顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计
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。
顶部驱动钻井装置的结构
顶部驱动钻井装置的结构顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成:l)水龙头-钻井马达总成(关键部件之一);2)马达支架/导向滑车总成(关键部件之一);3)钻杆上卸扣装置总成(关键部件之一,它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备);4)平衡系统;5)冷却系统;6)顶部驱动钻井装置控制系统;7)可选用的附属设备。
第一节水龙头-钻井马达总成水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件,见图2-l。
它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。
钻井水龙头额定载荷是6500 kN;采用串激(或并激)直流电动机立式传动,驱动主轴。
轴上端装有气动刹车(16VC600气离合器)。
当气压为0.62 MPa时,可产生47.5 kN/m的扭矩,用于马达的快速制动。
这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时,旋转体转动惯量大,惯性则大,因此立即刹止,改变运动方式是不易的,故要有气刹车刹止才能克服惯性,制止钻具的旋转运动。
马达轴下伸轴头装有小齿轮(Z=18),与装在主轴上的大齿轮(Z=96)相啮合,主轴下方接钻杆柱,最大转速为430 r/min。
钻井时,当马达电枢电流为1325 A时,间隙尖峰扭矩51.5 kN/m,而当电流为1050A时,连续运转扭矩为39.1kN/m,主轴转速可达180r/min。
由上可见,水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件:。
1)钻井马达和制动器(气刹车)2)齿轮箱(变速箱);3)整体水龙头;4)平衡器。
以下将分别对每个部件进行说明。
一、钻井马达在TDS-3S型顶部驱动钻井装置上安装的是1100/1300hp的并激直流钻井马达。
马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。
气刹车用于承受钻柱扭矩,避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。
气刹车由一个远控电磁阀控制。
如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片,可参阅用户手册。
二、齿轮箱(变速箱)总成TDS-3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成:1)96齿大齿轮;2)18齿大齿轮;3)上、下箱体;4)主轴/驱动杆;5)马达支座机罩。
顶部驱动钻井装置
冷却系统
冷却系统用于对顶部驱动钻井装置进 行散热和润滑。
冷却系统还需要具备较高的可靠性和 耐久性，以确保装置的正常运行和使 用寿命。
它通常包括润滑油、冷却液等介质， 能够有效地降低装置在工作过程中的 温度 钻孔上方，以便进行更换或调整。
它通常包括电动或液压驱动的升 降机构，能够快速、准确地完成
海洋工程
在海洋工程建设中，顶部驱动钻 井装置可用于安装桩基、导管架 等结构，确保工程结构的稳定性
和安全性。
其他应用领域
地热能开发
在开发地热能源的过程中，顶部 驱动钻井装置可用于钻取地热井 ，为地热发电和供暖提供热源。
地下水开发
在地下水资源开发中，顶部驱动 钻井装置可用于钻取水井，为农 业灌溉、工业用水和生活供水提 供水源。
