顶部驱动钻井装置性能试验台方案设计
摘要：从顶部驱动钻井装置的使用工况人手，确定了试验台的基本要求．利用电磁涡流测功机的高速特性和磁粉刹车的低速特性，采用电磁涡流测功机和磁粉刹车联合加载和手动自动2种加载控制方式，达到了完整的顶驱输出功率特性和输出转矩特性的测试目的．经使用证明，该试验台性能稳定，操作方便，很好地满足了顶驱性能测试的要求。
关键词：顶驱；性能试验台；输出功率特性；输出转矩特性；数据采集相处理
顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接决定了顶驱钻进性能的好坏，因此是顶驱重要的试验内容之一。由于顶驱中配置的管子处理装置可以直接进行钻杆柱的上卸扣操作，顶驱的低转速输出转矩特性则直接决定了其上卸扣能力。无论钻进、上卸扣和旋扣，均与顶驱的输出功率特性和输出转矩特性直接相关[1-2]。顶驱性能试验台的研制能够很好地检测顶驱输出特性，便于顶驱很好的使用。
1 基本要求
1) 测试系统要稳定可靠，满足转矩及功率测试要求。
2) 测试误差不大于0.4％，加载转速和转矩波动不大于2％，微机采集精度不低于0.2级。
A A 附 录 A （规范性附录） 顶驱下套管装置 A.1 概述 顶驱下套管装置是基于顶驱装置进行下套管作业的一种工具，按照驱动方式可分为液压驱动、机械驱动、液压机械复合驱动顶驱下套管装置。根据夹持套管的部位不同可分为内卡式顶驱下套管装置和外卡式顶驱下套管装置。顶驱下套管装置的设计及制造应满足以下功能及技术要求。 A.2 功能要求 A.2.1 概述 顶驱下套管装置应具备相应的功能，产品部件和整机安装完成后均应进行试验以评定其功能是否达到设计要求。 A.2.2 顶驱下套管装置功能描述 A.2.2.1顶驱下套管装置应和顶驱具有良好的兼容性，与顶驱连接后应留有安全作业空间。 A.2.2.2顶驱下套管装置通过顶驱的提升和下放实现套管柱的提升和下放动作；通过顶驱的主轴旋转带动顶驱下套管装置的卡瓦夹持总成实现套管螺纹的连接和松开。套管的钻井液灌注和循环通过顶驱钻井液通道完成，顶驱下套管装置的密封导向总成应具备密封套管的能力。 A.2.2.3顶驱下套管装置下放套管规格应符合GB/T 19830。 A.2.2.4顶驱下套管装置下套管作业数据（扭矩、转速）源于顶驱控制系统，应具有设定、记录和归档功能，具备追溯性。 A.2.2.5顶驱下套管装置为可选配套装置，不作为顶驱的标准配置出厂。 A.3 顶驱下套管装置设计要求 A.3.1 由于不同规格套管的抗内、外压能力不同，为了安全起见，当套管标称外径大于等于168.28 mm时宜采用内卡的夹持方式，当套管标称外径小于168.28 mm时宜采用外卡的夹持方式。 A.3.2 顶驱下套管装置与顶驱之间应具有良好的接口（连接螺纹、控制管线），安装时应不拆除内防喷器，安装后不应影响顶驱的基本功能。 A.3.3 顶驱下套管作业时，宜使用加长吊环，可在原吊环的基础上利用短吊环加长原吊环，以满足安全提升管柱要求为准则。 A.3.4 顶驱下套管装置在满足安全提升和扭矩载荷的前提下，一套装置应能满足多种规格套管的作业需求，减少设备的数量。
钻井顶驱介绍 顶部驱动钻井装置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。 顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。 顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。 作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点： 1．节省接单根时间 顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。 2．倒划眼防止卡钻 顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。 3．下钻划眼 顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。 4．人员安全 顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。 5．设备安全 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
