轻型顶驱在40L钻机上的应用实践

杨 志

中海石油国际有限公司，北京 100010

1 顶驱装置的优点[1]

顶部驱动装置首先是从海洋钻井设备中开始应用，它的使用可使钻井速度提高5%～20%，减少钻井事故，它的倒划眼功能还能为钻水平井和定向井提供了有力条件，并增加了井下复杂情况处理手段。和转盘钻井相比，顶驱装置的优点如下：

1）节省接立柱时间

用顶驱取代方钻杆、转盘，可以以立柱为单元钻进，而不是单根作业，减少了2/3的上卸扣工作量。

2）预防卡钻事故

在起下钻过程中，动力始终与钻具连接在一起，遇阻卡时可迅速旋转钻具，建立循环进行划眼或倒划眼作业，预防卡钻事故发生。

3）改善下套管作业

在下套管过程中可以实现连续灌浆；遇阻卡时可通过连接循环头实现边旋转边下放；遇砂桥情况可开泵解决。

4）降低其他作业风险

在起下钻过程中，可在井架内的任何位置迅速实现顶驱与钻具的对接、上扣和循环，这种内在的防喷能力降低了井控风险。钻进过程中也降低了方钻杆补心脱出的风险。

顶驱装置的巨大优势使得其应用范围日趋广泛，不仅仅在深井、超深井的钻进中成为必选设备，而且在海洋钻修机、陆地车载钻机、轻型钻机中也开始配置。

2 待钻井的基本情况

A1井是中海石油在缅甸C2区块的第一口预探井，设计井深2780m，预测地层压力系数1.3，地层岩性为砂泥岩剖面，上部泥岩性软，易吸水膨胀造成缩径，下部地层由于挤压应力作业易失稳造成井壁垮塌。邻井M1井在钻井作业过程中多次发生起下钻阻卡等复杂情况，并发生一起卡钻事故，造成未钻至设计井深，最终事故完钻。

2.1 钻机的选择

缅甸钻井作业最大的难点是钻井资源缺乏，钻井设备、器材等均需要从国内进口，造成动复员成本高、压力大。中石油渤钻在缅甸境内的ZJ40L钻机有作业时间窗口，该钻机2001年由兰州兰石国民油井石油工程有限公司于完成配套。为降低钻机从国内动复员的高额成本，并实现尽快开钻的目标，作业者通过评价，决定选择该钻机来进行本井的钻井作业。

2.2 加装顶驱的必要性

1）本井为预探井，本区块内仅有一口已钻井，地质情况和工程风险不清楚，从仅有的一口井井史分析，本区块的钻井作业有较大的卡钻风险；

2）海外日费钻井作业模式，综合日成本高，必须要提高作业效率，缩短作业周期，降低作业成本；

3）海外作业特别是单钻机作业情况下，必须考虑充足的设备和材料的储备，加装顶驱后水龙头、方钻杆可以作为有效的备用手段。

3 可行性分析

3.1 井架顶驱安装型式及承载能力校核

3.1.1 抗压抗扭特性分析

在传统的钻井工艺中，井架主要承受垂直载荷和横向载荷，顶驱安装后，改变了井架的受力状态，使井架还受到扭矩作用。

该40L钻机为K型井架，净空高42.5m，满足28m立柱的起下钻作业。通过对该钻机井架JJ225/42K受应力较大的杆件在受压、受扭、压扭联合作用时的载荷分析，非弦杆应力最大，在改造井架时，要注意井架上部非弦杆的配置以保证这些杆件的强度要求[2]。但整体上看，该井架能承受加装顶驱后正常钻进时所需的驱动扭矩。

3.1.2 反扭矩梁选择及承载能力校核

图1 井架背扇钢架下横梁

反扭矩梁为井架上承担钻井过程中顶驱扭矩的部件。通过厂家对井架背扇钢架下横梁（见图1）的承载能力校核，结论如下：

1）H型钢没有焊缝引起的强韧性以及应力集中的影响；

2）本身力学性能好，型钢轧制时截面上各点延伸较均匀、内应力小，承载能力大，截面稳定性好；

3）此横梁为腹板紧凑型梁，在横梁受到顶驱最大扭矩时，横梁最外层纤维受压或者受拉时的许用弯曲应力减小后强度也符合要求，强度校核是安全的。

因此，选择背扇钢架下横梁作为反扭矩梁用于顶驱安装需要。

3.2 顶驱导轨安装型式

1）增加顶驱导轨的强度和刚度，以便使顶驱工作时产生的反扭矩最大限度地传递到返扭矩梁上（见图2），这要求顶驱导轨既有相当的强度和刚度，还要满足顶驱装置上下滑行的需要，因此，顶驱导轨需采用单片对接式结构，每个单片的两边为滑道，每片之间端部采用锥销连接[3]；

