石油钻机顶部驱动钻井系统研究
顶部驱动钻井系统(1)
顶驱下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少 卡钻的危险。
.
13
（三）顶驱的优点
4． 人员安全
顶驱可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。 接单根只需要打背钳。倾斜装置可以使吊环、吊卡向
前摆至鼠洞和猴台，大大减少了人员工作的危险程度，
用游车提起顶驱，把固定顶驱的. 第5节导轨与第4节导轨连接40
（一）顶驱的安装
连 接
4 、
5 节 导 轨
.
41
（一）顶驱的安装
4、5节导轨.连接完毕
42
（一）顶驱的安装
安装完导 轨和顶驱主 机，然后将 变频房就位， 再安装电缆。
.
43
（一）顶驱的拆卸
顶驱的拆卸，与安装的程序基本 相反。但应注意以下几点： 1.拆掉吊环后，顶驱主机要摆正位； 2.拆掉水龙带后，要释放中心管内的 泥浆； 3.及时断电。
A．润滑时间表
描述
润滑交流电机 润滑风机电机 润滑液压泵电机
润滑点数
4 4 2
冲数
5冲 3冲 3冲
频 率 油料品种
每3个月一次 每3个月一次 每3个月一次
电机黄油 电机黄油 电机黄油
B．推荐电机黄油：
CHEVRON公司生产的BLACK PEARL EP2（不允许替代）。
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48
（二）顶驱的维护保养
顶驱的润滑和保养
可能需要更频繁的润滑；耐磨补心，捆绑件，易生锈处以及异常工 况需要更频繁的润滑；请留意不可过度润滑部件。
.
50
三、顶驱的操作
.
51
(一) VARCO司钻控制台的操作说明
.
DQ-90型顶部驱动系统方案研究
DQ-90型顶部驱动系统方案研究石油作为当今最主要能源,随着社会的日益发展,我们对它的需求量越来越大,如今石油天然气能源的开采呈现出由陆地浅层和近海向着陆地深层和深海发展的趋势,这就需要勘探开发更多更复杂的油气田,普通钻机按常规钻井方法开采复杂油藏因成本太高无法实施。
而顶部驱动钻井系统凭借其突出的功能和优点,作为当下国际钻井工程的必备设备,在国内大范围应用势在必行。
目前,国内顶驱系统研究生产厂商面对着国外顶驱厂商的极大冲击,跟它们的产品比较,我们的顶部驱动钻井系统还存在许多不足,尤其在自动化程度以及深井(4500-6000m)和超深井(6000-9000m)方面,由此我们对在这些方面的顶部驱动系统的研究显的尤为重要,不仅可以完善我国在深井顶驱系统方面的不足,同时为我们今后在顶驱系统的产品设计与研发提供了新思路。
本论文选择钻井名义深度9000m的顶部驱动钻井系统作为研究方向,结合SY/T6726-2008《石油钻机顶部驱动装置》中华人民共和国石油天然气行业要求,经过前期的资料查询和基本理论知识准备工作,较全面的了解到当前国产顶驱系统一线生产反馈的工况信息,在借鉴DQ-40BS、DQ-60D和DQ-70BS成功经验和成熟技术的基础上,初选结构方案和经验参数,通过对顶驱系统主要部件的计算设计,确定出DQ-90型顶部驱动系统的主要结构。
对主承载件,包括顶驱主要承重件吊环、顶驱核心工作部件动力输出轴以及易损件钳头进行三维建模,并对零部件进行静力学和模态分析,根据分析结果优化设计结构。
应用力学知识和强度理论,校核部件强度,确定部件及设备尺寸。
由于顶部驱动钻井系统发展的历史不长,目前国内有关顶驱钻井系统的设计及分析计算的资料很少,因此本文所采用的研究方法,研究手段和研究结果对研发新型钻井驱动系统以及对于普及顶部驱动钻井系统的基础理论知识有十分重要的指导意义。
顶部驱动钻井装置
冷却系统
冷却系统用于对顶部驱动钻井装置进 行散热和润滑。
冷却系统还需要具备较高的可靠性和 耐久性，以确保装置的正常运行和使 用寿命。
它通常包括润滑油、冷却液等介质， 能够有效地降低装置在工作过程中的 温度 钻孔上方，以便进行更换或调整。
