顶驱水龙头——钻井马达总成的结构设计
顶部驱动钻井系统使用手册
第十四章顶部驱动钻井系统第一节顶部驱动钻井装置基本结构和技术参数一、TDS-11SA顶部驱动钻井系统一）、基本结构TDS-11SA顶部驱动钻井装置主要包括下列主要总成及部件。
①水龙头—钻井电机总成；②电机冷却系统；③滑动架和导轨；④管子处理器⑤液压控制系统；⑥平衡系统；⑦动力系统和控制系统。
1、水龙头－交流钻井电机总成水龙头--钻井电机总成是顶部驱动装置的主体部件，主要由以下部件组成：①钻井电机和制动器②齿轮传动箱（变速箱）③整体式水龙头1）、钻井电机和制动器TDS-11SA有两台400马力的交流钻井电机，对称垂直安装在箱体上的两边，为TDS-11SA提供动力。
每一个电机有一个双端输出轴，输出轴下端安装驱动小齿轮，输出轴上端安装盘式刹车轮毂。
交流钻井电机是开放式结构，意为着冷却风可以通过电机内部。
它是专门为顶部驱动所设计的，电机内部有温度传感器、风道、轴承和安装斜齿轮和刹车轮毂的锥度输出轴。
每个电机顶部安装有一个液压盘式刹车，通过盘式刹车外盖可以很容易检查和维护盘刹。
在定向作业中，盘式刹车还可以辅助钻柱定向。
制动器由司钻控制台遥控控制。
2）、传动箱和水龙头总成齿轮传动箱总成把由交流电机产生的动能传递到钻杆。
传动箱和水龙头总成内部是一个单级双减速齿轮系统，从电机到主轴的减速比为10.5:1。
传动箱和水龙头总成的箱体为传动齿轮和轴承提供了一个密封的润滑油池。
轴承和齿轮由一个安装在箱体上的油泵强制润滑。
一个低速液压马达驱动油泵，过滤后的润滑油通过主支撑轴承、扶正轴承、小齿轮和复合齿轮轴承及齿轮的齿面连续循环。
油热交换是空冷式，传动箱上安装有油位指示器可监视油面高度。
不锈钢制成的提环固定安装在钻机大钩上。
提环与箱体之间的装配由铜套接合，可以使用黄油润滑。
3）、整体式水龙头总成整体式水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。
水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部，上部台阶做于主止推轴承上以支撑钻柱负荷。
主轴和鹅颈管之间有一个标准冲管盘根总成，这样就可以使钻柱旋转。
顶部驱动钻井装置
（一）、接立根钻进
（二）、接单根钻进
（三）、起下钻操作
工 作 原 理
（四）、倒划眼操作
/blog/static/10438719320095234577312/ 具体过程可参考：
顶驱钻井装置与常规钻井设备 比较
1、钻井效率明显提高。
A、从钻井到起下钻或从起下钻恢复钻进状态，该装置
5、安全性提高。
A、减少了使用大钳和猫头等，降低了钻井工人作业危 险。 B、减少许多笨重的工作，提高了起升重钻具的安全性。 C、自动吊卡，消除了人工操作吊卡的事故隐患。 D、井控安全性得到大大提高。 E、遥控防喷盒，防止泥浆溅落到钻台上，增加了工作 的安全性。
6、作业时间的比较
7、水平井费用比较
项目 转盘/方钻杆 顶驱装置
起下钻
非生产
纯钻进 日成本，美元 40800 43000
测深，M 机械钻速， m/h 典型钻井的作业时间分配 30% 40% 30% 日进尺 钻2000m所需天数 顶部驱动钻井装置钻井时 间分配
2000 30 240 8.3
2000 30 288 6.9
25%
35%
40%
单井成本，美圆
338640
296700
马达的支撑梁。导轨有单轨和双轨两种。 （三）、钻杆上卸扣装置
整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车一起运动。
主要组成部件：
1、扭矩扳手
2、内防喷器和启动器
3、吊环连接器和限扭器 4、吊环倾斜装置
5、旋转头
顶 部 驱 动 装 置 操 作 过 程
/programs/view/r0oIRChug7w
单井用顶驱节约，美圆
41940
8口井用顶驱节约，美圆
顶驱解体图
。 i.旋转头。旋转头可自由旋转。
作用：当钻杆上卸扣装臵在起钻中随钻柱部件 旋转时，它能始终保持液路气路的连通。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
