石油钻采设备及工艺-李振林 §4-3 顶驱钻井系统

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顶驱钻井系统主要由三部分组成:水龙头-钻井马达总成、钻杆上 卸扣装置和导向滑车总成。前两者是顶驱钻井系统主体,后者是辅 助支持机构。
液马达顶驱、AC-SCR-DC顶驱和AC变频顶驱系统的区别仅在于驱动 马达是液马达、或是直流电机,或是交流电机,这三种顶驱系统的 结构组成没有根本性的区别。
四、国产顶驱钻井系统
6. 顶驱系统配备了钻杆上卸扣装置,实现了钻杆上卸扣操作机械化,快捷便捷、 安全可靠。不用转盘、方钻杆,避免了接单根钻进的频繁常规操作,不仅节省了 时间,且大大减轻了钻井工人的体力劳动强度,降低发生人身事故的机率。
5. 系统可连续取芯28m,改善了取芯条件,提高了取芯质量;
三、顶驱钻井系统结构组成
15-钻杆吊卡
VARCO公司的AC变频顶 驱系列产品,其整体结构 型式和结构组成几乎是一 样的,主要区别是承载能 力不同,主体部分结构尺 寸不同,采用单马达或双 马达驱动。
DQ-20H顶驱钻井装置,名义钻井深度2000 m(ø127mm钻杆),液马达传动、重量轻、 结构简单。
1-提环;2-水龙头鹅颈管; 3-水龙头冲管总成;4-上卸扣液马达; 5-减速器-水龙头体; 6-卡紧联接器;7-回转头总成; 8-倾斜机构;9-手动内防喷器阀(IBOP) 10-背钳;11-吊环;12-吊卡; 13-导轨承担架;14-单导轨总成; 15-滑车架;16-主驱动液马达(2台)
复习题
1. 何谓
§4-3
一、概述
顶驱钻井系统
二、顶驱钻井系统的特点 三、顶驱钻井系统结构组成
四、国产顶驱钻井系统 五、AC变频顶驱系统
附:本节复习题
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一、概述
•顶驱钻井系统(Top Drive Drilling System),或简称顶驱系统(Top Drive System—TDS),也称为动力水龙头(Power Swivel):是一 套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。 •常规水龙头与钻井马达相结合,并配备一种结构新颖的钻杆上卸 扣装置(或称管柱处理装置-Pipehander),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,可完成旋转钻进、倒划 眼、循环钻井液、接钻杆(单根、立根)(1钻进、2起钻)、下套管 和上卸管柱丝扣等各种钻井操作。
滑车框架
支座
钻井马达座架
钻井马达耳轴安装支座
管束支座
导向滚轮
防爆交流马达及 离心式鼓风机
水龙头
刚性通风管道
钻井马达 马达接线盒
钻井马达冷却系统
回照片 图片
水龙头-钻井马达总成 •由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。 •采用串激(或并激)直流马达立式传动, 驱动主轴(水龙头的中心管);
水 龙 头
•马达轴上装有气动刹车,可产生静制动 力矩,用于马达的快速制动;
3. 钻杆上卸扣装置(或称为管柱处理装置) 钻杆上卸扣装置总成,一般由旋转头、吊环连接器、吊 环倾斜机构、保护接头、卸扣背钳(或称扭矩扳手)等 组成,可完成接立根、起下钻时上卸立根丝扣及打开与 扣紧吊卡等操作,实现了钻柱连接、上卸扣操作机械 化, 。
导向滑车总成
钻井马达和一个特制的导向滑车组装 在一起,并通过专用连杆挂到水龙头 加长的提环销上。 滑车框架
