1、.1顶部驱动系统顶部驱动系统(TDS)TOP DRIVE SYSTEM.2目目 录录l 1概述l 2顶驱的历史l 3主要组成l 4技术特点l 5技术评价l 6设计制造中的一些问题l 7顶部驱动钻井系统的经济技术评价 l 8主要生产厂家及产品特点l 9顶驱的发展.31.概概 述述l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。l 顶部驱动，是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻
2、机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进的驱动方式。.4VARCO顶驱lVARCO.5传统钻井方式传统钻井方式l钻进过程：破岩 排屑l顿钻钻井钻进过程不连续l旋转钻井钻进过程连续 转盘钻 井下动力.6钻井新设备与新方法钻井新设备与新方法l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l钻井新方法 地质导向钻井.7顶部驱动装置要解决的问题顶部驱动装置要解决的问题l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
3、 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。.8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2顶驱钻井方式.9TDS驱动方式驱动方式l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。l电驱动 AC-SCR-DC AC变频.10AC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；(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
4、，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。.112顶驱的历史顶驱的历史l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.12（1）美国）美国 Varco公司的研制历程公司的研制历程l20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研制顶驱。l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-
5、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。l1988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。.13l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，
6、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。.14l1990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。.15l1994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。l1996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。lTD
7、S-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。.16lVarco 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。l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。l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。l交流
8、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。.17VARCO公司顶驱参数公司顶驱参数.18TDS-11SA技术参数：技术参数：API提升载荷：500吨（S）整体式水龙头 双交流电机：2350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：35in 静音斜齿轮传动.19（2）中国的研制发展过程）中国的研制发展过程l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
9、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。.20l1997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
10、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。.21l1997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。.22l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 kNm，转速范围0183 r/min，无级调速；直
