頂驅可浮動增扭旋轉頭裝置及其控制方法

摘"" 要：隨著鉆井自動化的逐步推廣與深入發展，頂驅配套液壓吊卡已成為必然選擇。在已有的頂驅結構上配套液壓吊卡后，旋轉頭與內套之間的旋轉密封數量成倍增加，使得旋轉阻力成倍增大，導致旋轉頭旋轉困難甚至無法旋轉。從鉆井裝備緊湊化和模塊化的發展趨勢出發，通過對井架空間、頂驅功能和結構進行研究，研制了一種新型可浮動的增扭旋轉頭裝置及其控制方法，包括可浮動旋轉頭、減速增扭裝置、液壓控制回路3個模塊。采用液壓方式，實現遠程操控旋轉頭的浮動。設計了二級齒輪傳動，獲得了所需的轉速和轉矩。廠內和現場試驗結果表明，旋轉頭裝置縮短了頂驅本體高度，在配備液壓吊卡情況下轉動穩定自如，鉆井工況旋轉頭自動懸浮，起下鉆工況旋轉頭下沉到位。研究結果可為單負荷通道頂驅旋轉頭懸浮結構和多油道旋轉頭旋轉裝置設計提供參考。

關鍵詞：頂驅;旋轉頭;浮動;增扭;控制

中圖分類號：TE923""""""""" 文獻標志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.010

文章編號：1001-3482（2025）01-0062-05

收稿日期： 2024-07-20

基金項目： 中國石油集團工程技術研究院有限公司科學研究與技術開發課題（CPET202206）。

作者簡介： 張軍巧（1971-），女，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要研究方向為石油鉆機的頂部驅動技術，E-mail：zhjq66666@163.com。

A Floatable Torque-Increasing Rotary Head Device and Its Control Method

ZHANG Junqiao1，QI Jianxiong1， XIE Hongfeng1，SU Feiyu2，ZHU Pan1，ZHANG Shuyao1

（ 1.Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Beijing 102206，China ;

2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116000，China）

Abstract：With the gradual promotion and in-depth development of drilling automation， top drive matching hydraulic elevators has become an inevitable choice. After matching the hydraulic elevator on the existing top drive， the number of rotating seals between the rotary head and the center pipe is doubled， which makes the rotating resistance double， resulting in the rotary head is difficult or even impossible to rotate. Therefore， based on the development trend of compact and modular drilling equipment， a new type of floating torque-increasing rotary head device and its control method have been developed by studying the derrick space， top drive function， and structure. The device consists of three modules： a floating rotary head， a deceleration and torque-increasing device and a hydraulic control circuit. The floating of the rotary head can be remotely controlled by the hydraulic method. A two-stage gear drive has been designed to achieve the required speed and torque. The results of in-house and field tests show that the rotating head device can shorten the height of the top drive， rotate stably and freely when equipped with a hydraulic lift， and automatically float the rotating head in the drilling state and sink it in the triggering state. The research results can provide a reference for multi-circuit single load channel top drive rotary head floating device.

Key words： top drive;rotating head;floating;increasing torque;control

頂部驅動鉆井裝置（簡稱“頂驅”）主要由動力水龍頭、管子處理裝置、電氣傳動與控制系統、液壓傳動與控制系統等組成，能驅動鉆柱旋轉并具有旋緊或松開鉆柱接頭的功能，可以沿導軌上下移動，完成鉆井作業[1-4]。

旋轉頭裝置為頂驅上管子處理裝置的一部分，為起下鉆作業服務的。動力驅動后繞主軸做正反兩個方向360°（或只旋轉一定的角度，在一些小噸位的頂驅上有時會取消旋轉功能，但大部分頂驅具有該功能）運動，進而帶動連接于旋轉頭兩側吊耳的吊環及吊卡轉動。為適應去小鼠洞抓取單根，或對準二層臺的立柱，或將吊環及吊卡轉至某一位置，使頂驅本體在鉆井時有一個較開闊的空間，不影響頂驅鉆進，旋轉頭旋轉速度通常設定為3 ～6 r/min[5-7]。

隨著液壓吊卡的應用普及，旋轉頭設計需預留液壓吊卡旋轉油道及密封槽，以實現對吊卡液壓系統的持續供壓。由于油道和密封的增加，旋轉頭要想正常旋轉，就必須克服成倍增加的油道和密封帶來的旋轉阻力，僅通過增大驅動壓力的方式，無法滿足頂驅功能要求。若通過增加動力數量的方式，則與鉆井裝備緊湊化和模塊化的設計趨勢不符。為了滿足頂驅配備液壓吊卡的需要，同時達到減小頂驅高度的目的，設計了新型旋轉頭裝置。通過采用單負荷通道，減少了旋轉頭內部軸承數量，優化了旋轉頭結構，從而縮短了旋轉頭高度，降低了旋轉頭加工難度。液壓浮動設計滿足了不同工況旋轉頭上下移動及承載的需要。二級齒輪傳動設計降低了旋轉頭轉速，增大了旋轉扭矩，滿足了液壓吊卡的使用。該裝置有效地解決了在空間受限的情況下，提高旋轉頭扭矩、縮短頂驅高度的問題。