它通常包括电动或液压驱动的升 降机构，能够快速、准确地完成
海洋工程
在海洋工程建设中，顶部驱动钻 井装置可用于安装桩基、导管架 等结构，确保工程结构的稳定性
和安全性。
其他应用领域
地热能开发
在开发地热能源的过程中，顶部 驱动钻井装置可用于钻取地热井 ，为地热发电和供暖提供热源。
地下水开发
在地下水资源开发中，顶部驱动 钻井装置可用于钻取水井，为农 业灌溉、工业用水和生活供水提 供水源。
对损坏的部件进行修复或更换，恢复设备的正常功能。
预防措施
针对设备常见的故障，采取预防措施，减少设备故障 的发生。
谢谢
THANKS
电源供电
电机接通电源后开始工作。
钻头旋转
减速器驱动钻头旋转，实现钻孔作业。
减速器传动
电机通过减速器将高速旋转转化为低速大 扭矩输出。
历史与发展
历史
顶部驱动钻井装置最早起源于20世纪初，但直到20世纪末才开始广泛应用于石 油和天然气钻探领域。
发展
随着技术的不断进步，顶部驱动钻井装置在性能、稳定性和安全性方面得到了 不断提升和完善。未来，该装置将继续朝着更加高效、智能和自动化的方向发 展。
顶部驱动钻井装置能够提供连续的钻头旋 转，提高了钻井效率。
稳定性
安全性
该装置具有稳定的旋转和推进力，减少了 钻孔偏差和故障。
顶部驱动钻井装置具有完善的安全保护功 能，降低了操作风险。
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 。
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
顶部驱动装置在轻型石油车装钻机上的方案分析
有良好的效果，从顶部驱动装置的结构出发，分析了顶部驱动 （下转第108页）
科学与信息化2021年6月上 105
工业与信息化
TECHNOLOGY AND INFORMATION
安装技术进行科学的分析，重点突出安装技术控制管理的必要 性。同时，生产企业在自动化设备投入使用之后，应当继续完 善安装生产阶段的不足，积极消除自动化设备的安全隐患，从 而全面提高自动化设备的整体运行安全系数，保障设备的安装 稳定运行，促进机械工程行业自动化设备的发展创新。
表现稍差，在安装顶部驱动导轨时，需要在底座上直接固定。 顶部驱动导轨的上部主要使用柔性连接，在天车底座处安装挂 耳。下部主要使用2.5m的一个支架，以此使底座和导轨形成一 体化的连接，借助于导轨的刚度，顶部驱动装置在钻井的过程 中通过反扭矩传送到底座部分。
3.2 套装前倾式井架 这种井架主要在车装钻机、部分拖挂钻机中进行使用，由 于这种结构型的井架在抗扭能力上不强，顶部驱动导轨会在底 座上直接固定。上部的连接也使用柔性连接，在进行安装时方 案基本和套装直立井架一样。 3.3 K形井架 这种类型的井架可以承受一定的反扭矩，在井架上可以 固定顶部驱动导轨，在导轨的上下部分都需要通过刚性连接井 架。这种连接的方式以及井架的反扭矩能力，使得对导轨制造 的要求不是很高。在K形井架的安装过程中，也有部分导轨上 部使用柔性方式连接的情况。
3 顶部驱动装置下的轻型石油钻机井架安装 轻型石油钻机的井架选择可以使用起放19m立根的双节套
装式井架，也可以使用起放28m立根的井架。轻型钻机的井架 包含套装直立井架、套装前倾式井架以及K形井架等。这些结 构型的井架在进行安装时，在安装方式以及对顶部驱动装置的 尺寸要求方面较严格。
《顶驱钻井系统》课件
油田服务
顶驱钻井系统适用于油田服务领域，能够提 高油田开采效率和降低成本。
04
顶驱钻井系统的操作与维护
操作流程
启动前的检查
检查顶驱钻井系统的各部件是否正常 ，油位、润滑情况等。
启动操作
按照规定的启动程序启动顶驱钻井系 统，并观察各仪表显示是否正常。
钻杆和钻铤等钻具起到连接和传递动力的作用， 对于保持钻头的稳定性和提高钻井效率具有重要 作用。
控制系统
01
