顶部驱动装置教学讲义合并稿 - 图文

顶部驱动钻井装置教学讲义

目 录

前 言- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（3） 第一章 概述- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（4） 第一节 什么是顶部驱动装臵- - - - - - - - - - - - - - - - -（4） 第二节 顶部驱动装臵的类型和技术参数- - - - - - - - - - - -（8） 第三节 顶部驱动装臵的优越性- - - - - - - - - - - - - - -（13） 第二章 顶部驱动装臵组成结构- - - - - - - - - - - - - - -（15） 第一节 水龙头-钻井电机总成- - - - - - - - - - - - - - - -（16） 第二节 滑动架和导轨- - - - - - - - - - - - - - - - - - -（20） 第三节 管子处理器- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（21） 第四节 液压和气压控制系统- - - - - - - - - - - - - - - -（26） 第五节 平衡系统- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（27） 第六节 动力系统和控制系统- - - - - - - - - - - - - - - -（29） 第三章 顶部驱动装臵的工作原理- - - - - - - - - - - - - -（31） 第四章 顶部驱动装臵电气及控制系统- - - - - - - - - - - - -（33） 第一节 电气及控制系统的基础知识- - - - - - - - - - - - -（33） 第二节 顶驱电气及控制系统原理- - - - - - - - - - - - - -（38） 第三节 VARCO TDS-11SA顶驱电气控制系统- - - - - - - - - -（41） 第四节 电气及控制系统的维护和保养- - - - - - - - - - - -（59） 第五节 电气及控制系统的故障排除指南- - - - - - - - - - -（62）

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第五章 顶部驱动钻井装臵操作过程- - - - - - - - - - - - - -（64） 第一节 钻进- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（64） 第二节 起下钻操作- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（66） 第三节 倒划眼起升操作- - - - - - - - - - - - - - - - - -（67） 第四节、井控操作程序- - - - - - - - - - - - - - - - - - -（68） 第四节 下套管操作- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（68） 第六章 维护保养以及操作注意事项- - - - - - - - - - - - - -（69） 第一节 维护保养注意事项- - - - - - - - - - - - - - - - -（69） 第二节 日常维护保养表- - - - - - - - - - - - - - - - - -（70） 第三节 排除故障的一般规则- - - - - - - - - - - - - - - -（72） 主要参考资料- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -（73）

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前 言

20世纪80年代研制的顶部驱动钻井系统（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），众所周知明显提高了钻井作业速度和效率，尤其是深井、复杂井。能及时避免和控制事故的发生，提高了井口工人的安全，减轻了工人的劳动强度，已被国内外石油界专家广泛认可和接受，已成为石油钻井先进装备的代表。顶驱在不断更新换代（VARCO TDS，CANRIG1050E），截止两千年五月底，在中国已经有23个油田和科研部门拥有100台以上顶部驱动钻井系统（其中VARCO顶驱65台，CANRIG顶驱15台，TESCO顶驱16台，NATIONAL顶驱6台以上，还有其它类型顶驱）。

纵观世界石油行业装备的发展趋势，为适应各种复杂情况和钻井实现自动化的需求，顶部驱动钻井系统的利用势在必行。它已成为当今钻井装备精良与否、配臵水平高低、自动化程度如何的标志，是开拓国内外钻井市场的必备条件。

此书对现场工作人员科学地管好、用好顶部驱动钻井装臵，提高利用率，减少故障率，努力降低成本以及技术培训，提供学习和参考是有益的。

全书共分六章，分为概述、结构、工作原理、电气控制、顶驱操作、维护保养和故障排除。

考虑到油田的工作需要，本书注重理论联系实际，面向现场、贴近基层、有利生产。为了现场使用方便，书中插图均使用原始图资料。

本书在编写过程中得到了各级业务部门、同行和代理商的支持

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和协助，值此一并感谢。

由于资料和水平限制，本书不妥之处敬请读者批评指正。

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第一章 概述

第一节 顶部驱动装臵简介

一、什么是顶部驱动装臵

顶部驱动装臵是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功、正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。

延续近百年的转盘钻井方式，为世界的石油立下了历史性的巨大功劳，但也有两个突出的矛盾未能得到有效的解决。其一，由于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程技术的问题，我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失数以万计。其二，由于常规钻机在钻进中依靠转盘带动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工费时效率低，劳动强度大。