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置动力装置，，驱动水龙头的中心管旋转驱动水龙头的中心管旋转，，中心管下部直接接钻杆。这样这样，，在钻井过程中在钻井过程中，，可以省去转盘可以省去转盘。。 现在的顶部驱动钻井系统现在的顶部驱动钻井系统，，无论在功能上无论在功能上，，还是在结构上，都发展得日益完善都发展得日益完善。。它的主要功能有它的主要功能有：： 1、旋转钻进旋转钻进；； 2、循环钻井液循环钻井液；； 3、起吊钻具起吊钻具；； 4、上卸钻柱上卸钻柱。。 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AC —SCR 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。 三种类型三种类型，，都把无级调速特性作为基本要求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，进行倒划眼行倒划眼，，可以大大减少卡钻事故可以大大减少卡钻事故。。 DQ40BC DQ70BSC DQ90BSC
、顶驱制造基本情况 （一）目前本厂机械装备制造总体情况 主要产品生产FR3150DJ顶驱钻井装置 （二）技术创新与新产品研发制造情况 通过本项目的研究，研制成功了交流变频驱动顶部驱动钻井装置，并进行了厂内模拟试验与现场工况应用，主要形成了如下几个方面的成果： 1、电控系统冗余工作原理： 软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A 中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B 当中执行，这时，B 系统为主，A 系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153 接口模块的整体切换。 系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换。 2、形成了八项专利技术： （1）、顶部驱动钻井装置的倾摆式自夹紧背钳，申请号： ZL .8。 （2）、内套插入式顶部驱动钻井装置，申请号： ZL .7。 （3）、单导轨总成，申请号： ZL .6 （4）、自夹紧背钳反扭矩插入式顶部驱动钻井装置，申请号：
ZL .0。 （5）、用于石油钻井的顶部驱动钻井装置的电机,申请号： 265.1。 （6）、顶部驱动钻井装置的上卸钻具装置，申请号： 6265.6。 （7）、顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统，申请号： 4279.8。 （8）、顶部驱动钻井装置性能测试系统，申请号： 2148.x。 创新点 1、内套插入式箱体结构： 该结构利用内套的端部轴肩并结合与箱体轴孔部位的过赢配合，使两者结合为牢固地整体，构成双负荷通道的基础，提高了助推力轴承的使用寿命；再通过合理的连接法兰及套筒体结构，将背钳上卸扣的扭矩传递到箱体之上，避免了回转密封的侧向受力问题，提高了回转密封的可靠性和密封件寿命。 2、液压驱动对夹式环形背钳 该背钳结构设计新颖，钳牙的夹紧、松开动作都在液压的驱动下完成，操作快捷迅速，松开到位且保持位置不变，避免了顶驱钻进过程中钳牙动作缓慢以及钻进过程中钳牙伸出对钻杆的损伤。 3、主电机轴轴深齿轮结构： 该结构是将主电机传动轴和轴深部位的的第一级主动齿轮作成一体，避免了电机齿轮二次装配时存在的同轴度误差，保证了齿轮的啮合精度，以提高齿轮的使用寿命。
顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成 果之一。 顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。 顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备 的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。 优点： 作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点： 1．节省接单根时间 顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。 2．倒划眼防止卡钻 顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。 3．下钻划眼 顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。 4．人员安全 顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。 5．设备安全 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
