【7A文】顶部驱动钻井系统.ppt

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顶部驱动钻井系统 顶部驱动钻井系统内容概要第一节顶部驱动钻井系统发展概况第二节顶部驱动钻井系统的特点第三节顶部驱动钻井系统的基本构成第四节AC变频顶驱系统简介 顶部驱动钻井系统（TopDriveDrillingSystem）顶部驱动钻井系统——简称顶驱系统（TDS）它是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。组成：——顶驱系统＝常规水龙头＋钻井马达＋钻杆上卸扣装置（管柱处理装置），功用：——顶部驱动钻井装置从上部直接旋转钻柱同时沿井架内专用导轨向下送进可完成旋转钻进、倒划眼、循环钻井液、接钻杆（单根、立根）、下套管和上、卸管柱丝扣等各种钻井操作。 顶驱与常规钻机的区别常规钻机—转盘驱动方钻杆转动—带动钻具及钻头的旋转。在方钻杆的方入钻完后，必须将方钻杆全部起出转盘面，卸开钻杆与方钻杆的丝扣，“插入”一根新钻杆——继续钻进。顶驱装置—相当于转盘和水龙头的组合设备，旋转钻杆的动力是从钻具的顶部（即水龙头处）直接施加的。顶驱装置相当于—动力水龙头这样，就取消了方钻杆，而直接驱动钻杆，转盘也就不需要转动了，只是作为支撑钻具（或套管等入井工具）的平台了。顶驱在工作时，所产生的反作用扭矩通过立于井架内一侧的导轨，传到井架大腿的底部。不同于井下动力钻具 第一节顶部驱动钻井系统发展概况顶驱钻井系统是20世纪80年代以来钻井设备发展的四大新技术之一四大新技术—顶驱、盘式刹车、液压钻井泵、AC变频驱动。顶驱钻井系统突出的优点：可节省钻井时间20~25%可大大减少卡钻事故可控制井涌，避免井喷用于深井、超深井、斜井及各种高难度的定向井钻井时，其综合经济效益尤为显著 顶驱钻井系统的发展概况第一台顶驱钻井系统1982年问世，由美国Varco公司研制。顶驱钻井系统研制国继美国之后—法国、挪威、加拿大、中国相继成功地研制了顶驱钻井系统。顶部驱动钻井系统的驱动型式：一是液马达驱动，二是电动机驱动。80年代，电驱动广泛采用的是AC-SCR-DC驱动，即第三代电驱动型式。80年代中期—挪威人首先将交流变频电驱动引入顶驱钻井系统，将AC-SCR-DC驱动型式的可控硅整流控制系统SCR和DC电动机改成变频调速系统和AC电动机，研制成功AC变频顶驱系统。AC变频顶驱系统，是第四代电驱动型式。 AC变频顶驱系统AC变频顶驱系统在钻井性能、钻井扭矩、速度的精确调节、钻井经济性与安全性等方面都优于AC-SCR-DC顶驱钻井系统，开创了顶驱钻井系统发展的新阶段。此后，美国、加拿大等国都相继研制了AC变频顶驱系统，并开发了新产品。90年代，AC变频顶驱系统占据了主导地位。 顶部驱动钻井系统的使用量目前全世界已生产顶驱1000多台，占钻机数量的10%以上，近年来，在石油钻井市场萧条，钻井装备发展缓慢的情况下，顶驱的生产、销售、使用却一直保持着上升趋势。 我国顶部驱动钻井系统情况我国从90年代中期开始引进顶驱，在海洋石油钻井平台上使用较多，部分陆上油田也相继引进使用。1997年2月我国第一台电动顶驱钻机DQ60—D，通过部级鉴定，98年又研制出两台轻便顶驱钻井系统。目前部分油田顶驱钻井系统配套情况见表1。 表1部分油田顶驱配套情况表油田厂家型号数量胜利海洋VARCOIDS-13MHPTD2X3551胜利塔里木DQ601塔里木NATIONAL1CANRIG1050E1辽河VARCOIDS-12TESCO500EC1吐哈VARCOTDS-9S1大港VARCOIDS-11河南VARCOTDS-9S1新疆TESCO1VARCOTDS-9S1华北TESCO2大庆CANRIG6025E2注：本表为2001年统计数据 本节结束语二十多年来，具有独特优点的顶驱钻井系统，在全世界油气勘探开发领域中发展迅速，不仅遍及海洋钻机，而且在陆地深井、超深井、从式井及各种定向钻井中也获得了广泛的应用。 