顶驱钻井系统
顶驱
中国顶驱
1993年列入总公司重点科研计划，由勘探院 年列入总公司重点科研计划， 年列入总公司重点科研计划 机械所、宝鸡石油机械厂和大港油田承当研究。 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 年完成样机。 年在塔里木60501井队 年完成样机 年在塔里木 井队 进行工业实验，适应多种复杂钻井要求， 进行工业实验，适应多种复杂钻井要求，完钻 井深5649m，垂深 井深 ，垂深5369m，水平位移 ，水平位移550m，井 ， 斜角70° 该井在试验阶段，起下钻约50次 斜角 °。该井在试验阶段，起下钻约 次， 多次遇阻遇卡， 多次遇阻遇卡，利用顶部驱动装置均能顺利通 过。
主要技术指标： 主要技术指标：名义钻井深度 6000m，最大钩载4500kN， ，最大钩载 ， 动力水龙头最大扭矩40kN.m， ， 动力水龙头最大扭矩 转速范围0~180r/min，无级调 ， 转速范围 速，直流电机最大输出功率 940kW，倾斜背最大倾斜角 ， （前倾角30°，后倾角15°）， 前倾角 ° 后倾角 ° 回转半径1350mm，最大卸扣 ， 回转半径 扭矩80kN.m，上卸扣装置夹 ， 扭矩 钻杆范围Φ 钻杆范围Φ89~ Φ216mm（3 （ ½~8 1/2"） ）
顶部驱动钻井系统
完成钻柱旋转钻进、循环钻井液、接立根、 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 等多种钻井操作 ， 如图 15所示。 顶部驱动钻井系统主要由以 所示。 下三部分组成： 下三部分组成： (1).导向滑车总成 (2).水龙头——钻井马达总成 水龙头——钻井马达总成 (3).钻杆上卸扣装置总成 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 实践表明，该系统可节省钻井时间20% 25% 卡钻事故的发生，用于钻斜井、 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。 为显著。
顶驱系统与传统转盘系统的区别
顶驱系统与传统转盘系统的区别顶驱系统和传统转盘系统是石油钻井作业中常用的两种钻机装置。
它们在设计和功能上存在一些差异，本文将从结构、工作原理和应用等方面对两者进行比较，详细探讨顶驱系统与传统转盘系统的区别。
一、结构区别顶驱系统是一种安装在钻井井口上方的设备，包括顶驱、钻杆和钻头。
顶驱是由电动机、液压系统、控制系统等部件组成，可以实现沿着井眼轴线上下移动，同时以高转速旋转钻杆。
钻井液通过钻杆中的内腔进入钻头完成钻井作业。
传统转盘系统由转盘、钻杆和钻头组成。
转盘是固定在钻井井架上的圆盘状设备，通过转盘将扭矩传递给钻杆，从而使钻杆旋转，完成钻井作业。
二、工作原理区别顶驱系统是通过电动机驱动顶驱旋转，产生扭矩，然后通过钻杆将扭矩传递到钻头。
顶驱系统的主要工作原理是通过顶驱调整进给速度和扭矩来控制钻进过程，使得整个钻井作业更加灵活高效。
传统转盘系统是通过转盘将扭矩传递到钻杆，使其旋转。
传统转盘系统在旋转过程中不能调整扭矩和进给速度，钻井作业的灵活性和控制性相对较低。
三、优势与适用场景区别顶驱系统具有以下优势：1. 提高钻进效率：顶驱系统可以实现较大的转速和扭矩输出，提供更大的钻进力和速度，加快钻井作业进度。
2. 减少人工劳动：顶驱系统通过自动化控制，减少了人工操作，提高了工作安全性。
3. 降低故障率：顶驱系统的电动机和液压系统能够实时监测工作状态，及时预警并修复故障，提高设备的稳定性和可靠性。
传统转盘系统适用于以下场景：1. 井深较浅：传统转盘系统对井深的要求相对较低，适用于井深较浅的钻井作业。
2. 作业环境受限：传统转盘系统由于结构简单，适应性较强，可以适用于一些特殊的作业环境，如受限空间。
四、发展趋势随着钻井技术的不断发展，顶驱系统在石油钻井领域的应用逐渐增多。
相比于传统转盘系统，顶驱系统具有更高的钻进效率和更好的控制性能，将成为钻井作业的重要发展方向。
综上所述，顶驱系统与传统转盘系统在结构、工作原理和应用等方面存在显著差异。
石油钻井设备的工作原理
石油钻井设备的工作原理石油钻井设备是石油勘探和开采过程中至关重要的工具。
它们通过不同的工作原理，为钻井过程提供支持和驱动力。
以下是关于石油钻井设备的工作原理方面的详细内容：1. 钻井平台：钻井平台是石油钻井设备的基础。
