石油工程与装备 第四章 顶驱钻井系统（新版11）学习课件

第四章

顶驱钻井系统

一、概述顶驱钻井系统（TopDriveDrillingSystem）简称顶驱系统（TopDriveSystem-TDS）。

1.什么是顶部驱动钻井装置

顶驱：从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣等多种钻井操作，参见图4-1。图4-1

顶部驱动钻井系统

图4-1

顶部驱动钻井系统

由三大部分组成：水龙头一马达总成、导向滑车总成、钻杆上卸扣总成。水龙头-马达总成钻杆上卸扣总成导向滑车总成2.思路:转盘＋水龙头→动力水龙头3.顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）4.顶驱发展第一台顶驱由美国Varco公司研制（82年问世）。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①AC-SCR-DC顶驱动(80年代广泛用)②AC变频f顶驱(90年代后使用)80年代中，挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱。之后，美国（Varco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顶驱、AC-AC变频顶驱。

北石AC变频顶驱宝鸡石油机械有限公司DQ70/4500DB顶驱装置辽河天意AC变频顶驱辽河天意AC变频顶驱5000m600kW7000m9000m5000m7000m北石AC变频顶驱中国AC变频顶驱08年4月北京石油装备博览会参展产品截止2007年8月北石已生产出百台顶驱。辽河天意AC变频顶驱辽河天意AC变频顶驱北石AC变频顶驱09年10月东营石油装备博览会参展产品北京南车时代顶驱二、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）以立根钻水平井、斜井时，容易控制造斜方位。（5）钻杆上卸扣操作机械化。（6）立根钻进，提高取岩心质量。

三、顶驱系统组成组成:水龙头-钻井马达总成、导轨导向滑车总成、上卸扣装置仅动力有别：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.水龙头-钻井马达总成顶驱的主体。图4-2是Varco公司额定载荷6500kN的TDS-3S型顶驱水龙头达-钻井马总成。图4-2

水龙头—钻井马达总成

整体式水龙头提环平衡油缸气刹车直流马达主轴大齿轮小齿轮水龙头轴承图4-2

水龙头—钻井马达总成由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。（1）马达：用并励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，与普通水龙头的相同。（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。主轴小齿轮直流马达气刹车平衡油缸整体式水龙头提环水龙头大齿轮轴承图4-3顶驱水龙头—马达总成油润滑图

（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为冷却系统的总体结构。用离心式鼓风机对电机进行强制冷却。图4-4钻井马达

冷却系统

离心式鼓风机钻井马达水龙头①近距离安装鼓风机基本的马达冷却系统（看右图）,向钻井马达提供近距离的冷却风。②加高进气口的近距离安装鼓风机（右图）加高进气口的近距离冷却系统

游车+大钩加高进气口鼓风机马达标准鼓风机进口钻井马达鼓风机壳③远距离鼓风机冷却系统（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4-6

远距离鼓风机冷却系统

鼓风机空气软管马达滑车总成TDS-11SA同级别中体积最小输出效率最高可靠性最高的顶驱500吨/800

马力在ZJ-50D钻机上安装的

TDS-11SA顶驱TDS-11SA典型配置井架电缆接线盒主电缆(井架内部)PH-75管子处理机司钻控制台万能扭矩平衡粱变频器和控制盘导轨分段带销钉和附件TDS-11SA驱动部分TDS-11SA驱动部分10.5:1减速比主止推轴承冲管盘根总成(P-500)鹅颈管(S-Pipe)88英寸系统吊耳,一体化的水龙头(包括重量平衡装置)400马力交流钻井电机-2个液压刹车-2个冷却系统空气通道-2个冷却风扇交流电机-2个主轴一体化液压系统交流感应电机

RelianceRPMAC空气入口(1100立方英尺)线圈(玻璃纤维涂层)IP56定子总成(总成)线圈空气出口定位滚柱轴承电机刹车

止推球轴承

转子总成(迭片)电机外壳电机轴主动齿轮注

:TDS-11SA的齿轮已升级为斜齿轮,寿命更长,静音效果更好TDS-11SA齿轮变速箱一体化式液压系统SightGlassCorkBallHydraulicOilFilterPop-UpDirtAlarmHydraulicOilDrainHydraulicsHydraulicOilFillMaleQuick-ConnectDustPlugHydraulicLubricationKitFemaleQuick-Connect排油口软木塞球弹出污垢警告公母润滑箱防尘插头7500PSI泥浆通道InspectingS-PipeWingNut蝶型螺母SealRingPlug塞子Clamp卡箍Bolts螺钉SealRingWingNutVarco顶驱上的盘根和冲管InspectingWashPipeAssemblyDailyWashPipeInspectUpperSpacer隔套MiddleSpacerMiddleSpacerLowerSpacerO-RingO-RingSnapRingHoldingRingPackingSealWashPipeNutWashPipePackingAssemblyBoxStraightGreaseFittingSocketHeadScrew冲管填充密封卡环填料密封盒支撑环冲管螺母交流钻机电机(2×400HP)S-管液压源0.56米1.6米0.86米变速箱分段式导轨8"×

19"滑动部分总成系统吊耳TDS-11SA的俯视图2.导轨—导向滑车总成导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。①导轨：装在井架内②导向滑车：由马达底座和框架组成。③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

