石油钻采设备及工艺-李振林 §4-3 顶驱钻井系统

1、4-34-3顶驱钻井系统顶驱钻井系统 二、二、顶驱钻井系统的特点顶驱钻井系统的特点 三、三、顶驱钻井系统结构组成顶驱钻井系统结构组成 一、一、概述概述 返回 附：附：本节复习题本节复习题 四、四、国产顶驱钻井系统国产顶驱钻井系统 五、五、ACAC变频顶驱系统变频顶驱系统 一、概述 顶驱钻井系统（Top Drive Drilling System）,或简称顶驱系统（Top Drive SystemTDS），也称为动力水龙头（Power Swivel）：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。 常规水龙头与钻井马达相结合，并配备一种结构新颖的钻杆上卸 扣装置（或称管柱处理装置Pi

2、pehander），从井架空间上部直接 旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，可完成旋转钻进、倒划 眼、循环钻井液、接钻杆（单根、立根）(1钻进、2起钻)、下套管 和上卸管柱丝扣等各种钻井操作。 发展史 二、二、顶驱钻井系统的特点顶驱钻井系统的特点 和转盘方钻杆旋转钻井法相比，顶驱钻井系统旋转钻井法具有下 述主要特点： 1. 系统直接采用立根（28m）钻进，减少了2/3钻柱连接时间； 2. 起下钻时，顶驱钻井系统可在任意高度立即循环钻井液，实行倒划眼起钻和划 眼下钻，大大减少了卡钻事故； 3.系统具有遥控内部防喷器（IBOP），钻进或起钻如有井涌迹象，可即时实施井 控，大大提高了在复杂地层、钻

3、井事故地区钻井的安全性。 4. 顶驱系统以28m立根钻定向井、丛式井、斜井时，不仅减少了钻柱连接时间， 还减少了测量次数，容易控制井底马达的造斜方位，节省了定向钻井时间，提高 了钻井效率； 6. 顶驱系统配备了钻杆上卸扣装置，实现了钻杆上卸扣操作机械化，快捷便捷、 安全可靠。不用转盘、方钻杆，避免了接单根钻进的频繁常规操作，不仅节省了 时间，且大大减轻了钻井工人的体力劳动强度，降低发生人身事故的机率。 5. 系统可连续取芯28m，改善了取芯条件，提高了取芯质量； 三、顶驱钻井系统结构组成三、顶驱钻井系统结构组成 顶驱钻井系统主要由三部分组成：水龙头钻井马达总成、钻杆上 卸扣装置和导向滑车总成。

4、前两者是顶驱钻井系统主体，后者是辅 助支持机构。 液马达顶驱、AC-SCR-DC顶驱和AC变频顶驱系统的区别仅在于驱动 马达是液马达、或是直流电机，或是交流电机，这三种顶驱系统的 结构组成没有根本性的区别。 四、四、国产顶驱钻井系统国产顶驱钻井系统 第一台国产顶驱钻井系统DQ-60D由石油勘探院机械所和宝鸡石油机械厂等联合 研制，于1997年2月通过鉴定，整体技术达到了国外90年代同类产品的先进水平， 使中国成为世界上第5个能研制顶驱钻井系统的国家。 继DQ-60D之后，石油勘探院机械所与宝鸡厂再度合作研制了DQ-60P轻便顶驱钻 井系统。 此外，为适应浅井的老井侧钻、加深井、加密井、小井眼井

5、钻井作业以及修井作 业的需要，石油勘探院机械所和有关单位合作研制了DQ-20H顶驱钻井装置。 纵观国外电驱动钻机和顶驱钻井系统的发展趋势，变频驱动是发展方向。 五、五、ACAC变频顶驱系统变频顶驱系统 1.AC变频顶驱系统的主要优点（相对于AC-SCR-DC直流电机驱动） AC电动机效率可高达9697，经济性好； AC电动机没有电刷，工作时不会产生火花，防爆，钻井安全；经久耐用，维护保养 简单；质量轻、体积小、占用空间少； 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。 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，1min内可承 受额定载荷150过载载荷。

