，这其中包括了VARCO的顶驱设备65台、CANRIG的顶驱设备15台，TESCO的顶驱设备16台，NATIONAL 的顶驱设备6 台，以及其他的一些顶驱设备。国内在顶驱行业具有着代表地位并且拥有的技术也处于行业领先地位之一的天意顶驱，已经被广大的企业认可，广泛的应用于各个油田。能及时避免和控制事故的发生，提高了井口工人的安全，减轻了工人的劳动强度，已被国内外石油界专家广泛认可和接受，已成为石油钻井先进装备的代表。顶驱在不断更新换代（VARCO TDS，CANRIG1050E），截止两千年五月底，在中国已经有23 个油田和科研部门拥有100台以上顶部驱动钻井系统。广泛被各大油田企业所应用。

4.2.国外发展简况；

（1）二十世纪八十年代，美国首先研制了顶部驱动钻井系统TDS-3S投入石油钻井的生产。80年代末期新式高扭矩马达的出现为顶驱注入了新的血液和活力。TDS—3H、TDS—4应运而生，直至后来的TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB。

（2）挪威DDM-HY-650型顶部驱动钻井装置：最大载荷6500kN，液压驱动，工作扭矩为55kN.m，工作时最大扭矩为63.5kN.m，工作转速为130—230r/min，液压动力压力为33MPa，排量1600L/min，水龙头吊环到吊卡上平面的距离为6.79米，质量17吨。

（3）加拿大8035E顶部驱动钻井装置：额定钻井深度5000米，额定载荷3500kN，输出功率670kW，最大连续扭矩33.10kN.m，最高转速200r/min，质量为8.6吨。最低井架高度要求39米。

（4）美国ES-7型顶部驱动钻井系统： 采用25kW直流电机驱动钻柱，连续旋转扭矩34.5kN.m，间歇运转扭矩41.5kN.m，额定载荷5000kN，最高转速300r/min，钻井液压力35.1MPa，系统总高7.01米，质量8.1吨。

5.顶驱钻井系统的新发展—侧部驱动系统；

如前所述,顶部驱动钻井较之转盘钻井有许多的优点,现已得到普遍的承认。不过目前几家制造商生产的装置方案基本相同,均使用大型笨重的通用钻井马达在空中转动,所配管子装卸工具(扭矩扳手总成)和相应的控制、冷却系统也十分复杂。因此,1987 年美国维高(Vetco)近海公司针对一般顶部装置存在的不足,大胆设想和制造了一种简单的完全机械式的侧部驱动钻井装置,并采用结构简单、维护方便的EZY机械式易卸短节取代液压扭矩扳手进行管子操作。侧部驱动与常规顶部驱动相比有以下优点:

（1）达到和超过了一般顶部驱动钻井装置的技术规范。

（2）提升系统中, 不必使用既庞大而又十分笨重的钻进马达, 以及马达控制线路系统,缩短了整个装置的高度及减轻了游动系统的重量。

（3）装置不需导向轨道, 也不需井架承受反扭矩。

（4）不必对现用的钻机作大的改造, 井架不必加高和加固。

（5）不再使用复杂的管子操作装置(扭矩扳手)。

（6）减少了总的安装费用和使用及保养费用。据文献介绍, 侧部驱动装置的改造总费用仅为顶部驱动装置改造费用的50%。

侧部驱动装置主要由一套传递转盘动力至上部驱动总成的传动机构、机械式管子装卸装置、上部驱动总成和控制系统四大部分组成。

侧部驱动装置有两点不同于一般顶部驱动装置: 一是动力来源不同, 二是管子装卸装置不同。侧部驱动的动力源来自转盘的动力,经直角传动装置传递给安装于钻台和天车之间的管式驱动轴,在驱动轴外表面上加工的三条对称驱动槽,将转动扭矩传给上部驱动总成,上部驱动总成实际上就是两个相同尺寸的六排齿链轮。从动链轮通过花键安装在水龙头主轴上,主动链轮装在驱动轴上,动力经链轮传给水龙头主轴,从而旋转钻具。在侧部驱动方式中不再采用液力扭矩扳手装卸管子,而是采用易卸短节。易卸短节是一简单的机械式断开短节,它允许仅以70%～75%的上紧扭矩在此处卸开立根,其原理是上扣扭矩是台肩上的摩擦力(台肩摩擦系数×台肩上的正压力)与螺纹摩擦力(螺纹摩擦系数×螺纹上的正压力)产生扭矩的总和。这两个面采用相同的润滑剂。其不同在于卸开方向EZY短节有一台肩环,它允许在卸开方向与钻柱之间有相对运动。这个环形台肩是密封的,采用二硫化钼单独润滑,二硫化钼的摩擦系数比螺纹润滑脂的摩擦系数小。因此,所需卸扣扭矩比上扣扭矩低。

