石油钻采设备及工艺-李振林 §4-3 顶驱钻井系统
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全液压钻机顶部驱动钻井装置
全液压钻机顶部驱动钻井装置一．顶部驱动钻井装置概述顶部驱动钻井装置ＴＤＳ（ＴＯＰＤＲＩＶＥＤＲＩＬＬＩＳＮＧＹＳＴＥＭ），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，取代了转盘带动方钻杆钻井的钻井技术。
全液压传动( 主绞车、转盘、泥浆泵均采用) 的石油钻机将成为常规机械传动钻机的换代产品之一。
全液压传动钻机的主要优点如下:a) 可方便与电脑相联接, 通过微电-电-液放大, 实现整套钻机的回转、升降和泥浆供应量的无级调节, 以实现钻井、升降电脑程序自动控制, 并可以大大减少井场操作人员。
b) 由于钻机旋转、升降和冲洗液的供给, 均可实现无级调速、调排量, 有优越的转速-扭矩、压力-排量性能曲线, 从而可通过电脑优选参数, 指令实现优选参数的钻进和提升时的恒功率调节, 提高工作效率, 并充分利用动力。
c) 可在钻井工艺的全过程实现安全操作。
这是由于液压系统优越的压力—力矩指示和过载自动保护所决定的( 过载即超液压、通过溢流阀卸荷) 。
d) 明显减轻设备质量和节约占用空间。
e) 对于全液压传动的泥浆泵还省去了一整套曲轴、齿轮传动机构和经常需要更换活塞的时间。
对于全液压传动的绞车, 还具有下钻时的安全制动, 没有转动时的运转惯性和具有大直径滚筒可使快绳平滑地运动和减少磨损等优点。
f) 可以与全液压顶部驱动、铁钻工、自动排放钻具、液压机械手和天车型液压钻柱运动补偿器组合而成全部钻井工艺过程的自动化操作系统。
二．国外全液压顶驱发展现状顶驱系统(TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展；从直流电动机驱动为主向液压传动和交流变频电动机驱动方向发展；向简单化轻便化方向发展，质量减轻，尺寸减小，满足修井机和轻型钻机的要求。
而国内外正在对全液压驱动顶驱进行深入的研究。
加拿大Tesco公司套管钻机、挪威MH公司Ram Rig钻机和意大利Drillmec公司推出的HH系列全液压钻机已形成980～2 942 kN钩载系列产品。
石油钻采设备及工艺-李振林 §2-4 电驱动钻机
二、ZJ15D钻机
ZJ15D钻机采用交流电驱动，机械变速，气动控制，可整体拖运；用于钻探中浅 油气井，由兰州石油机械研究所、吉林重型机器厂设计，吉林重型机器厂制造。
三、ZJ60D钻机
ZJ60D钻机是国产第一台6000m级SCR电驱动钻机，由兰州石油化工机器厂制造。
钻机主要部件结构是在ZJ45钻机部件基础上，吸取国外同类钻机的结构优点设计 制造的。SL-450水龙头和3NB-1300钻井泵为定型产品。绞车功率1470KW，采用开 槽滚筒，强制水冷却，分体组合式密封绞车架，通风型胎式低速离合器，配合 DS-60电涡流刹车和钻头自动送钻装置。 7.5m高钻台，可容纳足够的井口装置，采用平行四边形整体起升式底座，便于低 位安装55顿重的绞车。 ZJ60D钻机基本参数符合GB-1806-79及美国API规范，具有良好的钻井性能和经济 型。
•ZJ60D还具有简便集中的控制系统和灵敏完善的保护系统。如： 1）司钻可操作绞车、转盘、钻井泵、涡流刹车、自动送钻等作业机械，其控制操 作都集中在司钻台上。 2）司钻可自由地选择合适的钻井参数，最佳设备运转工况。 •AC-SCR-DC系统本身对各柴油机、交流发电机、可控硅整流装置以及绞车、转盘、 钻井泵等机械设备都有较完善灵敏的安全保护措施，以确保各系统安全可靠地工 作。
四、ZJ45D丛式井钻机
丛式井钻机就是用于钻丛式井的钻井设备，为适应丛式钻井，丛式钻机必须： •配备钻台移动系统和适于整体移位的坚固钻台底座，使钻机能在井场内沿纵、 横方向作整体移动，到达丛式井位。
•采用AC-SCR-DC电驱动，动力设备与工作机仅用电缆连接。当钻台及其上设备 （绞车、转盘、井架等）在井场作纵、横向移动时，钻机的动力控制系统、泵组、 固控系统设备可固定不动。
顶部驱动钻井系统ppt课件
46
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 2．液压系统
A．润滑时间表：
描述
进行液压油品分析 更换液压油
更换液压系统滤芯
频率
每6个月一次
一年，或根据油品分析结果 更早进行 每3个月一次
B．每日检查液压油液面。 在加入液压油前， 油嘴附近必须清洁。
47
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 3．电 机
禁止禁止反复快速反复快速地加速地加速减速减速加速加速减速也就是将手轮快速从减速也就是将手轮快速从最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制动模块失效动模块失效还可能导致钻具落井事故还可能导致钻具落井事故
11
（二）顶驱系统的主要构 成
12
（三）顶驱的优点
1．节省接单根时间 顶驱不使用方钻杆，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
