全液压钻机顶部驱动钻井装置
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
顶部驱动钻井装置的结构
顶部驱动钻井装置的结构顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成:l)水龙头-钻井马达总成(关键部件之一);2)马达支架/导向滑车总成(关键部件之一);3)钻杆上卸扣装置总成(关键部件之一,它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备);4)平衡系统;5)冷却系统;6)顶部驱动钻井装置控制系统;7)可选用的附属设备。
第一节水龙头-钻井马达总成水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件,见图2-l。
它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。
钻井水龙头额定载荷是6500 kN;采用串激(或并激)直流电动机立式传动,驱动主轴。
轴上端装有气动刹车(16VC600气离合器)。
当气压为0.62 MPa时,可产生47.5 kN/m的扭矩,用于马达的快速制动。
这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时,旋转体转动惯量大,惯性则大,因此立即刹止,改变运动方式是不易的,故要有气刹车刹止才能克服惯性,制止钻具的旋转运动。
马达轴下伸轴头装有小齿轮(Z=18),与装在主轴上的大齿轮(Z=96)相啮合,主轴下方接钻杆柱,最大转速为430 r/min。
钻井时,当马达电枢电流为1325 A时,间隙尖峰扭矩51.5 kN/m,而当电流为1050A时,连续运转扭矩为39.1kN/m,主轴转速可达180r/min。
由上可见,水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件:。
1)钻井马达和制动器(气刹车)2)齿轮箱(变速箱);3)整体水龙头;4)平衡器。
以下将分别对每个部件进行说明。
一、钻井马达在TDS-3S型顶部驱动钻井装置上安装的是1100/1300hp的并激直流钻井马达。
马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。
气刹车用于承受钻柱扭矩,避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。
气刹车由一个远控电磁阀控制。
如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片,可参阅用户手册。
二、齿轮箱(变速箱)总成TDS-3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成:1)96齿大齿轮;2)18齿大齿轮;3)上、下箱体;4)主轴/驱动杆;5)马达支座机罩。
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：
顶部驱动钻井装置的技术应用
顶部驱动钻井装置的技术应用随着科技的发展，社会的进步，新的技术也逐渐被开发和利用。
在石油开采领域，传统的钻井装置难以满足当下的高效、经济和安全的要求，也逐渐被新的钻井装置所取代。
顶部驱动钻井装置就是一种新的钻井装置，是集机械、电气、液压技术于一体的现代化高科技钻井装置，是当今石油钻井领域的前沿技术，与交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统并称近代钻井装备的三大技术成果。
顶部驱动钻井装置可适用于2000米到9000米深的钻井，其适用范围广。
本文主要通过对顶部驱动钻井装置的技术应用探讨，以期对顶部驱动钻井装置提出合理优化的建议。
标签：顶部驱动;技术;应用引言：顶部驱动钻井装置可节约20%至30%的钻井时间，尤其是对于斜井和高难度定向井，其经济性更好。
对于顶部驱动钻井装置的技术应用研究，提高顶部驱动钻井装置在复杂情况下的工作效率以及稳定性，保证钻井装置的安全性，增加其使用寿命，具有很现实的意义。
一、液压技术在顶部驱动钻井装置的应用液压技术在顶驱装置应用广泛。
液压驱动是顶驱两大主要驱动方式之一（另一驱动方式为电驱动）。
