顶部驱动钻井系统
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发布时间：2022-04-23 09:26
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时间：2023-10-09 12:00
国外自1982年首台顶部驱动钻井系统（顶驱）成功地钻了一口井斜32o井深2981m的定向井之后，得到了迅速发展和广泛应用。生产顶驱的厂商也由当初的美国、挪威扩展到法国、加拿大等4国7家公司。之后，中国、英国也加入到该装置的生产行列，实现了钻机自动化进程的阶段性跨越。目前美国、加拿大和挪威等国的顶部驱动装置的产品已形成系列，并从海洋钻机推向陆地钻机（包括斜直井钻机），从电驱动钻机推向柴油机驱动钻机（王洪英等，2005）。
顶部驱动钻井装置是当今钻井装备中技术含量较高并且复杂的机电液一体化的设备，已成为现代钻机的重要配置，是21世纪钻井三大技术装备之一，全世界仅有少数几个国家拥有此项技术。顶部驱动钻井装置是用以取代转盘钻进的新型石油钻井装备。与常规旋转钻井方式不同，采用顶驱装置钻进一次可接入和钻进一个立根，上卸扣时间减少了三分之二；在起钻遇阻遇卡时可以迅速接上钻具，一边旋转一边循环，进行倒划眼，可以大大减少卡钻事故。
1.2.1 国外顶部驱动钻井系统
1.2.1.1 美国National Oilwell Varco公司
美国Varco公司是最早研究开发顶驱的公司之一，先后研究开发了10多种型式顶驱。目前该公司生产的顶驱在世界油田的应用数量占第一位。其中IDS-1型（载荷5000kN）、TDS-4H型（载荷6500kN）、TDS-4S型（载荷7500kN）和TDS-6S型（载荷7500kN）顶驱采用AC-SCR-DC电驱动型、串激或并激DC电动机。TDS-8SA型（载荷6500kN）、TDS-9SA型（载荷4000kN）、TDS-10SA型（载荷2500kN）和TDS-11SA型（载荷5000kN）顶驱均采用AC变频电机驱动。TDS-9SA型和TDS-11SA/SE型两种顶驱采用两台AC异步电动机驱动，其余顶驱为一台电机驱动。TDS-11SA型顶驱属Varco公司最新型号的顶驱，其显著特点是：体积小、重量轻、搬迁和安装方便省时（在所在顶驱设备中，Varco顶驱安装最省时）；液压系统因完全安放于顶驱本体而使压力损失较少，系统动作迅速；西门子提供的变频系统性能稳定，技术成熟，故障率相对较低。因此，Varco公司的TDS-11SA和TDS-9S顶驱在市场上尤其是陆地钻井市场上具有较高的占有率；不足之处是由于液压系统完全位于顶驱本体上，使得液压系统发生故障时难以排查和解决（李传华等，2005）。
美国National Oilwell公司原生产PS-350/500，PS-500/650型和PS500/650（双速）型等3种规格系列顶驱。近两年又研究开发了PSZ-650/650型（载荷6500kN）和PSZ-750型（载荷6500kN）两种双速传动机构顶驱，并把PS-500/650型顶驱改进为PS-500/500型（载荷5000kN）顶驱；PS-500/650（双速）型顶驱改为PSZ-500/500型（载荷5000kN）顶驱，保留了PS-350/500型（载荷3500kN）顶驱，组成了5种规格新系列顶驱。
1.2.1.2 美国Boven公司
美国Boven公司公司目前有ES-7和3种型号（TD-120P、TD-250HTP、TD-350P）的中小型系列顶驱。该系列顶驱可用于钻井，也可用于修井，使用方便。
1.2.1.3 美国BJ公司
美国BJ公司研究开发了AC-SCR-DC电驱动顶驱，额定提升载荷为5000kN。
1.2.1.4 加拿大Tesco公司
加拿大Tesco公司原来生产150MHI型、500HS型、500HC型3种规格液压驱动顶驱，到1998年1月共生产150多台。由于电驱动顶驱具有更好的钻井性能和适应性，Tesco公司从1996年开始生产AC变频电驱动顶驱，采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机。目前，Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶驱已经基本上形成了150HMI型（载荷1500kN）、500HC/HCI型（载荷5000kN）、650HC/HCI型（载荷6500kN）、500ECI型（载荷5000kN）和650ECI型（载荷6500kN）等几种规格的顶驱系列。
1.2.1.5 加拿大Canrig公司
