典型顶部驱动钻井装置结构与功能分析

冯 琦，郭永岐，桑峰军

（1.川庆钻探工程有限公司 国际工程公司，成都610051；2.中原石油工程有限公司 钻井二公司，河南 濮阳457000）＊

顶部驱动钻井技术是20世纪80年代发展并成熟起来的现代化钻井技术。顶部驱动钻井装置（以下简称顶驱或顶驱装置）分电动顶驱和液动顶驱2大类，而电动顶驱又分交流和直流2类。它是悬挂在大钩下，在特定的轨道上随游吊系统上下移动，安装简便易行，只需对井架作极少的改动即可使用。顶部驱动钻井是自转盘驱动钻井以来最重大的技术革新，是减少复杂时率、降低风险、避免钻井事故最有效的技术手段［1－4］。

1 顶部驱动钻井装置的优势

1） 用整立柱钻杆钻进，取代传统的转盘、方钻杆钻进。

2） 减少2／3的接单跟时间，降低了钻井风险。

3） 能够立柱划眼和倒划眼，降低了复杂时率、避免了卡钻事故。

4） 在钻井工程中，顶驱吊环可前后控制摆动，降低了劳动强度，井口自动化程度有很大的提高。

5） 起下钻若遇复杂井段，顶驱可在任意高度回接钻杆进行钻井液循环、划眼，提高了钻井工程的安全性。

6） 可进行无级变速和上、卸扣转矩控制，能够满足钻井工程的精确需求。

7） 具有顶部液动旋塞，可以任意高度实现钻具内关闭和打开，提高了井控安全。

8） 运行平稳，具有多重保护机构，在工作时安全可靠。

9） 顶驱装置是实现套管钻井技术的配套设备。

10） 顶驱钻井装备是实现水平井、丛式井、山前构造复杂安全钻井最理想的设备。

2 3种顶驱的主要技术参数

本文从技术参数、功率、变频系统、液压系统、顶驱本体结构及安装6个方面，详细介绍美国VARCO公司的TDS－11SA、加拿大TESCO公司的TDT500ECI、北京石油机械厂（以下简称北石）的DQ70BS 3种现场使用比较广泛的顶驱装置。

3种顶驱系统的主要技术参数如表1所示，可以看出：这3种型号的顶驱在转矩、转速、额定功率等数据上基本相同；从作业能力上分析属于同一类型的顶部驱动装置。

表1 3种顶驱系统的主要技术参数

续表1

3 功率曲线

3种顶驱系统的功率曲线如图1～3所示，可以看出：3部顶驱设备的输出功率基本相同，转矩随着转速的提高而逐渐下降；但加拿大TESCO公司的TDT500ECI顶驱装置的功率输出稳定性要略胜一筹，其恒定输出能持续到150r／min；美国VARCO公司的TDS－11SA顶驱装置与北石DQ70BS型顶驱装置在这方面则稍显不足。

图1 DQ70BS型顶驱功率曲线

图2 TDS－11SA型顶驱功率曲线

图3 TDT500ECI型顶驱功率曲线

4 变频系统比较［5］

TDT500ECI、TDS－11SA、DQ70BS这3种型号顶驱的电源频率可根据用户要求选择50Hz型或60Hz型（如表2）。

TDS－11SA型顶驱与DQ70BS型顶驱的变频系统采用的是西门子公司的变频设备，但是在具体设计上，3种顶驱又有很大不同。

1） TDS－11SA型顶驱变频系统采用I型结构，所谓I型结构就是1套整流系统带1套逆变系统。1套逆变系统产生的575VAC、0～80Hz的交流电同时供给2台294.2kW（400hp）的交流变频电动机。这种设计优势在于变频房结构简单紧凑，便于运输，在井场容易摆放；而且在实际使用中TDS－11SA型顶驱的变频设备可靠性也比较高，很少出现硬件故障。2台主工作电动机的冷却风机电源是由整流系统整流后的直流电源，提供给变频房内的辅助逆变系统，由辅助逆变系统将780V的直流电源转换成600V、60Hz的交流电。

