馮 琦，郭永岐，桑峰軍

（1.川慶鉆探工程有限公司 國際工程公司，成都610051；2.中原石油工程有限公司 鉆井二公司，河南 濮陽457000）＊

頂部驅(qū)動鉆井技術是20世紀80年代發(fā)展并成熟起來的現(xiàn)代化鉆井技術。頂部驅(qū)動鉆井裝置（以下簡稱頂驅(qū)或頂驅(qū)裝置）分電動頂驅(qū)和液動頂驅(qū)2大類，而電動頂驅(qū)又分交流和直流2類。它是懸掛在大鉤下，在特定的軌道上隨游吊系統(tǒng)上下移動，安裝簡便易行，只需對井架作極少的改動即可使用。頂部驅(qū)動鉆井是自轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆井以來最重大的技術革新，是減少復雜時率、降低風險、避免鉆井事故最有效的技術手段［1－4］。

1 頂部驅(qū)動鉆井裝置的優(yōu)勢

1） 用整立柱鉆桿鉆進，取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤、方鉆桿鉆進。

2） 減少2／3的接單跟時間，降低了鉆井風險。

3） 能夠立柱劃眼和倒劃眼，降低了復雜時率、避免了卡鉆事故。

4） 在鉆井工程中，頂驅(qū)吊環(huán)可前后控制擺動，降低了勞動強度，井口自動化程度有很大的提高。

5） 起下鉆若遇復雜井段，頂驅(qū)可在任意高度回接鉆桿進行鉆井液循環(huán)、劃眼，提高了鉆井工程的安全性。

6） 可進行無級變速和上、卸扣轉(zhuǎn)矩控制，能夠滿足鉆井工程的精確需求。

7） 具有頂部液動旋塞，可以任意高度實現(xiàn)鉆具內(nèi)關閉和打開，提高了井控安全。

8） 運行平穩(wěn)，具有多重保護機構，在工作時安全可靠。

9） 頂驅(qū)裝置是實現(xiàn)套管鉆井技術的配套設備。

10） 頂驅(qū)鉆井裝備是實現(xiàn)水平井、叢式井、山前構造復雜安全鉆井最理想的設備。

2 3種頂驅(qū)的主要技術參數(shù)

本文從技術參數(shù)、功率、變頻系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、頂驅(qū)本體結構及安裝6個方面，詳細介紹美國VARCO公司的TDS－11SA、加拿大TESCO公司的TDT500ECI、北京石油機械廠（以下簡稱北石）的DQ70BS 3種現(xiàn)場使用比較廣泛的頂驅(qū)裝置。

3種頂驅(qū)系統(tǒng)的主要技術參數(shù)如表1所示，可以看出：這3種型號的頂驅(qū)在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、額定功率等數(shù)據(jù)上基本相同；從作業(yè)能力上分析屬于同一類型的頂部驅(qū)動裝置。

表1 3種頂驅(qū)系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

續(xù)表1

3 功率曲線

3種頂驅(qū)系統(tǒng)的功率曲線如圖1～3所示，可以看出：3部頂驅(qū)設備的輸出功率基本相同，轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的提高而逐漸下降；但加拿大TESCO公司的TDT500ECI頂驅(qū)裝置的功率輸出穩(wěn)定性要略勝一籌，其恒定輸出能持續(xù)到150r／min；美國VARCO公司的TDS－11SA頂驅(qū)裝置與北石DQ70BS型頂驅(qū)裝置在這方面則稍顯不足。

圖1 DQ70BS型頂驅(qū)功率曲線

圖2 TDS－11SA型頂驅(qū)功率曲線

圖3 TDT500ECI型頂驅(qū)功率曲線

4 變頻系統(tǒng)比較［5］

TDT500ECI、TDS－11SA、DQ70BS這3種型號頂驅(qū)的電源頻率可根據(jù)用戶要求選擇50Hz型或60Hz型（如表2）。

TDS－11SA型頂驅(qū)與DQ70BS型頂驅(qū)的變頻系統(tǒng)采用的是西門子公司的變頻設備，但是在具體設計上，3種頂驅(qū)又有很大不同。

1） TDS－11SA型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用I型結構，所謂I型結構就是1套整流系統(tǒng)帶1套逆變系統(tǒng)。1套逆變系統(tǒng)產(chǎn)生的575VAC、0～80Hz的交流電同時供給2臺294.2kW（400hp）的交流變頻電動機。這種設計優(yōu)勢在于變頻房結構簡單緊湊，便于運輸，在井場容易擺放；而且在實際使用中TDS－11SA型頂驅(qū)的變頻設備可靠性也比較高，很少出現(xiàn)硬件故障。2臺主工作電動機的冷卻風機電源是由整流系統(tǒng)整流后的直流電源，提供給變頻房內(nèi)的輔助逆變系統(tǒng)，由輔助逆變系統(tǒng)將780V的直流電源轉(zhuǎn)換成600V、60Hz的交流電。

