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1、第四章 顶驱钻井系统 一、概述 机自02,2005.11.8顶驱钻井系统Top Drive Drilling System或简称顶驱系统Top Drive System-TDS。1. 什么是顶部驱动钻井装置顶驱是从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣等多种钻井操作，参见图4-1。主要由三局部组成：导向滑车总成、水龙头一马达总成、钻杆上卸扣装置总成。图4-1 顶部驱动钻井系统2.思路转盘水龙头动力水龙头 3.顶驱钻井系统是80年代以来钻井设备开展的四大新技术之一顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动4. 顶驱开展第一台顶驱82年问世，由美
2、国Varco公司研制。后来，法国、挪威、加拿大、中国相继研制了顶驱。5驱动型式有两种1液马达驱动2电动机驱动AC-SCR-DC顶驱动80年代，电驱广泛用AC-SCR-DC驱动。 AC变频f顶驱80年代中，挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱。之后，美国Varco公司、挪威MH公司、加拿大Tesco公司和CANRIG公司等研制了AC变频顶驱。90年代，AC变频顶驱占了主导地位。 中国：有液压、AC-SCR-DC驱动顶驱，尚无ACAC变频顶驱。 二、顶驱钻井特点（1） 立根28m钻进，节省2/3接单根时间。转盘钻以单根加长钻杆，以立根钻进井架不需加高。（2） 可随时压井任意高度需循环井液，水龙
3、头可立即接上，减少卡钻事故。（3） 实现：倒划眼起钻钻头取不出时，边转边提；实现：划眼下钻钻头下不去时，边转边放。 4立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达的造斜方位。 5钻杆上卸扣操作机械化。液马达在顶部6立根钻进，提高取岩心质量。三、顶驱系统组成组成:钻井马达-水龙头总成、上卸扣装置和导轨-导向滑车总成。仅动力有别，其他无本质区别：液马达顶驱液马达；AC-SCR-DC顶驱DC电机；AC变频顶驱AC电机。1. 钻井马达-水龙头总成顶驱的主体。典型结构示于图4-2。它是Varco公司额定载荷6500kN的TDS-3S型顶驱钻井马达-水龙头总成。由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。1马达：
4、用并激DC马达，立式驱动主轴。2水龙头：额定载荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致。3气动刹车：在马达轴上端，快速制动。4减速箱：马达轴下有小齿轮Z=18，与主轴上的大齿轮Z=96相啮合，主轴下方接钻柱。TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，减速比5.331。5主轴：即水龙头的中心管。6润滑系统TDS-3S顶驱的油润滑系统图4-3，油泵强制润滑。7钻井马达冷却系统马达冷却系统为风冷。图4-4为冷却系统的总体安排。近距离安装鼓风机根本的马达冷却系统看图4-5,向钻井马达提供近距离的冷却风。加高进气口的近距离安装鼓风机图4-5远距离鼓风机冷却系统图4-6安装在井架上的远距离鼓
5、风机，通过软管输送。图4-2 水龙头钻井马达总成图4-3顶驱水龙头马达总成油润滑图 图4-4钻井马达 冷却系统图4-5加高进气口的近距离冷却系统图4-6 远距离鼓风机冷却系统2. 导轨导向滑车总成 钻井马达导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。它由导向滑车框架和马达支架两局部组成。导轨：装在井架内导向滑车：由马达底座和框架组成。作用：对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用。80年代为双导轨，90年代改为单导轨。图4-7 马达支架和导向滑车总成3. 上扣卸扣装置Pipehander钻杆上卸扣装置如图4-8所示。主要：由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构、保护接头和扭矩扳手组成。可参见Varco公司的T