11、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80kNm；上卸扣装置夹持钻杆范围89216 mm（3.58.5in）。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。.23lDQ-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
12、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。.24国产顶驱国产顶驱l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。l生产厂家：l北京石油机械厂l辽河天意石油装备有限公司 l宝鸡石油机械集团l大庆锦宏有限公司l华北石油机械厂.25国产部分顶驱参数国产部分顶驱参数.263主要组
13、成主要组成l顶驱钻井系统组成l3.1 钻井马达-水龙头总成l3.2 钻杆上卸扣装置l3.3 导轨-导向滑车总成l3.4 控制系统.273.1 钻井马达钻井马达-水龙头总成水龙头总成l 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。l 该部分可分为：l 电机部分和水龙头总成；l 电机冷却系统；l 平衡系统.283.1.1 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：l变速箱和中心管部分；l整体式水龙头总成；l钻井电机和制动器.29（1）变速箱和变速箱和
14、 中心管总成中心管总成l该装置包括：l罩体；l 本体和传动箱；l电机小齿轮（34齿）；l复式齿轮（6318齿）；l 大齿轮（102齿）；l 主驱动轴；l整体式水龙头总成；l 润滑系统。.30变速箱总成变速箱总成l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。.31（2）整体式水
15、龙头装置）整体式水龙头装置l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。l 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。.32（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。.3
16、3VARCO电机结构lVARCO电机结构.34交流电机及特性交流电机及特性l顶驱一般使用一台或两台800马力或4002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。l钻井电机具有下列优点：l 可靠性高；l 维护少；l 无污染；l 作业范围大；l 满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态；l 能过载150%，时间可长达1分钟；l 无电火花。.35电驱动顶驱特性电驱动顶驱特性l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。l 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
17、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。l 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。l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。.36VARCO特性lVARCO交流电机特性.37制动器制动器 每台电机顶部装有两个液压盘式制动器，通过制动器
18、外盖周围可打开的盖子很容易检查和维护制动器。盘式夹紧制动器可以在定向钻井作业中辅助钻柱定向。制动器由司钻控制台遥控控制。.383.1.2电机冷却系统电机冷却系统 TDS 11SA的电机冷却系统为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5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。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。.393.1.3 平衡系统平衡系统 平衡系统的功能相当于大钩补偿弹簧，可防止在使用顶驱上卸钻杆时损坏接头丝扣。它两个液缸及连接元件、液压
19、蓄能器和液压管汇组成。液缸安装在整体式水龙头吊环和大钩吊耳之间。与液压蓄能器相连。蓄能器可保持一个预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。司钻控制台上的遥控阀可以操作液缸伸缩以辅助顶驱拆卸和安装。.403.2 滑动架和导轨滑动架和导轨lTDS 11SA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，并一直延伸到距钻台不到7英尺处。在此，与安装在井架下部的扭矩反作用梁相联。l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（132磅/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
20、导轨整体吊起与天车联接。.41滑动架和导轨l滑动架和导轨.423.3 管子处理装置管子处理装置 l管子处理装置由以下重要部件组成：l （1）动力旋转头/吊环联接环；l （2）双向吊环倾斜装置；l （3）承载法兰盘；l （4）遥控式上内防喷阀启动器；l （5）钮矩背钳。.43管子处理装置 l管子处理装置.443.3.1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/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
