顶驱钻机的结构设计
4500kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计
4500kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计摘要：顶部驱动钻井装置是一种相对较为先进的钻井设备，它通过顶部的电机和传动装置来驱动钻杆的旋转和上下移动。
相比于传统的钻井设备，顶部驱动钻井装置能够在钻井过程中实现更加高效的操作，以及更加精确的控制。
这种装置在实际应用中也得到了广泛的验证，证明其应用效果非常良好。
基于此，本文主要针对4500KN变频直驱顶部驱动钻井装置展开设计。
关键词：4500KN；直驱顶部驱动钻井装置；结构；设计引言：在井架的上方装有一台顶驱动的钻机（下文称顶驱），它能沿着轨道的升降运动，实现钻杆的转动，钻井液的循环，以及立根的接接；适用于各种钻孔操作，如上卸扣，倒划等。
该装置替代了常规的圆台方钻组合，大大降低了钻柱卡钻、卡钻等复杂工况，大大提升了钻井工作效率。
顶驱油是目前国际上最先进的油气勘探技术，在深井、水平井、大斜度井等复杂油气井上具有很高的技术优势。
在石油地质条件日益严酷、复杂、复杂的情况下，顶驱技术已经逐渐成为深井、超深井以及一些特殊技术井的标准技术。
1典型顶部驱动钻井装置功能特点目前我国石油钻井所应用的典型顶驱钻井装置有TDS—11SA、TDT500ECI和DQ70BS等。
这些不同型号的装置在功能上各有优劣，但它们在以下方面有一系列共同的优点。
首先，采用整立柱钻杆钻进的方式工作，节约了接单根时间、操作步骤和工人劳动作业强度，提高了钻井效率和井口作业的安全性。
传统的钻井方式需要手动添加钻杆，而使用顶驱钻井装置可以自动完成这个过程。
这不仅提高了施工效率，还可以避免因人为操作错误引起的安全事故[1]。
其次，利用顶驱钻井系统能够实现在任意高度循环钻井液或旋转钻具，更有利于划眼下钻以及倒划眼起钻。
这可以避免井下事故，节约了钻井施工成本，提高了作业效率。
顶驱钻井系统可以根据需要调整钻杆的高度，使得钻井液和旋转钻具在井下得到更好的流动和旋转，从而提高钻井效率。
2 4500KN直驱顶部驱动钻井装置设计要求2.1设计标准直驱顶驱是一种广泛应用于石油钻井和采油提升设备的驱动装置。
顶驱的机械构成
顶驱钻井系统的基本构成: 顶驱钻井系统的主要由电机部分和水龙头总成、管子处理器装置、滑架及导轨、司钻操作箱和变频房等组成。
一、电机部分和水龙头总成：该总成由以下部件组成，变速箱和水龙头部分，钻井电机和制动器变速箱和水龙头总成由以下组成：罩体、本体和传动箱、电机小齿轮（2）--34齿、复式齿轮（2）--63╳18齿、大齿轮--102齿、主轴、整体式水龙头总成、润滑系统。
双级减速的单速斜齿轮传动可以提供由电机到主驱动轴的10.5:1的传动比。
本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主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。
如下图所示：传动/水龙头总成34齿电机齿轮63╳18齿复式齿轮102齿大齿轮传动/水龙头总成主轴二、管子处理装置：该装置主要由以下部件组成：旋转头、吊环倾斜装置、遥控式上旋塞、背钳、反扭矩架等。
如下图：三、滑架及导轨：顶驱钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑动架沿悬立式导轨游动。
导轨悬挂在天车，并一直延伸到距钻台2.1米左右处。
在此，与安装在井架下部的扭矩反作用梁。
钻井扭矩通过滑动架作用到导轨上。
导轨各段用销子固定在一起，可在钻台上把各段连起，然后用绞车将导轨吊起与天车相连。
四、司钻操作箱：司钻可以通过该面板实现钻井过程中各种工况下（钻进、起下钻、倒划眼、处理事故等）的各种功能，此司钻操作箱均为按钮或旋钮式设计，操作方便、简捷。
安装在电动钻机的司空房内，具体外观如下图：钻井扭矩设定钻井/旋扣/扭矩转速手轮正转/关/反转上扣扭矩设定紧急制动转速表扭矩表液压泵自动/开刹车控制液动旋塞控制管子处理器控制五、变频房，变频房主要是为顶驱装置提供动力和进行各种控制的常场所，在其内部实现整流、变频和控制。
通常安装在井队发电房的附近，以方便获得动力。
顶驱解体图 ppt课件
o.新旧油封耐磨套对比。
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
新下轴承及耐磨套
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二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
p.行星齿轮轴承及轴。
零件号：105796 A 3个
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
刹车片
q.刹车及刹车盘。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
931平台送回待修的顶驱
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
着陆套（承载环）
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
中心衬管与冲管连接处
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二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
电磁阀组：上 控制机械手， 下控制盘刹
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二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
修
复
后
顶
驱
英
姿
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二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
。
g.新旧轴封对比，唇边有明显磨损。 零件号：17444-LUPW。 两个
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二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
e.主止推轴承。
零件号:TIMKENO T112O K USA DH
f.下轴承。
5238-WM R6TORRINGTON USA
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
石油工程机装备 第四章 顶驱钻井系统(新版11)1
顶驱的主体。
图4-2 是Varco公司额定载 荷6500kN的TDS- 3S型顶驱
