现代钻井机械概论.ppt

《现代钻井机械概论.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《现代钻井机械概论.ppt（104页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1第二章顶部驱动钻机第二章顶部驱动钻机参考书：参考书：顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统，陈明达，石油工业出版社。，陈明达，石油工业出版社。2 TDS-TDS-顶部驱动钻井系统顶部驱动钻井系统 （TOP DRIVE DRILLING SYSTEMTOP DRIVE DRILLING SYSTEM）IDSIDS整体顶部驱动钻井系统整体顶部驱动钻井系统 (INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)。SDSSDS侧部顶驱钻井系统侧部顶驱钻井系统 LDSLDS陆地顶驱钻井系统陆地顶驱钻井系统3 顶

2、部驱动钻井是顶部驱动钻井是2020世纪世纪8080年代发展成熟起来的一项新年代发展成熟起来的一项新技术技术,是转盘钻机问世以来几项重大变革之一。是转盘钻机问世以来几项重大变革之一。自从自从19821982年年4 4月月6 6日第一套不同于以往的顶部驱动装置日第一套不同于以往的顶部驱动装置（由美国（由美国Vacro-BJVacro-BJ公司研制）在美国阿布扎比近海公司研制）在美国阿布扎比近海Sedneth201Sedneth201号自升式平台钻机上投入使用以来，顶部驱动号自升式平台钻机上投入使用以来，顶部驱动钻井装置显著提高了钻井作业的能力和效率，并已经成为钻井装置显著提高了钻井作业的能力和效率

3、，并已经成为石油钻井行业的标准产品。石油钻井行业的标准产品。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状4 目前，在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用目前，在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用于打中深井、深井、超深井的日益增多。于打中深井、深井、超深井的日益增多。该产品自研制以来，现在已经发展为最先进的整体顶该产品自研制以来，现在已经发展为最先进的整体顶部驱动钻井系统部驱动钻井系统IDS(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING IDS(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)SYSTEM)。全世界目前已经

4、有上千台顶部驱动钻井装置在海上和全世界目前已经有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆地上使用，充分显示了它强大的生命力。陆地上使用，充分显示了它强大的生命力。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状5 一、顶部驱动钻井系统的发展历程一、顶部驱动钻井系统的发展历程 1 1、小型动力水龙头（、小型动力水龙头（Power SwivelPower Swivel）初期试验初期试验阶段阶段 该装置的输出扭矩小，没有配备管子装卸装置，因而该装置的输出扭矩小，没有配备管子装卸装置，因而不能有效地进行起下钻，接立根作业。不能有效地进行起下钻，接立根作业。2 2、顶部驱动钻井系统（、顶

5、部驱动钻井系统（TDSTDS）发展成熟阶段发展成熟阶段 1 1）采用了大功率、大扭矩的动力马达（电马达或液）采用了大功率、大扭矩的动力马达（电马达或液马达）以达到适合于钻井的扭矩马达）以达到适合于钻井的扭矩转速特性；转速特性；2 2）采用了装卸管子的装置，使得能在井架内任何位）采用了装卸管子的装置，使得能在井架内任何位置卸开钻柱，从而发挥了顶部驱动方式突出的优点。置卸开钻柱，从而发挥了顶部驱动方式突出的优点。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状6 3 3、侧部驱动钻井系统（、侧部驱动钻井系统（SDSSDS）进步发展阶段进步发展阶段 以研制、发展结构简单、费用

6、低的侧部驱动装置为特以研制、发展结构简单、费用低的侧部驱动装置为特点。于点。于19871987年年5 5月问世。月问世。与一般顶部驱动装置有两点不同：与一般顶部驱动装置有两点不同：一是动力源自原转盘动力；一是动力源自原转盘动力；二是采用易卸短节代替了扭矩扳手，简化了管子装卸二是采用易卸短节代替了扭矩扳手，简化了管子装卸装置。装置。SDSSDS克服了一般顶部驱动装置大量管线安装及保养的克服了一般顶部驱动装置大量管线安装及保养的缺点，节省了时间和费用。缺点，节省了时间和费用。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状7 二、顶部驱动钻机优点二、顶部驱动钻机优点 1 1

7、、安全的操作系统、安全的操作系统 1 1）人身和钻井安全）人身和钻井安全 a.a.采用立柱钻进，接单根次数减少，大大降低事故采用立柱钻进，接单根次数减少，大大降低事故发生率；发生率；b.b.倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，减少作业者工作的危险程度；上至二层台指梁，减少作业者工作的危险程度；c.c.起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以使中心起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以使中心轴与钻杆在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业；轴与钻杆在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业；2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国

