1、工业与民用电气安全工业与民用电气安全西南民族大学西南民族大学Southwest University for Nationalities0顶部驱动系统顶部驱动系统(TDS) TOP DRIVE SYSTEM1目目 录录v 1概述概述v 2顶驱的历史顶驱的历史v 3主要组成主要组成v 4技术特点技术特点v 5技术评价技术评价v 6设计制造中的一些问题设计制造中的一些问题v 7顶部驱动钻井系统的经济技术评价顶部驱动钻井系统的经济技术评价 v 8主要生产厂家及产品特点主要生产厂家及产品特点v 9顶驱的发展顶驱的发展21.概概 述述v顶驱钻井系统（顶驱钻井系统（TDS）是一套安装于井架内部空是一套安装
2、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（管柱处理装置上卸扣装置（管柱处理装置），），从井架的上部直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。管等各种钻井操作。v 顶部驱动，是把钻机动力部分由下边的转盘移到顶部驱动，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钻
3、机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进的驱动方式。动方式。3VARCO顶驱vVARCO4传统钻井方式传统钻井方式v钻进过程：钻进过程： 破岩破岩 排屑排屑v顿钻钻井顿钻钻井钻进过程不连续钻进过程不连续v旋转钻井旋转钻井钻进过程连续钻进过程连续 转盘钻转盘钻 井下动力井下动力5钻井新设备与新方法钻井新设备与新方法v钻井新设备钻井新设备 液控盘式刹车液控盘式刹车 液压钻机液压钻机 交流变频驱动技术交流变频驱动技术 顶部驱动装置顶部驱动装置v钻井新方法钻井新方法 地质导向钻井地质导向钻井6顶部驱动装置要解决的问题顶部驱动装置要解决的问题v传统钻井工艺的薄弱环节传统钻井工艺的薄弱环节（1）三大工作系统不
4、能互济）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。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。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）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。单根，因而费工、效
5、率低，劳动强度大。7顶驱与转盘钻井的比较顶驱与转盘钻井的比较1 转盘钻井方式转盘钻井方式2顶顶驱驱钻钻井井方方式式8TDS驱动方式驱动方式v液压驱动液压驱动 液压马达外形尺寸很小，液压顶驱的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，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该类顶驱的工作高度一般在5m以下。以下。 液压顶驱多数用于小型钻机上。液压顶驱多数用于小型钻机上。v电驱动电驱动 AC-SCR-DC AC变频变频9AC变频顶驱系统的主要优点为变频顶驱系统的主要优点为：(1)AC电动机效率高，经济性好；电动机效率高，经济性好；(2)AC电动机无电刷，可
6、防爆，钻井安全且占空间电动机无电刷，可防爆，钻井安全且占空间小；小；(3)AC变频驱动，可精确调节工作转速与输出扭矩变频驱动，可精确调节工作转速与输出扭矩，具有更好的调节性能；，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钻井安全。过载能力强，短时内可承受额定载荷的的150%过载载荷。过载载荷。 现阶段主要以现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。变频顶驱系统为主。102顶驱的历史顶驱的历史v第一台顶驱钻井系统由美国第一台顶驱钻井系统由美国Varco公司于公司于1982年年研制成功，此后法国、挪威
