第四章第四章 顶驱钻井系统顶驱钻井系统 一、概述一、概述 （机自（机自02,2005.11.8）） 顶驱钻井系统（顶驱钻井系统（Top Drive Drilling System）） 简称顶驱系统（简称顶驱系统（Top Drive System-TDS） 1. 什么是顶部驱动钻井装置什么是顶部驱动钻井装置 顶驱：从从井井架架空空间间上上部部直直接接旋旋转转钻钻柱柱，，沿沿井井架架内内导导轨轨向向下下送送进进，，完完成成钻钻进进，，循循环环钻钻井井液液，，接接立立根根，，上上卸卸扣扣等等多种钻井操作多种钻井操作，参见图4-1 由三大部分三大部分组成组成：水龙头一马达总成水龙头一马达总成、导向滑车总成、、导向滑车总成、 钻杆上卸扣总成钻杆上卸扣总成顶驱钻井系统 图图4-1 顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统 顶驱钻井系统 2.2.思路思路: : 转盘＋水龙头转盘＋水龙头—→—→动力水龙头动力水龙头3.顶顶驱驱系系统统是是四四大大新新技技术术之之一一（（顶顶驱驱、、盘盘式式刹刹车车、、液液压压钻钻井井泵泵和和ACAC变频驱动）变频驱动）4. 4. 顶驱发展顶驱发展第一台顶驱第一台顶驱由由美国美国Varco公司研制（公司研制（ 82年问世）年问世）。
后来，法国、挪威、加拿大、中国法国、挪威、加拿大、中国相继研制研制了顶驱顶驱5 5．驱动型式有两种．驱动型式有两种（（1 1）液马达驱动）液马达驱动（（2 2）电动机驱动）电动机驱动①①AC-SCR-DC顶驱动顶驱动 (80年代广泛用) ②②AC变频变频f顶驱顶驱80年代中，挪威挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱之后，，美美国国（（Varco公司）、挪挪威威（（MH公司）、加加拿拿大大（（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：中国：有液压、AC-SCR-DC顶驱，尚无AC—AC变频顶驱 顶驱钻井系统 二、顶驱钻井特点二、顶驱钻井特点（1） 立根立根（28m）钻进钻进，节省省2/3接单根时间时间转盘钻以单根加长钻杆，以立根钻进井架不需加高)（2） 可随时压井随时压井（任意高度需循环井液，水龙头可立即接上），减少卡钻减少卡钻事故3） 实现：倒划眼起钻倒划眼起钻（钻头取不出时，边转边提边转边提）; 实现：划眼下钻划眼下钻（钻头下不去时，边转边放边转边放） （4）立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制容易控制井底马达的造斜方位造斜方位。
（5）钻杆上卸扣操作机械化上卸扣操作机械化液马达在顶部）（6）立根钻进，提高取岩心质量提高取岩心质量 顶驱钻井系统 三、顶驱系统组成三、顶驱系统组成组组成成:钻钻井井马马达达-水水龙龙头头总总成成、、导导轨轨导导向向滑滑车车总总成成、、上上卸扣装置卸扣装置仅动力有别仅动力有别：液马达顶驱液马达顶驱—液马达；液马达；AC-SCR-DC顶顶 驱驱 —DC电机；电机；AC变频顶驱变频顶驱—AC电机电机1. 钻井马达钻井马达-水龙头总成水龙头总成顶驱的主体顶驱的主体图图4-2 ）它是Varco公司额定载荷6500kN的TDS-3S型顶驱钻井马达-水龙头总成图图4-2 水龙头水龙头——钻井马达总成钻井马达总成 顶驱钻井系统 图图4-2 水龙头水龙头——钻井马达总成钻井马达总成由由水水龙龙头头、、马马达达和和一一级级齿齿轮轮减速箱组成减速箱组成1）马马达达：用并并激激DC马达，立式驱动主轴 2） 水水 龙龙 头头 ： 额 定 载 荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致3）气动刹车气动刹车：在马达轴上端，快速制动4）减减速速箱箱：：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单速齿轮减速轮减速装置，减速比5.331 （（5 