6.顶部驱动钻井装置的缺点及发展方向；

6.1.顶部驱动钻井装置的缺点；

顶部驱动钻井系统从1982年问世以来，世界范围内的使用数字逐年增加。顶部驱动钻井系统也日益得到完善与改进，但各陆上与海上用户在使用过程中，也发现这种新式装备存在一些问题。

（1）管理不善停机；

如果不能很好的加以管理，顶部驱动钻井装置将会造成钻机停机。据美国Varco公司调查，发现在1995年前的相当一段时期内，顶部驱动钻井装置电路故障占其停机修理的42％，而机械故障占其停机修理的58%。

（2）切断钻井钢丝绳；

以TDS一3型顶部驱动钻井系统为例，用它钻三口井总重量为21216 kg，其中包括游动滑车和水龙头，些附加的重量相对于传统的方钻杆——转盘系统来说增加了切断钻井钢丝绳的频率。

（3）海上作业飓风疏散；

一个不利的维护方面就是井架上的钻杆必须在飓中疏散。如果那些钻杆在下套管时不能事先坐定，则须将其放下去。用顶部驱动钻井系统下放作业与方钻杆一转盘系统大体上相同，两者之间唯一的差别就是用方钻杆一转盘系统时在裸眼井中其进尺数决不会超过2m钻杆，而顶部驱动钻井系统在裸眼井中随时都可保持预期的进尺数。举例来说，井架上包括1219 m套管5486 m钻杆需要12到14个小时才能部被放下来。

因此，顶部驱动钻井装置在实践中仍有继续改进。

6.2.顶驱装置的改进方向；

（1）顶部驱动钻井装置目前还不能实现自动钻进；

它只实现了钻机的局部自动化，还没有将司钻从刹把前解放出来。如能将顶部驱动钻井装置与盘式刹车自动控制钻压、控制动力水龙头转速等等参数结合起来，实现司钻盼望的自动送钻等，必将使钻机自动化跃上一个新的台阶。

（2）顶部驱动钻井装置自身重量大，减小了游动系统的有效起重量，增大了钢绳、轴承等机件的磨损甚至破坏率，因此必然引起其他机件设计、制造、材料等方面的改进。

（3）顶部驱动钻井装置自身重量大，减小了游动系统的有效起重量，增大了钢绳、轴承等机件的磨损甚至破坏率，因此必然引起其他机件设计、制造、材料等方面的改进。

7.对我国发展顶部驱动钻井系统的意见；

（1）我国发展顶部驱动钻井系统的战略应是先海洋后陆地。

（2）为了提高我国海洋钻井的效率和在国际上的竞争能力,应尽早用顶部驱动钻井系统装备我国海洋钻机,比如“985”钻井平台应该尽可能的采用。（3）在我国陆上钻机中选择几个有代表性的地区和井类(主要是斜、深、难), 试点研究顶部驱动钻井系统的应用。

（4）加速研制我国自己的顶部驱动钻井系统。原定研制的顶部驱动方案主要用于海洋钻机。

（5）考虑到陆上钻机装备顶部驱动钻井系统时进行技术改造困难, 应对目前国外正在发展中的侧部驱动方案予以充分的重视。今后如引进外国顶部驱动钻井系统时, 应注意引进侧部驱动方案的, 以便进一步的深入了解。

