顶驱培训教材A4

第一章 概 述 近20年来，顶部驱动钻井装TDS（TOP DRIVE SYSTEM）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。目前在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用于打中深井（井深L= 2000～4500 m）、深井（井深 L=4500～6000 m）超深井（井深L＝6000～9000 m）的日益增多。该产品自20世纪80年代初开始研制，到现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS （INTEGRATED TOP DRIVE SYSTEM）。全世界目前已有上千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。 应当说，从世界钻井机械的发展趋势上看，为适应钻井自动化的进步需求，顶部驱动钻井装置和井下钻头加压装置，必将成为21世纪世界钻井机械发展的重要方向，它符合新世纪钻井自动化的历史潮流。目前我国赴国外工作的钻井队，如果钻机上安装了顶部驱动钻井装置，投标竞争中将优先中标，可见顶部驱动钻井装置已到了非用不可的地步。 第一节 顶部驱动钻井装置的发展历程 一、什么是顶部驱动钻井装置 顶部驱动钻井装置是美国、法国、挪威近20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，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，参见图1-1。该图表明顶部驱动钻井装置主要由三个部分组成：导向滑车总成、水龙头-钻井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。钻井实践表明：这种系统可节省钻井时间20% ～30%，并可预防卡钻事故的发生，用于钻斜井，钻高难度的定向井时经济效果尤为显著。 二、历史性的新跨跃 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。 三、顶部驱动钻井装置研制过程 1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生 首先让我们简单回顾一下中国和世界石油钻井业的发展概况。 众所周知，我国是世界上钻井发展得很早的一个国家，有史料可考的，公元前250年，中国人即用手工凿井。北宋中期，在四川用简单顿钻冲击打气井，钻到160 m。宋人沈括在其名著《梦溪笔谈》一书中，介绍了陕西延长地区的“脂水”，第一次命名它为“石油”，并预言“此物后必大行于世”。1907年，我国使用日本钻机在延长地区（今延长油矿）打出中国大陆第一口油井，井深81 m ，“见旺油”，这就是著名的“延一井”。我国陆上石油的近代工业化开采实际开始于此。新中国成立后，我国石油、天然气工业有了巨大的进步，从1957年太原矿山机器厂制造了国产第一台 1200 m轻型钻机开始，旋转钻机逐渐得到了普遍的应用。现在我国已经成为世界第五大产油国。 就世界油气钻探历史而言，顿钻、旋转钻、冲击回转钻进，称为近代油气钻探的三大重点技术。世界公认的的第一口油井，是美国人1859年用顿钻法钻成功的。大约1900年转盘钻井法在美国开始出现，钻井工艺得以革新，出现了伟大的转折。1901年美国首先钻出世界上第一口高产油井。 但是与钻井业进步并存的是，繁重艰苦的钻井劳动，笨重的钻机、钻具操作以及安全等等问题，使得实现钻机自动化，成为了几代钻井人的长期愿望。石油钻井多年以来一直采用标准的转盘和方钻杆钻井方法，利用转盘、方钻杆、钻杆大钳、卡瓦、卡瓦座和方补心接单根，从而把钻柱连接在一起。除了如方钻杆旋扣器这样小的改进外，这种接单根的方法几十年中实际上并没有发生重大的变化。 20世纪70年代以来，出现了动力水龙头。由于改革了驱动方式，可用水龙头直接驱动钻具，在相当程度上改善了钻井工人的操作条件，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扣的问题，即是说并未从根本上摆脱转盘，也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、液压大钳等等，局部解决了钻杆移位、连接等等问题，但都没有达到石油人盼望的理想程度。 随着科学技术的进步，出现了现代化的顶部驱动钻井装置，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，转盘-方钻杆打井模式已成历史，钻台上方的钻井设备面目为之一新。 2 .顶部驱动钻井装置研制过程 1）美国 Varco BJ公司的研制历程 Varco BJ公司大致经历了两个阶段的研制发展过程： 第一阶段：20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研制顶驱，经过二十年的努力，在1981年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装置TDS-2型的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，但后者未能投产。