图2 扭矩导轨图

2）顶驱轨道下部采用一个2.5m的支架，通过这个刚性支架，将导轨与背扇钢架连接在一起；

3）顶驱导轨的上部采用柔性联结，吊耳位于天车底座处。

图3 吊耳安装示意图

4）依靠导轨及刚性支架的刚度，将顶驱在钻井过程中的返扭矩传递到底座上。

3.3 顶驱的选择

DQ350顶驱系统由顶驱主体、液压传动与控制系统、电气传动与控制系统三大部分组成。

1）顶驱主体：包含动力水龙头、刹车机构、平衡机构、回转机构、倾臂机构、内防喷器机构、背钳等部分。主要技术指标见表1。顶驱输出扭矩－转速曲线见图4；

图4 输出扭矩曲线

2）液压传动及控制系统：顶驱的液压系统只要用于控制顶驱刹车装置、回转头马达、IBOP、背钳及倾斜臂，工作压力为14MPa，动力源位于顶驱本体上，可省去动力源到筏组的长液压管线，减少压力损失和功率消耗；

3）电气传动及控制系统：该系统主要包括传动部分、控制部分和监控部分。传动部分主要为变频传动和低压电气的直接运行两种方式；控制部分为网络控制方式；监控部分采用SIMENS OP 27图形显示屏进行监控。该系统用于操纵电磁阀换向，报警和显示，主电机转速控制和扭矩控制。主要技术指标见表2。

表2 DQ350顶驱电气系统主要技术指标

通过对顶驱性能参数和钻机设备及井架承载能力的校核，DQ350顶驱在40L钻机上安装是完全可行的。

4 经济性评价

4.1 作业效率对比

根据方钻杆钻进及顶驱钻进方式效率对比，采用顶驱方式钻进至少节约1/5的钻进时间。参照作业方案和设计，配置顶驱作业周期为63天，不配置顶驱作业周期为68天。

4.2 处理复杂情况对比

顶驱的最大优势在于方便及时的倒划眼，预防卡钻事故，提高处理复杂情况的能力。从这方面考虑，在预算编制时，采用顶驱作业不可预见费考虑10%，采用方钻杆不可预见费考虑20%。

4.3 综合成本预算对比

海外作业综合日成本较高，以不配置顶驱综合日费系数为1估算，配置顶驱的综合日费系数为1.06。两种方案的综合成本对比见表3。

表3 两种方案的工期和成本对比

配置顶驱后，综合成本预算可降低至90%。

5 应用成果

1）DQ350顶驱配置在ZJ40L钻机上后，使用独立的供电系统，作业过程中保证了有效、稳定的运转，由于更换顶驱冲管、保养等共计9小时；顶驱的安装仅用8小时；

2）配置顶驱后，有效的提高了作业效率，本井钻井周期比设计钻井周期提前了3天；

3）增强了处理井下复杂情况的能力，由于软泥岩缩径等复杂情况，划眼和倒划眼共计用时21.5小时；若没有配置顶驱，采取方钻杆作业，处理上述复杂情况，耗时将达130小时以上，即增加4天时间；

4）应用顶驱后，本井没有发生卡钻事故，有效的控制了作业过程中的井下风险；

5）本井的预算执行情况好，实际预算完成率为94.96%，顶驱的应用很好的控制了钻井综合成本。

6 结论

1）实践证明，DQ350顶驱在ZJ40L钻机上的配置是完全可行的，应用效果十分明显：有效的提高作业效率，增强处理井下复杂情况的能力，增加风险控制手段，减少事故发生率，最终实现了降低综合作业成本；

2）目前多数的小型陆地钻机和海洋修井机在配套时均没有配置顶驱，针对作业难度较大、风险较高，或者是要求特殊钻井工艺的井，顶驱的增配是行之有效的选择手段，而且将大大拓宽上述设备的使用范围；

3）轻型顶驱的安装方便快捷，对井架的改造要求较低，根据现有技术，轻型顶驱的增配易于实现；

4）随着交流变频技术的发展，电动顶驱的体积将会越来越小，适用范围也将越来越广；另外，液压顶驱的开发使用目前在国内外也较为普遍，这也是轻型顶驱发展的方向之一。

[1]赵望云.顶部驱动钻井系统[J].石油机械，1988，16(2)：39-46，38.

[2]齐明侠.三种类型的3200m钻机井架抗扭特性分析[J].石油大学学报：自然科学版，1998，22(6)：71-73.

[3]赵志丽，张天福，王正武.海洋钻修机采用顶驱装置的可行性研究[J].石油机械，2002，30(9)：34-36.