一、顶驱制造基本情况 （一）目前本厂机械装备制造总体情况 主要产品生产FR3150DJ顶驱钻井装置 （二）技术创新与新产品研发制造情况 通过本项目的研究，研制成功了交流变频驱动顶部驱动钻井装置，并进行了厂内模拟试验与现场工况应用，主要形成了如下几个方面的成果： 1、电控系统冗余工作原理： 软冗余系统由A和B两套PLC控制系统组成。开始时，A系统为主，B系统为备用，当主系统A中的任何一个组件出错，控制任务会自动切换到备用系统B 当中执行，这时，B系统为主，A系统为备用，这种切换过程是包括电源、CPU、通讯电缆和IM153接口模块的整体切换。 系统运行过程中，即使没有任何组件出错，操作人员也可以通过设定控制字，实现手动的主备系统切换。 2、形成了八项专利技术： （1）、顶部驱动钻井装置的倾摆式自夹紧背钳，申请号：ZL03206846.8。 （2）、内套插入式顶部驱动钻井装置，申请号：ZL03270653.7。 （3）、单导轨总成，申请号：ZL03267017.6 。 （4）、自夹紧背钳反扭矩插入式顶部驱动钻井装置，申请号：ZL01275909.0。 （5）、用于石油钻井的顶部驱动钻井装置的电机,申请号：20042011265.1。 （6）、顶部驱动钻井装置的上卸钻具装置，申请号：200520106265.6。 （7）、顶部驱动钻井装置性能测试方法及其测试系统，申请号：200910014279.8。 （8）、顶部驱动钻井装置性能测试系统，申请号：200920022148.x。 创新点 1、内套插入式箱体结构： 该结构利用内套的端部轴肩并结合与箱体轴孔部位的过赢配合，使两者结合为牢固地整体，构成双负荷通道的基础，提高了助推力轴承的使用寿命；再通过合理的连接法兰及套筒体结构，将背钳上卸扣的扭矩传递到箱体之上，避免了
全液压钻机顶部驱动钻井装置 一．顶部驱动钻井装置概述 顶部驱动钻井装置ＴＤＳ（ＴＯＰＤＲＩＶＥＤＲＩＬＬＩＳＮＧＹＳＴＥＭ），是美国、法国、挪威近２０年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统，取代了转盘带动方钻杆钻井的钻井技术。全液压传动( 主绞车、转盘、泥浆泵均采用) 的石油钻机将成为常规机械传动钻机的换代产品之一。 全液压传动钻机的主要优点如下: a) 可方便与电脑相联接, 通过微电-电-液放大, 实现整套钻机的回转、升降和泥浆供应量的无级调节, 以实现钻井、升降电脑程序自动控制, 并可以大大减少井场操作人员。 b) 由于钻机旋转、升降和冲洗液的供给, 均可实现无级调速、调排量, 有优越的转速-扭矩、压力-排量性能曲线, 从而可通过电脑优选参数, 指令实现优选参数的钻进和提升时的恒功率调节, 提高工作效率, 并充分利用动力。 c) 可在钻井工艺的全过程实现安全操作。这是由于液压系统优越的压力—力矩指示和过载自动保护所决定的( 过载即超液压、通过溢流阀卸荷) 。 d) 明显减轻设备质量和节约占用空间。 e) 对于全液压传动的泥浆泵还省去了一整套曲轴、齿轮传动机构和经常需要更换活塞的时间。对于全液压传动的绞车, 还具有下钻时的安全制动, 没有转动时的运转惯性和具有大直径滚筒可使快绳平滑地运动和减少磨损等优点。 f) 可以与全液压顶部驱动、铁钻工、自动排放钻具、液压机械手和天车型液压钻柱运动补偿器组合而成全部钻井工艺过程的自动化操作系统。 二．国外全液压顶驱发展现状 顶驱系统(TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展；从直流电动机驱动为主向液压传动和交流变频电动机驱动方向发展；向简单化轻便化方向发展，质量减轻，尺寸减小，满足修井机和轻型钻机的要求。而国内外正在对全液压驱动顶驱进行深入的研究。加拿大Tesco公司套管钻机、挪威MH公司Ram Rig钻机和意大利Drillmec公司推出的HH系列全液压钻机已形成980～2 942 kN钩载系列产品。 液压驱功钻机更适合于采用新的钻井工艺。如套管钻井新工艺，采用全液压驱动套管钻机是最合适最经济的。液压驱动钻机向全新模式钻机发展。