顶驱具有使用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，可以大幅度减少起钻总时间。 3．下钻划眼
18
（四）中原油田顶驱使用情况
目前中原油田共有顶驱27台， 其中美国Varco交流变频顶驱4台 （TDS－11SA 3台，TDS－10SA 1 台），CANRIG500吨顶驱一台； 加拿大Tesco液压顶驱HMI-500一 台,HMIS-250两台；挪威MH公司 的PTD-500两台。其余为北石500吨 顶驱。所有设备均可以在标准的 43.28米井架内安全运行，TDS－ 10SA提升能力为250吨，其它顶驱 的提升能力均为500吨，而且符合 钻井施工和HSE规范要求，操作简 单、安全、高效。
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 2．液压系统
A．润滑时间表：
描述
进行液压油品分析 更换液压油
更换液压系统滤芯
频率
每6个月一次
一年，或根据油品分析结果 更早进行 每3个月一次
B．每日检查液压油液面。 在加入液压油前， 油嘴附近必须清洁。
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（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养 3．电 机
禁止禁止反复快速反复快速地加速地加速减速减速加速加速减速也就是将手轮快速从减速也就是将手轮快速从最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位最小位置拧向最大位置又从最大位置拧向最小位置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的置反复进行这种错误操作除了对顶驱系统的安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制安全运行有害以外导致系统母线过电压和动力制动模块失效动模块失效还可能导致钻具落井事故还可能导致钻具落井事故
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（二）顶驱系统的主要构 成
12
（三）顶驱的优点
1．节省接单根时间 顶驱不使用方钻杆，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
顶驱具有使用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，可以大幅度减少起钻总时间。 3．下钻划眼
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（四）中原油田顶驱使用情况
目前中原油田共有顶驱27台， 其中美国Varco交流变频顶驱4台 （TDS－11SA 3台，TDS－10SA 1 台），CANRIG500吨顶驱一台； 加拿大Tesco液压顶驱HMI-500一 台,HMIS-250两台；挪威MH公司 的PTD-500两台。其余为北石500吨 顶驱。所有设备均可以在标准的 43.28米井架内安全运行，TDS－ 10SA提升能力为250吨，其它顶驱 的提升能力均为500吨，而且符合 钻井施工和HSE规范要求，操作简 单、安全、高效。
顶部驱动钻井系统课件
顶部驱动钻井系统
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。
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。
石油钻采设备及工艺-李振林 §5-1 概述
1. 机械驱动
机械驱动，依驱动机组驱动特性的不同可进一步分为，柴油机直接 驱动（或简称柴油机驱动）和柴油机－液力驱动机械传动两种。 柴油机驱动机械传动：以柴油机为动力，2～4台柴油机，经齿轮、 胶带、链条、万向轴等机械传动元件的多种形式的组合，实现并车、 减速增矩、换向、倒车，以驱动传动绞车、转盘和钻井泵。 驱动特性就是柴油机本身的特性，工作机只能得到有限档的有级调 速。
四、钻机驱动类型及典型驱动设备的外特性
钻机驱动类型按照采用的动力设备的不同，分为机械驱动与电驱动 两大类： 机械驱动以柴油机为动力机； 电驱动以直流或交流电动机为动力机。 1. 机械驱动 2. 电驱动 3. 几种典型驱动设备的外特性 所谓动力机的外特性，指的是扭矩M随转速n而变化的规律性，即 M=f（n），常用曲线描述，称为外特性曲线。
4. 发动机比质量KG
G KG 发动机比质量即每单位功率（KW）的质量，用KG表示： Ne
式中，G ——发动机（包括必备的附件）的质量，kg；
kg / kw
Ne——额定功率，kw。
3. 分组驱动方案
分组驱动的目的主要是：
兼有统一驱动利用率高和单独驱动传动简单、安装方便的优点；
现代深井、超深井钻井采用7～9m高钻台，分组驱动可实现转盘、辅助绞车 （猫头轴）在高钻台上，而主绞车不上高钻台的方案；
1. 单独驱动方案
转盘、绞车、钻井泵三工作机组，各由不同的 动力机一对一或二对一地进行驱动； 电驱动钻机大都采用如右图所示的单独驱动方 案； 单独驱动，传动系统简单、效率高；工作机间 无机械形式的联系，便于钻机在井场进行平面布 置。 装机功率利用率低，动力机不能互济。