液压驱动可实现比电驱动更大的无级调速范围，其运行更加平稳，溢流阀的存在防止了过载，液体的可压缩性减少了冲击，可通过压力的调节实现更大的扭矩，操作方便，可满足不同转速的多种钻探工艺。
而且，液压驱动顶驱系统比电驱顶驱系统体积小，质量轻、运输及安装比电驱更为方便，其制造和使用成本低。
随着液压技术发展，尤其是高压液压技术和高效散热技术的发展，顶驱系统越来越多的应用液压技术已成为顶驱发展的一个趋势[1]。
頂驱的辅助传动也采用液压系统。
液压泵对液压油加压，使液压油产生压力，推动液压马达的转动，完成液体压力到机械能的转化。
通过方向阀，可改变液压油的流动方向，进而改变液压马达的转动方向，通过溢流阀控制压力值，可改变液压马达的转速，通过截止阀可实现液压马达的停止运动。
而过滤装置主要对液压油起过滤作用，增加了液压系统的使用寿命。
顶驱介绍
使用维护
国际工程公司装备部
主要ห้องสมุดไป่ตู้容
一． 二．
三．
四． 五． 六． 七．
八．
顶驱装置的定义 概述 顶驱装置的主要优点 顶驱装置的分类 顶驱装置的主要技术参数 VARCO顶驱的组成 顶驱的安装调试 顶驱的维护保养
一、顶驱装置的定义
顶部驱动装置（top drive drilling system） 石油钻机用驱动装置，由动力水龙头 和管子处理装置等组成，能驱动钻柱旋 转并具有旋紧或松开钻柱接头的功能， 可以沿导轨上下移动（也可前移）， 完成钻井作业（也可在小鼠洞作业） 的装置。
Chopper Unit截波系统
DC Bus Bars 直流母线
Cables from DC Bus to Chopper Unit 直流母线到截波器的电缆
Chopper Unit 截波系统
Status Lights and Trip Contact 指示灯
Cables from Chopper Unit to Breaking Resistor 截波系统到制动电阻的电缆
780 VDC
Electronics Box 电控箱 CUVC and CBP cards CUVC和CBP卡
PSU2 Board PSU2板
AC Power Source
PLC Profibus Cable PLC总线
Inverter Controller 逆变器
Variable Frequency Drive变频驱动
5、管子处理装置
是顶部驱动装置的重要部 分之一，可以大大提高钻井 作业的自动化程度。 主要部件 背钳 IBOP 倾斜机构 回转机构 吊环 吊卡
6、旋转头/旋转吊环联接环
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。
简要分析顶部驱动装置的性能构造与使用特点
简要分析顶部驱动装置的性能构造与使用特点结合实际对顶部驱动装置的性能构造和使用特点进行分析，首先阐述顶驱装置组成与结构特征，其次详细讨论顶驱装置的改进优化方向，希望分析后能够给相关工作人员提供一些参考。
标签：顶部驱动；装置；性能构造；使用特点1顶驱装置组成与结构分析1.1 水龙头—钻井马达总成该部分就是顶驱装置中非常关键的组成部分，其中包含有马达、变速箱、刹车装置、水龙头等关键的部分，该部分的作用在于钻井施工中的旋转钻井、上卸扣部分的处理，可以由水龙头为整个部分提供循环井液，以保证钻井施工的顺利进行。
根据不同的工作原理，可以将马达分为电动与液动两种形式。
在整个结构中，一般需要设置一台或者两台马达，然后使用齿轮机达到减速的目的，可以有效的提升钻井动力。
某油田在进行钻井施工中选择使用的是DQ—60D1 型顶驱采用ZL490/390 直流电动机驱动，电动机立式安装，输出轴直接与齿轮轴连接起来，然后在通过驱动主轴来进行钻进施工。
因为电枢运动的转速与电枢的电压成正比，电机额定输出扭矩与电流成正比关系，所以立式中空直流电机的转速能够通过电枢电压的无极变速来进行速度的调整。
主电机的上部位置上需要安装一台冷却用的鼓风机装置，冷却的过程中可以先将风压至主电机的接线盒中，然后再通过电机与电枢定子间的间隙进行移动，在下部双层金属网的位置上直接排出到系统外。
1.2 钻杆上卸扣装置总成这是顶部驱动系统中非管关键的组成部分，其主要的组成部分有转头、背钳、内防喷器以及操作部分、取送结构部分、吊环吊卡等结构部分组成。
该部分的主要作用就是保证下钻作业的正常进行，其主要应用在取送钻杆、上卸扣两个部分功能，井喷时遥控内部的防喷器将钻柱内部的通道关闭，可以在任何的高度位置上进行电机上卸扣。
