顶驱钻井系统全面介绍PPT课件
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顶部驱动钻井装置培训讲义PPT图文并茂
顶部驱动钻井装置
马青芳
中石油钻井院
2014.09
概述
石油钻机顶部驱动钻井装置，简称“顶驱”。 20世纪80年代出现的一种钻井装备。2003年开始 我国进行商业化生产和应用。 ➢ 可立根接入和钻进，节省时间，减少卡钻危险； ➢ 起下钻遇阻、遇卡时，可在任意位置接钻具，
边旋转边循环，减少卡钻等复杂情况和事故； ➢ 配置双内防喷器可安全控制钻柱内压力，提高
精确控制顶驱主轴旋转旋转方向、圈数、角度； 取代传统的由人工调整或扳转盘作业； 快速、精确调整钻柱工具面和方位角操作。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
工作原理
在司钻台或电控房工控机的 参数录入界面，启用定位控 制，输入主轴所需的旋转圈 数或角度，确认后，顶驱系 统将自动运行，到设定位置 后自动停止。 主轴旋转定位控制的误差在 1°以内。
使用案例：
壳牌四川天然气项目，未启用软扭矩控制系统前，钻井 扭矩在2~10kN.m之间锯齿状波动；启用软扭矩控制系统 后，钻井扭矩在7~9kN.m之间小幅波动，有效减少了井 下扭矩冲击、减缓钻具的磨损、缓解了对电网的冲击。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
➢ 应用领域：定向钻井 ➢ 基本原理：
➢ 导向钻井滑动控制技术 Sliding Technology
➢ 智能钻机连锁控制接口技术 Rig SCADA Drill Interface Technology
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 ➢粘滑与粘滞卡钻现象
在钻井作业中，顶驱以恒定的转速和扭矩进行钻进时， 但由于地层特性、转速、钻压的变化，井下钻具可能 出现粘滑的现象，随着磨阻增加、近钻头钻具可能出 现旋转缓慢甚至停止，最终导致粘滞卡钻。 钻柱的旋转能量逐渐积累，当这种蓄力足够克服井壁 与钻柱间的磨阻时，便产生释放，钻头与近钻头钻具 将已超过设定值的若干倍进行高速旋转并释放能量， 能量释放后，钻柱平稳运行一段时间后，由反复出现 上述过程。
马青芳
中石油钻井院
2014.09
概述
石油钻机顶部驱动钻井装置，简称“顶驱”。 20世纪80年代出现的一种钻井装备。2003年开始 我国进行商业化生产和应用。 ➢ 可立根接入和钻进，节省时间，减少卡钻危险； ➢ 起下钻遇阻、遇卡时，可在任意位置接钻具，
边旋转边循环，减少卡钻等复杂情况和事故； ➢ 配置双内防喷器可安全控制钻柱内压力，提高
精确控制顶驱主轴旋转旋转方向、圈数、角度； 取代传统的由人工调整或扳转盘作业； 快速、精确调整钻柱工具面和方位角操作。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
工作原理
在司钻台或电控房工控机的 参数录入界面，启用定位控 制，输入主轴所需的旋转圈 数或角度，确认后，顶驱系 统将自动运行，到设定位置 后自动停止。 主轴旋转定位控制的误差在 1°以内。
使用案例：
壳牌四川天然气项目，未启用软扭矩控制系统前，钻井 扭矩在2~10kN.m之间锯齿状波动；启用软扭矩控制系统 后，钻井扭矩在7~9kN.m之间小幅波动，有效减少了井 下扭矩冲击、减缓钻具的磨损、缓解了对电网的冲击。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
➢ 应用领域：定向钻井 ➢ 基本原理：
➢ 导向钻井滑动控制技术 Sliding Technology
➢ 智能钻机连锁控制接口技术 Rig SCADA Drill Interface Technology
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 ➢粘滑与粘滞卡钻现象
在钻井作业中，顶驱以恒定的转速和扭矩进行钻进时， 但由于地层特性、转速、钻压的变化，井下钻具可能 出现粘滑的现象，随着磨阻增加、近钻头钻具可能出 现旋转缓慢甚至停止，最终导致粘滞卡钻。 钻柱的旋转能量逐渐积累，当这种蓄力足够克服井壁 与钻柱间的磨阻时，便产生释放，钻头与近钻头钻具 将已超过设定值的若干倍进行高速旋转并释放能量， 能量释放后，钻柱平稳运行一段时间后，由反复出现 上述过程。
石油工程机装备第四章顶驱钻井系统新版11235212.pptx
升降 液缸
扭矩筒
扭矩 液缸
夹紧 活塞
图4-9 扭矩扳手总成
（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 内防喷器 动内防喷器，形成内井控防喷 启动液缸 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。
双导轨 单导轨
上扣卸扣装置
旋转头
限扭器
（Pipehander） 钻杆上卸扣装置如图48所示。
主轴
吊环倾 斜机构
吊环联 接器
主要：由旋转头、吊环
联接器、吊环倾斜机构和
扭矩扳手组成。
扭矩
（可参见Varco公司的TDS-8S
扳手
交流变频顶驱系统结构图。）
旋转头：接在马达水龙头下方
吊环 吊卡
图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成
吊环
定位点
鼠 洞
2米
井架工
1.35米
PH-75主轴总成
主轴 安全夹-3
上内防喷器 启动液缸总成 上内防喷器和 双摇臂启动器
下内防喷器 (手动)
保护短节 背钳可达上内防喷器
导轨的特点
❖ 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 TDS-11SA 安装完毕的 导轨
★当油缸向上的拉力小于顶 驱和杆柱重量时，上跳过程 由加速变为减速，最后停止 上移。
当向上提起整个钻柱时
★钻柱和顶驱的重量大于油 缸向上的拉力，油缸被拉下 来，缸内排液，油液返回蓄 能器。
四、国产顶驱（DQ） 第一台国产顶驱DQ-60D，由勘探院机械所和宝石厂 合研， 97年2月部级鉴定，中国成为第五位顶驱的生产 国家。 1．DQ-60D顶驱 （结构如图3-21所示） 主要特点：采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测控制。 2．DQ-60P顶驱(Portable 轻便,如图3-22所示，) 勘探院机械所与宝石鸡厂合研的DQ-60P轻便顶驱（ AC-SCR-DC驱动）。 3．DQ-20H顶驱(Hydraulic) 勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱，钻深2000m 。
顶驱解体图 ppt课件
o.新旧油封耐磨套对比。
32