控制系统是顶驱钻井系统的控制中心，它负责控制整个系统的运行和 监控各部件的工作状态。
02
控制系统通常由各种传感器、控制器和执行器等组成，能够实时监测 顶驱钻井系统的运行状态，并根据需要进行调整和控制。
维修保养记录
每次维护和保养都要做好记录，以便及时发现和 处理设备故障。
常见故障与排除方法
旋转系统故障
检查旋转系统的轴承、齿轮等部件是否正常，更 换损坏的部件。
冷却系统故障
检查冷却系统是否正常，清洗散热器，更换损坏 的冷却风扇。
ABCD
推进力不足
检查液压系统是否正常，清洗或更换滤芯，检查 油缸密封件是否老化或损坏。
03
控制系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻井系统的正常运行和提高 钻井效率具有重要意义。
04
控制系统的设计和制造需要充分考虑其抗干扰能力和可维护性，以确 保其能够适应各种复杂的环境和条件。
安全防护系统
安全防护系统是顶驱钻井系统的重要组成部分， 它负责保障钻井作业的安全性和环境保护。
安全防护系统的稳定性和可靠性对于保证顶驱钻 井系统的正常运行和提高钻井效率具有重要意义 。
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
顶部驱动钻井系统系列技术资料汇编 顶驱钻井
顶部驱动钻井系统系列之一顶部驱动钻井系统是取代转盘钻进的新型石油钻井系统。
英文简写为TDS（TOP DRIVEDRILLING SYSTEM），该产品20世纪80年代初开始研制，现在已发展到最先进的一体化顶部驱动钻井系统，英文简写为IDS（INTEGRATED DRIVE DRILLING SYSTEM）。
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。
顶部驱动钻井系统部件包括：水龙头一钻井马达总成；马达支架／导向滑车总成；钻杆上卸扣装置总成；平衡系统；冷却系统；顶驱控制系统及其它辅助设备。
与常规旋转钻井方式不同，采用顶驱系统钻进一次可接入和钻进约28m长的一个立根，上卸扣时间减少了2／3；在起钻遇阻遇卡时可以迅速接上钻具，一边旋转一边循环，进行倒划眼，可以大大减少卡钻事故。
（一）顶部驱动钻井系统发展趋势从20世纪80年代初第一台顶驱系统问世到现在，它一直是当今石油钻井的重大前沿技术与装备，已经成了深井、复杂井施工的必选装备之一，全世界已有上千台顶驱系统用于海洋、陆地深井和定向井。
在海外钻井工程的投标中，是否配备顶驱系统成了能否中标的重要条件。
目前，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静液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。
此外，不少厂家在不断提高顶部驱动系统功率、扩大AC 变频电驱动顶驱规格范围。
（二）国外顶部驱动钻井系统发展现状自1981年12月美国Varco–BJ公司研制的顶部驱动系统投入使用以来，挪威的Maritime Hydraulics公司、法国的ACB–Bretfor公司和TRITENN公司、美国的National Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。
其中Varco公司和National Oilwell公司已经基本上形成了AC变频电驱动顶驱系列。
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
顶驱电机方案研究
眼、 倒划 眼 等操 作 ， 的性能 好 坏直 接关 系 到钻井 作 业 能 否顺 利 进 行 ， 石 油 钻机 的驱 动 系统 中 占重要 它 在
Ｉ ＳＳＮ １ ＯＯ ８— ９４４ ６
Ｃ Ｎ １ — ２６５／ Ｔ Ｅ ３ １
