顶驱钻井系统全面介绍PPT课件

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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
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国产部分顶驱参数
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3．主要组成

顶驱钻井系统组成 3.1 钻井马达-水龙头总成 3.2 钻杆上卸扣装置 3.3 导轨-导向滑车总成 3.4 控制系统

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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我国生产的DQ-60D型顶部驱动钻井装置，名 义钻井深度6000m；最大钩载4500KN，动力 水龙头最大扭矩40 kN· m，转速范围0～183 r/min，无级调速；直流电机最大输出功率940 kw；倾斜臂最大倾斜角，前倾30度，后倾15 度；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩 80kN· m；上卸扣装置夹持钻杆范围φ89~φ216 mm（3.5～8.5in）。在工业试验中，经历了跳 钻、蹩钻、划眼等多种考验，表明DQ-60D型 产品的性能优良，质量可靠。
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DQ-60D型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动， 故主轴可无级调速、扭矩可任意设定，其倾斜臂
为双向的，不仅可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆； 而且可实现后倾．在下钻时，使2个吊卡交替应用，非 常方便。DQ-60D型产品采用了液压驱动回转头，而且 是正反转互锁的。现场实验表明，回转头与倾斜臂动 作协调，操作方便、快捷，而且实现了上卸扣机构的 动作与回转头旋转互锁，保证了工作安全。由于上述 革新，使DQ-60D型产品较国外产品更进一步发挥了顶 部驱动的优越性，在钻井遇阻、遇卡时，可迅速接上 钻具划眼或倒划眼，避免事故发生；在井喷、井涌时 可迅速关闭内防喷器，防止井喷；在钻井时实施立根 钻井，提高钻井速度，使我国DQ-60D型顶部驱动钻井 装置赶上了90年代同类产品的世界先进水平。
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AC变频顶驱系统的主要优点为：
(1)AC电动机效率高，经济性好； (2)AC电动机无电刷，可防爆，钻井安全且占空 间小； (3)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； (4)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，短时内可承受额定 载荷的150%过载载荷。 现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。
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1997年12月国产顶部驱动钻井装置通过了原 中国石油天然气总公司的鉴定，鉴定书中认为： “该装置是结合我国实际情况，参考国外技术， 自行设计并研制成功的大型机电一体化设备， 填补了国内空白，并在总体技术上达到国外90 年代先进水平。”之后，该项目荣获原中国石 油天然气总公司科技进步一等奖和国家科技进 步三等奖。
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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。 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）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同 年还生产了单速（速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱 动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生 产的一种产品。
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VARCO电机结构

VARCO电机结构
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交流电机及特性




顶驱一般使用一台或两台800马力或400×2马力交流 电机，它们安装在齿轮箱顶部，可保证井中心线与导 轨之间的距离最短。 钻井电机具有下列优点： ☆ 可靠性高； ☆ 维护少； ☆ 无污染； ☆ 作业范围大； ☆ 满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态； ☆ 能过载150%，时间可长达1分钟； ☆ 无电火花。
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VARCO顶驱

VARCO
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传统钻井方式


钻进过程： 破岩 排屑 顿钻钻井——钻进过程不连续 旋转钻井——钻进过程连续 转盘钻 井下动力
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钻井新设备与新方法

钻井新设备 液控盘式刹车 液压钻机 交流变频驱动技术 顶部驱动装置

钻井新方法 地质导向钻井
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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。
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1997年4月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进 行工业试验，适应多种复杂钻井要求，当年胜利完成 任务，完钻井深5649m，垂深5369 m，水平位移550 m，井斜角 70度。该井在试验期间，起下钻约50次， 多次遇阻遇卡，利用顶部驱动钻井装置均能顺利通过。 国产顶部驱动钻井装置的成就，宣告了我国DQ-60D 型顶部驱动钻井装置已研制成功，标志着我国钻机自 动化实现了历史性的阶段跨越，我国已经成为世界上 第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家。
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（3） 钻井电机和制动器
TDS — 11SA 的 动 力 为 两 台 350马力或400马力交流钻井电 机。电机并排垂直安装在传动 齿轮箱箱盖上，箱盖带有一个 经过改装的“ D” 型端面，从而 使电机安装时在不需加垫片或 专门找中。每台电机都有一个 双端轴，轴下端安装传动小齿 轮，而制动器安装在轴上端。
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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

