第四章 顶驱钻井系统.ppt

第四章 顶驱钻井系统 一、概述 顶驱钻井系统（Top Drive Drilling System） 简称顶驱系统（Top Drive System-TDS） 1. 什么是顶部驱动钻井装置 顶驱：从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣等多种钻井操作，参见图4-1图4-1 顶部驱动钻井系统,图4-1 顶部驱动钻井系统,由三大部分组成：水龙头一马达总成、导向滑车总成、钻杆上卸扣总成水龙头-马达总成,钻杆上卸扣总成,导向滑车总成,2.思路: 转盘＋水龙头→动力水龙头3.顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）4. 顶驱发展第一台顶驱由美国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 (80年代广泛用)②AC变频f顶驱80年代中，挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱之后，美国（Varco公司）、加拿大（Tesco公司和CANRIG公司）等研制了AC变频顶驱90年代，AC变频顶驱占了主导地位。

中国：有液压、AC-SCR-DC顶驱、AC-AC变频顶驱辽河天意AC变频顶驱,5000m600kW,7000m,9000m,5000m,7000m,北石AC变频顶驱,中国AC变频顶驱,07年4月北京石油装备博览会参展产品,二、顶驱钻井特点（1） 立根（28m）钻进，节省2/3接单根时间转盘钻以单根加长钻杆，以立根钻进井架不需加高)（2） 可随时压井（任意高度需循环井液，水龙头可立即接上），减少卡钻事故3） 实现：倒划眼起钻（钻头取不出时，边转边提）; 实现：划眼下钻 （钻头下不去时，边转边放）4）以立根钻水平井、斜井时，容易控制造斜方位5）钻杆上卸扣操作机械化6）立根钻进，提高取岩心质量三、顶驱系统组成组成:钻井马达-水龙头总成、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；AC-SCR-DC顶驱—DC电机；AC变频顶驱—AC电机1. 钻井马达-水龙头总成顶驱的主体图4-2 是Varco公司额定载荷6500kN的TDS- 3S型顶驱钻井马达-水龙头总成图4-2 水龙头—钻井马达总成,整体式水龙头提环,平衡油缸,气刹车,直流马达,主轴,大齿轮,小齿轮,水龙头,轴承,图4-2 水龙头—钻井马达总成,由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。

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）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 （5）主轴：即水龙头的中心管主轴,小齿轮,直流马达,气刹车,平衡油缸,整体式水龙头提环,水龙头,大齿轮,轴承,图4-3顶驱水龙头—马达总成油润滑图,（6）润滑系统TDS-3S顶驱的油润滑系统（图4-3），油泵强制润滑7）钻井马达冷却系统 马达冷却系统为风冷图4-4为冷却系统的总体结构 用离心式鼓风机对电机进行强制冷却图4-4钻井马达 冷却系统,离心式鼓风机,钻井马达,水龙头,①近距离安装鼓风机 基本的马达冷却系统（看图4-5）,向钻井马达提供近距离的冷却风②加高进气口的近距离安装鼓风机（图4-5）,图4-5加高进气口的近距离冷却系统,大钩—水龙头,加高进气口,鼓风机马达,标准鼓风机进口,钻井马达,鼓风机壳,③远距离鼓风机冷却系统（图4-6） 安装在井架上的远距离鼓风机，通过软管输送冷却风。

图4-6 远距离鼓风机冷却系统,鼓风机,空气软管,马达滑车总成,2. 导轨—导向滑车总成导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示①导轨：装在井架内②导向滑车：由马达底座和框架组成③作用：对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用80年代为双导轨，90年代改为单导轨图4-7 马达支架和导向滑车总成,双导轨,单导轨,,3. 上扣卸扣装置（Pipehander）钻杆上卸扣装置如图4-8所示主要：由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构和扭矩扳手组成可参见Varco公司的TDS-8S交流变频顶驱系统结构图图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成,旋转头,吊环倾斜机构,扭矩扳手,吊环联接器,主轴,限扭器,吊卡,吊环,旋转头：接在马达水龙头下方,TDS-8S (AC),扭矩扳手,鼓风机空气软管,,游车,水龙头-马达总成,吊环倾斜器,吊环,,（1）液压扭矩扳手用处：卸扣原理：由液缸驱动横向夹紧活塞夹紧钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩筒完成卸扣操作 （扭矩扳手上卸扣期间，上升扭矩管使母花键同上部公花键相啮合，为液缸提供反扭矩转动保护接头及主轴松扣，然后启动钻井马达旋扣扭矩液缸84kN-m；可旋转25°结合图4-10分析。

图4-9 扭矩扳手总成,升降液缸,扭矩筒,扭矩液缸,夹紧活塞,（2）内防喷器及启动器内防喷器（图4-10）是球型安全阀，防止泥浆溢流上部远控内防喷器和下部手动内防喷器，形成内井控防喷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，可随时使用图4-10 内防喷器阀及启动器总成,上部内防喷器阀,下部内防喷器阀,内防喷器启动柄,安全接头,内防喷器启动液缸,钻杆,吊环联接器,夹紧缸,扭矩管,（3）吊环联接器、吊环和钻杆吊卡 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图4-11 吊环联结及限扭器总成,吊环联接器,旋转头,限扭器,吊环,吊卡,吊环倾斜机构,吊环联接器,限扭器,旋转头,主轴,扭矩扳手,吊环,图4-12、图4-8所示（4）吊环倾斜器 作用：去卡抱待接立根接头吊鼠洞中的单根和接立根）气阀控制气弹簧，使吊环前倾300，后摆600 吊环倾斜器的倾斜臂位于吊环的前部，由空气弹簧启动图4-12 长行程吊环倾斜装置总成,（5）旋转头总成旋转头总成如图4-13。

当钻杆上卸扣装置，在起钻中随钻柱部件旋转时，旋转头可自由旋转图4-13 650t旋转头总成,4. 平衡系统平衡系统总成如图4-14所示主要对上卸扣起伸缩作用防止上卸接头扣时螺纹的损坏；在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，类似于大钩的152mm的减震冲程图4-14平衡系统总成,图4-15所示的平衡系统包含： 两个油缸和两个液压储能器 缸体端与整体水龙头相连，活塞杆端与大钩连接（如图4-14），或者直接连到游车上图4-15平衡系统示意图,上连大钩或游车,钻井马达,油缸,提环,（1）前期TDS系统平衡油缸连接方式TDS-3型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连，上端和大钩相连它提供152mm的缓冲行程2）整体式IDS系统平衡油缸连接方式如IDS-1型顶驱，平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连，上端和游车相连接取消了大钩，提供203mm的缓冲行程3）新型IDS系统平衡油缸的连接方式如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4-14）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。

图2-16 平衡系统液压原理图,上连大钩或游车,,下连水龙头并悬挂钻柱,,蓄能器,油缸,溢流阀,减压阀,①连接：活塞杆上端与游车连接，油缸下端与水龙头连接油缸上腔始终通高压油，油缸产生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头②工作过程： ★两个油缸向上的合拉力大于顶驱和杆柱重量，油缸带动顶驱和杆柱上移 此时蓄能器（参见图4-16）放出压力油供给油缸工作随着蓄能器内油液放出，油压降低，油缸的拉力减小★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。

DQ-60D顶驱结构组成图AC-SCR-DC驱动,DQ-60P顶驱结构组成图AC-SCR-DC驱动,轻便,。