直驱式顶驱的研制和应用

张东海，陈 俊，蒋 谊，高 杭

（四川宏华石油设备有限公司，成都610036） ①

直驱式顶驱的研制和应用

张东海，陈 俊，蒋 谊，高 杭

（四川宏华石油设备有限公司，成都610036）①

介绍了一种利用机电融合技术设计出的新型顶驱——直驱式顶驱装置。该顶驱装置采用大功率交流变频电动机直接驱动主轴，与传统的顶驱相比取消了机械变速机构，实现了电机与机械的相互融合。国外现场使用情况表明：与传统同型号的顶驱相比，不仅明显提高连续钻井作业扭矩，并且显著降低设备使用故障率与维护强度，增强了应对钻井事故的能力。具有较强的可靠性、经济性和良好的推广前景。

直驱顶驱；机电一体化；机电融合；可靠性

顶驱装置自1982年问世以来，经过不断的改进和开发，已在海洋和陆地多种钻机装备上逐步得到了推广和应用［1－4］。顶驱可从井架上部空间直接旋转钻杆完成钻杆旋转钻进、循环钻井液、接立柱、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，可节省钻井时间20%～40%，预防卡钻事故发生，提高作业的安全性，尤其是在钻斜井和高难度定向井具有很大的优势，是当今石油钻井中前沿的技术和装备［5］。同时，由于油气勘探开发的环境越来越恶劣，难度也越来越大，为节省投资，降低开发成本，提高采收率，加快油田勘探开发速度，各油田和石油公司都将目光转向利用顶驱装置来钻深井、超深井、特殊工艺井（包括定向井、水平井、大位移井、复杂结构井以及丛式井等）。因此，国内外对顶驱装置的需求也越来越迫切［6－7］。

目前，国内外传统的顶驱装置采用机械变速传动机构，润滑和密封的故障是顶驱的最大问题之一。据美国Varco公司与Sedco Forex公司调查发现，超过40%的顶部驱动设备故障是由变速箱及其辅助设备引起的。除了变速箱的问题，以前的顶驱为了满足转速要求而降低了扭矩，这种权衡的做法在某种程度上也减小了顶驱应用的效果。新型结构的无级变速电动直驱顶驱装置是近两年钻井装备新技术发展的最新成果，在很大程度上解决了这一问题。

四川宏华石油设备有限公司（以下简称宏华）在充分吸收国内外传统机械变速顶驱经验的基础上，创造性地采用机电融合设计技术，把主载荷通道与电机结构高度集成，由电机直接驱动主轴钻进，实现无减速箱装置和齿轮润滑及冷却过滤系统，于2009－03自主开发了直驱顶驱钻井设备，成功研制生产了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ、DQ900DBZ型号的直驱顶驱，配备于4 000～12 000 m钻机。该系列直驱顶驱已经申请14项专利，其中包括4项发明专利。DQ225DBZ型顶驱在俄罗斯北方极地区新乌连戈伊苏格木油田投入使用以来，已经完钻6口定向井和7口水平井，最大连续工作扭矩达到38 000N·m，超过世界同吨位级顶驱连续工作扭矩值。该直驱顶驱维修方便，整体结构简洁，模块化程度高，提高了整机工作的可靠性，其优异的作业性能获得了客户的赞许。

1 结构和参数

1.1 基本结构

直驱顶驱主要由动力水龙头和管子处理器2大部件组成，如图1。动力水龙头系统主要包括主电机系统、主承载机构、中心泥浆通道；管子处理器主要包括背钳、旋转头、吊环倾斜装置等。顶驱辅助系统主要包括导轨、滑车、VFD控制房、PLC电控系统、液压站、司钻操作台。结构如图2。

图1 DQ450DBZ型直驱顶驱

图2 DQ450DBZ型直驱顶驱结构

1.2 技术参数

主要技术参数如表1。

2 技术优势

直驱顶驱最显著特点就是结合当今世界最前沿的机电一体化融合设计理念，将大功率交流变频电动机集成设计于动力水龙头内部，通过交流变频电机直接驱动主轴进行钻进。与国内外传统的机械变速顶驱设备相比，取消了齿轮变速传动机构。

1） 无齿轮变速箱机构和齿轮与轴承润滑油及冷却过滤系统，在传动机构中减少机械密封机构，显著降低设备故障率及维护难度，使得加工制造更易保证。

2） 减少了变速箱以及相关的润滑系统和轴承等部件，相应地减少了因变速箱的可靠性问题及其相关的轴承和齿轮故障而停机的时间。同时，直驱顶驱将电机的动力直接输出，使电机效能最大化。另外，省去了齿轮箱机构，也使得顶驱装置工作噪声降低、结构简化、维护方便。因此，不仅直驱顶驱提高了工作性能，同时还减少了维修和停机时间，解决了困扰早期设计的许多问题。

