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1、1,第二章 顶部驱动钻机,参考书： 顶部驱动钻井系统，陈明达，石油工业出版社。,2,TDS-顶部驱动钻井系统（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM）IDS整体顶部驱动钻井系统(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)。SDS侧部顶驱钻井系统LDS陆地顶驱钻井系统,3,顶部驱动钻井是20世纪80年代发展成熟起来的一项新技术,是转盘钻机问世以来几项重大变革之一。自从1982年4月6日第一套不同于以往的顶部驱动装置（由美国Vacro-BJ公司研制）在美国阿布扎比近海Sedneth201号自升式平台钻机上投入使用以来，顶部驱动钻井装置显著提高了钻井作业的
2、能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,4,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、深井、超深井的日益增多。该产品自研制以来，现在已经发展为最先进的整体顶部驱动钻井系统IDS(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)。全世界目前已经有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆地上使用，充分显示了它强大的生命力。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,5,一、顶部驱动钻井系统的发展历程1、小型动力水龙头（Power Swivel）初期试验阶段该装置的输出扭矩小，没有配备管子装卸装置，因而不能有效地进行起下钻，
3、接立根作业。2、顶部驱动钻井系统（TDS）发展成熟阶段1）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转速特性；2）采用了装卸管子的装置，使得能在井架内任何位置卸开钻柱，从而发挥了顶部驱动方式突出的优点。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,6,3、侧部驱动钻井系统（SDS）进步发展阶段以研制、发展结构简单、费用低的侧部驱动装置为特点。于1987年5月问世。与一般顶部驱动装置有两点不同：一是动力源自原转盘动力；二是采用易卸短节代替了扭矩扳手，简化了管子装卸装置。SDS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。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展
4、现状,7,二、顶部驱动钻机优点1、安全的操作系统1）人身和钻井安全a. 采用立柱钻进，接单根次数减少，大大降低事故发生率；b. 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，减少作业者工作的危险程度；c. 起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以使中心轴与钻杆在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业；,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,8,d. 很容易在任何时间，任何位置立即用在钻柱上的动力水龙头进行旋转钻具循环钻井液，大大减少卡钻；e. 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；f. 扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业时套管居中；g. 顶驱内部的防
5、喷阀及其执行机构，在发现井涌时可立即执行井控动作。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,9,2）设备安全顶驱采用马达旋转上扣，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者不足。设定钻井最大扭矩后，如果钻井中扭矩超过设定范围时（如出现憋钻），马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备长期超负荷运转。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,10,2、节约辅助钻进时间，提高钻井效率采用立柱钻进，钻完一立柱后可直接加一立柱钻井，因此每钻完一立柱比常规转盘钻机钻完一立柱要节约2/3以上的辅助时间，可提高钻井效率15%20%。另外，在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作
6、，提高了取心收获率。国内外大量实践说明，采用顶驱可减少钻井时间10% 30%。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,11,3、特别适用于钻定向井、水平井常规转盘钻机在提钻时不能实现倒化眼，起钻时阻力特别大，因此钻井的有效井深受到限制。顶驱钻机可以实现边起钻边旋转钻柱，变静摩擦力为动摩擦力，其摩擦系数大大降低，钻井能力可以比相同钻深能力的常规转盘钻机有明显提高，可大大降低钻井费用。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,12,4、安装维护简单，操作方便灵活顶驱由动力装置、倾斜装置、管子处理装置、扭矩管等几部分组合在一起。拆装方便，整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，操作简单、方便、灵活、可靠
7、。总之，顶驱系统与常规转盘钻机相比，在节约辅助时间，提高钻井效率，降低钻井成本，确保设备和人身安全方面具有明显的优越性。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,13,三、顶部驱动钻机的最新发展动向1、向陆地钻机发展TDS向陆地钻机发展，具有强劲的潜在发展势头。据统计，1983年用于陆地的TDS只有1台，到1988年累计达到18台,到1992年累计达到49台，目前TDS装于海上石油钻机估计已经超过90%。海上石油钻机是有限的，陆地石油钻机投入使用的数量为海上石油钻机的4倍以上，所以TDS向陆地钻机发展势在必行。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,14,2、从直流电动机驱动为主向静液传动和交流
8、变频电动机驱动方向发展目前海上石油钻机和陆地6000米以上的石油钻机，大都以交流发电机可控硅整流直流电动机（即AC-SCR-DC）为主，这种驱动方式已经十分成熟可靠，所以美国的Varco-BJ公司生产TDS装置大都以AC-SCR-DC为主。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,15,1）静液传动的顶部驱动液压马达的优点外形尺寸小，重量轻；重量功率比和重量扭矩比都很小；较大范围内实现无级变速和自动恒功率调节；运动平稳，无冲击，运动惯量小；易于防止过载，操纵性好。挪威的海事液压公司43台TDS，绝大部分采用静液传动，法国的ACB公司于1989年前生产的15台TDS中有11台采用静液传动。,2.1