8、内外顶部驱动钻机的发展现状8 d.d.很容易在任何时间，任何位置立即用在钻柱上的很容易在任何时间，任何位置立即用在钻柱上的动力水龙头进行旋转钻具循环钻井液，大大减少卡钻；动力水龙头进行旋转钻具循环钻井液，大大减少卡钻；e.e.下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段；转下放，通过遇阻井段；f.f.扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业时套管居中；时套管居中；g.g.顶驱内部的防喷阀及其执行机构，在发现井涌时顶驱内部的防喷阀及其执行机构，在发现井涌时可立即执行井控动作。可立即执行井控动作

9、。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状9 2 2）设备安全）设备安全 顶驱采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上顶驱采用马达旋转上扣，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者不足。观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或者不足。设定钻井最大扭矩后，如果钻井中扭矩超过设定范围设定钻井最大扭矩后，如果钻井中扭矩超过设定范围时（如出现憋钻），马达会自动停止旋转，待调整钻井参时（如出现憋钻），马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备长期超负荷运转。数后再正常钻进，避免设备长期超负荷运转。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外

10、顶部驱动钻机的发展现状10 2 2、节约辅助钻进时间，提高钻井效率、节约辅助钻进时间，提高钻井效率 采用立柱钻进，钻完一立柱后可直接加一立柱钻井，采用立柱钻进，钻完一立柱后可直接加一立柱钻井，因此每钻完一立柱比常规转盘钻机钻完一立柱要节约因此每钻完一立柱比常规转盘钻机钻完一立柱要节约2/32/3以上的辅助时间，可提高钻井效率以上的辅助时间，可提高钻井效率15%15%20%20%。另外，在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的另外，在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作，提高了取心收获率。操作，提高了取心收获率。国内外大量实践说明，采用顶驱可减少钻井时间国内外大量实践说明，采用顶驱可减少钻

11、井时间10%10%30%30%。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状11 3 3、特别适用于钻定向井、水平井、特别适用于钻定向井、水平井 常规转盘钻机在提钻时不能实现倒化眼，起钻时阻力常规转盘钻机在提钻时不能实现倒化眼，起钻时阻力特别大，因此钻井的有效井深受到限制。特别大，因此钻井的有效井深受到限制。顶驱钻机可以实现顶驱钻机可以实现边起钻边旋转钻柱边起钻边旋转钻柱，变静摩擦力为，变静摩擦力为动摩擦力，其摩擦系数大大降低，钻井能力可以比相同钻动摩擦力，其摩擦系数大大降低，钻井能力可以比相同钻深能力的常规转盘钻机有明显提高，可大大降低钻井费用。深能力的常规转盘钻

12、机有明显提高，可大大降低钻井费用。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状12 4 4、安装维护简单，操作方便灵活、安装维护简单，操作方便灵活 顶驱由动力装置、倾斜装置、管子处理装置、扭矩管顶驱由动力装置、倾斜装置、管子处理装置、扭矩管等几部分组合在一起。等几部分组合在一起。拆装方便，整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，拆装方便，整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，操作简单、方便、灵活、可靠。操作简单、方便、灵活、可靠。总之，顶驱系统与常规转盘钻机相比，在总之，顶驱系统与常规转盘钻机相比，在节约辅助时节约辅助时间，提高钻井效率，降低钻井成本，确保设备和人身安

13、全间，提高钻井效率，降低钻井成本，确保设备和人身安全方面具有明显的优越性。方面具有明显的优越性。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状13 三、顶部驱动钻机的最新发展动向三、顶部驱动钻机的最新发展动向 1 1、向陆地钻机发展、向陆地钻机发展 TDSTDS向陆地钻机发展，具有强劲的潜在发展势头。向陆地钻机发展，具有强劲的潜在发展势头。据统计，据统计，19831983年用于陆地的年用于陆地的TDSTDS只有只有1 1台台，到，到19881988年累年累计达到计达到1818台台,到到19921992年累计达到年累计达到4949台，台，目前目前TDSTDS装于海上石装

14、于海上石油钻机估计已经超过油钻机估计已经超过90%90%。海上石油钻机是有限的，陆地石油钻机投入使用的数海上石油钻机是有限的，陆地石油钻机投入使用的数量为海上石油钻机的量为海上石油钻机的4 4倍以上，所以倍以上，所以TDSTDS向陆地钻机发展势向陆地钻机发展势在必行。在必行。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状14 2 2、从直流电动机驱动为主向静液传动和交流变频电、从直流电动机驱动为主向静液传动和交流变频电动机驱动方向发展动机驱动方向发展 目前海上石油钻机和陆地目前海上石油钻机和陆地60006000米以上的石油钻机，大米以上的石油钻机，大都以交流发电机都以