1983年生产了单速（速比为5.33：1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了工业标准，这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的方式。这个阶段历时5年，至1988年研制开发了具有新标准的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同年还生产了单速（速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生产的一种产品。 至20世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机上得以应用。到85年Varco公司共销售顶驱82台。BJ公司从1985年开始生产销售顶驱，到1988年共销售顶驱8台，随后被Varco公司兼并，到1991年Varco BJ 公司共销售顶驱312台，其中300台用于海上钻井平台，中国当时有四台全用于海上钻井平台。 第二阶段：20世纪90年代。这一阶段的特征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 l－2）、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上，得到广泛应用。随着钻井深度的增加，要求驱动更大重量的钻柱，于是设计了双马达驱动的顶部驱动钻井装置，它具有单速传动（速比5.33：1），命名为IDS-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等诸型号的顶部驱动钻井装置。 1993年后，研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，是一种具有单速比6.00：1、紧凑的行星齿轮驱动的更先进的装置，它是真正意义上的整体式顶部驱动钻井装置。由TDS发展到IDS型，即由顶部驱动钻井装置，发展到整体式顶部驱动钻井装置，这在顶部驱动钻井装置的历史上实现了新的飞跃。1994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升能力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。1996年后该公司更研制出 500 t的TDS-11SA型及轻便的250 t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以TDS-10SA型引人注目，它具有低购置成本、轻便、高可靠性及低维护费等优越性，其紧凑尺寸使它可用于小型修井机和轻便钻机上。TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音，并可获得225 r/min的最高工作转速。值得称道的是，该顶部驱动钻井装置由2台交流变频电机驱动，电机上没有电刷、电刷齿轮或转换开关，交流电机内没有产生电弧的装置，同时顶部驱动钻井装置本身带有液压系统，不需要单独的液压装置和液压油管汇，这些新的设计降低了顶部驱动钻井装置的维护和配件费用。 这里需要指出的是，Varco BJ公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马达的顶部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的顶部驱动钻井装置研制。以1994年后生产的TDS-11SA型为例，它使用一对400hp的交流驱动电机，重要较轻，尺寸较小，是顶部驱动钻井装置的心脏，而产生的扭矩特性却接近于一台1100hp的直流电动机。选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少，无污染、作业范围大，满扭矩负荷时可以达1min，而无电火花，安全性好，因此得到用户认可。还应看到，交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可使用 750 V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种灵活性使得它使用范围宽广。 表1- 1中以将 Varco BJ公司的IDS型和 TDS型顶部驱动钻井装置主要参数性能进行了对比。 表1-1 VARCO系列顶驱主要参数 顶驱 型号 IDS-1 TDS-4H TDS-4S TDS-8SA TDS-9SA TDS-10SA TDS-11SA API提升载荷（KN） 5000 6500或7500 6500或7500 4000 2500 5000 电动机型式 GE752并激高扭矩DC电动机 GE752串激式并激高扭矩DC电动机 GE GEB-20A1AC电动机 RelinceElectric双AC电动机 RelinceElectricAC电动机 RelinceElectric双AC电动机 减速器齿轮比 6.0 5.08 7.95 8.5 10.5 13.1 10.5 连续工作扭矩kN·m 48.16 串激 82.80 86.94 标准 高速 标准 高 低 44.5 70.29 27.6 10.2 54.8 50.3 间隙工作扭矩kN·m 48.16 59.8 93.5 129.78 63.46 50.3 