对损坏的部件进行修复或更换，恢复设备的正常功能。
预防措施
针对设备常见的故障，采取预防措施，减少设备故障 的发生。
谢谢
THANKS
电源供电
电机接通电源后开始工作。
钻头旋转
减速器驱动钻头旋转，实现钻孔作业。
减速器传动
电机通过减速器将高速旋转转化为低速大 扭矩输出。
历史与发展
历史
顶部驱动钻井装置最早起源于20世纪初，但直到20世纪末才开始广泛应用于石 油和天然气钻探领域。
发展
随着技术的不断进步，顶部驱动钻井装置在性能、稳定性和安全性方面得到了 不断提升和完善。未来，该装置将继续朝着更加高效、智能和自动化的方向发 展。
顶部驱动钻井装置能够提供连续的钻头旋 转，提高了钻井效率。
稳定性
安全性
该装置具有稳定的旋转和推进力，减少了 钻孔偏差和故障。
顶部驱动钻井装置具有完善的安全保护功 能，降低了操作风险。
顶部驱动钻井装置的技术应用
顶部驱动钻井装置的技术应用随着科技的发展，社会的进步，新的技术也逐渐被开发和利用。
在石油开采领域，传统的钻井装置难以满足当下的高效、经济和安全的要求，也逐渐被新的钻井装置所取代。
顶部驱动钻井装置就是一种新的钻井装置，是集机械、电气、液压技术于一体的现代化高科技钻井装置，是当今石油钻井领域的前沿技术，与交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统并称近代钻井装备的三大技术成果。
顶部驱动钻井装置可适用于2000米到9000米深的钻井，其适用范围广。
本文主要通过对顶部驱动钻井装置的技术应用探讨，以期对顶部驱动钻井装置提出合理优化的建议。
标签：顶部驱动;技术;应用引言：顶部驱动钻井装置可节约20%至30%的钻井时间，尤其是对于斜井和高难度定向井，其经济性更好。
对于顶部驱动钻井装置的技术应用研究，提高顶部驱动钻井装置在复杂情况下的工作效率以及稳定性，保证钻井装置的安全性，增加其使用寿命，具有很现实的意义。
一、液压技术在顶部驱动钻井装置的应用液压技术在顶驱装置应用广泛。
液压驱动是顶驱两大主要驱动方式之一（另一驱动方式为电驱动）。
液压驱动可实现比电驱动更大的无级调速范围，其运行更加平稳，溢流阀的存在防止了过载，液体的可压缩性减少了冲击，可通过压力的调节实现更大的扭矩，操作方便，可满足不同转速的多种钻探工艺。
而且，液压驱动顶驱系统比电驱顶驱系统体积小，质量轻、运输及安装比电驱更为方便，其制造和使用成本低。
随着液压技术发展，尤其是高压液压技术和高效散热技术的发展，顶驱系统越来越多的应用液压技术已成为顶驱发展的一个趋势[1]。
頂驱的辅助传动也采用液压系统。
液压泵对液压油加压，使液压油产生压力，推动液压马达的转动，完成液体压力到机械能的转化。
通过方向阀，可改变液压油的流动方向，进而改变液压马达的转动方向，通过溢流阀控制压力值，可改变液压马达的转速，通过截止阀可实现液压马达的停止运动。
而过滤装置主要对液压油起过滤作用，增加了液压系统的使用寿命。
顶部驱动钻井装置简介
停车与关闭
在规定的停车程序下关闭装置 ，确保设备安全停机。
安全防护
在操作过程中，必须佩戴个人 防护装备，遵守安全操作规程
，确保人员和设备安全。
维护保养周期及内容
日常保养
01
每天对设备进行清洁、润滑、紧固等常规保养，确保设备处于
良好状态。
定期保养
02
按照规定的时间间隔对设备进行全面的检查、清洗、调整等保
基本原理
通过电动机或液压马达驱动齿轮 减速机构，将扭矩传递给钻柱， 同时通过控制系统实现钻柱的旋 转、提升、加压等操作。
发展历程及现状
发展历程
顶驱技术起源于20世纪60年代，经历了从机械式到电动式、从单一功能到多功 能的发展历程。随着技术的不断进步，顶驱已经成为现代钻井技术的重要组成 部分。
现状
目前，顶驱技术已经广泛应用于石油、天然气、地热等领域的钻井作业中。随 着非常规油气资源的开发，顶驱技术也在不断发展和创新，以适应更复杂、更 恶劣的钻井环境。
02
顶部驱动钻井装置结构组成
动力系统