它提供了一个稳定的工作平台，使钻井工作人员和设备能够安全地操作。
钻井平台的设计考虑了稳定性、载荷容量和适应不同地质条件的因素。
2. 顶驱系统：顶驱系统是用来驱动钻杆在井眼中旋转的重要设备。
它通常由大型电动马达、减速器和钻铤组成。
顶驱通过应用大量的推力和转矩来转动钻杆，使其能够钻进地下层。
3. 钻塔：钻塔是用来支撑钻杆和其他钻井设备的垂直结构。
它通常由钢管组成，通过钻塔钢索与钻井平台相连。
钻塔的高度根据井深和其他因素而定，以确保钻杆能够达到所需的深度。
4. 钻井液循环系统：钻井液循环系统是确保钻井过程中井内稳定、冷却钻头并带走岩石屑的重要系统。
它由泵、储罐、搅拌装置、分离器和过滤器等组成。
钻井液通过钻杆进入井眼，并通过泵的作用循环流动，承担起沉积剪切、冷却和清洗井壁等功能。
5. 钻头：钻头是位于钻杆底部的设备，用于在地下打开井眼。
它通常由钻头体、切削结构和钻孔表面硬化材料组成。
钻材通常使用高硬度耐磨的合金，以便在地下具有良好的切削性能。
6. 钻杆：钻杆是将动力传递到钻头的关键部件。
它通常由多个节段的钢管组成，通过螺纹接头连接在一起。
钻杆具有足够的强度和刚性，以承受井内的压力和振动。
7. 钻杆旋转系统：钻杆旋转系统用于将旋转动力传递到钻杆。
它由转盘、石油钻机以及与钻铤和钻杆连接的部件组成。
通过转盘的旋转，石油钻机产生转矩，使钻杆在井眼中旋转。
8. 钻井测井工具：钻井测井工具用来获取井内的地质和工程信息。
它可以测量井深、地层压力、岩石物理性质等参数。
这些工具通常通过电缆或钻杆上的数据传输系统将信息传回地面。
总结起来，石油钻井设备的工作原理涉及到钻井平台、顶驱系统、钻塔、钻井液循环系统、钻头、钻杆、钻杆旋转系统以及钻井测井工具等多个方面。
钻井顶驱工作原理
钻井顶驱工作原理嘿，咱来讲讲钻井顶驱的工作原理。
钻井顶驱就像一个超级厉害的大钻头的好帮手。
咱先从它的结构说起。
它有一个大的驱动装置，就像一个大力士的心脏。
这个驱动装置能产生很大的动力。
然后它和钻柱连接在一起。
钻柱就像一条长长的大蛇，一直通到深深的地下。
当钻井开始的时候，钻井顶驱的驱动装置就开始发力啦。
它会带动钻柱旋转。
这就像你用手转动一根棍子，只不过这个力量超级大。
钻柱旋转起来，下面的钻头就开始在地下打孔。
钻头就像一个超级坚硬的牙齿，啃着地下的岩石。
钻井顶驱还能上下移动。
它可以把钻柱和钻头一起往下送，让钻头能钻得更深。
就像把一根长长的钉子一点点地钉进木头里。
在钻井的过程中，有时候会遇到一些问题。
比如说，钻头可能会被卡住。
这时候，钻井顶驱的优势就体现出来了。
因为它可以直接给钻柱和钻头施加向上的力，把钻头拉出来。
就像把卡在洞里的东西拔出来一样。
要是没有钻井顶驱，可能就得费好大的劲从下面去处理卡住的钻头。
而且，钻井顶驱还能实现连续钻井。
以前没有它的时候，每钻一段距离就得停下来，把钻柱拆下来，再接上一段新的钻柱。
就像穿珠子，穿一段就得停下来再穿。
但是有了钻井顶驱，它可以在不停止旋转的情况下，直接接上新的钻柱。
这就像一个不停歇的机器，一直在工作。
它在钻井过程中还能控制钻井的速度和扭矩。
就像开车的时候控制速度和方向盘一样。
根据地下岩石的情况，调整钻井的速度和扭矩，让钻井更加高效和安全。
钻井顶驱在石油和天然气的开采中特别重要。
它能让钻井的工作变得更高效、更安全。
它就像一个超级智能的钻井助手，在深深的地下发挥着巨大的作用。
让我们能更容易地找到那些藏在地下的宝藏。
顶驱钻井系统全面介绍
VARCO公司顶驱参数
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TDS-11SA技术参数：
API提升载荷：500吨（S） 整体式水龙头 双交流电机：2×350马力 减速箱齿轮传动比：10.5 连续工作扭矩：51.75kNm 间歇工作扭矩：67.34kNm 适用钻杆尺寸：3½ ～5in 静音斜齿轮传动
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（2）中国的研制发展过程
10
2．顶驱的历史
第一台顶驱钻井系统由美国Varco公司于1982 年研制成功，此后法国、挪威、加拿大和中国 相继研制成功
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（1）美国 Varco公司的研制历程
20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研 制顶驱。