18.4 63.5 75.9 最高转速r/min 173 190 120 195 228 182 500 228 228 上卸扣装置及扭矩kN·m PH-60 PH-85 PH-100 PH-50 PH-50 PH-50 82.8 117 138 69.0 69.0 69.0 适用钻杆尺寸mm 89～127 89～168 89～168 73～127 73～127 89～127 系统高度 6.9m 7.9m 6.3m 6.3m 5.4m 4.7m 5.4m 系统重量 19.4t 10.9t 8.2t 12.3t （2）中国的研制发展过程 我国从20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北京石油机械研究所、宝鸡石油机械厂及大港石油管理局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家积极合作，克服资料、材料不全等许多困难，认真按照计划执行。突出的是打破了国外关于空心电动机的垄断，解决了一批机、电、液、气一体化的技术难题，于1995年完成样机，并在台架试验中不断改进完善。1997年4月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进行工业试验，适应多种复杂钻井要求，当年胜利完成任务，完钻井深5649m，垂深5369 m，水平位移550 m，井斜角 70度。该井在试验期间，起下钻约50次，多次遇阻遇卡，利用顶部驱动钻井装置均能顺利通过。国产顶部驱动钻井装置的成就，宣告了我国DQ-60D型顶部驱动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阶段跨越，我国已经成为世界上第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家。1997年12月国产顶部驱动钻井装置通过了原中国石油天然气总公司的鉴定，鉴定书中认为：“该装置是结合我国实际情况，参考国外技术，自行设计并研制成功的大型机电一体化设备，填补了国内空白，并在总体技术上达到国外90年代先进水平。”之后，该项目荣获原中国石油天然气总公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖。 我国生产的DQ-60D型顶部驱动钻井装置，名义钻井深度6000m；最大钩载4500KN，动力水龙头最大扭矩40 kN·m，转速范围0～183 r/min，无级调速；直流电机最大输出功率940 kw；倾斜臂最大倾斜角，前倾30度，后倾15度；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩80kN·m；上卸扣装置夹持钻杆范围φ89~φ216 mm（3.5～8.5in）。在工业试验中，经历了跳钻、蹩钻、划眼等多种考验，表明DQ-60D型产品的性能优良，质量可靠。 DQ-60D型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动，故主轴可无级调速、扭矩可任意设定，其倾斜臂为双向的，不仅可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆；而且可实现后倾．在下钻时，使2个吊卡交替应用，非常方便。DQ-60D型产品采用了液压驱动回转头，而且是正反转互锁的。现场实验表明，回转头与倾斜臂动作协调，操作方便、快捷，而且实现了上卸扣机构的动作与回转头旋转互锁，保证了工作安全。由于上述革新，使DQ-60D型产品较国外产品更进一步发挥了顶部驱动的优越性，在钻井遇阻、遇卡时，可迅速接上钻具划眼或倒划眼，避免事故发生；在井喷、井涌时可迅速关闭内防喷器，防止井喷；在钻井时实施立根钻井，提高钻井速度，使我国DQ-60D型顶部驱动钻井装置赶上了90年代同类产品的世界先进水平。 目前，宝鸡石油机械厂已生产DQ-60D1型顶部驱动钻井装置，供应用户。 第二节 各型顶部驱动钻井装置简介 除了上述美国Varco BJ公司及中国宝鸡石油机械厂生产的顶部驱动钻井装置外，本节中将扼要介绍其它几家公司，主要是海洋石油生产大国挪威（人均产油约为 34.3万吨/年）、法国、加拿大及美国有代表性的几家公司的产品。 一、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·m 15）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。 3.PTD系列轻便顶部驱动钻井装置 MH几种陆用便携式顶驱参数表 型号 PTD 500 HY PTD 500 AC（800HP） PTD 500 AC-2M PTD 410 HY 承载能力 500 吨 500 吨 500 吨 500 吨 持续扭矩 57000 Nm 40600 Nm 81200 Nm 38000 Nm 42000 lb ft 30100 lb ft 60200 lb ft 28000 lb ft 最大速度时扭矩 33200Nm 25500Nm 51000Nm 19000Nm 24500lb ft 18800lb ft 37600lb ft 14000lb ft 最大转速 235RPM 216RPM 216RPM 200RPM 最大扭矩是转速 140RPM 143RPM 143RPM 90RPM 最大动力输出 1066kW 670kW 1340kW 533kW 1430HP 900HP 1800HP 715HP 重量（包括导轨） 5700Kg(12670lb) 11400Kg(25130lb) 15000Kg(33070lb) 5600Kg(12300lb) 长度 3.1m（10.2ft） 4.72m（16.8ft） 4.72m（16.8ft） 3.1m（10.2ft） 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。 