顶驱钻井系统全面介绍
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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
wenku.baidu.com
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。
.
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。
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围宽广。
.
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。
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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15
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。
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
.
4
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
.
5
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
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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12
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
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。
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16
VARCO公司顶驱参数
.
17
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
.
9
AC变频顶驱系统的主要优点为：
(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。
钻井新方法 地质导向钻井
.
6
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。
.
7
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
.
2 顶 驱 钻 井 方 式
8
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
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。
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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wenku.baidu.com
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。
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围宽广。
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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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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。
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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15
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。
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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4
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
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
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。
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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
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AC变频顶驱系统的主要优点为：
(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。
钻井新方法 地质导向钻井
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6
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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7
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
8
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
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。