1. 绞车
特点 若大钩提升速度能随载荷的变化按理想功率 曲线 QhV C 相应地改变，即沿右图中曲 线次减少而 相应增加，即沿曲线2工作，则功率利用虽 不是最理想的，也已很充分。但在机械变速 有限档的情况下，这是不可能做到的。
石油钻采设备及工艺李振林自喷井采油及设备PPT课件
段塞流：再往上，井筒内压力更低于饱和压力，气体 进一步膨胀，小气泡合并成大气泡，使井筒内出现一段 原油一段气体的柱塞状，这时的气体象活塞一样，对油 流有很大的举升力。
雾状流 环流
段塞流 泡流
纯油流
第9页/共40页
环流：油流再上升，气体再分离、膨胀，气体柱塞不 断加长，逐渐从油管中心突破，形成中心连续气流，而 管壁附近则是原油流动的液流状态。
第3页/共40页
经过上述方法诱喷，油井达到自喷后，就打开套管闸门，放喷一个短暂时间，然后改为 油管放喷，转入正常采油。
第4页/共40页
2. 自喷的动力
➢井底原油能自喷到地面主要是受多种地层驱动力的作用。 ➢当油藏未开发、地层未打开时，油层中的压力处于平衡状态，原油不流动； ➢一旦地层中钻有油井，并开始生产时，油层内的压力平衡被打破，井底压力低于油层压 力。 ➢在地层驱动力的作用下，先将原油从地层内推向井筒， ➢若还有剩余的能量， 再将井筒内的原油举升到地面。
第21页/共40页
封隔器编号 以下代号按次序从左至右顺序排列，依次为：部定型产品代号－油田代号－封隔器型式代 号－套管或裸眼公称直径代号－设计结构代号－结构设计次数。
封隔器型式代号：1（支撑式）、2（卡瓦式）、3（皮碗式） 4（水力扩张式）、5（水力自封式）、6（水力密封式）、7（水力压缩式）
部定型产品代号 油田代号：大庆
➢油管挂与四通内壁之间的间隙，通过一组密封圈加以密封；密封圈之间有隔环，当介质 通过密封圈渗入隔环的空腔时，可由单向阀压入密封脂；通孔内装有压环，并用六个顶丝 将其顶住，以防井内液体作用在油管上将油管柱顶出固有的位置；
➢油管挂上部的护丝是为了保护油管挂上方的螺纹，当安装采油树时，可将护丝卸去。
油管挂 密封组 压环 密封隔环
雾状流 环流
段塞流 泡流
纯油流
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环流：油流再上升，气体再分离、膨胀，气体柱塞不 断加长，逐渐从油管中心突破，形成中心连续气流，而 管壁附近则是原油流动的液流状态。
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经过上述方法诱喷，油井达到自喷后，就打开套管闸门，放喷一个短暂时间，然后改为 油管放喷，转入正常采油。
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2. 自喷的动力
➢井底原油能自喷到地面主要是受多种地层驱动力的作用。 ➢当油藏未开发、地层未打开时，油层中的压力处于平衡状态，原油不流动； ➢一旦地层中钻有油井，并开始生产时，油层内的压力平衡被打破，井底压力低于油层压 力。 ➢在地层驱动力的作用下，先将原油从地层内推向井筒， ➢若还有剩余的能量， 再将井筒内的原油举升到地面。
第21页/共40页
封隔器编号 以下代号按次序从左至右顺序排列，依次为：部定型产品代号－油田代号－封隔器型式代 号－套管或裸眼公称直径代号－设计结构代号－结构设计次数。
封隔器型式代号：1（支撑式）、2（卡瓦式）、3（皮碗式） 4（水力扩张式）、5（水力自封式）、6（水力密封式）、7（水力压缩式）
部定型产品代号 油田代号：大庆
➢油管挂与四通内壁之间的间隙，通过一组密封圈加以密封；密封圈之间有隔环，当介质 通过密封圈渗入隔环的空腔时，可由单向阀压入密封脂；通孔内装有压环，并用六个顶丝 将其顶住，以防井内液体作用在油管上将油管柱顶出固有的位置；
➢油管挂上部的护丝是为了保护油管挂上方的螺纹，当安装采油树时，可将护丝卸去。
油管挂 密封组 压环 密封隔环
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
石油钻采设备及工艺-李振林 §1-5 钻井技术
实现平衡压力钻井的关键是选择合理的钻井液比重，使 钻井液静液压力和环空压降之和同地层孔隙压力始终保 持平衡。 平衡压力钻井技术的基础是新近发展起来的地层压力和 地层破裂压力梯度检测技术、井控技术、钻井液固相控 制工艺技术及计算机技术。 因此，实施平衡压力钻井，必须安装可靠的防喷装置， 防止井涌失控导致井喷；必须配置先进的固控设备，以 适时调配和控制钻井液性能。
•我国较多采用最大钻头水功率工作方式：破碎岩石，冲 洗井底需要一定的能量。单位时间内射流所含能量越大， 钻进速度越快。因此主张，在地面泵提供一定的水功率的 条件下，要把其中尽可能多的部分分配在钻头上。 •为保证能采用喷射式钻井，除研制各种水力喷射式钻头 外，必须配备高压大功率的钻井泵及相应的高压闸门、高 压管汇、水龙带、水龙头，配备完善的固控设备。
三、平衡压力钻井
平衡压力钻井是指钻井过程中保持井内钻井液动
压力与地层孔隙压力相等，即: P地＝P液＋P环 式中：P地——地层孔隙压力； P液——钻井液柱静压力； P环——钻井液循环时的环空压降。