邹迪、1103010325 杨龙、1103010329 唐林、1103010313

第三篇：顶驱大修标准

顶驱DQ450DBZ大修检测标准项 当刹车盘厚度小于10mm时，需及时更换刹车盘，当刹车片厚度小于4mm时，需及时更换刹车片。刹车片受油或脂的污染后将失去刹车能力。刹车片若吸收过多的油脂，应及时更换刹车片（游标卡尺测定）。提环磨损量超过2mm时应降低其承载重量，磨损超过4mm时应及时更换（游标卡尺测定）。清洗鹅颈管，S形管内孔并目测是否存在凹陷，磨损或腐蚀（注：可使用手电筒和镜子目测检查，如果目测检查有凹陷,磨损或腐蚀点存在，请使用超声波探索检测）。检查主电机转子径向跳动度≤0.25，（百分表测量）转子与主轴使用胀套固定，胀套螺栓扭矩值达到355N.M；刹车盘与主轴使用胀套连接，胀套螺栓扭矩达到230N.M（扭矩扳手测量）。检查旋转头内调心圆柱滚子轴承游隙0.18-0.30mm，检查方法：用转角法（将承力螺母左旋装入，确实装紧，不留间隙，然后在将承力螺母右旋15-27度以此作为承力轴承的游动间隙。检查承力螺母下端防松卡箍与主轴轴肩凹槽是否有间隙，若有间隙，请更换防松卡箍（塞尺检测）。旋转头大齿轮与马达小齿轮侧隙为0.35-0.6mm,、涂红丹粉检查齿高、齿宽接触班点达45%和60%；两齿轮的端面平行,并使马达齿轮与旋转头齿轮对中高误差在≤2mm范围内（塞尺检测）刹车盘轴向跳动度≤0.2；刹车盘间隙均匀；轻微制动后其接触面积不小于75%。9 检测保护接头最低端圆柱面径向跳动量不大于1.2mm（百分表测量）。防松箍组件是否有松动。密封压盖与承力螺母接触面是否有油脂渗出（目测检查）。11 增扭装置扭矩190NM, 刹车盘胀套螺栓扭矩350NM（扭矩扳手测量）。吊环倾斜机构检查及维护保养说明。支撑板连接螺栓是否有松动。吊环倾斜油缸缸体双耳板连接处、活塞杆端部耳板与关节轴承转动是否灵活。吊环吊耳磨损情况检查（4处）（目测检查）。梨形环是否有磨损、裂纹（2处）

1、平衡油缸活塞杆穿梨形环用销是否磨损，挡板固定螺栓是否松动（2处）

2、缸体销轴开口销是否遗失（2处）（目测检查）。全部的导向轮、承载轮磨损情况，是否存在不对称磨损或遗失（目测检查）。冲管和内防喷器需进行静压力试验。进行如下逐级加压（静压）试验循环两次：试压一阶段，水压1.75Mpa,保压3min,试压二阶段，水压15Mpa,保压3min，试压三阶段，35Mpa,保压5Min.试压四阶段，卸压到零位。两次循环之间，应使构件的所有外表面彻底风干。在试验压力达到稳定，设备及压力监测装置同压力源隔断之前，保压阶段不得开始计时。试验要求，目测密封及接头无渗漏。

1、主轴螺纹及承力螺母螺纹是否存在裂纹或磨损；

2、主轴安装防松箍组件凹槽磁粉探伤 承力螺母磁粉探伤

17旋转头整体进行磁粉探伤或超声波探伤，检查是否有裂纹或内部损伤

1、弧面区域进行磁粉探伤； 2、90°范围内进行超声波探伤。提升箱体整体进行磁粉探伤或超声波探伤，检查是否有裂纹或内部损伤。环形区域面进行超声波探伤检查。检查提环耳孔区域面磨损情况并进行磁粉探伤。19保护接头最低端圆柱面径向跳动≤1.2mm（百分表测量），刹车盘下端圆锥滚子轴承轴向游隙0.30～0.4mm（百分表测量）。

第四篇：南海东部油田平台顶驱互换调研报告

南海东部油田平台顶驱互换调研报告

南海东部油田有近二十座钻修井平台，各平台钻机系统的顶驱配备情况如下所示：

从LH11-1油田“南海挑战”号平台更换下来的顶驱为VARCO的TDS 4S改进型，直流电机驱动，直流电源的可控硅部分因为与钻井绞车、泥浆泵等电源同为一体，无法单独拆分，仍然保留在平台上，直流电源的磁场部分已经拆出，现与顶驱机械部分一起存放在赤湾库房。