01
02
03
柴油机或电动机
提供驱动力，驱动传动系 统工作。
液压泵站
为控制系统和辅助系统提 供液压动力。
冷却系统
对动力系统进行冷却，确 保其在高温环境下正常工 作。
传动系统
变速箱
将动力系统的输出转速和 扭矩调整到适合钻井作业 的范围。
离合器
实现传动系统与动力系统 的连接与断开，方便操作 和维护。
液压控制
装置采用液压系统对钻杆施加推力 或拉力，以控制钻头的进给速度和 方向。同时，液压系统还负责控制 钻杆的旋转速度和扭矩。
自动化操作
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
顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计
和运行状态显示 。
（ ７ ） 由工控机进行数据信号的采集 、 记
出， 为 了 成功 实 现 加 载 ， 在 性 能 试 Ｏ 的 增 速 角传 动 箱 ，
一
卸扣和旋 扣， 均 与 顶 驱 的 输 出 功率 特 性 和 输 出 转矩 特 性 直 接 相关
便 于 顶 驱 很 好 的使 用 。
处理和输 出。 。 顶 驱性 能 试 验 录 、
方面将垂直输入转 成水平传动 ； 另一 方
台 的 研 制 能够 很 好 地 检 测 顶 驱输 出 特 性 ，
面 使 转 速 范 围变 宽 ， 更 充 分 地 利 用 电磁 涡
２ 结构及工作原理
整 个 试 验 装 置 包 括 加 载 系统 、 控制 系
到 实 际 的 输 出特 性 。
为 了保 证 电磁 涡 流 测 功 机 和 磁 粉 刹 车 的正常使 用， 在 系 统 中还 设 计 了水 冷 却 系 统， 以满足试验装置的冷却要求 。
（ ４ ） 具 有 安 全 防护 系 统 、 漏 电保 护 ， 及 工 检 测 系 统 较 为 先 进 的 加 载 方 式 有 水 力 测
统、 测 试 显示 、 数 据 采集 和 处 理 系统 。
流测 功 机 和 磁 粉 刹 车 的 制 动 特 性 。 通 过 转 矩 转 速 传 感 器 实 时 地 测 量 出 施 加的转矩及转 速 ， 并 传 输 给 数 据 采 集 计 算 机。 但 由于 不 是 直接 测 量 顶 驱 输 出 轴 转 速
瞅定 最 久 ｛ § 和 火输 入 电 流
加 载 系统 可 以 实 现 正 转 和 反 转 加 载 ，
石油工程机装备 第四章 顶驱钻井系统(新版11)1
顶驱的主体。
图4-2 是Varco公司额定载 荷6500kN的TDS- 3S型顶驱
大齿轮
小齿轮
主轴
水龙头达-钻井马总成。
图4-2 水龙头—钻井马达总成
整体式水 龙头提环
由水龙头、马达和一级齿轮减速 水龙头 箱组成。 （1）马达：用并励DC马达，立式 驱动主轴。 （2）水龙头：额定载荷6500kN； 盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头 轴承 的相同。 （3）气动刹车：在马达轴上端， 快速制动。 （4）减速箱：马达轴下有小齿轮 （Z=18），与主轴上的大齿轮（Z=96 大齿轮 ）相啮合，主轴下方接钻柱。 TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减 速装置，减速比5.331。 主轴 （5）主轴：即水龙头的中心管。
第一台顶驱由美国Varco公司
研制（ 82年问世）。
后来，法国、挪威、加拿大、 中国相继研制了顶驱。
5．驱动型式有两种 （1）液马达驱动 （2）电动机驱动 ①AC-SCR-DC顶驱动 ②AC变频f顶驱
(80年代广泛用) (90年代后使用)
顶部驱动
液压顶驱
电动顶驱
直流顶驱
变频顶驱
交流感应变频顶驱
永磁变频顶驱
图4-7 马达支架和导向滑车总成
（5）钻杆上卸扣操作机械化。
（6）立根钻进，提高取岩心质量。
整体式水 龙头提环
三、顶驱系统组成
