顶部驱动钻井装置简介

一、顶部驱动钻井装置简介

石油钻机顶部驱动钻井装置，简称'顶驱装置'或'顶驱'，是20世纪80 年代出现的一种新型钻井装备。它能从井架空间上部直接驱动钻柱并沿专用导轨向下送进，可完成旋转钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。

安装顶驱装置后的典型井架界面如图1所示：

图1  安装顶驱装置后的典型井架界面

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由图可知，顶驱装置一般包括以下几部分∶

1、顶驱装置本体。本体是顶驱装置实现其功能的核心部分，包括为钻井提供旋转动力的动力水龙头、用于拆卸和连接管柱的管子处理装置、为钻井液循环提供通道的钻井液循环通道及其他用于系统监测或保护的辅助装置（包括刹车装置、测速编码器、温度传感器等）。

典型的电驱动顶驱装置本体结构如图2所示：

图2   典型电驱动顶驱装置本体

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2、导轨与滑车。导轨与滑车的主要功能是使顶驱装置在井架范围内上下滑动，在钻井作业过程中保持其相对于井架的正确位置，并承受反扭矩。

3、传动与控制系统。顶驱装置的传动与控制系统主要为钻井提供动力、设备检测、操作控制等，是顶驱装置自动化程度的集中体现。

其主运动（即动力机旋转）的传动与控制方式，一般有电气和液压两种。电气传动与控制系统主要包括交流变频驱动系统（VFD）或AC—SCR—DC驱动系统、自动化控制系统（PLCMCC）、司钻操作台、本体站、动力电缆、控制电缆等。液压传动与控制系统主要包括动力站、司钻操作台、连接管缆、电控系统等。

辅助运动，如本体重量平衡、上卸扣、背钳夹紧与松开、吊环前后倾、旋转头旋转与锁紧、内防喷器开关、主电机制动与松开等，一般均采用液压系统远程控制，它使顶驱装置的各种功能得以充分展现。

在顶驱装置具体钻井作业时，本体通过提环与钻机的游车或大钩相连，操作人员自司钻操作台给出指令信号，通过信号线反馈给传动与控制系统，系统做出判断后通过动力及控制管缆传输给本体，配合钻机的提升系统、循环系统等实现各种钻井操作。

二、顶驱装置的类型及主要技术参数

1、顶驱装置的类型

1.1 按驱动方式分类

顶驱装置按驱动方式（指主运动的驱动方式）分类，有电驱动（动力机为电动机）和液压驱动（动力机为液压马达）两大类。

其中电驱动又可分为直流（AC-SCR-DC）电驱动和交流变频（ACVFD）电驱动两种型式。

直流电驱动的主要优点是成本低、谐波干扰少。但由于一些诸如碳刷会产生火花，采用可控硅系统接口复杂、价格高、体积大等不足，目前使用不多。

交流变频电驱动是一种成熟的调速技术，可精确地调节和控制电动机的工作转速和扭矩，有调速范围宽、过载能力强、工作效率高等优点，具有更好的钻井适应性、经济性、可靠性及先进性，易与钻机配套，因此广泛应用于海洋、陆地等钻机上，是顶驱装置的主要发展方向。

液压驱动的主要优点是质量轻、体积小，可以直接通过对液压马达的控制，在低转速下以大扭矩连续运行。其不足之处在于传动效率低、维护要求高、过载能力差。因此液压驱动顶驱装置主要适用于大型车装设备不能进入的地区或小型钻机和修井机上。

1.2 按承载能力和钻井深度分类

按承载能力来分，顶驱装置一般分为1000t，750t，500t，350t，250t，150t 等，均指美制短吨。

国内，习惯以与承载能力对应的名义钻井深度表示∶12000m、9000m、7000m、5000m、4000m、3000m等，一般指使用4（1/2）in 钻杆的名义钻井深度。