钻进时，保持井底压力平衡〈或近平衡〉可降低岩石强 度和岩屑的压持效应，能大幅度提高机械钻速，可有效 地保护油层，稳定井眼，防止井漏。
§1-5
钻井技术
一、钻压、转速、排量和钻井液性能 对机械转速的影响 二、喷射式钻井
三、平衡压力钻井
四、最优化钻井
五、井斜与满眼钻井法
附：本节复习题
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钻井技术是一门正处于蓬勃发展中的科学。 本节主要讨论影响钻井速度和井身质量的有
关问题 。
一、钻压、转速、排量和钻井液性能 对机械钻速的影响
井斜是标志井身质量的一个重要指标，一般用井斜角和井斜方 位角来表示。此外尚有井斜变化率，井底水平位移等。 由于钻头上方的钻柱受压而弯曲，倾斜地层软硬交界处钻头在 圆周各处所遇阻力不一致等因素的影响，要把井打得绝对的直， 显然是不可能的。但井斜若超过规定标准，井底水平位移过大， 就会打乱油层处井眼的合理分布。另外，井斜过大，在工艺上 将引起其它不良后果。因此，我国各油田对井斜都有规定标准， 以确保井身质量。 满眼钻井法，又叫刚性配合法，这是我国在石油矿场广泛采用的 快速钻直井的重要措施。 钻具下部的钻铤，在钻压作用下会产生弯曲，使钻具在井内不居 中，导致产生井斜。通过在钻铤弯曲处加上扶正器〈用硬质合金 块焊成〉增加受压部分刚度，使钻具居于井眼中心，防止井斜， 此即满眼钻井原理 。
石油钻采设备及工艺-李振林 §5-4 电驱动原理与设备
② ③ 2. 硬特性： a＝40～10，即转速n随转矩增加而下 降，但改变程度不很大； 软特性： a<10，即转速n随转矩增加快速下降。 固有特性和人为特性 固有特性是指电动机端电压、频率（指交流电 流）、励磁电流都为额定值，且电极电力回路中 无附加电阻时所具有的特性。 通过改变上述条件进行调节得到的机械特性称为 人为特性或调节特性。
SCR直流电驱动，是直流电动机去驱动工作机； AC变频电驱动，是交流电动机去驱动工作机。 交流变频（AC变频）驱动技术于80年代中期首先被引入顶驱钻井 系统。1997年以来，英国在北海油田钻井平台上已采用交流变频电 驱动钻机代替SCR直流电驱动钻机。 预期，本世纪，交流变频驱动技术在石油装备领域，尤其是在石 油钻机、顶驱钻井系统方面的研究开发与应用，将进入一个蓬勃发 展的时期。
二、直流电动机机械特性与人为特性
1. ① ② 2. ① ② ③ 3. 直流电动机固有机械特性 直流电动机固有机械特性与励磁方式有关： 并励（它励）电动机 串励电动机 直流电动机的人为特性（调速方法） 现代电驱动钻机广泛采用它励直流电动机驱动工作机。通过调 节电动机转速，获得人为特性，以适应绞车、转盘的调速要求 由公式n= f（M）可知，改变Re、U及 中任一个量即可改变 转速n，即它励直流电动机有三种调速方法： 电枢串电阻调速 降低电枢电压调速 减弱磁通调速 直流电动机降压、弱磁综合调速原理 采用直流发电机－电动机组或可控硅整流电源供电的直流电动 机可联合应用降压法与弱磁法，以扩大调速范围。
并励（它励）电动机中，磁通 基本不变，Ce、Cm是与电机结构有关的系 数。因此理想空载转速n0及系数b均为常数。
① 串励电动机：具有软特性， n= f（M）表达式与并励电动机基本相同：
SCR直流电驱动，是直流电动机去驱动工作机； AC变频电驱动，是交流电动机去驱动工作机。 交流变频（AC变频）驱动技术于80年代中期首先被引入顶驱钻井 系统。1997年以来，英国在北海油田钻井平台上已采用交流变频电 驱动钻机代替SCR直流电驱动钻机。 预期，本世纪，交流变频驱动技术在石油装备领域，尤其是在石 油钻机、顶驱钻井系统方面的研究开发与应用，将进入一个蓬勃发 展的时期。
二、直流电动机机械特性与人为特性
1. ① ② 2. ① ② ③ 3. 直流电动机固有机械特性 直流电动机固有机械特性与励磁方式有关： 并励（它励）电动机 串励电动机 直流电动机的人为特性（调速方法） 现代电驱动钻机广泛采用它励直流电动机驱动工作机。通过调 节电动机转速，获得人为特性，以适应绞车、转盘的调速要求 由公式n= f（M）可知，改变Re、U及 中任一个量即可改变 转速n，即它励直流电动机有三种调速方法： 电枢串电阻调速 降低电枢电压调速 减弱磁通调速 直流电动机降压、弱磁综合调速原理 采用直流发电机－电动机组或可控硅整流电源供电的直流电动 机可联合应用降压法与弱磁法，以扩大调速范围。
并励（它励）电动机中，磁通 基本不变，Ce、Cm是与电机结构有关的系 数。因此理想空载转速n0及系数b均为常数。
① 串励电动机：具有软特性， n= f（M）表达式与并励电动机基本相同：
第四章顶驱钻井系统
图4-2 水龙头—钻井马达总成
由水龙头、马达和一级齿轮 减速箱组成。
（ 1 ） 马 达 ： 用 并 激 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， 与普通水龙头的一致。
（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）相啮合，主轴下方接 钻柱。
RI fac
②工作过程：
★两个油缸向上的合拉 力大于顶驱和立根重量 ，油缸带动顶驱和立根 上移。此时蓄能器（参 见图4-16）放出压力油 供给油缸工作。随着蓄 能器内油液放出，油压 降低，油缸的拉力减小 。