7、、加拿大和中国相继研制成功，此后法国、挪威、加拿大和中国相继研制成功研制成功11（1）美国）美国 Varco公司的研制历公司的研制历程程v20世纪世纪80年代。年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研公司从上世纪六十年代开始研制顶驱。制顶驱。v在在1981年年底研制出最初的年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动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钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装置置TDS-2型的设计。型的设计。1983年生产了单速（速比为年生产了单速（速比为5.33：1）的）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了型顶部驱动钻井装置，并由此
8、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。的方式。v1988年研制开发了具有新标准的年研制开发了具有新标准的2速（高速比速（高速比7.95：1，低速比，低速比5.08：1）的）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同型顶部驱动钻井装置，同年还生产了单速（速比年还生产了单速（速比6.67：1）的）的TDS-5型顶部驱动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。的一种产品。12v至至20世纪世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达，年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H
9、型及型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置由于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了这种新式马达应运而生，并在钻机上得以应用。到应用。到85年年Varco公司共销售顶驱公司共销售顶驱82台。台。BJ公公司从司从1985年开始生产销售顶驱，到年开始生产销售顶驱，到1988年共销售年共销售顶驱顶驱8台，随后被台，随后被Varco公司兼并，到公司兼并，到1991年年Varco BJ 公司共销售顶驱公司共销售顶驱312台，其中台，其中300台用于台用于海上钻井平台，中国当时有四台全用于海上钻井海上钻井平台，中国当时有四台全用于海上钻井平台。平台。 13v1990年首先
10、生年首先生产出了整体式产出了整体式水龙头，装配水龙头，装配在在 TDS-3S、TDS-4S两种型两种型号的顶部驱动号的顶部驱动钻井装置上，钻井装置上，得到广泛应用得到广泛应用。 14v1994年开发的年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升能型顶部驱动钻井装置，起升能力为力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。，为第一台双交流电动机驱动式。v1996年后该公司更研制出年后该公司更研制出 500 t的的TDS-11SA型及轻便型及轻便的的250 t的的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以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、型引人注目，它
11、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。于小型修井机和轻便钻机上。vTDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计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，的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音，并可获得并可获得225 r/min的最高工作转速。该顶部驱动钻井的最高工作转速。该顶部驱动钻井装置由装置由2台交流变频电机驱动台交流变频电机驱动 。15vVarco BJ公司在公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马年之后，就不再开发直流驱动马达的顶
