11第四章 顶驱钻井系统
第四章 顶驱钻井系统
一、概述 (机自02,2005.11.8)
顶驱钻井系统(T op D rive Drilling S ystem )或简称顶驱系统(T op D rive S ystem -TDS )。
1. 什么是顶部驱动钻井装置
顶驱是从井架空间上部直接旋转钻柱,沿井架内导轨向下送进,完成钻柱旋转钻进,循环钻井液,接立根,上卸扣等多种钻井操作,参见图4-1。
主要由三部分组成:导向滑车总成、水龙头一马达总成、钻杆上卸扣装置总成
图4-1 顶部驱动钻井系统
2. 思路
转盘+水龙头—→动力水龙头
3. 顶驱钻井系统是80年代以来钻井设备发展的四大新技术之一(顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC 变频驱动)
4. 顶驱发展
第一台顶驱82年问世,由美国Varco 公司研制。
后来,法国、挪威、加拿大、中国相继研制了顶驱。
5.驱动型式有两种
(1)液马达驱动
(2)电动机驱动
①AC-SCR-DC 顶驱动
80年代,电驱广泛用AC-SCR-DC 驱动。
②AC 变频f 顶驱
80年代中,挪威将AC-SCR -DC 改成AC 变频顶驱。 之后,美国(Varco 公司)、挪威(MH 公司)、加拿大(Tesco 公司和CANRIG 公司)等研制了AC 变频顶驱。
90年代,AC 变频顶驱占了主导地位。
中国:有液压、AC-SCR-DC 驱动顶驱,尚无AC —AC 变频顶驱。
二、顶驱钻井特点
(1) 立根(28m )钻进,节省2/3接单根时间。
(转盘钻以单根加长钻杆,以立根钻进井架不需加高。)
(2) 可随时压井(任意高度需循环井液,水龙头可立
即接上),减少卡钻事故。
(3) 实现:倒划眼起钻(钻头取不出时,边转边提);
实现:划眼下钻(钻头下不去时,边转边放)。
(4)立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达的造斜方位。
(5)钻杆上卸扣操作机械化。(液马达在顶部)
(6)立根钻进,提高取岩心质量。
三、顶驱系统组成
组成:钻井马达-水龙头总成、上卸扣装置和导轨-导向滑车总成。
仅动力有别,其他无本质区别:
液马达顶驱—液马达;
AC-SCR-DC 顶驱—DC 电机;
AC 变频顶驱—AC 电机。
1. 钻井马达-水龙头总成
顶驱的主体。(典型结构示于图4-2。它是Varco 公司额定载荷6500kN 的TDS-3S 型顶驱钻井马达-水龙头总成。)
由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。
(1)马达:用并激DC 马达,立式驱动主轴。
(2)水龙头:额定载荷6500kN ;盘根盒为快速装卸式,与普通水龙头的一致。
(3)气动刹车:在马达轴上端,快速制动。
(4)减速箱:马达轴下有小齿轮(Z=18),与主轴上的大齿轮(Z=96)相啮合,主轴下方接钻柱。
TDS-3S 变速箱是一个单速齿轮减速装置,减速比
5.331。
(5)主轴:即水龙头的中心管。
(6)润滑系统
TDS-3S 顶驱的油润滑系统(图4-3),油泵强制润滑。
(7)钻井马达冷却系统
马达冷却系统为风冷。图4-4为冷却系统的总体安排。 ①近距离安装鼓风机
基本的马达冷却系统(看图4-5), 向钻井马达提供近距离的冷却风。
②加高进气口的近距离安装鼓风机(图4-5)
③远距离鼓风机冷却系统(图4-6)
安装在井架上的远距离鼓风机,通过软管输送。
图4-2 水龙头—钻井马达总成
图4-3顶驱水龙头—马达总成油润滑图
图4-4钻井马达
冷却系统
图4-5加高进气口的近距离冷却系统
图4-6 远距离鼓风机冷却系统
2. 导轨—导向滑车总成
钻井马达导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。导向滑车框架和马达支架两部分组成。
①导轨:装在井架内
②导向滑车:由马达底座和框架组成。
③作用:对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用。80年代为双导轨,90年代改为单导轨。
它 由
图4-7 马达支架和导向滑车总成
3. 上扣卸扣装置(Pipehander )
钻杆上卸扣装置如图4-8所示。
主要:由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构、保护接头和扭矩扳手组成。(可参见Varco 公司的TDS-8S 交流变频顶驱系统结构图。)
图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成