大齿轮
小齿轮
主轴
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
由水龙头、马达和一级齿轮减速 水龙头 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 轴承 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 大齿轮 ）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。 主轴 （5）主轴：即水龙头的中心管。
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 ②AC变频f顶驱
(80年代广泛用) (90年代后使用)
顶部驱动
液压顶驱
电动顶驱
直流顶驱
变频顶驱
交流感应变频顶驱
永磁变频顶驱
图4-7 马达支架和导向滑车总成
（5）钻杆上卸扣操作机械化。
（6）立根钻进，提高取岩心质量。
整体式水 龙头提环
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；
水龙头
平衡 油缸 气刹车
轴承
直流 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
Clamp 卡箍
Bolts 螺钉 Seal Ring Wing Nut
顶驱钻井平台毕业设计
毕业设计姓名：杨青课题：顶驱钻机的构设计指导教师：饶美丽专业：机电一体化日期：2010年11月19日顶驱钻井的结构设计摘要20多年来世界上蓬勃发展的顶部驱动钻井装置，实现了钻机现代化的历史跨越。
介绍了顶部驱动钻机的中提技术，描述了顶部驱动的结构和功能。
对其主要的技术参数，结构和工作性能等做出了详细的介绍。
致命了它在钻井，修井方面的广阔应用前景。
关键词：钻井，钻机，顶部驱动，原理，结构TOP DRIVE RIG STRUCTUREDESIGINGABSTRACRFor more than 20 years of world booming top drive drilling rig device, have realized modernization a historical leap. Introduces top drive rig advice, describes the top drive technology of structure and function. Its main technical parameters, structure and working performance and so make were introduced in detail. Deadly it up on the drilling and workover aspects, broad application prospect.KEY WORDS:Drilling, the drill, top drive, principle, structure前言近20年来，世界上发展起来的顶部驱动钻井转转显著提高了组阿宁作业能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。
目前在世界上不少国家的上千台大，中型钻机上，将它用于钻中深井（2000-4500M）,深井（4500-6000M），超深井（6000-9000M）的日益增多。
石油工程机装备第四章顶驱钻井系统(新版11)2
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414）。
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（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。
上连大钩
导轨分段
连接 板 TDS-11SA 安装完毕的 导轨
万能平衡 横梁
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Varco顶驱标准井厂 安装布置示意图
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
200英尺司钻房电缆
全区，且电缆沿井架固定
，无需悬空。
6x1 100‘英尺 跳接电缆 646MCM
3 x 100’ 电源电缆 646MCM
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。
旋转头 吊环联 接器
限扭器
图4-11 吊环联结及限扭器总成 9
旋转头 主轴 吊环倾 斜机构
扭矩 扳手 吊环
限扭器 吊环联 接器
吊环 吊卡
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（4）吊环倾斜器
图4-12、图4-8所示
图4-13 650t旋转头总成
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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。
时代
回转头靠液马达带动齿轮 转动，由调速阀调节4～ 8r/min。
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顶驱结构及原理课件
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱保养
v 每日检查机械手油柜的油位，不足时补充N32抗磨液压油顶 驱C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \DSC09328.jpg
v 每日在运转情况下检查机械手泵站滤器的工作情况，当阻滤 表的指示超过绿限时，即更换回油滤器。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱操作
v7、使用管子处理器时，在油泵运转情况下，先搬动顶驱上的阀手柄选 择进行上扣或卸扣， 确认各液压缸在正确位置，按动按钮直到上、卸扣 整个动作完成，松开按钮液压缸自动复位，在完全复位后方可进行重复 动作。 v8、使用摆臂时，提醒其它人员，拨动按钮气囊充气，吊臂摆出；拨回 按钮气囊放气，吊臂靠重力回位。 v9、运转时应随时注意检查 v1)、各个螺栓紧固情况。 v2）、顶驱水龙带、冲管、由壬接头有否泄漏，刺裂情况。 v3）、检查液压泵、气源压力是否正常。 v4）、检查顶驱各部分振动情况。 v5）、润滑油、液压油、气管线是否泄漏，油温是否正常。 v6）、注意倾听顶驱工作时的声响有无异常。 v7）、检查上下考克是否在正确位置使用，开关是否灵敏。 v8）、检查润滑油泵的运行情况。
a.上IBOP安全阀 b.下IBOP安全阀