15、交流发电机可控硅整流可控硅整流直流电动机（即直流电动机（即AC-SCR-AC-SCR-DCDC）为主，这种驱动方式已经十分成熟可靠，所以美国的）为主，这种驱动方式已经十分成熟可靠，所以美国的Varco-BJVarco-BJ公司生产公司生产TDSTDS装置大都以装置大都以AC-SCR-DCAC-SCR-DC为主。为主。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状15 1 1）静液传动的顶部驱动液压马达的优点）静液传动的顶部驱动液压马达的优点 外形尺寸小，重量轻；外形尺寸小，重量轻；重量功率比和重量扭矩比都很小；重量功率比和重量扭矩比都很小；较大范围内实现无级变速和自动

16、恒功率调节；较大范围内实现无级变速和自动恒功率调节；运动平稳，无冲击，运动惯量小；运动平稳，无冲击，运动惯量小；易于防止过载，操纵性好。易于防止过载，操纵性好。挪威的海事液压公司挪威的海事液压公司4343台台TDSTDS，绝大部分采用静液传，绝大部分采用静液传动，法国的动，法国的ACBACB公司于公司于19891989年前生产的年前生产的1515台台TDSTDS中有中有1111台采台采用静液传动。用静液传动。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状16 2 2）交流变频电驱动的优势）交流变频电驱动的优势 近年来由于交流变频的大功率电动机的商业化和技术近年来由于交

17、流变频的大功率电动机的商业化和技术日趋成熟，已经有越来越多的日趋成熟，已经有越来越多的TDSTDS采用交流变频电动机驱采用交流变频电动机驱动，所以它也是未来电驱动发展的重要趋势之一。动，所以它也是未来电驱动发展的重要趋势之一。四、国外顶驱的最新进展四、国外顶驱的最新进展 作业一作业一2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状17 五、国内顶部驱动钻机的发展现状五、国内顶部驱动钻机的发展现状 发展道路：发展道路：引进引进吸收消化吸收消化自主设计自主设计 1 1、引进情况、引进情况 19891989年年8 8月我国引进月我国引进美国美国Varco-BJVarco-BJ

18、公司第一台公司第一台TDSTDS系统，系统，到到19961996年，我国的海上和陆地油田又先后从美国、挪威、年，我国的海上和陆地油田又先后从美国、挪威、法国、加拿大等国家进口各种类型的法国、加拿大等国家进口各种类型的TDSTDS共计共计2222台套台套。顶驱是深井、复杂井施工的必选装备之一。在海外钻顶驱是深井、复杂井施工的必选装备之一。在海外钻井工程的投标中，是否配备顶驱装置成了能否中标的重要井工程的投标中，是否配备顶驱装置成了能否中标的重要条件，因此条件，因此“顶驱顶驱”成了制约我国钻井队伍开拓海外市场成了制约我国钻井队伍开拓海外市场的的“瓶颈瓶颈”。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展

19、现状国内外顶部驱动钻机的发展现状18 2 2、自主设计、自主设计 19911991年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研年，中国石油天然气总公司北京石油勘探开发研究院石油机械研究所与宝鸡石油机械厂开始联合研制顶部究院石油机械研究所与宝鸡石油机械厂开始联合研制顶部驱动钻机。驱动钻机。1 1）DQ-60DDQ-60D型顶部驱动钻机型顶部驱动钻机 19951995年年8 8月生产，是我国月生产，是我国首台顶部驱动钻机首台顶部驱动钻机。19971997年年1111月在塔里木进行工业试验，完成一口井深为月在塔里木进行工业试验，完成一口井深为5590m5590m的大的大斜度定向井。斜度定向井。集机、电

20、、液、气技术于一体的高科技产品，研制成集机、电、液、气技术于一体的高科技产品，研制成本仅为进口的一半，具有显著的社会效益。本仅为进口的一半，具有显著的社会效益。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状19 结构特点：结构特点：1 1）采用直流电驱动，主轴可无级调速、扭矩可任意）采用直流电驱动，主轴可无级调速、扭矩可任意设定；设定；2 2）双向倾斜臂，可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆，）双向倾斜臂，可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆，也可后倾摆向二层台；也可后倾摆向二层台；3 3）下钻时，可以有两个吊卡交替使用；）下钻时，可以有两个吊卡交替使用；4 4）液压驱动回转头，

