液压系统在钻井工业上的应用

＊孔 聪

（中海油田服务股份有限公司 广东 524057）

液压系统在钻井工业上的应用

＊孔 聪

（中海油田服务股份有限公司 广东 524057）

液压系统是以液压油为主要工作媒介，利用液压油的压力能以及控制阀门等附件，来操控液压执行机构中的整套装置。近年来，伴随国内液压技术的逐步提升，该系统被广泛应用到了农机、工程机械、石油钻井等行业中去。其中，尤以在钻井工业中的应用最具代表。本文即基于美国Varco公司的TDS-8SA型顶驱钻井装置，介绍了液压系统的相关理论及其在钻井工业中的应用。

液压系统；顶驱钻井装置；钻井

钻井是石油工业中的老大，其钻井技术的发展对于石油的勘探与开发具有重要的推动作用。在现代钻井技术中，石油钻机顶部驱动钻井装置TDS（以下简称为顶驱钻井装置）可谓是装备发展中至关重要的三大成果之一，相较于一般的转盘方钻杆钻井，顶驱钻井装置具有节约钻井时间，提升钻井效率、倒划眼防止卡钻、减少人员工作的危险程度等优点。而液压系统作为顶驱钻井装置中不可或缺的重要成分，在远距离的实时传动与有效控制方面发挥着不可小觑的作用。鉴于液压系统对于油路的密封性具有较高的要求，且该系统的整体设计成本较高，极易导致其在钻井工业中的应用受限。因而为能够充分展现出顶驱钻井装置的功能，深入分析和探讨液压系统的具体应用就显得尤为必要。

1.顶驱装置结构

(1)顶驱装置概述

顶驱钻井装置是由美国、法国、挪威等国家于上世纪80年代初开始研制的较先进的顶驱钻井系统，能够进行诸如上卸扣、倒划眼等多种钻井操作，对于钻井作业能力和工作效率的提升有很大的益处。从某种意义上讲，顶驱装置的出现促使以往的转盘钻井法发生了根本性转变，顶驱钻井法应运而生，并被广泛应用到海洋和特殊陆地钻机中去，成为旋转钻柱与接卸钻杆立根行之有效的方法之一。此外，顶驱钻井装置可以起下28米左右的立柱，一定程度上促使钻井过程中的上卸扣操作大大缩减。

(2)顶驱钻井装置的基本结构

美国Varco公司的TDS-8SA型顶驱钻井装置的基本结构主要包含水龙头-钻井马达总成、马达支架/导向滑车总成、钻杆上卸扣装置总成、平衡系统、冷却系统、顶部驱动钻井装置控制系统以及可选用的附属设备七个部分，具体如下图1所示：

①水龙头—钻井马达总成。在顶驱钻井装置中发挥着不可小觑的作用，其由钻进电机和制动器、齿轮箱、整体水龙头四部分组成，其中，钻井电机与制动器的构成部分通常为两个垂直对称的交流钻井主电机；齿轮箱中的两对齿轮都是斜齿轮，主要作用在于传递扭矩，降低噪音；整体水龙头包含冲管总成与鹅颈管两部分，在循环钻井液中发挥着不可替代的作用。

②马达支架/导向滑车总成。在顶驱钻井装置中，马达支架/导向滑车总成主要起反扭矩作用。顶驱钻井装置中的主体借助一组连接臂与导向滑车相互连接，并将导向滑车嵌入到导轨中去，能够使导向滑车沿着导轨方向上下自由移动，与此同时，井架还能够承担起钻井过程中的钻头及钻杆所产生的反扭矩。

③钻杆上卸扣装置总成。钻杆上卸扣装置总成主要由背钳、内防喷器、倾斜机构、旋转头总成等多个部分构成，在顶驱钻井装置中主要发挥推动钻井作业自动化程度的提高的作用。

图1 TDS-8SA型顶驱钻井装置图

④平衡系统。顶驱钻井装置中的平衡系统主要包含两个相同的高压蓄能器和与提环、大钩相连接的油缸，其在钻井装置中的功能与大钩补偿弹簧类似，旨在保持顶驱本体重量的平衡。也正基于此，钻井装置中的平衡系统又有液气弹簧式平衡装置之称。

⑤冷却系统。在顶部驱动钻机中，主要配备了两台吸气式的离心鼓风机冷却系统，分别安装在电机的顶部位置。该系统主要是将所吸入的空气借助开放型内道传送到电机的出口位置，再从底部将空气排出。

2.液压系统在顶驱钻井装置中的应用

（1)液压系统简介

液压系统指的是以液压油为传递压力的介质，通过控制阀门等辅助性元件实现对液压执行机构整套装置的操纵。该系统致力于通过不断改变压强，促进自身作用力的进一步增大。通常来讲，完整的液压系统主要包含动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）以及液压油五大部分。其基本结构如下图2所示：