而所谓的顶部驱动，则是把钻井动力部分由下边的转盘移动到钻机上部的水龙头处。它可从井架空间上部直接旋转钻柱，驱动钻具旋转，并沿着井架内专用的导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井工艺操作。由于取消了方钻杆，无论是在钻进过程中，还是在起下钻过程中，钻柱可以保持钻井液循环。因而，由于各种原因引起的遇卡遇阻事故可以得到及时有效的控制和处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了纯钻进时间，钻井实验表明：这种系统可节省钻井时间20%-25%。

参见图1。该图表明顶部驱动钻井装臵主要有三个部分组成：导轨滑动架总成、水龙头-钻井电机总成和钻杆上卸扣装臵总成。

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NATION-OILWELL公司、BJ公司；加拿大TESCO公司、CANRIG公司；挪威MARITIME-HYDRILICS公司；法国ACB公司。 1、 美国VARCO公司新系列顶驱的主要技术参数

目前，VARCO公司生产7种规格新系列顶驱，主要基本参数见表1。API提升载荷25000Kn～75000Kn，连续工作扭矩10.21kn〃m～86.94Kn〃m，间歇工作扭矩18.47kn〃m～129.72Kn〃m，全功率转速为120r/min～500r/min。

表1 美国VARCO公司新系列顶驱主要技术参数

顶驱 型号 IDS-1 TDS-4S TDS-4H TDS-6S TDS-8SA TDS-9SA TDS-10SA TDS-11SA AC-SCR-AC 驱动形式 API提升减速比 载荷（Kn） 5000 6500或7500 7500 6500 或7500 4000 2500 5000 6.0 5.08 7.95 5.33 8.5 10.5 13.1 10.5 标准 高速 标准 任选 串激 并激 连续工作扭矩 （Kn〃m） 48.16 高 44.87 低 70.29 高 40.90 低 82.8 86.94 44.85 17.6 10.21 44.85 50.37 64.0 间歇扭矩全功率转速 （Kn〃m） （r/in） 53.54 59389 93.56 54.51 85.28 116.19 129.72 63.46 50.37 18.47 63.46 75.9 173 190 120 105 130 195 188 228 182 500 228 228 AC-SCR-DC 在VARCO顶驱系列中，IDS-1型、TDS-4S型和TDS-4H型、TDS-6S型等3种规格顶驱采用AC-SCR-DC电驱动形式，采用GE752型串激或并激高扭矩DC电动机，功率为809.1～Kw831.1Kw。其中TDS-8SA型、TDS-9SA型、TDS-10SA型和TDS-11SA型等4种规格顶驱采用AC变频电驱动形式，分别采用GE GEB-20A型电动机，功率845.8kw；Reliance

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Electric AC双电动机、功率2×257.4kw=514.9kw；Reliance Electric AC电动机、功率257.4kw；Reliance Electric AC双电动机、功率2×257.4kw=514.9kw；也可选用2×294.2kw=588.4kw。 2、 加拿大TESCO公司新系列顶驱主要基本参数

目前，TESCO公司生产5种规格新系列顶驱，主要基本参数见表2。额定载荷1500kn～6500kn，最大扭矩28.98kn〃m～59.34kn〃m，最高转速195r/min～220r/min。

表2 加拿大TESCO公司新系列顶驱主要基本参数

顶驱型号 150HMI 500HC/HCI 650HC/HCI 驱动形式 额定载荷1500 （kn） 最大扭矩28.98 （Kn〃m） 最高转速220 （r/min） 液压驱动 5000 74.52 205 6500 74.52 205 500ECI 650ECI AC变频永磁电动机驱动 5000 59.34 195 6500 59.34 195 在5种规格新系列顶驱中，150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型等3种规格顶驱采用液压驱动形式，分别采用1台196型液压马达、两台196型液压马达、两台196型液压马达。500ECI型和650ECI型等两种规格顶驱采用AC变频永磁电动机驱动形式，均采用两台美国Kaman公司PA-44型永磁电动机，功率2×662kw=1323.9kw。 3、 加拿大CANRIG公司新系列顶驱主要基本参数

目前，CANRIG公司生产8种规格新系列顶驱，主要基本参数见表3。额定载荷1750kn～7500kn，最大扭矩28.9kn〃m～97.4kn〃m，最高转速175r/min～270r/min。