从目前南海东部地区各平台的顶驱配置情况来看，目前这台TDS 4S顶驱系统暂时只能用在“南海挑战”号平台上，如果要用在其他平台，需要做如下相应的改造：

另外，NATIONAL PS500系列顶驱的双轨道与VARCO TDS 4S顶驱的双轨道是否间距相同还需要核实。其他顶驱的单提环与TDS 4S的单提环是否适用同样直径的提环销也还需要进一步核实。

目前中海油服钻井事业部有多个钻井平台配备的是VARCO TDS 3S 或TDS 4S顶驱，勘探三号平台配备的也是VARCO TDS 3S顶驱。从技术角度出发，“南海挑战”号平台更换下来的这台顶驱可以与上述平台的顶驱进行互换。

2008-2-2

第五篇：国外先进顶驱及其未来发展

国外先进顶驱及其未来发展

当今世界各国的石油开采都离不开顶驱，何为顶驱？顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS，是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS，是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。目前全世界已有上千万台顶部驱动钻井装置在海上和陆地使用，充分显示了它的强大生命力。一·顶驱的研制成功-历史性的跨越

20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。但在延续近百年的钻盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。其一，由于起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。其二，由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工、效率低，劳动强度大。而所谓的顶部驱动，则是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。因而，由于各种原因引起的通卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25％左右。国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜32度、井深2981m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。生产顶部驱动钻井装置的厂商也由当初的美国、挪威扩展到法国、加拿大等4个国家的7家公司。之后，中国、英国也加人到顶部驱动装置的生产行列，人类实现了钻机自动化进程的阶段性跨越。

总之，顶部驱动钻井装置是当今石油钻井中的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果之一，另两项技术成果为交直流变频电驱动系统（AC-SCR-DC电驱动）和井下钻头增压系统。二·挪威MH公司顶部驱动钻井系统

挪威MH（Maritime Hydraulics）公司从1984年开始研制海上钻井平台用的DDM系列重型顶部驱动钻井装置，如DDM-650型、DDM-HY-650型、DDM-HY-500型、DDM-EL-500型多种顶部驱动钻并装置，为适应陆地钻井的要求，MH又研制了PTD系列的轻便式顶部驱动钻井装置，现分述如下。1．DDM-650型顶部驱动钻井系统

DDM-650型产品就是MH公司首先研制的顶部驱动钻井系统。DDM-650型顶部驱动钻井系统由15个部件组成：

1）水龙头。Wirth公司 6500 kN水龙头;2）电动机。交流电动机，采用调频变速。也可用直流电动机；3）齿轮减速器：是根据Wirth公司转盘设计准则进行设计的；4）机械齿轮销。由遥控进行操作；5）钻杆操纵接头。气动或液压驱动均可；6）钻杆操纵旋转环。带有滚动轴承；7)吊卡定位电动机。可将钻杆操纵装置自动退回到预定位置；8）液压缸。液压缸具有两种功能，一是提升悬挂器，另一个功能是提升伸缩接头；9）悬挂器。名义载荷为6500 kN，带有凸台悬挂吊环，其悬挂器杆可以垂直移动 600mm；10）吊卡游动执行机构。用于鼠洞（放方钻杆用）上扣联接钻杆接头；11）伸缩接头。在垂直方向可以伸缩500 mm，主要用于公接头进入母接头或者提出工具接头；12）伸缩接头支撑组。用于支撑防喷器操作器和扭矩扳手以及垂直伸缩运动伸缩接头；13）远距离控制阀。由液压操作器进行控制；14）扭矩扳手。适用于φ120.65~φ196.85的钻杆卸扣，卸扣扭矩为82.95kN•m15）钻杆吊卡。MH型气动吊卡。

DDM-650型顶部驱动钻井系统额定载荷为6500kN，最高工作转速为290 r/min，交流电动机功率为760kw，利用变频调速（直流电动机功率为740 kw）。液压动力装置550 kw，油压16 MPa，排量 160 L/min。2．液压顶部驱动钻井系统系列产品