12、部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的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。顶部驱动钻井装置研制。v如如TDS-11SA（ 1994年），使用一对年），使用一对400hp的交流驱的交流驱动电机，重要较轻，尺寸较小，而产生的扭矩特性却动电机，重要较轻，尺寸较小，而产生的扭矩特性却接近于一台接近于一台1100hp的直流电动机。的直流电动机。v选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少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，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。而无电
13、火花，安全性好，因此得到用户认可。v交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可使用使用 750 V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种直流电源，或直接用工业网电驱动，这种灵活性使得它使用范围宽广。灵活性使得它使用范围宽广。 16VARCO公司顶驱参数公司顶驱参数17TDS-11SA技术参数：技术参数： API提升载荷：提升载荷：500吨（吨（S） 整体式水龙头整体式水龙头 双交流电机：双交流电机：2350马力马力 减速箱齿轮传动比：减速箱齿轮传动比：10.5 连续工作扭矩：连续工作扭矩：51.75kNm 间歇工作扭矩：间歇工作扭矩：67.34k
14、Nm 适用钻杆尺寸：适用钻杆尺寸：35in 静音斜齿轮传动静音斜齿轮传动18（2）中国的研制发展过程）中国的研制发展过程v我国从我国从20世纪世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术，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，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
15、全等许多困难，认真按照计划执，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。年完成样机，并在台架试验中不断改进完善。 19v1997年年4月样机安装在塔里木月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进行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，完钻井深务，完钻井深5649m，垂深，垂深5369 m，水平位移，
16、水平位移550 m，井斜角，井斜角 70度。该井在试验期间，起下钻约度。该井在试验期间，起下钻约50次，次，多次遇阻遇卡，利用顶部驱动钻井装置均能顺利通过多次遇阻遇卡，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。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。界上第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家。 20v1997年年12月国产顶部驱动钻井装置通
17、过了原中国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：石油天然气总公司的鉴定，鉴定书中认为：“该该装置是结合我国实际情况，参考国外技术，自行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国内空白，并在总体技术上达到国外90年代先进年代先进水平。水平。”之后，该项目荣获原中国石油天然气总之后，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。公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖。 21v我国生产的我国生产的DQ-60D型顶部驱动钻井装置，
18、名义钻型顶部驱动钻井装置，名义钻井深度井深度6000m；最大钩载；最大钩载4500KN，动力水龙头最，动力水龙头最大扭矩大扭矩40 kNm，转速范围，转速范围0183 r/min，无级调，无级调速；直流电机最大输出功率速；直流电机最大输出功率940 kw；倾斜臂最大；倾斜臂最大倾斜角，前倾倾斜角，前倾30度，后倾度，后倾15度；回转半径度；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩；最大卸扣扭矩80kNm；上卸扣装置夹；上卸扣装置夹持钻杆范围持钻杆范围89216 mm（3.58.5in）。在工业）。在工业试验中，经历了跳钻、蹩钻、划眼等多种考验，试验中，经历了跳钻、蹩钻、划眼等多种考验，表明表明DQ-
