國產頂部驅動鉆井裝置發展趨勢

（中石油長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

國產頂部驅動鉆井裝置發展趨勢

王永江

（中石油長城鉆探頂驅技術分公司，北京 100101）

隨著現代鉆井技術的不斷提高、新工藝、新技術的運用逐步深入，對頂驅的要求也產生了新的變化，為改進頂驅裝置，提高其可靠性、安全性及可操作性，著重從頂驅的技術發展、新產品應用等幾個方面介紹發展方向，并對國產頂驅制造廠家提出建議。

鉆機；頂驅；發展趨勢

頂部驅動鉆井裝置（頂驅）是20世紀80年代以來發展起來的新型重大石油鉆井技術裝備，它取代傳統的轉盤加方鉆桿而直接驅動鉆柱鉆進，極大減少了遇阻、卡鉆等復雜情況的發生。頂驅代表鉆井工藝技術、機電液一體化石油專用設備的最高水平，已經成為深井、復雜井以及出國鉆機的必備設備之一。我國從20世紀80年代末開始頂驅裝置的研究工作，北石、寶石、天意、景洪、宏華等石油裝備制造企業先后開發了多種型號頂驅，部分指標和性能達到了國際水平。由于起步較晚，目前我國生產的頂驅還不能完全滿足海洋和陸地鉆井的需要，與國外相比仍有一定距離。近年來，隨著鉆井設備發展，信息網絡化、便攜快搬、快速有效鉆井等新技術得到廣泛運用，國產頂驅在以下方面仍然有很大的改善和發展空間。

1 直驅頂驅

直驅頂驅就是通過電機直接驅動主軸，帶動鉆具旋轉。相比常規頂驅，直驅頂驅沒有傳動裝置，也就是沒有齒輪箱，因此傳動效率更高，能夠提升能效10%以上，鉆井行業本身是能源消耗巨大，如果都能采取直驅，節約的能源將非常可觀。除此之外，直驅頂驅還有以下傳統頂驅所不具備的優點。（1）無齒輪變速箱機構和齒輪與軸承潤滑油及冷卻過濾系統，在傳動機構中減少了機械密封機構，顯著降低設備故障率及維護難度，使得電機之外的加工制造更易保證。（2）減少了變速箱以及相關的潤滑系統和軸承等部件，相應地減少了因為變速箱的可靠性問題及相關軸承和齒輪故障而停機的時間。另外由于沒有齒輪箱，頂驅的工作噪音降低。因此直驅頂驅不僅提供了工作性能，還減少了維修和停機時間。

影響直驅頂驅技術發展的瓶頸是電機技術，由于變頻電機的低速不穩定性、功率密度等限制，使直驅頂驅的發展一直停滯在理論上，即使有個別頂驅生產廠家生產了直驅頂驅，也因為體積巨大，性能不可靠等原因而無法得到廣泛運用。最近幾年，隨著電機制造技術尤其是永磁同步電機制造技術水平的提高，生產出結構簡單、功率密度大、功率因數高、可控性好的電機逐漸成為可能，直驅頂驅甚至直驅鉆井將很快出現在中國市場上。

2 定制式快搬頂驅

快搬鉆機和頂驅是實現快速搬家的最優解決辦法，國內外多家鉆機生產廠家已經能生產出在一天之內完成全部搬家任務的鉆機，這些鉆機可以實現當天完井、當天搬家、當天開鉆的目標。與這類鉆機配套的頂驅通常采用定制式結構，在鉆機生產的同時就對頂驅進行量身定做，最大限度的減少搬家期間頂驅的拆裝工作量，定制頂驅與常規頂驅的區別如下。（1）頂驅沒有傳統意義的導軌，而是采用滑軌和滑架的方式。滑軌是鉆機的一部分，鉆機通常采用伸縮式井架，井架的內側兩端布置著滑軌，這些滑軌與鉆機成為一個整體。頂驅本體上安裝有滑道，在游車大鉤的帶動下實現頂驅的上下移動。這種結構的優點在于：搬家時鉆機放到運輸過程中，頂驅可以在井架內形成有效的固定，因此無需進行拆裝作業。（2）頂驅的控制系統集成在鉆機的控制房中，或者將頂驅控制房布局在鉆臺面，通過這些方式，可以減少頂驅和鉆機搬家過程中電控系統的安裝和接線，減少了安裝時間。（3）電纜等其他結構也通過特殊設計，實現和鉆機的有效匹配。在保證正常生產作業的基礎上實現頂驅的快搬。

3 小體積大扭矩頂驅

隨著鉆井體積減小、鉆井深度和水平段增加等因素，對頂驅的要求是體積更小、扭矩更大。美國NOV公司生產的350EP頂驅，雖然額定載荷是350噸，但是外形尺寸比傳統的250噸頂驅更小，最大連續扭矩卻能達到37000英尺磅，最大卸扣扭矩60000英尺磅，超過了500噸頂驅的最大連續扭矩，使得這種頂驅可以在從4000米到7000米鉆機上得到廣泛應用。國產頂驅雖然也有大扭矩頂驅，但是只是在原來頂驅的基礎上增加了電機功率，對控制系統進行升級，外形尺寸和結構沒有根本變化，因此在適用性上受到了一定的限制。

