顶驱水龙头——钻井马达总成的结构设计
顶部驱动钻井系统使用手册
第十四章顶部驱动钻井系统第一节顶部驱动钻井装置基本结构和技术参数一、TDS-11SA顶部驱动钻井系统一）、基本结构TDS-11SA顶部驱动钻井装置主要包括下列主要总成及部件。
①水龙头—钻井电机总成；②电机冷却系统；③滑动架和导轨；④管子处理器⑤液压控制系统；⑥平衡系统；⑦动力系统和控制系统。
1、水龙头－交流钻井电机总成水龙头--钻井电机总成是顶部驱动装置的主体部件，主要由以下部件组成：①钻井电机和制动器②齿轮传动箱（变速箱）③整体式水龙头1）、钻井电机和制动器TDS-11SA有两台400马力的交流钻井电机，对称垂直安装在箱体上的两边，为TDS-11SA提供动力。
每一个电机有一个双端输出轴，输出轴下端安装驱动小齿轮，输出轴上端安装盘式刹车轮毂。
交流钻井电机是开放式结构，意为着冷却风可以通过电机内部。
它是专门为顶部驱动所设计的，电机内部有温度传感器、风道、轴承和安装斜齿轮和刹车轮毂的锥度输出轴。
每个电机顶部安装有一个液压盘式刹车，通过盘式刹车外盖可以很容易检查和维护盘刹。
在定向作业中，盘式刹车还可以辅助钻柱定向。
制动器由司钻控制台遥控控制。
2）、传动箱和水龙头总成齿轮传动箱总成把由交流电机产生的动能传递到钻杆。
传动箱和水龙头总成内部是一个单级双减速齿轮系统，从电机到主轴的减速比为10.5:1。
传动箱和水龙头总成的箱体为传动齿轮和轴承提供了一个密封的润滑油池。
轴承和齿轮由一个安装在箱体上的油泵强制润滑。
一个低速液压马达驱动油泵，过滤后的润滑油通过主支撑轴承、扶正轴承、小齿轮和复合齿轮轴承及齿轮的齿面连续循环。
油热交换是空冷式，传动箱上安装有油位指示器可监视油面高度。
不锈钢制成的提环固定安装在钻机大钩上。
提环与箱体之间的装配由铜套接合，可以使用黄油润滑。
3）、整体式水龙头总成整体式水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。
水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部，上部台阶做于主止推轴承上以支撑钻柱负荷。
主轴和鹅颈管之间有一个标准冲管盘根总成，这样就可以使钻柱旋转。
顶部驱动钻井装置
（一）、接立根钻进
（二）、接单根钻进
（三）、起下钻操作
工 作 原 理
（四）、倒划眼操作
/blog/static/10438719320095234577312/ 具体过程可参考：
顶驱钻井装置与常规钻井设备 比较
1、钻井效率明显提高。
A、从钻井到起下钻或从起下钻恢复钻进状态，该装置
5、安全性提高。
A、减少了使用大钳和猫头等，降低了钻井工人作业危 险。 B、减少许多笨重的工作，提高了起升重钻具的安全性。 C、自动吊卡，消除了人工操作吊卡的事故隐患。 D、井控安全性得到大大提高。 E、遥控防喷盒，防止泥浆溅落到钻台上，增加了工作 的安全性。
6、作业时间的比较
7、水平井费用比较
项目 转盘/方钻杆 顶驱装置
起下钻
非生产
纯钻进 日成本，美元 40800 43000
测深，M 机械钻速， m/h 典型钻井的作业时间分配 30% 40% 30% 日进尺 钻2000m所需天数 顶部驱动钻井装置钻井时 间分配
2000 30 240 8.3
2000 30 288 6.9
25%
35%
40%
单井成本，美圆
338640
296700
马达的支撑梁。导轨有单轨和双轨两种。 （三）、钻杆上卸扣装置
整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车一起运动。
主要组成部件：
1、扭矩扳手
2、内防喷器和启动器
3、吊环连接器和限扭器 4、吊环倾斜装置
5、旋转头
顶 部 驱 动 装 置 操 作 过 程
/programs/view/r0oIRChug7w
单井用顶驱节约，美圆
41940
8口井用顶驱节约，美圆
顶驱解体图
。 i.旋转头。旋转头可自由旋转。
作用：当钻杆上卸扣装臵在起钻中随钻柱部件 旋转时，它能始终保持液路气路的连通。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
油路、气路。 零件号：79853 79854 各一个
密封槽
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
旋转头分解图
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
安装中的齿轮箱。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
新旧对比 过滤了的润滑油通过主止推轴承，上轴承，再经过齿轮间隙连续循环
