深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型頂驅裝置研制

牟新明，蔣衛焱，李 鵬，高 明，廖麗華，趙 濤

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.中海油田服務股份有限公司，天津300451）

深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型頂驅裝置研制

牟新明1，蔣衛焱2，李 鵬1，高 明1，廖麗華1，趙 濤1

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.中海油田服務股份有限公司，天津300451）

為滿足深水工程勘察船鉆機自主配套的需要，在吸收國內外先進頂部驅動鉆井裝置設計經驗的基礎上，研制了KDQ40／2250DB型深水勘探船專用的交流變頻頂部驅動裝置，與我國首艘深水工程勘察船“海洋石油708”配套使用。介紹了該頂驅裝置的結構方案、技術參數及廠內試驗情況。重點介紹了液控高壓球閥、大通徑、大跨距等結構的特點。試驗結果表明，該頂驅裝置的各項性能指標滿足了海洋鉆井和勘探取樣作業的要求。

頂部驅動鉆井裝置；深水；海洋勘探船

我國南海具有豐富的油氣和天然氣水合物資源，但平均水深均在1 000 m以上，勘察開采的技術難度大。為實現南海深水油氣資源的自主勘探開發，在世界深海油氣勘探開發的國際競爭中處于有利地位，必須打破國外技術壟斷，掌握深水油氣勘探開發前沿技術，擁有國際先進水平的自主知識產權的深水勘察鉆井裝備。為此，寶雞石油機械有限責任公司于2010年為國內首艘深水工程勘察船配套了鉆機系統［1］，實現了動態井架、大通徑頂驅、鉆桿處理裝置、海底基盤等深水鉆機關鍵裝備的自主配套。

深水工程勘察船用頂部驅動鉆井裝置（以下簡稱頂驅裝置）主體結構包括動力水龍頭和管子處理裝置，設計理念與陸用頂驅裝置相同。但是由于勘察船屬于浮式平臺（船），其作業工況與陸用及固定式平臺鉆機不同，該裝置具有滿足浮式平臺（船）的特殊結構。為滿足下放取樣工具的需要，在頂驅裝置的泥漿通道頂部設計有遠程控制開關的高壓球閥，設計了大通徑泥漿通道、雙提環結構。井口中心至導軌中心2 000 mm的大跨距設計，可適應下放海底基盤的需要。KDQ40／2250DB型頂驅裝置整體設計滿足3 000 m水深的鉆井與取樣作業要求。

1 技術分析

1.1 結構

KDQ40／2250DB型頂驅裝置主要由動力水龍頭、管子處理裝置、雙導軌與滑車、液壓傳動與控制系統、電氣傳動與控制系統，以及運移架等輔助裝置等組成。如圖1。

圖1 KDQ40／2250DB型頂驅裝置結構

1.1.1 本體裝置

KDQ40／2250DB型頂驅裝置本體結構如圖1所示。其工作原理與傳統頂驅的相同，采用1臺298 k W直立式交流變頻電機作為動力源，經齒輪箱減速后驅動中心管（主軸）帶動鉆桿旋轉。利用電機的額定動力，可提供30.5 k N·m的最大連續鉆井轉矩；利用電機的短時過載能力，可以提供52 k N·m的最大緊、松扣轉矩。同時，鉆井液由水龍帶經泥漿管線進入主軸內孔泥漿通道并經該通道進入鉆具。主電機上副軸伸出端安裝有液壓盤剎。當憋鉆時可剎住頂驅主軸，防止鉆具倒轉卸扣；在定向鉆井作業時可輔助鉆柱定向。

頂驅裝置的上下游動由分體式雙提環與補償器下端連接耳板相連，雙導軌與滑車可將鉆井作業時產生的反轉矩傳遞到井架上，同時扶正頂驅主體沿導軌上下移動。

管子處理裝置可大幅提高井口作業的機械化程度，其主要功能為：在鉆井或起／下鉆作業時，與動力水龍頭配合，完成在井架內任意高度上／卸扣、緊／松扣的作業；井控作業時可遙控關閉IBOP，保證鉆井安全。