如Ram Rig钻机绞车和提升系统超出了常规钻机模式，采用液压驱动，体积小，质量轻，成本低，使绞车和提升系统结构更简单。液压驱动钻机向多个小功率液压马达传动发展。挪威MH公司生产的海洋2013kW液压驱动单轴绞车，采用多个小功率液压马达通过滚筒两侧的内齿轮传动滚筒轴，用4个小功率液压马达传动转盘，用2个液压马达传动顶驱。德国Wirth公司用多个液压马达传动绞车，用2个液压马达传动转盘。加拿大Tesco公司采用2个液压马达传动顶驱。 挪威Maritime Hydraulics 公司产品(PTD轻便式顶部驱动钻井系统) A、系统组成 PTD轻便式顶部驱动钻井系统主要由水龙头（借用钻机原配的常规水龙头）； 液控钻具防喷器；钻井马达总成钻杆上卸扣装置，液压动力系统五部分组成。 B、顶部驱动装置总成
第二章顶部驱动钻井装置的结构 本章将简述顶部驱动钻井装置的主要部件和选择件。各主要部件在用户服务手册中都有独立章节予以叙述，不同类型钻机专用设备在操作说明书里有叙述。 顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成： l）水龙头-钻井马达总成（关键部件之一）； 2）马达支架/导向滑车总成（关键部件之一）； 3）钻杆上卸扣装置总成（关键部件之一，它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备）； 4）平衡系统； 5）冷却系统； 6）顶部驱动钻井装置控制系统； 7）可选用的附属设备。 第一节水龙头-钻井马达总成 水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件，见图2-l。它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。钻井水龙头额定载荷是6500 kN；采用串激（或并激）直流电动机立式传动，驱动主轴。轴上端装有气动刹车（16VC600气离合器）。当气压为0.62 MPa时，可产生47.5 kN?m的扭矩，用于马达的快速制动。这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时，旋转体转动惯量大，惯性则大，因此立即刹止，改变运动方式是不易的，故要有气刹车刹止才能克服惯性，制止钻具的旋转运动。马达轴下伸轴头装有小齿轮（Z=18），与装在主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻杆柱，最大转速为430 r/min。 钻井时，当马达电枢电流为1325 A时，间隙尖峰扭矩51.5 kN?m，而当电流为1050A时，连续运转扭矩为39.1kN?m，主轴转速可达180r/min。 由上可见，水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件：。 1）钻井马达和制动器（气刹车） 2）齿轮箱（变速箱）； 3）整体水龙头； 4）平衡器。 以下将分别对每个部件进行说明。 一、钻井马达 在TDS－3S型顶部驱动钻井装置上安装的是1100/1300hp的并激直流钻井马达。马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。气刹车用于承受钻柱扭矩，避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。气刹车由一个远控电磁阀控制。如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片，可参阅用户手册。 二、齿轮箱（变速箱）总成 TDS－3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成： 1）96齿大齿轮； 2）18齿大齿轮； 3）上、下箱体； 4）主轴/驱动杆； 5）马达支座机罩。 TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，齿轮减速比5.33：1。由于大齿轮的缘故，马达中心线与主轴中心线距离为579.1mm。 水龙头主止推轴承装在上齿轮箱内，后者固定于整体水龙头提环上。由主止推轴承支撑的主轴/驱动杆通过一个锥形衬套连接大齿轮。两个齿轮箱体构成齿轮的密封润滑油室，并支撑
