石油工程與裝備 第四章 頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)（新版11）學(xué)習(xí)課件

第四章

頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)

一、概述頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)（TopDriveDrillingSystem）簡(jiǎn)稱頂驅(qū)系統(tǒng)（TopDriveSystem-TDS）。

1.什么是頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置

頂驅(qū)：從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱，沿井架內(nèi)導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立根，上卸扣等多種鉆井操作，參見(jiàn)圖4-1。圖4-1

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)

圖4-1

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)

由三大部分組成：水龍頭一馬達(dá)總成、導(dǎo)向滑車總成、鉆桿上卸扣總成。水龍頭-馬達(dá)總成鉆桿上卸扣總成導(dǎo)向滑車總成2.思路:轉(zhuǎn)盤＋水龍頭→動(dòng)力水龍頭3.頂驅(qū)系統(tǒng)是四大新技術(shù)之一（頂驅(qū)、盤式剎車、液壓鉆井泵和AC變頻驅(qū)動(dòng)）4.頂驅(qū)發(fā)展第一臺(tái)頂驅(qū)由美國(guó)Varco公司研制（82年問(wèn)世）。后來(lái)，法國(guó)、挪威、加拿大、中國(guó)相繼研制了頂驅(qū)。5．驅(qū)動(dòng)型式有兩種（1）液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)（2）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)①AC-SCR-DC頂驅(qū)動(dòng)(80年代廣泛用)②AC變頻f頂驅(qū)(90年代后使用)80年代中，挪威將AC-SCR-DC改成AC變頻頂驅(qū)。之后，美國(guó)（Varco公司）、加拿大（Tesco公司和CANRIG公司）等研制了AC變頻頂驅(qū)。90年代，AC變頻頂驅(qū)占了主導(dǎo)地位。中國(guó)：有液壓、AC-SCR-DC頂驅(qū)、AC-AC變頻頂驅(qū)。

北石AC變頻頂驅(qū)寶雞石油機(jī)械有限公司DQ70/4500DB頂驅(qū)裝置遼河天意AC變頻頂驅(qū)遼河天意AC變頻頂驅(qū)5000m600kW7000m9000m5000m7000m北石AC變頻頂驅(qū)中國(guó)AC變頻頂驅(qū)08年4月北京石油裝備博覽會(huì)參展產(chǎn)品截止2007年8月北石已生產(chǎn)出百臺(tái)頂驅(qū)。遼河天意AC變頻頂驅(qū)遼河天意AC變頻頂驅(qū)北石AC變頻頂驅(qū)09年10月東營(yíng)石油裝備博覽會(huì)參展產(chǎn)品北京南車時(shí)代頂驅(qū)二、頂驅(qū)鉆井特點(diǎn)（1）立根（28m）鉆進(jìn)，節(jié)省2/3接單根時(shí)間。（轉(zhuǎn)盤鉆以單根加長(zhǎng)鉆桿，以立根鉆進(jìn)井架不需加高。)（2）可隨時(shí)壓井（任意高度需循環(huán)井液，水龍頭可立即接上），減少卡鉆事故。（3）實(shí)現(xiàn)：倒劃眼起鉆（鉆頭取不出時(shí)，邊轉(zhuǎn)邊提）;

實(shí)現(xiàn)：劃眼下鉆（鉆頭下不去時(shí)，邊轉(zhuǎn)邊放）。（4）以立根鉆水平井、斜井時(shí)，容易控制造斜方位。（5）鉆桿上卸扣操作機(jī)械化。（6）立根鉆進(jìn)，提高取巖心質(zhì)量。

三、頂驅(qū)系統(tǒng)組成組成:水龍頭-鉆井馬達(dá)總成、導(dǎo)軌導(dǎo)向滑車總成、上卸扣裝置僅動(dòng)力有別：液馬達(dá)頂驅(qū)—液馬達(dá)；AC-SCR-DC頂驅(qū)—DC電機(jī)；AC變頻頂驅(qū)—AC電機(jī)。1.水龍頭-鉆井馬達(dá)總成頂驅(qū)的主體。圖4-2是Varco公司額定載荷6500kN的TDS-3S型頂驅(qū)水龍頭達(dá)-鉆井馬總成。圖4-2