21、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。.45动力旋转头和旋转吊环联接环l动力旋转头和旋转吊环联接环.463.3.2 双向吊环倾斜装置双向吊环倾斜装置 l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350吨的吊卡吊环相连。液缸的闩锁限制
22、了吊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。l司钻控制台上有一个3挡开关来操纵吊环倾斜器。当置于TILT（倾斜）档，吊环向前移至小鼠洞或井架工位置；当置于DRILL（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FLOAT钮，吊环可以复位到井中心位置。.47双向吊环倾斜装置 双向吊环倾斜装置.483.3.3承载法兰盘承载法兰盘l吊卡提升的载荷由吊卡经吊环传递到安装在主轴的承载法兰盘上。.493.3.4 遥控上内防喷阀启动器遥控上内防喷阀启动器l两个球型内防喷阀为
23、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。.503.3.5 扭矩背钳扭矩背钳l扭矩背钳安装在保护接头下台肩的下方，包括两个镶块夹爪和一个夹紧液缸，当与保护接头相连时，夹紧钻柱母扣端。l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，方便松紧扣和在上卸扣时承受反作用扭矩。.513.4 顶驱的控制系统顶驱的控制系统 l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，在时还可能要关闭防喷器；起下钻时，要完成夹紧、上卸扣、吊环
24、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）。.52顶驱的控制系统顶驱的控制系统 l组成l液压控制系统l顶驱司钻台l控制柜.533.4.1 液压控制系统液压控制系统l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。液压控制系统由性能可靠的标准件组成，用来控制和操作下列装置：l 平衡系统；l 交流电机制动器；l 润滑系统；l 动力旋转头；l 遥控式内防喷阀；l 扭矩背钳；l 吊环倾斜装置.5454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
25、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.55液压控制系统l液压控制系统.56l液压控制系统备有一台功率为10马力、转速为1800转/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其它装置。l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阀。l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。油缸安装在两台钻井电机之间，配有过滤
26、器和油面观测计。l内防喷阀、压力控制阀和平衡系统均由液动-气动蓄能器来启动。.573.4.2 顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台l司钻控制台由300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，以满足危险地区作业的需要。Varco公司还能按照用户要求提供带Pyle-National快速接头的控制台。.58顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台l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的变频房中的司钻PLC控制盘与变频器和顶驱之间进行数据和操作命令的交换.59顶驱司钻控制台顶驱司钻控制台宝鸡 TRSCOl司钻控制台.603.4.3 交流电机控制系统交
27、流电机控制系统l控制柜中主要有大功率变频装置、PLC控制器等组成，用以完成对顶驱的全面控制。.61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.623.5 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、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。.633.5.1 钻进钻进1.接立根钻进 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，推荐采用下面两种方法：第一种方法是下钻时在井架内留
28、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要施加紧扣钮矩上紧接头。.641.接立根钻进l1.接立根钻进.652.接单根钻进 l通常有两种情况需要接单根钻进。一种是新井钻井，井架上没有接好的立根；另一种是用井下动力马达造斜时，每30英尺必须测斜一次。.663.倒划眼 顶驱可以倒划眼，来防止钻柱粘卡和减少井下键槽卡钻，倒划眼并不影响正常起下钻排放立根。这是因为顶部驱动和背钳能在井架内卸开93英尺立根