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱结构
c.保护、转换及隔离接头。 3、安全阀驱动器 4、扭矩钳 5、倾斜吊环装置 管子处理装置向IDS钻井系统提供了两项基本功能; 1)起下93英尺长的钻杆立柱。 2)为在井架任何高度上连接和断开钻柱提供了高达
60000ft-lbs 的扭矩 管子处理装置能配成与各种钻杆接头连接。它包括一整体吊卡和VACRO专 用扭矩钳，还包括一安全阀遥控器和倾斜吊环驱动器。不使用时，保持静 止钻柱可以自由通过。起下钻和进行井下作业时，管子处理装置能自由旋 转360度，模拟标准大钩的作用。
顶部驱动钻井装置简介
顶部驱动钻井装置简介目录•顶部驱动钻井装置概述•顶部驱动钻井装置结构组成•顶部驱动钻井装置工作原理与性能特点•顶部驱动钻井装置安装与调试•顶部驱动钻井装置操作与维护保养•顶部驱动钻井装置在石油工程中的应用实例01顶部驱动钻井装置概述定义与基本原理定义顶部驱动钻井装置，简称顶驱，是一种直接安装在钻柱顶端，能够旋转钻柱并施加扭矩的钻井设备。
基本原理通过电动机或液压马达驱动齿轮减速机构，将扭矩传递给钻柱，同时通过控制系统实现钻柱的旋转、提升、加压等操作。
发展历程及现状发展历程顶驱技术起源于20世纪60年代，经历了从机械式到电动式、从单一功能到多功能的发展历程。
随着技术的不断进步，顶驱已经成为现代钻井技术的重要组成部分。
现状目前，顶驱技术已经广泛应用于石油、天然气、地热等领域的钻井作业中。
随着非常规油气资源的开发，顶驱技术也在不断发展和创新，以适应更复杂、更恶劣的钻井环境。
应用领域与市场需求应用领域顶驱主要应用于石油、天然气、地热等领域的钻井作业中。
它可以提高钻井效率、降低钻井成本、减少井下事故等。
市场需求随着全球能源需求的不断增长和非常规油气资源的开发，顶驱市场需求将持续增长。
同时，随着环保要求的提高和技术的进步，市场对顶驱的性能、可靠性、安全性等方面也提出了更高的要求。
02顶部驱动钻井装置结构组成提供驱动力，驱动传动系统工作。
柴油机或电动机液压泵站冷却系统为控制系统和辅助系统提供液压动力。
对动力系统进行冷却，确保其在高温环境下正常工作。
030201将动力系统的输出转速和扭矩调整到适合钻井作业的范围。
变速箱实现传动系统与动力系统的连接与断开，方便操作和维护。
离合器将动力传递给钻井装置的其他部分，如转盘、绞车等。
传动轴主控制器对整个顶部驱动钻井装置进行集中控制，实现自动化操作。
传感器监测钻井装置的工作状态，如转速、扭矩、温度等，并将数据传输给主控制器。
执行器根据主控制器的指令，控制传动系统、辅助系统等的工作。
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高等教育自学考试毕业设计（论文）题目顶驱钻机的结构设计专业班级09级机电一体化工程姓名指导教师姓名、职称高级工程所属助学单位2011年 4月1 日目录1 绪论 (1)1．1顶驱钻机的发展和简介 (1)2 顶驱装置 (1)2．1 顶驱装置的概述 (1)2．2 顶驱装置的特点 (3)2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点 (3)2．3．1 顶部驱动钻井装置构成 (4)2．3．2 顶部驱动钻井装的性能特点 (4)2．4 顶驱装置的结构 (5)3 钻机 (6)3．1 钻机的概述 (6)3．2 钻机主要技术要求 (7)3．3 影响钻进的因素 (8)4 顶驱钻机虚拟样机技术研究 (8)4．1 总体方案设计系统 (8)4．2 虚拟样机TDS—VPS的功能模型 (9)4．2．1 虚拟造型系统 (9)4．2．2 顶驱钻机仿真分析设计 (10)4．3 顶驱虚拟样机TDS—VPS的关键技术 (11)4．3．1 数字化表达方式 (11)4．3．2 虚拟性能评估 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)摘要钻机在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等；钻机在矿山开凿中，常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等；钻机在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。
本文通过介绍顶驱钻机，根据机械振动理论,得出系统的运动微分方程,并针对研制的实际情况,合理的确定了顶驱系统的振幅、激振频率、激振力、偏心力矩等主要参数。
根据顶驱的振动过程,进行动力学分析,在此基础上建立虚拟样机,得到了箱体质心位置、偏心块质心位置以及激振力等随时间变化的参数曲线,实现了对顶驱系统虚拟样机的动力学仿真分析。
应用ANSYS软件对顶驱系统主要承力构件冲锤进行有限元分析,用此分析顶驱系统的设计是否满足使用要求,为研究生产样机提供了理论依据。
同时,钻机进行了空运转实验和生产性实验用以验证顶驱结构设计合理。
关键词：钻机、顶驱结构设计、虚拟样机、动力学仿真分析AbstractCensus exploration drilling of the deposit, especially non-ferrous and rare metals deposits census exploration, drilling tunnels for recourse deposits, geological survey and delineation of encryption ore exploration and sampling and verification; rig drilled in the mine, the common tunnel drilling Ground observation technology to drilling holes, ventilation holes, drain holes, gas discharge hole, grouting holes, blasting holes drilled anchor holes and trenches of the pilot hole, etc drill in other areas of geotechnical engineering, tunnel drilling equipment And technology can be used for the dam foundation Slope control of geological disasters in the deep foundation of support, as well as industrial and commercial transport and military aspects of underground construction.By introducing the top drive drilling rigs, according to mechanical vibration theory, the obtained differential equations of motion, and for the development of the actual situation, the reasonable determination of the top drive system, the amplitude, excitation frequency, the exciting force, eccentric torque, and other major parameters。