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
33
PPT课件
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
34
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
45
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
着陆套（承载环）
46
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
47
PPT课件
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
48
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
修
复
后
顶
驱
英
姿
49
PPT课件
13
PPT课件
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
14
PPT课件
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
23
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
顶部驱动钻井装置.ppt
减少了钻柱 或昂贵的井 下工具卡钻
的几率
连续旋转 和循环降 低了风险
40
顶驱钻井装置与常规钻井设备的比较
任何时间和位置的于钻柱对接
随时可以进行的循环和旋转
减少钻柱被卡后，上卸方钻杆 的危险作业程序。
有利于井控
41
顶驱钻井装置与常规钻井设备的比较
井控安全性得到大大提高。
B
减少了使用大钳
和猫头等，降低 A
适用于额定载荷158t及以上的修井机
18
国内顶驱的发展概况
DQ-350型电动顶驱 厂家：辽河油田天意石油装备有限公司 型号：DQ350 现有数量：3台 额定载荷：315T 额定功率：350KW 重量：13.5T 作业空间：5.6m 最大钻井扭矩：36KN.m 最大间断扭矩(包括上扣、卸扣)： 50KN.m 最高转速：180rpm 适用于额定载荷158t及以上的修井机
23
顶驱的工作界面
机械部分 背钳
可自由开启与倾摆， 方便更换钳头、钳牙 和保护短接。 无需启动液压源，背 钳靠弹簧自动复位 背钳不随回转头转动， 结构简单。
24
顶驱的工作界面
机械部分 导轨
专利技术的单导轨， 采用单销和锁口机构， 安装拆卸简单快速。
25
顶驱的工作界面
电控部分 VFD房
整体防爆。 西门子或ABB交流变 频系统。 S7 300 PLC控制。 带有速度、扭矩信号 输出接口。
顶部驱动钻井装置
问题
一．什么是顶驱？顶驱是由几大系统组 成的？
二．与常规钻井设备相比，顶驱的优越 性在哪？
三．你认为顶驱还需有哪些方面的改进？
2
讲义提纲
顶驱概述 顶驱现场应用的优越性 顶驱钻井装置与钻井常规设备的比较 顶驱排除故障的一般原则 顶驱作业的现场应用 顶驱装置的改进方向
《顶驱钻井系统》课件
顶驱钻井系统适用于水平井钻井作业，能够 实现快速钻进和精准控制。
油田服务
顶驱钻井系统适用于油田服务领域，能够提 高油田开采效率和降低成本。
04
顶驱钻井系统的操作与维护
操作流程
启动前的检查
检查顶驱钻井系统的各部件是否正常 ，油位、润滑情况等。
启动操作
按照规定的启动程序启动顶驱钻井系 统，并观察各仪表显示是否正常。
钻杆和钻铤等钻具起到连接和传递动力的作用， 对于保持钻头的稳定性和提高钻井效率具有重要 作用。
控制系统
01
控制系统是顶驱钻井系统的控制中心，它负责控制整个系统的运行和 监控各部件的工作状态。
02
控制系统通常由各种传感器、控制器和执行器等组成，能够实时监测 顶驱钻井系统的运行状态，并根据需要进行调整和控制。
维修保养记录
每次维护和保养都要做好记录，以便及时发现和 处理设备故障。
常见故障与排除方法
旋转系统故障
检查旋转系统的轴承、齿轮等部件是否正常，更 换损坏的部件。
冷却系统故障
检查冷却系统是否正常，清洗散热器，更换损坏 的冷却风扇。
ABCD
推进力不足
检查液压系统是否正常，清洗或更换滤芯，检查 油缸密封件是否老化或损坏。
03
控制系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻井系统的正常运行和提高 钻井效率具有重要意义。
04
控制系统的设计和制造需要充分考虑其抗干扰能力和可维护性，以确 保其能够适应各种复杂的环境和条件。
安全防护系统
安全防护系统是顶驱钻井系统的重要组成部分， 它负责保障钻井作业的安全性和环境保护。
安全防护系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻 井系统的正常运行和提高钻井效率具有重要意义 。
油田服务
顶驱钻井系统适用于油田服务领域，能够提 高油田开采效率和降低成本。
04
顶驱钻井系统的操作与维护
操作流程
启动前的检查
检查顶驱钻井系统的各部件是否正常 ，油位、润滑情况等。
启动操作
按照规定的启动程序启动顶驱钻井系 统，并观察各仪表显示是否正常。
钻杆和钻铤等钻具起到连接和传递动力的作用， 对于保持钻头的稳定性和提高钻井效率具有重要 作用。
控制系统
01
控制系统是顶驱钻井系统的控制中心，它负责控制整个系统的运行和 监控各部件的工作状态。
02
控制系统通常由各种传感器、控制器和执行器等组成，能够实时监测 顶驱钻井系统的运行状态，并根据需要进行调整和控制。
维修保养记录
每次维护和保养都要做好记录，以便及时发现和 处理设备故障。
常见故障与排除方法
旋转系统故障
检查旋转系统的轴承、齿轮等部件是否正常，更 换损坏的部件。
冷却系统故障
检查冷却系统是否正常，清洗散热器，更换损坏 的冷却风扇。
ABCD
推进力不足
检查液压系统是否正常，清洗或更换滤芯，检查 油缸密封件是否老化或损坏。
03
控制系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻井系统的正常运行和提高 钻井效率具有重要意义。
04
控制系统的设计和制造需要充分考虑其抗干扰能力和可维护性，以确 保其能够适应各种复杂的环境和条件。
安全防护系统
安全防护系统是顶驱钻井系统的重要组成部分， 它负责保障钻井作业的安全性和环境保护。
安全防护系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻 井系统的正常运行和提高钻井效率具有重要意义 。
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。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱保养