21、且正反转可以互锁。）液压驱动回转头，且正反转可以互锁。DQ-60DDQ-60D的研制成功，打破了发达国家的技术封锁，充的研制成功，打破了发达国家的技术封锁，充分体现了我国陆上石油工业的整体优势和综合科技优势。分体现了我国陆上石油工业的整体优势和综合科技优势。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状20 2 2）DQ-20HDQ-20H型顶部驱动钻机型顶部驱动钻机 液压驱动，重量轻，结构简单。液压驱动，重量轻，结构简单。适合浅井的老井侧钻、老井加深、加密井、小井眼钻适合浅井的老井侧钻、老井加深、加密井、小井眼钻井作业和修井作业。井作业和修井作业。3 3）DQ-60

22、PDQ-60P型顶部驱动钻机型顶部驱动钻机 轻便顶驱，在保留轻便顶驱，在保留DQ-60DDQ-60D型的技术特点和功能的基础型的技术特点和功能的基础上，适当的减少了长度和重量，并在设计上考虑更有利于上，适当的减少了长度和重量，并在设计上考虑更有利于安装和拆卸。安装和拆卸。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状21 4 4）DQ-70BSDQ-70BS型顶部驱动钻机型顶部驱动钻机 中国石油勘探开发研究院机械所与北京石油机械厂合中国石油勘探开发研究院机械所与北京石油机械厂合作研制开发的我国作研制开发的我国首台交流变频顶部驱动钻井装置首台交流变频顶部驱动钻井装置。该

23、顶驱采用先进的设计手段和完善的试验装置，运用该顶驱采用先进的设计手段和完善的试验装置，运用多项自主知识产权技术，已通过专家鉴定和有关部门的验多项自主知识产权技术，已通过专家鉴定和有关部门的验收。收。DQ-70BSDQ-70BS顶驱设备，在指标和性能上与国际水平不相顶驱设备，在指标和性能上与国际水平不相上下，完全满足复杂井钻井的使用要求，解决了进口国外上下，完全满足复杂井钻井的使用要求，解决了进口国外顶驱设备的现状，其价格也比国外设备低。顶驱设备的现状，其价格也比国外设备低。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状22 5 5）DQ-20Y1DQ-20Y1型顶部驱

24、动钻机型顶部驱动钻机 华北装备制造事业部石油机械厂研制开发的液压顶驱。华北装备制造事业部石油机械厂研制开发的液压顶驱。我国第一台适用于我国第一台适用于20002000米钻机和修井机，并拥有自主知识米钻机和修井机，并拥有自主知识产权的液压顶驱装置。产权的液压顶驱装置。20062006年开始研制，历时两年。年开始研制，历时两年。20082008年年1 1月，在华北石月，在华北石油管理局第三钻井公司油管理局第三钻井公司3053730537钻井队承钻的钻井队承钻的S55-11XS55-11X井进行井进行第二次现场试验，历时第二次现场试验，历时1616天顺利完钻，完钻井深天顺利完钻，完钻井深203220

25、32米，米，完全满足设计和使用要求。完全满足设计和使用要求。该顶驱装置性能先进，结构新颖，小巧轻便，设计配该顶驱装置性能先进，结构新颖，小巧轻便，设计配备了备了PLCPLC控制系统、现场总线控制系统，具有对相关操作控制系统、现场总线控制系统，具有对相关操作实行互锁等功能，操作更加方便、安全。实行互锁等功能，操作更加方便、安全。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状23 6 6）1.21.2万米顶部驱动钻机研制成功万米顶部驱动钻机研制成功 20072007年年5 5月中旬，被列为国家月中旬，被列为国家863863计划，中国石油重大计划，中国石油重大科技专项科技专

26、项1.21.2万米钻机配套顶驱装置，在北京石油机万米钻机配套顶驱装置，在北京石油机械厂通过专家组的设计评审。到械厂通过专家组的设计评审。到0707年底与钻机配套制造完年底与钻机配套制造完成。成。2.1 2.1 国内外顶部驱动钻机的发展现状国内外顶部驱动钻机的发展现状24 一、顶驱装置的类型一、顶驱装置的类型 1 1、按驱动方式分、按驱动方式分 1 1）电驱动）电驱动 直流电驱动直流电驱动成本低，谐波干扰少成本低，谐波干扰少 交流变频电驱动交流变频电驱动调速范围宽、过载能力强、工作调速范围宽、过载能力强、工作效率高效率高 2 2）液压驱动）液压驱动 质量轻、体积小质量轻、体积小2.2 2.2 顶

27、驱装置的类型及主要技术参数顶驱装置的类型及主要技术参数25 2 2、按承载能力分、按承载能力分 按承载能力来分，一般分为按承载能力来分，一般分为1000t1000t、750t750t、500t500t、350t350t、250t250t、150t150t，均指美制短吨。，均指美制短吨。3 3、按作业区域分、按作业区域分 陆地顶驱陆地顶驱 海洋顶驱海洋顶驱2.2 2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数顶驱装置的类型及主要技术参数26 二、顶驱装置的主要技术参数二、顶驱装置的主要技术参数 1 1、名义钻井深度、名义钻井深度 与钻机的设计钻井深度相对应与钻机的设计钻井深度相对应 2 2、额定载荷、额定

