顶部驱动钻井系统
第一部分
顶部驱动钻井系统概述
一
顶部驱动钻井系统简介
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。
（图一 顶部驱动钻井系统）
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
二
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。
第二部分
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：
一
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。
二
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。
三
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。
四
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。
第三部分
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。
一
钻井马达和水龙头总成
（图2）钻井马达和水龙头总成
1.接线盒; 2.水龙头；3.气刹车; 4.GE752钻井马达; 5.齿轮(96齿、18齿); 6.主轴
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。
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
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度必须提高，此时可将通风系统的吸入口装在游车上,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。
二
导向滑车总成
钻井马达导向滑车总成(图5)由两部分组成：
（图5 钻井马达导向滑车总成）
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
（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。
三
平衡系统
（图6 平衡系统）
1.水龙头提环; 2.大钩;3.梨形环; 4.连接环; 5.链;6.平衡液缸总成; 7.水龙头连杆
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: 顶部驱动钻井系统可以不用大钩, 水龙头直接悬挂在游车上; 在有大钩的情况下, 大钩的缓冲弹簧会被悬挂在其下的顶部驱动钻井系统的重量所压坏。
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。
四
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）。
（图7）管子上卸扣装置
1.带花健的防喷阀; 2.吊环倾料器;3.主轴; 4.旋转头; 5.限扭器;6.吊环联接器; 7.防喷阀启动器;8.转矩扳手; 9.标准吊环;10.标准的BNC钻杆吊卡
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。
五
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。
六
辅助设备
辅助设备包括: 旋转吊卡支座、PS-16动力卡瓦、液压支持臂、收缩机构、液压设备、井架监控系统。
第四部分
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
一
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。
二
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。
第五部分
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。
第六部分
顶部驱动钻井装置的缺点及发展方向
一
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。
二
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。
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