v每日检查顶驱齿轮箱的油位。油位在油标玻璃管的中间为 合格，该项工作需在顶驱停止状态下检验为准（1点）。 v每班给顶驱的冲管盘根注黄油保养（1点）。 v每10天对顶驱调整杆的两端轴承注黄油保养（2点）。 v每日对顶驱旋转头的黄油嘴注黄油保养（5点），并检查旋 转头的下部轴承的密封是否有泄漏现象。 v每日对IBOP驱动杆及其附件的黄油嘴注黄油保养（6点）， 并检查其各部件连接螺栓及开口销的情况，发现问题及时处 理。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱结构
5、托架总成与扭矩管
IDS托架总成在反扭矩管上移动。它还对钻井马达起支持作用。 两个反扭矩托架臂和12个独立润滑的驱动滚轮，将高达 38000ft-lbs的钻井扭矩传输到扭矩梁。钻井电动机装置通过电 机的两个耳轴与托架扭矩反抗臂连接。当上、下移动移动扭矩 管时，耳轴能使电动机与钻杆成一直线。扭矩梁通过扭矩臂和 托架反抗IDS的转矩。
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。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱保养
v每日检查顶驱齿轮箱的油位。油位在油标玻璃管的中间为 合格，该项工作需在顶驱停止状态下检验为准（1点）。 v每班给顶驱的冲管盘根注黄油保养（1点）。 v每10天对顶驱调整杆的两端轴承注黄油保养（2点）。 v每日对顶驱旋转头的黄油嘴注黄油保养（5点），并检查旋 转头的下部轴承的密封是否有泄漏现象。 v每日对IBOP驱动杆及其附件的黄油嘴注黄油保养（6点）， 并检查其各部件连接螺栓及开口销的情况，发现问题及时处 理。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱结构
5、托架总成与扭矩管
IDS托架总成在反扭矩管上移动。它还对钻井马达起支持作用。 两个反扭矩托架臂和12个独立润滑的驱动滚轮，将高达 38000ft-lbs的钻井扭矩传输到扭矩梁。钻井电动机装置通过电 机的两个耳轴与托架扭矩反抗臂连接。当上、下移动移动扭矩 管时，耳轴能使电动机与钻杆成一直线。扭矩梁通过扭矩臂和 托架反抗IDS的转矩。
顶部驱动钻井系统ppt课件
46
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 2．液压系统
A．润滑时间表：
描述
进行液压油品分析 更换液压油
更换液压系统滤芯
频率
每6个月一次
一年，或根据油品分析结果 更早进行 每3个月一次
B．每日检查液压油液面。 在加入液压油前， 油嘴附近必须清洁。
47
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 3．电 机
禁止禁止反复快速反复快速地加速地加速减速减速加速加速减速也就是将手轮快速从减速也就是将手轮快速从最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制动模块失效动模块失效还可能导致钻具落井事故还可能导致钻具落井事故
11
（二）顶驱系统的主要构 成
12
（三）顶驱的优点
1．节省接单根时间 顶驱不使用方钻杆，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
顶驱具有使用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，可以大幅度减少起钻总时间。 3．下钻划眼
18
（四）中原油田顶驱使用情况
目前中原油田共有顶驱27台， 其中美国Varco交流变频顶驱4台 （TDS－11SA 3台，TDS－10SA 1 台），CANRIG500吨顶驱一台； 加拿大Tesco液压顶驱HMI-500一 台,HMIS-250两台；挪威MH公司 的PTD-500两台。其余为北石500吨 顶驱。所有设备均可以在标准的 43.28米井架内安全运行，TDS－ 10SA提升能力为250吨，其它顶驱 的提升能力均为500吨，而且符合 钻井施工和HSE规范要求，操作简 单、安全、高效。
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 2．液压系统
A．润滑时间表：
描述
进行液压油品分析 更换液压油
更换液压系统滤芯
频率
每6个月一次
一年，或根据油品分析结果 更早进行 每3个月一次
B．每日检查液压油液面。 在加入液压油前， 油嘴附近必须清洁。
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（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 3．电 机
禁止禁止反复快速反复快速地加速地加速减速减速加速加速减速也就是将手轮快速从减速也就是将手轮快速从最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制动模块失效动模块失效还可能导致钻具落井事故还可能导致钻具落井事故
11
（二）顶驱系统的主要构 成
12
（三）顶驱的优点
1．节省接单根时间 顶驱不使用方钻杆，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
顶驱具有使用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，可以大幅度减少起钻总时间。 3．下钻划眼
18
（四）中原油田顶驱使用情况
目前中原油田共有顶驱27台， 其中美国Varco交流变频顶驱4台 （TDS－11SA 3台，TDS－10SA 1 台），CANRIG500吨顶驱一台； 加拿大Tesco液压顶驱HMI-500一 台,HMIS-250两台；挪威MH公司 的PTD-500两台。其余为北石500吨 顶驱。所有设备均可以在标准的 43.28米井架内安全运行，TDS－ 10SA提升能力为250吨，其它顶驱 的提升能力均为500吨，而且符合 钻井施工和HSE规范要求，操作简 单、安全、高效。
顶部驱动钻井系统课件
顶部驱动钻井系统
9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能 将其组装和拆卸。
10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙 头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。
