国外先进顶驱及其未来发展_国外顶驱发展

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国外先进顶驱及其未来发展

当今世界各国的石油开采都离不开顶驱，何为顶驱？顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS，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，是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。目前全世界已有上千万台顶部驱动钻井装置在海上和陆地使用，充分显示了它的强大生命力。一·顶驱的研制成功-历史性的跨越

20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。但在延续近百年的钻盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。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人的问题。我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。其二，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。而所谓的顶部驱动，则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。由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。因而，由于各种原因引起的通卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25％左右。国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜32度、井深2981m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。生产顶部驱动钻井装置的厂商也由当初的美国、挪威扩展到法国、加拿大等4个国家的7家公司。之后，中国、英国也加人到顶部驱动装置的生产行列，人类实现了钻机自动化进程的阶段性跨越。

总之，顶部驱动钻井装置是当今石油钻井中的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果之一，另两项技术成果为交直流变频电驱动系统（AC-SCR-DC电驱动）和井下钻头增压系统。二·挪威MH公司顶部驱动钻井系统

挪威MH（Maritime Hydraulics）公司从1984年开始研制海上钻井平台用的DDM系列重型顶部驱动钻井装置，如DDM-650型、DDM-HY-650型、DDM-HY-500型、DDM-EL-500型多种顶部驱动钻并装置，为适应陆地钻井的要求，MH又研制了PTD系列的轻便式顶部驱动钻井装置，现分述如下。1．DDM-650型顶部驱动钻井系统

DDM-650型产品就是MH公司首先研制的顶部驱动钻井系统。DDM-650型顶部驱动钻井系统由15个部件组成：

1）水龙头。Wirth公司 6500 kN水龙头;2）电动机。交流电动机，采用调频变速。也可用直流电动机；3）齿轮减速器：是根据Wirth公司转盘设计准则进行设计的；4）机械齿轮销。由遥控进行操作；5）钻杆操纵接头。气动或液压驱动均可；6）钻杆操纵旋转环。带有滚动轴承；7)吊卡定位电动机。可将钻杆操纵装置自动退回到预定位置；8）液压缸。液压缸具有两种功能，一是提升悬挂器，另一个功能是提升伸缩接头；9）悬挂器。名义载荷为6500 kN，带有凸台悬挂吊环，其悬挂器杆可以垂直移动 600mm；10）吊卡游动执行机构。用于鼠洞（放方钻杆用）上扣联接钻杆接头；11）伸缩接头。在垂直方向可以伸缩500 mm，主要用于公接头进入母接头或者提出工具接头；12）伸缩接头支撑组。用于支撑防喷器操作器和扭矩扳手以及垂直伸缩运动伸缩接头；13）远距离控制阀。由液压操作器进行控制；14）扭矩扳手。适用于φ120.65~φ196.85的钻杆卸扣，卸扣扭矩为82.95kN•m15）钻杆吊卡。MH型气动吊卡。

DDM-650型顶部驱动钻井系统额定载荷为6500kN，最高工作转速为290 r/min，交流电动机功率为760kw，利用变频调速（直流电动机功率为740 kw）。液压动力装置550 kw，油压16 MPa，排量 160 L/min。2．液压顶部驱动钻井系统系列产品

近些年来，挪威MH公司利用本公司擅长的液压技术又研制了液压驱动顶部驱动钻井系统，目前已发展成为3种系列产品。

l）DDM-HY-650型顶驱是一种大扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为6500 kN，液压驱动，工作扭矩为55 kN•rn，最大为63.5 kN•m，工作转速为l30～230 r/min，液压动力压力为 33 MPa，排量 1600L/min,水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.79m。2)DDM-HY-500型。是一种标准扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为5000 kN，液压驱动，工作扭矩为对42.1KN•m，最大为50 KN•m，工作转速为125～225r/min,液压动力压力为 33MPa，排量 1600L/min, 水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为5.04m，质量为15t。3）DDM-EL-500型。最大载荷为5000 kN，采用AC-SCR-DC电驱动，工作扭矩为42.3 kN•m, 最大为48.9 KN•m,工作转速为160～197r/min,齿轮速比为5.84, 水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.65m,质量为19t。在PTD系列顶部驱动钻井装置中近几年研究开发的PTD-410型顶部驱动钻井装置，取消了原来PTD-HY-500型和PTDEL2PA44-500W型两种顶部驱动钻井装置，形成了PTD-410型和PTD-500型等4种规格系列顶部驱动钻井装置，全部采用液压驱动。三·法国Acb公司顶部驱动钻井系统