承 德 石 油 高 等 专 科 学 校 学 报 Ｊ ｕｒ ａ ｏ Ｃｈ ｎ ｄ Ｐｅｒ ｌｕｍ Ｃｏｌ ｇ ｏ ｎｌ ｆ ｅｇｅ ｔｏｅ ｌｅ ｅ
第 １ ２卷 第 ３ 期 ，２ ０年 ９月 ０１ Ｖｏ ．１ Ｎｏ． Ｓ ｐ．２ ０ １ ２， ３， ｅ ０１
ＺＨＡＮＧ Ｊ ｎ，ＨＡＮ ｎ — ｉ ｕ Ｂｉ ｇ ｑ （ ｃ ａ ｉａ Ｍｅ ｈ ｎｃ ｌ＆ Ｅｌｃｒｃ ｌＥ ｕｐ ｎ ａ ｔｒ ，Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓｔ ｆＰ ｔｏｅ ｍ（ＥａｔＣ ｉａ ｅ ｔ ａ ｑ ｉｍｅ ｔ ｃｏｙ ｈｎ ｎｖ ｒｉ ｏ ｅｒｌｕ ｉ Ｆ ｙ ｓ ｈｎ ）， Ｄ ｎ ｙｎ ５ ０ ｈ ｎ ｏ ｇ ｈｎ ） ｏ ｇ ｉｇ２ ７ ６ １，Ｓ ａ ｄ ｎ ，Ｃ ｉａ
顶 驱 电 机 方 案 研 究
张 军 ， 兵 奇 韩
（ 国 石 油 大 学 （ 东 ）机 电装 备 教 学 实 习 总 厂 ， 东 东 营 ２ ７ ６ ） 中 华 山 ５ ０ １
摘 要 ：阐 述 了 顶 驱 电机 的类 型 与 特 点 ， 析 了 顶 驱 钻 井 系 统 的 钻 进 上 况 ， 结 合 开 关 磁 阻 电 机 技 术 对 顶 驱 电 分 并
ａ ｃ ｒ ａ ｃ ｔ ｈ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｏ ｗｉ ｈ ｄ ｒ ｌ ｃ ａ ｃ ｃ ｏ ｄ ｎ ｅ ｗｉ ｔ ｅ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｆ ｓ ｔ ｅ ｅ ｕ ｔ ｎ ｅ ｍｏ ｏ ． ｈ ｃ ｔ ｒ Ｋｅ ｙ ｗｏ ｄｓ： ｒ ｌｉ ｔ ｒ ｉ ｒ ｄ ｉｌ ｎｇ ｍｏ ｏ ｎ ＴＤＳ；ＳＲＭ ； ｄ ｉｌ ｒｌｉ ｎｇ
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。
顶部驱动变频系统在石油钻井中的应用与维护
会引起腐 蚀 清 洁系统元件用适度 的清洁剂湿润棉布，小心擦拭元件 表面，最后要用 干布擦 干。
２热 。电缆 线 发 热 的 原 因通 常 是过 流 引起 的 ，过 热 的原 因主 要 有 ．
两个：一是设备过 载； 二是 电缆老化 。引起接线端子过热，甚至烧 坏， 是因为连 接松动 引起 的。造成连接松动 的原 因主要是 由于经常搬家、 安装而产 生的振 动导致元件连接松动或绝缘破坏 。 因此，在每 口井设
控制 台 Ｖ ＤＣ上 的 旋 钮 在 送 电 前 没 有 设 置 在 要 求 的 位 置 时 ，系 统 会 报 警 ，变 频 器 的 面 板 提 示 上 出 现 报 警 ， 上 位 机 画 面 上 会 出 现 报 警 提 示 。 所 以 电气 操 作 人 员 在 现 场 操 作 的时 候 一 定 先 仔 细 观 察 ， 切 正 常 再 进 一 行 下 一 步 的操 作 。 例 如 ： 动 系 统 前 先 确 定 发 电机 到 达 额 定 电压 值 ， 后 合 上 Ｖ Ｄ 启 然 Ｆ
备 就位 之 后 ，最 好对 系 统做 一 次全 面 检 查 。
、
正确 的 操作
正确操作变频系统是十分重要 的， 也是保证顶驱正常运行 的基本 要求。因为不 当的操作可能会导致设备故障 ，甚至 导致人 身事故，并 影响设备 的寿命 。 正确 的操 作包括现场 的电气操 作人员和生产操作人
主要的有 ：过 电压 、欠 电压、过 电流 、接地故障 、保险熔断等 。当有 故障出现而导致变频柜跳 闸时 ，ＯＰ 面板上 的红色故障指示灯就亮， 同时显示 故障代码和简单 的故 障提示 。 操作人员可 以根据故障代码和 提示检查设备 ，排除故障 。例如西 门子的变频器报Ｆ ０ ：欠 电压故 ０８
顶驱钻井系统全面介绍PPT课件(1).ppt
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顶部驱动装置要解决的问题