19、60D型产品的性能优良，质量可靠。型产品的性能优良，质量可靠。22vDQ-60D型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动，故型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动，故主轴可无级调速、扭矩可任意主轴可无级调速、扭矩可任意设定，其倾斜臂为双设定，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，使可实现后倾在下钻时，使2个吊卡交替应用，非常方个吊卡交替应用，非常方便。便。DQ-60D型产品采用了液压驱动回转头，而且是正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反转互锁的。现场实验表明，回转头与倾斜臂
20、动作协调，操作方便、快捷，而且实现了上卸扣机构的动作调，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。由于上述革新与回转头旋转互锁，保证了工作安全。由于上述革新，使，使DQ-60D型产品较国外产品更进一步发挥了顶部驱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，提高钻井速度，使我
21、国DQ-60D型顶部驱动钻井装置型顶部驱动钻井装置赶上了赶上了90年代同类产品的世界先进水平。年代同类产品的世界先进水平。23国产顶驱国产顶驱v现在我国已经能够生产从现在我国已经能够生产从3000m到到12000m的顶驱的顶驱装置，其参数符合我国钻机标准。装置，其参数符合我国钻机标准。v生产厂家：生产厂家：v北京石油机械厂北京石油机械厂v辽河天意石油装备有限公司辽河天意石油装备有限公司 v宝鸡石油机械集团宝鸡石油机械集团v大庆锦宏有限公司大庆锦宏有限公司v华北石油机械厂华北石油机械厂24国产部分顶驱参数国产部分顶驱参数253主要组成主要组成v顶驱钻井系统组成顶驱钻井系统组成v3.1 钻井马达钻
22、井马达-水龙头总成水龙头总成v3.2 钻杆上卸扣装置钻杆上卸扣装置v3.3 导轨导轨-导向滑车总成导向滑车总成v3.4 控制系统控制系统263.1 钻井马达钻井马达-水龙头总成水龙头总成v 钻井马达是顶驱的主驱动力，目前主要有液马达钻井马达是顶驱的主驱动力，目前主要有液马达顶驱、顶驱、AC-SCR-DC顶驱和顶驱和AC变频顶驱等几大类变频顶驱等几大类。 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。马达的形式，在结构组成上没有根本性区别。v 该部分可分为：该部分可分为：v 电机部分和水龙头总成；电机部分和水龙头总成；v
23、电机冷却系统；电机冷却系统；v 平衡系统平衡系统273.1.1 电机部分和水龙头总成电机部分和水龙头总成该总成由系列部件组成：该总成由系列部件组成：v变速箱和中心管部分；变速箱和中心管部分；v整体式水龙头总成；整体式水龙头总成；v钻井电机和制动器钻井电机和制动器28（1） 变速箱和变速箱和 中心管总成中心管总成v该装置包括：该装置包括：v罩体；罩体；v 本体和传动箱；本体和传动箱；v电机小齿轮（电机小齿轮（34齿）；齿）；v复式齿轮（复式齿轮（6318齿）；齿）；v 大齿轮（大齿轮（102齿）；齿）；v 主驱动轴；主驱动轴； v整体式水龙头总成；整体式水龙头总成； v 润滑系统。润滑系统。29
24、变速箱总成变速箱总成v双级减速的单速斜齿齿轮传动可以提供由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电机到主驱动轴的10.5：1传动比。本体和传动比。本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主止推轴承和径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滑。本体和传动装置部分形成一个密闭的润
25、滑油室，润滑齿轮和轴承。油泵装在传润滑油室，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动箱内，由液压泵驱动向齿轮供给润滑油。30（2）整体式水龙头装置）整体式水龙头装置v主轴和鹅颈管之间装有一标准冲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，以增加水平支撑并同齿箱相连，以增加水平支撑。支撑。v 锻制合金钢水龙头提环采用销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大钩相联。可以使用加长的水龙头提环