在1981年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动 钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装 置TDS-2型的设计。1983年生产了单速（速比为5.33： 1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了工 业标准，这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的 方式。
顶部驱动系统(TDS)
TOP DRIVE SYSTEM
1
目录
1．概述 2．顶驱的历史 3．主要组成 4．技术特点 5．技术评价 6．设计制造中的一些问题 7．顶部驱动钻井系统的经济技术评价 8．主要生产厂家及产品特点 9．顶驱的发展
2
1.概 述
顶驱钻井系统（TDS）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。利用 水龙头与钻井马达相结合，配备一种结构新型 的钻杆上卸扣装置（管柱处理装置），从井架 的上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向 下送进，可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环 钻井液、下套管等各种钻井操作。
顶部驱动，是把钻机动力部分由下边的转盘 移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻 进的驱动
石油工程机装备第四章顶驱钻井系统(新版11)2
如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端与游车（当不用 大钩时）连接，下端直接固定在水龙头提环上（参见图414）。
26
（4）平衡液压回路工作原理
该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压系统来
补油保压，不必单独加油泵。
平衡系统液压回路如图4-16所示。
上连大钩
导轨分段
连接 板 TDS-11SA 安装完毕的 导轨
万能平衡 横梁
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Varco顶驱标准井厂 安装布置示意图
顶驱－变频房电缆长
321英尺，变频房－井
队电源电缆长100英尺
，保证变频房能够置于安
200英尺司钻房电缆
全区，且电缆沿井架固定
，无需悬空。
6x1 100‘英尺 跳接电缆 646MCM
3 x 100’ 电源电缆 646MCM
图4-11为吊环联接器。 作用:可由图4-8看出，它 通过吊环将下部吊卡与主 轴相连。
主轴穿过齿轮箱壳体， 又同整体水龙头相接。
旋转头 吊环联 接器
限扭器
图4-11 吊环联结及限扭器总成 9
旋转头 主轴 吊环倾 斜机构
扭矩 扳手 吊环
限扭器 吊环联 接器
吊环 吊卡
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（4）吊环倾斜器
图4-12、图4-8所示
图4-13 650t旋转头总成
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国产回转头
背钳装置、内防喷器 操纵机构、倾斜机构、 吊环吊卡是为起下钻 作业服务的，独立于 主轴运动。
回转头带动上卸扣装 置一起作顺时针、逆 时针转动，以便适应 抓取单根、接立根的 方位。
时代
回转头靠液马达带动齿轮 转动，由调速阀调节4～ 8r/min。
13
《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。
顶驱钻机结构原理
顶驱钻机结构原理顶驱钻机是一种用于油田钻井作业的重要设备，它通过顶部的顶驱系统来传递旋转力和下压力，驱动钻杆和钻头进行钻井作业。
顶驱钻机的结构原理涉及到顶驱系统、传动系统、控制系统和液压系统等多个方面。
一、顶驱系统顶驱系统是顶驱钻机的核心部件，其主要由顶驱头、滑卡、电机和液压缸等组成。
顶驱头是顶驱系统的核心部件，它通过电机带动内部的传动装置旋转，产生旋转力；液压缸则通过液压系统提供的油压力，产生下压力，使钻杆和钻头能够顺利下入井口。