组成:水龙头-钻井马达总成、 导轨导向滑车总成、上卸扣装置 仅动力有别： 液马达顶驱—液马达；
水龙头
平衡 油缸 气刹车
轴承
直流 马达
AC-SCR-DC顶驱—DC电机；
AC变频顶驱—AC电机。 1.水龙头-钻井马达总成
Clamp 卡箍
Bolts 螺钉 Seal Ring Wing Nut
顶驱钻井平台毕业设计
毕业设计姓名：杨青课题：顶驱钻机的构设计指导教师：饶美丽专业：机电一体化日期：2010年11月19日顶驱钻井的结构设计摘要20多年来世界上蓬勃发展的顶部驱动钻井装置，实现了钻机现代化的历史跨越。
介绍了顶部驱动钻机的中提技术，描述了顶部驱动的结构和功能。
对其主要的技术参数，结构和工作性能等做出了详细的介绍。
致命了它在钻井，修井方面的广阔应用前景。
关键词：钻井，钻机，顶部驱动，原理，结构TOP DRIVE RIG STRUCTUREDESIGINGABSTRACRFor more than 20 years of world booming top drive drilling rig device, have realized modernization a historical leap. Introduces top drive rig advice, describes the top drive technology of structure and function. Its main technical parameters, structure and working performance and so make were introduced in detail. Deadly it up on the drilling and workover aspects, broad application prospect.KEY WORDS:Drilling, the drill, top drive, principle, structure前言近20年来，世界上发展起来的顶部驱动钻井转转显著提高了组阿宁作业能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。
目前在世界上不少国家的上千台大，中型钻机上，将它用于钻中深井（2000-4500M）,深井（4500-6000M），超深井（6000-9000M）的日益增多。
北京石油机械厂 顶驱
DQ70BSC 顶部驱动钻井装置 7000(114mm钻杆)ຫໍສະໝຸດ DQ50BC 顶部驱动钻井装置
5000(114mm钻杆)
DQ40BC 顶部驱动钻井装置
4000(114mm钻杆)
DQ40Y 顶部驱动钻井装置
4000(114mm钻杆)
2000 6750 9000 6750 4500 4500 3150 2250 2250
87～187(2 7/8～5 1/2钻杆)
60
87～187(2 7/8～5 1/2钻杆)
50
87～187(2 7/8～5 1/2钻杆)
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一次可钻进28m长一个立根，上卸扣时间减少了三分之二； 在起钻时若遇阻遇卡可迅速接上钻具，一边旋转，一边循环泥 浆； 进行倒划眼和下钻划眼，大范围活动钻具，减少了卡钻事故； 由于有遥控的内防喷控制机构，井控安全； 在额定扭矩下连续堵转运行； 单双电机运行切换简单； 技术参数设置合理，自动化程度高，程序运行可靠。
最大载荷(kN)：9000 转速范围(r/min)：0～200 工作扭矩(连续)(kNm)： 85(0～100r/min) 最大卸扣扭矩(kNm)： 135 背钳夹持范围(mm)：87～250(2 7/8～6 5/8钻杆)
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《顶驱钻井系统》课件