5））主轴：主轴：即水龙头的中心管顶驱钻井系统 图图4-34-3顶驱水龙头顶驱水龙头——马达总成油润滑图马达总成油润滑图 （（6））润滑系统润滑系统TDS-3S顶驱的油润滑系统（图4-3），油泵强制润滑油泵强制润滑顶驱钻井系统 （（7））钻井马达冷却系统钻井马达冷却系统马达冷却系统为风冷风冷图4-4为冷却系统的总体安排 用离心式鼓风机用离心式鼓风机对电对电机进行强制冷却机进行强制冷却图图4-4钻井马达钻井马达 冷却系统冷却系统 顶驱钻井系统 ①①近距离安装鼓近距离安装鼓风机风机基本的马达冷却系统（看图4-5）,向钻井马达提供近距离的冷却风②②加高进气口的加高进气口的近距离安装鼓风近距离安装鼓风机机（图4-5）图图4-5加高进气口的近距离冷却系统加高进气口的近距离冷却系统 顶驱钻井系统 ③③远距离鼓风远距离鼓风机冷却系统机冷却系统（图4-6）安装在井架上的远距离鼓风机，通过软管输送冷却风图图4-6 远距离鼓风机冷却系统远距离鼓风机冷却系统 顶驱钻井系统 2. 导导轨轨—导导向向滑滑车车总成总成导导向向滑滑车车和和支支撑撑装装置总成如图置总成如图4-7所示所示。
①①导导轨轨：装在井架内②②导导向向滑滑车车：：由马达底座和框架组成③③作作用用：对对游游车车和和顶顶驱驱起起导导向向及及承承受受反反扭矩作用扭矩作用80年代为双导轨， 90年代改为单导轨 图图4-7 马达支架和导向滑车总成马达支架和导向滑车总成 顶驱钻井系统 3. 上上 扣扣 卸卸 扣扣 装装 置置（（Pipehander））钻钻杆杆上上卸卸扣扣装装置置如如图图4-8所示主要：主要：由旋转头、吊由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机环联接器、吊环倾斜机构和扭矩扳手组成构和扭矩扳手组成可参见Varco公司的TDS-8S交流变频顶驱系统结构图 图图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成吨钻杆上卸扣装置总成 顶驱钻井系统 TDS-8S (AC)TDS-8S (AC) 顶驱钻井系统 （（1 1））液控扭矩扳手液控扭矩扳手用处用处：卸扣卸扣原原理理：由由液液缸缸驱驱动动横横向向夹夹紧紧活活塞塞夹夹紧紧钻钻杆杆母母接接头头，，两两个个转转矩矩液液缸缸驱驱驱驱动动扭扭矩矩筒筒完完成卸扣操作成卸扣操作 （扭矩扳手上卸扣期间，上上升升扭矩管使母花键同上部公花键相啃合，为液缸提供反扭矩转转动动保保护护接接头头及及主主轴轴松松扣扣，，然然后后启启动动钻钻井井马马达达旋旋扣扣。
扭矩液缸84kN-m；可旋转25°结合图结合图4-10分析 图图4-9 扭矩扳手总成扭矩扳手总成 顶驱钻井系统 （（2）内防喷器及启动器）内防喷器及启动器内内防防喷喷器器（（图图4-10））是是球球型安全阀型安全阀，防止泥浆溢流防止泥浆溢流上上部部远远控控内内防防喷喷器器和和下下部部手手动动内内防防喷喷器器，，形成内井控防喷系统上部远控内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分当上卸扣时，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 图图4-10 内防喷器阀及启动器总成内防喷器阀及启动器总成 顶驱钻井系统 （（3 3））吊吊环环联联接接器器、吊吊环环和钻杆吊卡和钻杆吊卡图图4-11为吊环联接器为吊环联接器作用作用: :可由图4-8看出，它通过吊环将下部吊卡与通过吊环将下部吊卡与主轴相连主轴相连 主轴穿过齿轮箱壳体，又同整体水龙头相接 图图4-11 吊环联结及限扭器总成吊环联结及限扭器总成 顶驱钻井系统 图 4-12、 图 4-8所 示（（4 4））吊环倾斜器吊环倾斜器 作作用用：去去卡卡抱抱待待接接立立根根接接头头。