26、，以便在鹅颈管和大钩之头提环，以便在鹅颈管和大钩之间留出足够空间，方便操作人员间留出足够空间，方便操作人员加装电测盘根装置。加装电测盘根装置。31（3） 钻井电机和制动器钻井电机和制动器 TDS 11SA的动力为两台的动力为两台350马力或马力或400马力交流钻井电机。马力交流钻井电机。电机并排垂直安装在传动齿轮电机并排垂直安装在传动齿轮箱箱盖上，箱盖带有一个经过箱箱盖上，箱盖带有一个经过改装的改装的“D”型端面，从而使电型端面，从而使电机安装时在不需加垫片或专门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找中。每台电机都有一个双端轴，轴下端安装传动小齿轮，轴，轴下端安装传动小齿轮，而
27、制动器安装在轴上端。而制动器安装在轴上端。 32VARCO电机结构vVARCO电机结构电机结构33交流电机及特性交流电机及特性v顶驱一般使用一台或两台顶驱一般使用一台或两台800马力或马力或4002马力交流马力交流电机，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。轨之间的距离最短。v钻井电机具有下列优点：钻井电机具有下列优点：v 可靠性高；可靠性高；v 维护少；维护少；v 无污染；无污染；v 作业范围大；作业范围大；v 满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态；满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态；v 能过载能过载150%，时间可长达，时间可
28、长达1分钟；分钟；v 无电火花。无电火花。34电驱动顶驱特性电驱动顶驱特性v 可采用三相可采用三相600伏的交流电机来驱动，输入频率伏的交流电机来驱动，输入频率0-80赫兹。每台电赫兹。每台电机需要机需要1100立方英尺立方英尺/分钟的冷却空气。分钟的冷却空气。 v 使用两台使用两台400马力交流电机（总计马力交流电机（总计800马力）和马力）和10.5：1齿轮传动齿轮传动比可在比可在0到到114转转/分钟钻柱转速范围内提供分钟钻柱转速范围内提供37500英尺英尺磅钮矩；保磅钮矩；保持持800马力输出功率，可在马力输出功率，可在228转转/分钟最大钻杆转速下产生分钟最大钻杆转速下产生18250
29、英尺英尺磅钮矩。磅钮矩。v 使用两台使用两台300马力交流电机（总计马力交流电机（总计700马力）和马力）和10.5：1齿轮传动齿轮传动比可在比可在0到到114转转/分钟钻柱转速范围内提供分钟钻柱转速范围内提供32500英尺英尺磅钮矩；保磅钮矩；保持持700马力输出功率，可在马力输出功率，可在228转转/分钟最大钻杆转速下产生分钟最大钻杆转速下产生15100英尺英尺磅钮矩。磅钮矩。v 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；有效地将热量散放在冷却空气中。配备有：内部温度
30、传感器； 双双层漆包线圈；层漆包线圈； 升级型轴承升级型轴承/轴密封；轴密封； 锥形输出轴。锥形输出轴。35VARCO特性vVARCO交流电机特性交流电机特性36制动器制动器 每台电机顶部装有每台电机顶部装有两个液压盘式制动器两个液压盘式制动器，通过制动器外盖周，通过制动器外盖周围可打开的盖子很容围可打开的盖子很容易检查和维护制动器易检查和维护制动器。盘式夹紧制动器可。盘式夹紧制动器可以在定向钻井作业中以在定向钻井作业中辅助钻柱定向。制动辅助钻柱定向。制动器由司钻控制台遥控器由司钻控制台遥控控制。控制。373.1.2电机冷却系统电机冷却系统 TDS 11SA的电机冷却系统为的电机冷却系统为一就
31、地吸气式的离心鼓风机，配一就地吸气式的离心鼓风机，配备有两台安装在钻井电机顶部的备有两台安装在钻井电机顶部的5马力交流电电机。冷却系统经马力交流电电机。冷却系统经过制动器抽进空气，经过刚性气过制动器抽进空气，经过刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口。冷却空气然后通过开部的风口。冷却空气然后通过开放型钻井电机内部，最后从电机放型钻井电机内部，最后从电机底部的百叶窗风口排出。这种结底部的百叶窗风口排出。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。强制通风的可靠性。383.1.3 平衡系统平衡系统 平衡系统的功能相当于大平衡系统的
