D Q-9 0 D B交流变频顶部驱动钻井装置结构选型研讨*

□ 张洪生 □ 路 通 □ 曹立宏

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

20世纪80年代以来，顶部驱动钻井装置逐步发展成为了世界石油采钻行业前沿技术之一。顶驱装置的出现对钻井技术的进步有巨大的影响,成为深井、复杂井钻井以及出国钻井作业的必配设备之一。而顶驱装置凭借优越的性能、适用范围极广的特点，从2 000 m到12 000 m的井深都可以使用顶部驱动钻井系统。随着现代社会对石油需求不断增加，如今石油天然气能源的开采呈现向陆地深层和深海发展的趋势，因此顶驱技术的开发和研究，对复杂地质条件下的油气田勘探开发具有非常深远的影响。

1 顶部驱动钻井装置结构

9 000 m顶部驱动钻井装置主要由以下部分组成：水龙头-钻井马达总成（关键部件）；导向滑车总成（关键部件）；管子处理装置总成 （体现最大优点的部件）；平衡系统；冷却系统；顶部驱动钻井装置控制系统；可选用的附属设备［1］。其主体结构示意图如图1所示。

2 主要技术参数

名义钻井深度：9 000 m（114 mm钻杆）；最大载荷：6 750 kN（750 t）；

▲图1 顶部驱动钻井装置结构

连续钻井扭矩：70 kN·m；

最大卸扣扭矩：125 kN·m；

转速范围：0～200 r/min

背钳夹持钻杆范围：86～216 mm；

额定功率：500 kW×2（两台交流电机）；

电源电压：600 V/AC；

3 总体方案设计

目前，顶驱在国内外的应用已经达到一定范围，顶驱技术也经过了数次更新。每个品牌的顶驱都有各自的技术优势。通过对以往国内外顶驱装置结构和使用情况的分析，对当前应用最多的各个顶驱优缺点进行比较，提出最优设计方案。

3.1 水龙头-钻井马达总成

水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件，由水龙头、马达和减速箱组成。

3.1.1 马达（电机）选择

根据顶部驱动装置的驱动形式区分，目前市场上在用的和正在生产的顶驱，有液压驱动和电驱动两大类型。在电驱动顶驱中，又可分为直流（AC-SCR-DC）电驱动和交流变频（AC-SCR-AC）电驱动两种形式［2］。在交流变频电驱动中，根据电机类型又可分为交流变频感应电动机驱动和交流变频永磁电动机驱动两种形式。实际上可以分为4种驱动形式的顶驱，见表1。

表1 4种驱动形式的优缺点

相比较而言，交流顶驱在性能上的优点是：1）更高的扭矩范围和更宽的转速范围；2）维护费用低；3）零转速时的扭矩高，且可以有效制动；4）安全性好；5）更小的整体尺寸和更轻的重量；6）精确的速度和扭矩控制。

由于国内永磁电机方面的技术还不能满足顶驱应用要求，并且目前顶驱的主流应用还是以交流 （ACSCR-AC）变频感应电动机驱动形式为主，因此，选用以交流变频感应电动机驱动形式的顶驱。

3.1.2 计算

钻井深度：9 000 m，即L=9 000 m；选用7 in钻头钻进。

1） 钻头破碎岩石需要的功率 N1［3］：

式中 ：K为摩阻因数，取0.15；n为转速，取200 r/min；D头为钻头直径，取17.8cm；W为钻压，取28 t。

由式（1）得：

2）旋转钻杆所需功率N2：

式中：γ为泥浆密度；L为钻柱长度，取9 000 m；n 为动力输出轴转速，取 200 r/min；L′=9 km。

由式（2）、（3）得：

3）电机所需总功率N总：

式中：KN为功率储备系数，取1.2。

由式（4）得：

该功率即为所选电机功率。参考国内DQ70系列顶驱电机功率值，选定两台电机功率均为500 kW，相对输出轴来说，即总功率为1 000 kW。

3.1.3 水龙头总成设计

水龙头总成集合了转盘钻井装置中的几个功能，其中的冲管总成是整个顶驱静止部分和旋转部分的一个连接件。通过水龙头总成的泥浆通道，可以在钻进过程中注入泥浆至钻柱内。水龙头总成的主止推轴承位于变速箱内部的大齿圈上方，上部台阶坐在主止推轴承上，可以支撑钻柱负荷。主轴和鹅颈管之间有一个冲管总成，用来完成静部和动部的连接。冲管总成外部有支承座，把鹅颈管的重量传递给齿轮箱箱体。钢质的水龙头提环连接在顶驱本体上，可以使水龙头相对变速箱垂直移动。这种布置使主要部件的受力最小化，由箱体承载并传递给井架，提高了系统的安全性和可靠性。

水龙头总成属于标准的成型产品，国内外都有厂家对此进行单独开发和制造。本设计中，为使设备具有更好的通用性，使用通用的水龙头总成。水龙头总成结构示意图如图 2 所示［4］。

3.1.4 减速箱设计

为获得大扭矩，顶驱装置一般都有减速（变速）箱装置，采用单速或双速齿轮传动。较早的顶驱装置采用直齿圆柱齿轮传动，目前国外大多数 500 t以上顶驱采用噪声小，使用寿命长的斜齿轮传动。

▲图2 水龙头总成结构图

TDS-11SA顶驱传动箱和水龙头总成内部是单级双减速齿轮系统，从电机到主轴的减速比为10.5∶1。轴承和齿轮由一个安装在箱体上的油泵强制润滑。一个低速液压马达驱动油泵，过滤后的润滑油通过主支撑轴承、扶正轴承、小齿轮和复合齿轮轴承及齿轮的齿面连续循环。油热交换是空冷式，传动箱上安装有油位指示器可监视油面高度。