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顶驱与转盘钻井的比较
泥浆 方钻杆 转盘
打 钻
起 钻
2 顶 驱 钻 井 方 式
遇卡
泥浆 钻杆 钻头
1 转盘钻井方式
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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
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（2）整体式水龙头装置


主轴和鹅颈管之间装有一标准冲 管盘根总成，这样就可以使钻柱 旋转。冲管盘根总成由电机罩体 支撑并同齿箱相连，以增加水平 支撑。 锻制合金钢水龙头提环采用销 钉固定在主体上，并与标准钻井 大钩相联。可以使用加长的水龙 头提环，以便在鹅颈管和大钩之 间留出足够空间，方便操作人员 加装电测盘根装置。
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变速箱总成

双级减速的单速斜齿齿轮传动可以提供由 电机到主驱动轴的10.5：1传动比。本体和 齿轮箱盖体将传动齿轮、主止推轴承和径 向轴承罩在其中。齿轮箱盖体盖住上调节 轴承并支撑交流电机和电机罩。大齿轮联 接在主驱动轴的承载台肩上通过与主体和 盖体一体的加压系统给齿轮和轴承提供润 滑。本体和传动装置部分形成一个密闭的 润滑油室，润滑齿轮和轴承。油泵装在传 动箱内，由液压泵驱动向齿轮供给润滑油。
3.1.1 电机部分和水龙头总成
该总成由系列部件组成：

变速箱和中心管部分； 整体式水龙头总成； 钻井电机和制动器
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（1） 变速箱和 中心管总成



该装置包括： 罩体； 本体和传动箱； 电机小齿轮（34齿）； 复式齿轮（63×18齿）； 大齿轮（102齿）； 主驱动轴； 整体式水龙头总成； 润滑系统。
顶部驱动系统(TDS)
TOP DRIVE SYSTEM
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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
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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 进的驱动方式。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ



Varco BJ公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马 达的顶部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的 顶部驱动钻井装置研制。 如TDS-11SA（ 1994年），使用一对400hp的交流驱 动电机，重要较轻，尺寸较小，而产生的扭矩特性却 接近于一台1100hp的直流电动机。 选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少， 无污染、作业范围大，满扭矩负荷时可以达1min，而 无电火花，安全性好，因此得到用户认可。 交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可 使用 750 V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种 灵活性使得它使用范围宽广。
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3.1 钻井马达-水龙头总成



钻井马达是顶驱的主驱动力，目前主要有液 马达顶驱、AC-SCR-DC顶驱和AC变频顶驱等 几大类。 但不管是哪一类，驱动系统的区别 仅在于驱动马达的形式，在结构组成上没有根 本性区别。 该部分可分为： 电机部分和水龙头总成； 电机冷却系统； 平衡系统
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1990年首先生 产出了整体式 水龙头，装配 在 TDS-3S、 TDS-4S两种 型号的顶部驱 动钻井装置上， 得到广泛应用。
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1994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升 能力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。 1996年后该公司更研制出 500 t的TDS-11SA型及轻 便的250 t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤 以TDS-10SA型引人注目，它具有低购置成本、轻便、 高可靠性及低维护费等优越性，其紧凑尺寸使它可用 于小型修井机和轻便钻机上。 TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计 的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音， 并可获得225 r/min的最高工作转速。该顶部驱动钻井 装置由2台交流变频电机驱动 。
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至20世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达， TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置 由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机 上得以应用。到85年Varco公司共销售顶驱82 台。BJ公司从1985年开始生产销售顶驱，到 1988年共销售顶驱8台，随后被Varco公司兼 并，到1991年Varco BJ 公司共销售顶驱312台， 其中300台用于海上钻井平台，中国当时有四 台全用于海上钻井平台。
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ＶＡＲＣＯ电驱动顶驱特性




可采用三相600伏的交流电机来驱动，输入频率0-80赫兹。每台电 机需要1100立方英尺/分钟的冷却空气。 ◊ 使用两台400马力交流电机（总计800马力）和10.5：1齿轮传动 比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供37500英尺•磅钮矩；保 持800马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生18250 英尺•磅钮矩。 ◊ 使用两台300马力交流电机（总计700马力）和10.5：1齿轮传动 比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供32500英尺•磅钮矩；保 持700马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生15100 英尺•磅钮矩。 电机为开放式设计，可以让冷却空气流经电机内部，能保证转子 有效地将热量散放在冷却空气中。配备有：内部温度传感器； 双 层漆包线圈； 升级型轴承/轴密封； 锥形输出轴。