新型直驱式顶部驱动钻井装置

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石油机械一56一CHINAPETROLEUMMACHINERY2011年第39卷第7期●新产品开发新型直驱式顶部驱动钻井装置蒋谊陈俊王信军张东海(四川宏华石油设备有限公司)摘要为解决顶驱因故障停机时间长而带来的系列问题，研制了新型直驱式顶部驱动钻井装置，并形成了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ和DQ900DBZ系列型号的直驱式顶驱，可达到4000～12000m的钻井作业深度。该顶驱主要由动力水龙头和管子处理器组成，采用大功率交流变频电动机驱动，无级变速控制，多功能人机界面操作；提升系统采用双载荷通道隔离设计，中心管主轴设计有特殊组合轴承，可承受钩载，同时也具备抗钻柱纵向振动功能。DQ2250DBZ顶驱在国外应用13口井，经受了一3OoC严寒考验，最大连续钻井扭矩达到了35kN·in，创下日钻进1016ITI的记录。DQ450DBZ顶驱在国内川东70563钻井队现场作业，最大连续钻井扭矩28kN·ITI，上卸扣扭矩30kN·in，水平井造斜段始为4593in，造斜88。，总进尺达6500m。关键词顶部驱动钻井装置机电一体化直驱融合设计0引言1技术分析顶部驱动钻井装置(简称顶驱)自1982年问1．1结构世以来，经过不断的改进和开发，已在海洋和陆地直驱式顶驱主要由动力水龙头和管子处理器组多种钻机装备上逐步得到推广和应用。顶驱可从井成，结构如图1和图2所示。架上部空间直接旋转钻杆钻进、循环钻井液、接立根、上卸扣和倒划眼等多种钻井作业，是当今石油钻井中的前沿技术和装备，可节省钻井时间20％～40％，并可预防卡钻事故的发生，尤其是钻斜井和高难度定向井时更体现出其优势，可降低勘探开发风险，提高作业的安全性J。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。为解决顶驱因故障停机时间长而带来的系列问题，四川宏华石油设备有限公司在充分吸收国内外传统机械变速顶驱经验的基础上，采用机电融合设计技术，把主载荷通道与电动机结构高度集成，由电动机直接驱动主轴钻进(无减速器装置、齿轮润滑油及冷却过滤系统)，于2009年3月开发了直驱式顶部驱动钻井装置，并形成了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ和DQ900DBZ系列型号的直驱式顶驱，图1DQ450DBZ直驱式顶驱结构原理可达到4000～12000in的钻井作业深度。l一动力水龙头；2一管子处理器。$一种顶驱和一种动力水龙头的直驱电机获得国家专利，专利号分别为CN201020145654．0和CN200820222886．4。 2011年第39卷第7期蒋谊等：新型直驱式顶部驱动钻井装置一57一动力系统主要包括主电动机系统、主承载机构1．4技术特点和中心钻井液通道。管子处理器主要包括背钳、旋(1)动力水龙头提升系统为双载荷隔离通道，转头和吊环倾斜装置等。顶驱辅助系统主要包括导载荷通道1：提环与动力水龙头箱体相连，顶驱起轨及滑车、VFD控制房、PLC电控系统、液压站下钻时旋转头及吊环承受提升井下钻柱时的瞬间起和司钻操作台。拔载荷，并通过内部的大推力轴承将载荷传递到中心管主轴。载荷通道2：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至l『承力箱体。2个载荷通道将载荷传递到承力箱体上，通过提环再传递到钻机游吊系统上。承力箱体作为承上启下的主承载件，同时也连接动力水龙头壳体。由于水龙头壳体内集成有电动机定子，故不承受载荷和冲击。中心管主轴设计有特殊组合轴承，不仅能承受钩载，同时也具备抗钻柱纵向振动功能。(2)目前国外顶驱锁定旋转头采用销-孑L插拔，旋转头齿盘上周围均布有30个12。夹角销孔，销孑L对正插入概率低，需要检查对位插正，吊环前后倾斜时定位精度不高，影响钻井操作效率。新型直驱式顶驱对旋转头锁定采用齿条锁紧机构，啮合齿顶修圆设计锁定成功率100％，旋转头任意位置定位精度达2．1。，不需要调整角度，比Varco顶驱定图2DQ450DBZ直驱式顶驱结构示意图1一吊环倾斜装置；2一锁紧装置；3一液压站；4一位更加精确、快速。平衡装置；5一冲管；6一鹅颈管；7一冷却风机；(3)旋转头内部设计有组合轴承，利用深沟8一液压控制阀组；9一电控制箱；10一液力驱球轴承、滚针轴承对其径向定位，减小上卸扣时产动马达；11一旋转头；12一IBOP装置；13一背钳。生的偏心扭力和钻柱振动冲击，有效保护内部的动1．2工作原理密封组件，延长密封的使用寿命。大功率交流变频电动机集成设计于动力水龙头(4)主电动机采用1台580kW(780hp)的防内部，与管子处理器通过主轴连接；动力水龙头的爆型交流变频电动机，根据油田电动机使用标准设电动机由转子轴和定子组成，转子轴套与中心管主计。