法国Alsthom公司的子公司Acb公司，研究开发了BRETFOR 500型顶部驱动钻井装置，分为液马达和直流电动机驱动两大类。在水龙头-钻井马达总成中不同类型的钻井马达位置各异，不仅马达，而且相关的气动刹车、鼓风机等都改变了。

BRETFOR 500型顶部驱动钻井装置额定载荷为5000 kN，在 50 r/min时载荷为 3350 kN，钻井中液压力为351 MPa，水龙头冲管直径为76.2mm，采用液压马达驱动钻柱旋转，钻柱最高工作转速为 240 r/min, 最大上扣扭矩为 55.30 kN•m，利用液压油缸进行卸扣，最大扭矩为 127.19 kN•m，如果利用液压油缸和液压马达同时卸扣，最大扭矩达 182.49 kN•m。方钻杆阀通径为φ76.2 mm，利用遥控液压元件进行控制。

Acb公司认为：采用液压驱动顶部驱动钻井装置部件的结构设计刚性较好，使用寿命长，特别适用于钻井时的振动工艺要求。液压驱动在0 r/min时还具有全扭矩。工作时没有火花，输出扭矩较大等，确保钻井安全可靠，处理事故能力强。

四·加拿大Tesco公司顶部驱动钻井系统 加拿大Tesco公司从1993年开始研制陆地钻井井架使用的顶部驱动钻井装置，原来只生产150 HMI型、500HS型、500HC型等三种规格的液压驱动顶部驱动钻井装置，到2003年共生产312台。由于电驱动顶部驱动钻井装置具有更好的钻井性能和适应性，从1996年开始生产AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机。产品销路很好,上市后一年多就售出9台。目前，Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶部驱动钻井装置已经基本上形成了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等5种规格系列

加拿大Tesco公司生产的500ECI型650ECI型AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，分别均采用美国Kaman公司两台PA44型永磁同步电动机。其电动机和AC变频调速系统是由美国M-1型坦克电力拖动系统移植而来,属于成熟、先进的军工技术。该电动机具有单位功率质量轻的优点，转子用钛合金制造，壳体用铝合金制造，总体质量较轻，从而减轻了顶部驱动钻井装置质量。此外，质量轻转动惯性较小，电动机转换时不需要制动器，由全速到静止只需 5S，由静止到全速小于5S。电动机外型尺寸因此也减少了三分之一，对顶部驱动钻井装置总体布置也很有利。电动机转子采用铷铁硼磁性材料制造，形成恒定的转子磁场作用，其磁场强度与外界旋转磁场的转速无关，允许定子旋转磁场的转速较低；也就是电动机在低转速条件下，也具有很好的调节与使用性能。例如该电动机在0～lr/min时仍具有额定扭矩。该电动机没有换向器，在工作时不发生火花，提高了钻气井或天然气较多的油井的安全性。该电动机将输入电能转换为机械能的转换效率为95％。每个电动机各有一个独立的液体、空气冷却系统，将电机发生的热量带走，以确保电动机正常运转。减速齿轮箱的齿轮速比为14.66和18.33，用压力喷油方式进行润滑，并对润滑油的油温进行监控。五·加拿Canrig公司顶部驱动钻井系统