6、 2.美国VARCO公司的AC变频顶驱系统（TDS-11S） 3.挪威MH公司的AC变频顶驱系统（DDM-650） 2）吊环倾斜机构： 在吊环联接器前方的一个使吊环倾斜的机构， 采用气阀控制气弹簧，使吊环倾斜，令吊卡在 钻进时偏离钻柱轴线，接立根时去卡抱待接立 根的接头；中间限位机构用以辅助井架工排放 立根。 吊环 气弹簧 倾斜机构 中间限位机构 吊环联接器 1）吊环联接器： 座在一花键短节的台肩上，短节与主轴相联；吊卡承 受的载荷可通过吊环、吊环联接器传给水龙头。 1、带花键的防喷阀；2、吊环倾斜机构；3、主轴；4、旋转头 5、限扭器；6、吊环连接器；7、防喷阀启动器；8；扭矩扳手 9、吊环

7、；10、钻杆吊卡 2）吊环联接器： 座在一花键短节的台肩上，短节与主轴相联；吊卡承 受的载荷可通过吊环、吊环联接器传给水龙头。 1、带花键的防喷阀；2、吊环倾斜机构；3、主轴；4、旋转头 5、限扭器；6、吊环连接器；7、防喷阀启动器；8；扭矩扳手 9、吊环；10、钻杆吊卡 3）液控扭矩扳手： 用于卸扣，由联接在钻井马达上的吊架支撑；卸扣时，扭 矩扳手的夹持爪先夹紧钻杆母接头（由夹紧液缸驱动）， 然后，和扭矩臂相连的两个转矩液缸动作，转动保护接头 及主轴松扣，再启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作；此外， 另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程。 3）液控扭矩扳手： 用于卸扣，由联接在钻井

8、马达上的吊架支撑；卸扣时，扭 矩扳手的夹持爪先夹紧钻杆母接头（由夹紧液缸驱动）， 然后，和扭矩臂相连的两个转矩液缸动作，转动保护接头 及主轴松扣，再启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作；此外， 另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程。 3. 钻杆上卸扣装置（或称为管柱处理装置） 钻杆上卸扣装置总成，一般由旋转头、吊环连接器、吊 环倾斜机构、保护接头、卸扣背钳（或称扭矩扳手）等 组成，可完成接立根、起下钻时上卸立根丝扣及打开与 扣紧吊卡等操作，实现了钻柱连接、上卸扣操作机械 化， 。 导向滑车总成 钻井马达和一个特制的导向滑车组装 在一起，并通过专用连杆挂到水龙头 加长的提环销上。 钻井马

9、达座架 钻井马达耳轴安装支座 支座 滑车框架 导向滚轮 管束支座 导向滑车总成 钻井马达和一个特制的 导向滑车组装在一起， 并通过专用连杆挂到水 龙头加长的提环销上。 钻井马达座架 钻井马达耳轴安装支座 支座 滑车框架 导向滚轮 管束支座 导向滑车结构，主要由钻 井马达座架和滑车框架构 成，前者用于支撑钻井马 达及其附件；后者有导向 轮，可沿导轨滚动；导轨 装在井架内部，对游车及 顶驱钻井系统起导向作用， 钻进时导轨承受反扭矩。 防爆交流马达及 离心式鼓风机 钻井马达 水龙头 刚性通风管道 马达接线盒 钻井马达冷却系统 回照片 图片 水龙头 接线盒 气刹车钻井马达 齿轮 主轴 水龙头钻井马达总

10、成 由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。 采用串激（或并激）直流马达立式传动， 驱动主轴（水龙头的中心管）； 马达轴上装有气动刹车，可产生静制动 力矩，用于马达的快速制动； 马达转轴下伸轴头装有小齿轮，与装在 主轴上的大齿轮相啮合，主轴下方接钻 杆柱； 钻井马达采用强制风冷。 由水龙头、电动机和一级齿轮减速器组成。 采用串激（或并激）直流马达立式传动，驱动主轴； 马达轴上装有气动刹车，可产生静制动力矩，用于马达的快速制动； 马达转轴下伸轴头装有小齿轮，与装在主轴上的大齿轮相啮合，主轴下方接钻 杆柱；钻井马达采用强制风冷。 水龙头钻井马达总成 采用串激（或并激） 直流马达立式传动，驱 动主轴；