进口轴承、合成润滑脂和集成防潮加热器能满轴通过胀套固定相连，定子与动力水龙头外壳直接足温差、湿度范围较大地区使用要求，抗极端气候相连，管子处理器的旋转头与动力水龙头下筒体连能力比现有顶驱更强。其模块化的设计可独立维护接，电动机直接驱动中心管主轴钻进。更换，对维护设备和场地条件要求低。1．3主要技术参数(5)液压系统集成安装于顶驱本体，采用目直驱式顶驱主要技术参数见表1。前主流顶驱成熟可靠的恒压系统设计，系统反应迅表l直驱式顶驱的主要技术参数速，执行机构端液压压力损失小；采用进口元件和主要参数DQ225DBZDQ450DBZDQ675DBZDQ9OODBZ密封件，可靠性高。(6)电控系统采用德国西门子公司PLC模块，是在参考国外主流顶驱的基础上结合新型直驱式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，有以下优点：①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HM1人机界面控制和操作箱控制2种方式。③顶驱主电动机具 一58一石油机械2011年第39卷第7期备悬停功能，与中心管主轴上的盘刹液压制动功能kN·m，创下日钻进1016m的记录，提前近1月互补，极大地提高了设备在水平井作业和处理钻柱完成承包钻井合同。目前在川东70563钻井队现场堵钻解卡的安全性。④采用进口电力模块及电缆接作业的DQ450DBZ顶驱连续工作扭矩28kN·m，插件，提高了整机的可靠性。上卸扣扭矩30kN·m，该水平井造斜段始为4593(7)无齿轮润滑油及冷却过滤系统的设计，m，造斜88。，总进尺达到6500m。可在传动机构中减少机械密封机构，显著降低设备由此可见，新型直驱式顶部驱动钻井装置设计故障率及维护难度，更易满足设计和加工制造要理念先进，设备性能完善，可靠性和作业效率高，求，同时也增强了传动系统的可靠性。满足现场使用要求。(8)整机设备表面散热条件比传统顶驱电动参考文献机好，热容量较大，再配合风机多通道强制冷却散热。钻井作业时过载能力强，可持续输出1．5倍的[1]步卫玲．国外钻机顶部驱动钻井装置的发展趋势钻井作业额定扭矩，并且可减少传动能耗损失。顶[J]．石油机械，2009，37(5)：88—9O．驱主轴输出转速0—220r／min，主轴0～110r／min[2]王永勤，李安，吴永婷．TDS一1ISA型顶驱系统为恒扭矩调速段，110～220r／min为恒功调速段。故障树分析[J]．石油矿场机械，2009，38(4)：DQ225DBZ顶驱最大连续工作扭矩突破35kN·m，23—27．侯强，董阳阳．TD500／1000型顶驱在海洋钻井中比同规格美国NOV公司的TDS—IOSA顶驱输出动的应用[J]．石油矿场机械，2010，39(3)：71—力提升29％，其余型号直驱式顶驱在输出动力设73．计上均超过国外主流顶驱设备。[4]李鹏，牟新明，高明，等．顶驱中心管强度有限元分析[J]．石油矿场机械，2009，38(9)：592现场应用—62．[5]陈如恒．破除旧观念创造新钻机(j)[J]．石油2010年7月，DQ225DBZ型顶驱在俄罗斯北矿场机械，2008，37(5)：1—9．方极地区新乌连戈伊苏格木油田投入使用。该顶驱经历了频繁地上卸扣、起下钻、下套管、固井、测井和钻柱遇阻解卡等操作，整机运行正常。截至到第一作者简介：蒋谊，生于1974年，2003年毕业于四川大学机电专业，获硕士学位，现从事石油设备的研发2010年11月，已经成功完钻13口井。其中在格和管理工作。地址：(610041)四川I省成都市。电话：(028)木油田23号井位完钻6口定向井，累计钻井深度82971813。E—mail：jiangyi0077@yahoo．com．cn。21000m。在格木油田6号井位完钻7口水平井，收稿日期：2011—03—07累计钻井深度25000m。顶驱系统经受了俄罗斯地(本文编辑赵连禄)区一30cc严寒的考验，其最大连续钻井扭矩达35(上接第55页)片膨胀筒的密封机理[J]．石油机械，2007，35(3)完井管串下人裸眼井后应尽快进行压裂(3)：5—7．[2]檀朝东，周晓东，饶鹏．一次多层压裂封隔器的施工，避免井壁长时间在完井液中浸泡出现不稳定研制与应用[J]．石油钻采工艺，1999，21(4)：因素，保证压裂施工顺利进行；99—101．(4)在压裂时间无法保证的情况下，封隔器[3]李艳丽．Y211—80型小井眼压裂封隔器的研制[J]．的坐封液体应与完井液性能一致，以利于完井液的石油机械，2005，33(7)：53—54．性能稳定，从而有效保护井壁，防止坍塌；(5)如果水平井段全部发育良好、渗透率高，建议以2只封隔器中间连接1～2根套管作为1只第一作者简介：许国林，工程师，生于1963年，1982封隔器来使用，这样相当于加长了封隔器的密封年毕业于大庆石油学校机械专业，现从事钻井固井工具研段，将有利于压裂施工。究工作。地址：(163413)黑龙江省大庆市。电话：(0459)4891351。E—mail：xuguolin@cnpc．com．cn。参考文献收稿日期：2011—03～02(本文编辑谢守平)[1]张承武，王兴建，陈建刚．分段压裂封隔器叠层钢