油路、气路。 零件号：79853 79854 各一个
密封槽
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
旋转头分解图
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
安装中的齿轮箱。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
新旧对比 过滤了的润滑油通过主止推轴承，上轴承，再经过齿轮间隙连续循环
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
S管
中心衬管
鹅颈管
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
盘式刹车系统
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
电机空心轴花键与行星齿轮配合
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
行星齿轮组
k.上轴承。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
齿轮箱刹车机构剖面图
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
顶驱电机 安装好的盘式刹车系统。
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
2007年8月25日中心衬管 刺漏，泥浆侵入齿 轮箱。虽然我们做 了无数次清洗工作， 但齿轮箱底部沉淀 的泥浆及油泥是无 法循环出来的，聚 集沙粒随驱动杆旋 转磨损油封导致油 封失效，造成齿轮 油漏失。 d.齿轮箱内部。由上至 下依次为主止推 轴承、下轴承、 轴封等组成。 油封
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
盘刹特写
二.Varco IDS-1顶驱内部结构（机械部分）
顶部驱动钻井装置介绍
一、下管套 顶部驱动钻井装置配用500～750 t 吊环和足够额定提升能力的游动滑车， 就能进行额定重量500～650 t的下套 管作业。为留有足够的空间装水龙头， 必须使用4．6 m的长吊环。 将一段泥浆软管线同钻杆上卸扣装 置保护接头相连，下套管过程中可控 制远控内防喷器的开启与关闭，实现 套管的灌浆。 如果需要，也可使用悬挂在顶部驱 动钻井装置外侧的游动滑车和大钩， 配用Varco BJ规定吊卡和适当的游动 设备，按常规方法下套管。顶部驱动 钻井装置起下套管装置如图3—5所示。
3、下钻划眼。顶部驱动钻井装置具有不接方钻杆钻过砂 桥和缩径点的能力。
4、节省定向钻进时间。该装置可以通过28米立根钻进、循 环，这样就相应的减少了井下马达定向的时间。
5、人员安全。顶部驱动钻井装置，是钻井机械操作自 动化的标志性产品，终于将钻井工人从繁重的体力劳动中 解救出来。接单根的次数减少了2/3，并且由于其自动化 的程度高，从而大大减少了作业者工作的危险程度，进而 大大降低了事故的发生率。
四、顶部驱动装置操作过程
一、接立根钻进
接立根钻进是顶部驱动钻井装置普遍采用的方式。 采用立根钻进方法很多。对钻从式井的轨道钻机和可 带立根运移的钻机，钻杆立根可立在井架上不动，留 待下一口井接立根钻进使用。若没有立根，推荐两种 接立根方法：一是下钻时留下一些立根竖在井架上不 动，接单根下钻到底，用留下的立根钻完钻头进尺； 二是在钻进期间或休闲时，在小鼠洞内接立根。为安 全起见，小鼠洞最好垂直，以保证在垂直平面内对扣， 简化接扣程序。还应当注意接头只要旋进钻柱母扣即 可，因为顶部驱动钻井钻井马达还要施加紧扣扭矩上 接头。
二、接单根钻进 通常在两种情况需要接单根钻进。一种是新开钻井，井架中 没有接好的立根；另一种是利用井下马达造斜时每9．4 m必须 测一次斜。吊环倾斜装置将吊卡推向小鼠洞提起单根，从而保 证了接单根的安全，提高了接单根钻进的效率。接单根钻进程 序如下：