水龍頭—鉆井馬達(dá)總成

整體式水龍頭提環(huán)平衡油缸氣剎車直流馬達(dá)主軸大齒輪小齒輪水龍頭軸承圖4-2

水龍頭—鉆井馬達(dá)總成由水龍頭、馬達(dá)和一級(jí)齒輪減速箱組成。（1）馬達(dá)：用并勵(lì)DC馬達(dá)，立式驅(qū)動(dòng)主軸。（2）水龍頭：額定載荷6500kN；盤根盒為快速裝卸式，與普通水龍頭的相同。（3）氣動(dòng)剎車：在馬達(dá)軸上端，快速制動(dòng)。（4）減速箱：馬達(dá)軸下有小齒輪（Z=18），與主軸上的大齒輪（Z=96）相嚙合，主軸下方接鉆柱。TDS-3S變速箱是一個(gè)單速齒輪減速裝置，減速比5.331。

（5）主軸：即水龍頭的中心管。主軸小齒輪直流馬達(dá)氣剎車平衡油缸整體式水龍頭提環(huán)水龍頭大齒輪軸承圖4-3頂驅(qū)水龍頭—馬達(dá)總成油潤(rùn)滑圖

（6）潤(rùn)滑系統(tǒng)TDS-3S頂驅(qū)的油潤(rùn)滑系統(tǒng)（圖4-3），油泵強(qiáng)制潤(rùn)滑。（7）鉆井馬達(dá)冷卻系統(tǒng)馬達(dá)冷卻系統(tǒng)為風(fēng)冷。圖4-4為冷卻系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。用離心式鼓風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。圖4-4鉆井馬達(dá)

冷卻系統(tǒng)

離心式鼓風(fēng)機(jī)鉆井馬達(dá)水龍頭①近距離安裝鼓風(fēng)機(jī)基本的馬達(dá)冷卻系統(tǒng)（看右圖）,向鉆井馬達(dá)提供近距離的冷卻風(fēng)。②加高進(jìn)氣口的近距離安裝鼓風(fēng)機(jī)（右圖）加高進(jìn)氣口的近距離冷卻系統(tǒng)

游車+大鉤加高進(jìn)氣口鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)標(biāo)準(zhǔn)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)口鉆井馬達(dá)鼓風(fēng)機(jī)殼③遠(yuǎn)距離鼓風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)（圖4-6）安裝在井架上的遠(yuǎn)距離鼓風(fēng)機(jī)，通過(guò)軟管輸送冷卻風(fēng)。圖4-6

遠(yuǎn)距離鼓風(fēng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

鼓風(fēng)機(jī)空氣軟管馬達(dá)滑車總成TDS-11SA同級(jí)別中體積最小輸出效率最高可靠性最高的頂驅(qū)500噸/800

馬力在ZJ-50D鉆機(jī)上安裝的

TDS-11SA頂驅(qū)TDS-11SA典型配置井架電纜接線盒主電纜(井架內(nèi)部)PH-75管子處理機(jī)司鉆控制臺(tái)萬(wàn)能扭矩平衡粱變頻器和控制盤導(dǎo)軌分段帶銷釘和附件TDS-11SA驅(qū)動(dòng)部分TDS-11SA驅(qū)動(dòng)部分10.5:1減速比主止推軸承沖管盤根總成(P-500)鵝頸管(S-Pipe)88英寸系統(tǒng)吊耳,一體化的水龍頭(包括重量平衡裝置)400馬力交流鉆井電機(jī)-2個(gè)液壓剎車-2個(gè)冷卻系統(tǒng)空氣通道-2個(gè)冷卻風(fēng)扇交流電機(jī)-2個(gè)主軸一體化液壓系統(tǒng)交流感應(yīng)電機(jī)

