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顶驱

顶部驱动钻井系统

顶部驱动技术是转盘钻机问世以来的几项重大变革 （液压盘式刹车、液压钻井泵、交流变频驱动等）之一。自1981年12月美国Varco公司研制的顶部驱动系统 （简称TDS、顶驱）投入使用以来，顶驱逐渐被世界各国石油钻井界所采用。浅海上钻井船或平台，几乎全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱，继美国Varco公司之后，挪威的Maritime Hydraulics公司、法国的ACB-Bretbr公司和TRITEN公司、美国的National-Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。

定义
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，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。
顶驱的发展、组成元件、性能特点：
多年来，石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业的。近年来，随着钻井装备技术的不断发展，为了更好地满足钻特殊工艺井的需要，20世纪80年代，国外研制出一种将水龙头与马达相结合，在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转，并可沿井架内安放的导轨向下送进的钻井装置，同时配备了钻杆的上、卸丝扣装置，可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起下边转动等操作。因该装置在钻机的游动滑车之下，驱动的位置比原转盘位置要高，所以称之为顶部驱动钻井装置。顶部驱动钻井装置可接立柱（三根钻杆组成一根立柱）钻进，省去了转盘钻井时接、卸方钻杆的常规操作，节约钻井时间20%～25%，同时，减轻了工人劳动强度，减少了操作者的人身事故。使用顶部驱动装置钻井时，在起下钻具的同时可循环钻井液、转动钻具，有利钻井中井下复杂情况和事故的处理，对深井、特殊工艺井的钻井施工非常有利。顶部驱动装置钻井使钻机的钻台面貌为之一新，为今后实现自动化钻井创造了条件。
国内外的深井钻机、海洋及浅海石油钻井平台、施工特殊工艺井的钻机大多配备了顶部驱动钻井装置。1993年，国内开始了顶部驱动装置的研究工作，1996年完成了顶部驱动装置样机的台架试验。1997年，宝鸡石油机械厂生产出了DQ60D型顶部驱动装置，在塔里木油田钻井队使用后现已批量生产。截至2004年我国在用的顶部驱动钻井装置大约有150台左右。
顶部驱动钻井装置有以下主要部件和附件构成：
(1)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。
其中水龙头-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。
顶部驱动钻井装置的性能特点：
·在钻井过程中可在任意位置提起钻具划眼循环，清洗井眼，有效地避免卡钻等事故发 生。起下钻过程中遇卡或遇阻可迅速使顶驱接上钻具，循环泥浆进行划眼作业。
·用立根钻进，减少2/3上卸扣工作量。
·在下套管时，借助于吊环倾斜机构抓取套管，在上扣时顶驱有扶正作用，可避免乱扣、 错扣，大大提高下套管速度。
·在憋钻时，可用刹车机构刹住钻具，慢慢释放，防止钻具迅速反弹，以防损坏钻具或 脱扣。
·在定向钻进中，可用刹车机构刹住顶驱主轴，进行定向造斜。
·在井涌、井喷时，在井架内任意高度可迅速关闭内防喷器。
·由于不使用转盘，提高了井口操作时的安全性。
·借助于倾斜臂和旋转头的作用，井口上卸扣作业和二层台作业的体力劳动强度大大减 轻。
·在稳斜段钻进时，可随意提动钻具，避免岩屑沉积。
·利用立根钻进，可实现连续长筒取芯达27米。
其结构特点：
·简便的安装移运性能。
·具有较大的卸扣能力。
·导轨安装与拆卸检修方便，具有互换性能。
·顶驱体可通过过渡环直接与游车连接，减少整个装置的工作高度。
·液压控制的旋转头装置，可带动吊环倾斜机构旋转360º，并有级锁紧。
·高强度的齿轮减速传动。
·钻井和起下钻采用不同的负荷通道，延长主轴承的使用寿命。
·背钳采用四点浮动夹持，提高了背钳的夹持能力，减少了对钻具的损伤。
·采用液压浮动油缸平衡顶驱主体自重，可在上卸扣作业时保护钻具接头丝扣。
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