★当油缸向上的拉力小 于顶驱和立根重量时， 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
中国：有液压、AC-SCR-DC顶驱，尚无AC—AC变频顶驱。
二、顶驱钻井特点 （1） 立根（28m）钻进，节省2/3接单根时间。
（转盘钻以单根加长钻杆，以立根钻进井架不需加高。)
（2） 可随时压井（任意高度需循环井液，水龙头可立即接上） ，减少卡钻事故。 （3） 实现：倒划眼起钻（钻头取不出时，边转边提）;
图4-6 远距离鼓风机冷却系统
2. 导轨—导向滑车 总成
导向滑车和支撑装 置总成如图4-7所示。
①导轨：装在井架 内
②导向滑车：由马 达底座和框架组成。
③作用：对游车和 顶驱起导向及承受反 扭矩作用。
80年代为双导轨， 90年代改为单导轨。 图4-7 马达支架和导向滑车总成
3. 上 扣 卸 扣 装 置 （Pipehander）
图4-1 顶部驱动钻井系统
2.思路: 转盘＋水龙头—→动力水龙头 3.顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵 和AC变频驱动） 4. 顶驱发展 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 (80年代广泛用) ②AC变频f顶驱 80年代中，挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱。 之后，美国（Varco公司）、挪威（MH公司）、加拿大（Tesco 公司和CANRIG公司）等研制了AC变频顶驱。 90年代，AC变频顶驱占了主导地位。
顶部驱动钻井系统课件
顶部驱动钻井系统的优势
• 优势：顶部驱动钻井系统具有较高的稳定性和可靠性，能够 确保钻井作业的顺利进行。同时，它还具有易于维护和更换 的优点，能够降低运营成本。此外，顶部驱动钻井系统还具 有自动化程度高、操作简便等优点，能够提高钻井效率和质 量。
03 顶部驱动钻井系统的应用
油气勘探与开发
01
顶部驱动钻井系统在油气勘探和开发中发挥着重要作用 ，特别是在深井和超深井钻探中。
历史与发展
历史
顶部驱动钻井系统的起源可以追溯到20世纪60年代，当时该技术主要用于石油和 天然气勘探和开发。随着技术的不断发展和改进，顶部驱动钻井系统逐渐成为一 种高效、安全、可靠的钻井设备，广泛应用于各种钻井作业。
发展
随着科技的进步和市场需求的变化，顶部驱动钻井系统也在不断发展和改进。未 来，该系统将继续朝着更加高效、稳定、安全和智能化的方向发展，为石油和天 然气工业的发展做出更大的贡献。
轴承损坏会导致设备运转 不灵活或卡滞，应及时更 换轴承。
05 顶部驱动钻井系统的未来发展
技术创新
智能化控制
通过引入先进的传感器和控制系 统，实现顶部驱动钻井系统的远 程控制和自动化操作，提高钻井
效率。
高效钻头与钻具
研发更耐磨、抗高温的钻头和钻具 材料，提高钻井速度和钻井质量。
井下信息传输
发展实时监测和数据传输技术，将 井下钻头、钻具的工作状态和地质 信息实时传输到地面控制中心，为 钻井决策提供依据。
顶部驱动钻井系统课 件
目录
• 顶部驱动钻井系统简介 • 顶部驱动钻井系统的组成 • 顶部驱动钻井系统的应用 • 顶部驱动钻井系统的维护与保养 • 顶部驱动钻井系统的未来发展
01 顶部驱动钻井系统简介
石油钻采设备及工艺-李振林 §4-1 转盘
转 台 迷 宫 圈
大 锥 齿 轮 转 台
制 制 动 动 块 销 方补心
大 方 瓦
迷 宫 圈
负 荷 轴 承
小 锥 齿 轮
制 动 棘 轮
双 列 调 心 轴 承
制动螺栓 下 迷 宫 盘 上 迷 宫 盘 止动盘
调节锁紧螺母
辅助轴承 快速轴
水平轴上两轴承采用不同型式或不同尺寸，且都由轴的一端进行装配。
用销子或棘爪直接去制动转台，制动时齿轮副不参加传力
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一、转盘的功用与使用要求
•钻井过程中，转盘要完成如下工作：
1）转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速； 2）下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量；
3）完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进扣等辅助工作；
涡轮钻井时，转盘制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。 •为保证转盘能实现上述职能，要求： 1）转盘的主轴承有足够的强度和寿命； 2）转台和锥齿轮能传递足够大的扭矩，能倒转，能可靠地制动； 3）密封性好，严防外界的泥浆、油水污液渗入转盘内部，减缓齿 轮和轴承的磨损。
2）水平轴上两轴承采用不同型式或不同尺寸，且都由轴的一端进行装配。
•
转盘制动装置
1）水平轴上装棘轮，采用这种方案时，对锥齿轮有损害；
2）用销子或棘爪直接去制动转台，制动时齿轮副不参加传力
四、转盘的特性参数
1. 通孔直径 转盘通孔直径是转盘的主要几何参数，比第一次开钻时最大号钻头直径至少大 10mm；
大 锥 齿 轮 转 台
制 制 动 动 块 销 方补心
大 方 瓦
迷 宫 圈
负 荷 轴 承
小 锥 齿 轮
制 动 棘 轮
双 列 调 心 轴 承
制动螺栓 下 迷 宫 盘 上 迷 宫 盘 止动盘
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•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；
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
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
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；
复习题
1. 何谓
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
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
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。
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
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。
•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
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）
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。
•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。
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）
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。
§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。
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；
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。
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；
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；
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
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
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；
复习题
1. 何谓
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
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
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。
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
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。
•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
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）
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。
•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。
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）
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。
§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。
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；
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。
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；