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1、顶部驱动钻井装置 概述 石油钻机顶部驱动钻井装置 简称 顶驱 20世纪80年代出现的一种钻井装备 2003年开始我国进行商业化生产和应用 可立根接入和钻进 节省时间 减少卡钻危险 起下钻遇阻 遇卡时 可在任意位置接钻具 边旋转边循环 减少卡钻等复杂情况和事故 配置双内防喷器可安全控制钻柱内压力 提高复杂地层钻进时的安全性 采用马达旋转上扣 上扣平稳 并可定扭矩上扣 避免上扣扭矩过盈或不足 配备管子处理装置 使钻杆上卸扣操作机械化 安全可靠 快速便捷 顶驱装置本体导轨总成电控房液压源司钻控制台动力电缆 控制电缆液压管线 顶驱结构组成 概述 动力源 电机 液压马达 减速箱提环回转头背钳吊环吊卡 顶
2、驱装置本体结构组成 概述 动力水龙头 管子处理装置 内防喷器组 1 顶部产品系列化 以前以DQ70为主 配置ZJ70系列化产品 30 40 50 70 80 90 120 顶驱装置新技术 顶驱优点新技术的应用 2 顶驱的驱动形式 变频电驱动 液压驱动重量轻 成本低 双变频电机 齿轮变速箱 变频电机直接驱动 无机械变速传动机构 电机直接驱动主轴钻进 结构简单 重量轻 故障点少 减少传动能耗损失 顶驱装置新技术 3 顶部背钳结构 径向对夹式背钳 环形背钳 倾摆式背钳的比较 顶驱装置新技术 环形背钳 径向对夹式背钳 倾摆式背钳 3 顶部背钳结构 径向对夹式背钳 环形背钳 倾摆式背钳的比较 顶驱装置新
3、技术 环形背钳 径向对夹式背钳 倾摆式背钳 回转头2个油道 回转头6个油道 油道少 结构简单 可靠性好 3 顶部背钳结构 径向对夹式背钳 环形背钳 倾摆式背钳的比较 顶驱装置新技术 环形背钳 径向对夹式背钳 倾摆式背钳 无需锁紧机构 需要锁紧机构 结构简单加工容易运行可靠操作安全 4 导轨形式和安装方式 1 导轨连接采用单销和锁口机构 安装方便 顶驱装置新技术 4 导轨形式和安装方式 2 折叠式导轨 顶驱装置新技术 拆装方便 快捷由高位一体安装转变为低位分体安装降低了安装风险 5 平衡系统 顶驱装置新技术 对称性好连接可靠性好减少了连接的管线 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术SoftTorque
4、Technology主轴旋转定位控制技术MainShaftRotatingPositionControlTechnology导向钻井滑动控制技术SlidingTechnology智能钻机连锁控制接口技术RigSCADADrillInterfaceTechnology 顶驱钻井新技术 控制系统 顶驱钻井新技术 粘滑与粘滞卡钻现象在钻井作业中 顶驱以恒定的转速和扭矩进行钻进时 但由于地层特性 转速 钻压的变化 井下钻具可能出现粘滑的现象 随着磨阻增加 近钻头钻具可能出现旋转缓慢甚至停止 最终导致粘滞卡钻 钻柱的旋转能量逐渐积累 当这种蓄力足够克服井壁与钻柱间的磨阻时 便产生释放 钻头与近钻头钻具将
5、已超过设定值的若干倍进行高速旋转并释放能量 能量释放后 钻柱平稳运行一段时间后 由反复出现上述过程 1 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术 工作原理 在顶驱控制系统中增加一个阻尼单元 顶驱以恒定的转速和扭矩进行输出时 顶驱本身也成为阻尼元素 当井下扭矩发生突变时 系统内部的控制器 速度控制器 扭矩控制器 根据非线性的处理与运算 得出符合当前工况的刚度系数和阻尼系数 进而主动控制顶驱的输出转速 从而实现对扭矩的自动调节 顶驱钻井新技术 1 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术 顶驱钻井新技术 1 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术 结构组成 驱软扭矩控制系统不增加任何井底设备 并独立于VFD控制系统 可在不停