32、功能相当于大钩补偿弹簧，可防止在使钩补偿弹簧，可防止在使用顶驱上卸钻杆时损坏接用顶驱上卸钻杆时损坏接头丝扣。它两个液缸及连头丝扣。它两个液缸及连接元件、液压蓄能器和液接元件、液压蓄能器和液压管汇组成。液缸安装在压管汇组成。液缸安装在整体式水龙头吊环和大钩整体式水龙头吊环和大钩吊耳之间。与液压蓄能器吊耳之间。与液压蓄能器相连。蓄能器可保持一个相连。蓄能器可保持一个预设的压力，其值由液压预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。司钻控制回路预先设定。司钻控制台上的遥控阀可以操作液台上的遥控阀可以操作液缸伸缩以辅助顶驱拆卸和缸伸缩以辅助顶驱拆卸和安装。安装。39
33、3.2 滑动架和导轨滑动架和导轨vTDS 11SA钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑动架沿悬立式导轨游动。导轨悬挂在天车，并一动架沿悬立式导轨游动。导轨悬挂在天车，并一直延伸到距钻台不到直延伸到距钻台不到7英尺处。在此，与安装在井英尺处。在此，与安装在井架下部的扭矩反作用梁相联。架下部的扭矩反作用梁相联。v钻井扭矩通过滑动架作用到导轨上。导轨可分成钻井扭矩通过滑动架作用到导轨上。导轨可分成20英尺一段（英尺一段（132磅磅/英尺）并悬挂于天车的孔板英尺）并悬挂于天车的孔板眼内。导轨各段用销子固定在一起，为方便安装眼内。导轨各段用销子固定在一起，为方便安装多采用铰接连接
34、。可以在钻台上依次联结起来，多采用铰接连接。可以在钻台上依次联结起来，然后用绞车将导轨整体吊起与天车联接。然后用绞车将导轨整体吊起与天车联接。40滑动架和导轨v滑动架和导轨滑动架和导轨413.3 管子处理装置管子处理装置 v管子处理装置由以下重要部件组成：管子处理装置由以下重要部件组成：v （1）动力旋转头）动力旋转头/吊环联接环；吊环联接环；v （2）双向吊环倾斜装置；）双向吊环倾斜装置；v （3）承载法兰盘；）承载法兰盘；v （4）遥控式上内防喷阀启动器；）遥控式上内防喷阀启动器；v （5）钮矩背钳。）钮矩背钳。42管子处理装置 v管子处理装置管子处理装置433.3.1动力旋转头和旋转吊环
35、动力旋转头和旋转吊环联接环联接环动力旋转头动力旋转头/旋转吊环联接环作用是当起钻或吊环倾斜装置定位、钻杆旋转吊环联接环作用是当起钻或吊环倾斜装置定位、钻杆处理装置随钻柱部件一起旋转时，使液压管汇能保持连通处理装置随钻柱部件一起旋转时，使液压管汇能保持连通 动力旋转头动力旋转头/吊环联接环有一个液压泵，可以双向旋转。液压泵由司钻吊环联接环有一个液压泵，可以双向旋转。液压泵由司钻控制台上的电磁阀操纵。液压泵可驱动装在旋转吊环联接环顶部的控制台上的电磁阀操纵。液压泵可驱动装在旋转吊环联接环顶部的定位齿轮转动，在作业和制动过程中，管子处理装置通过选定夹紧定位齿轮转动，在作业和制动过程中，管子处理装置通
36、过选定夹紧方式将旋转吊环联接环锁定于方式将旋转吊环联接环锁定于24个刻度的任一刻度位置。当液压泵个刻度的任一刻度位置。当液压泵停止工作时，吊环联接环能自由旋转。停止工作时，吊环联接环能自由旋转。 吊环倾斜装置液缸和扭矩平衡架悬挂在旋转吊环联接环上。吊环联接吊环倾斜装置液缸和扭矩平衡架悬挂在旋转吊环联接环上。吊环联接环连在主轴底座上，主轴内的液压通路与旋转吊环联接环的相应液环连在主轴底座上，主轴内的液压通路与旋转吊环联接环的相应液压油通道相连。液压油沿主轴的导流槽，供给管子处理装置的启动压油通道相连。液压油沿主轴的导流槽，供给管子处理装置的启动器。无论旋转还是处于任意静止状态，液压油都可在两个部
37、件之间器。无论旋转还是处于任意静止状态，液压油都可在两个部件之间流动。流动。 44动力旋转头和旋转吊环联接环v动力旋转头和旋转吊环联接环动力旋转头和旋转吊环联接环453.3.2 双向吊环倾斜装置双向吊环倾斜装置 v吊环倾斜装置由两个液缸组成，并通过夹紧装置提升吊环倾斜装置由两个液缸组成，并通过夹紧装置提升能力为能力为350吨的吊卡吊环相连。液缸的闩锁限制了吊吨的吊卡吊环相连。液缸的闩锁限制了吊卡只能移动到井架工的位置，井架工位置可调。松开卡只能移动到井架工的位置，井架工位置可调。松开闩锁，可将吊卡移动到小鼠洞位置。闩锁，可将吊卡移动到小鼠洞位置。v司钻控制台上有一个司钻控制台上有一个3挡开关来