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
S管
中心衬管
鹅颈管
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
盘式刹车系统
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
电机空心轴花键与行星齿轮配合
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
行星齿轮组
k.上轴承。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
齿轮箱刹车机构剖面图
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
顶驱电机 安装好的盘式刹车系统。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
2007年8月25日中心衬管 刺漏，泥浆侵入齿 轮箱。虽然我们做 了无数次清洗工作， 但齿轮箱底部沉淀 的泥浆及油泥是无 法循环出来的，聚 集沙粒随驱动杆旋 转磨损油封导致油 封失效，造成齿轮 油漏失。 d.齿轮箱内部。由上至 下依次为主止推 轴承、下轴承、 轴封等组成。 油封
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
盘刹特写
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
顶部驱动钻井装置介绍
一、下管套 顶部驱动钻井装置配用500～750 t 吊环和足够额定提升能力的游动滑车， 就能进行额定重量500～650 t的下套 管作业。为留有足够的空间装水龙头， 必须使用4．6 m的长吊环。 将一段泥浆软管线同钻杆上卸扣装 置保护接头相连，下套管过程中可控 制远控内防喷器的开启与关闭，实现 套管的灌浆。 如果需要，也可使用悬挂在顶部驱 动钻井装置外侧的游动滑车和大钩， 配用Varco BJ规定吊卡和适当的游动 设备，按常规方法下套管。顶部驱动 钻井装置起下套管装置如图3—5所示。
3、下钻划眼。顶部驱动钻井装置具有不接方钻杆钻过砂 桥和缩径点的能力。
4、节省定向钻进时间。该装置可以通过28米立根钻进、循 环，这样就相应的减少了井下马达定向的时间。
5、人员安全。顶部驱动钻井装置，是钻井机械操作自 动化的标志性产品，终于将钻井工人从繁重的体力劳动中 解救出来。接单根的次数减少了2/3，并且由于其自动化 的程度高，从而大大减少了作业者工作的危险程度，进而 大大降低了事故的发生率。
四、顶部驱动装置操作过程
一、接立根钻进
接立根钻进是顶部驱动钻井装置普遍采用的方式。 采用立根钻进方法很多。对钻从式井的轨道钻机和可 带立根运移的钻机，钻杆立根可立在井架上不动，留 待下一口井接立根钻进使用。若没有立根，推荐两种 接立根方法：一是下钻时留下一些立根竖在井架上不 动，接单根下钻到底，用留下的立根钻完钻头进尺； 二是在钻进期间或休闲时，在小鼠洞内接立根。为安 全起见，小鼠洞最好垂直，以保证在垂直平面内对扣， 简化接扣程序。还应当注意接头只要旋进钻柱母扣即 可，因为顶部驱动钻井钻井马达还要施加紧扣扭矩上 接头。
二、接单根钻进 通常在两种情况需要接单根钻进。一种是新开钻井，井架中 没有接好的立根；另一种是利用井下马达造斜时每9．4 m必须 测一次斜。吊环倾斜装置将吊卡推向小鼠洞提起单根，从而保 证了接单根的安全，提高了接单根钻进的效率。接单根钻进程 序如下：
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。
顶驱钻机的结构设计
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。
顶驱结构和原理
顶驱构造及原理
顶驱构造 顶驱旳构成： 1、综合游 车
VACRO 综合游动滑车组提供六个额定载荷为500T， 外径为50 in旳滑轮。整个游车高 。
2、钻井装置总成
• 钻井电动机是一种1000hp旳分流电动机。电动机是 由电枢空心轴和垂直止推轴承构成。
• 单速行星变速器 IDS 单速行星变速器由下列主要原件构成： 内齿合齿轮和齿轮箱 电机小齿轮
顶驱构造及原理
顶驱构造
6、有延伸入口旳现场谷风机冷却系统。
该系统向钻井电动机提供现场冷却空气。该系统由带有导管旳原则型局部 鼓风机和一根向马达方向旳延伸旳软管构成，鼓风机上旳导管能将进口安 装在大钩和游动滑车上。 C.PH-60型管子处理装置 管子处理装置涉及 1、整体吊卡 2、安全阀（IBOPS)