第二节顶部驱动钻井系统的特点顶部驱动钻井系统旋转钻井和转盘—方钻杆旋转钻井相比，具有下述主要特点：1．直接采用立根（28m）钻进，节省了三分之二的钻柱连接时间。2．起下钻时，顶驱钻井系统可在任意高度立即循环钻井液，实行倒划眼起钻和划眼下钻，大大减少了卡钻事故。3．顶驱系统具有遥控内部防喷器（IBOP），钻进或起钻中如有井涌迹象，可即时实施井控，大大地提高了在复杂地层、钻井事故多发地区钻井的安全性。 4、顶驱系统以28m立根钻水平井、丛式井、斜井时，不仅减少了钻柱连接时间，还减少了测量次数，容易控制井底马达的造斜方位，节省了定向钻井时间，提高了钻井效率。5．顶驱系统配备了管柱处理装置，实现了钻杆上卸扣操作的机械化，快速便捷、安全可靠。不用转盘、方钻杆，避免了接单根钻进的频繁常规操作，不仅节省了时间，且大大减轻了钻井工人的体力劳动强度，大大地减少了发生人身事故的概率。6．顶驱系统以28m立根进行取芯钻进，改善了取芯条件，提高了岩心质量。 第三节顶部驱动钻井系统的基本构成钻井马达—水龙头总成组成：钻杆上卸扣装置（或称管柱处理装置）导轨—导向滑车总成。前两者是系统的主体，后者是辅助支持机构类型：（按驱动马达的特点）液马达顶驱系统AC-SCR-DC顶驱系统AC变频顶驱系统三者的区别仅在于驱动马达的不同，它们分别是液马达，直流电动机，交流电动机，而在结构组成上没有根本上的区别。 Varco公司TDS—11SA顶驱钻井系统的基本构成如图1和图2所示，TDS-11SA顶驱钻井系统主要有下列总成和部件组成。电机部分和水龙头总成电机冷却系统滑动架和导轨HP-50管子处理系统液压控制系统平衡系统交流钻井电机和控制系统 一、电机部分和水龙头总成该总成由三大部分组成：变速箱和水龙头部分整体式水龙头总成钻井电机和制动器。 1、变速箱和水龙头部分如图2和图3所示该装置包括：本体和传动箱电机小齿轮(2)—34齿;复式齿轮(2)—63×18齿;大齿轮—102齿;主驱动轴整体式水龙头总成润滑系统双级减速的单速斜齿齿轮传动，电机到主驱动轴的传动比为10.5:1。本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主止推轴承和径向轴承罩在其中。 2、整体式水龙头装置如图2和图3所示：本体和传动体装置部分形成一个密闭的润滑油室，润滑齿轮和轴承。主轴和鹅径管之间装有一标准冲管盘根总成。冲管盘根总成由电机罩体支撑并同齿箱连接，以增加水平支撑。锻制合金钢水龙头提环采用销钉固定在本体上，并与标准钻井大钩相联。可以使用加长的水龙头提环，以便在鹅径管和大钩之间留出足够的空间，方便操作人员加装电测盘根装置。 3、钻井电机和制动器如图4所示：TDS-11SA的动力为两台350马力(或400马力)交流钻井电机（如图1所示）。电机并排垂直安装在传动齿轮箱箱盖上，每台电机都有一个双端轴，轴下端安装传动小齿轮，制动器安装在轴上端。电机顶部装有液压盘式制动器，盘式夹紧制动器可以在定向钻井作业中辅助钻柱定向。制动器可由司钻控制台遥控控制。 二、电机冷却系统如图5所示：TDS-11SA的电机冷却系统为一就地吸气式离心鼓风机，配备有两台安装在钻井电机顶部的5马力交流电机。冷却系统经过制动器底部抽进空气，再经刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口，进入开放型钻井电机内部，最后从钻井电机的百叶窗风口排出。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。 三、滑动架和导轨如图2和图6所示：TDS-11SA顶驱钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑动架沿悬立式导轨游动。导轨悬挂在天车上，并一直延伸到距钻台8英尺（2.44米）处。在此与安装在井架下部的扭矩反作用梁相连。