頂部驅動鉆井裝置中旋轉頭設計

解文芳，陳悅軍，胡海明，張　鎧，張　磊，方力平，畢群泗，張學婧

（1．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．大慶油田有限責任公司　采油工程研究院，黑龍江　大慶8163318）①

頂部驅動鉆井裝置中旋轉頭設計

解文芳1，陳悅軍1，胡海明1，張鎧1，張磊1，方力平1，畢群泗1，張學婧2

（1．甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．大慶油田有限責任公司采油工程研究院，黑龍江大慶8163318）①

現有的頂部驅動裝置中的旋轉頭主要有單負荷通道和雙負荷通道2種傳遞形式。分析了2種結構形式的優缺點，采用回轉支承和芯軸結構，設計了新的旋轉頭，具有單負荷通道的簡單結構，又延續了雙負荷通道的傳遞形式，能有效延長了主軸的使用壽命。

頂部驅動裝置；旋轉頭；回轉支承；芯軸

頂部驅動鉆井裝置是美國、法國、挪威等國近20年來相繼研制成功的一種頂部驅動鉆井系統。它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進、循環鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業，顯著提高了鉆井作業的能力和效率，并已成為石油鉆井行業的標準產品，是當前鉆井設備自動化發展階段的突出成果之一［1-3］。目前，海洋鉆井平臺全部裝備了頂驅，陸地石油鉆機也越來越多地裝備了頂驅。頂驅主軸是頂驅的核心部件，旋轉頭的優化設計能有效延長主軸的使用壽命［4-5］。

1　旋轉頭結構

頂驅裝置的旋轉頭，又名吊環適配器。吊環、背鉗和傾斜裝置均懸持在旋轉頭上，旋轉頭內部設有多道液壓油路，為了實現吊環和背鉗的井口操作，旋轉頭需要圍繞主軸旋轉，同時保證液壓油路的暢通和密封。

國內外頂部驅動鉆井裝置中，按傳遞載荷方式分為2種。

一種是以美國NOV（Varco）公司的頂驅為代表的單負荷通道結構［6］，如圖1所示。頂驅主軸穿過芯軸中心孔，芯軸上方的軸肩懸掛在齒輪箱體上，主軸下方設有多道U型槽，回轉體自重及其載荷通過分離式卡環傳遞到主軸。這種單負荷通道傳遞形式使得頂部驅動鉆井系統無論處于哪種作業方式（起鉆、下鉆、鉆進），其主軸及主承載軸承始終處于承載狀態，相對降低了使用壽命，而且旋轉頭在工作中需經常浮動，操作工序復雜。

圖1　Varco頂驅的旋轉頭結構

另一種是以北京石油機械廠生產的頂驅為代表的雙負荷通道結構［7］，如圖2所示。頂驅主軸穿過芯軸中心孔，芯軸上方的軸肩懸掛在齒輪箱體上，螺紋套通過螺紋與芯軸連接，回轉體的載荷通過止推軸承和螺紋套傳遞到芯軸，最終全部傳遞到齒輪箱體。雙負荷通道傳遞形式由于在旋轉頭中增加了承載軸承、上下扶正軸承，所有軸承采用強制潤滑，各處潤滑油的密封以及各油路在旋轉體上的設置，使得旋轉承載裝置結構復雜，管線接頭增多，可靠性差，維修不便，成本提高。

圖2　北石頂驅的旋轉頭結構

綜合分析2種旋轉頭結構的利弊，在現有雙負荷通道旋轉頭的基礎上，選用回轉支承和自潤滑軸套代替原有的扶正軸承，既保證了雙負荷通道的優點，又使結構更集成簡單，有效降低了制造安裝和維修成本。

2　旋轉頭優化設計

沿用雙負荷通道傳遞形式的旋轉頭的工作原理，即鉆進時頂驅主軸承載，其他工況旋轉頭上懸掛的載荷通過芯軸傳遞到齒輪箱。旋轉頭主要由芯軸、齒輪、回轉體、回轉支承和分離式卡環等組成，如圖3所示。芯軸上部的臺肩懸掛在齒輪箱體上，齒輪和回轉支承外圈均與回轉體螺栓連接，液壓馬達帶動齒輪旋轉，帶動回轉體旋轉。自潤滑軸套和回轉支承分別設置在回轉體上、下部，保證芯軸的扶正。兩件分離式卡環與芯軸通過多道U型槽連接，套筒與卡環螺栓連接以固定卡環。回轉支承下表面落在2件分離式卡環的上表面，使回轉體載荷通過卡環傳遞到芯軸并最終傳遞到齒輪箱體上。