综合分析当前所应用的常见顶驱背钳结构部分，环形背钳在使用中可以自动定心，卡紧效果最好，还具备较强的应用性能，这种结构形式较为简单，后期的维护也非常的方便，是当前最常使用的结构方式。
顶驱钻井系统全面介绍
VARCO公司顶驱参数
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TDS-11SA技术参数：
API提升载荷：500吨（S） 整体式水龙头 双交流电机：2×350马力 减速箱齿轮传动比：10.5 连续工作扭矩：51.75kNm 间歇工作扭矩：67.34kNm 适用钻杆尺寸：3½ ～5in 静音斜齿轮传动
18
（2）中国的研制发展过程
10
2．顶驱的历史
第一台顶驱钻井系统由美国Varco公司于1982 年研制成功，此后法国、挪威、加拿大和中国 相继研制成功
11
（1）美国 Varco公司的研制历程
20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研 制顶驱。
在1981年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动 钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装 置TDS-2型的设计。1983年生产了单速（速比为5.33： 1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了工 业标准，这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的 方式。
顶部驱动系统(TDS)
TOP DRIVE SYSTEM
1
目录
1．概述 2．顶驱的历史 3．主要组成 4．技术特点 5．技术评价 6．设计制造中的一些问题 7．顶部驱动钻井系统的经济技术评价 8．主要生产厂家及产品特点 9．顶驱的发展
2
1.概 述
顶驱钻井系统（TDS）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。利用 水龙头与钻井马达相结合，配备一种结构新型 的钻杆上卸扣装置（管柱处理装置），从井架 的上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向 下送进，可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环 钻井液、下套管等各种钻井操作。
顶部驱动，是把钻机动力部分由下边的转盘 移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻 进的驱动
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全液压钻机顶部驱动钻井装置
一．顶部驱动钻井装置概述
顶部驱动钻井装置ＴＤＳ（ＴＯＰＤＲＩＶＥＤＲＩＬＬＩＳＮＧＹＳＴＥＭ），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，取代了转盘带动方钻杆钻井的钻井技术。
全液压传动( 主绞车、转盘、泥浆泵均采用) 的石油钻机将成为常规机械传动钻机的换代产品之一。
全液压传动钻机的主要优点如下:
a) 可方便与电脑相联接, 通过微电-电-液放大, 实现整套钻机的回转、升降和泥浆供应量的无级调节, 以实现钻井、升降电脑程序自动控制, 并可以大大减少井场操作人员。
b) 由于钻机旋转、升降和冲洗液的供给, 均可实现无级调速、调排量, 有优越的转速-扭矩、压力-排量性能曲线, 从而可通过电脑优选参数, 指令实现优选参数的钻进和提升时的恒功率调节, 提高工作效率, 并充分利用动力。
c) 可在钻井工艺的全过程实现安全操作。
这是由于液压系统优越的压力—力矩指示和过载自动保护所决定的( 过载即超液压、通过溢流阀卸荷) 。
d) 明显减轻设备质量和节约占用空间。
e) 对于全液压传动的泥浆泵还省去了一整套曲轴、齿轮传动机构和经常需要更换活塞的时间。
对于全液压传动的绞车, 还具有下钻时的安全制动, 没有转动时的运转惯性和具有大直径滚筒可使快绳平滑地运动和减少磨损等优点。
f) 可以与全液压顶部驱动、铁钻工、自动排放钻具、液压机械手和天车型液压钻柱运动补偿器组合而成全部钻井工艺过程的自动化操作系统。
二．国外全液压顶驱发展现状