钻井的反作用扭矩通过滑动架作用到导轨上，再由扭矩反作用梁传到井架大腿上。导轨可分成20（6.1米）英尺一段（132磅/英尺）并悬挂于天车的孔板内。导轨各段用销子固定在一起，采用这种铰链连接是为了方便安装。 四、PH-50管子处理装置管子处理装置也称为钻杆上卸扣装置，现代化顶驱系统，将钻井马达和钻井水龙头相结合，除具有转盘和常规水龙头钻杆上卸扣装置功能之外，更为重要的是：发展了钻柱上卸扣技术，研制了结构新颖的钻杆上卸扣装置，或称管柱处理装置，实现了钻柱连接，上卸扣操作机械化。钻杆上卸扣装置一般由动力旋转头、吊环连接器、吊环倾斜机构、保护接头和卸扣背钳（或称扭矩扳手）组成。如图7和图8所示： 五、液压控制系统如图9所示：液压控制系统安装在顶驱上，可提供全部液压动力，这样就不需要其他的液压管汇。液压控制系统由性能可靠的标准件组成，用来控制和操作下列装置：平衡系统；交流电机制动器；润滑系统；动力旋转头；遥控式内防喷阀；扭具背钳；吊环倾斜装置。液压控制系统配备了一台功率为10马力、转速为1800转/分的交流电机，驱动两个液压泵。一台定量式油泵，一台变量式油泵。 整体式液压管汇安装在顶驱本体上，其中装有方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。用来控制液压系统中液体的压力、流量的大小和液体的流动方向。液压油贮存在一个无缝不锈钢油箱内。这样，在钻机搬迁时，不需要将液压油抽干和重新加满。油箱安装在两台钻井电机之间，配有过滤器和油面观测计。内防喷阀、压力控制阀和平衡系统均由液—气动蓄能器启动。 六、平衡系统如图10所示：平衡系统的主要作用是防止在使用顶驱上卸钻杆丝扣时损坏接头丝扣。其功能相当于大勾补偿平衡弹簧。平衡系统由两个液缸及连接件、液压蓄能器和液压管汇组成液缸安装在整体式水龙头吊环和大钩钓耳之间。与液压蓄能器相连。蓄能器通过液压油充能并保持一个预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。司钻控制台上的遥控阀可以操作液缸伸缩以辅助顶驱拆卸和安装。 另外TDS-11SA平衡系统还具有“立柱上跳”（STANDJUMP）的特点。司钻控制台上有一个开关，可用来将平衡液缸的操作方式由标准平衡状态（DRILL）改变到立柱上跳（STANDJUMP）位置。有了这种立柱上跳（STANDJUMP）特点，就可在卸扣时使用平衡液缸将顶部驱动装置提起来，使其重量不至于作用在钻柱上。这样可以减少丝扣上的应力以避免损坏丝扣。平衡液缸可以将水龙头吊环提离大钩（游车）上的接触点。 七、交流电机和控制系统如图1和图11所示：TDS-11SA使用两台400马力或350马力交流电机。安装在齿轮箱顶部。采用三相600伏的交流电来驱动，输入频率为：0-80赫兹。每台电机需要1100立方英尺/分的冷却空气。每台电机额定功率为400马力或350马力，最大连续输出扭矩分别为1800英尺磅或1550英尺磅。电机转速在0到1200转/分的范围内均可获得最大连续扭矩，在1200转/分到2400转/分的最大额定转速下均可获得400马力或350马力连续功率。 使用两台400马力交流电机（总计800马力）和10.5：1齿轮传动比，在0到114转/分的钻柱转速范围内提供37500英尺磅扭矩，恒扭矩工况，在228转/分最大钻杆转速下产生18250英尺磅扭矩，恒扭矩工况。特性曲线如图12所示。使用两台350马力交流电机（总计700马力）和10.5∶1齿轮传动比，在0到114转/分的钻柱转速范围内提供32500英尺磅扭矩，恒扭矩工况，在228转/分最大钻杆转速下产生15100英尺磅扭矩，恒功率工况。特性曲线如图12所示。交流钻井电机的开放式设计，可以让冷却空气流经电机内部，保证转子更有效地运转和更有效地将热量散发到冷却空气中。 第四节AC变频顶驱系统简介自80年代初第一台顶驱钻井系统问世以来，挪威、美国、法国、加拿大等国相继开发研制了液马达驱动或AC-SCR-DC直流电机驱动的常规顶驱钻井系统。