顶驱

目，它具有成本低、轻便、可靠性高及维护费用低等优越性，
可用在修井机和轻便钻机上。
中国顶驱
1993年列入总公司重点科研计划，由勘探院 机械所、宝鸡石油机械厂和大港油田承当研究。
1995年完成样机。1997年在塔里木60501井队 进行工业实验，适应多种复杂钻井要求，完钻 井深5649m，垂深5369m，水平位移550m，井 斜角70°。该井在试验阶段，起下钻约50次， 多次遇阻遇卡，利用顶部驱动装置均能顺利通 过。
接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员
顶部驱动钻井系统
往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。使用TDS下钻 时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。这样不花费时间， 也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。 (4).节省定向钻进时间 该装臵可以通过28m立根循环，相应减少井下马达定向时 间。 (5).人员安全 钻井人员最需要进行的一项工作是接单根。TDS可减少接单
TRACS。 1.德国与EASTMAN CRISTENSEN CO共同研制开发的自动 垂直钻井系统VDS
(1百度文库.VDS的结构与工作原理
国外井眼轨迹自动闭环工具的发展
VDS主要依靠紧靠在钻头上方的四块可独立控制伸缩的棱 块压靠井壁，井壁的反作用力使钻头产生导向作用所需的侧 向力。 VDS包括一不旋转的导向套，它紧挨着钻头，有一中轴通
年还生产了临时性的单速（速比6.67:1）TDS-5型顶驱装臵。
顶部驱动钻井系统
至80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS4型2种顶驱应用了这种新马达，并在钻机上得以应用。 (2).第二阶段 20世纪90年代。这一阶段的特征是应用整体式水龙头、
游车等。在1990年首先生产出了整体式水龙头，装配在TDS3S、TDS-4S两种型号的顶驱装臵上，得到广泛应用。随着钻 井深度的增加，要求驱动更大质量的钻柱，于是设计了双马
功，正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。它可以从井架 空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，
顶部驱动钻井系统
完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼 等多种钻井操作，如图15所示。顶部驱动钻井系统主要由以 下三部分组成： (1).导向滑车总成
(2).水龙头——钻井马达总成 (3).钻杆上卸扣装臵总成
达驱动的顶驱装臵，它具有单速转动（速比5.33:1），命名为
TDS-6S型，用于深井钻机。1991~1992年间，应用了整体式 水 龙 头 和 游 车 ， 于 是 陆 续 又 研 制 出TDS-3SB、 TDS-4SB、
TDS-6SB等型号的顶驱装臵。
顶部驱动钻井系统
1993年之后，研制的IDS型整体式顶驱钻井装臵，是一种 具有单速比6.00:1、紧凑的行星齿轮驱动的先进装臵，它是真 正意义上的整体式顶驱钻井装臵。由TDS型发展到IDS型，即 由顶驱发展到整体式顶驱装臵，在其研制史上实现了新的飞 跃。目前该公司研制出500t的TDS-11S型、400t的TDS-9S型 及轻便的250t的TDS-10S型顶驱。其中尤以TDS-11S型引人注
这也就是所谓的井下闭环井眼轨迹控制工具。
目前国外多个石油工具公司都在致力于这一先进的、有意 义的自动定向钻井工具的研究。并取得了一些初步的成果， 它包括:
▲ 德 国 的 自 动 垂 直 钻 井 系 统 VDS （ VERDICAL DRILLING
SYSTEM）。
国外井眼轨迹自动闭环工具的发展
▲ 美 国 BAKER
重要进步。实现了钻
井马达与水龙头的一 体化，钻井马达在中 心安装，它穿过水龙 头之中，通过马达的 空心主轴，与水龙头 鹅颈管和中心管相连， 保证了钻井液有畅通 的流道。
顶驱的发展方向
1、顶驱目前还不能实现自动化钻井，它只 能实现钻机的局部自动化，还没有将司 钻从刹把前解放出来。如能将顶驱钻井 装置与盘式自动控制钻压、控制动力水 龙头转速等参数结合起来，实现自动送 钻，可使钻机自动化上一个台阶。
顶驱的发展方向
4、顶驱要向简单化、重量减轻、尺寸缩小 的方向再加以改进，才能满足修井机、 轻型钻机该装的要求，才能获得更广阔 的市场。
国外井眼轨迹自动闭环工具的发展
