顶驱钻机的结构设计
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。
顶驱的机械构成
顶驱钻井系统的基本构成: 顶驱钻井系统的主要由电机部分和水龙头总成、管子处理器装置、滑架及导轨、司钻操作箱和变频房等组成。
一、电机部分和水龙头总成：该总成由以下部件组成，变速箱和水龙头部分，钻井电机和制动器变速箱和水龙头总成由以下组成：罩体、本体和传动箱、电机小齿轮（2）--34齿、复式齿轮（2）--63╳18齿、大齿轮--102齿、主轴、整体式水龙头总成、润滑系统。
双级减速的单速斜齿轮传动可以提供由电机到主驱动轴的10.5:1的传动比。
本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主轴承和径向轴承罩在其中。
齿轮箱盖体盖住上调节轴承并支撑交流电机和电机罩。
如下图所示：传动/水龙头总成34齿电机齿轮63╳18齿复式齿轮102齿大齿轮传动/水龙头总成主轴二、管子处理装置：该装置主要由以下部件组成：旋转头、吊环倾斜装置、遥控式上旋塞、背钳、反扭矩架等。
如下图：三、滑架及导轨：顶驱钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑动架沿悬立式导轨游动。
导轨悬挂在天车，并一直延伸到距钻台2.1米左右处。
在此，与安装在井架下部的扭矩反作用梁。
钻井扭矩通过滑动架作用到导轨上。
导轨各段用销子固定在一起，可在钻台上把各段连起，然后用绞车将导轨吊起与天车相连。
四、司钻操作箱：司钻可以通过该面板实现钻井过程中各种工况下（钻进、起下钻、倒划眼、处理事故等）的各种功能，此司钻操作箱均为按钮或旋钮式设计，操作方便、简捷。
安装在电动钻机的司空房内，具体外观如下图：钻井扭矩设定钻井/旋扣/扭矩转速手轮正转/关/反转上扣扭矩设定紧急制动转速表扭矩表液压泵自动/开刹车控制液动旋塞控制管子处理器控制五、变频房，变频房主要是为顶驱装置提供动力和进行各种控制的常场所，在其内部实现整流、变频和控制。
通常安装在井队发电房的附近，以方便获得动力。
顶驱解体图 ppt课件
o.新旧油封耐磨套对比。
32
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
新下轴承及耐磨套
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
p.行星齿轮轴承及轴。
零件号：105796 A 3个
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
刹车片
q.刹车及刹车盘。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
931平台送回待修的顶驱
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
着陆套（承载环）
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
中心衬管与冲管连接处
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
电磁阀组：上 控制机械手， 下控制盘刹
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
修
复
后
顶
驱
英
姿
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PPT课件
13
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
。
g.新旧轴封对比，唇边有明显磨损。 零件号：17444-LUPW。 两个
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PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
e.主止推轴承。
零件号:TIMKENO T112O K USA DH
f.下轴承。
5238-WM R6TORRINGTON USA
23
PPT课件
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
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。
石油工程机装备第四章顶驱钻井系统(新版11)2
如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端与游车（当不用 大钩时）连接，下端直接固定在水龙头提环上（参见图414）。
26
（4）平衡液压回路工作原理
该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压系统来
补油保压，不必单独加油泵。
平衡系统液压回路如图4-16所示。
上连大钩
导轨分段
连接 板 TDS-11SA 安装完毕的 导轨
万能平衡 横梁
19
Varco顶驱标准井厂 安装布置示意图
顶驱－变频房电缆长
321英尺，变频房－井
队电源电缆长100英尺
，保证变频房能够置于安
200英尺司钻房电缆
全区，且电缆沿井架固定
，无需悬空。
6x1 100‘英尺 跳接电缆 646MCM
3 x 100’ 电源电缆 646MCM
图4-11为吊环联接器。 作用:可由图4-8看出，它 通过吊环将下部吊卡与主 轴相连。
主轴穿过齿轮箱壳体， 又同整体水龙头相接。
旋转头 吊环联 接器
限扭器
图4-11 吊环联结及限扭器总成 9
旋转头 主轴 吊环倾 斜机构
扭矩 扳手 吊环
限扭器 吊环联 接器
吊环 吊卡
10
（4）吊环倾斜器
图4-12、图4-8所示
图4-13 650t旋转头总成
12
国产回转头
背钳装置、内防喷器 操纵机构、倾斜机构、 吊环吊卡是为起下钻 作业服务的，独立于 主轴运动。