9、 国内外顶部驱动钻机的发展现状,16,2）交流变频电驱动的优势近年来由于交流变频的大功率电动机的商业化和技术日趋成熟，已经有越来越多的TDS采用交流变频电动机驱动，所以它也是未来电驱动发展的重要趋势之一。四、国外顶驱的最新进展作业一,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,17,五、国内顶部驱动钻机的发展现状发展道路：引进吸收消化自主设计1、引进情况1989年8月我国引进美国Varco-BJ公司第一台TDS系统，到1996年，我国的海上和陆地油田又先后从美国、挪威、法国、加拿大等国家进口各种类型的TDS共计22台套。顶驱是深井、复杂井施工的必选装备之一。在海外钻井工程的投标中，是否配备顶驱装置成
10、了能否中标的重要条件，因此“顶驱”成了制约我国钻井队伍开拓海外市场的“瓶颈”。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,18,2、自主设计1991年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研究院石油机械研究所与宝鸡石油机械厂开始联合研制顶部驱动钻机。1）DQ-60D型顶部驱动钻机1995年8月生产，是我国首台顶部驱动钻机。1997年11月在塔里木进行工业试验，完成一口井深为5590m的大斜度定向井。集机、电、液、气技术于一体的高科技产品，研制成本仅为进口的一半，具有显著的社会效益。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,19,结构特点：1）采用直流电驱动，主轴可无级调速、扭矩可任意设定；2）双向倾
11、斜臂，可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆，也可后倾摆向二层台；3）下钻时，可以有两个吊卡交替使用；4）液压驱动回转头，且正反转可以互锁。DQ-60D的研制成功，打破了发达国家的技术封锁，充分体现了我国陆上石油工业的整体优势和综合科技优势。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,20,2）DQ-20H型顶部驱动钻机液压驱动，重量轻，结构简单。适合浅井的老井侧钻、老井加深、加密井、小井眼钻井作业和修井作业。3） DQ-60P型顶部驱动钻机轻便顶驱，在保留DQ-60D型的技术特点和功能的基础上，适当的减少了长度和重量，并在设计上考虑更有利于安装和拆卸。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,21,4）D
12、Q-70BS型顶部驱动钻机中国石油勘探开发研究院机械所与北京石油机械厂合作研制开发的我国首台交流变频顶部驱动钻井装置。该顶驱采用先进的设计手段和完善的试验装置，运用多项自主知识产权技术，已通过专家鉴定和有关部门的验收。DQ-70BS顶驱设备，在指标和性能上与国际水平不相上下，完全满足复杂井钻井的使用要求，解决了进口国外顶驱设备的现状，其价格也比国外设备低。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,22,5）DQ-20Y1型顶部驱动钻机华北装备制造事业部石油机械厂研制开发的液压顶驱。我国第一台适用于2000米钻机和修井机，并拥有自主知识产权的液压顶驱装置。 2006年开始研制，历时两年。2008年
13、1月，在华北石油管理局第三钻井公司30537钻井队承钻的S55-11X井进行第二次现场试验，历时16天顺利完钻，完钻井深2032米，完全满足设计和使用要求。该顶驱装置性能先进，结构新颖，小巧轻便，设计配备了PLC控制系统、现场总线控制系统，具有对相关操作实行互锁等功能，操作更加方便、安全。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,23,6）1.2万米顶部驱动钻机研制成功2007年5月中旬，被列为国家863计划，中国石油重大科技专项1.2万米钻机配套顶驱装置，在北京石油机械厂通过专家组的设计评审。到07年底与钻机配套制造完成。,2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状,24,一、顶驱装置的类型1、按驱
14、动方式分1）电驱动直流电驱动成本低，谐波干扰少交流变频电驱动调速范围宽、过载能力强、工作效率高2）液压驱动质量轻、体积小,2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数,25,2、按承载能力分按承载能力来分，一般分为1000t、750t、500t、350t、250t、150t，均指美制短吨。3、按作业区域分陆地顶驱海洋顶驱,2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数,26,二、顶驱装置的主要技术参数1、名义钻井深度与钻机的设计钻井深度相对应2、额定载荷顶驱装置的设计载荷，表示顶驱的最大承载能力3、连续钻井扭矩正常钻进时，顶驱所能提供的最大扭矩4、最大旋松螺纹扭矩顶驱装置卸扣时的最大扭矩,2.2 顶驱装置的类型
15、及主要技术参数,27,5、钻井液通道直径鹅颈管、主轴、内防喷器等用于钻井液循环的通道内孔直径6、钻井液循环工作压力钻井液循环通道在正常钻井条件下规定能承受的最大压力7、背钳夹持范围管子处理装置所能夹持的钻杆范围8、转速主轴转速,2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数,28,9、输入功率动力机的输入功率10、工作高度顶驱装置提环与钻机提升系统连接处的下平面到吊卡上平面的高度，是计算安全高度的重要参数,2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数,29,2.3顶部驱动钻机 的结构,本体： 动力水龙头 管子处理装置 钻井液循环通道 辅助装置导轨与滑车,30,一、动力水龙头上部与钻机提升系统的游车或大钩连接，下
16、端与管子处理装置相连。在钻进作业中为钻杆柱提供钻进和上卸扣提供动力，同时承受起下钻载荷、钻井载荷及钻井扭矩。,31,1、动力机为钻井提供旋转动力。250tf以上的顶驱装置采用直流电动机或交流电动机驱动的较多，250tf以下的顶驱装置多采用一个或多个液压马达驱动，可以将整个装置的体积控制在较小的范围内，尤其适合小型钻机、车载钻机和修井机。1）主电动机常见顶驱的主电动机都采用交流变频电动机，通过大功率的变频控制系统实现无级调速。采用立式安装方式，一般要求双输出轴机构。驱动端连接传动齿轮，也可带动液压泵给减速箱润滑系统供油非驱动端连接刹车装置和编码器。,32,2）冷却风机目前顶驱装置大多采用风冷形式。冷却风机一般采用离心式结构，由交流异步电动机驱动，可安装于主电动机的上部或侧面。,2.3顶部驱动钻机的结构,33,3）刹车装置作用是在顶驱装置停止运行或使用井下动力钻具钻井时刹主主轴，以及主电动机的快速制动和防止钻杆井下反扭矩引起的主电动机反转。通常安装在主电动机的非驱动端，通过在输出轴上安装刹车盘和刹车毂，采用液压盘式刹车实现对电动机轴的制动。,