38、操纵吊环倾斜器。当挡开关来操纵吊环倾斜器。当置于置于TILT（倾斜）档，吊环向前移至小鼠洞或井架倾斜）档，吊环向前移至小鼠洞或井架工位置；当置于工位置；当置于DRILL（钻井）档，吊环向后倾斜，钻井）档，吊环向后倾斜，脱离钻杆并提升吊卡，便于钻进到钻台面。有一个单脱离钻杆并提升吊卡，便于钻进到钻台面。有一个单独的浮动开关可用于自由悬挂吊环。吊环可以停留在独的浮动开关可用于自由悬挂吊环。吊环可以停留在任一中间位置。操纵司钻台的任一中间位置。操纵司钻台的FLOAT钮，吊环可以钮，吊环可以复位到井中心位置。复位到井中心位置。46双向吊环倾斜装置 双向吊环倾斜装置双向吊环倾斜装置 473.3.3承载法
39、兰盘承载法兰盘v吊卡提升的吊卡提升的载荷由吊卡载荷由吊卡经吊环传递经吊环传递到安装在主到安装在主轴的承载法轴的承载法兰盘上。兰盘上。483.3.4 遥控上内防喷阀启动器遥控上内防喷阀启动器v两个球型内防喷阀为全尺寸、内开口安全阀。遥控式上阀两个球型内防喷阀为全尺寸、内开口安全阀。遥控式上阀和手动式下阀构成了井控系统。额定工作压力和手动式下阀构成了井控系统。额定工作压力15000psi。司钻控制台有一个两档开关操纵上内防喷阀的开启和关闭司钻控制台有一个两档开关操纵上内防喷阀的开启和关闭。493.3.5 扭矩背钳扭矩背钳v 扭矩背钳安扭矩背钳安装在保护接装在保护接头下台肩的头下台肩的下方，包括下方
40、，包括两个镶块夹两个镶块夹爪和一个夹爪和一个夹紧液缸，当紧液缸，当与保护接头与保护接头相连时，夹相连时，夹紧钻柱母扣紧钻柱母扣端。端。v 悬挂于旋转吊环吊卡的扭矩平衡架上来支撑扭矩背钳液缸悬挂于旋转吊环吊卡的扭矩平衡架上来支撑扭矩背钳液缸。液缸与扭矩平衡架之间采用柔性连接，可以上下移动，。液缸与扭矩平衡架之间采用柔性连接，可以上下移动，方便松紧扣和在上卸扣时承受反作用扭矩。方便松紧扣和在上卸扣时承受反作用扭矩。503.4 顶驱的控制系统顶驱的控制系统 v顶驱是一个复杂的系统，如正常钻进时，要控制顶驱是一个复杂的系统，如正常钻进时，要控制电机的旋转，必要时还要刹住钻柱，在时还可能电机的旋转，必要
41、时还要刹住钻柱，在时还可能要关闭防喷器；起下钻时，要完成夹紧、上卸扣要关闭防喷器；起下钻时，要完成夹紧、上卸扣、吊环旋转或移动等动作，同时还要有保护系统、吊环旋转或移动等动作，同时还要有保护系统以保证系统正常工作，还要防止误操作等。因此以保证系统正常工作，还要防止误操作等。因此顶驱的控制是非常复杂的，目前采用的是电、液顶驱的控制是非常复杂的，目前采用的是电、液联合控制（或电气液联合控制）。联合控制（或电气液联合控制）。51顶驱的控制系统顶驱的控制系统 v组成组成v液压控制系统液压控制系统v顶驱司钻台顶驱司钻台v控制柜控制柜523.4.1 液压控制系统液压控制系统v液压控制系统完全安装顶部驱动系
42、统上，可提供全部液压控制系统完全安装顶部驱动系统上，可提供全部液压动力，这样就不需要其它的液压管汇。液压控制液压动力，这样就不需要其它的液压管汇。液压控制系统由性能可靠的标准件组成，用来控制和操作下列系统由性能可靠的标准件组成，用来控制和操作下列装置：装置：v 平衡系统；平衡系统；v 交流电机制动器；交流电机制动器；v 润滑系统；润滑系统；v 动力旋转头；动力旋转头；v 遥控式内防喷阀；遥控式内防喷阀；v 扭矩背钳；扭矩背钳；v 吊环倾斜装置吊环倾斜装置5353液压系统液压系统液压油滤子平衡系统储能器上IBOP延时储能器齿轮油滤子油压开关系统储能器IBOP 压力开关上IBOP执行液缸平衡系统阀
43、块主液压系统阀块吊环阀块吊环液缸平衡液缸液压油箱旋转头马达和锁销总成电机和泵总成液压电机10hp, 1,800rpm油箱容量25 加仑特性54液压控制系统v液压控制系统液压控制系统55v液压控制系统备有一台功率为液压控制系统备有一台功率为10马力、转速为马力、转速为1800转转/分钟的交流电机，以驱动两个液压泵。用一台固定分钟的交流电机，以驱动两个液压泵。用一台固定排量式泵驱动润滑系统，而用一台可变排量式泵驱动排量式泵驱动润滑系统，而用一台可变排量式泵驱动其它装置。其它装置。v整体式液压阀汇安装在顶驱本体上，其中装有各种电整体式液压阀汇安装在顶驱本体上，其中装有各种电磁阀、压力控制阀和流量控制
44、阀。磁阀、压力控制阀和流量控制阀。v液压油贮存在一个无缝不锈钢油缸内。这样，钻机搬液压油贮存在一个无缝不锈钢油缸内。这样，钻机搬迁时，不需要将液压油抽干和重新加满。油缸安装在迁时，不需要将液压油抽干和重新加满。油缸安装在两台钻井电机之间，配有过滤器和油面观测计。两台钻井电机之间，配有过滤器和油面观测计。v内防喷阀、压力控制阀和平衡系统均由液动内防喷阀、压力控制阀和平衡系统均由液动-气动蓄气动蓄能器来启动。能器来启动。563.4.2 顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台v司钻控制台由司钻控制台由300号不锈钢制成，采用全尺寸油密号不锈钢制成，采用全尺寸油密开关和指示灯。可以进行内加压爆，以满足危险地开关
