典型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置結(jié)構(gòu)與功能分析

馮 琦，郭永岐，桑峰軍

（1.川慶鉆探工程有限公司 國(guó)際工程公司，成都610051；2.中原石油工程有限公司 鉆井二公司，河南 濮陽(yáng)457000）＊

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展并成熟起來(lái)的現(xiàn)代化鉆井技術(shù)。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置（以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū)或頂驅(qū)裝置）分電動(dòng)頂驅(qū)和液動(dòng)頂驅(qū)2大類，而電動(dòng)頂驅(qū)又分交流和直流2類。它是懸掛在大鉤下，在特定的軌道上隨游吊系統(tǒng)上下移動(dòng)，安裝簡(jiǎn)便易行，只需對(duì)井架作極少的改動(dòng)即可使用。頂部驅(qū)動(dòng)鉆井是自轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鉆井以來(lái)最重大的技術(shù)革新，是減少?gòu)?fù)雜時(shí)率、降低風(fēng)險(xiǎn)、避免鉆井事故最有效的技術(shù)手段［1－4］。

1 頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的優(yōu)勢(shì)

1） 用整立柱鉆桿鉆進(jìn)，取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤(pán)、方鉆桿鉆進(jìn)。

2） 減少2／3的接單跟時(shí)間，降低了鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

3） 能夠立柱劃眼和倒劃眼，降低了復(fù)雜時(shí)率、避免了卡鉆事故。

4） 在鉆井工程中，頂驅(qū)吊環(huán)可前后控制擺動(dòng)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，井口自動(dòng)化程度有很大的提高。

5） 起下鉆若遇復(fù)雜井段，頂驅(qū)可在任意高度回接鉆桿進(jìn)行鉆井液循環(huán)、劃眼，提高了鉆井工程的安全性。

6） 可進(jìn)行無(wú)級(jí)變速和上、卸扣轉(zhuǎn)矩控制，能夠滿足鉆井工程的精確需求。

7） 具有頂部液動(dòng)旋塞，可以任意高度實(shí)現(xiàn)鉆具內(nèi)關(guān)閉和打開(kāi)，提高了井控安全。

8） 運(yùn)行平穩(wěn)，具有多重保護(hù)機(jī)構(gòu)，在工作時(shí)安全可靠。

9） 頂驅(qū)裝置是實(shí)現(xiàn)套管鉆井技術(shù)的配套設(shè)備。

10） 頂驅(qū)鉆井裝備是實(shí)現(xiàn)水平井、叢式井、山前構(gòu)造復(fù)雜安全鉆井最理想的設(shè)備。

2 3種頂驅(qū)的主要技術(shù)參數(shù)

本文從技術(shù)參數(shù)、功率、變頻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、頂驅(qū)本體結(jié)構(gòu)及安裝6個(gè)方面，詳細(xì)介紹美國(guó)VARCO公司的TDS－11SA、加拿大TESCO公司的TDT500ECI、北京石油機(jī)械廠（以下簡(jiǎn)稱北石）的DQ70BS 3種現(xiàn)場(chǎng)使用比較廣泛的頂驅(qū)裝置。

3種頂驅(qū)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，可以看出：這3種型號(hào)的頂驅(qū)在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、額定功率等數(shù)據(jù)上基本相同；從作業(yè)能力上分析屬于同一類型的頂部驅(qū)動(dòng)裝置。

表1 3種頂驅(qū)系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

3 功率曲線

3種頂驅(qū)系統(tǒng)的功率曲線如圖1～3所示，可以看出：3部頂驅(qū)設(shè)備的輸出功率基本相同，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸下降；但加拿大TESCO公司的TDT500ECI頂驅(qū)裝置的功率輸出穩(wěn)定性要略勝一籌，其恒定輸出能持續(xù)到150r／min；美國(guó)VARCO公司的TDS－11SA頂驅(qū)裝置與北石DQ70BS型頂驅(qū)裝置在這方面則稍顯不足。

圖1 DQ70BS型頂驅(qū)功率曲線

圖2 TDS－11SA型頂驅(qū)功率曲線

圖3 TDT500ECI型頂驅(qū)功率曲線

4 變頻系統(tǒng)比較［5］

TDT500ECI、TDS－11SA、DQ70BS這3種型號(hào)頂驅(qū)的電源頻率可根據(jù)用戶要求選擇50Hz型或60Hz型（如表2）。

TDS－11SA型頂驅(qū)與DQ70BS型頂驅(qū)的變頻系統(tǒng)采用的是西門(mén)子公司的變頻設(shè)備，但是在具體設(shè)計(jì)上，3種頂驅(qū)又有很大不同。

1） TDS－11SA型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用I型結(jié)構(gòu)，所謂I型結(jié)構(gòu)就是1套整流系統(tǒng)帶1套逆變系統(tǒng)。1套逆變系統(tǒng)產(chǎn)生的575VAC、0～80Hz的交流電同時(shí)供給2臺(tái)294.2kW（400hp）的交流變頻電動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于變頻房結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，便于運(yùn)輸，在井場(chǎng)容易擺放；而且在實(shí)際使用中TDS－11SA型頂驅(qū)的變頻設(shè)備可靠性也比較高，很少出現(xiàn)硬件故障。2臺(tái)主工作電動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)機(jī)電源是由整流系統(tǒng)整流后的直流電源，提供給變頻房?jī)?nèi)的輔助逆變系統(tǒng)，由輔助逆變系統(tǒng)將780V的直流電源轉(zhuǎn)換成600V、60Hz的交流電。