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。
顶驱结构和原理
顶驱构造及原理
顶驱构造 顶驱旳构成： 1、综合游 车
VACRO 综合游动滑车组提供六个额定载荷为500T， 外径为50 in旳滑轮。整个游车高 。
2、钻井装置总成
• 钻井电动机是一种1000hp旳分流电动机。电动机是 由电枢空心轴和垂直止推轴承构成。
• 单速行星变速器 IDS 单速行星变速器由下列主要原件构成： 内齿合齿轮和齿轮箱 电机小齿轮
顶驱构造及原理
顶驱构造
6、有延伸入口旳现场谷风机冷却系统。
该系统向钻井电动机提供现场冷却空气。该系统由带有导管旳原则型局部 鼓风机和一根向马达方向旳延伸旳软管构成，鼓风机上旳导管能将进口安 装在大钩和游动滑车上。 C.PH-60型管子处理装置 管子处理装置涉及 1、整体吊卡 2、安全阀（IBOPS)
❖ 每3个月对顶驱齿轮箱旳润滑油进行更换，油品标号为 MOBIL626。油量为12加仑。
❖ 每3个月对机械手泵站旳液压油进行更换，油品为N32抗磨 液压油，油量32加仑。
❖ 每日对顶驱旳各个连接螺栓及开口销进行检验，对发觉旳问 题及时处理。
顶驱构造及原理
顶驱构造及原理
顶驱构造及原理
顶驱简介
据悉，目前我国赴国外工作旳钻井队，如钻机未安装顶部驱动 钻井装置者，投标竞争中不允许中标，可见顶部驱动钻井装置 已到了非用 不可旳地步。图片
❖目前，石油钻井中使用旳顶驱有两大类：电动顶驱和液动顶 驱。其中电动顶驱又按照电机分为直流电动顶驱和液动变频顶 驱，我们平台现用旳是直流电动顶驱。 ❖a.顶驱钻井系统特点 ❖ 能够节省钻井时间20%－50 %，能够大大降低卡钻事故能够 控制井涌防止井喷，用于深井超深井、斜井以及高难度旳定向 钻井，其综合效益尤为明显。
顶驱构造及原理
顶部驱动装置的简介
4500kN
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
二、顶驱的结构
顶部驱动钻井装置主要有以下部件和附件组成:
1、水龙头－－钻井马达总成（关键部件）； 2、马达支架/导向滑车总成（关键部件）； 3、钻杆上卸扣总成（体现最大优点的部件）； 4、平衡系统；
5、冷却系统；
6、顶部驱动钻井装置控制系统（电、液）； 7、可选用的附属设备。
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司 动力水龙头
风冷电机 液压阀组
风冷装置
刹车机构 总成
散热器 主电机 提环 鹅颈管
减速箱
冲管总成
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
旋转头 倾斜机构 背钳
吊卡
管子处理装置
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渤 海 钻 探 工 程 公 司 司钻操作台
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DQ70BSC 主要技术参数
名义钻深
最大钩载
连续输出扭矩 转速范围 输出功率 倾臂最大倾斜角 最大卸扣扭矩 背钳夹持范围 主体重量 总体长度 输入电压 频率范围 6.1 m 600 VAC ～120Hz 75kN.m φ87 ~φ203mm 13.5 t 50kN.m 0～220rpm 400HP×2 前30º ，后55º 7000 m
三.顶驱的远程结构
型号DQ70BS
电控系统 液压源
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渤 海 钻 探 工 程 公 司
谢谢
渤钻第三钻井工程分公司
渤 海 钻 探 工 程 公 司
1、什么是顶部驱动钻井装置？
顶驱——就是可以直接从 井架空间上部直接旋转钻柱， 并沿井架内专用导轨向下送 进，完成钻柱旋转钻进，循 环钻井液、接单根、上卸扣 和倒划眼等多种钻井操作的 钻井机械设备。
简要分析顶部驱动装置的性能构造与使用特点