650/750/
1000 T o n
1200 H P
T D S -8S (A C )
(1)液控扭矩扳手
用处:卸扣。
原理:由液缸驱动夹
持爪先夹紧(横向夹紧活
塞)钻杆母接头,两个转
矩液缸驱驱动扭矩筒(扭
矩扳手上卸扣期间,上升
扳手使扭矩管上的母花
键同上部内防喷器下方
的公花键相啃合,为液缸
提供反扭矩。),转动保护
接头及主轴松扣,然后启
动钻井马达旋扣,完成卸
扣操作。(扭矩液缸
84KN-m ;可旋转25°。)
结合图4-10分析。
图4-9 扭矩扳手总成
(2)内防喷器及启动器
内防喷器(图4-10)是球型安全阀。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器,形成内井控防喷系统。
远控上部内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分。当上卸扣时,扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合形成扭矩。
下部与上部内防喷器型式相同。两个内防喷器一直接在钻柱中,可随时将顶驱装置同钻柱连接使用。
图4-10 内防喷器阀及启
动器总成
(3)吊环联接器、吊环
和钻杆吊卡
图4-11所示为吊环联接
器。吊环联结器的作用可由
图4-8看出,它通过吊环将下
部吊卡与主轴相连。 图4-11 吊环联结及限扭器总成
主轴穿过齿轮箱壳体,又同整体水龙头相接。
(4)吊环倾斜器
作用:去卡抱待接立根接头。(吊鼠洞中的单根和接立根) 气阀控制气弹簧,使吊环前倾300,后摆600。
吊环倾斜器的倾斜
臂位于吊环的前部,由空
气弹簧启动,如图4-12、
图4-8所示。
【在启动器的作用
下,可以轻松地摆动提放
小鼠洞内的钻杆。启动器
由电磁阀控制。
该装置的中停机构
便于井架工排放钻具作
业。】
图4-12 长行程吊环倾斜装置总成
(5)旋转头总成
旋转头总成
如图4-13。
当钻杆上卸
扣装置在起钻中
随钻柱部件旋转
时,旋转头可自由
旋转。
图4-13 650t 旋转头总成
4. 平衡系统
平衡系统总成如图4-14所示。
主要对上卸
扣起伸缩作用:防
止上卸接头扣时
螺纹的损坏;在卸
扣时可帮助公扣
接头从母扣接头
中弹出,类似于大
钩的152mm 的减
震冲程。
图4-14平衡系统总成
图4-15所示的平
衡系统包含:两个相
同油缸和两个液压储
能器。缸体端与整体
水龙头相连,活塞杆
端与大钩连接(如图
4-14),或者直接连到
游车上。又称液气弹
簧式平衡装置。 图4-15平衡系统示意图
(1)前期TDS 系统平衡油缸连接方式
TDS-3型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连,上端和
大
钩相连。它提供152mm 的缓冲行程。
(2)整体式IDS 系统平衡油缸连接方式
如IDS-1型顶驱,平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连,上端和游车相连接。取消了大钩,提供203mm 的缓冲行程。
(3)新型IDS 系统平衡油缸的连接方式
如TDS-3S 、TDS-9S 型,平衡油缸的上端与游车(当不用大钩时)连接,下端直接固定在水龙头提环上(参见图4-14)。
(4)平衡液压回路工作原理
该液压回路消耗的液压能很少,可用其它液压系统来补油保压,不必单独加油泵。平衡系统液压回路如图4-16所示。
图2-16平衡系统液压原理图
①连接:平衡系统的活塞杆上端与游车连接,油缸下端与水龙头连接。油缸上腔始终通高压油,油缸产生向上拉力作用在水龙头上,一直提着水龙头。
②工作过程:
两个油缸向上的合拉力
大于顶驱和立根重量,油缸
带动顶驱和立根上移。此时
蓄能器(参见图4-16)放出
压力油供给油缸工作。随着
蓄能器内油液放出,油压降
低,油缸的拉力减小。
当油缸向上的拉力小于
顶驱和立根重量时,上跳过程
由加速变为减速,最后停止上
移。
当向上提起整个钻柱时,
钻柱和顶驱的重量大于油缸向
上的拉力,油缸被拉下来,缸
内排液,油液返回蓄能器。
四、国产顶驱(DQ )
第一台国产顶驱DQ-60D ,由勘探院机械所和宝石厂合研, 97年2月部级鉴定,中国成为第五位顶驱的生产国家。
1.DQ-60D 顶驱 (结构如图3-21所示)
主要特点:采用AC-SCR-DC 驱动,PLC 监测控制。
2.DQ-60P 顶驱(Portable 轻便)
勘探院机械所与宝石鸡厂合研的DQ-60P 轻便顶驱。
3.DQ-20H 顶驱(Hydraulic )
勘探院机械所研制DQ-20H 液马达顶驱,钻深2000m 。