顶部驱动钻井装置的结构 本章将简述顶部驱动钻井装置的主要部件和选择件。各主要部件在用户服务手册中都有独立章节予以叙述，不同类型钻机专用设备在操作说明书里有叙述。 顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成： l）水龙头-钻井马达总成（关键部件之一）； 2）马达支架/导向滑车总成（关键部件之一） 3）钻杆上卸扣装置总成（关键部件之一，它是体现顶部驱动钻井装置最大优点的设备）； 4）平衡系统； 5）冷却系统； 6）顶部驱动钻井装置控制系统； 7）可选用的附属设备。 第一节水龙头-钻井马达总成 水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件，见图2-l。它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。钻井水龙头额定载荷是6500 kN；采用串激（或并激）直流电动机立式传动，驱动主轴。轴上端装有气动刹车（16VC600气离合器）。当气压为0.62 MPa 时，可产生47.5 kN?m的扭矩，用于马达的快速制动。这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时，旋转体转动惯量大，惯性则大，因此立即刹止，改变运动方式是不易的，故要有气刹车刹止才能克服惯性，制止钻具的旋转运动。马达轴下伸轴头装有小齿轮（Z=18），与装在主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻杆柱，最大转速为 430 r/min。 钻井时，当马达电枢电流为 1325 A时，间隙尖峰扭矩51.5 kN?m，而当电流为1050A时，连续运转扭矩为39.1kN?m，主轴转速可达180r/min。 由上可见，水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件：。 1）钻井马达和制动器（气刹车） 2）齿轮箱（变速箱）； 3）整体水龙头；
4）平衡器。 以下将分别对每个部件进行说明。 一、钻井马达 在TDS－3S型顶部驱动钻井装置上安装的是 1100/1300hp的并激直流钻井马达。马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。气刹车用于承受钻柱扭矩，避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。气刹车由一个远控电磁阀控制。如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片，可参阅用户手册。 二、齿轮箱（变速箱）总成 TDS－3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成： 1） 96齿大齿轮； 2） 18齿大齿轮； 3）上、下箱体； 4）主轴/驱动杆； 5）马达支座机罩。 TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，齿轮减速比5.33：1。由于大齿轮的缘故，马达中心线与主轴中心线距离为
毕 业 设 计 姓名：杨青 课题：顶驱钻机的构设计指导教师：饶美丽 专业：机电一体化 日期：2010年11月19日
顶驱钻井的结构设计 摘要 20多年来世界上蓬勃发展的顶部驱动钻井装置，实现了钻机现代化的历史跨越。介绍了顶部驱动钻机的中提技术，描述了顶部驱动的结构和功能。对其主要的技术参数，结构和工作性能等做出了详细的介绍。致命了它在钻井，修井方面的广阔应用前景。 关键词：钻井，钻机，顶部驱动，原理，结构
TOP DRIVE RIG STRUCTUREDESIGING ABSTRACR For more than 20 years of world booming top drive drilling rig device, have realized modernization a historical leap. Introduces top drive rig advice, describes the top drive technology of structure and function. Its main technical parameters, structure and working performance and so make were introduced in detail. Deadly it up on the drilling and workover aspects, broad application prospect. KEY WORDS:Drilling, the drill, top drive, principle, structure
