哈萨克斯坦XDEC- 16井队顶驱机械事故及处理方法

孙飞（中国石油集团西部钻探工程有限公司国际工程公司，新疆 乌鲁木齐830000）

1 顶驱机械故障分析

2012年8月27 日早晨5：00点，XDEC-16钻井队下钻完毕，当班副司钻用顶驱上扣，上扣设定扭矩值23千牛米，属正常上扣扭矩范围。当启动手轮准备钻进时，发现顶驱主轴不转动。立即对系统进行全面的检查，转速显示正常，直流电压正常，但直流电流仅为8安，扭矩显示为零，动力系统不工作；液压系统正常。与此同时将故障情况向我们进行了汇报。

8 月27 日12 时到晚8 时，为避免发生井下事故，井队将钻具提至套管内。为尽快查明故障原因，我们和XDEC-16队的电气工程师进行分析会诊。从控制系统入手，对顶驱的信号采集与传递、动力的输入与输出，磁场的转换与供给等工况逐项进行了检查排除，最后将问题集中到顶驱主电机上。27日23：00点，我们打开顶驱主电机检查窗，检查电机碳刷和励磁线圈，试运转发现顶驱的转子运转正常，但主轴不工作。初步分析是顶驱电机轴出了问题，使动力不能输出，导致主轴不能转动。

28 日，我们打开顶驱齿轮箱检查传动部分的三个齿轮，发现顶驱电机轴与动力输出齿轮之间脱离。由于该传动部分结构紧凑，所处位置难以拆卸，在现场维修非常困难。我们尽自己所能日夜不停地抓紧时间抢修，争取使顶驱尽快恢复正常工作。

2 故障排除与顶驱修复

2.1 确定修复方案

结构分析：主电机和本体之间靠螺丝锁紧，相互之间不会发生位移；齿轮箱内只是过桥齿轮固定在齿轮箱底面钢板上，主动齿轮底部悬空约距齿轮箱底面的高度20毫米，横向距油底壳边缘30毫米左右。以电机主动齿轮中心线为界靠坡道方向，既无加强筋也无挡板，假如割焊，不会影响扭矩传递所需要的强度。

受力分析：电机的力矩由主动齿轮通过过桥齿轮传至顶驱主轴齿轮，而后由顶驱主轴输出。顶驱主齿轮的力矩通过上下扶正轴承传递给机壳；电机齿轮的力矩通过主电机也传递到机壳；只有过桥齿轮所承受的传递力矩通过固定螺栓传递到齿轮箱油底壳上，因此只要不伤及过桥齿轮的加强筋，采取割焊的方法是可行的。

主动齿轮内孔的上半部分为锥形结构，与主电机轴的锥形面靠预紧力相配合；内孔的下半部分为圆柱形，直径大于电机轴轴伸端外径；锥形内孔与圆柱形内孔的界面高于电机锥形轴的台阶面。如果有锁紧螺母，只能锁定到锥形轴的台阶面，而对主动齿轮起不到锁紧的作用。因此，对主动齿轮施加一定的预紧力后，再将其与电机轴焊接在一起，可以确保连接牢固，动力传递稳定。

拆除管子处理系统（背钳与旋转齿盘）；拆除通风管道的出风口。

拆除油底壳上的过桥齿轮，以方便检修。

在齿轮箱油底壳上、主电机齿轮下方割一条焊缝，以便修复主电机齿轮。

对主电机齿轮施以3000 牛顿的预紧力，然后与主电机轴点焊。

将油底壳焊缝补焊，恢复拆除的附件。

2.2 顶驱维修中几点说明

经查询，主电机轴和齿轮之间是靠预紧力配合的，并无背冒限位，之所以会造成两者之间的滑脱，是顶驱制造上的缺陷。

如果用常规维修办法进行修理，必须在拆除管子处理系统后，再拆除顶驱的旋转管汇，旋转管汇是顶驱的核心技术，安装时需要420℃的恒温热装，在井队根本就不具备这样的维修条件，因此，要想恢复顶驱工作，最好的办法是运回美国进厂维修，否则必须采取割焊的方法。

顶驱割焊之前，已经向项目领导作了汇报，我们无须征得生产厂家的同意。

修复顶驱采取的有关措施只能加强顶驱的功能，而不会影响其性能的发挥，也不可能由此引发其他故障。

割焊的齿轮箱是不承压部件，对顶驱没有任何损坏。

2.3 顶驱故障排除分析过程

拆除管子处理机构和旋转管汇之间的固定螺栓及其相连的液压管线，放掉平衡油缸的液压油，将吊环座置于旋转管汇外筒的底端，然后拆掉大齿盘的固定螺栓，使管子处理系统整体下移8英寸。

拆除通风系统出风口和保护架底部护栏，预留出足够的维修空间。

齿轮箱油底壳上拆除过桥齿轮。发现主动齿轮从电机轴上滑脱后，落在过桥齿轮固定螺栓的加强筋上，用手可以摸到电机轴输出端的螺纹。于是怀疑是主动齿轮的锁紧螺母松掉了，后来采取了用水冲、用气吹、铁丝勾、磁铁吸等种种办法，也没有找到锁紧螺母。