二、传动系统传动系统是顶驱钻机实现旋转力传递的关键部分，主要由主减速器、链条传动、齿轮传动和链轮传动等组成。
主减速器通过电机带动，将驱动力传递给链条传动装置；链条传动装置再将力传递给齿轮传动装置，齿轮传动装置则将力传递给链轮传动装置，最终实现旋转力的传递。
三、控制系统控制系统是顶驱钻机实现自动控制的重要组成部分，主要包括电气控制柜和控制软件。
电气控制柜负责接收和处理各种传感器和执行器的信号，并将信号传递给控制软件进行处理；控制软件则根据接收到的信号，通过控制电机和液压系统的工作，实现对顶驱钻机的旋转和下压力的控制。
四、液压系统液压系统是顶驱钻机实现下压力传递和控制的关键部分，主要由液压泵、液压缸和液压阀组成。
液压泵通过驱动力源提供的动力，将液压油压力提升，并通过液压阀控制液压油的流向和流量，从而实现对液压缸的控制。
液压缸则通过液压油的压力，产生下压力，使钻杆和钻头能够顺利下入井口。
顶驱钻机的结构原理使其能够实现高效、自动化的钻井作业。
顶驱系统通过顶驱头的旋转和液压缸的下压力，驱动钻杆和钻头进行钻井操作；传动系统通过主减速器、链条传动、齿轮传动和链轮传动，实现旋转力的传递；控制系统通过电气控制柜和控制软件，实现对顶驱钻机的旋转和下压力的控制；液压系统通过液压泵、液压缸和液压阀，实现下压力的传递和控制。
通过以上的结构原理，顶驱钻机能够有效地提高钻井作业的效率和质量。
它具有自动化控制、高承载能力和稳定性好等优点，可以适应不同的地质条件和钻井需求。
顶部驱动钻井系统课件
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。
《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。
顶驱
2. 3 顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统是取代转盘钻进的新型石油钻井系统，英文缩写为TDS(Top Driv-edrilingSystem)。
顶驱钻井系统自20世纪80年代问世以来发展迅速，尤其在深井钻机和海洋钻机中获得了广泛应用。
顶驱钻井系统现在已发展到最先进的一体化顶部驱动钻井系统，该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为钻井行业的标准产品。
通常，人们把配备了顶驱钻井系统的钻机称为顶驱钻机，考虑到顶驱钻井系统的主要功用是钻井水龙头和钻井马达功用的组合，故将其列为钻机的旋转系统设备。
2. 3. 1 顶驱钻井系统的特点顶驱钻井系统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，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)、下套管和上卸管柱丝扣等各种钻井操作。
与转盘—方钻杆旋转钻井法相比较，顶驱钻井系统具有以下主要特点：(1)节省接单根时间顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，直接采用立根(28m)钻进而不受方钻杆长度限制，避免了钻进9m左右接单根的麻烦，节省了近2／3的接单根时间，从而提高了钻井效率。
(2)减少钻井事故起下钻时，顶部驱动钻井装置具有使用28m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，可以大幅度地减少起钻总时间。
使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少了卡钻的危险。
系统具有遥控内部防喷器，钻进或起钻中如有井涌迹象，可在数秒内完成旋扣和紧扣，恢复循环，并安全可靠地控制钻柱内压力。
(3)提高钻定向井速度顶驱系统以28m立根钻水平井、丛式井、斜井时，不仅节省钻柱连接时间，而且减少了测量次数，容易控制井底马达的造斜方位，明显提高了钻井效率。
(4)减轻劳动强度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，接单根时只需要打背钳，减少了接单根钻井的频繁常规操作，既节省时间，又大大减轻了操作工人的劳动强度，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大降低了人身事故的发生机率。
顶驱
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。