导轨与滑车

导轨的主要作用是承受顶驱工作时的反扭矩。DQ70BSC

顶驱所用的单导轨采用双销连接。与顶驱减速箱连接的滑车穿入导轨中，随顶驱上下滑动，将扭矩传递到导轨上。导轨最上端与井架天车底梁上安装的耳板以U型环连接，导轨下端与井架大腿的扭矩梁连接，使顶驱的扭矩直接传递到井架下端，避免井架上端承受扭矩。2.导轨—导向滑车总成北石顶驱导轨-导向滑车交流变频驱动(ACVFD)

双导轨单导轨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4-8650吨钻杆上卸扣装置总成

旋转头吊环倾斜机构扭矩扳手吊环联接器主轴限扭器吊卡吊环旋转头：接在马达水龙头下方TDS-8S(AC)

扭矩扳手鼓风机空气软管游车水龙头-马达总成吊环倾斜器吊环（1）液压扭矩扳手用处：卸扣。原理：由液缸驱动横向夹紧活塞夹紧钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩筒完成卸扣操作。（扭矩扳手上卸扣期间，上升扭矩管使母花键同上部公花键相啮合，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。（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

升降液缸扭矩筒扭矩液缸夹紧活塞（2）内防喷器及启动器内防喷器（图4-10）是球型安全阀，防止泥浆溢流和井涌。上部远控内防喷器和下部手动内防喷器，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，可随时使用。

图4-10内防喷器阀及启动器总成

上部内防喷器阀下部内防喷器阀内防喷器启动柄安全接头内防喷器启动液缸钻杆吊环联接器夹紧缸扭矩管顶驱IBOP内防喷器IBOP(InsideBlowOutProventer)背钳北京石油机械厂内防喷器（IBOP）IBOP(InsideBlowOutProventer)阀体波形弹簧下阀座阀芯上阀座下拼合挡环上拼合挡环支承环手柄套操作柄手柄座挡圈（3）吊环联接器、吊环和钻杆吊卡图4-11为吊环联接器。作用:可由图4-8看出，它通过吊环将下部吊卡与主轴相连。

主轴穿过齿轮箱壳体，又同整体水龙头相接。

图4-11吊环联结及限扭器总成

吊环联接器旋转头限扭器吊环吊卡吊环倾斜机构吊环联接器限扭器旋转头主轴扭矩扳手吊环（4）吊环倾斜器

图4-12、图4-8所示作用：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。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。象大钩能自动回原位。

图4-13650t旋转头总成

国产回转头背钳装置、内防喷器操纵机构、倾斜机构、吊环吊卡是为起下钻作业服务的，独立于主轴运动。

回转头带动上卸扣装置一起作顺时针、逆时针转动，以便适应抓取单根、接立根的方位。回转头靠液马达带动齿轮转动，由调速阀调节4～8r/min。时代回转头液马达驱动齿轮转动国产回转头500吨吊环连接器吊环倾斜装置总成上内防喷器和启动装置下内防喷器反扭矩架可大范围移动背钳可调喇叭口动力吊环定位器-360度350吨吊卡350吨，120英寸吊环吊卡PH-75管子处理机PH-75管子处理机可抵抗75,000Ft-Lbs卸扣扭矩直接用交流电机进行上卸扣,无需液压缸冲扣。从而简化了管子处理机。扭矩背钳动力旋转头吊环多点定位单或双内防喷器遥控控制上内防喷器钻进到钻台面井架工PH-75吊环的多点定位吊环定位点鼠洞2米1.35米主轴安全夹-3上内防喷器和双摇臂启动器下内防喷器(手动)保护短节PH-75主轴总成上内防喷器启动液缸总成背钳可达上内防喷器万能平衡横梁安装完毕的导轨TDS-11SA采用游动系统顶驱分段吊起导轨和顶驱导轨采用自锁技术安装快捷<4小时安全结构简单

导轨分段连接板导轨的特点86英尺游动电缆777MCM135英尺井架电缆777MCM司钻房变频房3x100’电源电缆646MCM井队电源200英尺司钻房电缆顶驱－变频房电缆长321英尺，变频房－井队电源电缆长100英尺，保证变频房能够置于安全区，且电缆沿井架固定，无需悬空。6x1100‘英尺跳接电缆646MCMVarco顶驱标准井厂安装布置示意图体积最小，输出最强劲，惟一能安装于ZJ-30车装钻机的顶驱。

TDS-10SA

250吨/350马力

顶部驱动系统TDS-10SA适用于典型

250吨游车－大钩组合26.4’/27.4’TopDriveStack-Up*4Ft15.0’-标准16.0’-选择顶驱高度*8FtMinToolJointBailRestBlockTopSpreaderBeamCLSectionalGuideBeamExisting250TonRatedCombo-Typ.TDS-10SA250Ton/350HPTopDrivePH-55Pipehandler*

StandardTDSConfigurationWorkingHeightwithOneIBOP&96”D.P.E.Links-15.0’

OptionalTDSConfigurationWorkingHeightwithTwoIBOP’s&108”D.P.E.Links-16.0’11.4’-Typ.StrokedComboWork.HeightTDS-10SA整体结构TDS-10SA俯视图交流电机(350HP)水龙头鹅颈管1.22米0.66米传动比：13.1:1-低速或4.8:1-高速(可选)分段式导轨10“x10“(方管)带聚合物滑轨的滑动架总成0.45米0.71米系统提环(250Ton)1.12米0.61米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），或者直接连到游车上。图4-15平衡系统示意图

上连大钩或游车钻井马达油缸提环（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