顶驱系统(TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展；从直流电动机驱动为主向液压传动和交流变频电动机驱动方向发展；向简单化轻便化方向发展，质量减轻，尺寸减小，满足修井机和轻型钻机的要求。
而国内外正在对全液压驱动顶驱进行深入的研究。
加拿大Tesco公司套管钻机、挪威MH公司Ram Rig钻机和意大利Drillmec公司推出的HH系列全液压钻机已形成980～2 942 kN钩载系列产品。
液压驱功钻机更适合于采用新的钻井工艺。
如套管钻井新工艺，采用全液压驱动套管钻机是最合适最经济的。
液压驱动钻机向全新模式钻机发展。
如Ram Rig钻机绞车和提升系统超出了常规钻机模式，采用液压驱动，体积小，质量轻，成本低，使绞车和提升系统结构更简单。
液压驱动钻机向多个小功率液压马达传动发展。
挪威MH公司生产的海洋2013kW液压驱动单轴绞车，采用多个小功率液压马达通过滚筒两侧的内齿轮传动滚筒轴，用4个小功率液压马达传动转盘，用2个液压马达传动顶驱。
德国Wirth公司用多个液压马达传动绞车，用2个液压马达传动转盘。
加拿大Tesco公司采用2个液压马达传动顶驱。
挪威Maritime Hydraulics 公司产品(PTD轻便式顶部驱动钻井系统)
A、系统组成
PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）；
液控钻具防喷器；钻井马达总成钻杆上卸扣装置，液压动力系统五部分组成。
B、顶部驱动装置总成
液压顶部驱动装置结构原理图
水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。
主轴与从动大齿轮固连。
两个液压马达的输出轴通过花键与主动小齿轮轴固连。
钻杆上卸扣装置悬挂在主轴下台肩上。
导向滑车通过四个铰链与减速箱壳体固连。
C、驱动装置减速箱总成
顶驱减速器结构原理图
该装置采用了高速小扭矩液压马达。
为使主轴获得很大的扭矩，采用了两级齿轮减速。
为减轻齿面载荷，采用双闭环齿轮传动。
D.液压扭矩钳结构原理
液压扭矩钳结构原理图
上图为液压扭矩钳结构原理图，液压缸为单作用缸，夹紧靠液压力，释放靠弹簧力。
该结构共有两组液压缸，处并联状态，输入液压油时，左右两缸同时外伸，夹紧钻具接头。
钳牙用螺钉固定，可以随时更换。
挪威MH公司Ram Rig钻机
与常规钻机相比较，Ram Rig钻机绞车和提升系统方案简单，结构紧凑，体积小，质量轻，成本低，技术经济指标先进；采用全液压驱动钻机，无工作火花，钻井更安全，特别是钻天然气井或伴生天然气较多的油井，不会发生着火事故；可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业，动力消耗较少；现场试验和钻井实践表明，Ram Rig钻机可提高钻井效率15%～20%。
加拿大Tesco公司新型套管钻机
采用自动送钻装置钻井，井身质量较好，机械钻速高，钻井成本降低；采用多个液压马达传动，钻机传动机构简单，体积小，占地面积小，相对操作空间较大；采用全液压驱动型式，以单一的柴油机液压泵作动力源，投资少，功率利用率高；采用各种先进的钻井测录仪表，及时显示记录和储存实时钻井数据，为司钻提供钻井决策依据；套管钻井中无起下钻二层台操作，接套管作业在低位钻台面上进行，从而提高了操作的安全性和准确性，节约钻井成本30%～50%；利用特制小绞车起下套管钻井的钻头，与起下钻换钻头相比省时省力.
意大利新型石油钻机
意大利SOILMEC
1.中型系列石油钻机
中型系列钻机有G—100型、G—125型、G—150型和G—200型等4种，钻井深度为1800～4000m，修井深度为3600～7000m。
中型系列石油钻机适用于钻小井眼井，具有钻井成本较低等优点。
2.轻型系列石油钻机
轻型系列石油钻机有G—14型、G—22型、G—35型、G—55型和G—75型等5种，钻井深度300～1000m，修井深度600～1800m。
钻机动力消耗少，可快速钻井或修井，是根据API Spec和ISO 9001质控系统设计制造的。
3.主要结构特点
采用全液压驱动型式，钻机的所有部件采用同一液压动力源，功率利用率高。
该型钻机没有井架，在活塞杆的外面包着导轨，起引导顶驱上下运动和承受顶驱钻井时反扭矩的作用。
采用顶驱钻井方式，钻进速度快，质量好，安全可靠，处理事故能力强，钻井经济效益好。
利用液压控制系统控制钻压，可实现恒钻压自动钻进，井身质量好，机械钻速快。
配有1台挺杆式小型起重机，可在钻井作业中完成各种小件的吊运作业。