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1、1,顶部驱动系统(TDS) TOP DRIVE SYSTEM,2,目 录,1概述 2顶驱的历史 3主要组成 4技术特点 5技术评价 6设计制造中的一些问题 7顶部驱动钻井系统的经济技术评价 8主要生产厂家及产品特点 9顶驱的发展,3,1.概 述,顶驱钻井系统（TDS）是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。利用水龙头与钻井马达相结合，配备一种结构新型的钻杆上卸扣装置（管柱处理装置），从井架的上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。 顶部驱动，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
2、的驱动方式。,4,VARCO顶驱,VARCO,5,传统钻井方式,钻进过程： 破岩 排屑 顿钻钻井钻进过程不连续 旋转钻井钻进过程连续 转盘钻 井下动力,6,钻井新设备与新方法,钻井新设备 液控盘式刹车 液压钻机 交流变频驱动技术 顶部驱动装置 钻井新方法 地质导向钻井,7,顶部驱动装置要解决的问题,传统钻井工艺的薄弱环节 （1）三大工作系统不能互济 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。 我国千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。 （2）方钻杆长度受限 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
3、度，故每次只能接单根，因而费工、效率低，劳动强度大。,8,顶驱与转盘钻井的比较,1 转盘钻井方式,2顶驱钻井方式,9,TDS驱动方式,液压驱动 液压马达外形尺寸很小，液压顶驱的 本体尺寸能够满足小型井架的需要， 该类顶驱的工作高度一般在5m以下。 液压顶驱多数用于小型钻机上。 电驱动 AC-SCR-DC AC变频,10,AC变频顶驱系统的主要优点为：,(1)AC电动机效率高，经济性好； (2)AC电动机无电刷，可防爆，钻井安全且占空间小； (3)AC变频驱动，可精确调节工作转速与输出扭矩，具有更好的调节性能； (4)AC变频驱动零转速时具有全制动扭矩，可保证钻井安全。过载能力强，短时内可承受额
4、定载荷的150%过载载荷。 现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。,11,2顶驱的历史,第一台顶驱钻井系统由美国Varco公司于1982年研制成功，此后法国、挪威、加拿大和中国相继研制成功,12,（1）美国 Varco公司的研制历程,20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研制顶驱。 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。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。 1988年研制开发了具有新标准的2速（高
5、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。,13,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。,14,19
6、90年首先生产出了整体式水龙头，装配在 TDS-3S、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上，得到广泛应用。,15,1994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
7、转速。该顶部驱动钻井装置由2台交流变频电机驱动 。,16,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。 如TDS-11SA（ 1994年），使用一对400hp的交流驱动电机，重要较轻，尺寸较小，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。 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。,17
8、,VARCO公司顶驱参数,18,TDS-11SA技术参数：,API提升载荷：500吨（S） 整体式水龙头 双交流电机：2350马力 减速箱齿轮传动比：10.5 连续工作扭矩：51.75kNm 间歇工作扭矩：67.34kNm 适用钻杆尺寸：35in 静音斜齿轮传动,19,（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
9、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。,20,1997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。,21,1997年12月国产顶部驱动
10、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。,22,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 kNm，转速范围0183 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80kNm；上卸扣装置夹持钻杆范围89216 mm
11、（3.58.5in）。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。,23,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
12、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。,24,国产顶驱,现在我国已经能够生产从3000m到12000m的顶驱装置，其参数符合我国钻机标准。 生产厂家： 北京石油机械厂 辽河天意石油装备有限公司 宝鸡石油机械集团 大庆锦宏有限公司 华北石油机械厂,25,国产部分顶驱参数,26,3主要组成,顶驱钻井系统组成 3.1 钻井马达-水龙头总成 3.2 钻杆上卸扣装置 3.3 导轨-导向滑车总成 3.4 控制系统,27,3.1 钻井马达-水龙头总成,钻井马达是顶驱的主驱
13、动力，目前主要有液马达顶驱、AC-SCR-DC顶驱和AC变频顶驱等几大类。 但不管是哪一类，驱动系统的区别仅在于驱动马达的形式，在结构组成上没有根本性区别。 该部分可分为： 电机部分和水龙头总成； 电机冷却系统； 平衡系统,28,3.1.1 电机部分和水龙头总成,该总成由系列部件组成： 变速箱和中心管部分； 整体式水龙头总成； 钻井电机和制动器,29,（1） 变速箱和 中心管总成,该装置包括： 罩体； 本体和传动箱； 电机小齿轮（34齿）； 复式齿轮（6318齿）； 大齿轮（102齿）； 主驱动轴； 整体式水龙头总成； 润滑系统。,30,变速箱总成,双级减速的单速斜齿齿轮传动可以提供由电机到主
14、驱动轴的10.5：1传动比。本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主止推轴承和径向轴承罩在其中。齿轮箱盖体盖住上调节轴承并支撑交流电机和电机罩。大齿轮联接在主驱动轴的承载台肩上通过与主体和盖体一体的加压系统给齿轮和轴承提供润滑。本体和传动装置部分形成一个密闭的润滑油室，润滑齿轮和轴承。油泵装在传动箱内，由液压泵驱动向齿轮供给润滑油。,31,（2）整体式水龙头装置,主轴和鹅颈管之间装有一标准冲管盘根总成，这样就可以使钻柱旋转。冲管盘根总成由电机罩体支撑并同齿箱相连，以增加水平支撑。 锻制合金钢水龙头提环采用销钉固定在主体上，并与标准钻井大钩相联。可以使用加长的水龙头提环，以便在鹅颈管和大钩之间留出足够空间
15、，方便操作人员加装电测盘根装置。,32,（3） 钻井电机和制动器,TDS 11SA的动力为两台350马力或400马力交流钻井电机。电机并排垂直安装在传动齿轮箱箱盖上，箱盖带有一个经过改装的“D”型端面，从而使电机安装时在不需加垫片或专门找中。每台电机都有一个双端轴，轴下端安装传动小齿轮，而制动器安装在轴上端。,33,VARCO电机结构,VARCO电机结构,34,交流电机及特性,顶驱一般使用一台或两台800马力或4002马力交流电机，它们安装在齿轮箱顶部，可保证井中心线与导轨之间的距离最短。 钻井电机具有下列优点： 可靠性高； 维护少； 无污染； 作业范围大； 满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态
16、； 能过载150%，时间可长达1分钟； 无电火花。,35,电驱动顶驱特性,可采用三相600伏的交流电机来驱动，输入频率0-80赫兹。每台电机需要1100立方英尺/分钟的冷却空气。 使用两台400马力交流电机（总计800马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供37500英尺磅钮矩；保持800马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生18250英尺磅钮矩。 使用两台300马力交流电机（总计700马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供32500英尺磅钮矩；保持700马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生15100英尺磅钮矩。 电机为开放式设计，可以让冷却空气流经电机内部，能保证转子有效地将热量散放在冷却空气中。配备有：内部温度传感器； 双层漆包线圈； 升级型轴承/轴密封； 锥形输出轴。,36,VARCO特性,VARCO交流电机特性,37,制动器,每台电机顶部装有两个液压盘式制动器，通过制动器外盖周围可打开的盖子很容易检查和维护