RelianceRPMAC空氣入口(1100立方英尺)線圈(玻璃纖維涂層)IP56定子總成(總成)線圈空氣出口定位滾柱軸承電機(jī)剎車

止推球軸承

轉(zhuǎn)子總成(迭片)電機(jī)外殼電機(jī)軸主動(dòng)齒輪注

:TDS-11SA的齒輪已升級(jí)為斜齒輪,壽命更長(zhǎng),靜音效果更好TDS-11SA齒輪變速箱一體化式液壓系統(tǒng)SightGlassCorkBallHydraulicOilFilterPop-UpDirtAlarmHydraulicOilDrainHydraulicsHydraulicOilFillMaleQuick-ConnectDustPlugHydraulicLubricationKitFemaleQuick-Connect排油口軟木塞球彈出污垢警告公母潤(rùn)滑箱防塵插頭7500PSI泥漿通道InspectingS-PipeWingNut蝶型螺母SealRingPlug塞子Clamp卡箍Bolts螺釘SealRingWingNutVarco頂驅(qū)上的盤根和沖管InspectingWashPipeAssemblyDailyWashPipeInspectUpperSpacer隔套MiddleSpacerMiddleSpacerLowerSpacerO-RingO-RingSnapRingHoldingRingPackingSealWashPipeNutWashPipePackingAssemblyBoxStraightGreaseFittingSocketHeadScrew沖管填充密封卡環(huán)填料密封盒支撐環(huán)沖管螺母交流鉆機(jī)電機(jī)(2×400HP)S-管液壓源0.56米1.6米0.86米變速箱分段式導(dǎo)軌8"×

19"滑動(dòng)部分總成系統(tǒng)吊耳TDS-11SA的俯視圖2.導(dǎo)軌—導(dǎo)向滑車總成導(dǎo)向滑車和支撐裝置總成如圖4-7所示。①導(dǎo)軌：裝在井架內(nèi)②導(dǎo)向滑車：由馬達(dá)底座和框架組成。③作用：對(duì)游車和頂驅(qū)起導(dǎo)向及承受反扭矩作用80年代為雙導(dǎo)軌，90年代改為單導(dǎo)軌。

圖4-7

馬達(dá)支架和導(dǎo)向滑車總成

導(dǎo)軌與滑車

導(dǎo)軌的主要作用是承受頂驅(qū)工作時(shí)的反扭矩。DQ70BSC

頂驅(qū)所用的單導(dǎo)軌采用雙銷連接。與頂驅(qū)減速箱連接的滑車穿入導(dǎo)軌中，隨頂驅(qū)上下滑動(dòng)，將扭矩傳遞到導(dǎo)軌上。導(dǎo)軌最上端與井架天車底梁上安裝的耳板以U型環(huán)連接，導(dǎo)軌下端與井架大腿的扭矩梁連接，使頂驅(qū)的扭矩直接傳遞到井架下端，避免井架上端承受扭矩。2.導(dǎo)軌—導(dǎo)向滑車總成北石頂驅(qū)導(dǎo)軌-導(dǎo)向滑車交流變頻驅(qū)動(dòng)(ACVFD)

雙導(dǎo)軌單導(dǎo)軌3.上扣卸扣裝置（Pipehander）鉆桿上卸扣裝置如圖4-8所示。主要：由旋轉(zhuǎn)頭、吊環(huán)聯(lián)接器、吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)和扭矩扳手組成。（可參見(jiàn)Varco公司的TDS-8S交流變頻頂驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。）

圖4-8650噸鉆桿上卸扣裝置總成

旋轉(zhuǎn)頭吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)扭矩扳手吊環(huán)聯(lián)接器主軸限扭器吊卡吊環(huán)旋轉(zhuǎn)頭：接在馬達(dá)水龍頭下方TDS-8S(AC)

扭矩扳手鼓風(fēng)機(jī)空氣軟管游車水龍頭-馬達(dá)總成吊環(huán)傾斜器吊環(huán)（1）液壓扭矩扳手用處：卸扣。原理：由液缸驅(qū)動(dòng)橫向夾緊活塞夾緊鉆桿母接頭，兩個(gè)轉(zhuǎn)矩液缸驅(qū)驅(qū)動(dòng)扭矩筒完成卸扣操作。（扭矩扳手上卸扣期間，上升扭矩管使母花鍵同上部公花鍵相嚙合，為液缸提供反扭矩。）轉(zhuǎn)動(dòng)保護(hù)接頭及主軸松扣，然后啟動(dòng)鉆井馬達(dá)旋扣。（扭矩液缸84kN-m；可旋轉(zhuǎn)25°。）結(jié)合圖4-10分析。

