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4500kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计摘要：顶部驱动钻井装置是一种相对较为先进的钻井设备，它通过顶部的电机和传动装置来驱动钻杆的旋转和上下移动。
相比于传统的钻井设备，顶部驱动钻井装置能够在钻井过程中实现更加高效的操作，以及更加精确的控制。
这种装置在实际应用中也得到了广泛的验证，证明其应用效果非常良好。
基于此，本文主要针对4500KN变频直驱顶部驱动钻井装置展开设计。
关键词：4500KN；直驱顶部驱动钻井装置；结构；设计引言：在井架的上方装有一台顶驱动的钻机（下文称顶驱），它能沿着轨道的升降运动，实现钻杆的转动，钻井液的循环，以及立根的接接；适用于各种钻孔操作，如上卸扣，倒划等。
该装置替代了常规的圆台方钻组合，大大降低了钻柱卡钻、卡钻等复杂工况，大大提升了钻井工作效率。
顶驱油是目前国际上最先进的油气勘探技术，在深井、水平井、大斜度井等复杂油气井上具有很高的技术优势。
在石油地质条件日益严酷、复杂、复杂的情况下，顶驱技术已经逐渐成为深井、超深井以及一些特殊技术井的标准技术。
1典型顶部驱动钻井装置功能特点目前我国石油钻井所应用的典型顶驱钻井装置有TDS—11SA、TDT500ECI和DQ70BS等。
这些不同型号的装置在功能上各有优劣，但它们在以下方面有一系列共同的优点。
首先，采用整立柱钻杆钻进的方式工作，节约了接单根时间、操作步骤和工人劳动作业强度，提高了钻井效率和井口作业的安全性。
传统的钻井方式需要手动添加钻杆，而使用顶驱钻井装置可以自动完成这个过程。
这不仅提高了施工效率，还可以避免因人为操作错误引起的安全事故[1]。
其次，利用顶驱钻井系统能够实现在任意高度循环钻井液或旋转钻具，更有利于划眼下钻以及倒划眼起钻。
这可以避免井下事故，节约了钻井施工成本，提高了作业效率。
顶驱钻井系统可以根据需要调整钻杆的高度，使得钻井液和旋转钻具在井下得到更好的流动和旋转，从而提高钻井效率。
2 4500KN直驱顶部驱动钻井装置设计要求2.1设计标准直驱顶驱是一种广泛应用于石油钻井和采油提升设备的驱动装置。
顶部驱动钻井装置的结构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。
顶部驱动钻井装置的技术应用随着科技的发展，社会的进步，新的技术也逐渐被开发和利用。
在石油开采领域，传统的钻井装置难以满足当下的高效、经济和安全的要求，也逐渐被新的钻井装置所取代。
顶部驱动钻井装置就是一种新的钻井装置，是集机械、电气、液压技术于一体的现代化高科技钻井装置，是当今石油钻井领域的前沿技术，与交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统并称近代钻井装备的三大技术成果。
顶部驱动钻井装置可适用于2000米到9000米深的钻井，其适用范围广。
本文主要通过对顶部驱动钻井装置的技术应用探讨，以期对顶部驱动钻井装置提出合理优化的建议。
标签：顶部驱动;技术;应用引言：顶部驱动钻井装置可节约20%至30%的钻井时间，尤其是对于斜井和高难度定向井，其经济性更好。
对于顶部驱动钻井装置的技术应用研究，提高顶部驱动钻井装置在复杂情况下的工作效率以及稳定性，保证钻井装置的安全性，增加其使用寿命，具有很现实的意义。
一、液压技术在顶部驱动钻井装置的应用液压技术在顶驱装置应用广泛。
液压驱动是顶驱两大主要驱动方式之一（另一驱动方式为电驱动）。
液压驱动可实现比电驱动更大的无级调速范围，其运行更加平稳，溢流阀的存在防止了过载，液体的可压缩性减少了冲击，可通过压力的调节实现更大的扭矩，操作方便，可满足不同转速的多种钻探工艺。
而且，液压驱动顶驱系统比电驱顶驱系统体积小，质量轻、运输及安装比电驱更为方便，其制造和使用成本低。
随着液压技术发展，尤其是高压液压技术和高效散热技术的发展，顶驱系统越来越多的应用液压技术已成为顶驱发展的一个趋势[1]。
頂驱的辅助传动也采用液压系统。
液压泵对液压油加压，使液压油产生压力，推动液压马达的转动，完成液体压力到机械能的转化。
通过方向阀，可改变液压油的流动方向，进而改变液压马达的转动方向，通过溢流阀控制压力值，可改变液压马达的转速，通过截止阀可实现液压马达的停止运动。
而过滤装置主要对液压油起过滤作用，增加了液压系统的使用寿命。
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 STRUCTUREDESIGINGABSTRACRFor 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前言近20年来，世界上发展起来的顶部驱动钻井转转显著提高了组阿宁作业能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。