2） DQ70BS型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用的是A型結構，所謂A型結構就是1套整流系統(tǒng)整流后的直流電源同時分配給2套逆變系統(tǒng)，這2套逆變系統(tǒng)又分別給頂驅(qū)動力頭上的2部變頻交流電動機提供電源。這種方式的優(yōu)勢在于如果1套逆變系統(tǒng)出現(xiàn)硬件故障，現(xiàn)場無法即刻解決時可通過司控臺上的電機選擇旋鈕選擇單獨使用A電動機或者B電動機，使頂驅(qū)能夠正常使用，尤其是頂驅(qū)正在處理井下復雜時，這一優(yōu)勢更加明顯。

3） TDT500ECI型頂驅(qū)變頻系統(tǒng)采用的是H型結構模式，是由2套變頻系統(tǒng)分別驅(qū)動2部交流變頻電動機。這種設計比較簡潔，減少了工作組件，從而提高了設備的穩(wěn)定性和可靠性。

表2 變頻系統(tǒng)技術參數(shù)

5 液壓系統(tǒng)比較

TDS－11SA型頂驅(qū)的液壓系統(tǒng)是將液壓泵電機、液壓泵、液壓閥匯總成固定在頂驅(qū)動力頭上。這種設計在安裝頂驅(qū)設備時無需再在井架上安裝額外的液壓管線，簡化了安裝過程，降低了安裝風險、節(jié)約了安裝時間 （如表3）。

表3 液壓系統(tǒng)技術參數(shù)

DQ70BS型頂驅(qū)與TDT500ECI型頂驅(qū)都采用的是單獨液壓站模式，液壓站放置在地面，用安裝在井架上的液壓管線連接液壓站與頂驅(qū)動力頭。這種設計在液壓設備出現(xiàn)故障后，對故障的檢查和維修是非常便利的［6－8］。尤其DQ70BS型頂驅(qū)的液壓站采用的是2臺電機帶2臺液壓泵的方式，在正常使用時可以定期輪換使用，延長了液壓泵和電機的使用壽命；而且如果1臺電機或液壓泵出現(xiàn)故障，可以立刻啟動另1臺，保證了頂驅(qū)的正常使用。這一優(yōu)勢在頂驅(qū)正在處理井下復雜情況時顯得尤為重要。

6 頂驅(qū)本體結構

TDS－11SA頂驅(qū)系統(tǒng)和DQ70BS頂驅(qū)系統(tǒng)的動力頭都設計有水龍頭及旋轉(zhuǎn)頭正反2個方向360°旋轉(zhuǎn)、吊環(huán)前后自動傾斜、液壓夾緊式背鉗、液壓制動防噴器。只是由于背鉗上下改變夾緊位置時需要借助外力，在更換鉆具保護接頭時比較費時、費力。頂驅(qū)本體設備的結構對比如表4。

表4 頂驅(qū)本體設備結構對比

續(xù)表4

TDT500ECI型頂驅(qū)系統(tǒng)的液壓背鉗可通過背鉗提升液缸上、下移動，為安裝各種鉆具保護接頭提供了方便。TDT500ECI型頂驅(qū)具有獨特的水平位移功能，可以把頂驅(qū)整體推到小鼠洞的上方，在鉆井中可以利用頂驅(qū)在小鼠洞方便、及時地接上單根或立柱。但TDT500ECI型頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)頭需要借助主軸的轉(zhuǎn)動才能改變方向，在使用旋轉(zhuǎn)頭時操作步驟比較繁瑣。

7 頂驅(qū)導軌的連接、懸掛與頂驅(qū)本體的安裝

北石DQ70BS型頂驅(qū)系統(tǒng)與TDS－11SA型頂驅(qū)系統(tǒng)的導軌都采用銷子和安全鎖銷連接方式，導軌懸掛都采用可調(diào)式鋼制連接板。這些設計簡化了頂驅(qū)的安裝和拆卸工序，縮短了安裝和拆卸時間［9］（如表5）。

表5 頂驅(qū)導軌的連接、懸掛與頂驅(qū)本體的安裝方式對比

TDT500ECI型頂驅(qū)系統(tǒng)導軌采用螺栓連接方式，通過選用長短不同的導軌來適應不同類型的井架。但是每一根導軌與導軌之間都要用16個螺栓進行連接，費時費力，影響頂驅(qū)安裝速度。在頂驅(qū)本體與鉆機水龍頭連接時，要使用B型大鉗夾緊頂驅(qū)本體主軸，并且是在距離鉆臺面約3m的高度作業(yè)，增加了作業(yè)人員與設備的風險。

8 結語

3種型號的頂部驅(qū)動鉆井裝置在功能和使用上雖然都有自己的優(yōu)勢和不足，但都能滿足現(xiàn)場各種工況下對項部驅(qū)動裝置的使用要求。大量的事實證明：在使用頂部驅(qū)動裝置的鉆井工程中都能大幅縮短鉆井周期，降低鉆井風險，節(jié)約鉆探成本?，F(xiàn)今超深井和復雜井都在廣泛使用頂驅(qū)這種先進的鉆井設備，這更加說明了頂部驅(qū)動裝置在鉆井工程中起著越來越重要的作用。

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［6］成大先.機械設計傳動液壓手冊［K］.北京：化學工業(yè)出版社，2004.

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