❖ 每3个月对顶驱齿轮箱旳润滑油进行更换，油品标号为 MOBIL626。油量为12加仑。
❖ 每3个月对机械手泵站旳液压油进行更换，油品为N32抗磨 液压油，油量32加仑。
❖ 每日对顶驱旳各个连接螺栓及开口销进行检验，对发觉旳问 题及时处理。
顶驱构造及原理
顶驱构造及原理
顶驱构造及原理
顶驱简介
据悉，目前我国赴国外工作旳钻井队，如钻机未安装顶部驱动 钻井装置者，投标竞争中不允许中标，可见顶部驱动钻井装置 已到了非用 不可旳地步。图片
❖目前，石油钻井中使用旳顶驱有两大类：电动顶驱和液动顶 驱。其中电动顶驱又按照电机分为直流电动顶驱和液动变频顶 驱，我们平台现用旳是直流电动顶驱。 ❖a.顶驱钻井系统特点 ❖ 能够节省钻井时间20%－50 %，能够大大降低卡钻事故能够 控制井涌防止井喷，用于深井超深井、斜井以及高难度旳定向 钻井，其综合效益尤为明显。
顶驱构造及原理
顶部驱动装置的简介
4500kN
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
二、顶驱的结构
顶部驱动钻井装置主要有以下部件和附件组成:
1、水龙头－－钻井马达总成（关键部件）； 2、马达支架/导向滑车总成（关键部件）； 3、钻杆上卸扣总成（体现最大优点的部件）； 4、平衡系统；
5、冷却系统；
6、顶部驱动钻井装置控制系统（电、液）； 7、可选用的附属设备。
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司 动力水龙头
风冷电机 液压阀组
风冷装置
刹车机构 总成
散热器 主电机 提环 鹅颈管
减速箱
冲管总成
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
旋转头 倾斜机构 背钳
吊卡
管子处理装置
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司 司钻操作台
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
DQ70BSC 主要技术参数
名义钻深
最大钩载
连续输出扭矩 转速范围 输出功率 倾臂最大倾斜角 最大卸扣扭矩 背钳夹持范围 主体重量 总体长度 输入电压 频率范围 6.1 m 600 VAC ～120Hz 75kN.m φ87 ~φ203mm 13.5 t 50kN.m 0～220rpm 400HP×2 前30º ，后55º 7000 m
三.顶驱的远程结构
型号DQ70BS
电控系统 液压源
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
谢谢
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
1、什么是顶部驱动钻井装置？
顶驱——就是可以直接从 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，完成钻柱旋转钻进，循 环钻井液、接单根、上卸扣 和倒划眼等多种钻井操作的 钻井机械设备。
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作者简介 ： 王倩 倩（ ９６ ） 女 ， １８ 一 ， 山东东营人 ， 本科在读 ， 研究方向 ： 化工机械。 ２ ９
Ｅｑｕｐｍｅ Ｍ ａ ｆ ｃ ｒｎ ｃ ｎｏｏ ｙ Ｎｏ． ２０１ ｉ ｎｔ ｎｕａ ｔｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ３， ２
抗震等多方面的要求 ， 在推广方面具有较强的优势。 但是 ，但 同时也存在着液压设备工作效率较低的共 同特 点 。
通 常情 况 下 ， 当钻井 设 备 型号 一样 时 ， 压 马达 液 能 够提 供 更 大 的工作 扭 矩 ，这 不 仅可 以保 证 正 常 的
图 ２ 顶驱水龙头俯视图（ ） 二
通过两个方案的比较 ，他们都能达到为顶驱钻
钻井 需 要 ， 同时 还可 以给钻 杆 的上 扣 、 扣 等繁 杂 的 机提供动力 的要求 ， 卸 两者结构上也有很多相似之处 ，
操作提供基本 的扭矩要求 ，可 以省去常规需要增设 方 案二 中 ， 消 了马达 增 扭装 置 ， 方 案 二仍 能 满 足 取 但 的顶 驱增 扭装 置 。 对输 出扭矩 的要 求 ，不影 响整 个 系 统 的安 全 性 可 靠 同时 ， 由于在 结 构 上还 取 消 了增扭 马 达 、 相关 的 性 ，甚 至在 某 些情 况 下能 更好 的工 作 ，节 约 设 计 成
一