1.1.2 液壓系統

液壓系統是頂驅裝置的重要組成部分，主要由液壓源（液壓站）、控制閥組、執行元件、液壓管線等部分組成。液壓源為地面液壓站形式。由于船上空間限制，頂驅裝置液壓系統與機具液壓系統集成設計，共用液壓油箱。液壓站冗余設計的2臺主液壓泵，可在本地和司鉆臺實現兩地控制，2臺主液壓泵互鎖。采用目前主流頂驅成熟可靠的恒壓系統設計，液壓控制系統設計借鑒了DQ70DB型頂驅裝置的成功經驗，在沿用其液壓系統基礎上，增加了球閥與吊卡的控制。

1.1.3 電控系統

電控系統采用1臺SIEMENS交流變頻柜，一對一控制驅動主電機，有速度傳感器的變頻控制方案，確保頂驅電機在低速下的控制精度指標和額定轉矩輸出。緊／松扣轉矩及鉆井轉矩可控，具有堵轉保持功能。

PLC控制系統通過現場總線技術把數字化設備組成Profibus-DP網絡，實現變頻器、操作臺等設備的高速通訊。PLC控制系統可對整個電控系統進行邏輯控制，實時監測執行組件的動作及運行參數。實現頂驅系統的操作、控制及故障保護功能、系統故障時的聲光報警、頂驅故障或停機時剎車的自動控制、系統的機、電、液一體化控制及互鎖控制。

頂驅操作臺在鉆機司鉆房內，可實現頂驅裝置的所有操作、顯示、報警功能。頂驅操作臺設有頂驅轉速、轉矩4～20 mA信號輸出防爆插接件。

針對海洋工況，電纜采用海洋鉆井VFD電纜和防爆及高防護等級（IP67）快速插接件，具有防油、防水、防砸功能，信號的采集及傳輸電纜具有抗干擾能力。

1.2 主要技術參數

名義鉆井深度 4 000 m（?114.3 mm鉆桿）

最大載荷 2 250 k N

工作高度5.37 m（上提環銷中心到鉆桿上平面）

電源電壓 690 V，50 Hz，AC

額定功率 298 k W

最大鉆井轉矩 30.5 k N·m，連續

最大鉆井轉矩時的最高轉速 92 r／min，連續

最大卸扣轉矩 52 k N·m，短時

泥漿通道 ?105 mm，35 MPa

背鉗夾持鉆桿接頭直徑 ?168～?254 mm

背鉗最大通徑 ?260 mm

遙控IBOP型號 8s/8″REG API，70 MPa

2 設計特色

在頂驅裝置的設計過程中運用了4項自有專利技術［2-5］，整體設計除具備傳統交流變頻頂驅的優點外，還具有一些適應海洋鉆井工況的特點。

2.1 選用Reliance交流變頻電機

Reliance交流變頻電機具有過載能力強、運行效率高、結構形式緊湊以及無電暈、絕緣系統和電流屏蔽設計等諸多優點。為適應海洋鉆井工況的要求，主電機防護等級設計為IP55。鑒于Reliance交流變頻電機的優越性能，KDQ40／2250DB型頂驅裝置主傳動采用1臺功率為298 k W的Reliance交流變頻電機經齒輪減速箱驅動主軸旋轉。采用強制風冷卻方式。該電動機具有寬廣的恒轉矩和恒功率調速范圍，并且具有在額定轉矩下，長時間堵轉工作的特性，并具有170%的過載能力，以及可準確快速實現正反轉的能力。

2.2 液控高壓球閥

勘察船在使用頂驅鉆井作業過程中，需要從頂驅的頂部通過沖管、主軸和鉆桿內部起放勘察取樣工具。為此，頂驅的鉆井液通道（包括：沖管、主軸、IBOP、保護短節、鉆桿內孔等）的最頂部設計有遠程控制高壓球閥。球閥本體可承受35 MPa高壓鉆井液的作用。閥體采用硬密封形式，具有耐高壓，耐腐蝕的優點。如圖2。