6、钻状态下启停软扭矩系统 不影响正常钻进 顶驱钻井新技术 1 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术 顶驱软扭矩控制系统特点 自动辨识钻井工况 调整顶驱主轴的转速扭矩输出特性 有效减少粘滞的发生 减小井底震动 预防因扭矩突变造成的钻具扭断或脱扣 在保持转速和钻压的前提下 有效提升破岩速度 减少钻柱失效和钻头磨损 延长钻柱和钻头的使用寿命 优化井眼轨迹 有效提升作业整体钻速 顶驱钻井新技术 1 转速扭矩智能控制 软扭矩 技术 壳牌四川天然气项目 未启用软扭矩控制系统前 钻井扭矩在2 10kN m之间锯齿状波动 启用软扭矩控制系统后 钻井扭矩在7 9kN m之间小幅波动 有效减少了井下扭矩冲击 减缓钻具的磨
7、损 缓解了对电网的冲击 使用案例 顶驱钻井新技术 应用领域 定向钻井基本原理 精确控制顶驱主轴旋转旋转方向 圈数 角度 取代传统的由人工调整或扳转盘作业 快速 精确调整钻柱工具面和方位角操作 顶驱钻井新技术 2 主轴旋转定位控制技术 在司钻台或电控房工控机的参数录入界面 启用定位控制 输入主轴所需的旋转圈数或角度 确认后 顶驱系统将自动运行 到设定位置后自动停止 主轴旋转定位控制的误差在1 以内 工作原理 顶驱钻井新技术 2 主轴旋转定位控制技术 主要特点 地面控制技术 无需附加任何井底设备 定向钻井时可以利用主轴旋转定位控制技术调整钻柱的工具面和方位角 取代人工调整或扳转盘作业 提高方位控制
8、精度 优化井眼轨迹 可以不停机连续控制 提升钻井作业的效率和安全性 可与地质导向钻井系统 CGDS 结合使用 形成闭环连续控制 顶驱钻井新技术 2 主轴旋转定位控制技术 使用案例 2012年2月25日 2012年4月13日 中国石油川庆钻探 长庆钻井总公司第三项目部50560钻井队在内蒙古鄂托克前旗珠和镇打了一口水平井 通过应用北石顶驱主轴旋转定位技术 提前37天完钻 井号 SNO116 19H井 井深 4 846米 井斜角度 89 5度 垂直段 2 800米 造斜段 886米 水平段 1 160米 顶驱钻井新技术 2 主轴旋转定位控制技术 3 导向钻井滑动控制 扭摆控制 技术 应用领域 定向
9、井 水平井 大位移井传统的定向作业中 由螺杆钻具带动钻头旋转钻进 上部钻柱上下滑动 并不旋转 随着井深 井斜的增加 攀附在井壁段的钻具将使系统的磨阻不断增加 导致钻压不能持续加到钻头上 最终导致机械钻速的下降 而且工具面 方位角也可能会偏离预期 基本原理 反复地正向 反向旋转钻柱 使磨阻与地表扭矩 井底反扭矩平衡 这样钻柱与井壁间的磨阻就会适当减小 使钻头施加到地层的钻压更加稳定 顶驱钻井新技术 主要特点 地面控制技术 无需附加任何井底设备 提高滑动钻速 平稳钻压 延长钻头寿命 减少马达失速 精确快速调整工具面 在壳牌四川天然气项目中 启用滑动控制前 定向作业的平均机械钻速为1 04m h 启用滑动控制功能后 平均机械钻速提高到1 53m h 顶驱钻井新技术 3 导向钻井滑动控制 扭摆控制 技术 4 智能钻机连锁控制接口技术 所谓智能钻机连锁控制接口技术是指顶驱可与钻机和钻机部件建立参数采集与监控通讯接口 实现协同控制 以满足现代钻井安全 高效 环保的要求 顶驱与钻机连锁控制接口 可以实现顶驱内防喷器的开关与泥浆泵的启停连锁 顶驱吊环动作与绞车控制连锁等 与地质导向钻井系统进行连锁控制 提高定向作业效率 顶驱钻井新技术 PLC控制技术 PLC ProgrammableLogicController可编程式逻辑控制器 集线器管理接口