IDS-1顶驱传动箱和水龙头总成内部是行星齿轮减速系统，从电机到主轴的减速比为 6.0∶1。而CANRIG 1050E顶驱除了一个双级减速系统外，还有一套增扭器装置，用于上卸扣时增加辅助的扭矩。轴承和齿轮的润滑采用浸入和飞溅方式。

DQ70BS顶驱传动箱和水龙头总成内部是二级齿轮减速系统，传动比大（10.5∶1），两对齿轮均为斜齿轮，硬齿面，传递扭矩大，噪声小，以适应崩扣时大扭矩的要求。所有轴承均采用SKF轴承，抗振动冲击。润滑系统采用摆线齿轮油泵强制润滑，由一个主电机输出轴驱动，正反转都可输出润滑油［5］［6］。

本设计采用展开式二级减速斜齿轮系统，使传动更加平稳，而且，此减速系统结构简单，便于维护和修理。减速系统示意图如图3所示。

▲图3 减速箱示意图

3.2 管子处理装置总成

管子处理机主要用来取送钻杆和进行上卸扣作业，它可以在任意位置通过液压马达实现上卸扣功能，管子处理机最能体现出顶驱钻机的先进性与优越性。管子处理机装置为钻杆钻进作业服务，是顶驱装置的重要组成部分。它由旋转机构、背钳、吊环取送机构等组成。

本文主要研讨确定管子处理装置核心部件背钳的结构，结合目前国内外顶驱装置采用的背钳产品进行详细对比，选择最优方案。

3.2.1 环形背钳和侧挂式背钳的比较

国内外的背钳产品主要有环形背钳和侧挂式背钳两种形式，由于环形背钳的结构中心和顶驱装置的旋转中心相同，所以环形背钳能够实现结构的自动对中功能，而不需要设计定心扶正机构，简化了背钳系统的机械结构。但是环形背钳有一个天生的缺陷就是维护和保养十分不便，钻机大多数时间是在非常恶劣的条件下工作，所以顶驱钻机的各个设备的故障率都很高，这就要求工人经常对各个设备进行必要的保养，而侧挂式背钳可以很好地解决这个问题。侧挂式背钳只要拆掉背钳外壳之间的连接销就可以打开背钳体，方便更换钳牙，使维修变得简单易行，背钳体还可以滑动以拆装保护接头、手动和自动防喷短节［7］。

3.2.2 背钳的选择

本设计采用侧挂式背钳，为双向浮动式液压背钳,主要用于夹紧钻杆接头，实现钻杆与顶驱保护接头上卸扣的功能。还可以上下滑动以拆装保护接头、手动和自动防喷短节。其特点是：可以上下移动到指定的工作位置，并在该位置固定后上下双向浮动，拆卸保护接头和防喷短节易于操作。上卸扣时背钳可以随螺纹旋合时的轴向运动而上下移动，可以在螺纹旋合时防止螺纹牙形的损坏，延长钻杆使用寿命。该背钳牙座为敞开式，两半扶正环径向浮动可以导向，牙板和液压大钳的牙板可以互换使用，使得该背钳现场使用、维护方便，尤其在检修或更换IBOP（内防喷器）时简单快捷，大大减化了系统结构，并减少了机械故障几率及检修费用，侧挂式背钳结构示意图如图4所示。

▲图4 侧挂式背钳结构示意图

▲图5 导向滑车总成

3.3 导向滑车总成结构

这一总成的主要作用是承受顶驱工作时的反扭矩，并将扭矩通过导轨传递给井架。早先这一总成是一个马达支架，上面带有滚动装置，与导轨相连，整个顶驱在马达支架的约束下在导轨上面上下来回运动。当前，顶驱这一总成采用导向滑车的结构形式，导轨上部用U形环与天车底梁后耳板向量，下部直接与井架扭矩梁相连，将扭矩传递到井架下部，避免井架上部承受扭矩，结构示意图如图5所示。

顶驱减速箱体连接滑车，滑车被穿入导轨与导轨连接，顶驱随着滑车在导轨上面上下活动，结构简单合理，给顶驱的安装维护带来很大方便。

4 技术特点

采用交流变频技术，双电机一对一控制，转速控制和转矩控制自动切换，实现了在额定转矩下连续堵转运行，提高了顶驱系统应对井下复杂工况和事故处理的能力。使用通用的水龙头总成，备具有更好的通用性；采用展开式二级减速齿轮系统，传动更加平稳，结构简单，维修方便，通用性更好；背钳只需要能够实现卡紧功能即可，无需卡紧后的旋扣动作，钳头处机构原理比较简单，安装、维修方便。

［1］ 陈朝达.顶部驱动钻井装置（二）［J］.石油矿场机械,2000,29（3）:1-5.

［2］ 白新海.顶部驱动钻井装置性能评述［J］.机械设计与制造,2009 （2）:261-263.

［3］ 陈朝达.顶部驱动钻井系统［M］.北京:石油工业出版社,2000.

［4］ 陶涛.7000米顶部驱动钻井装置设计计算［D］.东营:中国石油大学,2011.

［5］ 沈泽俊,白光利,邹连阳，等.DQ-70BS交流变频顶部驱动钻井装置［J］.石油机械,2005，33（2）:39-41.

［6］ 邹连阳，刘广华，李一心，等.DQ40BC交流变频顶部驱动钻井装置研制与应用［J］.石油机械,2006,34（11）:41-43.

［7］ 效志辉.钻井顶驱系统背钳机构研究.［D］.长春:吉林大学,2012.

［8］ 梁应红,王中杰,张亚强，等.Tesco液压顶部驱动装置的优点及现场应用［J］.石油矿场机械,2005,34（4）:81-83.