2） DQ70BS型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用的是A型結(jié)構(gòu)，所謂A型結(jié)構(gòu)就是1套整流系統(tǒng)整流后的直流電源同時(shí)分配給2套逆變系統(tǒng)，這2套逆變系統(tǒng)又分別給頂驅(qū)動(dòng)力頭上的2部變頻交流電動(dòng)機(jī)提供電源。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于如果1套逆變系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法即刻解決時(shí)可通過(guò)司控臺(tái)上的電機(jī)選擇旋鈕選擇單獨(dú)使用A電動(dòng)機(jī)或者B電動(dòng)機(jī)，使頂驅(qū)能夠正常使用，尤其是頂驅(qū)正在處理井下復(fù)雜時(shí)，這一優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3） TDT500ECI型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用的是H型結(jié)構(gòu)模式，是由2套變頻系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)2部交流變頻電動(dòng)機(jī)。這種設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔，減少了工作組件，從而提高了設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

表2 變頻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

5 液壓系統(tǒng)比較

TDS－11SA型頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)是將液壓泵電機(jī)、液壓泵、液壓閥匯總成固定在頂驅(qū)動(dòng)力頭上。這種設(shè)計(jì)在安裝頂驅(qū)設(shè)備時(shí)無(wú)需再在井架上安裝額外的液壓管線，簡(jiǎn)化了安裝過(guò)程，降低了安裝風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約了安裝時(shí)間 （如表3）。

表3 液壓系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

DQ70BS型頂驅(qū)與TDT500ECI型頂驅(qū)都采用的是單獨(dú)液壓站模式，液壓站放置在地面，用安裝在井架上的液壓管線連接液壓站與頂驅(qū)動(dòng)力頭。這種設(shè)計(jì)在液壓設(shè)備出現(xiàn)故障后，對(duì)故障的檢查和維修是非常便利的［6－8］。尤其DQ70BS型頂驅(qū)的液壓站采用的是2臺(tái)電機(jī)帶2臺(tái)液壓泵的方式，在正常使用時(shí)可以定期輪換使用，延長(zhǎng)了液壓泵和電機(jī)的使用壽命；而且如果1臺(tái)電機(jī)或液壓泵出現(xiàn)故障，可以立刻啟動(dòng)另1臺(tái)，保證了頂驅(qū)的正常使用。這一優(yōu)勢(shì)在頂驅(qū)正在處理井下復(fù)雜情況時(shí)顯得尤為重要。

6 頂驅(qū)本體結(jié)構(gòu)

TDS－11SA頂驅(qū)系統(tǒng)和DQ70BS頂驅(qū)系統(tǒng)的動(dòng)力頭都設(shè)計(jì)有水龍頭及旋轉(zhuǎn)頭正反2個(gè)方向360°旋轉(zhuǎn)、吊環(huán)前后自動(dòng)傾斜、液壓夾緊式背鉗、液壓制動(dòng)防噴器。只是由于背鉗上下改變夾緊位置時(shí)需要借助外力，在更換鉆具保護(hù)接頭時(shí)比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。頂驅(qū)本體設(shè)備的結(jié)構(gòu)對(duì)比如表4。

表4 頂驅(qū)本體設(shè)備結(jié)構(gòu)對(duì)比

續(xù)表4

TDT500ECI型頂驅(qū)系統(tǒng)的液壓背鉗可通過(guò)背鉗提升液缸上、下移動(dòng)，為安裝各種鉆具保護(hù)接頭提供了方便。TDT500ECI型頂驅(qū)具有獨(dú)特的水平位移功能，可以把頂驅(qū)整體推到小鼠洞的上方，在鉆井中可以利用頂驅(qū)在小鼠洞方便、及時(shí)地接上單根或立柱。但TDT500ECI型頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)頭需要借助主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)才能改變方向，在使用旋轉(zhuǎn)頭時(shí)操作步驟比較繁瑣。

7 頂驅(qū)導(dǎo)軌的連接、懸掛與頂驅(qū)本體的安裝

北石DQ70BS型頂驅(qū)系統(tǒng)與TDS－11SA型頂驅(qū)系統(tǒng)的導(dǎo)軌都采用銷子和安全鎖銷連接方式，導(dǎo)軌懸掛都采用可調(diào)式鋼制連接板。這些設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了頂驅(qū)的安裝和拆卸工序，縮短了安裝和拆卸時(shí)間［9］（如表5）。

表5 頂驅(qū)導(dǎo)軌的連接、懸掛與頂驅(qū)本體的安裝方式對(duì)比

TDT500ECI型頂驅(qū)系統(tǒng)導(dǎo)軌采用螺栓連接方式，通過(guò)選用長(zhǎng)短不同的導(dǎo)軌來(lái)適應(yīng)不同類型的井架。但是每一根導(dǎo)軌與導(dǎo)軌之間都要用16個(gè)螺栓進(jìn)行連接，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，影響頂驅(qū)安裝速度。在頂驅(qū)本體與鉆機(jī)水龍頭連接時(shí)，要使用B型大鉗夾緊頂驅(qū)本體主軸，并且是在距離鉆臺(tái)面約3m的高度作業(yè)，增加了作業(yè)人員與設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)。

8 結(jié)語(yǔ)

3種型號(hào)的頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置在功能和使用上雖然都有自己的優(yōu)勢(shì)和不足，但都能滿足現(xiàn)場(chǎng)各種工況下對(duì)項(xiàng)部驅(qū)動(dòng)裝置的使用要求。大量的事實(shí)證明：在使用頂部驅(qū)動(dòng)裝置的鉆井工程中都能大幅縮短鉆井周期，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約鉆探成本。現(xiàn)今超深井和復(fù)雜井都在廣泛使用頂驅(qū)這種先進(jìn)的鉆井設(shè)備，這更加說(shuō)明了頂部驅(qū)動(dòng)裝置在鉆井工程中起著越來(lái)越重要的作用。

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