国外顶部驱动钻井系统的最新进展 近两年来，世界顶部驱动钻井系统(以下简称为“顶驱”)有了较大发展，主要特点是：不断开发新型顶驱，并且形成系列。在AC-SCR-DC电驱动顶驱基础上，又开发了更先进的AC变频电驱动顶驱，Varco公司和National-Oilwell公司目前已经基本上形成AC变频电驱动顶驱系列。下面介绍最新进展。 本文主要介绍了美国Varco公司、National-Oilwell公司、Bowen公司、BJ公司，加拿大Tesco公司、CANRIG公司，挪威MH公司，法国Acb公司顶部驱动近两年来的最新进展，以及各公司最新顶驱系列。 1.美国Varco公司顶驱 美国Varco公司是最早研究开发顶驱的一家公司，多年来先后研究开发和应用了10多种型式顶驱。目前该公司生产的顶驱在世界油田的应用数量占世界第一位，成为研究开发制造销售顶驱世界最大的一家公司。V arco公司在近两年将原来10多种顶驱以及新研究开发的顶驱归纳成为7种规格新系列顶驱(见表1)。在新系列顶驱中，增加了新研制的TDS—8SA 型和TDS—11SA型两种AC变频电驱动顶驱，取消了原来的TDS—3型、TDS—3S型、TDS —5型、TDS—7S型顶驱，保留了IDS—1型、TDS—4H型、TDS—4S型、TDS—6S型、TDS—9S型、TDS—10S型顶驱。API提升载荷为2500kN～7500kN，连续工作扭矩为10.2kN.m～86.94kN.m，间隙工作扭矩为18.47kN.m～129.72kN.m，全功率最高转速为120r/min～500r/min，顶驱系统高度为4.7m～7.9m。新系列顶驱全部采用电驱动型式，其中IDS—1型、TDS—4H和TDS—4S型、TDS—6S型顶驱动均采用AC—SCR—DC电驱动型式，串激或并激DC电动机。其中TDS—8SA型、TDS—9SA型、TDS—10SA型和TDS—11SA型顶驱均采用AC变频电驱动型式，AC电动机。其中TDS—9SA型和TDS—11SA型两种顶驱均采用两个AC电动机，其余顶驱均为一个电动机，两个电动机结构紧凑，尺寸小。 IDS—1型顶驱，是AC—SCR—DC电驱动单速传动机构。适用于海洋自升式钻井装置，钻井船和平台石油钻机和陆地石油钻机。 TDS-4H型TDS-4S型顶驱，是AC-SCR-DC电驱动双速传动机构。适用于所有海洋石油钻机，座底式钻井船和大型陆地石油钻机。 TDS-6S型顶驱，是AC-SCR-DC电驱动单速传动机构。适用于大型海洋石油钻机。 TDS-8SA型顶驱，是AC变频电驱动单速传动机构。适用于所有海洋和大型陆地石油钻机。具有较好的钻井性能和经济效益。 TDS-9SA型顶驱，是AC变频电驱动双电动机单速传动机构。适用于中小型陆地和平台钻机。 TDS-10SA型顶驱，是AC变频电驱动单速传动机构。用于中小型陆地石油钻机和平台钻机。 TDS-11SA型顶驱，是AC变频电驱动双电动机单速传动机构。用于中小型陆地钻机和平台钻机。 2.美国National-Oilwell公司顶驱 美国National-Oilwell公司原生产PS—350/500型，PS—500/650型和PS500/650(双速)型等3种规格系列顶驱。近两年又研究开发了PSZ—650/650型和PSZ—750型两种双速传动机构顶驱，并把PS—500/650型顶驱改进为PS—500/500型顶驱；PS—500/650(双速)型顶驱改为PSZ—500/500型顶驱，保留了PS—350/500型顶驱，组成了5种规格新系列顶驱。全系列顶驱可选用AC-SCR-DC电驱动型式，GE752型串激或并激DC电动机，也可选用
[钻井工程施工顶驱服务设备管理经验探讨] 顶驱钻井系统 钻井工程施工顶驱服务设备管理经验探讨 2004年是顶驱服务不平凡的一年，顶驱增加了三台，挪威MH公司交流变频500吨顶驱两台，美国V ARCO公司交流变频250吨顶驱一台。由于原来没有使用过挪威MH公司的交流变频500吨顶驱，MH顶驱从安装、拆卸到变频系统和V ARCO顶驱有很大差异，顶驱服务部在人员没有增加的情况下，努力完成了首次安装任务。在大家的共同努力下圆满完成了2004年的服务任务。 主要的管理经验如下： 一、制定顶部驱动系统服务工程师《安全工作规程》 由于钻井工程施工是一项劳动强度高、危险性大的工作，而顶部驱动系统服务工程师必须每天在钻井现场甚至钻台面上工作，面临很大的危险性，所以我们制定了顶部驱动系统服务工程师《安全工作规程》。 