吊鼠洞中的单根和接立根）气阀控制气弹簧，使气阀控制气弹簧，使吊环前倾吊环前倾300，后摆，后摆600 吊环倾斜器的倾斜臂位于吊环的前部，由空气弹簧启动图图4-12 长行程吊环倾斜装置总成长行程吊环倾斜装置总成 顶驱钻井系统 （（5）旋转头总成）旋转头总成旋转头总成如图4-13当当钻钻杆杆上上卸卸扣扣装装置置在在起起钻钻中中随随钻钻柱柱部部件件旋旋转转时时，，旋旋转转头可自由旋转头可自由旋转 图图4-13 650t旋转头总成旋转头总成顶驱钻井系统 4. 平衡系统平衡系统平衡系统总成如图4-14所示主要对上卸扣主要对上卸扣起伸缩作用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的减震冲减震冲程程 图图4-14平衡系统总成平衡系统总成 顶驱钻井系统 图4-15所示的平衡系统包含： 两个相同油缸和两两个相同油缸和两个液压储能器个液压储能器 缸体端与整体水龙缸体端与整体水龙头相连头相连，活塞杆端与，活塞杆端与大钩连接大钩连接（如图（如图4-14）），，或者直接连到或者直接连到游车上游车上又称液气弹液气弹簧式平衡装置簧式平衡装置。
图图4-15平衡系统示意图平衡系统示意图 顶驱钻井系统 （（1）前期）前期TDS系统平衡油缸连接方式系统平衡油缸连接方式TDS-3型顶驱型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连平衡油缸下端和水龙头相连，，上端上端和大钩相连和大钩相连它提供152mm的缓冲行程的缓冲行程 （（2）整体式）整体式IDS系统平衡油缸连接方式系统平衡油缸连接方式如如IDS-1型型顶顶驱驱，，平平衡衡油油缸缸的的下下端端与与钻钻井井马马达达壳壳体体相相连连，，上上端端和和游游车车相相连连接接取取消消了了大大钩钩，，提提供供203mm的缓冲行程的缓冲行程3）新型）新型IDS系统平衡油缸的连接方式系统平衡油缸的连接方式如如TDS-3S、、TDS-9S型，型，平衡油缸的上端与游车平衡油缸的上端与游车（当不用大钩时）（当不用大钩时）连接连接，，下端直接固定在水龙头下端直接固定在水龙头提环上提环上（（参见图参见图4-14） 顶驱钻井系统 （（4）平衡液压回路工作原理）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平衡系统液压回路如图4-16所示图图2-16 平衡系统液压原理图平衡系统液压原理图 顶驱钻井系统 ①①连连接接：：平平衡衡系系统统的的活活塞塞杆杆上上端端与与游游车车连连接接，，油油缸缸下下端端与与水水龙龙头头连连接接。
油油缸缸上上腔腔始始终终通通高高压压油油，，油油缸缸产产生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头②②工作过程：工作过程：★★两个油缸向上的合拉两个油缸向上的合拉力力大于大于顶驱和立根重量顶驱和立根重量，油缸带动顶驱和立根上油缸带动顶驱和立根上移移此时蓄能器（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，油缸的拉力减小顶驱钻井系统 ★★当油缸向上的拉力当油缸向上的拉力小小于于顶驱和立根重量时顶驱和立根重量时，上跳过程由加速变为减上跳过程由加速变为减速，最后停止上移速，最后停止上移当向上提起整个钻柱时当向上提起整个钻柱时★★钻柱和顶驱的重量钻柱和顶驱的重量大大于于油缸向上的拉力，油油缸向上的拉力，油缸被拉下来，缸内排液，缸被拉下来，缸内排液，油液返回蓄能器油液返回蓄能器顶驱钻井系统 四、国产顶驱（四、国产顶驱（DQ））第一台台国产顶顶驱驱DQ-60D，由勘探院机械所和宝石厂合研， 97年2月部级鉴鉴定定，中国成为第第五五位顶驱的生产国家1．DQ-60D顶驱顶驱 （结构如图3-21所示）主主要要特特点点：采用AC-SCR-DC驱驱动动，PLC监测控制。
2．DQ-60P顶驱顶驱(Portable 轻便轻便)勘探院机械所与宝石鸡厂合研的DQ-60P轻轻便便顶顶驱（驱（ AC-SCR-DC驱动驱动））3．DQ-20H顶驱顶驱(Hydraulic)勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱液马达顶驱，钻深2000m 顶驱钻井系统 。