近些年来，挪威MH公司利用本公司擅长的液压技术又研制了液压驱动顶部驱动钻井系统，目前已发展成为3种系列产品。

l）DDM-HY-650型顶驱是一种大扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为6500 kN，液压驱动，工作扭矩为55 kN•rn，最大为63.5 kN•m，工作转速为l30～230 r/min，液压动力压力为 33 MPa，排量 1600L/min,水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.79m。2)DDM-HY-500型。是一种标准扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为5000 kN，液压驱动，工作扭矩为对42.1KN•m，最大为50 KN•m，工作转速为125～225r/min,液压动力压力为 33MPa，排量 1600L/min, 水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为5.04m，质量为15t。3）DDM-EL-500型。最大载荷为5000 kN，采用AC-SCR-DC电驱动，工作扭矩为42.3 kN•m, 最大为48.9 KN•m,工作转速为160～197r/min,齿轮速比为5.84, 水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.65m,质量为19t。在PTD系列顶部驱动钻井装置中近几年研究开发的PTD-410型顶部驱动钻井装置，取消了原来PTD-HY-500型和PTDEL2PA44-500W型两种顶部驱动钻井装置，形成了PTD-410型和PTD-500型等4种规格系列顶部驱动钻井装置，全部采用液压驱动。三·法国Acb公司顶部驱动钻井系统

法国Alsthom公司的子公司Acb公司，研究开发了BRETFOR 500型顶部驱动钻井装置，分为液马达和直流电动机驱动两大类。在水龙头-钻井马达总成中不同类型的钻井马达位置各异，不仅马达，而且相关的气动刹车、鼓风机等都改变了。

BRETFOR 500型顶部驱动钻井装置额定载荷为5000 kN，在 50 r/min时载荷为 3350 kN，钻井中液压力为351 MPa，水龙头冲管直径为76.2mm，采用液压马达驱动钻柱旋转，钻柱最高工作转速为 240 r/min, 最大上扣扭矩为 55.30 kN•m，利用液压油缸进行卸扣，最大扭矩为 127.19 kN•m，如果利用液压油缸和液压马达同时卸扣，最大扭矩达 182.49 kN•m。方钻杆阀通径为φ76.2 mm，利用遥控液压元件进行控制。

Acb公司认为：采用液压驱动顶部驱动钻井装置部件的结构设计刚性较好，使用寿命长，特别适用于钻井时的振动工艺要求。液压驱动在0 r/min时还具有全扭矩。工作时没有火花，输出扭矩较大等，确保钻井安全可靠，处理事故能力强。

四·加拿大Tesco公司顶部驱动钻井系统 加拿大Tesco公司从1993年开始研制陆地钻井井架使用的顶部驱动钻井装置，原来只生产150 HMI型、500HS型、500HC型等三种规格的液压驱动顶部驱动钻井装置，到2003年共生产312台。由于电驱动顶部驱动钻井装置具有更好的钻井性能和适应性，从1996年开始生产AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机。产品销路很好,上市后一年多就售出9台。目前，Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶部驱动钻井装置已经基本上形成了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等5种规格系列

加拿大Tesco公司生产的500ECI型650ECI型AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，分别均采用美国Kaman公司两台PA44型永磁同步电动机。其电动机和AC变频调速系统是由美国M-1型坦克电力拖动系统移植而来,属于成熟、先进的军工技术。该电动机具有单位功率质量轻的优点，转子用钛合金制造，壳体用铝合金制造，总体质量较轻，从而减轻了顶部驱动钻井装置质量。此外，质量轻转动惯性较小，电动机转换时不需要制动器，由全速到静止只需 5S，由静止到全速小于5S。电动机外型尺寸因此也减少了三分之一，对顶部驱动钻井装置总体布置也很有利。电动机转子采用铷铁硼磁性材料制造，形成恒定的转子磁场作用，其磁场强度与外界旋转磁场的转速无关，允许定子旋转磁场的转速较低；也就是电动机在低转速条件下，也具有很好的调节与使用性能。例如该电动机在0～lr/min时仍具有额定扭矩。该电动机没有换向器，在工作时不发生火花，提高了钻气井或天然气较多的油井的安全性。该电动机将输入电能转换为机械能的转换效率为95％。每个电动机各有一个独立的液体、空气冷却系统，将电机发生的热量带走，以确保电动机正常运转。减速齿轮箱的齿轮速比为14.66和18.33，用压力喷油方式进行润滑，并对润滑油的油温进行监控。五·加拿Canrig公司顶部驱动钻井系统