目前在世界上不少国家的上千台大，中型钻机上，将它用于钻中深井（2000-4500M）,深井（4500-6000M），超深井（6000-9000M）的日益增多。
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。
3) 状态检测应包括所有部件及冷却系统的状态检测和报警。
4) 具有安全防护系统、漏电保护，及工作异常情况下的报警和自动停机。
5) 控制系统应包括加载装置控制、电机控制和各项保护控制。
6) 显示包括被测系统的转矩转速和功率显示，加栽系统运行状态监控，故障显示和运行状态显示。
7) 由工控机进行数据信号的采集、记录、处理和输出。
2 结构及工作原理
整个试验装置包括加载系统、控制系统、测试显示、数据采集和处理系统。
2.1 加载系统
加载系统由增速传动箱、转矩转速传感器、电磁涡流测功机、离合器、磁粉刹车以及联轴器等组成。
根据各个工况的不同可知，顶驱不仅输出轴转速范围大、转矩高，甚至包括零转速下的转矩输出测量，由此增加了加载系统的设计难度。
目前，检测系统较为先进的加载方式有水力测功机、电磁涡流测功机和发电机组电力反馈3种。
根据不同的加载方式，确定的加载方案如图1所示。
电磁涡流测功机是利用涡流损耗原理来进行加载工作的，它较适合作为较高转速下的加载装置。
而磁粉刹车的工作原理是，当线圈通电时产生磁场，磁场使磁粉极化，在定子与转子之间产生阻力。
这个阻力的大小与磁场强度有关，与速度无关，当零转速时，可以产生最大制动力矩；但随着转速的增加，磁粉温度升高，则会造成磁粉的磁力下降，所以磁粉刹车适宜于低转速或零转速下的加载，不应在高转速时使用。
考虑到电磁混流测功机和磁粉刹车2种加载装置的特性互补，在设计试验台过程中，借助电磁涡流测功机良好的高转速性能，实现高转速时的加载；利用磁粉刹车的低转速制动特性，实现低转速时的加载，从而实现完整的加载过程。
为了在高转速时使磁粉刹车与其他加载部分脱离，在磁粉刹车与电磁涡流测功机之间设置了1台离合器，并安装了位置检测装置，提供位置检测信号，用于在离合器未脱开情况下与电机驱动互锁，以保护磁粉刹车的使用寿命。
由于顶驱输出轴速度低(0～300 r/min)，转矩大(连续转矩100 kN·m)，且为垂直输出，为了成功实现加载，在性能试验加载装置的始端增设了1台1︰10的增速角传动箱，一方面将垂直输入转成水平传动，另一方面使转速范围变宽，更充分地利用电磁涡流测功机和磁粉刹车的制动特性。
通过转矩转速传感器实时地测量出施加的转矩及转速，并传输给数据采集计算机。
但由于不是直接测量顶驱输出轴转速和转矩参数，因此需要数据采集处理系统根据增速箱的效率曲线作实时修正，以得到实际的输出特性。
为了保证电磁涡流测功机和磁粉刹车的正常使用，在系统中还设计了水冷却系统，以满足试验装置的冷却要求。
加载系统可以实现正转和反转加载，以及在运转过程中加载和卸载，加载方式可以手动加载，也可以自动加载。
对于变频电机驱动顶驱，自动加载程序如图2所示。
2.2 控制系统及测试显示、数据采集和处理系统
控制系统包括电磁涡流测功机控制、磁粉刹车控制、离合器控制及各项保护控制。
测试显示、数据采集和处理系统由测试显示模块和数据采集与处理模块组成。
测试显示模块显示被测系统的转距转速和功率；监控加载测功系统运行状态、故障显示、保护状态显示以及设定数据；数据采集与处理模块利用PC机进行试验数据的采集、记录、处理和输出。
需测试的输入电流、电压，增速传动箱输出轴转速、转矩，各设备轴承部位温度、冷却
液进出口温度，增速箱润滑系统工作状态等参数由相应的传感器
检测，检测到的信号传输到各自的二次仪表进行显示，并通过相应的接口电路传输到工控机进行显示和处理。
由于利用工控机进行数据信号的采集和处理，与普通的测试系统相比，对操作软件存在一定的依赖性，数据的采集、处理、显示和试验曲线、试验报告的输出均在软件的支持下完成。
针对该试验装置，开发了计算机数据自动采集处理软件系统，界面为WIN图形界面，美观大方，系统稳定性和兼容性好，操作简单、方便。
3 结语
该试验装置可以应用于顶驱的性能试验和大修后检验，能很好地满足顶驱的性能检测要求，实现计算机进行数据信号的采集相处理。
该系统性能稳定，操作使用简单方便，不仅保证了顶驱的整机性能，而且为顶驱正常工作奠定了基础。
参考文献：
[1] 梁政，张力文，蒋发光，等.顶驱下套管驱动工具现状与发展建议[J].石油矿场机械，2013，42(1)：1-5.
[2] 于桂杰，殷有财，肖文生.顶驱钻井柔性钻柱动力学特性分析[J].石油矿场机械，2011，40(4)：1-5.。