28、载荷 顶驱装置的设计载荷，表示顶驱的最大承载能力顶驱装置的设计载荷，表示顶驱的最大承载能力 3 3、连续钻井扭矩、连续钻井扭矩 正常钻进时，顶驱所能提供的最大扭矩正常钻进时，顶驱所能提供的最大扭矩 4 4、最大旋松螺纹扭矩、最大旋松螺纹扭矩 顶驱装置卸扣时的最大扭矩顶驱装置卸扣时的最大扭矩2.2 2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数顶驱装置的类型及主要技术参数27 5 5、钻井液通道直径、钻井液通道直径 鹅颈管、主轴、内防喷器等用于钻井液循环的通道内鹅颈管、主轴、内防喷器等用于钻井液循环的通道内孔直径孔直径 6 6、钻井液循环工作压力、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

29、受的最大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压力 7 7、背钳夹持范围、背钳夹持范围 管子处理装置所能夹持的钻杆范围管子处理装置所能夹持的钻杆范围 8 8、转速、转速 主轴转速主轴转速2.2 2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数顶驱装置的类型及主要技术参数28 9 9、输入功率、输入功率 动力机的输入功率动力机的输入功率 10 10、工作高度、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上平面的高度，是计算安全高度的重要参数2.2 2.2 顶驱装置的类型及主要技术参数顶驱装置的类型及主

30、要技术参数292.32.3顶部驱动钻机顶部驱动钻机的结构的结构 本体本体：动力水龙头动力水龙头 管子处理装置管子处理装置 钻井液循环通道钻井液循环通道 辅助装置辅助装置 导轨与滑车导轨与滑车30 一、动力水龙一、动力水龙头头 上部与钻机提上部与钻机提升系统的游车或大升系统的游车或大钩连接，下端与管钩连接，下端与管子处理装置相连。子处理装置相连。在钻进作业中在钻进作业中为钻杆柱提供钻进为钻杆柱提供钻进和上卸扣提供动力，和上卸扣提供动力，同时承受起下钻载同时承受起下钻载荷、钻井载荷及钻荷、钻井载荷及钻井扭矩。井扭矩。31 1 1、动力机、动力机 为钻井提供旋转动力。为钻井提供旋转动力。250tf

31、250tf以上的顶驱装置采用直流电动机或交流电动机以上的顶驱装置采用直流电动机或交流电动机驱动的较多，驱动的较多，250tf250tf以下的顶驱装置多采用一个或多个液以下的顶驱装置多采用一个或多个液压马达驱动，可以将整个装置的体积控制在较小的范围内，压马达驱动，可以将整个装置的体积控制在较小的范围内，尤其适合小型钻机、车载钻机和修井机。尤其适合小型钻机、车载钻机和修井机。1 1）主电动机）主电动机 常见顶驱的主电动机都采用交流变频电动机，通过大常见顶驱的主电动机都采用交流变频电动机，通过大功率的变频控制系统实现无级调速。功率的变频控制系统实现无级调速。采用立式安装方式，一般要求双输出轴机构。采

32、用立式安装方式，一般要求双输出轴机构。驱动端连接传动齿轮，也可带动液压泵给减速箱润滑驱动端连接传动齿轮，也可带动液压泵给减速箱润滑系统供油非驱动端连接刹车装置和编码器。系统供油非驱动端连接刹车装置和编码器。32 2 2）冷却风机）冷却风机 目前顶驱装置大多采目前顶驱装置大多采用风冷形式。用风冷形式。冷却风机一般采用离冷却风机一般采用离心式结构，由交流异步电心式结构，由交流异步电动机驱动，可安装于主电动机驱动，可安装于主电动机的上部或侧面。动机的上部或侧面。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构33 3 3）刹车装置）刹车装置 作用是在顶驱装置停止运行或使用井下动力钻具钻井作用是在顶驱

33、装置停止运行或使用井下动力钻具钻井时刹主主轴，以及主电动机的快速制动和防止钻杆井下反时刹主主轴，以及主电动机的快速制动和防止钻杆井下反扭矩引起的主电动机反转。扭矩引起的主电动机反转。通常安装在主电动机的非驱动端，通过在输出轴上安通常安装在主电动机的非驱动端，通过在输出轴上安装刹车盘和刹车毂，采用液压盘式刹车实现对电动机轴的装刹车盘和刹车毂，采用液压盘式刹车实现对电动机轴的制动。制动。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构34 35 DQ70BS DQ70BS盘式刹车盘式刹车 刹车油缸进油，推动刹车油缸进油，推动摩擦片对刹车盘施加夹紧摩擦片对刹车盘施加夹紧力，其制动能量与施加的力，其制