29、。.673.5.2井控程序井控程序l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，一旦需要即可立即投入使用。l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，只要顶驱与钻杆相连，内防喷阀就能马上投入使用。l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。l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，顶驱使用转换接头连接钻柱和下防喷阀。.68二、井控程序l井控程序.69二、井控程序l井控程序.704.顶部驱动钻井装置的特点顶部驱动钻井装置的特点 l顶驱将动力向上放置，取消了方钻杆，增加钻进过程的活动
30、空间。l起升、旋转、循环三大工作系统可以同时工作，丰富了钻井操作。.71顶部驱动钻井装置的特点顶部驱动钻井装置的特点 顶驱的主要优越性l在起下钻及遇阻遇卡时，能及时旋转钻杆和循环泥浆。既提高了井眼质量，又减少了事故发生。l可接立根钻井，减少三分之二的泥浆循环时间，明显提高钻井效率。l吊环前后倾斜、旋转，上卸扣动作全部由电液控制来实现，可减轻工人劳动强度，自动化程度高。l可随时关闭内防喷器，提高了钻井作业的安全性。l钻进时转盘不旋转，钻台操作更安全。据国外测算，比常规钻井方式提高效率1530%.724.1 节省接单根时间节省接单根时间l立根钻进l利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一方
31、面又可通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦。代之而起的是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时间。.73l在定向井中，由于采用立柱钻进，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间。顶部驱动钻井装置的马达为无级调速，可达到与井底导向马达、MWD、高效能钻头的最佳配合，以提高机械转速，准确控制井眼轨迹。在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作，提高了取心收获率。l国内外大量的实践说明，采用顶部驱动钻井装置可减少钻井时间1
32、030。.744.2 倒划眼防止卡钻倒划眼防止卡钻l由于具有可使用 28 m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转钻具提出井眼。钻杆上卸扣装置可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大幅度地减少起钻总时间。.754.3 下钻划眼下钻划眼l该装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。下钻中接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。使用TDS下钻时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。这样不花费时间，也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。.764.4 节省定向钻进时间节省
33、定向钻进时间l该装置可以通过28 m立根循环，相应减少井下马达定向时间。.774.5 人员安全人员安全lTDS可减少接单根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。接单根时只需要打背钳。l此外，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业者工作的危险程度。.784.6 井下安全井下安全l在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业。采用方钻杆与转盘时，就得卸掉l2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。在大位移井接单根划眼、卡钻、憋泵的危险性较大，特别在上提遇卡，下放遇阻时，很难接方钻杆循环、如使用顶部驱动钻井
34、装置，很容易在任何位置立即进行循环，大大减少了卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段，扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业套管居中。顶部驱动钻井装置内防喷阀及其执行机构，在发现并涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。.794.7 设备安全设备安全l 顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳。并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使用寿命的目的。.804.8 井控安全