圖4-9

扭矩扳手總成

升降液缸扭矩筒扭矩液缸夾緊活塞（2）內(nèi)防噴器及啟動(dòng)器內(nèi)防噴器（圖4-10）是球型安全閥，防止泥漿溢流和井涌。上部遠(yuǎn)控內(nèi)防噴器和下部手動(dòng)內(nèi)防噴器，形成內(nèi)井控防噴系統(tǒng)。上部遠(yuǎn)控內(nèi)防噴器是鉆桿上卸扣裝置的一部分。當(dāng)上卸扣時(shí)，扭矩扳手同遠(yuǎn)控上部?jī)?nèi)防噴器的花鍵嚙合形成扭矩。下部與上部?jī)?nèi)防噴器型式相同。兩個(gè)內(nèi)防噴器一直接在鉆柱中，可隨時(shí)使用。

圖4-10內(nèi)防噴器閥及啟動(dòng)器總成

上部?jī)?nèi)防噴器閥下部?jī)?nèi)防噴器閥內(nèi)防噴器啟動(dòng)柄安全接頭內(nèi)防噴器啟動(dòng)液缸鉆桿吊環(huán)聯(lián)接器夾緊缸扭矩管頂驅(qū)IBOP內(nèi)防噴器IBOP(InsideBlowOutProventer)背鉗北京石油機(jī)械廠內(nèi)防噴器（IBOP）IBOP(InsideBlowOutProventer)閥體波形彈簧下閥座閥芯上閥座下拼合擋環(huán)上拼合擋環(huán)支承環(huán)手柄套操作柄手柄座擋圈（3）吊環(huán)聯(lián)接器、吊環(huán)和鉆桿吊卡圖4-11為吊環(huán)聯(lián)接器。作用:可由圖4-8看出，它通過(guò)吊環(huán)將下部吊卡與主軸相連。

主軸穿過(guò)齒輪箱殼體，又同整體水龍頭相接。

圖4-11吊環(huán)聯(lián)結(jié)及限扭器總成

吊環(huán)聯(lián)接器旋轉(zhuǎn)頭限扭器吊環(huán)吊卡吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)吊環(huán)聯(lián)接器限扭器旋轉(zhuǎn)頭主軸扭矩扳手吊環(huán)（4）吊環(huán)傾斜器

圖4-12、圖4-8所示作用：去卡抱待接立根接頭。（吊鼠洞中的單根和接立根）氣閥控制氣彈簧，使吊環(huán)前傾300，后擺600。

吊環(huán)傾斜器的傾斜臂位于吊環(huán)的前部，由空氣彈簧啟動(dòng)。圖4-12長(zhǎng)行程吊環(huán)傾斜裝置總成

（5）旋轉(zhuǎn)頭總成旋轉(zhuǎn)頭總成如圖4-13。當(dāng)鉆桿上卸扣裝置，在起鉆中隨鉆柱部件旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)頭可自由旋轉(zhuǎn)。象大鉤能自動(dòng)回原位。

圖4-13650t旋轉(zhuǎn)頭總成

國(guó)產(chǎn)回轉(zhuǎn)頭背鉗裝置、內(nèi)防噴器操縱機(jī)構(gòu)、傾斜機(jī)構(gòu)、吊環(huán)吊卡是為起下鉆作業(yè)服務(wù)的，獨(dú)立于主軸運(yùn)動(dòng)。

回轉(zhuǎn)頭帶動(dòng)上卸扣裝置一起作順時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，以便適應(yīng)抓取單根、接立根的方位?；剞D(zhuǎn)頭靠液馬達(dá)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，由調(diào)速閥調(diào)節(jié)4～8r/min。時(shí)代回轉(zhuǎn)頭液馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)國(guó)產(chǎn)回轉(zhuǎn)頭500噸吊環(huán)連接器吊環(huán)傾斜裝置總成上內(nèi)防噴器和啟動(dòng)裝置下內(nèi)防噴器反扭矩架可大范圍移動(dòng)背鉗可調(diào)喇叭口動(dòng)力吊環(huán)定位器-360度350噸吊卡350噸，120英寸吊環(huán)吊卡PH-75管子處理機(jī)PH-75管子處理機(jī)可抵抗75,000Ft-Lbs卸扣扭矩直接用交流電機(jī)進(jìn)行上卸扣,無(wú)需液壓缸沖扣。從而簡(jiǎn)化了管子處理機(jī)。扭矩背鉗動(dòng)力旋轉(zhuǎn)頭吊環(huán)多點(diǎn)定位單或雙內(nèi)防噴器遙控控制上內(nèi)防噴器鉆進(jìn)到鉆臺(tái)面井架工PH-75吊環(huán)的多點(diǎn)定位吊環(huán)定位點(diǎn)鼠洞2米1.35米主軸安全夾-3上內(nèi)防噴器和雙搖臂啟動(dòng)器下內(nèi)防噴器(手動(dòng))保護(hù)短節(jié)PH-75主軸總成上內(nèi)防噴器啟動(dòng)液缸總成背鉗可達(dá)上內(nèi)防噴器萬(wàn)能平衡橫梁安裝完畢的導(dǎo)軌TDS-11SA采用游動(dòng)系統(tǒng)頂驅(qū)分段吊起導(dǎo)軌和頂驅(qū)導(dǎo)軌采用自鎖技術(shù)安裝快捷<4小時(shí)安全結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