34、动能量与施加的压力成正比，并与刹车力压力成正比，并与刹车力矩有关。矩有关。摩擦片需要松开时，摩擦片需要松开时，刹车油缸卸压，刹车体上刹车油缸卸压，刹车体上的复位弹簧使刹车油缸复的复位弹簧使刹车油缸复位。位。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构36 4 4）编码器总成）编码器总成 主电动机的非驱动端一般还安装有测速编码器，作用主电动机的非驱动端一般还安装有测速编码器，作用是能够精确地获得主电动机的转速信号，使交流变频控制是能够精确地获得主电动机的转速信号，使交流变频控制系统能对主电动机进行进一步的转速、扭矩控制。系统能对主电动机进行进一步的转速、扭矩控制。编码器是把角位移或直线位移转

35、换成电信号的一种编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。装置。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构37 2 2、提升部件、提升部件 需承受顶驱装置的额定载荷。需承受顶驱装置的额定载荷。1 1）提环总成）提环总成 顶驱装置中非常重要的承载部件，顶驱装置和管柱的顶驱装置中非常重要的承载部件，顶驱装置和管柱的总体重量都由其承担。总体重量都由其承担。上部挂在游车或大钩上，下部与减速箱的箱体相连。上部挂在游车或大钩上，下部与减速箱的箱体相连。整体式，分体式整体式，分体式2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构38 2 2）平衡系统）平衡系统 大多数顶驱装置都装有平衡系统，通

36、常由平衡油缸、大多数顶驱装置都装有平衡系统，通常由平衡油缸、蓄能器及相应的液压控制阀组成。蓄能器及相应的液压控制阀组成。主要作用有二：主要作用有二：一是在上卸扣时平衡顶驱装置本体（或本体加一个一是在上卸扣时平衡顶驱装置本体（或本体加一个立根）的重量，保护螺纹在上卸扣过程之不至于磨损，尤立根）的重量，保护螺纹在上卸扣过程之不至于磨损，尤其是在卸扣时可以帮助上端螺纹从下端螺纹中弹出；其是在卸扣时可以帮助上端螺纹从下端螺纹中弹出；二是在钻井过程中，作为液压弹簧为系统提供一个减二是在钻井过程中，作为液压弹簧为系统提供一个减振冲程，具有缓冲功能，避免提环与大钩或游车的刚性连振冲程，具有缓冲功能，避免提环

37、与大钩或游车的刚性连接，减小冲击载荷对提环等的影响。接，减小冲击载荷对提环等的影响。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构39 平衡油缸平衡油缸 下端固定在提环或其他部位，上端与钻机提升系统相下端固定在提环或其他部位，上端与钻机提升系统相连接。连接。单个平衡油缸平衡系统：单个平衡油缸平衡系统：2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构40 双平衡油缸平衡系统双平衡油缸平衡系统 连接方式一连接方式一直接与大钩吊耳相连直接与大钩吊耳相连 2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构41 双平衡油缸平衡系统双平衡油缸平衡系统 连接方式二连接方式二直接与游车相连直接与游车相连 2.

38、32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构42 平衡系统液压回路工作原理平衡系统液压回路工作原理 油缸上腔始终通高压油，产生一个向上拉力的作用在油缸上腔始终通高压油，产生一个向上拉力的作用在水龙头上，一直提着水龙头。水龙头上，一直提着水龙头。两个相同的油缸产生的两个相同的油缸产生的合力要比顶部驱动钻井装置合力要比顶部驱动钻井装置和立根的自重大一些。和立根的自重大一些。当上、卸扣末了时，油当上、卸扣末了时，油缸带动顶部驱动装置和立根缸带动顶部驱动装置和立根一起上移，此时，蓄能器放一起上移，此时，蓄能器放出压力油供给油缸工作。出压力油供给油缸工作。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构

39、43 随着蓄能器内油液逐渐放出，油压则逐渐降低，油缸随着蓄能器内油液逐渐放出，油压则逐渐降低，油缸的拉力也就逐渐减少。的拉力也就逐渐减少。当油缸的拉力小于顶部当油缸的拉力小于顶部驱动钻井装置和立根本身的驱动钻井装置和立根本身的重量时，上移过程由加速变重量时，上移过程由加速变为减速，最后会停止上移。为减速，最后会停止上移。在提钻时，钻柱和顶驱在提钻时，钻柱和顶驱装置的重量大于油缸向上的装置的重量大于油缸向上的拉力，油缸就被拉下来，缸拉力，油缸就被拉下来，缸内油液被排出，大部分返回内油液被排出，大部分返回蓄能器贮存，此时油缸处于泵工况。蓄能器贮存，此时油缸处于泵工况。2.32.3顶部驱动钻机的结构

