頂驅

頂驅

頂部驅動技術是轉盤鑽機問世以來的幾項重大變革(液壓盤式剎車、液壓鑽井泵、交流變頻驅動等)之一。自1981年12月美國Varco公司研製的頂部驅動系統(簡稱TDS、頂驅)投入使用以來,頂驅逐漸被世界各國石油鑽井界所採用。目前,淺海上鑽井船或平台,幾乎全部裝備了頂驅,陸地石油鑽機也越來越多地裝備了頂驅,繼美國Varco公司之後,挪威的Maritime Hydraulics公司、法國的ACB-Bretbr公司和TRITEN公司、美國的National-Oilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研製和使用頂驅。

定義


頂驅的全稱為頂部驅動鑽井裝置TDS(TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是美國、法國、挪威近20年來相繼研製成功的一種頂部驅動鑽井系統。它可從井架上部空間直接旋轉鑽桿,沿專用導軌向下送進,完成鑽桿旋轉鑽進,循環鑽井液,接立柱,上卸扣和倒划眼等多種鑽井操作。該系統顯著提高了鑽井作業的能力和效率,並已成為石油鑽井行業的標準產品。自20世紀80年代初開始研製,現在已發展為最先進的整體頂部驅動鑽井裝置IDS(INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM),是當前鑽井設備自動化發展更新的突出階段成果之一。
頂部驅動裝置的出現,使得傳統的轉盤鑽井法發生了變革,誕生了頂部驅動鑽井方法。該方法在1000多台海洋鑽機和特殊陸地鑽機上的成功使用,得到了使用者和市場的認同。它的重要意義是促進了海上和陸地鑽井技術自動化的進步;其另一個意義則在於:頂部驅動鑽井使用自動化接單根起下鑽設備,從而不必要再試製和研究始於20世紀60年代的方鑽桿接單根方法。
頂部驅動鑽井裝置的旋轉鑽柱和接卸鑽桿立根更為有效的方法。該裝置可起下28M立柱,減少了鑽井時三分之一的上卸扣操作。它可以在不影響現有設備的條件下提供比轉盤更大的旋轉動力,可以連續起下鑽、循環、旋轉和下套管,還可以使被卡鑽桿倒划眼。

優點


作為當前最新的鑽井方式,有許多不同於方鑽桿鑽井的優點。同以前的方法相比,頂部驅動鑽井裝置還有一些特定優點:
1.節省接單根時間
頂部驅動鑽井裝置不使用方鑽桿,不受方鑽桿長度限制,避免了鑽進9米左右接單根的麻煩。取而代之的是利用立柱鑽進,大大節省了接單根的時間,從而節約了鑽井時間。
2. 倒划眼防止卡鑽
頂部驅動鑽井裝置具有使用28米立柱倒划眼的能力,可在不增加起鑽時間的前提下,順利地循環和旋轉將鑽具提出井眼。在定向鑽井過程中,可以大幅度地減少起鑽總時間。
3.下鑽划眼
頂部驅動鑽井裝置具有不解接方鑽桿鑽過砂橋和縮徑點的能力。使用頂部驅動鑽井裝置下鑽時,可在數秒內接好鑽柱,立刻劃眼,從而減少卡鑽的危險。
4. 人員安全
頂部驅動鑽井裝置可減少接單根次數2/3,從而降低了事故發生率。接單根只需要打背鉗。鑽桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至鼠洞,大大減少了人員工作的危險程度。
5. 設備安全
頂部驅動鑽井裝置採用馬達旋轉上扣,上扣平穩,並可從扭矩表上觀察上扣扭矩,避免上扣扭矩過盈或不足。鑽井最大扭矩的設定,使鑽井中出現蹩鑽扭矩超過設定範圍時馬達會自動停止旋轉,待調整鑽井參數后再正常鑽進,避免設備超負荷長時間運轉。