45、和指示灯。可以进行内加压爆，以满足危险地区作业的需要。区作业的需要。Varco公司还能按照用户要求提供公司还能按照用户要求提供带带Pyle-National快速接头的控制台。快速接头的控制台。57顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台v司钻控制台还具备能与其它控制系统直接配套的司钻控制台还具备能与其它控制系统直接配套的控制手段。司钻控制台还可通过安装在环境受到控制手段。司钻控制台还可通过安装在环境受到控制的变频房中的司钻控制的变频房中的司钻PLC控制盘与变频器和顶控制盘与变频器和顶驱之间进行数据和操作命令的交换驱之间进行数据和操作命令的交换 58顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台宝鸡宝鸡 TRSCOv司钻控制
46、台司钻控制台593.4.3 交流电机控制系统交流电机控制系统v控制柜中主要有大功率变频装置、控制柜中主要有大功率变频装置、PLC控制器等组成控制器等组成，用以完成对顶驱的全面控制。，用以完成对顶驱的全面控制。60控制 交流变频驱动最大的优点之一是转速和钮矩能够得到高质量的交流变频驱动最大的优点之一是转速和钮矩能够得到高质量的控制，使操作人员能在整个运转范围内准确地控制钻杆转速控制，使操作人员能在整个运转范围内准确地控制钻杆转速 613.5 顶部驱动系统的操作顶部驱动系统的操作顶驱钻井系统可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环顶驱钻井系统可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。钻
47、井液、下套管等各种钻井操作。 623.5.1 钻进钻进1.接立根钻进接立根钻进 接立根钻进是接立根钻进是TDS常用的钻进方式。采用立根钻进的场合很多。对钻常用的钻进方式。采用立根钻进的场合很多。对钻丛式井的滑轨钻机和可带立根移动的钻机，钻杆立根可排放在井架丛式井的滑轨钻机和可带立根移动的钻机，钻杆立根可排放在井架上不动，留待下一口井接立根钻进使用。如没有现存的立根，推荐上不动，留待下一口井接立根钻进使用。如没有现存的立根，推荐采用下面两种方法：第一种方法是下钻时在井架内留下一部分立根采用下面两种方法：第一种方法是下钻时在井架内留下一部分立根，接单根下钻到底，留下的立根数量应足以钻完预计的钻头进
48、尺；，接单根下钻到底，留下的立根数量应足以钻完预计的钻头进尺；第二种方法在钻进期间或钻机空闲时，在小鼠洞内接好立根。为安第二种方法在钻进期间或钻机空闲时，在小鼠洞内接好立根。为安全起见，小鼠洞最好要垂直，以保证在垂直平面内对扣，简化接单全起见，小鼠洞最好要垂直，以保证在垂直平面内对扣，简化接单根程序。应注意单根只要旋进钻柱母扣既可，因为顶部驱动电机还根程序。应注意单根只要旋进钻柱母扣既可，因为顶部驱动电机还要施加紧扣钮矩上紧接头。要施加紧扣钮矩上紧接头。 631.接立根钻进v1.接立根钻进接立根钻进642. 接单根钻进 v通常有两种通常有两种情况需要接情况需要接单根钻进。单根钻进。一种是新井一
49、种是新井钻井，井架钻井，井架上没有接好上没有接好的立根；另的立根；另一种是用井一种是用井下动力马达下动力马达造斜时，每造斜时，每30英尺必须英尺必须测斜一次。测斜一次。653. 倒划眼 顶驱可以倒划眼，顶驱可以倒划眼，来防止钻柱粘卡和来防止钻柱粘卡和减少井下键槽卡钻减少井下键槽卡钻，倒划眼并不影响，倒划眼并不影响正常起下钻排放立正常起下钻排放立根。这是因为顶部根。这是因为顶部驱动和背钳能在井驱动和背钳能在井架内卸开架内卸开93英尺立英尺立根。根。 663.5.2井控程序井控程序v顶驱可在井架任一高度与钻柱连接。钻进时，遥控式顶驱可在井架任一高度与钻柱连接。钻进时，遥控式上内防喷阀总是接在钻柱中
50、，一旦需要即可立即投入上内防喷阀总是接在钻柱中，一旦需要即可立即投入使用。使用。v下内防喷阀需用扳手手动操作，除此之外它与上内防下内防喷阀需用扳手手动操作，除此之外它与上内防喷阀相同。两个防喷阀始终接在钻柱上，因此，只要喷阀相同。两个防喷阀始终接在钻柱上，因此，只要顶驱与钻杆相连，内防喷阀就能马上投入使用。顶驱与钻杆相连，内防喷阀就能马上投入使用。v为了将井控设备接到钻柱上，打开背钳液缸，将反扭为了将井控设备接到钻柱上，打开背钳液缸，将反扭矩架提离钻柱。矩架提离钻柱。v将下防喷阀拆离上防喷阀后，下防喷阀仍接在钻柱上将下防喷阀拆离上防喷阀后，下防喷阀仍接在钻柱上以便采取井控措施，顶驱使用转换接头