在鉆井過程中，球閥處于關閉狀態，形成鉆井液的密封通道。取樣時，當鉆井液壓力完全釋放后打開球閥，從球閥孔中下放勘察取樣工具，到達井底進行取樣作業。

完成取樣工作后，提出取樣工具，關閉球閥，循環鉆井液，繼續鉆井。

實現自動控制功能的執行器安裝在球閥上，通過接收來自控制系統的控制信號對球閥實施控制。遠程控制技術的應用提高了鉆機操作的自動化水平與安全性。該項技術已經申請專利［6］。

圖2 液控高壓球閥

2.3 大通徑泥漿通道

根據石油行業標準［7］，名義鉆深為4 000 m的頂驅裝置，泥漿循環通道直徑為75 mm，名義鉆深為12 000 m的頂驅裝置，泥漿循環通道直徑為89 mm。為滿足勘察船在井口中心下放取樣工具的需要，包括泥漿循環裝置的高壓球閥的泥漿循環通道均設計為直徑為105 mm的大通徑泥漿通道。背鉗最大通徑達到260 mm。

由于鉆井泥漿工作壓力為35 MPa，通徑達到105 mm，因此高壓大通徑的球閥及IBOP均需特制，其設計與選購成為整個頂驅裝置設計的難點與瓶頸。在通過技術攻關后，有效解決了此問題。

2.4 大跨距滑車與雙導軌

導軌與滑車可將鉆井作業時產生的反轉矩傳遞到井架上，同時扶正頂驅主體沿導軌上下移動。為滿足下放基盤空間需要，頂驅導軌中心與井口中心距離確定為2 000 mm的大跨距布局。為適應海洋動態鉆井工況要求，采用后置式雙導軌的形式，雙導軌固定在井架上，與鉆柱補償器共用?；嚨脑O計采取框架結構以滿足雙導軌和大跨距的要求。

3 室內試驗

頂驅制造完成后進行了廠內試驗。試驗結果表明，該頂驅達到了設計要求。

3.1 靜載荷試驗

包括中心管、吊環的額定靜載荷試驗和設計驗證靜載荷試驗。設計了針對不同試驗內容的試驗方案，通過各種必要工藝裝備的制作，滿足試驗的要求。如圖3。

圖3 頂驅裝置主要部件的靜載荷試驗

在進行額定靜載荷試驗后，主承載零件進行無損檢測，并進行幾何尺寸的檢測。根據檢測報告的結果，主承載件滿足設計要求。

3.2 臺架運轉試驗

空載荷運轉試驗結果顯示，中心管轉速最高達到186 r／min。載荷運轉試驗中，恒轉矩階段的轉速為0～89 r／min，轉矩為30.5 k N·m。剎車試驗證明，剎車裝置能快速將電機剎住。電機堵轉試驗保持堵轉狀態時間5 min以上，電機無異常現象。調速性能試驗從5～186 r／min無級調速，轉速變化應均勻、平穩、無跳動，在低速時無爬行，中、高速時無振動。

3.3 主要部件的壓力試驗

進行壓力試驗的零部件為：保護短節、IBOP、中心管、沖管裝置、鵝頸管總成等。試驗壓力70 MPa，保壓≥3 min，均無滲漏。

3.4 液壓與電控系統試驗

液壓系統壓力試驗中，旋轉頭油道（共9條）密封性試驗壓力為24 MPa，穩壓5 min，無壓降、壓力油竄腔或滲漏油現象。整個液壓系統回路壓力試驗壓力為16 MPa，各管線及管線接頭處、各液壓元件處均無滲漏油現象。

電控系統試驗的結果表明，達到各項技術參數指標，操作控制、互鎖、通訊等性能安全、可靠。液壓控制動作運行平穩、無沖擊，開、關靈活，無卡阻現象。司鉆操作臺上的各控制開關、指示燈、調節旋鈕等，與實際控制對象對應。

