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。

液压驱功钻机更适合于采用新的钻井工艺。如套管钻井新工艺，采用全液压驱动套管钻机是最合适最经济的。液压驱动钻机向全新模式钻机发展。如Ram Rig钻机绞车和提升系统超出了常规钻机模式，采用液压驱动，体积小，质量轻，成本低，使绞车和提升系统结构更简单。液压驱动钻机向多个小功率液压马达传动发展。挪威MH公司生产的海洋2013kW液压驱动单轴绞车，采用多个小功率液压马达通过滚筒两侧的内齿轮传动滚筒轴，用4个小功率液压马达传动转盘，用2个液压马达传动顶驱。德国Wirth公司用多个液压马达传动绞车，用2个液压马达传动转盘。加拿大Tesco公司采用2个液压马达传动顶驱。

挪威Maritime Hydraulics 公司产品(PTD轻便式顶部驱动钻井系统)

A、系统组成

PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）；

液控钻具防喷器；钻井马达总成钻杆上卸扣装置，液压动力系统五部分组成。

B、顶部驱动装置总成

液压顶部驱动装置结构原理图

水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。主轴与从动大齿轮固连。两个液压马达的输出轴通过花键与主动小齿轮轴固连。钻杆上卸扣装置悬挂在主轴下台肩上。导向滑车通过四个铰链与减速箱壳体固连。

C、驱动装置减速箱总成

顶驱减速器结构原理图

该装置采用了高速小扭矩液压马达。为使主轴获得很大的扭矩，采用了两级齿轮减速。为减轻齿面载荷，采用双闭环齿轮传动。

D.液压扭矩钳结构原理

液压扭矩钳结构原理图

上图为液压扭矩钳结构原理图，液压缸为单作用缸，夹紧靠液压力，释放靠弹簧力。该结构共有两组液压缸，处并联状态，输入液压油时，左右两缸同时外伸，夹紧钻具接头。钳牙用螺钉固定，可以随时更换。

挪威MH公司Ram Rig钻机

与常规钻机相比较，Ram Rig钻机绞车和提升系统方案简单，结构紧凑，体积小，质量轻，成本低，技术经济指标先进；采用全液压驱动钻机，无工作火花，钻井更安全，特别是钻天然气井或伴生天然气较多的油井，不会发生着火事故；可完成钻井、起下钻、下套管或修井等作业，动力消耗较少；现场试验和钻井实践表明，Ram Rig钻机可提高钻井效率15%～20%。

加拿大Tesco公司新型套管钻机

采用自动送钻装置钻井，井身质量较好，机械钻速高，钻井成本降低；采用多个液压马达传动，钻机传动机构简单，体积小，占地面积小，相对操作空间较大；采用全液压驱动型式，以单一的柴油机液压泵作动力源，投资少，功率利用率高；采用各种先进的钻井测录仪表，及时显示记录和储存实时钻井数据，为司钻提供钻井决策依据；套管钻井中无起下钻二层台操作，接套管作业在低位钻台面上进行，从而提高了操作的安全性和准确性，节约钻井成本30%～50%；利用特制小绞车起下套管钻井的钻头，与起下钻换钻头相比省时省力.

意大利新型石油钻机

意大利SOILMEC

1.中型系列石油钻机

中型系列钻机有G—100型、G—125型、G—150型和G—200型等4种，钻井深度为1800～4000m，修井深度为3600～7000m。中型系列石油钻机适用于钻小井眼井，具有钻井成本较低等优点。

2.轻型系列石油钻机

轻型系列石油钻机有G—14型、G—22型、G—35型、G—55型和G—75型等5种，钻井深度300～1000m，修井深度600～1800m。钻机动力消耗少，可快速钻井或修井，是根据API Spec和ISO 9001质控系统设计制造的。

3.主要结构特点

采用全液压驱动型式，钻机的所有部件采用同一液压动力源，功率利用率高。该型钻机没有井架，在活塞杆的外面包着导轨，起引导顶驱上下运动和承受顶驱钻井时反扭矩的作用。采用顶驱钻井方式，钻进速度快，质量好，安全可靠，处理事故能力强，钻井经济效益好。利用液压控制系统控制钻压，可实现恒钻压自动钻进，井身质量好，机械钻速快。配有1台挺杆式小型起重机，可在钻井作业中完成各种小件的吊运作业。