①液压动力元件。在液压系统中，其动力元件也即液压泵，是将电动机等原动机所提供的机械能向液压能转换的一种机械装置，其中，齿轮泵是其常见的结构形式。

②液压执行元件。液压执行元件又被称之为液压缸，主要是将液压泵中的液压能转化为机械能。其所发挥的作用在于驱动负载进行直线往复或回转运动。

③液压控制元件。液压控制元件又可称之为液压阀，也即是指对系统中的液压、流量及其流动方向等加以调节与控制。

④液压辅助元件。辅助元件主要由油箱、油管、滤油器、蓄能器、加热器等部分构成，由于各部分的功能具有多样化，其在系统中所发挥的作用也不尽相同。

⑤液压油。液压油可以说是液压传动系统的本质所在，其在整个液压系统中发挥着能量传递的作用。

(2)顶驱液压系统的设计及作用

在当前市场中，交流变频电驱动与液压驱动是顶驱钻井装置最常见的两种驱动形式，鉴于在顶部驱动装置中，交流变频电驱动具有一定的优越性，因而本文即选取美国Varco公司的TDS-8SA型顶驱钻井装置为研究对象，分析了该型号顶驱钻井装置液压系统的工作原理。

液压传动系统是顶驱系统中不可或缺的重要组成部分，其主要由主体重量平衡系统、刹车系统、旋转头回转系统、吊环倾斜系统、IBOP控制系统、背钳系统以及定位销系统等部分构成。在顶驱钻井装置中，一旦主电机发生驱动，那么势必会影响到其主旋转。与此同时，液压传动还会在一定程度上对上卸扣、吊环倾斜与回转、主电机制动等起到控制作用。

图2 液压系统结构图

①平衡系统控制油路。顶驱钻井装置液压系统中的平衡系统控制油路的重要组件由减压溢流阀、三位四通防爆电磁阀以及蓄能器三部分构成，其中，减压溢流阀主要发挥控制和调节油压的作用；蓄能器能够对油缸起到缓冲减振的效果。

②刹车油路。刹车油路主要包含防爆电磁换向阀、减压阀两部分，其中，这里的减压阀致力于对执行机构所需要的压力加以调控。

③回转头油路。顶驱液压系统中的回转头油路由三部分构成，分别为调速阀、双向溢流阀和防爆电磁换向阀，其中，调速阀能够对回转头的运动速度进行随意调整；双向溢流阀在整个系统中起调定回路最大工作压力的作用。此外，在旋转头的位置，还接有一个可以帮助旋转头实现双向旋转功能的液压马达。

④倾斜机构油路。倾斜机构油路主要由双液压单向阀、双单向节流阀以及防爆电磁换向阀三部分构成。其中，双液压单向阀在此所发挥的作用在于，确保倾斜臂及与之相关联的吊环吊卡能够长时间停留在某一位置；这种回路有助于使执行元件的背压力得到保持，适当调整双单向节流阀的位置，其吊环的运动速度也会相应发生改变；相比之下，防爆电磁换向阀则主要发挥换向功能。

⑤IBOP控制油路。在IBOP控制油路中，除了包含与上述相同的防爆电磁换向阀之外，还包括减压阀、液控单向阀，这三个单元主要发挥的作用在于：防爆电磁换向阀起换向作用；减压阀用于对执行机构所需压力的调整；液控单向阀旨在对油缸行程位置加以控制，严防下滑。

⑥背钳机构控制油路。背钳机构控制油路包括防爆电磁换向阀、单向液压锁以及减压阀三大部分，其中，液压阀在背钳机构中起调节压力的作用；使用单向液压锁能够为背钳的卡瓦的长时间停放提供便利，并为正常打钻时，卡瓦不外露提供保障。

⑦定位销系统控制油路。定位销系统控制油路的构成部分主要包括二位四通防爆电磁换向阀、减压阀二部分。这里的减压阀在其中所发挥的作用是对定位销所需压力加以调节，用于销紧回转头联接主轴与背钳，为背钳上下扣做准备。其调整机构位于回转头上部，回转支架上。

3.结束语

综上所述，在顶驱钻井置中，液压系统的性能好坏将会给顶驱的工作效率及其使用效果带来直接性影响。美国Varco公司的TDS-8SA型顶驱钻井装置在应用液压系统时，应对其各部分组件及其所发挥的作用加以深入分析，并对液压系统的相关设备做好定期的检查与维护等，以便使液压系统在钻井工作中的应用效果达到最佳。

[1]白大鹏,李绍辉,马哲,王海岩,黄峰．智能钻井工具液压系统性能测试台的研制[J]． 石油机械,2016,(09)．

[2]徐新,路妍．某自升式钻井平台防喷器液压系统设计问题分析[J]．机电设备,2017,(02)．

(责任编辑 王恒)

Application of Hydraulic System in Well Drilling Industry

Kong Cong
（China Oil field Services Limited Liability Company, Guangdong, 524057）

Hydraulic system takes the hydraulic oil as the main working medium and makes use of the pressure energy of hydraulic oil as well as the control valves etc. other accessories to operate the complete set of equipment in hydraulic actuator. In recent years, with the gradual improvement of hydraulic technology in China, the system has been widely applied to agricultural machinery, engineering machinery, oil drilling and other industries.Among them, especially the application in the drilling industry is the most representative. Based on the TDS-8SA type top driving well drilling device of American Varco, this paper introduces the theory of hydraulic system and its application in drilling industry.

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T

A

孔聪（1983～），男，中海油田服务股份有限公司；研究方向：钻井勘探四化机械。