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1、顶部驱动钻井系统,顶部驱动钻井系统的功能和类型顶部驱动钻井系统的结构及工作原理顶部驱动钻井系统的特点,一、功能 最早的顶部驱动装置是“动力水龙头”，即：在水龙头上设置动力装置，驱动水龙头的中心管旋转，中心管下部直接接钻杆。这样，在钻井过程中，可以省去转盘。现在的顶部驱动钻井系统，无论在功能上，还是在结构上，都发展得日益完善。它的主要功能有：1、旋转钻进；2、循环钻井液；3、起吊钻具；4、上卸钻柱。,顶部驱动钻井系统的功能和类型,二、类型 顶部驱动钻井系统是在80年代末，由美国、法国、挪威相继研制而成。基本类型有三大类：1、全液压驱动（如Maritime Hydraulics 公司的产品）驱动主
2、轴旋转的动力源是液压能。由两台轴向柱塞马达经齿轮减速箱带动主轴旋转。2、直流电驱动（如美国Varco公司的产品）驱动主轴旋转的动力源是直流电。由直流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。直流电源是来自电动钻机的ACSCR 系统。3、交流电驱动（如挪威的DDM型）驱动主轴旋转的动力源是交流电。由交流电动机经齿轮减速箱带动主轴旋转。调速则利用AC/AC变频技术。三种类型，都把无级调速特性作为基本要求。,与常规旋转钻井方式不同，采用顶驱装置钻进一次可接入和钻进一个立根，上卸扣时间减少了三分之二；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。,DQ40BC,DQ70B
3、SC,DQ90BSC,技术特点：、动力水龙头采用进口交流电动机，交流变频驱动；、动力水龙头装置采用进口推力轴承和特殊结构设计，抗钻柱纵向震动；,、管子处理装置的倾斜机构可以前倾、后倾或者360度旋转，有利于抓取钻杆以及钻进时使主轴更靠近钻台面，钻柱使用充分；,、管子处理装置采用环形夹紧背钳，背钳和内防喷器控制机构不随吊环转动；、采用了机、电、液、信息一体化的控制技术，自动化程度高。,主要技术参数,三、组成 一个完整的顶部驱动钻井系统由以下几部分组成：1、水龙头钻井马达装置总成 具体有：水龙头、电动机（或液压马达）、齿轮减速器、主轴；作用：驱动主轴正反转、向钻柱内导入钻井液。,2、导向滑车总成
4、具体有：导轨（立于井架内，有单轨和双轨两种）、滑车框架（固定在顶部驱动装置壳体上）、导向轮（装在滑车框架上，可沿导轨滚动）。作用：引导顶部驱动装置上下运动；承受钻井过程中的反向力矩。3、钻杆上卸扣装置（Pipehander）具体有：吊卡、吊环、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳。作用：通过吊卡、吊环、起吊钻具；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）。,4、平衡系统；5、冷却系统；6、顶驱控制系统及其 它辅助设备,一、直流电驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍美国Varco公司的产品。1、系统组成 Varco公司的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
5、配的常规水龙头）；2）钻井马达总成由直流电动机、一级齿轮减速箱、主轴、散热装置组成；3）导向滑车总成由滑车框架、导向轮、导轨等组成；4）钻杆上卸扣装置由旋转头、吊环连接器、吊环倾斜器、液压扭矩钳等组成；5）动力系统由柴油机、发电机、SCR控制房、液压泵站、电力电缆、控制电缆、柔性液压管汇等组成。2、安装布置（见图）；3、水龙头钻井马达总成（见图）4、导向滑车（见图）；5、钻杆上卸扣装置（见图）,顶部驱动钻井系统的结构及工作原理,钻井马达总成要点：1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、电动机为双出轴，下端通过花键与主动小齿轮连接，上端与气动制动器摩擦轮固连。4、气动
6、制动器的作用有两方面：需要主轴快速停止；使用井底动力钻具时制动主轴。,钻杆上卸扣装置要点：1、钻杆上卸扣装置利用上部旋转头固连在顶部驱动装置总成的减速箱壳体的下方；2、吊环倾斜器靠液缸推动而摆动，通过链条带动吊环倾斜；3、液压扭矩钳（扳手）通过吊架悬挂在旋转头上，有上、下两个钳。下钳（夹持钳）不旋转，可由夹紧液压缸驱动，夹紧钻具母接头；上钳可以靠两个液压缸夹紧主轴下端连接的保护短接，靠另外两个液压缸推动正、反转，完成钻具与主轴的紧扣和崩扣。低扭矩时，可用钻井马达旋转主轴，实现上、卸扣。,导向滑车总成,二、全液压驱动的顶部驱动钻井系统 这里介绍挪威 Maritime Hydraulics 公司的