回转头带动上卸扣装 置一起作顺时针、逆 时针转动，以便适应 抓取单根、接立根的 方位。
时代
回转头靠液马达带动齿轮 转动，由调速阀调节4～ 8r/min。
13
顶驱结构及原理课件
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱保养
v 每日检查机械手油柜的油位，不足时补充N32抗磨液压油顶 驱C:\Documents and Settings\Administrator\桌面 \DSC09328.jpg
v 每日在运转情况下检查机械手泵站滤器的工作情况，当阻滤 表的指示超过绿限时，即更换回油滤器。
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱操作
v7、使用管子处理器时，在油泵运转情况下，先搬动顶驱上的阀手柄选 择进行上扣或卸扣， 确认各液压缸在正确位置，按动按钮直到上、卸扣 整个动作完成，松开按钮液压缸自动复位，在完全复位后方可进行重复 动作。 v8、使用摆臂时，提醒其它人员，拨动按钮气囊充气，吊臂摆出；拨回 按钮气囊放气，吊臂靠重力回位。 v9、运转时应随时注意检查 v1)、各个螺栓紧固情况。 v2）、顶驱水龙带、冲管、由壬接头有否泄漏，刺裂情况。 v3）、检查液压泵、气源压力是否正常。 v4）、检查顶驱各部分振动情况。 v5）、润滑油、液压油、气管线是否泄漏，油温是否正常。 v6）、注意倾听顶驱工作时的声响有无异常。 v7）、检查上下考克是否在正确位置使用，开关是否灵敏。 v8）、检查润滑油泵的运行情况。
a.上IBOP安全阀 b.下IBOP安全阀
顶驱结构及原理
顶驱结构及原理
顶驱结构
c.保护、转换及隔离接头。 3、安全阀驱动器 4、扭矩钳 5、倾斜吊环装置 管子处理装置向IDS钻井系统提供了两项基本功能; 1)起下93英尺长的钻杆立柱。 2)为在井架任何高度上连接和断开钻柱提供了高达
60000ft-lbs 的扭矩 管子处理装置能配成与各种钻杆接头连接。它包括一整体吊卡和VACRO专 用扭矩钳，还包括一安全阀遥控器和倾斜吊环驱动器。不使用时，保持静 止钻柱可以自由通过。起下钻和进行井下作业时，管子处理装置能自由旋 转360度，模拟标准大钩的作用。
顶部驱动钻井装置简介
顶部驱动钻井装置简介目录•顶部驱动钻井装置概述•顶部驱动钻井装置结构组成•顶部驱动钻井装置工作原理与性能特点•顶部驱动钻井装置安装与调试•顶部驱动钻井装置操作与维护保养•顶部驱动钻井装置在石油工程中的应用实例01顶部驱动钻井装置概述定义与基本原理定义顶部驱动钻井装置，简称顶驱，是一种直接安装在钻柱顶端，能够旋转钻柱并施加扭矩的钻井设备。
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。
应用领域与市场需求应用领域顶驱主要应用于石油、天然气、地热等领域的钻井作业中。
它可以提高钻井效率、降低钻井成本、减少井下事故等。
市场需求随着全球能源需求的不断增长和非常规油气资源的开发，顶驱市场需求将持续增长。
同时，随着环保要求的提高和技术的进步，市场对顶驱的性能、可靠性、安全性等方面也提出了更高的要求。
02顶部驱动钻井装置结构组成提供驱动力，驱动传动系统工作。
柴油机或电动机液压泵站冷却系统为控制系统和辅助系统提供液压动力。
对动力系统进行冷却，确保其在高温环境下正常工作。
030201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。
变速箱实现传动系统与动力系统的连接与断开，方便操作和维护。
离合器将动力传递给钻井装置的其他部分，如转盘、绞车等。
传动轴主控制器对整个顶部驱动钻井装置进行集中控制，实现自动化操作。
传感器监测钻井装置的工作状态，如转速、扭矩、温度等，并将数据传输给主控制器。
执行器根据主控制器的指令，控制传动系统、辅助系统等的工作。
顶部驱动钻井系统课件
9、便于维修。钻井马达清晰可见。熟练的现场人员约12小时就能 将其组装和拆卸。
10、使用常规的水龙头部件。顶部驱动装置可使用650吨常规水龙 头的一些部件，特殊设计后维修难度没有增加。
11、下套管。顶部驱动钻井装置的提升能力很大（650吨），在套 管和主轴之间加一个转换头（大小头）就可以在套管中进行压力循 环。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得 到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇 上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限 制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的 强度，降低了安全系数。
二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在 相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期 出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连 接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。
该系统是当前钻井设 备自动化发展更新的突 出阶段成果之一。经实 践证明：这种系统可节 省钻井时间20%到30%， 并可预防卡钻事故，用 于钻高难度的定向井时 经济效果尤为显著。
顶部驱动钻井系统
二、顶部驱动系统的研制过程：
1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。
二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方 法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油 井是用旋转法钻井打成的。