传统钻井工艺的薄弱环节 （1）三大工作系统不能互济
起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地 层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困 扰钻井工人的问题。
我国千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。 （2）方钻杆长度受限
由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转 送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接 单根，因而费工、效率低，劳动强度大。
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。研制中科研人员与国内多家厂家积极合作， 克服资料、材料不全等许多困难，认真按照计划执行。 突出的是打破了国外关于空心电动机的垄断，解决了 一批机、电、液、气一体化的技术难题，于1995年完 成样机，并在台架试验中不断改进完善。
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顶驱与转盘钻井的比较
泥浆
方钻杆
打 钻
转盘
起 钻
泥浆 钻杆
钻头
遇卡
1 转盘钻井方式
2 顶 驱 钻 井 方 式
7
TDS驱动方式
液压驱动 液压马达外形尺寸很小，液压顶驱的 本体尺寸能够满足小型井架的需要， 该类顶驱的工作高度一般在5m以下。 液压顶驱多数用于小型钻机上。
电驱动 AC-SCR-DC AC变频
22
国产顶驱
现在我国已经能够生产从3000m到12000m的 顶驱装置，其参数符合我国钻机标准。
生产厂家： 北京石油机械厂 辽河天意石油装备有限公司 宝鸡石油机械集团 大庆锦宏有限公司
华北石油机械厂
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
顶部驱动钻井转速扭矩控制技术研究及应用技术型
顶部驱动钻井转速扭矩控制技术研究及应用技术型摘要：顶部驱动钻井是目前石油钻井工程中得到较好运用的新型技术设备，结构复杂、技术水平较高，具有一体性。
在具体应用中，如何精准控制顶部驱动钻井转速扭矩成为重要问题。
本文将结合实际情况，对顶部驱动钻井阻转速扭矩控制技术的应用展开分析，以期为今后开展的有关工作提供借鉴与参考。
关键词：顶部驱动钻井；转速扭矩控制技术；应用引言在石油钻井工程中，钻井装置应用尤其重要，高质量的钻井装置往往能够有效提升钻进安全性与效率，从而达到成本控制目的，顶部驱动钻井就能够较好满足这一要求，需对其输出转速与扭矩进行有效控制。
因此，联系实际分析顶部驱动钻井阻转速扭矩控制技术的应用是十分必要的。
一、顶部驱动钻井装置结构与技术（一）装置结构就目前顶部驱动钻井装置的生产与应用情况来看，其结构主要包含了顶驱装置、辅助装置、发电机组、电控室、液压源、司钻控制台和井架等部分。
其中，井架是起着支撑作用，其主体框架负责对顶部驱动钻井系统进行支撑，设备安装也需要利用这一结构部件来实现。
为了更好的控制顶部驱动钻井系统，将会应用PLC控制系统，从而构建起机电液一体化设备模型（如图1）。
图1顶部驱动控制系统网络拓扑图（二）主要技术随着我国科技快速发展，行业内纷纷开始技术变革，机械制造业同样如此，纷纷加快革新进程。
顶部驱动钻井作为21世纪重要的钻井装置，具有极强的技术性，结构复杂，其主要应用的技术有两种：（1）交流变频调速技术，该项技术是基于计算机技术、现代控制理论发展起来的，有助于提升系统相应速度、运行精度，调速范围也得以拓展，进而提升顶部驱动钻井的功能性。