According to the vibration of the top drive the process of dynamic analysis, based on this prototype, get a box center of mass position, eccentric, and exciting force centroid position changes with time parameter curves on the top drive system to achieve a virtual Prototype dynamic simulation analysis。
Application of ANSYS software to the top drive system, load-bearing component hammer finite element analysis, using this analysis whether the top drive system design to meet the requirements for the study of the production prototype provides a theoretical basis. Meanwhile, the rig air operation conducted experiments to test and verify the production of top drive structure design.Keywords: drilling rig; top drive design; virtual prototype; dynamic simulation analysis顶驱钻机的结构设计1 绪论1．1顶驱钻机的发展和简介顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革(液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等)之一。
随着机电液一体化的控制技术、变流变频、PLC 程序控制技术的不断发展,以及现代钻井技术要求的不断提高,对顶驱的结构、控制系统功能提出了新的要求。
为了改进钻机顶驱装置的设计,提高钻井能力、可靠性、可操作性和安全性,并对顶驱制造厂家提出建议,以使制造的顶驱能充分满足钻井工艺要求,同时保证顶驱的先进性、经济性和可靠性。
2 顶驱装置2．1 顶驱装置的概述顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。
它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。
该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。
自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。
该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。
它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。
顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。
该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。
它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。
图2．1为顶驱主要部件图。
图2．1 顶驱主要部件图2．2顶驱的特点作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。
同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点：1．节省接单根时间顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。
取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。
2．倒划眼防止卡钻顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。
在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。
3．下钻划眼顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。
使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。
4．人员安全顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。
接单根只需要打背钳。
钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。
5．设备安全顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。
钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。
2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点多年来，石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业的。
近年来，随着钻井装备技术的不断发展，为了更好地满足钻特殊工艺井的需要，20世纪80年代，国外研制出一种将水龙头与马达相结合，在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转，并可沿井架内安放的导轨向下送进的钻井装置，同时配备了钻杆的上、卸丝扣装置，可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起下边转动等操作。
因该装置在钻机的游动滑车之下，驱动的位置比原转盘位置要高，所以称之为顶部驱动钻井装置。