顶部驱动系统(TDS) TOP DRIVE SYSTEM 1 目 录 l 1．概述 l 2．顶驱的历史 l 3．主要组成 l 4．技术特点 l 5．技术评价 l 6．设计制造中的一些问题 l 7．顶部驱动钻井系统的经济技术评价 l 8．主要生产厂家及产品特点 l 9．顶驱的发展 2 1.概 述 l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 l 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 进的驱动方式 3 VARCO顶驱 lVARCO 4 传统钻井方式 l钻进过程： 破岩 排屑 l顿钻钻井——钻进过程不连续 l旋转钻井——钻进过程连续 转盘钻 井下动力 5 钻井新设备与新方法 l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 l钻井新方法 地质导向钻井 6 顶部驱动装置要解决的问题 l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度，故每次只能接 单根，因而费工、效率低，劳动强度大 7 顶驱与转盘钻井的比较 1 转盘钻井方式 2 顶 驱 钻 井 方 式 8 TDS驱动方式 l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 l电驱动 AC-SCR-DC AC变频 9 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，短时内可承受额定 载荷的150%过载载荷 现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。
10 2．顶驱的历史 l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 11 （1）美国 Varco公司的研制历程 l20世纪80年代Varco 公司从上世纪六十年代开始研 制顶驱 l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 l1988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 12 l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。
13 l1990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 14 l1994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 l1996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 lTDS-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的最高工作转速该顶部驱动钻 井装置由2台交流变频电机驱动 15 lVarco 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 l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 l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。
l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 16 VARCO公司顶驱参数 17 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：3～5in 静音斜齿轮传动 18 （2）中国的研制发展过程 l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 19 l1997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 20 l1997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 21 l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 80kNm；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。
22 lDQ-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 23 国产顶驱 l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 l生产厂家： l北京石油机械厂 l辽河天意石油装备有限公司 l宝鸡石油机械集团 l大庆锦宏有限公司 l华北石油机械厂 24 国产部分顶驱参数 25 3．主要组成 l顶驱钻井系统组成 l3.1 钻井马达-水龙头总成 l3.2 钻杆上卸扣装置 l3.3 导轨-导向滑车总成 l3.4 控制系统 26 3.1 钻井马达-水龙头总成 l 钻井马达是顶驱的主驱动力，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 l 该部分可分为： l 电机部分和水龙头总成； l 电机冷却系统； l 平衡系统 27 3.1.1 电机部分和水龙头总成 该总成由系列部件组成： l变速箱和中心管部分； l整体式水龙头总成； l钻井电机和制动器 28 （1） 变速箱和 中心管总成 l该装置包括： l罩体； l 本体和传动箱； l电机小齿轮（34齿）； l复式齿轮（6318齿）； l 大齿轮（102齿）； l 主驱动轴； l整体式水龙头总成； l 润滑系统 29 变速箱总成 l双级减速的单速斜齿齿轮传动可以提供由 电机到主驱动轴的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 30 （2）整体式水龙头装置 l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 l 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，方便操作人员 加装电测盘根装置 31 （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 32 VARCO电机结构 lVARCO电机结构 33 交流电机及特性 l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。