顶部驱动钻井系统
20世纪80年代，美国首先研 制了顶部驱动钻井系统TDS-3S 投入石油钻井的生产。80年代 末期新式高扭矩马达的出现为 顶驱注入了新的血液和活力。 TDS—3H、TDS—4应运而生， 直至后来的TDS-3SB、TDS4SB、TDS-6SB。
《顶驱钻井系统》课件
市场拓展计划
拓展目标：扩大顶驱钻 井系统市场份额，提高 市场占有率
拓展策略：加强技术研 发，提高产品性能和质 量；加强市场营销，提 高品牌知名度和美誉度
拓展重点：加强与国内 外石油公司的合作，开 拓海外市场；加强与科 研院所的合作，推动技 术进步
拓展保障：加强人才培 养和引进，提高团队素 质和创新能力；加强资 金投入，保障研发和市 场营销的顺利进行
井效率
应用范围：适 用于不同井深、 不同地层条件
的钻井作业
钻柱加压系统工作原理
钻柱加压系统组成：包括钻柱、加压装置、动力系统等 工作原理：通过加压装置对钻柱施加压力，使钻头能够破碎岩石并实现钻进 动力系统：为加压装置提供动力，确保其正常工作 特点：能够实现连续钻进，提高钻井效率和质量
控制系统工作原理
《顶驱钻井系统》PPT课件
汇报人：PPT
单击输入目录标题 顶驱钻井系统概述 顶驱钻井系统组成 顶驱钻井系统工作原理 顶驱钻井系统特点与优势
顶驱钻井系统应用领域与案例分析
添加章节标题
顶驱钻井系统概述
定义与作用
顶驱钻井系统的 定义
顶驱钻井系统的 作用
顶驱钻井系统的 组成
顶驱钻井系统的 特点
发展历程与现状
控制系统组成： 包括主控系统、 监控系统、动
力系统等
控制方式：手 动控制、半自 动控制和全自
动控制
控制功能：控 制钻机的起下 钻、旋转、循
环等动作
控制系统特点： 自动化程度高， 操作简便，安
全可靠
顶驱钻井系统工作原理
顶部驱动装置工作原理
顶部驱动装置 组成：马达、 减速箱、轴承、
密封件等
工作原理：马 达驱动减速箱， 减速箱驱动钻 杆旋转，实现
顶部驱动钻井系统
三、顶驱装置主体结构
3、钻井液循环通道
鹅颈管总成
冲管总成 内防喷器 保护接头 放松装置
三、顶驱装置主体结构
3、钻井液循环通道
鹅颈管总成
冲管总成 内防喷器 保护接头 放松装置
三、顶驱装置主体结构
3、钻井液循环通道
鹅颈管总成
冲管总成 内防喷器 保护接头 放松装置
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成
平衡系统 电机总成 减速箱总成
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成
平衡系统 电机总成 减速箱总成
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成
平衡系统 电机总成 减速箱总成
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成
平衡系统 电机总成 减速箱总成
水龙头独立结构 （液压）
2、Varco公司电驱动顶驱
一体化水龙头顶驱
电机冷却系统 平衡系统
提环
交流钻井电机 (2)
鹅颈管
2、Varco公司顶驱
齿轮箱
冲管总成 旋转头
分段式导轨
PH-50 管子处理器
冷却电机 (2) 风道 (2) 盘刹 (2) 400 hp交流电机(2)
提环
鹅颈管 支架
冲管总成 10.5 : 1传速比
●上位机实时监控，具有互 锁、自诊断、自保护功能 ●主体提升系统采用双负荷 通道 ●采用内套插入式结构
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成 平衡系统 电机总成
减速箱总成
三、顶驱装置主体结构
1、动力水龙头
提环总成
平衡系统 电机总成 减速箱总成
三、顶驱装置主体结构
顶驱钻机介绍
扭矩管、平衡系统、 4、 扭矩管、平衡系统、冷却系统 扭矩管也称导轨， 扭矩管也称导轨，为顶驱提供了上下 滑动的导轨，起扶正作用， 滑动的导轨，起扶正作用，便于接立柱时 对扣和下套管时对套管扶正， 对扣和下套管时对套管扶正，同时用来抵 消钻井过程中钻具旋转的反扭矩， 消钻井过程中钻具旋转的反扭矩，即将反 扭矩传到井架底座上，而不传给井架。 扭矩传到井架底座上，而不传给井架。平 衡系统采用双液压平衡液缸， 衡系统采用双液压平衡液缸，其作用类似 于大钩弹簧。冷却系统由鼓风机、 于大钩弹簧。冷却系统由鼓风机、交流电 动机、导管组成， 动机、导管组成，向钻井电动机提供冷却 空气。 空气。
第二节
顶驱钻机
（Top Drive Drilling System ）
一、概述 顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革 (液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等)之一。自 液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等)之一。 1981年12月美国Varco公司研制的顶部驱动系统 简称TDS TDS、 1981年12月美国Varco公司研制的顶部驱动系统 (简称TDS、 月美国Varco 顶驱)投人使用以来， 顶驱)投人使用以来，顶驱逐渐被世界各国石油钻井界所 采用。目前，浅海上钻井船或平台，几乎全部装备了顶驱， 采用。目前，浅海上钻井船或平台，几乎全部装备了顶驱， 陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱，继美国Varco公 陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱，继美国Varco公 Varco 司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司 法国的ACB 公司、 ACB司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司、法国的ACBBretbr公司和TRITEN公司、美国的National-Oilwell公司、 Bretbr公司和TRITEN公司、美国的National-Oilwell公司、 公司和TRITEN公司 National 公司 加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。 加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。 CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱
钻井系统-顶驱结构
TDSTDS-8S (AC)
S
（1）液控扭矩扳手 用处：卸扣 卸扣。 用处 卸扣 原理：由液缸驱动 由液缸驱动横向夹 原理 由液缸驱动横向夹 紧活塞夹紧钻杆母接头 夹紧钻杆母接头， 紧活塞 夹紧钻杆母接头 ， 两 个转矩液缸驱驱动扭矩筒完 成卸扣操作。 成卸扣操作。 （扭矩扳手上卸扣期间， 上升扭矩管使母花键同上部 上升 公花键相啃合，为液缸提供 反扭矩。） 转动保护接头及主轴松扣 转动保护接头及主轴松扣 然后启动钻井马达旋扣 旋扣。 ， 然后启动钻井马达 旋扣 。 （扭矩液缸84kN-m；可旋转 25°。）结合图 结合图4-10分析。 分析。 结合图 分析
顶驱钻井系统 一、概述 顶驱钻井系统（ 顶驱钻井系统（Top Drive Drilling System） ） 简称顶驱系统（ 简称顶驱系统（Top Drive System-TDS）。 ） 1. 什么是顶部驱动钻井装置 顶驱：从井架空间上部直接旋转钻柱， 沿井架内导轨 从井架空间上部直接旋转钻柱， 从井架空间上部直接旋转钻柱 向下送进，完成钻进，循环钻井液，接立根， 向下送进，完成钻进， 循环钻井液，接立根， 上卸扣等 多种钻井操作，参见图4-1。 多种钻井操作 由三大部分组成 三大部分组成 三大部分组成： 水龙头一马达总成、导向滑车总成、 钻杆上卸扣总成。 水龙头一马达总成、导向滑车总成、 钻杆上卸扣总成。
（5）旋转头总成 ） 旋转头总成如图 4-13。 当钻杆上卸扣装 置在起钻中随钻柱 部件旋转时，旋转 头可自由旋转。 头可自由旋转。 图4-13 650t旋转头总成 旋转头总成
p
4. 平衡系统 平衡系统总成 如图4-14所示。 主要对上卸扣 起伸缩作用。 起伸缩作用。 防止上卸接头 扣时螺纹的损坏 ；在卸扣时可帮 助公扣接头从母 扣接头中弹出， 类似于大钩的 152mm的减震冲 减震冲 程。
第四节 顶驱钻机
图6.4.5 动力及水龙头总成
2. 导轨总成 作用：对游车和顶驱起导向及承 受反扭矩作用。 结构组成： ①导轨：装在井架内 ②导向滑车：由底座和框架组 成。
导向滑车 导轨
图6.4.6导轨总成
3. 管子处理装置 作用： 上卸钻具扣、防喷控制、移动钻 柱。 结构组成： 由旋转头倾斜机构、内防喷器、 背钳、导入环、吊卡等组成。 特点： 扭矩钳在液压作用下，可在任何 时候、任何位置完成上卸扣作业。内 防喷器控制阀在停泵情况下，可操作 机械臂任意开关，这既可节约钻井液 又可实施井控。 图6.4.7 管子处理装置总成
第四节
顶驱钻机
一、概述
1. 什么是顶部驱动钻井装置 在钻柱上端直接驱动钻柱旋转钻进、循环泥浆、接立根、上卸扣、井控 等多种钻井操作的多功能钻井装备，称为顶部驱动钻井系统（Top Drive Drilling System，缩写为：TDS） ,简称顶驱。 顶部驱动系统是20世纪80 年代发展起来的钻井装置，是钻机的三大技 术进步之一。目前，海上钻井船或平台，全部装备了顶驱，陆地石油钻机也 越来越多地装备了顶驱。继美国、挪威、法国加拿大之后我国已拥有具有自 主知识产权的顶驱。
2.复杂情况时的操作比较（图6.4.8 ） 采用方钻杆与转盘时，就得卸掉一到两个单根，接方钻杆划眼，每次 只能划一个单根。在大位移井接单根划眼，卡钻、鳖泵的危险性较大，特 别在上提遇卡和下放遇阻时，很难接方钻杆循环。 使用顶驱，在任何时间、任何位置立即用在钻柱上的动力水龙头进行 旋转钻具循环钻井液，大大减少了卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可 迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段。导轨总成起扶正作 用，保证下套管作业中套管居中。顶驱内防喷阀及其执行机构，在发现井 涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。
顶驱钻机的结构设计
高等教育自学考试毕业设计（论文）题目顶驱钻机的结构设计专业班级09级机电一体化工程姓名指导教师姓名、职称高级工程所属助学单位2011年 4月1 日目录1 绪论 (1)1．1顶驱钻机的发展和简介 (1)2 顶驱装置 (1)2．1 顶驱装置的概述 (1)2．2 顶驱装置的特点 (3)2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点 (3)2．3．1 顶部驱动钻井装置构成 (4)2．3．2 顶部驱动钻井装的性能特点 (4)2．4 顶驱装置的结构 (5)3 钻机 (6)3．1 钻机的概述 (6)3．2 钻机主要技术要求 (7)3．3 影响钻进的因素 (8)4 顶驱钻机虚拟样机技术研究 (8)4．1 总体方案设计系统 (8)4．2 虚拟样机TDS—VPS的功能模型 (9)4．2．1 虚拟造型系统 (9)4．2．2 顶驱钻机仿真分析设计 (10)4．3 顶驱虚拟样机TDS—VPS的关键技术 (11)4．3．1 数字化表达方式 (11)4．3．2 虚拟性能评估 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)摘要钻机在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等；钻机在矿山开凿中，常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等；钻机在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。