第一台顶驱钻井系统于1982年问世,由美国Varco公司研制。自此,法 国、挪威、加拿大、中国相继成功地研制了顶驱钻井系统。驱动型式 有液马达驱动和电动机驱动两种。在80年代,电驱动广泛采用的是ACSCR-DC驱动,即第三代电驱动型式。 80年代中期,挪威Ro-galand研究开发中心将交流变频电驱动引入顶驱 钻井系统,将AC-SCR-DC驱动型式的可控硅整流控制系统SCR和DC电动 机,改成GTO变频调速系统和AC电动机,研制成功AC变频顶驱系统。新 型的AC变频顶驱系统,是第四代电驱动型式,在钻井性能、钻井扭矩 与速度的精确调节、钻井经济性与安全性等方面都优于AC-SCR-DC顶驱 钻井系统,逐渐取代了常规顶驱钻井系统。
•发展史
二、顶驱钻井系统的特点
和转盘-方钻杆旋转钻井法相比,顶驱钻井系统旋转钻井法具有下 述主要特点:
1. 系统直接采用立根(28m)钻进,减少了2/3钻柱连接时间;
2. 起下钻时,顶驱钻井系统可在任意高度立即循环钻井液,实行倒划眼起钻和划 眼下钻,大大减少了卡钻事故;
3.系统具有遥控内部防喷器(IBOP),钻进或起钻如有井涌迹象,可即时实施井 控,大大提高了在复杂地层、钻井事故地区钻井的安全性。 4. 顶驱系统以28m立根钻定向井、丛式井、斜井时,不仅减少了钻柱连接时间, 还减少了测量次数,容易控制井底马达的造斜方位,节省了定向钻井时间,提高 了钻井效率;
•马达转轴下伸轴头装有小齿轮,与装在主轴上的大齿轮相啮合,主轴下方接钻 杆柱;钻井马达采用强制风冷。
水 龙 头 - 钻 井 马 达 总 成
•采用串激(或并激) 直流马达立式传动,驱 动主轴; •马达转轴下伸轴头装 有小齿轮,与装在主轴 上的大齿轮相啮合,主 轴下方接钻杆柱;钻井 马达采用强制风冷。
•马达转轴下伸轴头装有小齿轮,与装在 主轴上的大齿轮相啮合,主轴下方接钻 杆柱; •钻井马达采用强制风冷。
接 线 盒
气 刹 车
钻 井 马 达
齿 轮
主 轴
•由水龙头、电动机和一级齿轮减速器组成。 •采用串激(或并激)直流马达立式传动,驱动主轴; •马达轴上装有气动刹车,可产生静制动力矩,用于马达的快速制动;
1、带花键的防喷阀;2、吊环倾斜机构;3、主轴;4、旋转头 5、限扭器;6、吊环连接器;7、防喷阀启动器;8;扭矩扳手 9、吊环;10、钻杆吊卡
2)吊环联接器:
座在一花键短节的台肩上,短节与主轴相联;吊卡承 受的载荷可通过吊环、吊环联接器传给水龙头。
1、带花键的防喷阀;2、吊环倾斜机构;3、主轴;4、旋转头 5、限扭器;6、吊环连接器;7、防喷阀启动器;8;扭矩扳手 9、吊环;10、钻杆吊卡
2)吊环倾斜机构:
在吊环联接器前方的一个使吊环倾斜的机构, 采用气阀控制气弹簧,使吊环倾斜,令吊卡在 钻进时偏离钻柱轴线,接立根时去卡抱待接立 根的接头;中间限位机构用以辅助井架工排放 立根。
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吊 环 联 接 器
倾斜机构
气弹簧
中 间 限 位 机 构
吊环
1)吊环联接器:
座在一花键短节的台肩上,短节与主轴相联;吊卡承 受的载荷可通过吊环、吊环联接器传给水龙头。
3)液控扭矩扳手: 用于卸扣,由联接在钻井马达上的吊架支撑;卸扣时,扭 矩扳手的夹持爪先夹紧钻杆母接头(由夹紧液缸驱动), 然后,和扭矩臂相连的两个转矩液缸动作,转动保护接头 及主轴松扣,再启动钻井马达旋扣,完成卸扣操作;此外, 另有两个缓冲液缸,类似大钩弹簧,可提供丝扣补偿行程。
3)液控扭矩扳手: 用于卸扣,由联接在钻井马达上的吊架支撑;卸扣时,扭 矩扳手的夹持爪先夹紧钻杆母接头(由夹紧液缸驱动), 然后,和扭矩臂相连的两个转矩液缸动作,转动保护接头 及主轴松扣,再启动钻井马达旋扣,完成卸扣操作;此外, 另有两个缓冲液缸,类似大钩弹簧,可提供丝扣补偿行程。
第一台国产顶驱钻井系统DQ-60D由石油勘探院机械所和宝鸡石油机械厂等联合 研制,于1997年2月通过鉴定,整体技术达到了国外90年代同类产品的先进水平, 使中国成为世界上第5个能研制顶驱钻井系统的国家。
继DQ-60D之后,石油勘探院机械所与宝鸡厂再度合作研制了DQ-60P轻便顶驱 钻井系统。