二、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。 三、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（见表1－3）。 表1-3加拿大Tesco公司顶驱系列主要参数 型号 150HMI 500HC/HCI 650HC/HCI 500ECI 650ECI 额定载荷，kN 1500 5000 6500 5000 6500 最大扭矩，kN·m 28.98 74.52 59.34 195 59.34 最高转速，r/min 220 205 205 195 195 长度，m 3.809 5.981 6.676 5.981 6.676 宽度，m 0.838 1.066 10244 1.37 1.42 质量，t 3.174 7.256 8.163 7.256 8.163 功率，kw 349.2 551.4～808.8 551.4～808.8 2╳667.1 2╳667.1 动力机 196型液压马达 2╳136型、2╳164型、2╳196型液压马达 2╳136型、2╳164型、2╳196型液压马达 2╳PA44型永磁同步电动机 2╳PA44型永磁同步电动机 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。 AC变频控制系统的逆变器．将电动机的电感负载与电网隔开，与AC-SCR-DC电驱动形式相比，提高了电网的功率因素。此外，逆变器在整流之后，不采用SCR可控硅器件进行变频，采用最先进的IGBT电子器件进行控制，可在一个周期内对脉冲宽度调制信号进行多次开关控制。与用SCR可控硅器件进行变频相比，其工作转速和工作扭矩调节控制更加精确。供给电动机可变频率最高可达30KHz，最高转速可达2860r/min，电动机转速控制精度可达＜±10 r/min。 根据已投入运行的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置统计结果，系统累计停机率＜0．4％，AC变频控制系统运行良好，可靠性较高，但价格与AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置相比，要高5％。 Tesco电动顶驱采用的永磁、无碳刷、同步电机，具有以下特点： 1、体积小、重量轻，每台电机仅重395磅（179公斤），是交流感应电机重量的八分之一到十分之一左右。 2、抗震击性能好，曾经在加拿大肯廷钻井公司进行打井时经历了39天连续震击（跳钻），电机及整个顶驱的载荷通道均未受到任何影响。产生永磁电机的Kaman电磁公司还成功的为荷兰皇家海军进行了60倍于重力加速度的三轴（三维）满负荷冲击试验，结果证明对永磁电机没有损害，没有性能降级。这一点采用交流感应电机的其他厂家是无法相比的。 3、Tesco电机中的转子上无线圈，因此电机产生的热量比交流感应电机要少。 4、Tesco电机中的转子仅83磅重，故电机能以较低的启动电流启动，对电网动力要求较低。另外，电机从最高转速2860rpm在不到5秒钟之内就可以停住，因此电机无需惯性刹车。 永磁电机不需外接交流电产生它的磁场，转子周围有28块钕铁硼永久磁铁。因此，当定子磁场以1rpm这样慢的速度旋转时，转子也能以1rpm的转速同步跟进。而交流感应电机属于异步电机，其中的转子旋转的速度总略慢于磁场旋转的速度。其特性决定了此类电机适合恒速大扭矩输出，在低电机转速的情况下，它很难准确控制转速以及非常稳定的控制扭矩。 当永磁电机处于零转速时，它可向钻柱施加全扭矩，而且能够连续施加全扭矩持续无限长的时间。这一特点对于特殊作业非常有帮助：在倒扣作业的时候，不仅需向被卡钻柱施加很大的反扭矩，而且需要持续足够长的时间。而交流感应电机在零转速下持续施加全扭矩时，它所施加的扭矩小于最大扭矩，它所施加的扭矩只能持续有限时间，不足以完成倒扣作业，因此必须借助抓握器（背钳）来代替它的电机锁定反扭矩，但这样一来就无法测定反扭矩的数值，且不便释放扭矩。而Tesco的电机由控制系统慢慢的释放反扭矩。 5、Tesco电机为全密闭式，无论电闪雷鸣，刮风下雨均不会受影响。而普通电机的控制电缆易受雨水影响。 6、Tesco的顶驱驱动控制系统采用冗余的MD500系统，即每台电机都有一套独立的驱动控制系统，这就比原来的一对二系统多了一套控制系统，更确保了顶驱系统不中断作业的能力。 7、Tesco的电机采用乙二醇/水（50/50）的混合液进行冷却，其效率比空气冷却高得多，密封性很好，从未出现任何渗漏现象。所以Tesco的电机可以在-60°C 到 55°C的恶劣环境下工作，最高工作温度为180°C，而其他厂家电机的工作温度仅为160°C。 8、Tesco顶驱拥有两项世界专利：扭矩导轨系统和水平位移机构。