發展


多年來,石油鑽井一直是依靠鑽機的轉盤帶動方鑽桿和鑽具、鑽頭旋轉進行鑽井作業的。近年來,隨著鑽井裝備技術的不斷發展,為了更好地滿足鑽特殊工藝井的需要,20世紀80年代,國外研製出一種將水龍頭與馬達相結合,在井架空間的上部帶動鑽具、鑽頭旋轉,並可沿井架內安放的導軌向下送進的鑽井裝置,同時配備了鑽桿的上、卸絲扣裝置,可完成井下鑽柱旋轉、循環鑽井液、鑽桿上卸、起下鑽、邊起下邊轉動等操作。因該裝置在鑽機的遊動滑車之下,驅動的位置比原轉盤位置要高,所以稱之為頂部驅動鑽井裝置。頂部驅動鑽井裝置可接立柱(三根鑽桿組成一根立柱)鑽進,省去了轉盤鑽井時接、卸方鑽桿的常規操作,節約鑽井時間20%~25%,同時,減輕了工人勞動強度,減少了操作者的人身事故。使用頂部驅動裝置鑽井時,在起下鑽具的同時可循環鑽井液、轉動鑽具,有利鑽井中井下複雜情況和事故的處理,對深井、特殊工藝井的鑽井施工非常有利。頂部驅動裝置鑽井使鑽機的鑽檯面貌為之一新,為今後實現自動化鑽井創造了條件。
目前國內外的深井鑽機、海洋及淺海石油鑽井平台、施工特殊工藝井的鑽機大多配備了頂部驅動鑽井裝置。1993年,國內開始了頂部驅動裝置的研究工作,1996年完成了頂部驅動裝置樣機的台架試驗。1997年,寶雞石油機械廠生產出了DQ60D型頂部驅動裝置,在塔里木油田鑽井隊使用后現已批量生產。截至2004年我國在用的頂部驅動鑽井裝置大約有150台左右。

組成元件


頂部驅動鑽井裝置有以下主要部件和附件構成:
l)水龍頭-鑽井馬達總成(關鍵部件之一);
2)馬達支架/導向滑車總成(關鍵部件之一);
3)鑽桿上卸扣裝置總成(關鍵部件之一,它是體現頂部驅動鑽井裝置最大優點的設備);
4)平衡系統;
5)冷卻系統;
6)頂部驅動鑽井裝置控制系統;
7)可選用的附屬設備。
其中水龍頭-鑽井馬達總成包括下述主要部件:
1)鑽井馬達和制動器(氣剎車)
2)齒輪箱(變速箱);
3)整體水龍頭;
4)平衡器

性能特點


頂部驅動鑽井裝置的性能特點:
在鑽井過程中可在任意位置提起鑽具划眼循環,清洗井眼,有效地避免卡鑽等事故發 生。起下鑽過程中遇卡或遇阻可迅速使頂驅接上鑽具,循環泥漿進行划眼作業。
用立根鑽進,減少2/3上卸扣工作量。
在下套管時,藉助於吊環傾斜機構抓取套管,在上扣時頂驅有扶正作用,可避免亂扣、錯扣,大大提高下套管速度。
在憋鑽時,可用剎車機構剎住鑽具,慢慢釋放,防止鑽具迅速反彈,以防損壞鑽具或 脫扣。
在定向鑽進中,可用剎車機構剎住頂驅主軸,進行定向造斜。
在井涌、井噴時,在井架內任意高度可迅速關閉內防噴器。
由於不使用轉盤,提高了井口操作時的安全性。
藉助於傾斜臂和旋轉頭的作用,井口上卸扣作業和二層台作業的體力勞動強度大大減 輕。
在穩斜段鑽進時,可隨意提動鑽具,避免岩屑沉積。
利用立根鑽進,可實現連續長筒取芯達27米。
其結構特點:
簡便的安裝移運性能。
具有較大的卸扣能力。
導軌安裝與拆卸檢修方便,具有互換性能。
頂驅體可通過過渡環直接與游車連接,減少整個裝置的工作高度。
液壓控制的旋轉頭裝置,可帶動吊環傾斜機構旋轉360º,並有級鎖緊。
高強度的齒輪減速傳動。
鑽井和起下鑽採用不同的負荷通道,延長主軸承的使用壽命。
背鉗採用四點浮動夾持,提高了背鉗的夾持能力,減少了對鑽具的損傷。
採用液壓浮動油缸平衡頂驅主體自重,可在上卸扣作業時保護鑽具接頭絲扣。