圖3　旋轉頭三維結構

3　技術特點

3．1 芯軸傳遞負載

芯軸材料選用AISI4330［8］，上部臺肩懸掛在上部齒輪箱上，并用螺栓連接，將芯軸的自重傳遞到齒輪箱。平鍵連接芯軸和回轉支承內圈，用來限定二者之間的周向運動。回轉支承的下表面落在分離式卡環上，這種結構將回轉支承承受的載荷通過分離式卡環和芯軸的U型槽傳遞到芯軸，最終傳遞到齒輪箱。分離式卡環和套筒的設計在解決載荷傳遞問題的同時，保證了結構的可安裝性。同Varco的頂驅相比，在芯軸上開設U型槽比在主軸上開槽更大程度地保護了主軸。

3．2 簡化扶正結構

芯軸的扶正機構對頂驅回轉頭的結構和制造安裝成本起至關重要的作用。采用上部自潤滑軸套、下端回轉支承扶正芯軸，代替了傳統的上、下采用扶正軸承的結構，如圖4所示。自潤滑軸套是以銅合金為基體，鑲嵌有特殊配方的固體潤滑劑和潤滑油，在摩擦過程中逐漸釋放潤滑油和固體潤滑劑，具有耐磨和自潤滑的特點，自潤滑軸套與回轉體螺栓連接，與芯軸配合連接，按照旋轉頭常規井口操作的頻率，自潤滑軸套的使用壽命為3～4 a。回轉支承作為滾動軸承的一種，自帶油路，既便于安裝，又避免了潤滑油路和密封的復雜結構。

圖4　旋轉頭剖面

3．3 液壓油路的設計

旋轉頭上共布置8條油路，其中2條為IBOP直連油路，不經過回轉體，直接在芯軸下方連接，其余6條油路出油口在回轉體側面，2條為背鉗使用，2條傾斜裝置使用，2條備用油路，如圖5所示。回轉體內表面有多條環形油槽，分別與芯軸上出來的油路連接，每個環形油槽之間有密封圈，6條環形油路最上方和最下方分別設置防塵密封圈以保證液壓油的清潔。環形油槽的設計使回轉體在旋轉運動時，液壓油供給和密封防塵均不受影響。

圖5　旋轉頭液壓油路

4　結論

1） 回轉支承的應用，避免了軸承的潤滑密封和安裝困難的問題。回轉支承內外圈分別與回轉體和承載套連接，內圈被分體式卡環支撐，既實現了回轉體的轉動扶正，又平穩傳遞了載荷，且不需回轉體浮動工作。

2） 金屬自潤滑套布置在回轉體和芯軸之間，起扶正和自潤滑的作用，與現有技術中的軸承設計相比，結構和安裝得到優化。

3） 芯軸下端外表面U型槽的設計，相比在主軸上開設U型槽設計，解決了保護主軸及載荷傳遞的問題。

4） 新設計的旋轉頭能有效延長主軸的使用壽命，避免了使用扶正軸承時的潤滑及密封問題，降低了回轉體和芯軸的加工難度，減少了制造成本。

［1］ SY／T 6726—2008，石油鉆機頂部驅動裝置［S］．

［2］ 李繼志，陳榮振．石油鉆采機械概論［M］．東營：石油大學出版社，2000．

［3］ 楊致遠，顧請獻，彭生明．TDS9S頂部驅動裝置［J］．河南石油，1998（1）：41-43．

［4］ 沈澤俊．采用頂驅鉆井作業提高工作的安全性［J］．石油工業技術監督，2006（1）：45-47．

［5］ 王永勤．TDS11SA頂驅裝置可靠性分析［D］．東營：石油大學，2009．

［6］ 步衛玲．國外鉆機頂部驅動鉆井裝置的發展趨勢［J］．石油機械，2009，37（6）：88-90．

［7］ 沈昭．國產頂部驅動鉆井裝置的研制與發展［J］．石油機械，2001，29（增刊）：92-94．

［8］ 劉鴻文．材料力學［M］．北京：高等教育出版社，2002．

Design for Rotating Head of Top Drive Drilling System

XIEWenfang1，CHEN Yuejun1，HUHaiming1，ZHANG Kai1，ZHANG Lei1，
FANG Liping1，BI Qunsi1，ZHANG Xuejing2
（1．Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China；2．Production Engineering Research Institue，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163318，China）

The existing rotating heads of top drive drilling system are divided into single load path type and dual load path type．After analyzing the advantages and disadvantages of the two types of rotating head，a new type of rotating head is reasonable designed by adopting slewing bearing and mandrel．The new rotating head used dual load path but possessed simple structure，which can prolong the service life of the main shaft of the top drive drilling system．

top drive drilling system；rotating head；slewing bearing；mandrel

TE922

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．009

1001-3482（2015）09-0035-03