目前 ， 国的顶驱技术正在起步阶段 ， 我 还存在着 井周期短以及钻井的安全性能好等诸多优点 ，大大 我们现在应积极引进国外新技术 ， 提高作 降低 了建井过程 中的安全事故问题 ，且使得建井的 不足之处 ， 业 的安全系数 ， 加快效率 ， 自主研发 ， 当前大好形 在 成本明显下降。
在满足钻井设备的 自动化趋势的同时 ，顶部驱动钻 从驱动马达的基本工作原理来看 ，可以将顶部 井装置还 明显提高了钻井 的效率 ，是当前及 以后钻 驱动马达分为电动驱动 以及液压驱动两种基本 的形 井设 备 发展 的必 然趋 势 。 式 。电动驱动属于一种较为传统的驱动方式 ， 具有作
业迅速和设备体积小等优点。而与电动顶驱相 比， 液 出 。其 中， ２中所 标 记 的 ５为 减速器 的箱体 。 图 ５ 压顶驱主要是能够满足在低速重载工况下的工作要 求， 在低速的情况下 ， 能够输 出较大的扭矩 。同时 ， 液
压 顶 驱 还 在 一定 程 度 上满 足作 业 现 场 对 于 抗 火 花 、
顶 驱 的水龙 头— —钻 井 马 达 总成 ，是 顶 部 驱动
发 展成 为 了世 界 石 油采 钻行 业 前 沿技 术之 一 。顶 驱 装置的主要部件 ， 是传递动力和运动的主要部件 ， 集
装置通过直接从井架空 间的上部旋转钻井柱 ，然后 合了常规水龙头跟钻井 马达为一体 ，钻井马达通过 在 井架 内部 专 门 的导轨 上 向井 下攻 进 ，进 而 完成 钻 齿 轮减 速机 构 ， 动 主轴 旋转 钻进 ， 现 了顶 部 驱动 带 实 柱的旋转钻进 、钻井液 的循环以及接单根等多个钻 钻井过程 ， 还配备了一套管子处理装置 ， 使顶驱具备 井操作程序 ， 能够实现较高程度的 自 动化。 了上卸扣的功能， 充分体现了钻井的 自动化程度。因 此， 提高了钻井效率 ， 降低了钻井成本。此外 ， 吊环 在
《 装备制造技术）０２ ） １ 年第 ３ ２ 期
顶驱水龙 头—— 钻井马达 总成 的结构 设计
王Hale Waihona Puke 倩 （ 贵州大学 化学与化工学院， 贵州 贵阳 ５００ ） ５ ０３
摘 要 ： 分析现有 顶驱 水龙 头——钻 井马 达总成 结构的基础上 ， 在 设计 了一种 结构新 颖的顶驱水龙 头——钻 井马达 总 成。 采用 两台柱塞式液压马达驱 动二级齿轮减速机构， 能满足上 卸扣等作业低速大扭矩的动力要 求。
在采 用 顶 部驱 动 钻井 装 置之 后 ， 在进 行 深井 、 大 势下将 产 品 向海外 市 场推广 。
斜度井 以及欠 平衡井 等施工难度 较大 的建井 项 目 中， 具有极高的成功率和施工效率 ， 已经逐步发展成 ２ 钻井马达减速器 的方案设计 【 ， ０ 】 为了建设高难度石油井的重要设备之一 。 可以说 ， 从石油钻井机械 的整体发展情况来看 ， ２１ 钻 井马达 的选 择方 案 ．
关键词 ： 顶部驱动钻井装置 ； 动力水龙头 ； 冲管总成 ； 液压马达 ； 减速装置 中图分类号 ： Ｅ ２ Ｔ ９４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号：６ ２ ５ ５ ２ １ ０ — ０ ９ ０ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ ２）３ ０ ２ — ４
从 上世 纪 ８ ０年代 以来 ， 顶部 驱 动钻 井 装 置逐 步
１ 结构设计 的背景及 意义
顶 部驱 动 钻 井装 置 ， 在上 世 纪 ８ 代 逐步 发 是 ０年
上安装有平衡油缸系统 ， 对上卸扣起伸缩作用 ， 保护 了上卸扣 的螺 纹 。
顶驱的水龙头马达总成结构复杂 ，其 中总成部 提供高压钻井液 ， 对 展起来 的一种先进的石油采钻作业方式 ，其在一定 分要求能够在旋转钻进 的时候 ， 程 度 上 代 表 了 当前 石 油 采 钻 行 业 的 机 电一 体 化 程 冲管结构压强要求较高 ，水龙头 中心管部位承受钻 中心 管 承重 轴 承 、 箱体 的刚 度 以及 度 。这里 的“ ”就是 指该 驱动 马达 能够在 整个 井架 杆 柱 的所有 重 力 ， 顶 ， 吊环 的承载 能 力 ， 须 要 满足 现 场要 求 。 因此 ， 必 目前 空间的上部通过直接旋转钻柱 ，然后在井架 内部专 身净质量较大 ，对顶驱的效率 门的导轨上向井下攻进 ， 进而完成钻柱 的旋转钻进 、 设计 的结构体积和 自 成本 钻井液的循环 以及接单根等多个钻井操作程序 ， 进 和成本是一个制约条件。如何设计出结构简单 ， 而实现石油采钻作业的 自 动化【 ｌ 】 。这就使得该装置在 较低 ，并且 能实 现 顶 驱 的全 部 功 能 的新 型 水 龙 是 定程度上 ， 具有 自动化程度较高 、 作业 速度快 、 建 头—— 马达 总成 ， 当务之 急 。