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"）
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
国外先进顶驱及其未来发展
国外先进顶驱及其未来发展当今世界各国的石油开采都离不开顶驱，何为顶驱？顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS，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，是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
目前全世界已有上千万台顶部驱动钻井装置在海上和陆地使用，充分显示了它的强大生命力。
一·顶驱的研制成功-历史性的跨越20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。
据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。
但在延续近百年的钻盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。
其一，由于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。
我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。
其二，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。
而所谓的顶部驱动，则是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。
由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。
因而，由于各种原因引起的通卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。
同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25％左右。
国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜32度、井深2981m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。
顶驱钻井系统
由三大部分组成： 由三大部分组成： 水龙头一马达总成、 水龙头一马达总成、导向滑车总 钻杆上卸扣总成。 成、钻杆上卸扣总成。
导向滑车 总成 水龙头-马 水龙头达总成
钻杆上卸扣 总成
图4-1 顶部驱动钻井系统
2.思路: 转盘＋水龙头→ 2.思路: 转盘＋水龙头→动力 思路 水龙头 3.顶驱系统是四大新技术之一 3.顶驱系统是四大新技术之一 顶驱、盘式刹车、 （顶驱、盘式刹车、液压钻井 泵和AC变频驱动） AC变频驱动 泵和AC变频驱动） 4. 顶驱发展 第一台顶驱由美国Varco公司 第一台顶驱由美国Varco公司 Varco 82年问世 年问世） 研制（ 82年问世）。 后来，法国、挪威、加拿大、 后来，法国、挪威、加拿大、 中国相继研制了顶驱 相继研制了顶驱。 中国相继研制了顶驱。
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 10） 内防喷器 （ 图 4-10 ） 是球型安 全阀，防止泥浆溢流。 全阀，防止泥浆溢流。 上部远控内防喷器和下部手 动内防喷器， 动内防喷器 ， 形成内井控防喷 系统。 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， 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。 扭矩。 下部与上部内防喷器型式相同。 下部与上部内防喷器型式相同。两 个内防喷器一直接在钻柱中， 个内防喷器一直接在钻柱中，可随时 使用。 使用。
(80年代广泛用) 80年代广泛用) 年代广泛用
07年4月北京石油装备博览会参展产品 07年 5000m 9000m 5000m 7000m 600kW