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 。
72、顶驱性能试验台的设计(定稿)
顶驱性能试验台的设计中国石油集团钻井工程技术研究院钻井机械研究所马青芳摘要：从顶驱的使用工况入手，确定了试验台的基本要求和技术指标，利用电磁涡流测功机的高速特性和磁粉刹车的低速特性，采用电磁涡流测功机和磁粉刹车联合加载和手动自动两种加载控制方式，达到了完整的顶驱输出功率特性和输出扭矩特性的测试目的，编制了相应的软件利用工控机进行测试显示、数据采集和处理。
经使用证明，该试验台性能稳定，操作方便，很好地满足了顶驱性能测试的要求。
关键词：顶驱，性能试验台，输出功率特性，输出扭矩特性，数据采集和处理一、前言顶部驱动钻井装置（简称顶驱）是用以取代转盘地面驱动装置的新型石油钻井装备,由于它显著提高了钻井作业的能力和效率，被誉为近代钻井装备的三大技术成果之一。
顶驱不仅可接入立根钻进，节约钻井时间，而且还配备了管子处理装置、内防喷阀等，使钻杆上卸扣操作机械化，在起钻时可以迅速接上钻具，边旋转边循环，提高了安全性。
由于顶部驱动钻井装置对钻井技术的巨大影响，已成为深井、复杂井钻井作业的必配设备之一和21世纪钻井机械的发展方向。
顶驱输出功率特性和输出扭矩特性试验是顶驱重要的试验内容之一。
作为旋转驱动装置，顶驱的输出功率特性和输出扭矩特性直接决定了顶驱钻进性能的好坏，由于顶驱中配置的管子处理装置，可以直接进行钻杆柱的上卸扣操作，顶驱的低转速输出扭矩特性则直接决定了其上卸扣能力。
可见，无论钻进、上卸扣和旋扣，均与顶驱的输出功率特性和输出扭矩特性直接相关，为了很好地检测顶驱输出特性，便于顶驱产业化的顺利实施，特研制了顶驱性能试验台。
二、顶驱性能试验台的基本要求和技术指标的确定为了达到试验台的完善性、先进性和可靠性，确定该试验台的基本要求如下：（1）测试系统要稳定可靠，满足扭矩及功率测试要求；（2）测试精度≦0.4％，加载转速和扭矩波动≦1％，微机采集精度不低于0.2级；（3）状态检测应包括所有部件及冷却系统的状态检测和报警；（4）具有安全防护系统，漏电保护，工作异常情况下的报警和自动停机；（5）控制系统应包括加载装置控制，电机控制和各项保护控制；（6）显示包括被测系统的扭矩转速和功率显示，加载系统运行状态监控，故障显示和运行状态显示；（7）由工控机进行数据信号的采集、记录、处理和输出。
顶驱介绍机械部分
本体
导轨
液压源
DQ70BS顶驱装置
电控系统
中国石油
阀组 热交换器
电机
减速箱
电机冷却系统 刹车装置 提环 冲管总成 管线支座
动力水龙头
中国石油
旋转头 IBOP
环形背钳
倾斜机构 导入环
吊卡 管子处理装置（环形背钳）
中国石油
旋转头
IBOP
侧开背钳
倾斜机构 导入环
吊卡 管子处理装置（侧挂背钳）
按国际化运作模式制造北石顶驱
中国石油
中国智慧 加全球最佳资源
打造北石顶驱
中国石油
北石顶驱技术特点
中国石油
北石顶驱型号说明
DQ
70 BS H/C
背钳样式 H：环形背钳 C：侧挂式背钳
驱动方式：
B： 交流变频驱动 BS：交流变频驱动、双电机 Y： 液压驱动
名义钻深（7000m/4500kN) 顶部驱动钻井装置（DingQu）
• 采用PLC可编程控制器进行全面智能控制，具有安全 互锁、监控等多项功能，保证系统工作安全可靠；
• 采用先进的ProfiBus现场总线控制技术，光缆传输， 安装维护简单，可靠性高，抗干扰能力强；
• 配置工控计算机，可以对运行参数、报警信息等进行 监测和记录，同时具有自诊断功能，配合WINCC系统 可快速查找故障。
螺栓
套筒
曲柄
盖板
螺栓
遥控内防喷器控制机构侧挂式背钳用
中国石油
倾斜机构
由倾斜油缸推动吊环吊卡作两个方向 的运动，可实现前倾、后摆，并具有自动 复位功能使吊环吊卡自动复位到中位。前 倾可伸向鼠洞或二层台抓放钻杆；后摆的 作用是使吊卡回位，最大后倾时使吊卡离 钻台面更远，可充分利用钻柱进行钻进。 前倾角度为30°，后倾角度为50°。摆动 的水平距离与吊环长度有关。