11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套 管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循 环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得 到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇 上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限 制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的 强度，降低了安全系数。
二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在 相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期 出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连 接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。
该系统是当前钻井设 备自动化发展更新的突 出阶段成果之一。经实 践证明：这种系统可节 省钻井时间20%到30%， 并可预防卡钻事故，用 于钻高难度的定向井时 经济效果尤为显著。
顶部驱动钻井系统
二、顶部驱动系统的研制过程：
1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。
二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方 法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油 井是用旋转法钻井打成的。
顶部驱动钻井系统
20世纪80年代，美国首先研 制了顶部驱动钻井系统TDS-3S 投入石油钻井的生产。80年代 末期新式高扭矩马达的出现为 顶驱注入了新的血液和活力。 TDS—3H、TDS—4应运而生， 直至后来的TDS-3SB、TDS4SB、TDS-6SB。
9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能 将其组装和拆卸。
10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙 头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。
11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套 管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循 环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得 到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇 上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限 制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的 强度，降低了安全系数。
二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在 相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期 出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连 接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。
该系统是当前钻井设 备自动化发展更新的突 出阶段成果之一。经实 践证明：这种系统可节 省钻井时间20%到30%， 并可预防卡钻事故，用 于钻高难度的定向井时 经济效果尤为显著。
顶部驱动钻井系统
二、顶部驱动系统的研制过程：
1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。
二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方 法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油 井是用旋转法钻井打成的。
顶部驱动钻井系统
20世纪80年代，美国首先研 制了顶部驱动钻井系统TDS-3S 投入石油钻井的生产。80年代 末期新式高扭矩马达的出现为 顶驱注入了新的血液和活力。 TDS—3H、TDS—4应运而生， 直至后来的TDS-3SB、TDS4SB、TDS-6SB。
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13
1990年首先生 产出了整体式 水龙头，装配 在 TDS-3S、 TDS-4S两种 型号的顶部驱 动钻井装置上， 得到广泛应用。
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14
1994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升 能力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。
1996年后该公司更研制出 500 t的TDS-11SA型及轻 便的250 t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤 以TDS-10SA型引人注目，它具有低购置成本、轻便、 高可靠性及低维护费等优越性，其紧凑尺寸使它可用 于小型修井机和轻便钻机上。
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 进的驱动方式。
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3
VARCO顶驱
VARCO
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传统钻井方式
钻进过程： 破岩 排屑
顿钻钻井——钻进过程不连续
旋转钻井——钻进过程连续 转盘钻 井下动力
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钻井新设备与新方法
钻井新设备 液控盘式刹车 液压钻机 交流变频驱动技术 顶部驱动装置
如TDS-11SA（ 1994年），使用一对400hp的交流驱 动电机，重要较轻，尺寸较小，而产生的扭矩特性却 接近于一台1100hp的直流电动机。
选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少， 无污染、作业范围大，满扭矩负荷时可以达1min，而 无电火花，安全性好，因此得到用户认可。
