4 500 kN变频直驱顶部驱动钻井装置设计

张军巧，李美华，齐建雄，赵春晖，楚 飞，孙明寰，王洋绅

(北京石油机械有限公司，北京 102206)

顶部驱动钻井装置(以下简称顶驱)安装在井架上部，可以沿导轨上下移动，进行旋转钻杆、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井作业。它取代传统的转盘+方钻杆系统，极大减少了钻柱遇阻、卡钻等复杂情况的发生，显著提高了钻井作业的效率。顶驱是当今石油钻井的前沿技术与装备，已在陆地和海洋钻井中得到广泛应用，尤其在深井、水平井、大斜度井等高难度井的作业中显示出较高的技术先进性。随着油气勘探开发的环境越来越恶劣，难度越来越大，顶驱已成为钻深井、超深井和特殊工艺井的标配产品[1-5]。

为适应顶驱的发展趋势，降低能源消耗和生产成本，提高传动效率和可靠性，北京石油机械有限公司在充分吸收国内外顶驱先进技术和经验的基础上，采用机电融合技术，把主轴与电机进行集成，开发出由变频电机直接驱动主轴旋转的顶部驱动钻井装置(以下简称直驱顶驱)。本文介绍了该直驱顶驱的结构、特点、试验情况。

1 设计要求

1.1 遵循标准

直驱顶驱的设计既要满足正常钻井工艺的要求，还要符合相应的标准和规范要求。设计过程中遵循的主要标准有[6-9]：API Spec 8C-2012《钻井和采油提升设备规范(PSL1和PSL2)》、GB/T19190-2013《石油天然气工业钻井和采油提升设备》、GB/T 31049-2014《石油钻机顶部驱动钻井装置》、SY/T5288-2000《钻采提升设备的主要连接尺寸》。

1.2 适应环境

4 500 kN直驱顶驱需满足陆地和海洋各种钻井工况的要求。首先要考虑温度、湿度要求，使用环境温度一般为-20～50 ℃。为了提高直驱顶驱的环境温度适应能力，设计时将温度范围调整为-35～55 ℃。针对海洋环境，还要考虑防盐雾腐蚀、防爆和阻燃的要求。

2 结构组成及特点

4 500 kN直驱顶驱系统主要由动力水龙头、管子处理装置、导轨和滑车、液压系统和电气系统组成。动力水龙头包括提环总成、鹅颈管总成、冲管总成、箱体、电机、主轴等，管子处理装置包括悬挂体、吊环倾斜机构、防松装置、背钳等。4 500 kN直驱顶的本体结构如图1所示。

动力水龙头中的电机直接驱动主轴并带动钻柱旋转。管子处理装置中的悬挂体不承载时，动力水龙头可进行钻井作业；悬挂体承载时，用于起下钻作业，此时动力水龙头不可进行钻井作业。集成在顶驱本体上的液压系统，可以实现背钳的夹紧与松开、吊环前后倾和中位浮动、旋转头回转与锁紧、内防喷器打开与关闭、主电机制动与松开等功能。电气控制系统具有对顶驱的运行情况进行实时控制和监测的功能。

1—提环总成；2—鹅颈管总成；3—冲管总成；4—动力水龙头箱体；5—电机； 6—悬挂体；7—主轴；8—吊环倾斜机构；9—防松装置；10—转换接头；11—背钳；12—导轨；13—集成液压箱；14—液压泵组；15—阀块；16—散热系统。图1 4 500 kN直驱顶的本体结构

1) 提环总成中的平衡油缸一端与提环相连，另一端固定在箱体上，可自平衡，省去了提环与大钩或游车连接用的悬挂梁，缩短了顶驱本体高度。

2) 取消减速箱及其油润滑、冷却和过滤系统，由电机直接驱动主轴钻进。采用变频控制技术，变频器根据电机转速要求自动调节输出频率，从而实现无级变速，传动效率更高。密封数量更少，结构更简单，维护更方便，可靠性更强。电机与主轴同轴度好，避免了钻井过程中由于不同轴造成的各连接件之间过度磨损、振动和冲击，延长机械零件和密封件的使用寿命。

3) 主轴旋转与管子处理装置中的上浮机构互锁，钻进和起下钻时的载荷分别由主轴轴承和主轴台阶承受，保证了主轴轴承的使用寿命，减少液压管线接头，从而降低成本，提高顶驱的可靠性。

