4500kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计

4500kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计
摘要：顶部驱动钻井装置是一种相对较为先进的钻井设备，它通过顶部的电机和传动装置来驱动钻杆的旋转和上下移动。

相比于传统的钻井设备，顶部驱动钻井装置能够在钻井过程中实现更加高效的操作，以及更加精确的控制。

这种装置在实际应用中也得到了广泛的验证，证明其应用效果非常良好。

基于此，本文主要针对4500KN变频直驱顶部驱动钻井装置展开设计。

关键词：4500KN；直驱顶部驱动钻井装置；结构；设计
引言：在井架的上方装有一台顶驱动的钻机（下文称顶驱），它能沿着轨道的升降运动，实现钻杆的转动，钻井液的循环，以及立根的接接；适用于各种钻孔操作，如上卸扣，倒划等。

该装置替代了常规的圆台方钻组合，大大降低了钻柱卡钻、卡钻等复杂工况，大大提升了钻井工作效率。

顶驱油是目前国际上最先进的油气勘探技术，在深井、水平井、大斜度井等复杂油气井上具有很高的技术优势。

在石油地质条件日益严酷、复杂、复杂的情况下，顶驱技术已经逐渐成为深井、超深井以及一些特殊技术井的标准技术。

1典型顶部驱动钻井装置功能特点
目前我国石油钻井所应用的典型顶驱钻井装置有TDS—11SA、TDT500ECI和DQ70BS等。

这些不同型号的装置在功能上各有优劣，但它们在以下方面有一系列共同的优点。

首先，采用整立柱钻杆钻进的方式工作，节约了接单根时间、操作步骤和工人劳动作业强度，提高了钻井效率和井口作业的安全性。

传统的钻井方式需要手动添加钻杆，而使用顶驱钻井装置可以自动完成这个过程。

这不仅提高了施工效率，还可以避免因人为操作错误引起的安全事故[1]。

其次，利用顶驱钻井系统能够实现在任意高度循环钻井液或旋转钻具，更有利于划眼下钻以及倒划眼起钻。

这可以避免井下事故，节约了钻井施工成本，提高了作业效率。

顶驱钻井系统可以根据需要调整钻杆的高度，使得钻井液和旋转钻具在井下得到更好的流动和旋转，从而提高钻井效率。

2 4500KN直驱顶部驱动钻井装置设计要求
2.1设计标准
直驱顶驱是一种广泛应用于石油钻井和采油提升设备的驱动装置。

在设计直
驱顶驱时，其钻井工艺要求和标准规范要求需得到满足。

为了保证直驱顶驱的设
计符合要求，设计过程中需遵循一系列主要标准，包括API Spec 8C-2012、
GB/T19190-2013、GB/T 31049-2014、SY/T5288-2000等。

这些标准的遵循，不仅
能够保证直驱顶驱的设计符合行业要求和标准规范，还能够提高其使用寿命、安
全性和可靠性，减少事故和维修成本。

因此，在设计直驱顶驱时，需认真遵循相
关标准，确保其设计和生产过程中的质量和性能符合要求。

2.2环境适应标准
直驱顶驱能满足海陆多种钻探条件。

首先要考虑到对温度和湿度的要求，通
常的工作温度是-20-50℃。

为增强顶驱对环境温度的适应性，在顶驱系统的设计中，将顶驱系统的工作温度调节在-35~55℃之间。

同时，在海洋环境中，也应考
虑到耐盐雾腐蚀，防爆阻燃等方面的要求[2]。

3 4500KN直驱顶部驱动钻井装置结构与特点
4500KN直驱顶部驱动钻井装置结构详情见图1。

首先，动力水龙头是该系统
的关键组件之一。

它包括提环总成、鹅颈管总成、冲管总成、箱体、电机、主轴
等部件。

电机直接驱动主轴，带动钻柱旋转，从而实现钻井作业。

同时，它还具
有一些其他的功能，例如控制钻井液的流量和压力等。

其次，管子处理装置也是
该系统的重要组成部分。

它包括悬挂体、吊环倾斜机构、防松装置、背钳等。

悬
挂体用于起下钻作业，同时还能够起到支撑钻柱的作用。

吊环倾斜机构能够实现
吊环前后倾和中位浮动，从而使得钻柱能够在不同的角度下进行钻井作业。

防松
装置则能够保证钻柱的安全性，避免出现意外事故。

此外，该系统还集成了液压
系统和电气系统。

液压系统能够实现背钳的夹紧与松开、吊环前后倾和中位浮动、旋转头回转与锁紧、内防喷器打开与关闭、主电机制动与松开等多种功能。

电气
控制系统则能够对顶驱的运行情况进行实时控制和监测，保证钻井作业的安全和
高效。

图1 4500KN直驱顶结构
4主要技术参数
本文4500KN直驱顶驱主要技术参数详情见表1。

表1 4500KN直驱顶驱主要参数
名称参数
额定载荷/KN4500
名义钻井深度（114mm钻杆）/m7001
最高转速/（r·min-1）201
额定转速/（r·min-1）101
连续钻井转矩（KN·m）71
最大卸扣转矩（KN·m）106
钻井液额定循环压力/MPa53
环境温度/℃-35-55
电机功率/KW736
电机额定电流/A851
液压系统工作压力/MPa17
液压系统最大流量（L·min-1）41
5样机试验
首先进行的是主承载件静载拉伸试验。

该试验通过对主承载件进行拉伸，检测其屈服点以及各零件是否会发生变形或损伤。

结果显示，在试验过程中，主承载件未发生屈服，各零件也未发生变形和损伤。

同时，经过无损检测证明，该件无任何影响使用的缺陷，可放心使用。

其次进行动力水龙头试验。

该试验主要测试水龙头的噪声、运转平稳性以及连续工作转矩值。

试验过程中，水龙头的噪声非常小，运转也非常平稳，没有出现任何异常情况。

最高转速可达200 r/min，连续工作转矩值为70kN，表明该水龙头性能良好，可以满足使用要求。

最后进行管子处理装置试验。

试验结果表明，悬挂体转动平稳，换向平稳，内防喷器开关到位，没有出现卡阻和冲击，也没有出现渗漏。

这意味着管子处理装置的性能稳定可靠，可以安心使用。

结论：
(1)所开发的直驱顶驱动装置与常规的降压顶驱动装置比较，不需要齿轮及油液润滑装置，具有更高的传输效率，更少的密封件，更没有漏油的危险。

(2)
电力龙头及管道加工设备可以单独安装，具有较高的模块性和较高的产量。

在钻孔中，主轴支承仅承担钻进过程中的负荷，而在起落过程中的负荷则通过主轴支承的阶梯来承担，从而达到提高轴承寿命和降低顶驱体高度的目的。

将油压来源与阀门组合于一体，使二者管道距离大大减少，从而降低了系统的阻力，提高了系统的响应速度。

参考文献：
[1]李美华,张一帆,王冬,张军巧,杨泉水.顶部驱动钻井装置集中润滑系统研制[J].设备管理与维修,2022(15):170-172.
[2]白晓捷,宋瑞宏,于成龙,马晓伟,张磊.顶部驱动钻井螺纹防松装置的创新设计[J].西部探矿工程,2021,33(03):77-78+82.。