此外,为适应浅井的老井侧钻、加深井、加密井、小井眼井钻井作业以及修井作 业的需要,石油勘探院机械所和有关单位合作研制了DQ-20H顶驱钻井装置。 纵观国外电驱动钻机和顶驱钻井系统的发展趋势,变频驱动是发展方向。
DQ-60D结构上的主要特点是:钻井马达 -水龙头总成采用中空电机、行星齿轮减 速器、水龙头冲管与中心管综合为一体的 结构,电机与主轴同轴线。 中空电机是由兰州电机厂利用引进GE752 技术生产的直流电机ZL490/390,强制风 冷。
游车是专用的,钻杆上卸扣装置的回转头、 吊环倾斜器都是液动的。 DQ-60D采用AC-SCR-DC驱动,PLC监测 控制。 1-单导轨;2-游车;3-电机风冷装置 4-水龙头冲管总成;5-刹车装置; 6-空心轴式直流电机;7-滑车架; 8-行星减速器;9-连接装置; 10-回转头总成;11-自动内防喷阀(上 IBOP);12-倾斜机构;13-手动内防 喷阀(下IBOP);14-保护接头; 15-背钳
挪威DDM-650顶驱钻井系统:
原产品为直流电机驱动,也可改用AC变频驱动
1-水龙头;2-电动机;3-齿轮减速箱; 4-机械齿轮箱;5-钻杆操纵接头; 6-钻杆操纵旋转环; 7-吊卡位置电动机;8-液压缸;
9-悬挂器;10-吊卡游动动作器;
11-伸缩接头;12-伸缩接头支撑组; 13-遥控内防喷器;14-扭矩扳手;
五、AC变频顶驱系统
1. • • • • 2. 3. AC变频顶驱系统的主要优点(相对于AC-SCR-DC直流电机驱动) AC电动机效率可高达96%~97%,经济性好; AC电动机没有电刷,工作时不会产生火花,防爆,钻井安全;经久耐用,维护保养 简单;质量轻、体积小、占用空间少; AC变频驱动,可精确调节工作转速与输出扭矩,具有更好的调节性能。 AC变频驱动零转速时具有全制动扭矩,可保证钻井安全。过载能力强,1min内可承 受额定载荷150%过载载荷。 美国VARCO公司的AC变频顶驱系统(TDS-11S) 挪威MH公司的AC变频顶驱系统(DDM-650)
1-单导轨总成;2-过渡环总成;3-风冷装置 4-刹车装置;5-直流驱动电机;6-齿轮减速 器;7-动力水龙头体;8-夹紧连接器; 9-回转头总成;10-上IBOP(自动); 11-下IBOP(手动);12-环形背钳; 13-鹅颈管;14-水龙头冲管总成; 15-小车滑车;16-倾斜机构; 17-导轨承担梁
顶驱发展史:
顶驱钻井系统是80年代以来钻井设备发展的四大新技术(顶驱、盘式 刹车、液压钻井泵和AC变频驱动)之一。钻井实践表明,顶驱钻井系 统突出的优点是:可节省钻井时间20%~25%,可大大减少卡钻事故, 可控制井涌,避免井喷,用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定 向井钻井时,其综合经济效益尤为显著。
支座
钻井马达座架
钻井马达耳轴安装支座
管束支座
导向滚轮
导向滑车总成
钻井马达和一个特制的 导向滑车组装在一起, 并通过专用连杆挂到水 龙头加长的提环销上。
导向滑车结构,主要由钻 井马达座架和滑车框架构 成,前者用于支撑钻井马 达及其附件;后者有导向 轮,可沿导轨滚动;导轨 装在井架内部,对游车及 顶驱钻井系统起导向作用, 钻进时导轨承受反扭矩。
DQ-60P结构上的主要特点是:直流驱动电机侧 置,单级双圆弧齿轮减速器驱动水龙头中心管 (主轴)。专门设计了过渡提环,可将顶驱系 统挂在原有钻机的游车上。较DQ-60D质量轻、 长度短,更便于安装拆卸。SCR传动控制采用 进口全套智能化传动控制系统,对主电机进行 控制,性能好、安全性高。采用PLC对辅助系 统全面控制,具有安全互锁、监控、报警等多 项功能,确保系统安全可靠。
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