进入90年代，常规顶驱钻井系统已逐渐为AC变频顶驱系统所取代。故此，对AC变频顶驱的发展与应用做简要介绍。 一、AC变频顶驱系统的主要优点相对于AC-SCR-DC直流电机驱动，在顶驱系统中采用AC交流变频控制驱动的主要优点是：１、AC电动机效率高达96～97％，经济性好。２、AC电动机没有电刷，工作时不会产生火花，防爆；维护保养简单，经久耐用；质量轻、体积小、占用空间少。3、AC变频驱动，可精确调节工作转速与输出扭矩，具有更好的调节性能。如Varco公司的TDS-9S、TDS-11SA型顶驱：频率0~80HZ，对应电机转速范围0~2400r/min，工作转速正比于电流频率，可精确进行调节。 20HZ-600r/min，40HZ-1200r/min，80HZ-2400r/min。输出扭矩也可精确地进行调节。电动机0~1200r/min，具有恒扭矩、变功率调节特性；1200~2400r/min，具有变扭矩恒功率调节特性。4、AC变频驱动零转速时具有全制动扭矩，可保证钻井安全。过载能力强，1分钟内，可承受额定载荷的150%过载载荷。因此，AC变频驱动不仅是顶驱系统，也是钻井设备电驱动的发展方向。 二、美国Varco公司的AC变频顶驱系统美国Vaarc公司是世界上第一个研制顶驱钻井系统的公司，80年代到90年代初研制了多种规格的AC-SCR-DC常规电驱动顶驱系统。如TDS-3（1983），TDS-4和TDS-5（1988）TDS-3H和TDS-4H（1989），TDS-3S，TDS-4S和TDS-6S（1991）。额定承载能力350tf、500tf、650tf，采用GE752直流电动机驱动。Varco公司也是AC变频顶驱系统的大厂家，系列的AC变频顶驱钻井系统，如TDS-9S、TDS-10S、TDS-11S，以及额定提升能力为650tf的TDS-7S。 １、AC变频顶驱系统主要技术参数arco公司的TDS-10S、TDS-9S和TDS-11S三种AC变频顶驱系统的额定提升能力分别为250tf、400tf和500tf，其主要技术特性参数列在表2中。 表2VarcoAC变频顶驱系统主要技术参数顶驱型号TDS-10STDS-9STDS-11S最大提升力kN（tf）2500（250）4000（400）5000（500）最大连续钻井扭矩kN·m（1b·ft）27.（20000）44.（32500）44（32500）钻井转速范围r/min0~1820~2280~228最大连续钻进功率kW（HP）257（350）514（700）514（700）最大制动扭矩kN·m（1b·ft）47.5（35000）47.5（35000）47.5（35000） 水龙头中心管内径mm（in）76.2（3）76.2（3）76.2（3）二级齿轮减速比13.1：110.5：110.5：1钻井电机类型交流感应强制风冷转速r/min120012001200最大转速r/min240024002400功率，kN（马力）257（350）2×2572×257管子处理装置型号PH-50扭矩，kN·m（1b·ft）67.8（50000）67.8（50000）67.8（50000）夹持钻杆尺寸mm（in）73~127（27/8~5）89~127（31/2~5）89~127（31/2~5） 配备吊环规格tf150（250）250（350或500）250（350或500）上卸扣扭矩kN·m（1b·ft）49.5（36500）62.4（46000）62.4（46000） 2、AC变频顶驱系统结构组成Varco公司的AC变频顶驱系统系列产品，其整体结构型式和结构组成几乎是一样的，主要区别是承载能力不同，主体部分结构尺寸不同，采用单马达或双马达驱动。 3、Varco公司AC变频顶驱钻井系统特点美国Varco公司声称，该公司AC变频顶驱钻机系统具有下列主要优点：①高性能：交流电动机和变频控制驱动，可精确控制调节钻井的转速与扭矩；可用功率和转速范围增加，有利于发挥PDC钻头的优势。