1.3 按作业区域分类

按作业区域来分，顶驱装置可分为陆地顶驱和海洋顶驱。陆地顶驱整机尺寸小，便于安装拆卸，适合陆地钻机频繁更换井位的需要，应用多，分布广;海洋顶驱要求能够在海洋或沿海地带使用，通常在同一钻井平台的作业时间较长，因此具有钻井能力大、结构紧凑、安全、可靠性高等特点。同时还必须满足海洋环境下防盐雾、防腐蚀、阻燃、防爆等要求，并通过船级社（如中国船级社CCS、美国船级社ABS 等）认证。

2、顶驱装置的主要技术参数

顶驱装置的主要技术参数包括名义钻井深度、额定载荷、连续钻井扭矩、最大旋松螺纹扭矩、钻井液通道直径、钻井液循环工作压力、背钳夹持范围、转速、输入功率、工作高度等，其内涵如下∶

名义钻井深度——与钻机的设计钻井深度相对应，按 Ø114mm[4(1/2)in]钻杆标注，单位m。

额定载荷——顶驱装置的设计载荷，它表明了顶驱装置的最大承载能力，单位kN（或 tf）。

连续钻井扭矩——正常钻井时，顶驱装置所能提供的最大扭矩，单位 kN·m（或 lb·ft）。

最大旋松螺纹扭矩——亦称最大卸扣扭矩，是顶驱装置卸扣时的最大扭矩，即短时最大扭矩，单位kN·m（或 Ib·fft）。

钻井液通道直径——指鹅颈管、主轴、内防喷器等用于钻井液循环的通道内孔直径，单位mm（或 in）。

钻井液循环工作压力——钻井液循环通道在正常钻井条件下规定能承受的最大压力，单位 MPa（或 psi）。

背钳夹持范围———指管子处理装置所能夹持的钻杆范围，单位mm（或 in）。

转速——主轴转速，单位 r/min。

输人功率——动力机的输人功率，单位kW（或 hp）。

工作高度———顶驱装置提环与钻机提升系统连接处的下平面到吊卡上平面的高度，是计算安全高度的重要参数，单位m或mm。

三、顶驱装置的优点

顶驱装置的优越性主要体现在以下几个方面∶

1、及时旋转钻柱和循环钻井液。采用顶驱装置钻井，在起下钻遇到阻卡时可以在任意位置使顶驱装置与钻柱连接，开泵循环钻井液，进行划眼或倒划眼，从而降低了起下钻的事故率。

2、立根钻进。与转盘钻井使用方钻杆钻进相比，顶驱装置采用立根钻进，减少了接单根及停泵的次数，节省接单根时间50%～70%，作业效率提高。在取心作业过程中，可以一次连续钻进24～27m，中间无需接单根，不但减少了作业时间，而且由于连续作业保证了长筒取心的质量。

3、内防喷器功能。顶驱装置一般都装有内防喷器（Inner Blowout Preventer，简称IBOP），在钻进时遇井涌等情况，可以随时停泵，并遥控关闭内防喷器，避免事故发生。起下钻遇到井涌等情况，可以在任何位置连接顶驱装置与钻柱，遥控关闭内防喷器和井口防喷装置控制井涌，并可以循环钻井液压井，减少井喷事故的发生，缩短井涌的处理时间。

4、机械化程度提高。顶驱装置具有管子处理功能，通过其自身的管子处理装置方便的实现抓放钻杆、上卸扣和下套管等操作，并可在任何时候、任意位置完成上卸扣作业。一般只需要工人在二层台处开扣吊卡或钻台面提放卡瓦，因此大大改善了工人的操作条件，提高了机械化程度。

5、安全性提高。顶驱装置的使用，降低了事故发生率及工人的劳动强度，减少了钻台工人操作的危险程度，使得人员更安全;能够及时处理井涌、遇阻、遇卡等情况，提高井下安全;控制上卸扣扭矩，运行平稳，提高设备安全。

综上所述，顶驱装置在节省时间、处理井下复杂、机械化程度、安全等各方面均明显优于转盘钻井，逐渐成为钻机的标准配置之一，应用前景十分广阔。

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