简要分析顶部驱动装置的性能构造与使用特点结合实际对顶部驱动装置的性能构造和使用特点进行分析，首先阐述顶驱装置组成与结构特征，其次详细讨论顶驱装置的改进优化方向，希望分析后能够给相关工作人员提供一些参考。
标签：顶部驱动；装置；性能构造；使用特点1顶驱装置组成与结构分析1.1 水龙头—钻井马达总成该部分就是顶驱装置中非常关键的组成部分，其中包含有马达、变速箱、刹车装置、水龙头等关键的部分，该部分的作用在于钻井施工中的旋转钻井、上卸扣部分的处理，可以由水龙头为整个部分提供循环井液，以保证钻井施工的顺利进行。
根据不同的工作原理，可以将马达分为电动与液动两种形式。
在整个结构中，一般需要设置一台或者两台马达，然后使用齿轮机达到减速的目的，可以有效的提升钻井动力。
某油田在进行钻井施工中选择使用的是DQ—60D1 型顶驱采用ZL490/390 直流电动机驱动，电动机立式安装，输出轴直接与齿轮轴连接起来，然后在通过驱动主轴来进行钻进施工。
因为电枢运动的转速与电枢的电压成正比，电机额定输出扭矩与电流成正比关系，所以立式中空直流电机的转速能够通过电枢电压的无极变速来进行速度的调整。
主电机的上部位置上需要安装一台冷却用的鼓风机装置，冷却的过程中可以先将风压至主电机的接线盒中，然后再通过电机与电枢定子间的间隙进行移动，在下部双层金属网的位置上直接排出到系统外。
1.2 钻杆上卸扣装置总成这是顶部驱动系统中非管关键的组成部分，其主要的组成部分有转头、背钳、内防喷器以及操作部分、取送结构部分、吊环吊卡等结构部分组成。
该部分的主要作用就是保证下钻作业的正常进行，其主要应用在取送钻杆、上卸扣两个部分功能，井喷时遥控内部的防喷器将钻柱内部的通道关闭，可以在任何的高度位置上进行电机上卸扣。
综合分析当前所应用的常见顶驱背钳结构部分，环形背钳在使用中可以自动定心，卡紧效果最好，还具备较强的应用性能，这种结构形式较为简单，后期的维护也非常的方便，是当前最常使用的结构方式。
顶部驱动装置的简介
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顶部驱动装 置的简介
渤 海 钻 探 工 程 公 司 渤钻第三钻井工程分公司 什么是顶部驱动钻井装置？ 顶驱——就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。
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DQ
70
BS
顶部驱动钻井装置（DingQu）
名义钻深（7000m/4500kN) （5000m/3150kN）
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
H/C
渤 海 钻 探 工 程 公 司 渤钻第三钻井工程分公司 顶驱的组成 主要有三个部分组成：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。
渤 海 钻 探 工 程
中国顶驱
我国从20世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术，1993年列入原中国石油天然气总公司重点科研计划，由石油勘探开发科学研究院北京石油机械研究所、宝鸡石油机械厂及大港石油管理局等单位联合承担试制开发任务。 1995年完成样机，1997年4月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进行工业试验，完钻井深5649m，垂深5369 m，水平位移550 m，井斜角 70度 ，DQ-60D型顶驱研制成功，标志着我国成为世界上第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家 。
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液压阀组
风冷装置
主电机
减速箱
刹车机构总成
散热器
提环
马达头总成结构
马达头总成结构马达头总成是指由电机、减速器和传动装置等组成的整体部件。
它是驱动设备正常运转的重要组成部分，具有承载力强、传动效率高、噪音低等特点。
下面将从结构设计、工作原理和应用领域等方面进行详细介绍。