40、顶部驱动钻机的结构44 减压阀作用：减压阀作用：使该回路与其它液压回路的工作互不干使该回路与其它液压回路的工作互不干扰，同时限定该回路压力的最低值。扰，同时限定该回路压力的最低值。当回路压力因泄漏降低到减压阀的调定压力之下时，当回路压力因泄漏降低到减压阀的调定压力之下时，单向阀开启，减压阀出口的压单向阀开启，减压阀出口的压力油通过单向阀进入回路，自力油通过单向阀进入回路，自动给于回路补油保压。动给于回路补油保压。而当回路的压力等于或高而当回路的压力等于或高于减压阀的调定压力时，单向于减压阀的调定压力时，单向阀关闭，减压阀自动停止补油。阀关闭，减压阀自动停止补油。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶

41、部驱动钻机的结构45 在起升操作时中，油缸处于泵工况，回路压力高于减在起升操作时中，油缸处于泵工况，回路压力高于减压阀的调定压力。压阀的调定压力。溢流阀作用：溢流阀作用：限定回路压力的最大值。限定回路压力的最大值。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构46 3 3、减速箱总成、减速箱总成 减速箱兼有承受管柱载荷和传递钻井动力两大功能。减速箱兼有承受管柱载荷和传递钻井动力两大功能。1 1）箱体结构）箱体结构 减速箱外通常留有与提环、滑车、主电动机等部件的减速箱外通常留有与提环、滑车、主电动机等部件的接口，内部主要有传动结构及轴承。接口，内部主要有传动结构及轴承。2 2）润滑系统）润滑系

42、统 最常见的用于顶驱装置减速箱的润滑方法是喷射润滑，最常见的用于顶驱装置减速箱的润滑方法是喷射润滑，通过油泵加压来实现，油泵可有主电动机输出轴驱动，也通过油泵加压来实现，油泵可有主电动机输出轴驱动，也可由单独的电动机或马达驱动可由单独的电动机或马达驱动2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构47 二、管子处理装置二、管子处理装置 为起下钻作业服务，为起下钻作业服务，主要是由旋转机构、吊主要是由旋转机构、吊环倾斜机构、背钳三大环倾斜机构、背钳三大部分组成。部分组成。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构48 1 1、旋转机构、旋转机构 大多数顶驱都设计有旋转大多数顶驱都设计有旋

43、转机构，它独立于主轴运动，通机构，它独立于主轴运动，通过旋转头两侧的吊环耳连接吊过旋转头两侧的吊环耳连接吊环及吊卡，其功能是使吊环、环及吊卡，其功能是使吊环、吊卡正反吊卡正反360 360 自由旋转，去自由旋转，去鼠洞抓取单根，或是对准二层鼠洞抓取单根，或是对准二层台的井架工，或是转至某一位台的井架工，或是转至某一位置，使顶驱装置本体在钻井时置，使顶驱装置本体在钻井时有一个较开阔的空间。有一个较开阔的空间。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构49 2 2、吊环倾斜装置、吊环倾斜装置 主要由倾斜油缸、吊环、吊卡等组成。主要由倾斜油缸、吊环、吊卡等组成。吊环悬挂于旋转头两侧吊耳上，可以

44、随旋转头一起做吊环悬挂于旋转头两侧吊耳上，可以随旋转头一起做顺时针、逆时针两个方向的旋转。顺时针、逆时针两个方向的旋转。由倾斜油缸推动实现前倾、后倾，并能同时沟通油缸由倾斜油缸推动实现前倾、后倾，并能同时沟通油缸的有杆腔、无杆腔和系统回油，实现浮动功能。的有杆腔、无杆腔和系统回油，实现浮动功能。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构5051 1 1）吊环）吊环 钻井和修井作业时起下管柱吊卡的专用井口工具，要钻井和修井作业时起下管柱吊卡的专用井口工具，要求承载能力强、耐冲击、重量轻、安全可靠。求承载能力强、耐冲击、重量轻、安全可靠。顶驱采用单臂吊环，上耳挂在旋转头的两侧吊耳上，顶驱采用