7、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：1）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；3）钻井马达总成 4）钻杆上卸扣装置 5）液压动力系统,返回10,2、安装布置,返回10,要点：1、水龙头中心管经锥管螺纹与主轴连接。2、主轴与从动大齿轮固连。3、两个液压马达的输出轴通过花键与主动小齿轮轴固连。4、钻杆上卸扣装置悬挂在主轴下台肩上。5、导向滑车通过四个铰链与减速箱壳体固连；,液压顶部驱动装置结构原理图,3、顶部驱动装置总成,返回10,要点：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
8、面载荷，采用双闭环齿轮传动。,顶驱减速器结构原理图,4、驱动装置减速箱总成,5、导向滑车、吊环倾斜器、液压扭矩钳的位置,要点：1、液压缸为单作用缸，夹紧靠液压力，释放靠弹簧力。2、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。3、钳牙用螺钉固定，可以随时更换。,液压扭矩钳结构原理图,返回14,液压扭矩钳结构原理,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。现在已用于2000米到9000米的井深；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
9、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。,顶部驱动钻井系统的特点,一、顶部驱动装置操作过程 1、接立根钻进,二、接单根钻进,四、倒划眼操作,三、起下钻操作,五、下管套,三、顶驱钻井装置与常规钻井设备的比较,1、钻井效率明显提高。,A、从钻井到起下钻或从起下钻恢复钻进状态，该装置不存在常规钻机的上、卸水龙头和方钻杆所造成的时间损失。B、不存在常规钻机转盘方补心蹦出所造成的停工。C、立根钻进，从而减少了常规钻井接单根上提钻柱需从新定工具面角的时间。D、在井下纯作业时间增多，上扣、起下钻、测量和其他非纯钻进时间减少。,2、立柱钻进节省了大量的时间,
10、A、减少了坍塌页岩层扩眼或清洗井底的时间。B、在井径不足需扩眼或首次下入足尺寸稳定器进行扩眼时减少了钻进时间。C、在同一平台钻丛式井，不用甩钻具或卸立柱。D、不需要接单根就能够回收最大长度的岩心。E、定向钻井时，减少了定向时间。,3、连续旋转和循环降低了风险。,A、连续的旋转和循环是顶部驱动钻井装置的重要特征。B、顶部驱动钻井装置允许使用少量的、比较便宜的润滑剂、钻井液或添加剂。c、减少了钻柱或昂贵的井下工具卡钻的几率。,4、有利于井控。,A、任何时间和位置的于钻柱对接。B、随时可以进行的循环和旋转。C、减少钻柱被卡后上卸方钻杆的危险作业程序。,5、安全性提高。,A、减少了使用大钳和猫头等，降
11、低了钻井工人作业危险。B、减少许多笨重的工作，提高了起升重钻具的安全性。C、自动吊卡，消除了人工操作吊卡的事故隐患。D、井控安全性得到大大提高。E、遥控防喷盒，防止泥浆溅落到钻台上，增加了工作的安全性。,6、作业时间的比较,起下钻,30%,纯钻进,30%,非生产,40%,典型钻井的作业时间分配,起下钻,25%,非生产,35%,纯钻进,40%,顶部驱动钻井装置钻井时间配,7、水平井费用比较,项 目,日成本，美元,测深，M,机械钻速，m/h,日进尺,钻2000m所需天数,单井成本，美圆,单井用顶驱节约，美圆,8口井用顶驱节约，美圆,转盘/方钻杆,顶驱装置,40800,43000,2000,2000
12、,30,30,240,288,8.3,6.9,338640,296700,41940,335120,六、顶部驱动钻井装置的缺点：,顶部驱动钻井系统从1982年问世以来，世界范围内的使用数字逐年增加。顶部驱动钻井系统也日益得到完善与改进，但存在一些问题。,1管理不善停机 如果不能很好的加以管理，顶部驱动钻井装置将会造成钻机停机。据美国Varco公司调查，发现在1995年前的相当一段时期内，顶部驱动钻井装置电路故障占其停机修理的42，而机械故障占其停机修理的58%。,2切断钻井钢丝绳 以TDS一3型顶部驱动钻井系统为例，用它钻三口井总重量为21216 kg，其中包括游动滑车和水龙头，这些附加的重量
13、相对于传统的方钻杆转盘系统来说增加了切断钻井钢丝绳的频率。,1)、顶部驱动钻井装置目前还不能实现自动钻进，它只实现了钻机的局部自动化，还没有将司钻从刹把前解放出来。2)、顶部驱动钻井装置自身重量大必然引起其他机件设计、制造、材料等方面的改进。3)、顶部驱动钻井装置要向结构简化、重量减轻、尺寸减小的方向再加以改进，才能满足修井机、轻型钻机改装的要求，才能寻求到更广阔的市场。,七、顶驱装置的改进方向：,小结,主要内容：转盘的功用与典型结构；水龙头的功用与典型结构；顶驱钻井系统的功用、类型、特点和典型结构。重点：转盘和水龙头的典型结构。难点：顶驱钻井系统的典型结构。基本要求：掌握转盘和水龙头的结构、工作原理；掌握顶驱钻井系统的功用、类型、特点和典型结构。,