一、结构设计马达头总成的结构设计主要包括电机、减速器和传动装置三个组成部分。
1. 电机：马达头总成中的电机一般采用直流电机或交流电机。
它负责将电能转化为机械能，提供驱动力。
2. 减速器：减速器是马达头总成中的重要部件，主要用于降低电机的转速并增加扭矩。
减速器通常由齿轮、轴、轴承等组成，能够将电机产生的高速旋转转化为低速高扭矩输出。
3. 传动装置：传动装置用于将减速器输出的旋转力传递给外部设备。
常见的传动装置包括齿轮传动、带传动和链传动等。
二、工作原理马达头总成的工作原理是将电能转化为机械能，通过减速器和传动装置将机械能传递给外部设备。
1. 电机工作原理：电机通过电流作用产生磁场，利用电磁感应原理产生转矩，驱动电机转动。
2. 减速器工作原理：减速器通过齿轮的啮合传递转动力，将电机的高速旋转转化为低速高扭矩输出。
3. 传动装置工作原理：传动装置通过齿轮、带轮或链条等将减速器输出的力传递给外部设备，实现设备的运转。
三、应用领域马达头总成广泛应用于各个领域，以下是几个常见的应用领域：1. 工业自动化：马达头总成常用于工业自动化设备中，如机床、输送机、包装机等。
它能够提供稳定的驱动力，实现设备的自动化操作。
2. 机器人技术：马达头总成是机器人技术中不可或缺的部件。
它能够提供精准的驱动力，实现机器人的各种动作和操作。
3. 电动车辆：马达头总成广泛应用于电动车辆中，如电动汽车、电动自行车等。
它能够提供高效的动力输出，实现电动车辆的行驶。
4. 家电产品：马达头总成也被应用于各种家电产品中，如洗衣机、空调、冰箱等。
它能够提供可靠的驱动力，实现家电产品的正常运转。
总结：马达头总成作为驱动设备的重要组成部分，在工业生产和日常生活中都起着重要作用。
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
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。
浅谈石油机械——顶驱结构与发展
浅谈石油机械——顶驱结构与发展摘要：顶部驱动钻井装置是20世纪80年代兴起的新型钻井技术,是旋转钻井技术的一项重大突破,在国际石油工业中得到迅速发展和应用,顶驱装置的应用明显提高了钻井作业的速度和效率,已成为石油钻井先进装备的代表。
虽然国产顶驱在设计制造时都引进了国外的先进技术,但同国外的顶驱相比,国产顶驱的质量和性能等方面仍然存在着或多或少的问题。
因此,顶驱整体的设计与研究,对缩短与国外之间的技术差距、提高顶驱产品的技术含量、提升顶驱产品的品质具有重要的现实意义。
关键词：顶驱结构、发展、性能特点1顶驱装置1.1顶驱装置概述及结构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。
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28米立柱，减少了钻井时三分之二的上卸扣操作。
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1．1为我公司生产的DQ70III-A型顶驱主要部件图。
图1．1我公司生产的DQ70III-A型顶驱主要部件图1.2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．在起下钻及遇阻遇卡时，能及时旋转钻杆和循环泥浆。
顶驱
当主电站/辅助电站失电时,在45秒内全负荷自动启动1台应急电站,应急柴油发电机组交流110kW,电制50Hz/400V.该平台还设置2台LSQ15-0.7型全自动燃油锅炉,每台蒸发量为1500kg/h ,额定压力为0.7MPa, 以作为平台加热保温使用悬臂梁下部设有基座和锁紧机构悬臂梁可沿主甲板上的基座滑动锁紧机构可压住悬臂梁使之保持平衡悬臂梁两侧设有油缸推动系统为悬臂梁滑动提供动力悬臂梁上部设有横向轨道和横向轨道底座横向轨道底座可沿横向轨道滑动钻台安装在横向轨道底座钻台布置有井架绞车等修井专用设备自升式平台一般的操作过程如下拖航→就位→放桩→预压→升起主体→作业完毕→降下主体→拔桩一般需要冲桩→提桩→固桩后拖航总布置及性能计算部分, 总布置包括生活区布置,钻台布置,悬臂粱布置,主要设备布置等.最佳分舱方案研究涉及各分舱的仓容校核,包含压载舱,钻井水舱,泥浆池,泥浆泵舱,主机舱,泵舱/污水处理舱等/设计载荷计算包含由平台重量,使用及作业引起的重力载荷和由风载荷,波浪载荷及海流载荷等组成的环境载荷。