最终确认，主动齿轮和电机轴之间只靠锥面间的预紧力配合，并无锁紧螺母固定。

2.4 顶驱故障修复过程分析

由于传动系统之间结构十分紧凑，从过桥齿轮孔的边缘无法对主动齿轮施力或修复。沿主动齿轮的中心线横向割开齿轮箱油底壳的下端钢板。为了不影响齿轮箱的强度，在气割过程中，割缝小心地避开了过桥齿轮的加强筋以及油底壳挡板等附件。

制作模具，使用井队游锤在主动齿轮的下端对其施加3 吨的预紧力；然后沿齿轮与电机轴的接合处焊接。

割除的油底壳钢板用螺栓固定就位后，重新补焊好。清除焊渣后，先后用水、气清洁齿轮箱，然后将拆除的部件重新装回。

柴油循环清洗齿轮箱2小时。放干柴油，加入60升新齿轮油，更换过滤器。

8 月30 日19 点完成顶驱修复工作，开机试运转，空载运行一切正常；用背钳夹住保护接头，使用JS1控制钮上扣，使扭矩值达到35千牛米，顶驱也没有发现异常现象，交付井队使用。

2.5 修复后顶驱运转使用情况

9月1日凌晨，井队下钢齿钻头入井钻进（上一个牙轮钻头的30多颗牙齿全部磨掉，另外，井底还有金属落物）。刚刚修复的顶驱经受了严峻的考验，当时钻速70RPM，钻压20 吨，钻井设定扭矩15千牛米。恶劣的井底条件导致顶驱憋跳十分严重，平均每隔一个小时，就会造成一次顶驱憋停。

9 月2 日下磨鞋，9月3日下打捞桶，9月4日换牙轮钻头继续钻进，在这3天的钻井过程中，钻进设定扭矩值13千牛米，因工况不稳每日都有憋停记录。

9 月5 日15 点，在距完钻井深只剩30 米时，突然发生卡钻事故，顶驱憋停，当时钻井设定扭矩值15千牛米。在接下来的处理事故过程中，扭矩值上调到20 千牛米，上提重量230 吨。震击过程中，一边上提，一边转动顶驱，达到设定值后，顶驱不断憋停报警。

目前，事故正在处理过程中，顶驱还没有出现不正常情况，我们轮流在钻台值班，观察记录顶驱运转情况。

3 振击器使用后顶驱运作的检查

振击器是所有钻机都普遍存在的一种工具。当振击器在实际使用的过程中超出顶驱的使用范围，顶驱必须被卸掉。当使用安装振击器之后的顶驱，现场顶驱操作者的责任心和细心是非常重要的。

顶驱的安全检查是操作人员和井队非常明确的责任，必须严格检查下列部位，特别是振击之后的顶驱检查。

（1）检查连接滑块螺栓、铰链销挡板、检查插销挡板是否在位。

（2）管子处理器检查保护销、导轨螺栓是否完好。

（3）检查铰链销挡板螺栓、夹钳螺栓、钳牙挡板螺栓、扭矩背钳固定螺栓、夹钳弹簧插销是否松动。

（4）检查提升液缸/扭矩管、IBOP液缸悬挂螺母是否安全。

（5）检查管子处理器/旋转头挂钩销、对扣引鞋固定器、提升液缸止动管的销钉/开尾销、扭矩背钳螺栓、夹紧液缸活塞固定的U 形夹、夹钳液缸铰链销/固定器、吊夹连接夹钳的U-形夹/开尾销、旋转头锁紧柄上的锁紧杆、曲柄销是否完好。

3.1 IBOP执行机构

检查IBOP曲柄装配螺栓、滚子装配螺栓、检查驱动手柄销子是否完好。

3.2 电机外罩/主轴装置

检查接线盒固定螺栓是否松动，检查接线盒底座、风机底座固定螺栓是否完好，检查蓄能器夹紧螺栓是否可靠和锁紧，热交换器固定螺栓、平衡器液缸销子、平衡器联接环、电机电枢位置是否居中、TDS 底部齿轮箱、检查压力过滤器引罩是否完好、重新上紧冲管填料盒和支承螺母、主轴装置是否固定。

3.3 扭矩反作用梁

检查本体升降部分固定螺母是否可靠，旋转头处的扭矩反作用梁/固定销，本体提升部分耐磨导杆是否可靠并锁紧。

3.4 吊环

检查钩环、本体提升机构的连接螺栓、吊环基座、停止调节销钉或锁紧螺母、枢销和开尾销、用于中间停止的电缆装置、吊环连接销钉与开尾销和开槽螺母间的连接、吊卡连接夹紧U形螺栓螺母是否可靠。

4 结语

这次顶驱出现如此严重的事故与8月25日井下卡钻、井队采用振击器振击有很大关系，因此振击器振击对顶驱造成的伤害是巨大的，后续需要进一步加强对于应用振击器后的顶驱观察，及时了解顶驱的状况，减少此类事故的发生。