扭矩导轨没有采用滚动性部件，而是用高分子量聚氨脂作扭矩衬套。这种方式的好处是无需保养，无需上润滑脂。水平位移机构只有Tesco顶驱才具备，而其他厂家的水平位移机构需要移动整个导轨，而且移动后的导轨与钻台面不垂直，故从小鼠洞连接不容易对扣，而且容易损坏钻具丝扣。 9、Tesco将辅助液压系统放置在地面，而其他厂家将整个辅助液压系统甚至包括油箱以及所有的管线均放置在顶驱壳体内部，这种布局有两缺点： 顶驱工作时顶驱内部工作条件恶劣，在跳钻、震击时表现的更加突出，这种环境会对液压系统的管线、接头和阀件造成威胁，更是生产的故障隐患。 这种布局的顶驱，只有在停机的情况下才能对液压系统进行检查和维修。 相比之下，Tesco的液压系统的布局更加合理安全，并可以在不中止顶驱运转的情况下进行维护维修。 有的顶驱将液压动力源及油箱均装在顶驱主体内，由于顶驱本体较小，因此势必会以牺牲液压动力源的效率为代价，且极容易产生过热现象，其液压系统的工作压力仅为1,500 psi, 而Tesco的液压系统的工作压力达2,000 psi, 且从未产生过热现象。 10、Tesco的顶驱中心管可在钻井现场就可拆卸下来，对于技术较熟练的机械工人来说，仅需2 – 3个小时的时间即可完成这项工作。这对于需对顶驱进行无损探伤试验而言无疑是一大优点。有的顶驱需先将顶驱齿轮箱拆卸后才能将中心管取出，甚至需要花费至少一整天的时间。 11、Tesco的冷却系统中添加了即可以降低电控机房内的室内温度，又可以排除冷凝水结露的散热泵系统，使顶驱系统在异常潮湿的地区亦能正常运转。这种散热泵系统与传统的空调器相比具有密封性强的特点。只需将它安装在电控机房内即可，由于它的热交换板始终保持低于冷却电子模块及电路板的冷极板的温度，故冷极板上不会结露。它所产生的热通过冷却系统中的冷却液带走，因此，散热泵系统是冷却系统的延伸，即它的安装无需在机房的墙壁上打孔。而安装空调器则需在机房墙壁上打孔，因此，在气候恶劣的环境下，尘土，尘埃，潮气，水及其他气态物质极易进入电控机房内，造成短路或电子模块被击穿。这种高强度的密封性不仅对顶驱系统的运行很重要，而且对顶驱系统的存放和运输亦很重要。 12、Tesco的Power/Electronics Module（动力/电子模块）中还安装了UPS（不间断电源）以应付在停电或断电的情况下依然能确保对顶驱系统的控制。 Tesco的顶驱系统中还安装了内置式Power Quality Module（动力质量模块）以确保当来自电动钻机的三相交流电出现瞬时超高电压时起到保护的作用。它还能给顶驱系统提供很高的容限，即当输入电压在550 – 700伏的范围内时容许它通过而不会因电压的波动而跳闸。既确保了顶驱系统不受被击穿的损害，又不致因一般电压的波动而频繁的跳闸。 13、在顶驱齿轮箱中增加了特殊花键（Dry Spline），使顶驱在更换或拆卸中心管时，齿轮箱中的齿轮油不会外泻，既节省了齿轮油，又满足了环保要求。 14、增加了GE Fanuc PLC可编程逻辑控制器及Versamax励磁控制器并通过通讯电缆将两者相连并向司钻控制台输入指令。 四、加拿Canrig公司顶部驱动钻井系统 加拿大Canrig公司是较早研制电动顶驱的公司，开始只生产AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置，1998年为适应交流变频钻机的使用，开始生产AC变频电驱动顶部驱动钻井装置的公司。 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。 五、美国National-Oilwell公司顶部驱动钻井系统 表1-4 美国National-ilwell公司顶驱系列主要参数 型号 PS-350/500 PS-500/500 PSZ-500/500 PSZ-650/650 PSZ-750 钻柱载荷，kN 3500 5000 5000 6500 6500 套管载荷，kN 5000 5000 5000 6500 7500 传动机构 单速 单速 单速 双速 双速 齿轮传动比 5.1 6.825 8.28/4.05 8.23/4.05 8.30/4.07 最大连续输入功率，kw 843 843 843 843 1686 最高转速，r/min 273 200 126/257 126/257 126/257 最大卸扣扭矩，kN·m 63.1 84.5 101.8 101.8 149.2 刹车扭矩，kN·m 85.7 95.6 115.3 115.3 228.6 最大泥浆压力，MPa 34.5 34.5 345 51.7 51.7 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. 六、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。 第三节 顶部驱动钻井装置的优越性 一、合理的设备结构设计确保上卸扣自动化操作实现 前已述及，Varco BJ顶部驱动钻井装置由于显著提高了钻井作业的能力和效率，发展成为了标准系列产品。例如，生产了三种使用整体式水龙头的TDS-3S、TDS-4S及TDS-5S型顶部驱动钻井装置，它们可以旋转钻柱和整体接卸28 m钻杆立根，减少钻井时间 25％，并可防止卡钻事故的发生。 