性能计算包括完整稳性.破舱稳性.坐底稳性(抗倾,抗滑稳性)沉浮稳性及静水力计算和干舷校核等空气压缩机工作时产生的压缩空气在柴油机船舶上主要功能是：(1)压力在2～3MPa之间的压缩空气用来起动主机。
(2)压力在1．0MPa左右的压缩空气用来作为主机操纵机构、换向机构的动力，起动副机和操作气动元件等。
(3)压力在1．0MPa左右的压缩空气用来操纵离合器、填充压力水柜、气笛等。
空压机组主要包括空气系统、冷却系统和润滑系统。
空气系统由进气消声器、各压缩级、油水分离器和空气管路等组成。
空气系统中的I和II级低压空气管路为铜管，而III、IV高压管路为不锈钢管。
空气管路中装有传感器、各级压力表。
各级安全阀保证各级压力在设定的压力范围内。
冷却系统采用淡水或海水循环冷却。
为了保证冷却的效果，要求冷却水具有一定的压力和流量。
顶部驱动钻井系统
2、导向滑车总成 具体有：导轨（立于井架内， 具体有：导轨（立于井架内，有 单轨和双轨两种）、滑车框架（ ）、滑车框架 单轨和双轨两种）、滑车框架（固定在 顶部驱动装置壳体上）、导向轮（ ）、导向轮 顶部驱动装置壳体上）、导向轮（装在 滑车框架上，可沿导轨滚动）。 滑车框架上，可沿导轨滚动）。 作用： 作用：引导顶部驱动装置上下运 承受钻井过程中的反向力矩。 动；承受钻井过程中的反向力矩。 3、钻杆上卸扣装置（Pipehander） 钻杆上卸扣装置（Pipehander） 具体有：吊卡、吊环、 具体有：吊卡、吊环、吊环连接 吊环倾斜器、液压扭矩钳。 器、吊环倾斜器、液压扭矩钳。 作用：通过吊卡、吊环、起吊钻 作用：通过吊卡、吊环、 通过液压扭矩钳上 卸扣（ 具；通过液压扭矩钳上、卸扣（将钻具 与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。 与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。
导向滑车总成
二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统
公司的产品。 这里介绍挪威 Maritime Hydraulics 公司的产品。 1、系统组成 PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成： PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成： 轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成 1）水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）； 水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）； 2）液控钻具防喷器——由钻具防喷器、液压缸组成； 液控钻具防喷器 由钻具防喷器、液压缸组成； 由钻具防喷器 3）钻井马达总成 4）钻杆上卸扣装置 5）液压动力系统
2、安装布置 、
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3、顶部驱动装置总成 、 要点： 要点：
1、水龙头中心管经锥 管螺纹与主轴连接。 管螺纹与主轴连接。 2、主轴与从动大齿轮 固连。 固连。 3、两个液压马达的输 出轴通过花键与主动小齿 出轴通过花键与主动小齿 轮轴固连。 轮轴固连。 4、钻杆上卸扣装置悬 钻杆上卸扣装置悬 挂在主轴下台肩上。 挂在主轴下台肩上。 5、导向滑车通过四个 、导向滑车通过四个 铰链与减速箱壳体固连； 铰链与减速箱壳体固连； 液压顶部驱动装置结构原理图
石油工程机装备第四章顶驱钻井系统新版11235212.pptx
升降 液缸
扭矩筒