（2）矢量控制技术，主要是对异步电动机定子电流矢量进行控制与测速，在顶部驱动钻井中的应用可实现对该钻井装置的直流电机进行控制，并获取与之相适应的调速范围，另外异步电动机转矩也可以通过这一技术来实现，提升顶部驱动钻井的静态、动态性能。
二、顶部驱动钻井转速扭矩控制技术的具体应用（一）装置选择与试验结果目前市面上的顶部驱动钻井装置较多，转速扭矩控制的应用方式也不尽相同，为了更为详细的了解该项技术于顶驱钻井装置中的应用情况与效果，将选择S120驱动系统的顶驱装置为例展开分析。
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石油钻机顶部驱动钻井系统研究
摘要由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋
转钻进,受方钻杆的长度限制,每次只能接单根钻杆,故费工费
时效率低,劳动强度大。
随着科技的进步,现代化的顶部驱动
钻井技术应运而生。
讨论石油钻机顶部驱动钻井系统的发展。
关键词机械;钻进;石油机械
中图分类TE2 文献标识码A 文章编号
1673-9671-(2010)042-0115-01
顶部驱动钻井是本世纪80 年代国际钻井领域中兴兴起的
项新的钻井技术,是旋转钻井技术的一次重大突破,受到世
界各国石油公司的高度重视并在国际石油工业中得到迅速发展。
侧部驱动装置因其结构简单、投资费用低,是目前顶部
驱动装置发展的焦点。
它与一般顶部驱动装置的不同为:一是
动力来源于原转盘动力,有利于提高钻机设备的利用率和功
率利用率,制造成本和投资费用较低;二是采用易卸短节代替
扭矩板手,简化了钻管装卸装置。
三是采用了立式传动轴,不
存在钻井反扭矩问题,不需要在井架中增加导轨。
侧部驱动钻井系统的功能、钻井性能和经济效益与顶部驱动钻井系统
样好。
以下主要介绍了顶驱钻井装置旋转钻井的特点及其工作原理。
1顶驱钻井装置旋转钻井的特点顶部驱动钻井装置是将原来固定在钻台面上的旋转驱
动装置变为随游车一起运动的集旋转动力、水龙头和上卸扣装置等为一体的新型钻井装置。
常规水龙头与钻井马达结合再配备结构新颖的钻杆上卸扣装置,它可从井架空间上部直
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,接钻杆,上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。
去掉了转盘、方钻杆、大鼠洞,避免了转盘钻井接单根时
频繁的常规操作,系统直接以立根钻进,减少了三分之二钻柱
连接时间,提高了钻井效率,节省了时间,减轻了工人劳动强度,
提高了钻井效率和井口操作的安全性。
起下钻时,顶驱钻井系统可在任意高度循环钻井液和旋
转钻具,实行倒划眼起钻和划眼下钻,可减少井下事故的发生
和及时处理各种危险状况,从而降低钻井费用和提高钻井速
度。
2顶部驱动钻井系统组成
2.1井架井架是各种设备的安装载体,由平台、井架、卷扬机、
大
钩等组成,通常高度约50 米左右。
顶驱本体悬挂在大钩上沿着安装在井架上的垂直导轨上下滑动。
顶驱装置:顶驱装置是
顶驱系统的最终执行机构,主要由钻井马达、齿轮减速箱、水龙头、回转机构、钻杆取送机构、液压系统等组成。
司钻控
制台:通过司钻控制台实现顶驱的各种动作和要求。
液压源
除主轴旋转由主电动机驱动外,其它功能如上卸扣、吊环倾斜
与回转、IBO P 开闭、主电动机制动、主体质量平衡等均由液压传
动控制实现。
2.2电控室电控室是顶驱电控系统的核心部分,主要是通过PLC
按
照要求控制变频调速系统。
发电机组:因为实际钻井位置多位
于比较偏远、没有供电的地方,所以大部分都要通过发电机组
供电。
辅助装置:辅助装置包括导轨和滑车、运移架、工具库、备件库等。
2.3水龙头主要包括钻井马达和齿轮减速箱、刹车装置、水龙头
等
主要部件。
其主要作用是由钻井马达驱动主轴旋转钻进、上卸扣,同时由水龙头提供循环钻井液,满足正常钻进需要。