4 軟扭矩系統

軟扭矩是一種新型的鉆井扭矩控制系統，它對逆變器輸出控制系統進行了優化控制，讓逆變器的輸出更加適合于鉆井現場，有效的克服Stick-Slip也就是粘滑的影響，通過讓轉速隨時可變，維持扭矩的恒定輸出。

粘滑是鉆井作業中的常見現象，會導致鉆柱發生有害的旋轉振動。鉆進作業時，地面鉆柱不斷旋轉 ，但由于鉆頭的摩擦阻力、BHA和鉆柱本身的原因，井底會發生粘著。隨著地面鉆柱的旋轉，鉆柱的扭矩逐漸加大，粘阻被克服，這時鉆頭速度會突然增加，鉆柱扭矩得到釋放。如果任由其發展，粘滑可能導致鉆頭和BHA的旋轉從完全停止，然后加速到地面轉速的5～6倍。這樣就容易損壞鉆頭，破壞切削刃，減低機械鉆速（ROP），縮短鉆頭使用壽命，破壞井眼軌跡，增加鉆井風險。軟扭矩的使用，可以有效的消除粘滑，其功能效果可以概括為以下幾點：（1）消除粘滑，使井下鉆柱組合在理想的轉速和鉆壓下鉆進。（2）減輕鉆進過程中的鉆柱振蕩，提升井眼軌跡質量。（3）減少鉆具磨損，延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數。（4）提升鉆進速度，加快鉆井周期。（5）使鉆進過程變平穩，提高鉆井作業的安全性。（6）保護頂驅設備，減少扭矩波動，減少設備疲勞損傷。

正確合理的使用軟扭矩，可以顯著降低鉆井綜合成本。正是由于軟扭矩有如此多的優點，因此各頂驅生產廠家都在大力研發和推廣使用軟扭矩。目前各頂驅生產廠家的軟扭矩由于工作原理、控制方式的不同，使用效果也不盡相同。根據長城鉆探最近對多個廠家軟扭矩的使用，目前技術最成熟，使用效果最好的是荷蘭EP公司生產的軟扭矩，而且EP公司通過不斷改進，已經發展到第二代產品，并且已經實現了根據鉆井參數變化自動調整軟扭矩的功能，通過使用軟扭矩可以增加機械鉆速5%以上，國產軟扭矩在使用效果和兼容性上還需要提高。

5 頂驅遠程監控系統

隨著無線網絡、云計算技術的發展，對頂驅等重要設備實現遠程數據監控及故障診斷成為可能。目前頂驅通常采用西門子或者ABB控制系統，以NOV頂驅ABB的ACS800控制系統為例，該系統集成了以太網接口，通過網絡可以將頂驅的各項參數傳給NOV的數據中心，從而實現頂驅的數據共享和遠程故障分析。這個系統的缺點：一是數據傳輸需要依賴網絡，對于偏遠的專業區域會存在傳輸問題。二是由于NOV的數據中心設在美國，用戶無法有效分享數據上傳結果并參與故障診斷。此外，近年涌現了一批專業的設備檢測公司，通過在頂驅齒輪箱、主電機等關鍵部位安裝探頭和傳感器，采集軸承和齒輪等頂驅系統自身無法采集的運行參數，并通過云計算等方式預先發現和判斷出可能出現問題的軸承和齒輪并及時將信息反饋給用戶，便于用戶開展預防性維修，最大程度的減少設備損壞和停機的影響。

6 頂驅下套管裝置

頂驅下套管裝置與頂驅連接，通過頂驅的驅動機構實現夾持機構與套管的松開或夾緊。在頂驅扭矩及提升載荷的作用下，完成套管上扣、上提及下方套管等作業；下套管裝置本身具有自密封機構，能夠實現與被夾持套管內部自密封，可以在下套管作業的同時循環鉆井液，減少或避免復雜事故的發生。

頂驅下套管裝置具有以下優點：能夠同時實現套管的旋轉、上提下放及鉆井液循環，極大地提高下套管作業的成功率；取代了傳統下套管作業中動力套管鉗和吊卡等裝備，減少下套管作業中施工人員的數量，提高了作業的安全性和效率；能夠為套管管柱傳遞一定的下壓力等。隨著頂驅裝置在鉆井行業的廣泛應用，頂驅下套管裝置已經成為國內外石油公司研發的熱點。國外公司如加拿大TESCO，美國Weatherford、Frank公司等，國內的北石、天意等公司都有自己的產品。國產頂驅下套管裝置的發展趨勢包括：（1）從液壓驅動向機械驅動方式發展。（2）從卡瓦牙夾持和錐面夾持結構向微痕夾持方向發展。（3）向工具集成化和智能化方向發展。

7 結語

國產生產頂驅的廠家眾多，但是產量和規模有限，同時還不斷有新的廠家投入到頂驅研制和生產的過程中。相比進口頂驅，我們除了模仿，更應該注重頂驅技術的發展趨勢，在產品類型和功能上不斷完善，生產出更多具備現代鉆井技術的頂驅設備，滿足日益發展的鉆井市場要求。

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