钻井装备顶部驱动的先进控制技术
顶部驱动钻井装置是集机电液一体化的钻井设备，结构相对复杂，控制技术相对集中。
衡量顶部驱动钻井装备性能的一项重要指标就是其对于扭矩及转速的控制。
本文从顶驱的基本装备特点出发主要介绍了两种应用于顶驱控制的先进技术。
从中我们可以看到控制技术的创新及应用对于顶部驱动钻井装置的安全运行和制造服务有着重大的意义[1]。
1 顶部驱动钻井装置顶部驱动钻井系统按照其动力源的不同基本可以分为三大类，第一类是全液压驱动的（如Maritime Hydraulics 公司的产品），驱动主轴旋转的动力源是液压能；第二类是直流电驱动的（如美国Varco公司的产品），驱动主轴旋转的动力源是直流电，直流电源是来自电动钻机的AC-SCR系统；第三类是交流电驱动的（如挪威的DDM型），驱动主轴旋转的动力源是交流电，调速利用AC/AC变频技术。
自从1982年第一台顶部驱动装置问世，经过不断地改进和开发，顶驱装置已经在多种海洋和陆地钻机上得到了推广和应用[2]。
顶部驱动钻井装置主要由三部分组成，分别是导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。
实践表明，该系统可节省20%～25%的钻井时间，并且可以有效预防卡钻事故的发生，将其用于钻斜井、高难度定向井时，经济效果尤为显著[3]。
1.1 顶部驱动钻井装置的发展历程（1）美国Varco公司是最早研究开发顶驱系统的公司之一，从第一代TDS-3S发展到至今的最新一代产品TDS-SA系列型顶驱装置，采用双电机控制技术，装置体积较小、结构紧凑，可以在43m井架上安装运行，提升可达4500kN[4]。
（2）加拿大Canrig公司既生产交流变频电驱动顶驱系统，又生产直流变频电驱动顶驱系统。
其生产的6027E、8035E、1050E、1165E等4种规格顶驱装置为单速传动，此外还生产6027E-2SP、1050E-2SP、1165E-2SP型等3 格双速传动顶驱装置（全部采用交流变频电驱动型式）[5]。
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顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计
摘要：从顶部驱动钻井装置的使用工况人手，确定了试验台的基本要求．利用电磁涡流测功机的高速特性和磁粉刹车的低速特性，采用电磁涡流测功机和磁粉刹车联合加载和手动自动2种加载控制方式，达到了完整的顶驱输出功率特性和输出转矩特性的测试目的．经使用证明，该试验台性能稳定，操作方便，很好地满足了顶驱性能测试的要求。
关键词：顶驱；性能试验台；输出功率特性；输出转矩特性；数据采集相处理
顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接决定了顶驱钻进性能的好坏，因此是顶驱重要的试验内容之一。
由于顶驱中配置的管子处理装置可以直接进行钻杆柱的上卸扣操作，顶驱的低转速输出转矩特性则直接决定了其上卸扣能力。
无论钻进、上卸扣和旋扣，均与顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接相关[1-2]。
顶驱性能试验台的研制能够很好地检测顶驱输出特性，便于顶驱很好的使用。
1 基本要求
1) 测试系统要稳定可靠，满足转矩及功率测试要求。
2) 测试误差不大于0.4％，加载转速和转矩波动不大于2％，微机采集精度不低于0.2级。
3) 状态检测应包括所有部件及冷却系统的状态检测和报警。
4) 具有安全防护系统、漏电保护，及工作异常情况下的报警和自动停机。
5) 控制系统应包括加载装置控制、电机控制和各项保护控制。
6) 显示包括被测系统的转矩转速和功率显示，加栽系统运行状态监控，故障显示和运行状态显示。