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
7000m
北石AC变频顶驱 北石AC变频顶驱 AC变频 中国AC变频顶驱 中国AC变频顶驱 AC 辽河天意AC变频顶驱 辽河天意AC变频顶驱 AC变频
顶部驱动钻井系统
2、导向滑车总成 具体有：导轨（立于井架内， 具体有：导轨（立于井架内，有 单轨和双轨两种）、滑车框架（ ）、滑车框架 单轨和双轨两种）、滑车框架（固定在 顶部驱动装置壳体上）、导向轮（ ）、导向轮 顶部驱动装置壳体上）、导向轮（装在 滑车框架上，可沿导轨滚动）。 滑车框架上，可沿导轨滚动）。 作用： 作用：引导顶部驱动装置上下运 承受钻井过程中的反向力矩。 动；承受钻井过程中的反向力矩。 3、钻杆上卸扣装置（Pipehander） 钻杆上卸扣装置（Pipehander） 具体有：吊卡、吊环、 具体有：吊卡、吊环、吊环连接 吊环倾斜器、液压扭矩钳。 器、吊环倾斜器、液压扭矩钳。 作用：通过吊卡、吊环、起吊钻 作用：通过吊卡、吊环、 通过液压扭矩钳上 卸扣（ 具；通过液压扭矩钳上、卸扣（将钻具 与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。 与顶部驱动装置的主轴连接或卸开）。
导向滑车总成
二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统
公司的产品。 这里介绍挪威 Maritime Hydraulics 公司的产品。 1、系统组成 PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成： PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成： 轻便式顶部驱动钻井系统主要由以下几大部分组成 1）水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）； 水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）； 2）液控钻具防喷器——由钻具防喷器、液压缸组成； 液控钻具防喷器 由钻具防喷器、液压缸组成； 由钻具防喷器 3）钻井马达总成 4）钻杆上卸扣装置 5）液压动力系统
2、安装布置 、
返回10
3、顶部驱动装置总成 、 要点： 要点：
1、水龙头中心管经锥 管螺纹与主轴连接。 管螺纹与主轴连接。 2、主轴与从动大齿轮 固连。 固连。 3、两个液压马达的输 出轴通过花键与主动小齿 出轴通过花键与主动小齿 轮轴固连。 轮轴固连。 4、钻杆上卸扣装置悬 钻杆上卸扣装置悬 挂在主轴下台肩上。 挂在主轴下台肩上。 5、导向滑车通过四个 、导向滑车通过四个 铰链与减速箱壳体固连； 铰链与减速箱壳体固连； 液压顶部驱动装置结构原理图
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顶部驱动钻井系统1.顶部驱动钻井系统概述；1.1.顶部驱动钻井系统简介（图1）；顶部驱动钻井装置是当今石油钻井的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果（交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统）之一。
20世纪末期，美国、法国、挪威等国家研制应用的一种新型的钻井系统。
现在已成为石油钻井行业的标准产品。
它适用性极广，从2000米到9000米的井深都可以使用顶部驱动钻井系统；从世界钻井机械的发展趋势上看，它符合21世纪钻井自动化的历史潮流。
现在，我国赴国外打井的队伍，如果没有安装该系统将不允许在投标竞争中中标，由此可见，顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步。
所谓的顶驱，就是可以直接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、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。
1.吊卡;2.吊环;3.转拒板手;4.花健上防喷阀;5.防喷阀启动器; 6.吊环倾料器; 7.吊环联接器; 8.限扭器; 9.旋转头; 10.钻井马达及传动箱总成; 11.水龙头;12.游车大钩; 13.导向机; 14.平衡液缸; 15.S形管; 16.马达滑车总成; 17.水龙带; 18.流体管束;19.主轴; 20.电缆束图11.2.顶部驱动装进系统的研制过程；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。