1.Canrig 公司AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置

Canrig公司生产6027E、8035E、1050E、1165E等4种规格单速传动顶部驱动钻井装置，其中6027E型顶部驱动钻井装置，有传动比5.563和9.387两种，1050E顶部驱动钻井装置也有传动比5.0和7.12两种，可由用户任选。此外还生产6027E-2SP、6170E-2SP-HELL、1050E-2SP、1165E-2SP型等4种规格双速传动顶部驱动钻井装置。全部采用AC-SCR-DC电驱动形式。2.Canrig公司AC变频电驱动顶部驱动钻井装置

Canrig公司于1998年夏天研究开发了第一台额定载荷为6500kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，安装在西非近海一艘深水钻井船上进行钻井。此外，还研究开发了小型石油钻机用额定载荷为1500kN、2750kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，以及大型石油钻机用的额定载荷为5000kN、7500kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，基本上形成了1500kN、2750kN、5000kN、6500kN、7500kN等5种规格AC变频电驱动顶部驱动钻井装置系列。其中额定 6500kN AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国GEB20 AC电动机，配套Vnico公司变速、矢通量传动装置，在钻井时可输出平衡的扭矩，而且在单速传动顶部驱动中，可获得宽广的调速范围，并给出最好的钻井性能和钻井特性曲线。能够更精确的调节和使用工作转速和工作扭矩。

六·美国National-Oilwell公司顶部驱动钻井系统

美国National-Oilwell公司原生产PS-350/500型PS-500/650型和PS-500/650(双速)型等3种规格顶部驱动钻井装置。近两年又研究开发了PSZ-650/650型和PSZ-750型两种双速传动机构顶部驱动钻井装置，并把PS-500/650型顶部驱动钻井装置改进为PS-500/500型顶部驱动钻井装置；PS-500/650型（双速）型顶部驱动钻井装置改为PSZ-500/500型顶部驱动钻井装置，保留了PS-350/500型顶部驱动钻井装置，组成了5种规格新系列顶部驱动钻井装置。全系列顶部驱动钻井装置可选用AC-SCR-DC电驱动型式，GE752型串激或并激DC电动机，也可选用AC变频电驱动型式，AC电动机。AC变频电驱动具有更好的钻井性能。

National-Oilwell公司的顶部驱动钻井装置，根据需要可组成多种形式的系统高度。例如 PS-500/500型顶部驱动钻井装置，采用660-H-500型游车和GA-500型大钩组合，系统高度为14.783m，采用660-GA-500型游车大钩组合，系统高度为14.3m，采用660-H-500型游车组合,系统高度为12.319m，采用660-GA-500型只有游车组合，系统高度为 11.129m, 采用动力水龙头游车组合，系统高度最小为9.703m.七·美国Bowen公司顶部驱动钻井系统

Bowen公司自20世纪50年代以来，一直生产令油田用户感兴趣的小型修井机用动力水龙头，近年来又研制与生产了ES-7型顶部驱动钻井系统。其主要特点如下：

l）采用625 kw直流电动机驱动钻柱旋转，连续运转扭矩为34.kN•m，间歇运转扭矩为41 kN•m。

2）额定载荷为 5000 kN，钻柱最大工作转速为 300r/in钻井液循环管道内径为76.2 mm，钻井液压力为35.MPa，系统总高度为7.1 m，水龙头质量8.1t。3）电动机通过行星齿轮减速器后驱动钻柱旋转。空心的电动机轴由上部鹅颈管延伸到齿轮减速器的套管来防止钻井液的腐蚀作用。改进型GE电动机，由使用水-空气换热器的封闭型空气冷却系统进行冷却，冷却根据水源情况可以是新鲜水或海水。

4）钻柱的拉伸载荷由环杆与齿轮减速器连接来承受，齿轮减速器带有减震垫，以适应井架中的垂直导轨支撑反扭矩。利用AC-SCR-DC控制系统对电动机进行控制和改变工作转速。

5）扭矩吊卡是一种在旋转钻柱时能传递扭矩的吊卡。而液压接头拆卸装置是用液压松开吊卡和钻杆之间联接销的装置。

6）ES-7型顶部驱动钻井系统备有钻杆内防喷器，可以提供更可靠的控制防喷功能。