水
龙头密封总成装在钻井马达上方,由标准冲管、组合盘根、联管螺母和鹅颈管组成。
联管螺母使密封总成作为一个整体运动。
盘根盒为快装式,与普通水龙头一致,可很快装卸冲管和
盘根。
冲管总成安装在主轴和鹅颈管之间,鹅颈管是钻井液的
通道,安装在冲管支架上。
鹅颈管下端与冲管相连,上端打开
后可以进行打捞和测井等工作。
2.4 回转头
当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱旋转时,它能始终保
持液、气路的连通。
回转头的固定法兰体内部有许多油气流道,一端接软管口,另一端通往法兰向下延伸圆柱部分的下表
面。
在旋转滑块的表面部分有许多密封槽,槽内也有许多流道,
密封槽与接口靠这些流道相通。
当回转滑块位于固定法兰的支承面上时,密封槽与孔眼相对接,使滑块和法兰不论是在回
转还是任一固定位置始终都有油气通过。
回转头可自由旋转。
2.5内防喷器及控制机构内防喷器的作用是:当井内压力高于钻
柱内压力时,可以
通过关闭内防喷器切断钻柱内部通道,从而防止井涌或者井
喷的发生。
它由上部的遥控内防喷器和下部手动内防喷器组
成。
上部的遥控内防喷器与动力水龙头的主轴相接,下面的手
动内防喷器与保护接头连接,钻井时保护接头与钻杆相接。
遥
控和手动内防喷器的结构基本相同。
带花键的远控上部内防
喷器和手动下部内防喷器形成内井控防喷系统。
当上卸扣时, 扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合传递扭矩。
下部内
防喷器型式与上部内防喷器相同,2 个内防喷器始终接在钻柱内防喷器可以松开留在钻柱中。
顶驱装置还可以接入一个转换接头,联接在钻柱和下部内防喷器中间。
扭矩扳手架上安装
,因此可随时将顶驱同钻柱联接使用。
在井控作业中,下部匚=f
有2 个双作用液压油缸,推动位于上部内防喷器一侧的圆环。
同液压油缸相联接的启动器臂与圆环相啮合,远控开启或关
闭上部内防喷器。
2.6导向架
由导向滑车焊接框架和马达支架两部分组成,导向滑车
焊接框架上装有导向轮,整个导向滑车总成可沿着导轨上下
运动,马达支架用以支承马达和其他所有附件。
导轨安装在井
架内部,对游车及顶驱系统起导向作用,钻进时承受反扭矩。
矩形管和工字梁制造的导轨有双轨及单轨 2 种,导轨两端用支座固定,加拿大制造的还有浮动式的。
钻井马达总成通过马达壳体上的耳轴销与导向滑车相连。
耳轴销允许马达总成在钻柱沿导轨上下运动时,二者保持对中。
2.7控制系统顶驱装置的控制系统包括电气传动控制系统和液
压传
动控制系统。
顶驱液压系统一般包括平衡系统、对主马达或主轴制动的刹车系统、上卸扣装置的回转头回转系统、内部防喷器控制系统、背钳夹紧系统等。
各动作均由PLC 控制操作。
液压系统主要由液压源、控制阀组、执行机构、液压管线、附件组成。
电气传动控制系统提供给操作者一个操作顶驱所有动作的控制台,包括司钻控制及仪表控制台、电缆、液
压管线、气管线等。
其可实行的基本控制功能有:吊环倾斜;
远控内防喷器;马达控制;马达旋扣扭矩控制;紧扣扭矩控制;
转换开关等。
3结论以上论文分析了顶部驱动钻井装置的作用、特点以及国
内外的发展概况。
分析了顶部驱动钻井装置的组成和结构
由于顶部驱动钻井装置发展的历史不长,目前这方面的研究
成果还不多,因此本文所采用的研究方法及其研究结果对进
步研制和完善新型钻井系统以及其它石油机械产品具有参考价
值。
参考文献
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油,2005,5.
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进展[J].探矿工程，2005,10.
[3]沈昭.国产顶部驱动钻井装置的研制与发展[J]. 石油机械,2001,29(su PP).。