11、马达转轴下伸轴头装 有小齿轮，与装在主轴 上的大齿轮相啮合，主 轴下方接钻杆柱；钻井 马达采用强制风冷。 挪威DDM-650顶驱钻井系统： 原产品为直流电机驱动，也可改用AC变频驱动 1水龙头；2电动机；3齿轮减速箱； 4机械齿轮箱；5钻杆操纵接头； 6钻杆操纵旋转环； 7吊卡位置电动机；8液压缸； 9悬挂器；10吊卡游动动作器； 11伸缩接头；12伸缩接头支撑组； 13遥控内防喷器；14扭矩扳手； 15钻杆吊卡 VARCO公司的AC变频顶 驱系列产品，其整体结构 型式和结构组成几乎是一 样的，主要区别是承载能 力不同，主体部分结构尺 寸不同，采用单马达或双 马达驱动。 DQ-20H顶驱钻井装

12、置，名义钻井深度2000 m（127mm钻杆），液马达传动、重量轻、 结构简单。 1提环；2水龙头鹅颈管； 3水龙头冲管总成；4上卸扣液马达； 5减速器水龙头体； 6卡紧联接器；7回转头总成； 8倾斜机构；9手动内防喷器阀（IBOP） 10背钳；11吊环；12吊卡； 13导轨承担架；14单导轨总成； 15滑车架；16主驱动液马达（2台） DQ-60P结构上的主要特点是：直流驱动电机侧 置，单级双圆弧齿轮减速器驱动水龙头中心管 （主轴）。专门设计了过渡提环，可将顶驱系 统挂在原有钻机的游车上。较DQ-60D质量轻、 长度短，更便于安装拆卸。SCR传动控制采用 进口全套智能化传动控制系统，对主电机

13、进行 控制，性能好、安全性高。采用PLC对辅助系 统全面控制，具有安全互锁、监控、报警等多 项功能，确保系统安全可靠。 1单导轨总成；2过渡环总成；3风冷装置 4刹车装置；5直流驱动电机；6齿轮减速 器；7动力水龙头体；8夹紧连接器； 9回转头总成；10上IBOP（自动）； 11下IBOP（手动）；12环形背钳； 13鹅颈管；14水龙头冲管总成； 15小车滑车；16倾斜机构； 17导轨承担梁 DQ-60D结构上的主要特点是：钻井马达 水龙头总成采用中空电机、行星齿轮减 速器、水龙头冲管与中心管综合为一体的 结构，电机与主轴同轴线。 中空电机是由兰州电机厂利用引进GE752 技术生产的直流电机Z

14、L490/390，强制风 冷。 游车是专用的，钻杆上卸扣装置的回转头、 吊环倾斜器都是液动的。 DQ-60D采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测 控制。 1单导轨；2游车；3电机风冷装置 4水龙头冲管总成；5刹车装置； 6空心轴式直流电机；7滑车架； 8行星减速器；9连接装置； 10回转头总成；11自动内防喷阀（上 IBOP）；12倾斜机构；13手动内防 喷阀（下IBOP）；14保护接头； 15背钳 顶驱发展史： 顶驱钻井系统是80年代以来钻井设备发展的四大新技术（顶驱、盘式 刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）之一。钻井实践表明，顶驱钻井系 统突出的优点是：可节省钻井时间2025，可大大减少卡钻事故， 可控制井涌，避免井喷，用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定 向井钻井时，其综合经济效益尤为显著。 第一台顶驱钻井系统于1982年问世，由美国Varco公司研制。自此，法 国、挪威、加拿大、中国相继成功地研制了顶驱钻井系统。驱动型式 有液马达驱动和电动机驱动两种。在80年代，电驱动广泛采用的