该《安全工作规程》规定了顶部驱动系统服务工程师服务期间（包括路途当中）应当遵守的工作纪律。我们要求每一个顶部驱动系统服务工程师和我们顶部驱动系统服务部签订本《安全工作规程》一式两份，并严格遵守《安全工作规程》上的每一条条款。 通过以上措施，既保证了顶部驱动系统服务工程师和顶部驱动系统的安全，同时也避免了钻井队人员和设备受到伤害。有效延长了顶部驱动系统的使用寿命。 二、制定详细的操作、保养、检查、记录规程 由于顶部驱动系统是集电子、电气、液压、机械等多学科的复杂大型设备，技术含量很高，为了保证顶部驱动系统正常运转，我们针对电动、液压两种顶部驱动系统分别制定了详细的操作、保养、检查、记录规程，这使得现场操作有规可依，保养有条可查，检查有章可寻，记录有表可尊。 通过制定以上顶部驱动系统操作、保养、检查、记录规程，有效避免了现场司钻的误操作，同时也避免了现场服务工程师漏保养、漏检查、漏记录现象。使得顶部驱动系统一直在正确操作、润滑良好的条件下运转，有效延长了顶部驱动系统的使用寿命。 三、加强技术交流 由于顶部驱动系统是集电子、电气、液压、机械等多学科的复杂大型设备，属技术含量高的高精尖设备。为了保证顶部驱动系统正常运转，必须迅速提高顶部驱动系统服务工程师的技术水平，我们顶驱服务部规定从现场回来的技术服务工程师服务回来之后需写相应的工作报告。内容包括配件更换情况，出现故障处理情况没有解决和最终解决的办法，电机锂基脂打注情况，液压油、齿轮油更换情况，以及对该台顶部驱动系统的整体评价。技术服务工程师服务回来之后至少进行顶部驱动系统技术讲座一次。 顶部驱动系统技术是目前国际主流钻井技术，它取代了传统的转盘驱动钻井技术，具有预防井下复杂，提高钻井工效等性能，目前境外钻井与国内重点探井招标大多要求使用顶驱设备。由于顶驱设备集机械、电子、液压于一体，结构复杂，要求现场服务工程师必须具备多方面的专业技能。 顶部驱动技术服务部通过开展技术交流课堂活动，快速培养了一支业务强、技术精的设备技术服务队伍，技术交流课堂上，各专业的行家里手各显神通，将复杂设备分解成多个部分，剖析原理、分析故障。技术服务工程师上井回来后，立即做技术汇报，详细说明钻井过程中设备的运行参数、故障处理方法。通过交流把操作规程中十分枯燥的条例细化，明确各类故
59 目前顶驱的使用以TDS-8SA顶驱为主流，所以下面将以TDS-8SA顶驱作为重点介绍的对象。 TDS-8SA是一款由美国NOV（VARCO）公司生产，电取的顶部驱动系统（Top Drive Drilling System）。TDS-8SA附属设备主要包括PH-100管子处理器，旋转适配器（旋转头），双向摆臂系统，内部IBOP等部分组成。 顶驱的大修主要是在设备使用一定时间后，根据设备的使用状况并依据相关规范的要求对其进行修理。TDS-8SA顶驱一般每五年进行一次大修，但修理的内容没有明确界定。API规范仅要求每五年对各个承重部件进行探伤，查看是否有缺陷存在；设备的维修手册除要求对电机25000h大修外，也没有其它具体要求。作业现场通常的做法往往是在五年对设备进行大修：更换齿轮箱内所有轴承、密封，旋转头更换密封，主轴更换等。这些备件订购费用往往超过20万美金。但实际情况是拆开顶驱后发现这些部件状况很好，不需要在工作五年就进行更换。这就势必增加了修理的工作量，增加了材料成本。 本文试图寻找一套对顶驱的检测方法，作为顶驱修理的指导。利用此方法就可以直观的对顶驱修理做出科学的判断，杜绝盲目的修理。 1?主轴的检查 主轴是顶驱的关键部件，由于其不但承受内部泥浆的高温、高压，还需承受井内钻柱大负荷力。其工况的好坏不仅对作业现场的时效产生重要影响，而且牵涉到作业现场的人员、设备安全。正因为其对于顶驱的重要性和关键性，作业现场往往在工况没有科学、深入的分析的情况下就对其进行更换，防止在作业时出现问题，造成更大损伤。但其进口备件价格在10万美金以上，对成本造成很大压力。下面对主轴的判断方法就可以作为判断其工况的依据。 1）需要对主轴做表面MT探伤和测厚，探伤主要判断主轴是否有表面裂纹等缺陷存在。如果存在裂纹，需进一步做UT探伤，判断裂纹的深度。视探伤的结果 决定对裂纹的处理办法。测厚主要判断主轴的冲蚀程度，依据测厚的结果判断其工作状况，为后期主轴的更换做理论依据。图1是对某单位TDS-8SA顶驱主轴进 行测量和各部磨损判断依据。 图1?主轴关键位置测量图及磨损判断标准 2）对主轴承载环槽（Loading Collar Grooves）做检查。井上起、下钻具及下套管等很多工序都需要主轴承重环承载几百吨的重量，承重环槽的设计决定它也是主轴强调的薄弱处，所以承重环槽处的工况如何对顶驱能否担负相关的关键作业有着直接关系。 