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表3 加拿大CANRIG公司新系列顶驱主要基本参数

顶驱型号 驱动形式 额定载荷 （kn） 连续工作扭矩 （Kn〃m） 间歇扭矩 （Kn〃m） 全功率转速 （r/in） 4017AC 4017H 6027E 8035E 1050E 1165E 1250AC 1275AC 交流电 液压 直流电驱动 交流电驱动 1750 1750 2750 3500 5000 6500 5000 7500 19.25 33.5 24.5 40.7 40.7 57.9 69.7 69.7 28.9 38.5 30.0 45.1 45.1 64.3 97.8 97.8 225 175 200 265 265 185 270 270 在8种规格系列顶驱中， 4017H型液压驱动形式顶驱和4017AC型交流电驱动形式顶驱均未完善设计。6027E型、8035E型、1050E型和1165E型等4种规格顶驱采用直流电驱动形式，其中6027 型顶驱采用GE 761系列DC电驱动，其余采用GE752型串激或并激高扭矩DC电动机，功率分别为450kw、600kw、750kw、820kw。1250AC型和1275AC型等两种规格顶驱采用GE B20 AC变频电动机驱动形式，功率均为900kw。 4、 挪威MH公司新系列顶驱主要基本参数

表4 挪威MH公司新系列顶驱主要基本参数

PTD- PTD- PTD- DDM65DDM650 S350 450 500 0HY HY（750） 驱动形式 液压驱动 额定载荷（kn） 3500 4100 5000 6500 6500 7500 连续工作扭矩 46.0 38.0 54.0 55.0 55.0 （Kn〃m） 间歇扭矩 N/A N/A N/A N/A N/A （Kn〃m） 最高转速 200 200 235 265 265 （r/in） 最大输入 580 580 1178 160 160 功率 L/min L/min 顶驱型号 DDM650DC DDM650 DDM650DDDM650L-DC DC（750） C（F750） 直流电驱动 6500 6500 6500 7500 68.35 68.35 88.0 76.9 186 783 76.9 186 783 99.0 240 1566 目前，MH公司生产2种系列8种型号顶驱，主要基本参数见表4。额定载荷3500kn～7500kn，最大扭矩28.9kn〃m～99.0kn〃m，最高转

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速186r/min～240r/min。

第三节 顶部驱动装臵的优越性

在当今竞争的市场中，不论是打水平井，还是垂直井，提高生产率、降低每口井的钻井成本、获得经济效益是一个先决条件。而顶驱之所以能被整个钻井界所认可和接受，正是由于它具备了这些条件。与常规钻机相比具有除了上述的不用方钻杆拥有的优点之外，还具有一些特定的优点。

a) 减少了接单根的时间

由于顶部驱动装臵不使用方钻杆，不受方钻杆长度的约束，也避免了钻进9m左右接一单根的麻烦，而是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时间。对于在丛式井作业或撬装钻机来说，还可节省将立根卸成单根的时间，钻杆上卸扣装臵可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。从而大大减少了工作强度。 b) 倒划眼防止卡钻

由于使用顶部驱动装臵在起钻时可以继续旋转钻柱和继续循环泥浆，即具有可使用28m立根倒划眼的能力，所以该装臵可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转将钻具提出井眼。减少了卡钻的危险。 c) 下钻划眼；

该装臵具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。在下钻中，使用顶部驱动装臵可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼，从而减少了卡钻的危险。

d) 节省定向钻井时间

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顶部驱动装臵可以通过28m立根循环，相应减少了井下马达定向的时间。 e) 人员安全

使用顶部驱动装臵接单根时只需要打背钳，减少了钻井工人接单根的次数2/3，从而大大降低了事故发生率。此外，钻杆上卸扣装臵总成上倾斜装臵可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台，大大减少了作业者工作的危险程度。 f) 上扣、卸扣扭矩得到控制；

由于采用钻井电机接卸钻杆，可以从司钻台上设定及从扭矩表上观察上卸扣扭矩，避免了上卸扣扭矩过盈或不足。这样即可以用好设备也延长了设备的使用寿命， g) 井控安全；

在不稳定井眼中采用顶部驱动装臵起钻时，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，钻杆上卸扣装臵可在井架任何高度将主轴接入钻柱，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内压力。 h) 取心

能够连续取心钻进28m，取心中间不需要接单根，这样可提高取心收获率。 i) 下套管

在套管与主轴之间加入一个转换接头，这样套管可以旋转和循环入井，从而减小缩径井段的摩阻力，很容易通过井径缩小的井眼。

此外还具有便于维修，使用灵活，拆卸方便节约泥浆等优点。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u79d.html