4) 管子处理装置部件可在组装好后整体安装到动力水龙头箱体的底面，模块化程度高，便于独立维护更换，制造难度低，组装工艺性好。

5) 液压源及阀块集成在顶驱本体上，占用空间小。液压源到执行机构的管线长度大幅缩短，压力损失更小，使液压控制的反应更迅速。

6) 电控系统集智能钻机接口、软转矩控制、扭摆减阻控制等技术于一体，具备安全互锁、故障诊断、实时监控、报警和自保护等功能。设计有单独的电控房，也可集成到钻机控制系统，方便顾客自主选择。人机交互操作界面包含状态显示、操作功能、数值设定、历史数据归档、自动保养和预防性维护提示等内容，显示全面、易于操作、应急处置方便。一键式操作，设置灵活，降低误操作概率，极大地提高顶驱工作的安全性和可靠性。

3 主要技术参数

北京石油机械有限公司于2020年研制出4 500 kN直驱顶驱，其主要技术参数如表1所示。

表1 4 500 kN直驱顶驱的主要技术参数

4 关键零件强度校核

驱动主轴的低速大转矩电机，以及承受顶驱额定载荷的主轴台阶都是设计的关键部位。本文仅对主轴台阶处的表面接触应力进行校核。起下钻时，载荷通过悬挂体作用在主轴台阶处，受力如图2所示。

图2 主轴台阶处受力

力平衡方程为：

F=Fi·cosα+N·sinα=N(sinα+μcosα)

(1)

式中：F为轴向力，2F=4 500 kN；α为台阶面锥角，α=60°；N为接触面上的正压力；Ft为接触面间的摩擦力,Fi=N·μ；μ为静摩擦无润滑钢间的摩擦因数，一般取μ=0.15[10]。

正压力可用接触压力和接触面积确定，即：

(2)

式中：p为表面的接触压力；A为表面积。

(3)

式中：D为锥面大径，D=258 mm；d为锥面小径，d=228 mm；L为锥面长度，L=10 mm。

将式(2)～(3)代入式(1)得：

则：

经计算得，p=313.2 MPa。主轴材料调质后的许用接触应力不小于900 MPa，则安全系数为900/313.2=2.87，符合API Spec 8C的要求。

5 样机试验

直驱顶驱样机试制完成后，在厂内进行台架试验，内容包括：主承载件静载拉伸试验、动力水龙头试验、管子处理装置试验、泥浆通道密封试验、液压系统试验、电控系统试验[6-8]。

1) 静载拉伸试验。在箱体、主轴、悬挂体这些承受主要载荷的零件高应力部位贴应变片，缓慢地施加验证载荷，而后卸载。

初始状态下、验证载荷下以及卸载后的应变值显示主承载件无屈服发生。卸载24 h后拆卸，检查各零件，没有变形和损伤，无损检测证明无影响使用的缺陷。

2) 动力水龙头运转试验。对产品进行空载运转试验、转矩加载运转试验、上卸扣和堵转试验。

试验过程噪声小，运转平稳，无异常。试验最高转速可达200 r/min，恒转矩阶段的转速为0～100 r/min，连续工作转矩值70 kN·m，松开钻柱螺纹时转矩可达105 kN·m，堵转转矩70 kN·m。

3) 管子处理装置试验。悬挂体转动平稳，吊环倾斜和中位浮动动作正确、换向平稳，能自由回到中位，内防喷器开关到位，无卡阻和冲击，无渗漏。

4) 主通道密封试验。对主轴及冲管盘根总成、鹅颈管总成在内的泥浆通道进行2个周期、压力为78 MPa、每个周期保压3 min的试验，均无可见的压力下降或渗漏。

5) 液压系统试验。对液压源、阀组和各个执行机构进行功能和联动试验。各元件工作正常，密封良好，无渗漏发生。

6) 电控系统试验。对系统功能以及显示、报警、保护和功能互锁进行试验。调节控制准确，操作灵活，显示与报警无误。

6 结论

1) 研制的直驱顶驱与传统减速顶驱相比，无减速箱和油润滑系统，传动效率高，密封数量少，无润滑油泄露风险。

2) 动力水龙头和管子处理装置可独立装配后组装，模块化程度高，生产效率高。主轴轴承只承受钻井时的载荷，起下钻时的载荷由主轴台阶承受，延长了轴承的使用寿命，缩短了顶驱本体高度。液压源和阀组集成在本体上，缩短了两者之间的管线长度，压力损失小，控制反应更灵敏。

3) 试验结果证明，整机性能稳定，启停和运行平稳，定位精确，装配质量合格，设计合理。