本文通过介绍顶驱钻机，根据机械振动理论,得出系统的运动微分方程,并针对研制的实际情况,合理的确定了顶驱系统的振幅、激振频率、激振力、偏心力矩等主要参数。
根据顶驱的振动过程,进行动力学分析,在此基础上建立虚拟样机,得到了箱体质心位置、偏心块质心位置以及激振力等随时间变化的参数曲线,实现了对顶驱系统虚拟样机的动力学仿真分析。
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高等教育自学考试毕业设计（论文）题目顶驱钻机的结构设计专业班级09级机电一体化工程姓名指导教师姓名、职称高级工程所属助学单位2011年 4月1 日目录1 绪论 (1)1．1顶驱钻机的发展和简介 (1)2 顶驱装置 (1)2．1 顶驱装置的概述 (1)2．2 顶驱装置的特点 (3)2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点 (3)2．3．1 顶部驱动钻井装置构成 (4)2．3．2 顶部驱动钻井装的性能特点 (4)2．4 顶驱装置的结构 (5)3 钻机 (6)3．1 钻机的概述 (6)3．2 钻机主要技术要求 (7)3．3 影响钻进的因素 (8)4 顶驱钻机虚拟样机技术研究 (8)4．1 总体方案设计系统 (8)4．2 虚拟样机TDS—VPS的功能模型 (9)4．2．1 虚拟造型系统 (9)4．2．2 顶驱钻机仿真分析设计 (10)4．3 顶驱虚拟样机TDS—VPS的关键技术 (11)4．3．1 数字化表达方式 (11)4．3．2 虚拟性能评估 (12)结论 (13)致谢 (14)参考文献 (15)摘要钻机在矿床普查勘探中,特别是有色金属稀有金属等矿床普查勘探中,坑道钻探用于追索矿床,加密勘探勘察地质构造圈定矿体及取样和验证等；钻机在矿山开凿中，常用坑道钻探技术来钻凿地下观测孔、通风孔、排水孔、瓦斯排放孔、注浆孔、爆破孔、锚定孔及开凿坑道的先导孔等；钻机在其他岩土工程施工领域中,坑道钻探的装备和工艺技术可用于坝基的边坡加固地质灾害的治理深基坑的支护,以及工业商业交通军事等方面的地下工程施工。
本文通过介绍顶驱钻机，根据机械振动理论,得出系统的运动微分方程,并针对研制的实际情况,合理的确定了顶驱系统的振幅、激振频率、激振力、偏心力矩等主要参数。
根据顶驱的振动过程,进行动力学分析,在此基础上建立虚拟样机,得到了箱体质心位置、偏心块质心位置以及激振力等随时间变化的参数曲线,实现了对顶驱系统虚拟样机的动力学仿真分析。
应用ANSYS软件对顶驱系统主要承力构件冲锤进行有限元分析,用此分析顶驱系统的设计是否满足使用要求,为研究生产样机提供了理论依据。
同时,钻机进行了空运转实验和生产性实验用以验证顶驱结构设计合理。
关键词：钻机、顶驱结构设计、虚拟样机、动力学仿真分析AbstractCensus exploration drilling of the deposit, especially non-ferrous and rare metals deposits census exploration, drilling tunnels for recourse deposits, geological survey and delineation of encryption ore exploration and sampling and verification; rig drilled in the mine, the common tunnel drilling Ground observation technology to drilling holes, ventilation holes, drain holes, gas discharge hole, grouting holes, blasting holes drilled anchor holes and trenches of the pilot hole, etc drill in other areas of geotechnical engineering, tunnel drilling equipment And technology can be used for the dam foundation Slope control of geological disasters in the deep foundation of support, as well as industrial and commercial transport and military aspects of underground construction.By introducing the top drive drilling rigs, according to mechanical vibration theory, the obtained differential equations of motion, and for the development of the actual situation, the reasonable determination of the top drive system, the amplitude, excitation frequency, the exciting force, eccentric torque, and other major parameters。