2） DQ70BS型顶驱变频系统采用的是A型结构，所谓A型结构就是1套整流系统整流后的直流电源同时分配给2套逆变系统，这2套逆变系统又分别给顶驱动力头上的2部变频交流电动机提供电源。这种方式的优势在于如果1套逆变系统出现硬件故障，现场无法即刻解决时可通过司控台上的电机选择旋钮选择单独使用A电动机或者B电动机，使顶驱能够正常使用，尤其是顶驱正在处理井下复杂时，这一优势更加明显。

3） TDT500ECI型顶驱变频系统采用的是H型结构模式，是由2套变频系统分别驱动2部交流变频电动机。这种设计比较简洁，减少了工作组件，从而提高了设备的稳定性和可靠性。

表2 变频系统技术参数

5 液压系统比较

TDS－11SA型顶驱的液压系统是将液压泵电机、液压泵、液压阀汇总成固定在顶驱动力头上。这种设计在安装顶驱设备时无需再在井架上安装额外的液压管线，简化了安装过程，降低了安装风险、节约了安装时间 （如表3）。

表3 液压系统技术参数

DQ70BS型顶驱与TDT500ECI型顶驱都采用的是单独液压站模式，液压站放置在地面，用安装在井架上的液压管线连接液压站与顶驱动力头。这种设计在液压设备出现故障后，对故障的检查和维修是非常便利的［6－8］。尤其DQ70BS型顶驱的液压站采用的是2台电机带2台液压泵的方式，在正常使用时可以定期轮换使用，延长了液压泵和电机的使用寿命；而且如果1台电机或液压泵出现故障，可以立刻启动另1台，保证了顶驱的正常使用。这一优势在顶驱正在处理井下复杂情况时显得尤为重要。

6 顶驱本体结构

TDS－11SA顶驱系统和DQ70BS顶驱系统的动力头都设计有水龙头及旋转头正反2个方向360°旋转、吊环前后自动倾斜、液压夹紧式背钳、液压制动防喷器。只是由于背钳上下改变夹紧位置时需要借助外力，在更换钻具保护接头时比较费时、费力。顶驱本体设备的结构对比如表4。

表4 顶驱本体设备结构对比

续表4

TDT500ECI型顶驱系统的液压背钳可通过背钳提升液缸上、下移动，为安装各种钻具保护接头提供了方便。TDT500ECI型顶驱具有独特的水平位移功能，可以把顶驱整体推到小鼠洞的上方，在钻井中可以利用顶驱在小鼠洞方便、及时地接上单根或立柱。但TDT500ECI型顶驱的旋转头需要借助主轴的转动才能改变方向，在使用旋转头时操作步骤比较繁琐。

7 顶驱导轨的连接、悬挂与顶驱本体的安装

北石DQ70BS型顶驱系统与TDS－11SA型顶驱系统的导轨都采用销子和安全锁销连接方式，导轨悬挂都采用可调式钢制连接板。这些设计简化了顶驱的安装和拆卸工序，缩短了安装和拆卸时间［9］（如表5）。

表5 顶驱导轨的连接、悬挂与顶驱本体的安装方式对比

TDT500ECI型顶驱系统导轨采用螺栓连接方式，通过选用长短不同的导轨来适应不同类型的井架。但是每一根导轨与导轨之间都要用16个螺栓进行连接，费时费力，影响顶驱安装速度。在顶驱本体与钻机水龙头连接时，要使用B型大钳夹紧顶驱本体主轴，并且是在距离钻台面约3m的高度作业，增加了作业人员与设备的风险。

8 结语

3种型号的顶部驱动钻井装置在功能和使用上虽然都有自己的优势和不足，但都能满足现场各种工况下对项部驱动装置的使用要求。大量的事实证明：在使用顶部驱动装置的钻井工程中都能大幅缩短钻井周期，降低钻井风险，节约钻探成本。现今超深井和复杂井都在广泛使用顶驱这种先进的钻井设备，这更加说明了顶部驱动装置在钻井工程中起着越来越重要的作用。

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