主轴承重环槽处测量，承重环的壁厚不能低于1.30 英寸（原始壁厚：2.45英寸）。具体数据见图2： 图2?主轴承重环处测量标准 3）主轴的安装要求。主轴安装的好坏对主轴的试用寿命的有着直接的影响，同时对顶驱的主承重轴承以及齿轮箱内各齿轮的工况也有着重要影响。一般来说，要求主轴安装后，主轴在齿轮箱内轴向的窜动量不能超过0.003英寸，具体方法见图3。如果窜动量超过0.003英寸时，需移去上轴承盖板（retainer plate）而增加垫片使其窜动量在0.001至0.003英寸之间。盖板螺栓的扭矩要求在250~270英尺 .磅。同时要求主轴端 顶部驱动装置关键部件检测标准与方法 陈治国?冯明?吴新胜?刘艳年 中海油田服务股份有限公司 天津 300452 摘要：随着顶部驱动装置在油田的广泛运用，特别是在钻井方面的越来越至关重要的作用，其性价比也越来越受到用户的关注。其高昂的维修成本也是用户关注的焦点。本文试图从顶驱驱动的检测标准与方法入手，尽可能对其工况做出判断，从而指导设备的维修，降低设备的修理成本。 关键词：顶部驱动?钻井?维修成本?检测标准与方法 Standards?and?methods?to?detect?key?part?for?Top?driver Chen?Zhiguo，Feng?Ming，Wu?Xinsheng，Liu?Yannian Chian Offshore Oil ?eld Limited Company ，Tianjin 300452 Abstract：As?Top?drive?system?is?widely?used?in?oilfield，especially?which?was?played?a?more?and?more?important?role?in?drill?side.?The?valuable?repairing?costs?for?the?equipment?are?the?focus?of?attention?of?all?customers.?The?paper?will?find?effective?standards?and?methods?to?detect?the?equipment?and?try?to?reduce?the?costs?for?repairing?the?equipment. Keywords：Top?Driver?System；Drill?Well；costs?for?overhaul；Standards?and?methods?for?the?detection （下转第62页）
关于顶驱，你需要知道这些… 顶驱简介 顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品，从世界钻井机械的发展趋势上看，为适应钻井自动化的进步需求，顶部驱动钻井装置。 顶驱的特点 作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点: 1.节省接单根时间 顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。 2. 倒划眼防止卡钻 顶部驱动钻井装置具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中，可以大幅度地减少起钻总时间。 3.下钻划眼 顶部驱动钻井装置具有不解接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶部驱动钻井装置下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。 4. 人员安全 顶部驱动钻井装置可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至鼠洞，大大减少了人员工作的危险程度。 5. 设备安全 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。 ?微课：详解顶驱安装全过程 顶驱的组成 1、综合游车 VACRO 综合游动滑车组提供六个额定载荷为500T，外径为50 in的滑轮。整个游车高。 2、钻井装置总成 ?钻井电动机是一个1000hp的分流电动机。电动机是由电枢空心轴和垂直止推轴承组成。?单速行星变速器 IDS 单速行星变速器由下列主要原件构成： 内齿合齿轮和齿轮箱 电机小齿轮 ?行星齿轮壳和转轴总成。 ?主轴推轴承。