7) 由工控机进行数据信号的采集、记录、处理和输出。
2 结构及工作原理
整个试验装置包括加载系统、控制系统、测试显示、数据采集和处理系统。
2.1 加载系统
加载系统由增速传动箱、转矩转速传感器、电磁涡流测功机、离合器、磁粉刹车以及联轴器等组成。
根据各个工况的不同可知，顶驱不仅输出轴转速范围大、转矩高，甚至包括零转速下的转矩输出测量，由此增加了加载系统的设计难度。
目前，检测系统较为先进的加载方式有水力测功机、电磁涡流测功机和发电机组电力反馈3种。
根据不同的加载方式，确定的加载方案如图1所示。
电磁涡流测功机是利用涡流损耗原理来进行加载工作的，它较适合作为较高转速下的加载装置。
而磁粉刹车的工作原理是，当线圈通电时产生磁场，磁场使磁粉极化，在定子与转子之间产生阻力。
这个阻力的大小与磁场强度有关，与速度无关，当零转速时，可以产生最大制动力矩；但随着转速的增加，磁粉温度升高，则会造成磁粉的磁力下降，所以磁粉刹车适宜于低转速或零转速下的加载，不应在高转速时使用。
考虑到电磁混流测功机和磁粉刹车2种加载装置的特性互补，在设计试验台过程中，借助电磁涡流测功机良好的高转速性能，实现高转速时的加载；利用磁粉刹车的低转速制动特性，实现低转速时的加载，从而实现完整的加载过程。
为了在高转速时使磁粉刹车与其他加载部分脱离，在磁粉刹车与电磁涡流测功机之间设置了1台离合器，并安装了位置检测装置，提供位置检测信号，用于在离合器未脱开情况下与电机驱动互锁，以保护磁粉刹车的使用寿命。
由于顶驱输出轴速度低(0～300 r/min)，转矩大(连续转矩100 kN·m)，且为垂直输出，为了成功实现加载，在性能试验加载装置的始端增设了1台1︰10的增速角传动箱，一方面将垂直输入转成水平传动，另一方面使转速范围变宽，更充分地利用电磁涡流测功机和磁粉刹车的制动特性。
通过转矩转速传感器实时地测量出施加的转矩及转速，并传输给数据采集计算机。
但由于不是直接测量顶驱输出轴转速和转矩参数，因此需要数据采集处理系统根据增速箱的效率曲线作实时修正，以得到实际的输出特性。
为了保证电磁涡流测功机和磁粉刹车的正常使用，在系统中还设计了水冷却系统，以满足试验装置的冷却要求。
加载系统可以实现正转和反转加载，以及在运转过程中加载和卸载，加载方式可以手动加载，也可以自动加载。
对于变频电机驱动顶驱，自动加载程序如图2所示。
2.2 控制系统及测试显示、数据采集和处理系统
控制系统包括电磁涡流测功机控制、磁粉刹车控制、离合器控制及各项保护控制。
测试显示、数据采集和处理系统由测试显示模块和数据采集与处理模块组成。
测试显示模块显示被测系统的转距转速和功率；监控加载测功系统运行状态、故障显示、保护状态显示以及设定数据；数据采集与处理模块利用PC机进行试验数据的采集、记录、处理和输出。
需测试的输入电流、电压，增速传动箱输出轴转速、转矩，各设备轴承部位温度、冷却
液进出口温度，增速箱润滑系统工作状态等参数由相应的传感器
检测，检测到的信号传输到各自的二次仪表进行显示，并通过相应的接口电路传输到工控机进行显示和处理。
由于利用工控机进行数据信号的采集和处理，与普通的测试系统相比，对操作软件存在一定的依赖性，数据的采集、处理、显示和试验曲线、试验报告的输出均在软件的支持下完成。
针对该试验装置，开发了计算机数据自动采集处理软件系统，界面为WIN图形界面，美观大方，系统稳定性和兼容性好，操作简单、方便。
3 结语
该试验装置可以应用于顶驱的性能试验和大修后检验，能很好地满足顶驱的性能检测要求，实现计算机进行数据信号的采集相处理。
该系统性能稳定，操作使用简单方便，不仅保证了顶驱的整机性能，而且为顶驱正常工作奠定了基础。
参考文献：
[1] 梁政，张力文，蒋发光，等.顶驱下套管驱动工具现状与发展建议[J].石油矿场机械，2013，42(1)：1-5.
[2] 于桂杰，殷有财，肖文生.顶驱钻井柔性钻柱动力学特性分析[J].石油矿场机械，2011，40(4)：1-5.。