加拿大Canrig公司既生产AC-SCR-DC电驱动顶驱，又生产AC变频电驱动顶驱。生产的6027E（载荷2500kN）、8035E（载荷5000kN）、1050E（载荷7000kN）、1165E（载荷9000kN）等4种规格顶驱为单速传动，此外还生产6027E-2SP（载荷2500kN）、6170E-2SP-HELI（载荷2500kN）、1050E-2SP（载荷7000kN）、1165E-2SP型（载荷9000kN）等4种规格双速传动顶驱，全部采用AC-SCR-DC电驱动型式。Canrig公司于1998年夏天研究开发了第一台额定载荷为6500kN的AC变频电驱动顶驱，基本上形成了1500、2750、5000、6500、7500kN等5种规格AC变频电驱动顶驱系列。
1.2.1.6 挪威MH公司
挪威MH公司生产的PTD-350（载荷3500kN）、PTD-410（载荷4100kN）、PTD-500（载荷5000kN）、DDMY650HY（载荷6500kN）、DDM650HY（750）（载荷6500kN/7500kN）等5种规格顶驱采用液压驱动，DDM500DC（载荷6500kN）、DDML650L-DC（载荷6500kN）、DDM650DC（750）（载荷6500kN/7500kN）、DDM650DC（载荷5000kN）等4种规格顶驱采用AC-SCR-DC电驱动。
1.2.1.7 法国Acb公司
法国Acb公司研究开发了BRETFOR液压顶驱，额定静载荷为5000kN。
1.2.1.8 德国BRR公司
德国BRR公司研究开发了RB130（载荷1700kN）、RB135（载荷1700kN）系列液压顶驱。
1.2.2 国内顶部驱动钻井系统
我国于20世纪末开始顶部驱动钻井系统的研制工作，主要由中国石油勘探开发科学研究院等单位合作先后开发了DQ60D、DQ60P直流电驱动顶驱和DQ30Y液压顶驱。2003年中国石油勘探开发科学研究院与北京石油机械厂合作研制了我国首台DQ70BS交流变频顶部驱动钻井装置，它代表了国内顶驱最新技术成果和发展方向。
1.2.2.1 北京石油机械厂
北京石油机械厂开发有DQ30Y（载荷1700kN）、DQ40BC（载荷2250kN）、DQ50BC（载荷3150kN）、DQ70BSC（载荷4500kN，图1.4）、DQ90BSC（载荷6750kN）系列顶驱。DQ30Y是我国开发的第一台液压顶驱，DQ70BSC和DQ90BSC（表1.9）是交流变频顶驱。交流变频顶驱的技术特点：
1）动力水龙头采用进*流电动机，交流变频驱动；
2）动力水龙头装置采用进口推力轴承和特殊结构设计，抗钻柱纵向震动；
3）管子处理装置的倾斜机构可以前倾、后倾或者360°旋转，有利于抓取钻杆以及钻进时使主轴更靠近钻台面，钻柱使用充分；
4）管子处理装置采用侧置背钳，背钳随吊环转动；
5）采用了机、电、液、信息一体化的控制技术，自动化程度高。
图1.4 DQ70BSC顶驱
表1.9 北京石油机械厂交流变频顶部驱动钻井装置主要技术参数
2007年5月中旬，DQ120BSC顶驱（载荷9000kN）被列为国家863计划，中国石油重大科技专项1.2万m钻机配套顶驱装置（表1.9），在北京石油机械厂通过专家组的设计评审。这意味着我国顶驱技术将再度升级。评审专家认为，“北京石油机械厂完成的DQ120BSC顶驱的设计，充分考虑该顶驱的使用工况，其主要性能指标及整体设计能够满足1.2万m钻机使用要求。图纸、工艺、技术规范完整，符合相关标准要求，同意投入样机试制”。
1.2.2.2 盘锦辽河油田天意石油装备有限公司
盘锦辽河油田天意石油装备有限公司生产有DQ-40LHTY3（载荷2250kN）、DQ-50LHTY1（载荷3150kN）、DQ-70LHTY1（载荷4500kN，图1.5）系列顶驱产品。性能特点：①机电液一体化的控制技术，变频器交流输出参数与电机的特性要求相匹配，PLC程序可根据用户要求进行设计，具有监控、报警、自我诊断、保护和互锁功能，更加符合钻井工况。②交流变频电机实现无级调速，采用全叠片硬绕组结构，传动功率大，抗过载能力强。③采用双负荷通道，即钻进时减速箱轴承承载，在起下钻时回转头轴承承载，提高了轴承、主轴的使用寿命和抗钻柱纵向震动能力。④回转头只用两个油道给倾斜油缸供油，实现吊环的前倾和后摆，而且每个油道均为双密封，预防泄漏事故发生，提高了设备使用的可靠性；在起、下钻时允许回转头随钻具旋转，方便事故处理。⑤采用插入式内套结构，背钳与IBOP油缸不随回转头转动，结构简单。⑥专利技术的倾摆式对夹背钳，夹紧力矩大，夹持可靠，便于保护接头、钳牙等易损件的更换。⑦主液压泵在钻进和定向过程中可以关闭，泵的使用寿命提高。即使液压系统停止工作，也可进行钻进、划眼和起下钻作业。⑧集成式液压系统连同油箱集成于顶驱本体之上，系统发热量低，安装便利。⑨专利技术的新型单导轨，采用单销和锁口机构，安装拆卸简单快速。
图1.5 DQ-70LHTY1顶驱