1 常規旋轉頭裝置

旋轉頭裝置具有旋轉、承載和提供相關液壓油道的功能。旋轉頭裝置在起下鉆過程中，頻繁受拉伸沖擊載荷作用，為保證能承受頂驅額定工作載荷的作用，旋轉頭內部設計有軸承組。常規旋轉頭裝置由旋轉頭、內套、液壓馬達、軸承組、一級齒輪副、吊環等組成，旋轉頭裝置如圖1所示。

2 新型旋轉頭裝置關鍵技術

2.1 承載通道的確定

旋轉頭裝置按承受工作載荷的方式分兩種：①由旋轉頭內部的軸承組承受;②沒有承載軸承，將承受的力傳遞到主軸上。前者為雙負荷通道，即在鉆井過程中，主軸與井下鉆柱相連，載荷通過主軸及主軸承傳遞到箱體上，并承受鉆井過程中的全部載荷。在起下鉆過程中，需要連接或拆卸鉆桿，此時鉆具的載荷通過吊環吊卡機構作用到旋轉頭上，再通過旋轉頭內的軸承組以及內套將載荷傳遞到箱體上，而不再通過主軸和主軸承。這種方式可延長主軸及主軸承的使用壽命，但也增大了頂驅本體高度以及旋轉頭的尺寸和重量。后者為單負荷通道，。無論鉆井還是起下鉆作業，鉆柱載荷均作用到主軸上，主軸將載荷通過軸承傳遞到箱體上。這種方式可減少旋轉頭內的軸承數量及其配套結構的尺寸，降低旋轉頭的加工難度，易于將動力水龍頭和旋轉頭裝置設計成獨立模塊。但主軸的受力情況不如雙負荷通道。結合井架空間要求，以及滿足顧客對頂驅技術參數、尺寸與重量的規定，對比分析兩種承載通道結構及優缺點，確定采用單負荷通道結構，達到簡化旋轉頭結構、縮短頂驅尺寸的目的。

1-內套; 2-液壓馬達;3-小齒輪; 4-大齒輪;

5-旋轉頭; 6-吊環。

2.2 浮動方式的確定

對于單負荷通道頂驅，鉆井作業時，旋轉頭與主軸要脫離，起下鉆時，旋轉頭要作用在主軸上，因此，當主軸旋轉時，旋轉頭應能浮動且與主軸互鎖。

旋轉頭的浮動可采用機械和液壓兩種方式。機械方式可通過彈簧來實現，這種方式易安裝、價格低，但彈簧長期處在交變載荷作用下，使用壽命和使用效果會隨著彈簧性能的變化產生重大影響，易產生變形和疲勞失效。液壓方式通常采用密閉柱塞缸實現加壓懸浮、泄壓下沉，相對彈簧的懸浮方式，具有反應快、耐用、可調可控的優點，往復使用時穩定性好，不會造成疲勞失效，但結構較復雜，價格較高。考慮鉆井現場惡劣的使用環境、復雜工況、鉆井成本、鉆井效率、頂驅裝置以及旋轉頭維護更換等各種因素的實際情況，確定采用使用壽命長、使用性能穩定的液壓浮動方式。

2.3 增扭結構的選擇

增大液壓馬達輸出轉矩可以通過調節系統工作壓力、油液流量、馬達排量、增加馬達數量、以及多級齒輪副傳動等方式實現。由于設計之初，液壓馬達的裝配空間已經約束，更換較大排量的馬達、以及增加馬達數量存在很大困難。有些用戶技術協議中明確了液壓系統的額定工作壓力和額定流量，且增大系統壓力和流量，將增加系統能源損耗，影響密封效果，產生的液壓沖擊，易造成液壓馬達內部零部件的損傷和磨損，對系統的可靠性和穩定性產生不利影響。因此，只能采用二級齒輪降速增扭的方式來實現旋轉扭矩的增大。

2.4 新型旋轉頭裝置

2.4.1 結構組成

通過上述分析，確定了二級齒輪減速增扭、液壓浮動形式的單負荷通道旋轉頭裝置，主要由箱體、內套、第一齒輪副、第二齒輪副、旋轉頭、承載托件、擋板、主軸等組成，如圖2所示。液壓馬達驅動二級齒輪副、進而帶動旋轉頭旋轉，旋轉頭既可繞內套旋轉，也可以沿內套軸向方向上下移動。在鉆井時，旋轉頭脫離主軸旋轉，處于懸浮狀態，鉆柱、鉆井工具等相關大噸位載荷由主軸承受，示意圖如圖2a所示。在起下鉆時，旋轉頭在鉆柱重力作用下下沉，將受到的載荷通過承載托架傳遞到主軸上，依然由主軸承受大噸位載荷，實現了主軸單負荷的功能，旋轉頭下沉狀態如圖2b所示。