3） 主电机定子与水龙头壳体一体化设计，整机设备表面散热条件对比传统顶驱电机有很大优势。由于采用直驱电机，其体积和质量比传统的电机大，所以机械强度的裕量大，热容量也很大，再配合风机多通道强制冷却散热，电机的过载能力就很强，钻井作业时过载能力强，可输出1.5倍的钻井作业额定扭矩并且减少传动能耗损失，短时间可过载2倍以上。宏华直驱顶驱主轴输出转速为0～220 r／min，其中0～110r／min为恒扭矩调速段，110～220r／min为恒功调速段。2010年下半年，在俄罗斯穆拉夫列恩库现场作业的宏华DQ225DBZ型顶驱最大连续工作扭矩＞35 000N·m，与同规格吨位的美国NOV公司先进的TDS－10SA对比输出动力提升29%，其他型号直驱顶驱在输出动力设计上均超过国外主流顶驱设备。

表1 宏华系列直驱顶驱主要技术参数

3 特点

宏华直驱顶驱动力水龙头与管子处理系统通过主轴连接；动力水龙头的电机由转子轴、定子组成，转子轴套与中心管主轴通过胀紧装置相连，电机定子与动力水龙头外壳直接相连，管子处理器的旋转头与动力水龙头下筒体连接。

1） 动力水龙头提升系统为双载荷隔离通道。①钻井负载通道：钻进时，中心管主轴直接承受井下钻柱冲击载荷，通过轴肩法兰盘将冲击载荷传递到承力箱体，即钻柱通过中心管主轴—主轴承—提升箱体—提环—游车。②下套管和起下钻柱负载通道：吊环吊卡—旋转头吊耳—动力水龙头下筒体—提升箱体—提环—游车。虽然2个载荷通道将载荷传递到承力提升箱体上，通过提环再传递到钻机游吊系统上，但下套管和起钻柱载荷通道没有通过主轴承，这样就减轻了主轴承的负担，延长了其寿命。另外，中心管主轴设计有特殊组合轴承，不仅承受钩载也具备抗钻柱纵向振动功能。

2） 目前，国外顶驱设备锁定旋转头多采用销－孔插拔的结构型式，旋转头齿盘上圆周均布有30个夹角12°销孔。这种结构销孔对正插入几率低，需要检索对位插正，吊环前后倾斜时定位精度不高，影响钻井操作效率。宏华直驱顶驱对旋转头锁定采用齿条锁紧机构，啮合齿顶修圆设计保证100%锁定成功率，旋转头任意位置定位精度达2.1°，操作不需要调整角度。与国外主流的美国VARCO公司顶驱比较，其定位更加精确、快速。

3） 顶驱导轨装置采用快速自动定位式顶驱导轨，实现了低位打销轴、高位自动定位的目的。该导轨的安装连接只需在钻台面上就可完成，从而极大减小了装卸难度，也减少了施工人员，达到了省时省力，提高装卸效率，降低装卸成本，简化操作过程，消除在高位操作存在安全隐患的目的。同时，与需要通过液压缸来定位的导轨相比，具有免维护的特点，降低了使用成本。

4） 旋转头内部设计有组合轴承，利用深沟球轴承、滚针轴承对其径向定位，克服了承受上卸扣时产生的偏心扭力和钻柱振动冲击，有效保护了内部的动密封组件，提高了密封的使用寿命。

5） 主电机为采用油田电机使用标准设计的1台580kW（780hp）防爆型交流变频空心轴电机。在结构上使用国外进口的先进轴承、合成润滑脂和集成防潮加热器，能满足温差、湿度范围较大地区使用，抗极端气候使用能力比现有顶驱更强。同时，其模块化的设计可独立维护更换，对维护设备和场地条件要求低。

6） 液压系统集成安装于顶驱本体上，采用目前主流顶驱成熟可靠的恒压系统设计，系统反应迅速，执行机构端液压压力损失小。该液压系统全部采用进口元件和密封件，可靠性高。由于液压上无润滑系统，从根本上解决设备液压和润滑耦合带来的不同工况时载荷的不稳定，降低了设备维修时间和成本。

7） 电控系统采用德国西门子公司PLC模块对设备进行控制，该系统是在参考国外主流顶驱的基础上，结合宏华直驱顶驱特点所设计的全新控制系统，能够实现钻机与顶驱设备独立作业模式切换，具备安全互锁、故障诊断、实时监控、报警和自保护等功能，具有4个优点：①即设计有单独的顶驱VFD控制偏房，也可集成到钻机控制系统，为客户新旧钻机选择顶驱设备提供灵活的选择；②司钻操作可选择HMI人机界面控制和操作箱控制2种方式；③顶驱主电机具备悬停功能，与中心管主轴上的盘刹液压制动功能互补，极大地提高了设备在水平井作业和处理钻柱堵钻解卡的安全性；④采用进口电力模块及电缆接插件，提高了整机的使用可靠性。