交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可 使用 750 V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种 灵活性使得它使用范优点为：
(1)AC电动机效率高，经济性好；
(2)AC电动机无电刷，可防爆，钻井安全且占空 间小；
(3)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；
(4)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，短时内可承受额定 载荷的150%过载载荷。
1988年研制开发了具有新标准的2速（高速比7.95：1， 低速比5.08：1）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同 年还生产了单速（速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱 动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生 产的一种产品。
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至20世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达， TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置 由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机 上得以应用。到85年Varco公司共销售顶驱82 台。BJ公司从1985年开始生产销售顶驱，到 1988年共销售顶驱8台，随后被Varco公司兼 并，到1991年Varco BJ 公司共销售顶驱312台， 其中300台用于海上钻井平台，中国当时有四 台全用于海上钻井平台。
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顶驱与转盘钻井的比较
泥浆
方钻杆
打 钻
转盘
起 钻
泥浆 钻杆
钻头
遇卡
1 转盘钻井方式
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2 顶 驱 钻 井 方 式
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TDS驱动方式
液压驱动 液压马达外形尺寸很小，液压顶驱的 本体尺寸能够满足小型井架的需要， 该类顶驱的工作高度一般在5m以下。 液压顶驱多数用于小型钻机上。
电驱动 AC-SCR-DC AC变频
钻井新方法 地质导向钻井
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顶部驱动装置要解决的问题
传统钻井工艺的薄弱环节 （1）三大工作系统不能互济
起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地 层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困 扰钻井工人的问题。
我国千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。 （2）方钻杆长度受限
由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转 送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接 单根，因而费工、效率低，劳动强度大。
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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
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（2）中国的研制发展过程
TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计 的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音， 并可获得225 r/min的最高工作转速。该顶部驱动钻井 装置由2台交流变频电机驱动 。
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Varco BJ公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马 达的顶部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的 顶部驱动钻井装置研制。
我国从20世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术， 1993年列入原中国石油天然气总公司重点科研计划， 由石油勘探开发科学研究院北京石油机械研究所、宝 鸡石油机械厂及大港石油管理局等单位联合承担试制 开发任务。研制中科研人员与国内多家厂家积极合作， 克服资料、材料不全等许多困难，认真按照计划执行。 突出的是打破了国外关于空心电动机的垄断，解决了 一批机、电、液、气一体化的技术难题，于1995年完 成样机，并在台架试验中不断改进完善。
顶部驱动系统(TDS)
TOP DRIVE SYSTEM
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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
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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。
现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。
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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
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（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。