扭矩 液缸
夹紧 活塞
图4-9 扭矩扳手总成
（2）内防喷器及启动器 内防喷器（图4-10）是球型安 全阀，防止泥浆溢流和井涌。 上部远控内防喷器和下部手 内防喷器 动内防喷器，形成内井控防喷 启动液缸 系统。
上部远控内防喷器是钻杆上卸扣装 置的一部分。当上卸扣时，扭矩扳手 同远控上部内防喷器的花键啮合形成 扭矩。
双导轨 单导轨
上扣卸扣装置
旋转头
限扭器
（Pipehander） 钻杆上卸扣装置如图48所示。
主轴
吊环倾 斜机构
吊环联 接器
主要：由旋转头、吊环
联接器、吊环倾斜机构和
扭矩扳手组成。
扭矩
（可参见Varco公司的TDS-8S
扳手
交流变频顶驱系统结构图。）
旋转头：接在马达水龙头下方
吊环 吊卡
图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成
吊环
定位点
鼠 洞
2米
井架工
1.35米
PH-75主轴总成
主轴 安全夹-3
上内防喷器 启动液缸总成 上内防喷器和 双摇臂启动器
下内防喷器 (手动)
保护短节 背钳可达上内防喷器
导轨的特点
❖ 采用游动系统顶驱分段吊起导轨
和顶驱
❖ 导轨采用自锁技术 ❖ 安装快捷<4小时 ❖ 安全 ❖ 结构简单
导轨分段
连接 板 TDS-11SA 安装完毕的 导轨
★当油缸向上的拉力小于顶 驱和杆柱重量时，上跳过程 由加速变为减速，最后停止 上移。
当向上提起整个钻柱时
★钻柱和顶驱的重量大于油 缸向上的拉力，油缸被拉下 来，缸内排液，油液返回蓄 能器。
四、国产顶驱（DQ） 第一台国产顶驱DQ-60D，由勘探院机械所和宝石厂 合研， 97年2月部级鉴定，中国成为第五位顶驱的生产 国家。 1．DQ-60D顶驱 （结构如图3-21所示） 主要特点：采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测控制。 2．DQ-60P顶驱(Portable 轻便,如图3-22所示，) 勘探院机械所与宝石鸡厂合研的DQ-60P轻便顶驱（ AC-SCR-DC驱动）。 3．DQ-20H顶驱(Hydraulic) 勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱，钻深2000m 。
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作者简介 ： 王倩 倩（ ９６ ） 女 ， １８ 一 ， 山东东营人 ， 本科在读 ， 研究方向 ： 化工机械。 ２ ９
Ｅｑｕｐｍｅ Ｍ ａ ｆ ｃ ｒｎ ｃ ｎｏｏ ｙ Ｎｏ． ２０１ ｉ ｎｔ ｎｕａ ｔｉ ｇ Ｔｅ ｈ ｌ ｇ ３， ２
抗震等多方面的要求 ， 在推广方面具有较强的优势。 但是 ，但 同时也存在着液压设备工作效率较低的共 同特 点 。
通 常情 况 下 ， 当钻井 设 备 型号 一样 时 ， 压 马达 液 能 够提 供 更 大 的工作 扭 矩 ，这 不 仅可 以保 证 正 常 的
图 ２ 顶驱水龙头俯视图（ ） 二
通过两个方案的比较 ，他们都能达到为顶驱钻
钻井 需 要 ， 同时 还可 以给钻 杆 的上 扣 、 扣 等繁 杂 的 机提供动力 的要求 ， 卸 两者结构上也有很多相似之处 ，
操作提供基本 的扭矩要求 ，可 以省去常规需要增设 方 案二 中 ， 消 了马达 增 扭装 置 ， 方 案 二仍 能 满 足 取 但 的顶 驱增 扭装 置 。 对输 出扭矩 的要 求 ，不影 响整 个 系 统 的安 全 性 可 靠 同时 ， 由于在 结 构 上还 取 消 了增扭 马 达 、 相关 的 性 ，甚 至在 某 些情 况 下能 更好 的工 作 ，节 约 设 计 成
一
目前 ， 国的顶驱技术正在起步阶段 ， 我 还存在着 井周期短以及钻井的安全性能好等诸多优点 ，大大 我们现在应积极引进国外新技术 ， 提高作 降低 了建井过程 中的安全事故问题 ，且使得建井的 不足之处 ， 业 的安全系数 ， 加快效率 ， 自主研发 ， 当前大好形 在 成本明显下降。