②高经济性：交流电机及驱动系统效率高，降低了钻机燃料消耗，提高了钻机整体经济性能。本身带有液压供应系统，不需要另行配备高成本的液压供应系统、井架管路及液体回路。③AC变频系统采用专门研制的交流钻井电机和先进的管子处理装置，大大提高了安全钻井的可靠性。 ④可靠性高、寿命长：TDS-9S和TDS-11S，双交流电机驱动，提高了系统的可靠性，减少了传动件载荷，延长了寿命。⑤可提高定向钻井速度：Varco公司顶驱系统具有全方位旋转能力，加强了对井底钻头的控制，可提高定向井、水平井造斜井段的钻速。⑥结构紧凑轻便、易拆装：单或双交流电机，外加Varco“S”型整体式（集成式-Integrated）水龙头，结构紧凑、轻便，具有良好的机动性，可在几小时内完成拆装工作。⑦维护简单：交流电机无电刷、电刷齿轮或转换开关，大大减少了维护工作量。 三、国产顶驱钻井系统第一台国产顶驱钻井系统DQ-60D，由石油勘探院机械所、宝鸡石油机械厂等联合研制，于1997年2月通过部级鉴定。整体技术达到了国外90年代同类产品的先进水平。使中国成为世界上第五个能研制生产顶驱钻井系统的国家。DQ-60D结构上主要特点是：钻井马达—水龙头总成，采用中空电机、行星齿轮减速器和水龙头冲管与中心管综合为一体的结构，电机与主轴同轴线。 中空电机是由兰州电机厂利用引进GE752技术生产的直流电机ZL490/390，强制风冷。游车是专用的，钻杆上卸扣装置的回转头、吊环倾斜器都是液动的。DQ-60D采用AC-SCR-DC驱动，PLC监测控制。SCR传动和PLC控制在90年代已经是比较成熟的技术，可靠性高。继DQ-60D之后，石油勘探院机械所与宝鸡厂再度合作研制了DQ-60P轻便顶驱钻井系统。 DQ-60P主要特点是：直流驱动电机侧置，单级双圆弧齿轮减速器（I=7.53）驱动水龙头中心管（主轴）。专门设计了过度提环，可将顶驱系统挂在原有钻机的游车上。较DQ-60D质量轻、长度短，更便于安装拆卸。SCR传动控制采用进口全套智能化传动控制系统，对主电机进行控制，性能好、安全性高。采用PLC对辅助系统全面控制，具有安全互锁、监控、报警等多项功能，确保系统安全可靠。 DQ-20H顶驱钻井装置此外，为适应浅井的老井侧钻、加深井、加密井、小井眼井钻井作业以及修井作业的需要，石油勘探院机械所和有关单位合作正在研制DQ-20H顶驱钻井装置。名义钻井深度2000m（Φ127mm钻杆），液马达驱动、重量轻、结构简单。国产顶驱钻井系统主要技术参数见表３ 表3国产顶驱系统主要技术参数顶驱型号DQ-60DDQ-60PDQ-20H名义钻井深度（Φ127mm钻杆），m600060002000最大钩载，kN（tf）4500（450）4500（450）1600（160）最大钻柱重量，t22022070动力水龙头最大连续扭矩，kN·m4548动力水龙头最大间隙扭矩，kN·m556823 动力水龙头转速范围，r/min0~1460~1630~180最大卸扣扭矩，kN·m757548背钳夹持钻杆尺寸mm（in）89~216(31/2~81/2)168173~127（27/8~5）回转头速度，r/min121212倾斜臂倾斜角度前300后600水龙头中心管内径，mm757564液压系统工作压力，Mpa161630 直流电机型号ZL490/390Y10（GE752）液马达A6VM/65-250直流电机额定功率，kW670800液马达，365直流电机额定转速，r/min11001100SCR传动柜输入电压600V，ACSCR传动柜输出电压0~750V，DC主体部分重量，t18135.5 结束语综观国外电驱动钻机和顶驱钻井系统的发展趋势，变频驱动是发展方向。我们不应在AC-SCR-DC驱动方面再投入过多的精力，起点应高些，应尽早开展AC变频顶驱系统的研制，使我国石油装备电驱动技术能和国外同步发展！