顶部驱动钻井装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了人们的肯定和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。 高可靠性的顶部驱动钻井装置（TDS）是旋转钻柱和接卸钻杆立根更有效的方法。该装置起下28 m立柱，减少了钻井时三分之二的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。钻杆上卸扣装置总成可使接头上卸扣并起升钻杆。特制的S型管总成将泥浆软管线同水龙头相在接。液体回路提供液压动力和气动力，电回路则提供直流电和交流电。对于每个部件的更详尽的描述将在第二章中进行。 TDS装置可满足用户在整体水龙头提环处与游动设备相连的要求。某些钻机由于高度的局限，需要取消大钩，而将水龙头提环直接连接到游车上。主轴/驱动杆从齿轮箱中伸出，或者通过传动装置，使钻井马达偏离该主轴。内部防喷器阀（IBOP）连接于主轴末端，这种设计使得钻井时载荷可由钻柱通过主轴直接传到水龙头轴承上。 顶部驱动钻井装置具有自身的重量分担系统。水龙头-总成附着于导向滑车上、该总成打井时可在两根导轨上垂直运动并传递马达扭矩。马达用螺栓固定在马达支座-上，后者又装在齿轮箱上。 钻杆上卸扣装置总成由吊环联接器、吊环倾斜装置、限扭器、旋转头、扭矩扳手和吊卡总成组成。吊环联接器围绕主轴固定，刚好装在主轴台阶上方。限扭器安装在吊环联接器支承盘和旋转头之间，保持吊环联接器在钻进过程中不碰到主轴台阶。吊环联接器座于支承盘顶，旋转头用螺栓固定在齿轮箱上。钻杆吊卡通过一付吊环挂于吊环联接器上，吊环倾斜装置工作使它摆动，提起钻杆。当钻杆吊卡提升钻杆重量超重时，吊环联接器便下落至主轴台阶处，使载荷通过主轴传至水龙头轴承上。为方便使用，扭矩扳手总成设计成单独悬挂在旋转头上。 二、顶部驱动钻井装置的优点 不用方钻杆钻井有许多优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点： 1．节省接单根时间 利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一方面又可通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦。代之而起的是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时间。可以这样来做一个测算，若钻进1000ft（即305m）中每一次连接单根的平均时间为1min（准确的说，从钻头离开井底到开钻之前），那么用立根钻进就可减少2/的连接时间，即减少（305/9.17 × 2/3）× 10＝221 min的接单根时间。换言之，这相当于可于可节省约4h左右的时间用于钻进。单根接成立根一般可以在空闲时，如注水泥候凝或换钻头下钻时进行。对于撬装钻机来说，还可节省将立根卸成单根的时间。 顶部驱动钻井系统与立根排放器联合使用，可以在立根内进行反向扩眼。立根排放器在井架里进行卸扣作业可以使所有钻杆在井架中排立，同时，还能全面控制循环作业和转动作业。除此之外、采用顶部驱动钻井系统进行起下作业，特别是在负压钻井时，允许有少量的自井壁渗漏的天然气积累。而使用单根钻杆卸扣时，在停钻到开钻这段时间内。自井壁渗入的天然气向顶部移动造成井口压力增加，从而使钻井作业停下，只有等到这部分天然气循环出钻井系统后钻井作业才能重新进行。这是采用单根钻柱钻井作业耗费时间的另一方面。 由于大大节约钻井时间，故降低钻井成本，在顶部驱动钻井装置使用中已明显表现出来。顶部驱动钻井装置采用立柱钻进，可利用钻机中停时间如开钻前或候凝时将钻杆单根配成立柱。按常规钻井接1次单根约3～4in就可节约 4～5 h。对海上整拖钻机，立柱可用于下一口井钻进。在定向井中，由于采用立柱钻进，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间。顶部驱动钻井装置的马达为无级调速，可达到与井底导向马达、MWD、高效能钻头的最佳配合，以提高机械转速，准确控制井眼轨迹。在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作，提高了取心收获率。国内外大量的实践说明，采用顶部驱动钻井装置可减少钻井时间10％～30％。1995～1997年，大港油田渤海北方钻井公司先后在渤海湾组织了三次快速钻井施工，采用顶部驱动钻井装置大大提高了钻井速度。1995年10月，歧口 18-1快速钻井，56d时间完成三口平均井深 356lm的生产井，平均建井周期18.82d，比该地区历史水平提高 3.3；1996年 10月，竟中36-1快速钻井，55.6d完成15口平均井深1876m的生产井，平均建井周期3.17d；1997年3月，歧口17-3快速钻井9口，平均井深2435m，平均建井周期7.65d。 2．倒划眼防止卡钻 由于具有可使用 28 m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转钻具提出井眼。钻杆上卸扣装置可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大幅度地减少起钻总时间。 3．下钻划眼 该装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。