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。
二十世纪八十年代，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、TDS-4SB、TDS-6SB。
二十世纪九十年代研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，用紧凑的行星齿轮驱动，才形成了真正意义上的顶驱，既有TDS到IDS，由顶部驱动钻井装置到整体式顶部驱动钻井装置，实现了历史性的飞跃。
2.与转盘钻井的对比；顶驱钻井技术和转盘钻井技术相比，具有以下优点；2.1.缩短建井周期；采用顶驱钻井技术，可以节省转进时间的11%（或总时间的8%），节省时间主要来自：（a）：采用接立根钻进方式，钻柱连接次数可减少2/3；（b）:对于深度在300米以内井段起下钻，其起下时间可减少30分钟；（c）:每次洗井与扩眼平均可节约30分钟，因为顶驱钻井可用整个立根进行反向扩眼;（d）:不需要接卸方钻杆;（e）:对于丛式井，一般不需要将立根卸成单根；（f）:钻定向井时，需直接用接立根方式钻井，可减少测量次数；（g）:减少了钻井事故而节省大量钻井时间。
2.2.改善了钻井工人的工作条件；顶部驱动钻井系统是自动化程度较高，操作使用比较方便，降低了劳动强度；取消了转盘等旋转设备，改善了作业条件，提高了操作安全性。
2.3.减少了钻井事故；顶驱钻井系统在起下钻时，均可进行扩孔倒划眼等作业。
此外，钻杆旋转可以大大减少岩石对钻柱的阻力，这样就能有效地避免卡钻，若钻大斜度的延伸井，要求钻具在井中能不断旋转，泥浆不断循环，以防卡钻，顶部驱动钻井系统能很好的满足这种技术要求。
采用顶部驱动钻井技术，不论钻井或起下钻作业中，在任何位置均可利用液控安全阀关闭钻杆内部通道。
由于取消了方钻杆，防喷器可在任何位置关闭，使钻井系统的井控能力大为提高。
2.4.降低钻井成本；费用的节省只要来源于节省钻井时间、减少钻井事故及降低设备管材消耗，此外，顶驱钻井系统装有可遥控的钻杆内防喷阀，有助于降低淤泥费用。
对于难钻的斜井，易钻的直井和斜井，以及大斜井，费用节省就更可观，一般来说，钻井成本越高，节省的费用也越多，如沙漠或海上钻井。
尽管顶驱钻井系统的初始投资较高（平均每套需100万美元左右），但与采用顶驱钻井技术所带来的效益相比，还是非常值得的。
3.顶驱钻井系统的结构组成；顶那驱动钻井系统由六部分组成:分别是钻井马达和水龙头总成;导向滑车总成;平衡系统；管子上卸装置;动力和控制系统;和辅助设备。
3.1.钻井马达和水龙头总成（图2）；顶部驱动钻井系统使用一台735KW(1000马力)串激或并激直流钻井马达(如GE752直流马达)驱动主轴。
马达转轴两端外伸,转轴靠集电环端装有止推轴承。
转轴上端装有刹车轮毂,当气压为620kPa时,16VC600气胎在输出轴上可产生47464N.m静制动力矩。
转轴下端装18齿小齿轮,96齿大齿轮借花键装于主轴,减速比为5.33:1,齿轮密封润滑。
齿轮箱为厚钢板焊制而成,底部悬挂着管子上卸装置。
马达及滑车重量通过连杆由水龙头支承。
连杆连接在加长的水龙头提环销上(图3)。
（图4）为标准的钻井马达冷却系统。
钻井马达所需冷却空气在 2.45kPa表压下为793m3/min。
在钻井马达上装一台重型压力鼓风机,由另一台15马力、345r/min的防爆交流马达驱动。
送风系统在钻井马达下行的最低点(离钻台6m高处)继续吸入空气。
钻井马达与鼓风机之间用刚性通风管道相连。
强制通风系统出口带有火花制止器,防止来自井眼的可燃气体的爆炸。
在某些情况下,冷却空气的最低吸入高 1.接线盒; 2.水龙头；3.气刹车; 4.GE752度必须提高，此时可将通风系统的吸入钻井马达; 5.齿轮(96齿、18齿); 6.主轴;图2图41.火花制止器;2.钻井马达;3.15马力防爆交流马达及离心式鼓风机; 4.水龙头; 5.刚性通风管道; 6.马达接线盒口装在游车上,用软管连接再下放至鼓风机。
这样, 最低吸入高度离钻台约9m。