1.Canrig 公司AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置

Canrig公司生产6027E、8035E、1050E、1165E等4种规格单速传动顶部驱动钻井装置，其中6027E型顶部驱动钻井装置，有传动比5.563和9.387两种，1050E顶部驱动钻井装置也有传动比5.0和7.12两种，可由用户任选。此外还生产6027E-2SP、6170E-2SP-HELL、1050E-2SP、1165E-2SP型等4种规格双速传动顶部驱动钻井装置。全部采用AC-SCR-DC电驱动形式。2.Canrig公司AC变频电驱动顶部驱动钻井装置

Canrig公司于1998年夏天研究开发了第一台额定载荷为6500kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，安装在西非近海一艘深水钻井船上进行钻井。此外，还研究开发了小型石油钻机用额定载荷为1500kN、2750kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，以及大型石油钻机用的额定载荷为5000kN、7500kN的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，基本上形成了1500kN、2750kN、5000kN、6500kN、7500kN等5种规格AC变频电驱动顶部驱动钻井装置系列。其中额定 6500kN AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国GEB20 AC电动机，配套Vnico公司变速、矢通量传动装置，在钻井时可输出平衡的扭矩，而且在单速传动顶部驱动中，可获得宽广的调速范围，并给出最好的钻井性能和钻井特性曲线。能够更精确的调节和使用工作转速和工作扭矩。

六·美国National-Oilwell公司顶部驱动钻井系统

美国National-Oilwell公司原生产PS-350/500型PS-500/650型和PS-500/650(双速)型等3种规格顶部驱动钻井装置。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部驱动钻井装置，并把PS-500/650型顶部驱动钻井装置改进为PS-500/500型顶部驱动钻井装置；PS-500/650型（双速）型顶部驱动钻井装置改为PSZ-500/500型顶部驱动钻井装置，保留了PS-350/500型顶部驱动钻井装置，组成了5种规格新系列顶部驱动钻井装置。全系列顶部驱动钻井装置可选用AC-SCR-DC电驱动型式，GE752型串激或并激DC电动机，也可选用AC变频电驱动型式，AC电动机。AC变频电驱动具有更好的钻井性能。

National-Oilwell公司的顶部驱动钻井装置，根据需要可组成多种形式的系统高度。例如 PS-500/500型顶部驱动钻井装置，采用660-H-500型游车和GA-500型大钩组合，系统高度为14.783m，采用660-GA-500型游车大钩组合，系统高度为14.3m，采用660-H-500型游车组合,系统高度为12.319m，采用660-GA-500型只有游车组合，系统高度为 11.129m, 采用动力水龙头游车组合，系统高度最小为9.703m.七·美国Bowen公司顶部驱动钻井系统

Bowen公司自20世纪50年代以来，一直生产令油田用户感兴趣的小型修井机用动力水龙头，近年来又研制与生产了ES-7型顶部驱动钻井系统。其主要特点如下：

l）采用625 kw直流电动机驱动钻柱旋转，连续运转扭矩为34.kN•m，间歇运转扭矩为41 kN•m。

2）额定载荷为 5000 kN，钻柱最大工作转速为 300r/in钻井液循环管道内径为76.2 mm，钻井液压力为35.MPa，系统总高度为7.1 m，水龙头质量8.1t。3）电动机通过行星齿轮减速器后驱动钻柱旋转。空心的电动机轴由上部鹅颈管延伸到齿轮减速器的套管来防止钻井液的腐蚀作用。改进型GE电动机，由使用水-空气换热器的封闭型空气冷却系统进行冷却，冷却根据水源情况可以是新鲜水或海水。

4）钻柱的拉伸载荷由环杆与齿轮减速器连接来承受，齿轮减速器带有减震垫，以适应井架中的垂直导轨支撑反扭矩。利用AC-SCR-DC控制系统对电动机进行控制和改变工作转速。

5）扭矩吊卡是一种在旋转钻柱时能传递扭矩的吊卡。而液压接头拆卸装置是用液压松开吊卡和钻杆之间联接销的装置。

6）ES-7型顶部驱动钻井系统备有钻杆内防喷器，可以提供更可靠的控制防喷功能。