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頂部驅動鉆井工藝淺談
焦海林 2023/1/21 19:15:01
（中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司 上海浦東200120）
摘要：頂部驅動鉆井是80年代發(fā)展起來的一項新技術，是對傳統(tǒng)鉆井技術的重大突破，在此，著重在頂部驅動鉆井技術發(fā)展的基礎上介紹頂驅鉆井系統(tǒng)的原理及組成，通過頂部驅動鉆井系統(tǒng)與轉盤方鉆桿常規(guī)鉆井系統(tǒng)的工作對比分析發(fā)現(xiàn)頂部驅動鉆井技術具有：可縮短建經(jīng)周期；改善鉆井工人操作條件；減少鉆井事故；降低鉆井成本等四方面優(yōu)點，同時也存在初始投資大，增加鉆機負荷，系統(tǒng)復雜維修困難、不能進行鋼絲繩作業(yè)等問題，最后對于頂部驅動鉆井技術提出了幾點建議。
關鍵詞：頂部驅動 鉆井設備 控制系統(tǒng) 技術進展
一、頂驅的定義與簡介
1.1頂驅的定義
頂驅的全稱為頂部驅動鉆井裝置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美國、法國、挪威近20年來相繼研制成功的一種頂部驅動鉆井系統(tǒng)。
1.2頂部驅動鉆井系統(tǒng)的前驅
頂部驅動鉆井系統(tǒng)的前驅是動力水龍頭裝置，動力水龍頭由直流電動機或也馬達驅動。早先，由于缺乏合適于水龍頭的動力機，所以動力水龍頭的輸出扭矩一般較小，因而早期的動力水龍頭得以問世。但這種大型動力水龍頭不能為石油鉆井界所接受，其原因在于動力水龍頭缺乏與之配套使用的鉆桿操作裝置，不能有效的進行起下鉆、接單根等作業(yè)。但頂部驅動系統(tǒng)的出現(xiàn)改變了這一局面，頂驅系統(tǒng)不同于動力水龍頭，該系統(tǒng)帶有鉆桿操作裝置。
1.3頂驅簡介
頂部驅動鉆井是旋轉鉆井技術的一項重大突破，傳統(tǒng)的轉盤鉆井方法是通過轉盤和方鉆桿驅動鉆具進行鉆進，而頂部驅動鉆井取消了轉盤和方鉆桿，由頂部馬達直接驅動鉆桿旋轉，它可從井架上部空間直接旋轉鉆桿，沿專用導軌向下送進，完成鉆桿旋轉鉆進，循環(huán)鉆井液，接立柱，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作。該系統(tǒng)顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，并已成為石油鉆井行業(yè)的標準產(chǎn)品。自20世紀80年代初開始研制，現(xiàn)在已發(fā)展為最先進的整體頂部驅動鉆井裝置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是當前鉆井設備自動化發(fā)展更新的突出階段成果之一。
頂部驅動裝置的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的轉盤鉆井法發(fā)生了變革，誕生了頂部驅動鉆井方法。該方法在1000多臺海洋鉆機和特殊陸地鉆機上的成功使用，得到了使用者和市場的認同。它的重要意義是促進了海上和陸地鉆井技術自動化的進步；其另一個意義則在于：頂部驅動鉆井使用自動化接單根起下鉆設備，從而不必要再試制和研究始于20世紀60年代的方鉆桿接單根方法。
頂部驅動鉆井裝置的旋轉鉆柱和接卸鉆桿立根更為有效的方法。該裝置可起下28M立柱，減少了鉆井時三分之一的上卸扣操作。它可以在不影響現(xiàn)有設備的條件下提供比轉盤更大的旋轉動力，可以連續(xù)起下鉆、循環(huán)、旋轉和下套管，還可以使被卡鉆桿倒劃眼。
1.4 本文的主要工作
介紹頂驅的系統(tǒng)原理與組成，性能工作特點存在的優(yōu)勢并和轉盤系統(tǒng)加以對比，突出頂部驅動鉆井系統(tǒng)的優(yōu)點和發(fā)展前景。
二、頂部驅動鉆井系統(tǒng)原理及組成
2.1頂驅系統(tǒng)原理及組成
1）鉆井馬達和水龍頭總成
鉆井馬達常選用液馬達，直流電動機和交流電動機三種形式，電機一般都配有冷卻系統(tǒng)。鉆井馬達提供鉆柱旋轉的動力�？偝蛇�包括傳動機構，有行星齒輪傳動和普通齒輪傳動兩種，一些頂驅系統(tǒng)仍采用普通水龍頭。
2）導向滑車總成
鉆井馬達和傳動機構安裝在導向滑車總成上，鉆進過程中鉆柱所產(chǎn)生的反扭矩由導向滑車傳達安裝在井架上的導軌上，并由井架承受并克服之。
3）鉆桿操作裝置
這是頂部驅動的關鍵部件，目前有液動式和機械式兩種，液動式包括扭矩扳手、吊環(huán)連接器、吊環(huán)傾斜器和旋轉頭等，結構復雜。而機械式是最近問世的，故障率低，使用維護方便。
4）平衡補償裝置
有兩個液壓缸及附件等組成，用來提供類似于大鉤提供的減震沖程。
5）動力和控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)包括司鉆操作控制柜和電氣、液壓工作回路等。液馬達驅動式頂驅系統(tǒng)需要有足夠大的液壓源，作為馬達的動力源。
6）輔助設備（包括PS-16動力卡瓦，鋼絲繩連接器等。）
頂驅系統(tǒng)上端與大鉤吊環(huán)相連，下端則直接和鉆桿連接，可以用扭矩扳手使二者脫開或連接，頂驅系統(tǒng)隨游動系統(tǒng)上下移動，鉆井馬達通過減速機構直接驅動水龍頭中心管，帶動鉆桿旋轉，鉆桿的裝卸由鉆桿操作裝置完成。在頂驅鉆井方式下，由于取消了方鉆桿，可以實現(xiàn)邊起邊升（或下放）邊循環(huán)、邊旋轉，這對于底層條件復雜的井段鉆進無疑是十分有利的。<（未完，下一頁）
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