4 现场应用

DQ225DBZ型顶驱在俄罗斯北方极地区新乌连戈伊苏格木油田自2010－07投入使用以来，经历了频繁的上卸扣、起下钻、下套管、固井、测井、钻柱遇阻解卡等操作，整机设备各功能均运行正常，到2010年底，已经成功完钻11口井。其中，在格木油田23号井位完钻5口定向井的作业，累计钻井深超过19 000m；在格木油田6号井位完钻6口水平井的作业，累计钻井深超过20 000m。整个顶驱系统经受住了－20℃严寒的考验，其最大连续钻井扭矩已创纪录地达到3 5000N·m。该井队也创下日钻进作业1 016m的记录，提前30d完成承包钻井合同。

该直驱顶驱通过了由四川省科技厅组织召开的四川宏华《交流变频电机直接驱动顶部钻井装置及其关键技术的研究与应用》成果鉴定会鉴定：由业内专家、教授组成的鉴定委员会考察了生产制造现场，听取了项目组所作的研制工作报告，审查了有关资料，并进行现场提问、讨论、评审等。鉴定委员会一致认为：“四川宏华直驱顶驱在石油装备领域首次提出机电融合设计理念，整体性能达到国际先进水平，同意通过鉴定。”

从现场使用情况看，与带齿轮箱的常规顶驱相比，四川宏华石油设备有限公司研制成功的直驱顶驱系统是集机、电、液于一体的新型直驱式顶驱钻井设备，采用直驱顶驱专用大扭矩交流变频电机、齿轮齿条式锁紧机构、导轨采用单销锁扣机构，具有故障点少、可靠性高、维修方便、过载能力强、适应范围宽等优点。

直驱顶驱不仅提高了钻井效率，而且节约了使用成本，可推广应用于石油和天然气勘探开发领域。同时，宏华直驱顶驱的技术突破和今后批量进入国际市场，将对提升中国石油装备在行业的地位产生积极影响，将提高中国顶驱产品在国际高端市场的竞争力。

5 结语

现场应用证明：宏华直驱顶驱不仅降低了使用故障率，进一步提高了其实用性和可靠性，同时减少了维修难度，是一种设计理念先进、设备性能完善、质量稳定可靠性高的顶部驱动钻井装置。直驱顶驱推动了AC变频感应电动机驱动顶驱的向前发展，将是电动顶驱新的发展方向。

［1］ 李荫棠.顶部驱动钻井装置在陆地石油钻机上的应用［J］.石油机械，1998，26（10）：51－53.

［2］ 侯 强，董阳阳.TD500／1000型顶驱在海洋钻井中的应用［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：71－73.

［3］ 宋路江，蔡正敏，张贵德，等.顶驱内防喷器在井控中的应用及维护［J］.石油矿场机械，2010，39（9）：89－91.

［4］ 陈如恒.破除旧观念创造新钻机（三）［J］.石油矿场机械，2008，37（5）：1－9.

［5］ 陈朝达.顶部驱动钻井装置（一）［J］.石油矿场机械，2000，29（3）：1－5.

［6］ 王洪英，叶东庆，杨海波.国外顶部驱动钻井系统的最新进展［J］，探矿工程，2005，10（4），61－63.

［7］ 李传华，刘 鹏，刘百红.浅述国外顶部驱动装置的性能与应用［J］.石油矿场机械，2008，37（7）：30－33.

Development and Applications of Direct－drive Top Drive Drilling System

ZHANG Dong－hai，CHEN Jun，JIANG Yi，GAO Hang
（Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Chengdu610036，China）

The structure of the direct－drive TDS eliminates the need for a gearbox and lubrication system compared with other ordinary TDS，which realizes the machine and electron inter－coupling.The application on site indicated that it could increase continuous operation torque，enhance the TDS capability of resolving emergency in well drilling process，and reduce the failure rate and maintenance labor intensity and time.It has very good reliability，economy and the popularization foreground in drilling rig.

TDS；electro－mechanics；direct－drive；interfused design

1001－3482（2012）01－0072－04

TE922

A

2011－07－18

张东海（1980－），男，河南周口人，工程师，硕士，2007年毕业于西南石油大学机械设计及理论专业，主要从事石油设备的设计与研发工作，E－mail：zzzdh3000＠163.com。