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1、第四章 顶驱钻井系统 一、概述（机自02,2005.11.8）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。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。,图4-1 顶部驱动钻井系统,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，
2、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AC-SCR-DC顶驱动(80年代广泛用)AC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）、挪威（MH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，尚无ACAC变频顶驱。,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）
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）立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达的造斜方位。（5）钻杆上卸扣操作机械化。（液马达在顶部）（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）它是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,图4-2 水龙头钻井马达总成,由水龙头、马达和一级齿轮减
4、速箱组成。（1）马达：用并激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，与普通水龙头的一致。（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。,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为冷却系统的总体安排。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,
5、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。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,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,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。导轨：装在井架内导向滑车：由马达底座和框架组成。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,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
6、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,TDS-8S(AC),（1）液控扭矩扳手用处：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啃合，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,（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
7、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，可随时将顶驱装置同钻柱连接使用。,图4-10 内防喷器阀及启动器总成,（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,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。,
8、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：两个相同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。又称液气弹簧式平衡装置。,图4-15平衡系统示意图,（1）前期TDS系统平衡油缸连接方式TDS-
9、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,连接：平衡系统的活塞杆上端与游车连接，油缸下端与
10、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。,工作过程：两个油缸向上的合拉力大于顶驱和立根重量，油缸带动顶驱和立根上移。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立根重量时，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。1DQ-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。2DQ-60P顶驱(Portable 轻便)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）。3DQ-20H顶驱(Hydraulic)勘探院机械所研制DQ-20H液马达顶驱，钻深2000m。,