井斜控制技术水平的进一步提高，与新的井下井斜控制执 行机构和测量技术的发展密切相关，井斜控制技术的根本出 路是要创造出一种智能系统，它具有自动跟踪和校正能力， 当实钻轨道与设计轨道发生偏差时，即开始纠正这一偏差。
左右的是时间用于钻进。单根接成立根一般可以在空闲时，
如注水泥候凝或换钻头下钻进行。
顶部驱动钻井系统
(2).倒划眼防止卡钻 由于具有可使用28m立根倒划眼的能力，所以该装臵可在 不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转将钻具提出井 眼。钻杆上卸扣装臵可以在井架中间卸扣，使整个立根排放 在井架上。在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大 幅度地减少起钻总时间。 (3).下钻划眼 该装臵具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。下钻中
（4500~6000m）、超深井（6000~9000m）的日益增多。该产 品自80年代初开始研制，直到现在已发展到最先进的整体顶 部 驱 动 钻 井 装 臵 ， 英 文 简 写 为 IDS （ INTEGRATED TOP DRIVE DRILING SYSTEM），显示出它强大的生命力。
顶部驱动钻井系统
从世界钻井机械的发展趋势看，为适应钻井自动化的进一 步需求，顶驱钻井装臵和井下钻头加压装臵，将成为21世纪 世界钻井机械发展的主要方向。据悉，目前我国赴国外工作 的钻井队，如果钻机未安装顶驱装臵，工程投标将不予中标。
可见顶驱装臵已到了非用不可的地步。
1.什么是顶驱钻井装臵
顶驱钻井装臵是美国、法国、挪威近20多年来相继研制成
主要技术指标：名义钻井深度 6000m，最大钩载4500kN， 动力水龙头最大扭矩40kN.m， 转速范围0~180r/min，无级调 速，直流电机最大输出功率 940kW，倾斜背最大倾斜角 回转半径1350mm，最大卸扣
（前倾角30°，后倾角15°），
扭矩80kN.m，上卸扣装置夹
钻杆范围89~ 216mm（3 ½~8 1/2"）
国外井眼轨迹自动闭环工具的发展
根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。接单根时只需要打。
顶部驱动钻井系统
背钳。此外，钻杆上卸扣装臵总成上的倾斜装臵可以使吊环、 吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业 者工作的危险程度。 (6).井下安全 在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装臵可以在任何位臵相 接，开泵循环，进行立柱划眼作业。采用方钻杆与转盘时， 就得卸掉1~2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。 在大位移井接单根划眼、卡钻、憋泵的危险性较大，特别在
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。实践表明，该系统可节省钻井时间20%~25%，并可预防 卡钻事故的发生，用于钻斜井、高难度定向井时经济效果尤
为显著。
顶部驱动钻井系统
2.顶驱钻井系统研制过程 美国Varco公司的研制历程Varco BJ公司大致经历了2个 阶段。 (1).第一阶段
制水龙头旋转接头。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩
径井段的摩阻力，这样套管就容易通过井径缩小的井眼。 (10).取心 能够连续取心钻进28m，取心中间不需接单根。这样可 以提高取心收获率，减少起钻次数，与传统的取心作业相比，
它的优点是明显的，污染小，质量高。
整体式顶部驱动钻井 装置，是顶驱发展的
HUGHES 工 具 公 司 的 SDD 系 统
（STRAIGHT DRILLING DEVICE）。
▲ 美国BAKER HUGHES工具公司的自动旋转闭环井斜控
制系统RCLS（RO TARY CLOSED LOOP DRILLING SYS-
TEM）。
▲ 美 国 HALLIBURTON 公 司 的 井 下 闭 环 井 斜 控 制 系 统
顶驱的发展方向
2、顶驱自身重量大，减小了游动系统的有 效起重量，增大了纲绳、轴承等机件的 磨损甚至破坏，因此要求相应的机械设 计、制造、材料等方面的改进。
顶驱的发展方向
3、由于使用了顶驱，装置上有了重大改变， 操作方式中将出现新的问题，如下套管 时水龙头带必将先放下来会消耗大量的 时间；在海洋平台上下套管时遇到飓风， 就必须将它先放下，需立根疏散时间。 因此有必要研制与顶驱配套的机械手装 置。
20世纪80年代。1981年开始研制TDS-1型装臵的系列马达