4 結論

1） KDQ40／2250DB型頂驅裝置目前已通過海試，各項性能穩定，滿足現場使用要求。深水工程勘察船頂驅的研制成功，實現深水勘察鉆機重要裝備的國產化，對于開發深海油氣資源具有重要意義。

2） 該頂驅裝置是針對深?？碧酱@井作業的特點而設計的，與常規頂驅裝置相比，泥漿通道頂部配備液控高壓球閥，大通徑泥漿通道、雙提環、大跨距等是其特有設計。

3） 深水工程勘察船在作業時遠離大陸，補給困難，因此頂驅裝置內部所有機械傳動、液壓元件和電氣設備的設計和選型均應考慮長壽命和極高的可靠性。海洋產品的設計和選購標準均應高于同類陸用產品。KDQ40／2250DB頂驅裝置中旋轉鎖緊油缸位移傳感器在海試過程中未能經受嚴酷的考驗，信號不穩定，應改進設計。

4） 頂驅裝置設計應特別注重導軌的強度和精度。國產頂驅裝置在使用過程中，不論常規陸用頂驅裝置，還是海洋平臺用頂驅裝置，均出現過導軌精度較低，裝配困難，導軌強度不足導致變形，或磨損嚴重的問題，甚至出現過導軌斷裂脫離的嚴重問題。在今后的設計中應重點研究。

［1］ 王維旭，蔣衛焱，車鐵軍，等.深水工程勘察船鉆機研制［J］.石油機械.2011，39（10）：93-96.

［2］ 王兵，高明.鉆具接頭增扭裝置.中國：ZL 03 2 62438.7［P］.2003-06-15.

［3］ 王兵，高明，侯文輝，等.頂部驅動鉆井裝置背鉗鉗體總成.中國：ZL 03 2 62442.5［P］.2003-06-15.

［4］ 王兵，高明.頂部驅動鉆井系統的旋轉頭裝置.中國：ZL 03 2 62437.9［P］.2003-06-15.

［5］ 張福，王兵，高明，等.頂部驅動鉆井裝置旋轉頭承載卡套密封總成.中國：ZL 2006 2 0164952.8［P］.2006-12-30.

［6］ 牟新明，王兵，廖麗華，等.一種頂驅用遠程控制的高壓球閥.中國：ZL201020178479.5［P］.2010-05-04.

［7］ SY／T6726—2008，石油鉆機頂部驅動裝置［S］.

Investigating and Manufacture of KDQ40／2250DB Top Drive for Deep water Research Vessel

MU Xin-ming1，JIANG Wei-yan2，LI Peng1，GAO Min1，LIAO Li-hua1，ZHAO Tao1
（1.Baoji Oil f iel d Machiner y Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.China Oil f iel d Ser vices Li mited，Tianj un 300451，China）

KDQ40／2250DB top drive was devel oped to meet the need of self-supporting f or Deepwater Research Vessel rig on the basis of advanced experience from domestic and f oreign top drive drilling system，which is used on t he China’s first deep water engineering survey vessel“HAIYANGSHIYOU 708”.The configuration scheme and the technical parameter and the factory acceptance test are presented in the paper.During t he paper，t he design f eat ures of t he syste mis t he main content，such as hydraulic control high pressure valve，bigger diameter and bigger span fra me，and so on.Test result indicated t hat the design requirements are satisfied and t he top drive meets the requirements for drilling and the sampling working.

top drive drilling equip ment；deep warer；marine exploration vessel

TE951

B

1001-3482（2014）06-0080-04

2014-01-08

國家科技重大專項“深水工程勘察船及配套技術”（2008ZX05027-004）

牟新明（1979-），女，山東棲霞人，工程師，碩士，2006年畢業于西安工業大學機電工程專業，主要從事鉆采設備技術研究與設計工作，E-mail：x mmu9924＠126.co m。