6、DS-8S交流变频顶驱系统结构图。图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成650/750/1000 Ton1200 HPTDS-8S (AC)1液控扭矩扳手用处：卸扣。原理：由液缸驱动夹持爪先夹紧横向夹紧活塞钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩筒扭矩扳手上卸扣期间，上升扳手使扭矩管上的母花键同上部内防喷器下方的公花键相啃合，为液缸提供反扭矩。，转动保护接头及主轴松扣，然后启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作。扭矩液缸84KN-m；可旋转25。结合图4-10分析。 图4-9 扭矩扳手总成2内防喷器及启动器内防喷器图4-10是球型平安阀。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器，形成内井控防喷系统。远控上部
7、内防喷器是钻杆上卸扣装置的一局部。当上卸扣时，扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合形成扭矩。下部与上部内防喷器型式相同。两个内防喷器一直接在钻柱中，可随时将顶驱装置同钻柱连接使用。图4-10 内防喷器阀及启动器总成3吊环联接器、吊环和钻杆吊卡图4-11所示为吊环联接器。吊环联结器的作用可由图4-8看出，它通过吊环将下部吊卡与主轴相连。 图4-11 吊环联结及限扭器总成主轴穿过齿轮箱壳体，又同整体水龙头相接。 4吊环倾斜器 作用：去卡抱待接立根接头。吊鼠洞中的单根和接立根气阀控制气弹簧，使吊环前倾300，后摆600。吊环倾斜器的倾斜臂位于吊环的前部，由空气弹簧启动，如图4-12、图4-8所示。【
8、在启动器的作用下，可以轻松地摆动提放小鼠洞内的钻杆。启动器由电磁阀控制。 该装置的中停机构便于井架工排放钻具作业。】 图4-12 长行程吊环倾斜装置总成 5旋转头总成旋转头总成如图4-13。当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱部件旋转时，旋转头可自由旋转。 图4-13 650t旋转头总成4. 平衡系统平衡系统总成如图4-14所示。主要对上卸扣起伸缩作用：防止上卸接头扣时螺纹的损坏；在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，类似于大钩的152mm的减震冲程。 图4-14平衡系统总成图4-15所示的平衡系统包含：两个相同油缸和两个液压储能器。缸体端与整体水龙头相连，活塞杆端与大钩连接如图4-14，或者直接
9、连到游车上。又称液气弹簧式平衡装置。 图4-15平衡系统示意图1前期TDS系统平衡油缸连接方式TDS-3型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连，上端和大钩相连。它提供152mm的缓冲行程。2整体式IDS系统平衡油缸连接方式如IDS-1型顶驱，平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连，上端和游车相连接。取消了大钩，提供203mm的缓冲行程。3新型IDS系统平衡油缸的连接方式如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端与游车当不用大钩时连接，下端直接固定在水龙头提环上参见图4-14。4平衡液压回路工作原理该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压系统来补油保压，不必单独加油泵。平衡系统液压回路如图4-16所示。图
10、2-16平衡系统液压原理图连接：平衡系统的活塞杆上端与游车连接，油缸下端与水龙头连接。油缸上腔始终通高压油，油缸产生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头。工作过程：两个油缸向上的合拉力大于顶驱和立根重量，油缸带动顶驱和立根上移。此时蓄能器参见图4-16放出压力油供给油缸工作。随着蓄能器内油液放出，油压降低，油缸的拉力减小。当油缸向上的拉力小于顶驱和立根重量时，上跳过程由加速变为减速，最后停止上移。当向上提起整个钻柱时，钻柱和顶驱的重量大于油缸向上的拉力，油缸被拉下来，缸内排液，油液返回蓄能器。四、国产顶驱DQ 第一台国产顶驱DQ-60D，由勘探院机械所和宝石厂合研， 97年2月部级鉴定，中国成为第五位顶驱的生产国家。1DQ-60D顶驱 结构如图3-21所示主要特点：采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测控制。2DQ-60P顶驱(Portable 轻便)勘探院机械所与宝石鸡厂合研的DQ-60P轻便顶驱。3DQ-20H顶驱(Hydraulic)勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱，钻深2000m。