According to the vibration of the top drive the process of dynamic analysis, based on this prototype, get a box center of mass position, eccentric, and exciting force centroid position changes with time parameter curves on the top drive system to achieve a virtual Prototype dynamic simulation analysis。
Application of ANSYS software to the top drive system, load-bearing component hammer finite element analysis, using this analysis whether the top drive system design to meet the requirements for the study of the production prototype provides a theoretical basis. Meanwhile, the rig air operation conducted experiments to test and verify the production of top drive structure design.Keywords: drilling rig; top drive design; virtual prototype; dynamic simulation analysis顶驱钻机的结构设计1 绪论1．1顶驱钻机的发展和简介顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革(液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等)之一。
随着机电液一体化的控制技术、变流变频、PLC 程序控制技术的不断发展,以及现代钻井技术要求的不断提高,对顶驱的结构、控制系统功能提出了新的要求。
为了改进钻机顶驱装置的设计,提高钻井能力、可靠性、可操作性和安全性,并对顶驱制造厂家提出建议,以使制造的顶驱能充分满足钻井工艺要求,同时保证顶驱的先进性、经济性和可靠性。
2 顶驱装置2．1 顶驱装置的概述顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。
它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。
该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。
自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。
该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。
它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。
顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。
该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。
它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。
图2．1为顶驱主要部件图。
图2．1 顶驱主要部件图2．2顶驱的特点作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。
同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点：1．节省接单根时间顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。
取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。
2．倒划眼防止卡钻顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。
在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。
3．下钻划眼顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。
使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。
4．人员安全顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。
接单根只需要打背钳。
钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。
5．设备安全顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。
钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。
2．3 顶驱的发展、组成元件、性能特点多年来，石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业的。
近年来，随着钻井装备技术的不断发展，为了更好地满足钻特殊工艺井的需要，20世纪80年代，国外研制出一种将水龙头与马达相结合，在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转，并可沿井架内安放的导轨向下送进的钻井装置，同时配备了钻杆的上、卸丝扣装置，可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起下边转动等操作。
因该装置在钻机的游动滑车之下，驱动的位置比原转盘位置要高，所以称之为顶部驱动钻井装置。