下钻中接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。使用TDS下钻时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。这样不花费时间，也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。 4．节省定向钻进时间 该装置可以通过28 m立根循环，相应减少井下马达定向时间。 5．人员安全 钻井人员最需要进行的一项工作是接单根。TDS可减少接单根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。接单根时只需要打背钳。此外，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业者工作的危险程度。 6．井下安全 在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业。采用方钻杆与转盘时，就得卸掉l～2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。在大位移井接单根划眼、卡钻、憋泵的危险性较大，特别在上提遇卡，下放遇阻时，很难接方钻杆循环、如使用顶部驱动钻井装置，很容易在任何位置立即进行循环，大大减少了卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段，扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业套管居中。顶部驱动钻井装置内防喷阀及其执行机构，在发现并涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。 7．设备安全 顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳。并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使用寿命的目的。 8．井控安全 在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶部驱动钻井装置主轴与钻柱分离。在用吊卡提升钻柱的过程中，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆上卸扣装置可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内遥控完成旋扣和紧扣，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内压力。 当在一不稳定油井里进行提升作业时，采用顶部驱动系统上扣连接和远距离循环遥控，立根排放器在数秒中之内即可实现水龙头中心管的输出端同钻柱在任一位置的快速对接。对钻柱防喷阀能够保持对钻柱内部压力的安全控制。 9．便于维修 钻井马达清晰可见，因此比单独驱动转盘的马达更易维修。单独驱动转盘的马达常常覆盖着泥浆，位于钻台下方看不见。熟练的现场人员约 12h就可将其组装、拆卸。整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，故操作方便、简单、可靠。 10．使用常规水龙头部件 Varco BJ顶部驱动钻井装置使用常规的 650 t水龙头止推轴承和冲管密封盘根。特殊设计后维修难度没有提高，钻井人员对其也不陌生。 11．下套管 Varco BJ顶部驱动钻井装置具有650 t提升能力，可采用常规方法下套管。在套管和主驱动轴之间加入一个转换接头（又称大小头）就可在套管中进行压力循环，无须再接入钢制水龙头旋转接头。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力，这样套管就容易通过井径缩小的井眼。 12．取心 能够连续取心钻进28 m，取心中间不需接单根。这样可以提高取心收获率，减少起钻次数，与传统的取心作业相比，它的优点是明显的，污染小，质量高。 13．使用灵活 Varco BJ顶部驱动钻井装置使钻机具有前所未有的灵活性，可以下入打捞工具、完井工具和其他设备，既可正转又可反转。 14．节约泥浆 在上部内防喷器球阀下面接有泥浆截流阀，截流阀起保留钻井液的作用。常规钻井中，钻井液滞留在方钻杆中，卸扣后溢出漏失，除非花时间手动操作泥浆截流阀才能止流。 15．便于拆下 Varco BJ顶部驱动钻井装置很容易拆下，如果需要的话，不必将它从导轨上移下即可拆下其它设备。电、液、气管线不需拆卸。 16．内部防喷器功能 该装置具有内部防喷器的功能，起钻时如有井喷迹象，可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆柱的连接，循环钻井液压井，避免事故发生，这是因为水龙头在起钻时不必拆下。 17．其它优点 顶部驱动钻井系统初期采用直流电机驱动，目前使用的顶部驱动系统已开始使用交流技术，Varco 公司生产的 TDS-9S型顶部驱动钻井系统由两个350 hp的交流钻井马达驱动，能够产生32500ft·lb 的钻井力矩和47000 ft·lb的上、卸扣力矩。该系统结构相当紧凑，对现有外井只需稍加改进，即配备具有400 t提升能力的顶部驱动钻井系统就能保证在标准