顶部驱动钻井装置培训讲义PPT图文并茂

顶部驱动钻井装置
马青芳
中石油钻井院
2014.09
概述
石油钻机顶部驱动钻井装置，简称“顶驱”。 20世纪80年代出现的一种钻井装备。2003年开始 我国进行商业化生产和应用。 ➢ 可立根接入和钻进，节省时间，减少卡钻危险； ➢ 起下钻遇阻、遇卡时，可在任意位置接钻具，
边旋转边循环，减少卡钻等复杂情况和事故； ➢ 配置双内防喷器可安全控制钻柱内压力，提高
精确控制顶驱主轴旋转旋转方向、圈数、角度； 取代传统的由人工调整或扳转盘作业； 快速、精确调整钻柱工具面和方位角操作。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
工作原理
在司钻台或电控房工控机的 参数录入界面，启用定位控 制，输入主轴所需的旋转圈 数或角度，确认后，顶驱系 统将自动运行，到设定位置 后自动停止。 主轴旋转定位控制的误差在 1°以内。
使用案例：
壳牌四川天然气项目，未启用软扭矩控制系统前，钻井 扭矩在2~10kN.m之间锯齿状波动；启用软扭矩控制系统 后，钻井扭矩在7~9kN.m之间小幅波动，有效减少了井 下扭矩冲击、减缓钻具的磨损、缓解了对电网的冲击。
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
➢ 应用领域：定向钻井 ➢ 基本原理：
➢ 导向钻井滑动控制技术 Sliding Technology
➢ 智能钻机连锁控制接口技术 Rig SCADA Drill Interface Technology
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 ➢粘滑与粘滞卡钻现象
在钻井作业中，顶驱以恒定的转速和扭矩进行钻进时， 但由于地层特性、转速、钻压的变化，井下钻具可能 出现粘滑的现象，随着磨阻增加、近钻头钻具可能出 现旋转缓慢甚至停止，最终导致粘滞卡钻。 钻柱的旋转能量逐渐积累，当这种蓄力足够克服井壁 与钻柱间的磨阻时，便产生释放，钻头与近钻头钻具 将已超过设定值的若干倍进行高速旋转并释放能量， 能量释放后，钻柱平稳运行一段时间后，由反复出现 上述过程。
3. 顶部背钳结构：
径向对夹式背钳、环形背钳、倾摆式背钳的比较：
需要锁紧机构
径向对夹式背钳
•结构简单 •加工容易 •运行可靠 •操ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ安全
无需锁紧机构
环形背钳 倾摆式背钳
顶驱装置新技术
4. 导轨形式和安装方式：
（1）导轨连接采用单销和锁口机构，安装方便。
顶驱装置新技术
4. 导轨形式和安装方式：
（2）折叠式导轨 拆装方便、快捷 由高位一体安装转变为低位分体安装降低了安装 风险
1. 顶部产品系列化：
以前以DQ70为主，配置ZJ70 系列化产品：30，40，50，70，80，90，120
顶驱优点 新技术的应用
顶驱装置新技术
2. 顶驱的驱动形式： ➢ 变频电驱动－液压驱动
重量轻，成本低。
➢ 双变频电机＋齿轮变速箱－变 频电机直接驱动
无机械变速传动机构, 电机直接驱 动主轴钻进。 结构简单，重量轻，故障点少。 减少传动能耗损失。
➢ 自动辨识钻井工况，调整顶驱主轴的转速扭矩输出特性； ➢ 有效减少粘滞的发生、减小井底震动； ➢ 预防因扭矩突变造成的钻具扭断或脱扣； ➢ 在保持转速和钻压的前提下，有效提升破岩速度； ➢ 减少钻柱失效和钻头磨损，延长钻柱和钻头的使用寿命； ➢ 优化井眼轨迹，有效提升作业整体钻速。
顶驱钻井新技术
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术
主要特点：
➢ 地面控制技术，无需附加任何井底设备； ➢ 定向钻井时可以利用主轴旋转定位控制
技术调整钻柱的工具面和方位角，取代 人工调整或扳转盘作业； ➢ 提高方位控制精度，优化井眼轨迹； ➢ 可以不停机连续控制，提升钻井作业的 效率和安全性； ➢ 可与地质导向钻井系统（CGDS）结合使 用，形成闭环连续控制。
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 工作原理：
在顶驱控制系统中增加一个阻尼单元。 顶驱以恒定的转速和扭矩进行输出时， 顶驱本身也成为阻尼元素，当井下扭 矩发生突变时，系统内部的控制器 （速度控制器、扭矩控制器）根据非 线性的处理与运算，得出符合当前工 况的刚度系数和阻尼系数，进而主动 控制顶驱的输出转速，从而实现对扭 矩的自动调节。
顶驱钻井新技术
顶驱装置新技术
3. 顶部背钳结构：
径向对夹式背钳、环形背钳、倾摆式背钳的比较：
径向对夹式背钳
环形背钳
倾摆式背钳
顶驱装置新技术
3. 顶部背钳结构：
径向对夹式背钳、环形背钳、倾摆式背钳的比较：
回转头6个油道
径向对夹式背钳
油道少， 结构简 单，可 靠性好
回转头2个油道
环形背钳 倾摆式背钳
顶驱装置新技术
复杂地层钻进时的安全性； ➢ 采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可定扭矩上
扣，避免上扣扭矩过盈或不足； ➢ 配备管子处理装置，使钻杆上卸扣操作机械化，
安全可靠、快速便捷。
概述
顶驱结构组成：
➢ 顶驱装置本体 ➢ 导轨总成 ➢ 电控房 ➢ 液压源 ➢ 司钻控制台 ➢ 动力电缆、控制电缆 ➢ 液压管线
顶驱装置新技术
顶驱装置新技术
5. 平衡系统：
➢对称性好 ➢连接可靠性好 ➢减少了连接的管线
顶驱钻井新技术（控制系统）
➢ 转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 Soft Torque Technology
➢ 主轴旋转定位控制技术 MainShaft Rotating Position Control Technology
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能 控制（软扭矩） 技术
结构组成：
驱软扭矩控制系统 不增加任何井底设 备，并独立于VFD控 制系统，可在不停 钻状态下启停软扭 矩系统、不影响正 常钻进。
顶驱钻井新技术
1.转速扭矩智能控制（软扭矩）技术 顶驱软扭矩控制系统特点：
顶驱钻井新技术
2.主轴旋转定位控制技术 使用案例：
2012年2月25日~2012年4月13日，中国石 油川庆钻探－长庆钻井总公司 第三项目 部 50560钻井队 在内蒙古 鄂托克前旗 珠和镇打了一口水平井，通过应用北石顶 驱主轴旋转定位技术，提前37天完钻。 井号：SNO116-19H井； 井深：4,846米； 井斜角度：89.5度； 垂直段：2,800米； 造斜段：886米； 水平段：1,160米。