2.4.2 承壓腔

承壓腔由內套、大齒輪、上部密封件、中部外密封件、隔離環、中部內密封件、擋環及相關油道、輔件等組成。當液壓油進入該密閉承壓腔時，就會推動第二齒輪副大齒輪及旋轉頭、擋板等組件沿內套向上懸浮，使旋轉頭組件脫離承載托件，在主軸旋轉的情況下，不影響旋轉頭組件的靜態位置。當液壓油流出承壓腔返回油箱時，旋轉頭組件在重力作用下下移座落到承載托件上。

2.4.3 增扭裝置

二級齒輪減速增扭裝置包括支架、液壓馬達、第一齒輪副、銷軸、第二齒輪副及相關輔件等組成，如圖2所示。支架與箱體連接，液壓馬達、第一齒輪副、銷軸、第二齒輪副主動齒輪等均連接到支架上，支架承受這些零部件的重力和齒輪副旋轉扭矩。其工作過程為：液壓馬達驅動第一齒輪副、第二齒輪副運轉，第二齒輪副大齒輪驅動旋轉頭繞內套轉動，實現了增加旋轉密封情況下，旋轉頭自由旋轉的功能。在旋轉頭組件懸浮、下沉過程中，二級齒輪副配合齒輪要滿足時時嚙合的需要，所以齒輪副相對齒輪的厚度不同，且為可上下移動的直齒結構。

1-箱體; 2-內套; 3-第二齒輪副大齒輪; 4-承壓腔;

5-旋轉頭; 6-軸承; 7-承載托件; 8-主軸; 9-擋板;

10-第二齒輪副小齒輪; 11-液壓馬達;12-第一齒輪副大齒輪;13-第一齒輪副小齒輪; 14-承載支架; 15-銷軸。

2.5 旋轉頭浮動液壓控制

液壓管路的設計不但滿足頂驅的功能和性能，還要適應石油鉆井的復雜工況，充分考慮鉆井工藝和現場環境因素，做到在實現功能的基礎上盡可能簡單[8-12]。利用壓力的傳遞性，通過液體介質的靜壓力來傳遞能量，使各個液壓元件產生力和運動，將液壓能轉化為機械能，遠程控制旋轉頭裝置的懸浮和下沉，其旋轉頭浮動液壓控制原理如圖3所示。

當換向閥得電時，液壓油經減壓閥、換向閥等進入密閉承壓腔，高壓液壓油推動大齒輪、旋轉頭、擋板等組件沿內套向上懸浮，使旋轉頭組件脫離承載托件，在主軸旋轉的情況下，不影響旋轉頭組件的靜態位置，此時可進行鉆井作業。當換向閥失電后，旋轉頭組件在重力作用下下移座落到承載托件上，液壓油經換向閥返回油箱，旋轉頭組件通過承載托件將其及其所附帶載荷作用到主軸上，此時可進行起下鉆作業。

1-減壓閥; 2-換向閥; 3-測壓節點; 4-密封承壓腔。

承壓腔的結構及狀態如圖4所示，懸浮狀態時，如圖4a所示，下沉狀態時，如圖4b所示。

3 試驗

樣機試制完成后，在廠內進行了臺架試驗，而后在某油田進行了現場試驗。試驗內容包括：旋轉頭旋轉試驗、旋轉頭各油道靜壓試驗、旋轉頭各油道動壓試驗、主軸旋轉與旋轉頭浮動機構互鎖試驗[13-15]。

1） 旋轉頭旋轉試驗。啟動液壓源，操作旋轉頭正、反向旋轉。液壓馬達運轉平穩。旋轉頭速度可調節，轉動順暢、無卡阻現象，換向時無沖擊。

2） 旋轉頭各油道靜壓試驗。對旋轉頭上各油道分別進行1.5倍額定工作壓力、保壓5 min，壓力穩定，無滲漏現象。

3） 旋轉頭各油道動壓試驗。對旋轉頭上各油道分別施加額定工作壓力，驅動旋轉頭正、反向旋轉各5 min，旋轉頭正、反向轉動平穩，壓力穩定，無滲漏現象。

4） 主軸旋轉與旋轉頭浮動機構互鎖試驗。主軸旋轉時，旋轉頭可沿內套向上運動，脫離主軸;主軸靜止時，旋轉頭沿內套向下移動，下沉作用在主軸上。

4 結論

1） 采用液壓浮動缸的形式控制旋轉頭的懸浮與下落，使主軸旋轉和旋轉頭浮動互鎖，操作簡單，提高了頂驅的安全性和可靠性。

2） 采用單負荷通道結構，減少了旋轉頭內的軸承及其配套結構的數量，減輕了旋轉頭的體積和質量，降低了旋轉頭的加工難度和制造成本，縮短了整機高度。

3） 動力水龍頭和旋轉頭裝置進行模塊化設計，可獨立裝配后再進行組裝，生產效率高，便于后續的拆裝和維護。

4） 二級齒輪降速增扭裝置，將液壓馬達的輸出扭矩進行增扭處理，滿足頂驅配套液壓吊卡的情況旋轉頭正常旋轉的需要，解決了安裝空間限制情況下，無法更換大馬達的問題。

5） 試驗結果表明，整機性能穩定，啟停和運行平穩，控制精準，裝配質量合格，設計合理。

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（編輯：韓睿超）