導(dǎo)軌分段連接板導(dǎo)軌的特點(diǎn)86英尺游動(dòng)電纜777MCM135英尺井架電纜777MCM司鉆房變頻房3x100’電源電纜646MCM井隊(duì)電源200英尺司鉆房電纜頂驅(qū)－變頻房電纜長(zhǎng)321英尺，變頻房－井隊(duì)電源電纜長(zhǎng)100英尺，保證變頻房能夠置于安全區(qū)，且電纜沿井架固定，無(wú)需懸空。6x1100‘英尺跳接電纜646MCMVarco頂驅(qū)標(biāo)準(zhǔn)井廠安裝布置示意圖體積最小，輸出最強(qiáng)勁，惟一能安裝于ZJ-30車裝鉆機(jī)的頂驅(qū)。

TDS-10SA

250噸/350馬力

頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)TDS-10SA適用于典型

250噸游車－大鉤組合26.4’/27.4’TopDriveStack-Up*4Ft15.0’-標(biāo)準(zhǔn)16.0’-選擇頂驅(qū)高度*8FtMinToolJointBailRestBlockTopSpreaderBeamCLSectionalGuideBeamExisting250TonRatedCombo-Typ.TDS-10SA250Ton/350HPTopDrivePH-55Pipehandler*

StandardTDSConfigurationWorkingHeightwithOneIBOP&96”D.P.E.Links-15.0’

OptionalTDSConfigurationWorkingHeightwithTwoIBOP’s&108”D.P.E.Links-16.0’11.4’-Typ.StrokedComboWork.HeightTDS-10SA整體結(jié)構(gòu)TDS-10SA俯視圖交流電機(jī)(350HP)水龍頭鵝頸管1.22米0.66米傳動(dòng)比：13.1:1-低速或4.8:1-高速(可選)分段式導(dǎo)軌10“x10“(方管)帶聚合物滑軌的滑動(dòng)架總成0.45米0.71米系統(tǒng)提環(huán)(250Ton)1.12米0.61米4.平衡系統(tǒng)平衡系統(tǒng)總成如圖4-14所示。主要對(duì)上卸扣起伸縮作用。防止上卸接頭扣時(shí)螺紋的損壞；在卸扣時(shí)可幫助公扣接頭從母扣接頭中彈出，類似于大鉤的152mm的減震沖程。

圖4-14平衡系統(tǒng)總成

圖4-15所示的平衡系統(tǒng)包含：

兩個(gè)油缸和兩個(gè)液壓儲(chǔ)能器。缸體端與整體水龍頭相連，活塞桿端與大鉤連接（如圖4-14），或者直接連到游車上。圖4-15平衡系統(tǒng)示意圖

上連大鉤或游車鉆井馬達(dá)油缸提環(huán)（1）前期TDS系統(tǒng)平衡油缸連接方式TDS-3型頂驅(qū)平衡油缸下端和水龍頭相連，上端和大鉤相連。它提供152mm的緩沖行程。（2）整體式IDS系統(tǒng)平衡油缸連接方式如IDS-1型頂驅(qū)，平衡油缸的下端與鉆井馬達(dá)殼體相連，上端和游車相連接。取消了大鉤，提供203mm的緩沖行程。（3）新型IDS系統(tǒng)平衡油缸的連接方式如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端與游車（當(dāng)不用大鉤時(shí)）連接，下端直接