原型，并设计了TDS-2型顶驱钻井装臵。1983年生产了单速 （速比为5.33:1）TDS-3型顶驱装臵，并由此形成了工业标准。 在这个阶段上历时5年时间，至1988年研制开发了具有新标准 的2速（高速比7.95:1，低速比5.08:1）TDS-4型顶驱装臵，同
作用类似于方钻杆旋塞。 (7).设备安全 顶部驱动钻井装臵采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从 扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最
大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马
顶部驱动钻井系统
达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设 备超负荷长时间运转。这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使 用寿命的目的。 (8).井控安全 在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶 驱钻井装臵主轴与钻柱分离。在用吊卡提升钻柱的过程中，
利用转盘旋转钻进时，方钻杆被转盘推动旋转，同时又可
通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻
完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。
而顶部驱动钻井装臵不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束， 也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦。代之而起的是利用
顶部驱动钻井系统
立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时 间。可以这样来做一个测算，若钻进1000ft（即305m）中每 一次连接单根的平均时间为1min（准确的说，从钻头离开井 底到开钻之前），那么用立根钻进就可减少2/3的连接时间， 即减少 (305/9.17)×(2/3) ×10 =221min的接单根时间（即在钻 头不钻进的情况下的总计时间）。换言之，这相当于节省4h
顶 部 驱 动 钻 井 系 统
顶部驱动钻井系统
近20年来，在世界上发展起来的顶部驱动钻井装臵（以下 简称顶驱装臵），英文简写为TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），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。目前在世界上不少国家的上千台
大、中型钻机上，将它用于钻中深井（2000~4500m）、深井
法国Acb公司顶驱
法国Acb公司顶驱
其他外国公司的顶驱
• 加拿大Tesco公司 • 加拿大Canring公司
• 美国National-Oilwell公司
• 美国Bowen公司
顶部驱动钻井系统
3.顶部驱动钻井装臵的功用及优点 不用方钻杆钻井有许多优点。同以前的方法相比，顶部驱 动钻井装臵还有一些特定优点： (1).节省接单根时间
若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆
上卸扣装臵可在井架任何高度将主轴插入钻柱，数秒内遥控 完成旋扣和紧扣，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内
压力。
顶部驱动钻井系统
(9).下套管 Varco BJ顶部驱动钻井装臵具有650t提升能力，可采用 常规方法下套管。在套管和主驱动轴之间加入一个转换接头 （又称大小头）就可在套管中进行压力循环，无须再接入钢
过导向套的中间，把钻头与旋转的钻杆连接起来，带动钻头
旋转钻进。在导向套内沿圆周布臵四个可伸缩的导向棱块， 他们可以独立地向外伸出。导向棱块由四个活塞驱动，活塞 又由液压阀控制。井斜由两个重力加速度计测量，测量的数 据随时反馈到井下微处理器中，微处理器经过计算判断，如
果发现井斜超出一定值，微处理器就发出命令打开液压阀，
上提遇卡，下放遇阻时，很难接方钻杆循环。如使用顶部驱
顶部驱动钻井系统
动钻井装臵，很容易在任何位臵立即进行循环，大大减少了 卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边 循环边旋转下放，通过遇阻井段。扭矩管及托架总成起扶正 作用，保证下套管作业中套管居中。顶部驱动钻井装臵内防
喷阀及其执行机构，在发现井涌时可立即执行井控动作，其