35、井控安全l在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶部驱动钻井装置主轴与钻柱分离。在用吊卡提升钻柱的过程中，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆上卸扣装置可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内遥控完成旋扣和紧扣，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内压力。l当在一不稳定油井里进行提升作业时，采用顶部驱动系统上扣连接和远距离循环遥控，立根排放器在数秒中之内即可实现水龙头中心管的输出端同钻柱在任一位置的快速对接。对钻柱防喷阀能够保持对钻柱内部压力的安全控制。.814.9 便于维修便于维修l钻井马达清晰可见，因此比单独驱动转盘的马达更易维修。单独驱动转盘的马达常常覆盖着泥浆，
36、位于钻台下方看不见。熟练的现场人员约 12h就可将其组装、拆卸。整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，故操作方便、简单、可靠。.824.10 使用常规水龙头部件使用常规水龙头部件l顶部驱动钻井装置使用常规的 水龙头止推轴承和冲管密封盘根。现场更换维修没有提高。.834.11 下套管下套管l顶部驱动钻井装置可采用常规方法下套管。在套管和主驱动轴之间加入一个转换接头（又称大小头）就可在套管中进行压力循环，无须再接入钢制水龙头旋转接头。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力，这样套管就容易通过井径缩小的井眼。.844.12 取心取心l能够连续取心钻进28 m，取心中间不需接单根。这样可以提
37、高取心收获率，减少起钻次数，与传统的取心作业相比，它的优点是明显的，污染小，质量高。.854.13 使用灵活使用灵活l 顶部驱动钻井装置使钻机具有前所未有的灵活性，可以下入打捞工具、完井工具和其他设备，既可正转又可反转。.864.14 节约泥浆节约泥浆l 在上部内防喷器球阀下面接有泥浆截流阀，截流阀起保留钻井液的作用。常规钻井中，钻井液滞留在方钻杆中，卸扣后溢出漏失，除非花时间手动操作泥浆截流阀才能止流。.874.15 便于拆下便于拆下l Varco BJ顶部驱动钻井装置很容易拆下，如果需要的话，不必将它从导轨上移下即可拆下其它设备。电、液、气管线不需拆卸。.884.16 内部防喷器功能内部防
38、喷器功能l该装置具有内部防喷器的功能，起钻时如有井喷迹象，可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆柱的连接，循环钻井液压井，避免事故发生，这是因为水龙头在起钻时不必拆下。.89 4.17 其它优点其它优点l交流马达除了比直流马达轻以外，由于没有电刷、刷状齿轮和整流子，因此，降低了保养费用。l另外，交流马达里没有放电装置。.90l采用顶部驱动钻井系统的最大优点是在水平钻井中体现出来。这向操作者和承包商提出了挑战。由于油井越钻越深，选择合适的方法进行钻井和起下作业变得尤为重要。钻杆进入水平段越深，所受的摩擦力越大，在这种情况下，采用顶部驱动钻井系统进行立根操作的优点变的更加明显，主要表现在
39、能使钻杆尽可能光滑和快速的通过这些横向截面。.91l大港油田在张巨河滩海地区钻的张17-1、张19-l和张18-30大位移井，其中后2口井在同一井场，张17-1和张 19-1并采用转盘钻施工，张18-30井采用顶部驱动装置施工。在条件基本相同的情况下，用转盘钻施工的2口井平均机械转速不到 9 m/h，且都发生过卡钻事故。而用顶部驱动装置施工的井，平均机械钻速为12.68 m/h，全没有发生过井下事故。.92l中原油田在桥口地区部署的两口滚动开发井桥72、桥73同时开钻，桥72井采用上海三高公司的50D新钻机完井深度4580m，钻井周期50天，而桥73井由于施工中采用了顶驱，仅用了37天8小时就
40、完成了4482m的设计井深，比桥72井提前13天完钻，扣除多钻100m的三天时间，桥73与桥72相比较，节约了近9天的钻井时间。.935参数评价参数评价l5.1 最大钩载与最大钻柱重量l5.2 公制单位与英制单位l5.3 等功率与等扭矩l5.4 顶驱参数意义.945.1 最大钩载与最大钻柱重量最大钩载与最大钻柱重量l TDS-11SA.95最大钩载与最大钻柱重量最大钩载与最大钻柱重量l最大钩载 使用于下套管、解卡l符合有关标准（国标、API、ISO）l最大钻柱重量 使用于正常钻进、起下钻.96石油钻机的国家标准石油钻机的国家标准lGB1806-79 石油钻机 型式与基本参数lGB1806-86
41、 石油钻机 型式与基本参数lSY/T5609-93 石油钻机型式与基本参数lSY/T5609-1999 石油钻机型式与基本参数lGB/T23505-2009 石油钻机和修井机.97GB/T23505-2009 石油钻机和修井机石油钻机和修井机lGB/T23505-2009 石油钻机和修井机.985.2 公制单位与英制单位公制单位与英制单位l英寸 1 in=25.4 mml英尺 1 ft =12 inl磅 1 lb=0.4536 kgl短吨 1 st=2000 lbl 1 st=907.2 kg=0.9072 t（吨）lAPI标准采用英制单位.99TDS-11SAlTDS-11SAl500 st
42、l450 tl350 stl315 t.1005.3 恒功率与恒扭矩恒功率与恒扭矩lTDS-11SAl连续转速l连续扭矩.101恒功率与恒扭矩恒功率与恒扭矩ln1-电机额定转速ln2-电机超频转速 （功率不降）ln1-n2 恒功率区间 N=M.10254 顶驱参数意义顶驱参数意义lTDS-11SAl技术参数l特性曲线.103TDS-11SA特性曲线特性曲线l间歇扭矩l制动扭矩l钻井扭矩.1046设计制造中的一些问题设计制造中的一些问题 l6.1 基本特点l6.2 散热问题l6.3 顶驱制动l6.4上卸扣的位移补偿l6.5 管柱联接问题l6.6 顶驱安装l6.7 下套管.1056.1 基本特点基