如果钻机不能保证提供安全的冷却空气,例如四周围起来的井架, 此时可将一台22kw(30马力)防爆交流马达和一台离心压力鼓风机安装在与猴台相同高度的井架上, 从井架外面吸入冷却空气, 并用一根软管送至钻井马达。
如需要, 也可使用闭合循环冷却系统。
系统由两台管式热交换器和两台鼓风机组成, 安装在钻井马达两边, 热交换器由90/10镍铜合金管和集流管组成,它要求冷却液( 冷却淡水、海水或乙二醇)最小流量为1511/min (最高温度32℃)。
系统亦需要表压为6.86kPa、流量为20m3/min的吹扫空气以保持系统内部压力高于外部, 防止任何外界空气的空气侵入。
3.2.导向滑车总成；钻井马达导向滑车总成(图5)由两部分组成:（1）滑车构架( 装有导向轮)。
（2）钻井马达构架( 支承钻井马达及附件)。
构架均由矩形断面管材焊制而成, 两部分由销子连接。
导向滑车在导轨上运行,导轨间距1.57m,51524N.m的钻井扭矩在每根导轨上产生的负荷为32813N。
图51.钻井马达构架;2.钻井马达耳抽安装支座; 3.S形管支座; 4.滑车构架; 5.销轴;6.导向滚轮;7.管束支座3.3.平衡系统；平衡系统(图6)在以顶部驱动钻井系统进行上卸扣时能防止钻杆接头丝扣损坏, 这是由系统提供的15.2cm缓冲冲程(与大钩相似)而实现的。
需要平衡系统的原因是: 顶部图6驱动钻井系统可以不用大钩, 水龙头直接悬 1.水龙头提环; 2.大钩;挂在游车上; 在有大钩的情况下, 大钩的缓 3.梨形环; 4.连接环; 5.链;冲弹簧会被悬挂在其下的顶部驱动钻井系统 6.平衡液缸总成; 7.水龙头连杆的重量所压坏。
平衡系统由两个液缸及金属附件、两个液压储能器和液压管汇组成。
液缸一头连接水龙头的连杆, 另一头连接大钩吊环耳; 或者通过可调节的大断面链条直接连接在游车上( 在无大钩的情况下)。
两个液缸和位于导向滑车的钻井马达构架内的液压储能器相连。
储能器充以液压油,保持预定压力。
该压力由位于导向滑车上的平衡管汇调定。
顶部驱动钻井系统所需全部液压能量都来自该管汇。
管汇还带有操纵管子上卸装置转矩扳手的液压阀。
3.4.管子上卸扣装置；管子上卸装置能提起和下放27m长的立根,并能将立根与钻井马达总成相连或分离。
它由容量为500t的吊环联接器、转矩扳手、吊环、吊卡、遥控防喷阀启动器及吊环倾斜器组成如（图7）。
管子上卸装置可在井架内的任意高度上紧、卸开钻杆。
卸扣扭矩可达81346N.m。
钻井时,管子上卸装置保持静止状态,与穿过其中的钻柱不发生接触。
钻井马达通过主轴和保护接头旋转钻柱。
转矩扳手与液压管线保持连通, 随时可获液压能量。
随着立根向下钻进, 下放至钻台的吊卡由一固定台支承, 钻井马达和转矩扳手继续下放直至与吊卡接触。
座好卡瓦后, 挂合转矩扳手将钻井马达与钻柱卸开,并用钻井马达旋扣。
开启吊卡并上提至二层台,扣入另一立根。
上提立根,先在钻台上将立根插入钻柱,再在井架内将主轴和保护接头插入立根。
用钻井马达将上下两处的丝扣旋紧。
上扣时, 在钻台上打上手动大钳,咬住钻柱。
3.5.动力控制系统；顶部驱动钻井系统与原转盘相同的都是由同一个可控制硅整流系统操作。
动力通过配电柜在顶部驱动钻井系统和转盘之间进行切换，柜内装有直流开关以及切换钻井马达所需动力。
柜内还装有程序控制装置以换接到逻辑和报警系统。
司钻控制和仪表盘由扭矩表、转速表、控制顶部驱动钻井系统各项功能相应的传动元件和开关以及修改后的原转盘控制系统部分组成。
图73.6.辅助设备； 1.带花健的防喷阀; 2.吊环倾料器;辅助设备包括: 旋转吊卡支座、 3.主轴; 4.旋转头; 5.限扭器;PS-16动力卡瓦、液压支持臂、收缩机构、 6.吊环联接器; 7.防喷阀启动器;液压设备、井架监控系统。
8.转矩扳手; 9.标准吊环;10.标准的BNC钻杆吊卡4.顶部驱动钻井系统的发展简况；顶部驱动钻井是80 年代发展成熟起来的一项新技术。
自从1982年4月6日第一套不同于已往的顶部驱动装置,在美国阿布扎比近海的Sedenht201号自升式平台钻机上投入使用以来,至1990年底已有362 套顶部驱动装置售往世界各地(见表1)。
其中直流电马达驱动装置333台,液马达驱动装置29台。
顶部驱动装置的发展大体上经历了三个发展阶段:(1)小型动力水龙头(Power Swivel);(2)顶部驱动钻井系统(Top-Drive Drilling System),包括大功率、大扭矩动力水龙头加管子装卸装置;(3)侧部驱动装置(Side-Drive Drilling System),包括易卸短节管子装卸装置。