在满足钻井设备的 自动化趋势的同时 ，顶部驱动钻 从驱动马达的基本工作原理来看 ，可以将顶部 井装置还 明显提高了钻井 的效率 ，是当前及 以后钻 驱动马达分为电动驱动 以及液压驱动两种基本 的形 井设 备 发展 的必 然趋 势 。 式 。电动驱动属于一种较为传统的驱动方式 ， 具有作
业迅速和设备体积小等优点。而与电动顶驱相 比， 液 出 。其 中， ２中所 标 记 的 ５为 减速器 的箱体 。 图 ５ 压顶驱主要是能够满足在低速重载工况下的工作要 求， 在低速的情况下 ， 能够输 出较大的扭矩 。同时 ， 液
压 顶 驱 还 在 一定 程 度 上满 足作 业 现 场 对 于 抗 火 花 、
顶 驱 的水龙 头— —钻 井 马 达 总成 ，是 顶 部 驱动
发 展成 为 了世 界 石 油采 钻行 业 前 沿技 术之 一 。顶 驱 装置的主要部件 ， 是传递动力和运动的主要部件 ， 集
装置通过直接从井架空 间的上部旋转钻井柱 ，然后 合了常规水龙头跟钻井 马达为一体 ，钻井马达通过 在 井架 内部 专 门 的导轨 上 向井 下攻 进 ，进 而 完成 钻 齿 轮减 速机 构 ， 动 主轴 旋转 钻进 ， 现 了顶 部 驱动 带 实 柱的旋转钻进 、钻井液 的循环以及接单根等多个钻 钻井过程 ， 还配备了一套管子处理装置 ， 使顶驱具备 井操作程序 ， 能够实现较高程度的 自 动化。 了上卸扣的功能， 充分体现了钻井的 自动化程度。因 此， 提高了钻井效率 ， 降低了钻井成本。此外 ， 吊环 在
《 装备制造技术）０２ ） １ 年第 ３ ２ 期
顶驱水龙 头—— 钻井马达 总成 的结构 设计
王Hale Waihona Puke 倩 （ 贵州大学 化学与化工学院， 贵州 贵阳 ５００ ） ５ ０３
摘 要 ： 分析现有 顶驱 水龙 头——钻 井马 达总成 结构的基础上 ， 在 设计 了一种 结构新 颖的顶驱水龙 头——钻 井马达 总 成。 采用 两台柱塞式液压马达驱 动二级齿轮减速机构， 能满足上 卸扣等作业低速大扭矩的动力要 求。
在采 用 顶 部驱 动 钻井 装 置之 后 ， 在进 行 深井 、 大 势下将 产 品 向海外 市 场推广 。
斜度井 以及欠 平衡井 等施工难度 较大 的建井 项 目 中， 具有极高的成功率和施工效率 ， 已经逐步发展成 ２ 钻井马达减速器 的方案设计 【 ， ０ 】 为了建设高难度石油井的重要设备之一 。 可以说 ， 从石油钻井机械 的整体发展情况来看 ， ２１ 钻 井马达 的选 择方 案 ．
关键词 ： 顶部驱动钻井装置 ； 动力水龙头 ； 冲管总成 ； 液压马达 ； 减速装置 中图分类号 ： Ｅ ２ Ｔ ９４ 文献标识码 ： Ｂ 文章编号：６ ２ ５ ５ ２ １ ０ — ０ ９ ０ １ ７ — ４ Ｘ（ ０ ２）３ ０ ２ — ４
从 上世 纪 ８ ０年代 以来 ， 顶部 驱 动钻 井 装 置逐 步
１ 结构设计 的背景及 意义
顶 部驱 动 钻 井装 置 ， 在上 世 纪 ８ 代 逐步 发 是 ０年
上安装有平衡油缸系统 ， 对上卸扣起伸缩作用 ， 保护 了上卸扣 的螺 纹 。
顶驱的水龙头马达总成结构复杂 ，其 中总成部 提供高压钻井液 ， 对 展起来 的一种先进的石油采钻作业方式 ，其在一定 分要求能够在旋转钻进 的时候 ， 程 度 上 代 表 了 当前 石 油 采 钻 行 业 的 机 电一 体 化 程 冲管结构压强要求较高 ，水龙头 中心管部位承受钻 中心 管 承重 轴 承 、 箱体 的刚 度 以及 度 。这里 的“ ”就是 指该 驱动 马达 能够在 整个 井架 杆 柱 的所有 重 力 ， 顶 ， 吊环 的承载 能 力 ， 须 要 满足 现 场要 求 。 因此 ， 必 目前 空间的上部通过直接旋转钻柱 ，然后在井架 内部专 身净质量较大 ，对顶驱的效率 门的导轨上向井下攻进 ， 进而完成钻柱 的旋转钻进 、 设计 的结构体积和 自 成本 钻井液的循环 以及接单根等多个钻井操作程序 ， 进 和成本是一个制约条件。如何设计出结构简单 ， 而实现石油采钻作业的 自 动化【 ｌ 】 。这就使得该装置在 较低 ，并且 能实 现 顶 驱 的全 部 功 能 的新 型 水 龙 是 定程度上 ， 具有 自动化程度较高 、 作业 速度快 、 建 头—— 马达 总成 ， 当务之 急 。