43、本特点l（1）功率密度大l（2）功能齐全l（3）系统复杂.1066.2 散热问题散热问题l大的功率密度，独立的散热系统.1076.3 顶驱制动顶驱制动l制动电机，液控盘式刹车.1086.4上卸扣的位移补偿上卸扣的位移补偿 l平衡缸l浮动支承.1096.5 管柱联接问题管柱联接问题l内防喷器l旋向l运动补偿.1106.6 顶驱安装顶驱安装l导轨安装与连接，l夹板，螺栓，焊接.1116.7下套管下套管l可同时循环泥浆，连接与密封.1127.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l7.1 一般经济技术评价l7.2 有形钻井操作与无形钻井操作评价.1137.1 一般经济技术评价一
44、般经济技术评价l（1）顶部驱动钻井装置和常规钻进设备的比较）顶部驱动钻井装置和常规钻进设备的比较 l（2）使用顶驱与未使用顶驱其辅助工时的比较使用顶驱与未使用顶驱其辅助工时的比较.114（1）顶部驱动钻井装置和常规钻）顶部驱动钻井装置和常规钻进设备的比较进设备的比较l 1.钻井效率明显提高l 1）从钻井到起下钻或起下钻恢复钻进状态下，钻井装置不存在常规钻机的上、卸扣水龙头和造成的时间损失。l 2）不存在常规钻机转盘方补心蹦出所造成的停工。l 3）不用钻鼠洞。l 4）定向钻井时，以整个立柱底端连接上扣，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。l 5）在井下纯作业时间更多，上扣、起
45、下钻、测量和其它非纯钻业时间减少。.115l 2立柱钻进节省大量时间l 1）减少了坍塌页岩层扩眼或清洗井底的时间。l 2）在扩眼和套管下扩眼作业中，减少了钻进时间。l 3）在井径不足需扩眼或首次下入足尺寸稳定器进行扩眼时，减少了钻井时间。l 4）在同一平台钻丛式井，不用甩钻具或卸立柱。l 5）不需换单根就能回收最大长度的岩心。l 6）定向钻井时，每次连接立柱后减少了定向时间。.116l 3连续旋转和循环降低风险l 1）顶部驱动钻井装置钻井最重要的特征就是能够整立柱划眼或倒划眼，连续旋转和开泵循环，连续旋转意味着能大大降低定向井或水平井中起出或下入钻柱时的摩阻。l 2）顶部驱动钻井装置允许使用较
46、少、也许较便宜的润滑剂、钻井液或添加剂。l 3）由于减少使用粘土，使其颗粒较少进入产层而降低对地层的损害。l 4）减少了钻柱或昂贵的井下工具卡钻的机率。.117l4在钻台任何位置上可换立柱，有利于井控l 1）由于可在井架任何位置把内防喷阀接上，司钻在任何时候都可进行有效的井控。l 2）当井眼遇到问题时，可立刻实施钻柱旋转和井内循环。l 3）钻柱被卡时，可消除钻台卸方钻杆的危险性作业程序。.118l 5安全性提高l 1）绝大多数顶部驱动钻井装置实施上扣和卸扣，这样，减少了使用大钳和链钳的危险性。l 2）有些顶部驱动钻井装置具有“伸长”功能，管子处理机采用液压活塞和遥控启动提升机将钻机和钻挺吊往于
47、“V”型门和二层台，这就减少了笨重的工作，提高了管子装卸的安全性。l 3）司钻操作自动吊卡，从而消除了人工操作吊卡常出现的事故。.119l 4）在欠平衡作业期间，顶部驱动钻井装置通过降低BOP磨损，允许BOP旋转头封闭圆形管柱而不是六角方钻杆，从而提高了作业的安全性。l 5）在井架任何高度位置都可把井控设备安装在钻柱上，以循环钻井液，这样就大大提高了井控能力。l 6）有些顶部驱动钻井装置上可遥控内防喷阀，防止了泥浆溅落到钻台上。l 7）顶部驱动钻井系统允许井队“自动作业”，因为多数管子装卸机功能可在司钻台遥控作业。.120l 通过对比可以看出，在高效、安全、风险、井控、纯钻进时间等主要方面，使
48、用顶部驱动钻井装置明显优于常规设备钻井。.121（2）使用顶驱与未使用顶驱其辅）使用顶驱与未使用顶驱其辅助工时的比较助工时的比较 l对利用顶部驱动钻井装置作业和不用顶部驱动钻井装置而进行辅助作业的经济性加以对比研究。图图7-1 普通钻井作业时间分配表普通钻井作业时间分配表 图图72 利用顶驱后钻井时间分配利用顶驱后钻井时间分配.122l把钻井活动分成三大部分，说明使用顶部驱动钻井装置和不使用顶部驱动钻井装置时的时间分配，图中说明在普通钻井作业中井下钻井作业占用约 40的时间。其它时间用于起下钻或非钻井生产时间，它包括钻机搬迁、维修、测量、测井、固井、候凝、安装防喷器、回堵等。.123l由于顶驱
49、的使用，提高了机械钻速，节约了钻井时间，钻井施工中纯钻井所用时间从40降到了30%或更少，起下钻和非钻井生产时间所占的比例相应的增加了。顶驱的使用虽然减少了起下钻的时间，但相对于整个钻井施工来说，由于纯钻井时间的减少，节约了整个钻井施工时间，起下钻在钻井施工中所占的比例却增加了。.1247.2 有形钻井操作与无形钻井操作有形钻井操作与无形钻井操作评价评价l1）钻柱连接时间；l2）起下钻时间；l3）洗井和扩眼时间；l4）取放方钻杆操作时间；l5）扩套管眼和扩井；l6）下钻时间；l7）倒划眼操作时间；l 8）顶部驱动钻井装置维护时间。.125（1）钻柱连接时间）钻柱连接时间l 连接时间应该限定在上
50、卸扣时间上，这主要是由于钻井环境有差异，大量的时间被用在了连接完后下钻的过程中。在分析了几口用方钻杆连接的井所用的时间后得出，其平均连接时间是 3 min，而用顶部驱动钻井装置的平均连接时间则是2.5 min。.126（2）起下钻时间）起下钻时间l 顶部驱动钻井系统和方钻杆转盘系统的最主要区别就是顶部驱动钻井系统淘汰了方钻杆以及与之相应的操作装置。卸钻杆时，顶部驱动钻井系统运用扭矩扳手或液压钳拧松钻杆柱，并将钻杆柱提升起来。顶部驱动钻井系统的另一个特征就是其吊环联接器或吊环倾斜装置。通过它的操作使吊环、吊卡摆至小鼠洞或二层台指梁。这种便利的倾斜装置使得井架工人不必站在二层台指梁上伸出扳手装卸立