45、单臂吊环，上耳挂在旋转头的两侧吊耳上，下耳挂在吊卡的吊耳上。下耳挂在吊卡的吊耳上。2 2）吊卡）吊卡 钻井和修井作业时，用来直接悬挂管柱的井口工具。钻井和修井作业时，用来直接悬挂管柱的井口工具。按悬挂的管柱不同分为按悬挂的管柱不同分为钻杆吊卡、套管吊卡和油管吊钻杆吊卡、套管吊卡和油管吊卡卡；按吊卡的结构形式分为按吊卡的结构形式分为侧挂式、对开式侧挂式、对开式和闭锁环式和闭锁环式2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构52 3 3、背钳、背钳 背钳最大优点就是可以背钳最大优点就是可以在任何时候，任意位置夹持在任何时候，任意位置夹持钻杆接头完成上卸扣作业。钻杆接头完成上卸扣作业。环形背钳和

46、侧挂式背钳环形背钳和侧挂式背钳2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构53 三、钻井液循环通道三、钻井液循环通道 主要包括鹅颈管、冲管总成、主轴、内防喷器及其控主要包括鹅颈管、冲管总成、主轴、内防喷器及其控制装置、保护接头等，为钻井液提供循环通道。制装置、保护接头等，为钻井液提供循环通道。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构54 1 1、鹅颈管、鹅颈管 安装在冲管支架上，与箱体相安装在冲管支架上，与箱体相对静止。下端与冲管总成相连，上对静止。下端与冲管总成相连，上端打开后可以进行钢丝绳作业。端打开后可以进行钢丝绳作业。2 2、冲管总成、冲管总成 安装在鹅颈管和主轴之间，形安

47、装在鹅颈管和主轴之间，形成钻井液循环通道的同时，实现了成钻井液循环通道的同时，实现了对主轴的旋转密封，从而实现钻井对主轴的旋转密封，从而实现钻井作业时钻井液的循环。作业时钻井液的循环。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构55 3 3、内防喷器（、内防喷器（IBOPIBOP）顶驱通常设有两个内防顶驱通常设有两个内防喷器，上部为遥控的内防喷喷器，上部为遥控的内防喷器，与主轴下端相连，可以器，与主轴下端相连，可以通过液压系统对其进行远程通过液压系统对其进行远程开关控制，下部为手动内防开关控制，下部为手动内防喷器，与保护接头连接，需喷器，与保护接头连接，需要人工手动操作开关。要人工手动操作

48、开关。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构56 正常钻进作业时，内防喷器正常钻进作业时，内防喷器处于开启状态，可以让钻井液自处于开启状态，可以让钻井液自由通过，发生井喷或井涌时，可由通过，发生井喷或井涌时，可以关闭内防喷器同时，关闭井口以关闭内防喷器同时，关闭井口防喷器。防喷器。遥控的内防喷器和手动内防遥控的内防喷器和手动内防喷器内部结构基本相同，均可通喷器内部结构基本相同，均可通过操作手柄使球阀旋转过操作手柄使球阀旋转90 90，从而实现通道的开关。从而实现通道的开关。2.32.3顶部驱动钻机的主体结构顶部驱动钻机的主体结构57 4 4、遥控内防喷器控制装置、遥控内防喷器控制装置

49、 优点在任何位置都能随时远程遥控开关内防喷器。优点在任何位置都能随时远程遥控开关内防喷器。两种结构：一是以曲柄带动转销旋转，一是通过齿带两种结构：一是以曲柄带动转销旋转，一是通过齿带动转销旋转。动转销旋转。注意：注意：1 1）正常钻井情况下，内防喷器随主轴旋转，不得对）正常钻井情况下，内防喷器随主轴旋转，不得对其进行开关操作，以防憋泵或引起其他机械事故其进行开关操作，以防憋泵或引起其他机械事故 2 2）发生井喷、井涌时，先停泵才能进行操作）发生井喷、井涌时，先停泵才能进行操作 3 3）起下钻时，不允许关闭内防喷器。）起下钻时，不允许关闭内防喷器。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构

50、582.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构59 5 5、保护接头、保护接头 在手动内防喷器下部安装有保护接头，也称转换接头，在手动内防喷器下部安装有保护接头，也称转换接头，在手动内防喷器和钻柱之间起连接与螺纹转换作用，保护在手动内防喷器和钻柱之间起连接与螺纹转换作用，保护内防喷器的连接螺纹不会因为多次上卸扣造成磨损。内防喷器的连接螺纹不会因为多次上卸扣造成磨损。2.32.3顶部驱动钻机的结构顶部驱动钻机的结构60 6 6、防松装置、防松装置 为防止主轴、内防喷器、保护接头之间的螺纹连接的为防止主轴、内防喷器、保护接头之间的螺纹连接的扭矩发生变化而导致松扣，顶驱装置在主负荷通道上安装扭