直驅式頂驅的研制和應用

張東海，陳 俊，蔣 誼，高 杭

（四川宏華石油設備有限公司，成都610036） ①

直驅式頂驅的研制和應用

張東海，陳 俊，蔣 誼，高 杭

（四川宏華石油設備有限公司，成都610036）①

介紹了一種利用機電融合技術設計出的新型頂驅——直驅式頂驅裝置。該頂驅裝置采用大功率交流變頻電動機直接驅動主軸，與傳統的頂驅相比取消了機械變速機構，實現了電機與機械的相互融合。國外現場使用情況表明：與傳統同型號的頂驅相比，不僅明顯提高連續鉆井作業扭矩，并且顯著降低設備使用故障率與維護強度，增強了應對鉆井事故的能力。具有較強的可靠性、經濟性和良好的推廣前景。

直驅頂驅；機電一體化；機電融合；可靠性

頂驅裝置自1982年問世以來，經過不斷的改進和開發，已在海洋和陸地多種鉆機裝備上逐步得到了推廣和應用［1－4］。頂驅可從井架上部空間直接旋轉鉆桿完成鉆桿旋轉鉆進、循環鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作，可節省鉆井時間20%～40%，預防卡鉆事故發生，提高作業的安全性，尤其是在鉆斜井和高難度定向井具有很大的優勢，是當今石油鉆井中前沿的技術和裝備［5］。同時，由于油氣勘探開發的環境越來越惡劣，難度也越來越大，為節省投資，降低開發成本，提高采收率，加快油田勘探開發速度，各油田和石油公司都將目光轉向利用頂驅裝置來鉆深井、超深井、特殊工藝井（包括定向井、水平井、大位移井、復雜結構井以及叢式井等）。因此，國內外對頂驅裝置的需求也越來越迫切［6－7］。

目前，國內外傳統的頂驅裝置采用機械變速傳動機構，潤滑和密封的故障是頂驅的最大問題之一。據美國Varco公司與Sedco Forex公司調查發現，超過40%的頂部驅動設備故障是由變速箱及其輔助設備引起的。除了變速箱的問題，以前的頂驅為了滿足轉速要求而降低了扭矩，這種權衡的做法在某種程度上也減小了頂驅應用的效果。新型結構的無級變速電動直驅頂驅裝置是近兩年鉆井裝備新技術發展的最新成果，在很大程度上解決了這一問題。

四川宏華石油設備有限公司（以下簡稱宏華）在充分吸收國內外傳統機械變速頂驅經驗的基礎上，創造性地采用機電融合設計技術，把主載荷通道與電機結構高度集成，由電機直接驅動主軸鉆進，實現無減速箱裝置和齒輪潤滑及冷卻過濾系統，于2009－03自主開發了直驅頂驅鉆井設備，成功研制生產了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ、DQ900DBZ型號的直驅頂驅，配備于4 000～12 000 m鉆機。該系列直驅頂驅已經申請14項專利，其中包括4項發明專利。DQ225DBZ型頂驅在俄羅斯北方極地區新烏連戈伊蘇格木油田投入使用以來，已經完鉆6口定向井和7口水平井，最大連續工作扭矩達到38 000N·m，超過世界同噸位級頂驅連續工作扭矩值。該直驅頂驅維修方便，整體結構簡潔，模塊化程度高，提高了整機工作的可靠性，其優異的作業性能獲得了客戶的贊許。

1 結構和參數

1.1 基本結構

直驅頂驅主要由動力水龍頭和管子處理器2大部件組成，如圖1。動力水龍頭系統主要包括主電機系統、主承載機構、中心泥漿通道；管子處理器主要包括背鉗、旋轉頭、吊環傾斜裝置等。頂驅輔助系統主要包括導軌、滑車、VFD控制房、PLC電控系統、液壓站、司鉆操作臺。結構如圖2。

圖1 DQ450DBZ型直驅頂驅

圖2 DQ450DBZ型直驅頂驅結構

1.2 技術參數

主要技術參數如表1。

2 技術優勢

直驅頂驅最顯著特點就是結合當今世界最前沿的機電一體化融合設計理念，將大功率交流變頻電動機集成設計于動力水龍頭內部，通過交流變頻電機直接驅動主軸進行鉆進。與國內外傳統的機械變速頂驅設備相比，取消了齒輪變速傳動機構。

1） 無齒輪變速箱機構和齒輪與軸承潤滑油及冷卻過濾系統，在傳動機構中減少機械密封機構，顯著降低設備故障率及維護難度，使得加工制造更易保證。

2） 減少了變速箱以及相關的潤滑系統和軸承等部件，相應地減少了因變速箱的可靠性問題及其相關的軸承和齒輪故障而停機的時間。同時，直驅頂驅將電機的動力直接輸出，使電機效能最大化。另外，省去了齒輪箱機構，也使得頂驅裝置工作噪聲降低、結構簡化、維護方便。因此，不僅直驅頂驅提高了工作性能，同時還減少了維修和停機時間，解決了困擾早期設計的許多問題。

3） 主電機定子與水龍頭殼體一體化設計，整機設備表面散熱條件對比傳統頂驅電機有很大優勢。由于采用直驅電機，其體積和質量比傳統的電機大，所以機械強度的裕量大，熱容量也很大，再配合風機多通道強制冷卻散熱，電機的過載能力就很強，鉆井作業時過載能力強，可輸出1.5倍的鉆井作業額定扭矩并且減少傳動能耗損失，短時間可過載2倍以上。宏華直驅頂驅主軸輸出轉速為0～220 r／min，其中0～110r／min為恒扭矩調速段，110～220r／min為恒功調速段。2010年下半年，在俄羅斯穆拉夫列恩庫現場作業的宏華DQ225DBZ型頂驅最大連續工作扭矩＞35 000N·m，與同規格噸位的美國NOV公司先進的TDS－10SA對比輸出動力提升29%，其他型號直驅頂驅在輸出動力設計上均超過國外主流頂驅設備。

表1 宏華系列直驅頂驅主要技術參數

3 特點

宏華直驅頂驅動力水龍頭與管子處理系統通過主軸連接；動力水龍頭的電機由轉子軸、定子組成，轉子軸套與中心管主軸通過脹緊裝置相連，電機定子與動力水龍頭外殼直接相連，管子處理器的旋轉頭與動力水龍頭下筒體連接。

1） 動力水龍頭提升系統為雙載荷隔離通道。①鉆井負載通道：鉆進時，中心管主軸直接承受井下鉆柱沖擊載荷，通過軸肩法蘭盤將沖擊載荷傳遞到承力箱體，即鉆柱通過中心管主軸—主軸承—提升箱體—提環—游車。②下套管和起下鉆柱負載通道：吊環吊卡—旋轉頭吊耳—動力水龍頭下筒體—提升箱體—提環—游車。雖然2個載荷通道將載荷傳遞到承力提升箱體上，通過提環再傳遞到鉆機游吊系統上，但下套管和起鉆柱載荷通道沒有通過主軸承，這樣就減輕了主軸承的負擔，延長了其壽命。另外，中心管主軸設計有特殊組合軸承，不僅承受鉤載也具備抗鉆柱縱向振動功能。

2） 目前，國外頂驅設備鎖定旋轉頭多采用銷－孔插拔的結構型式，旋轉頭齒盤上圓周均布有30個夾角12°銷孔。這種結構銷孔對正插入幾率低，需要檢索對位插正，吊環前后傾斜時定位精度不高，影響鉆井操作效率。宏華直驅頂驅對旋轉頭鎖定采用齒條鎖緊機構，嚙合齒頂修圓設計保證100%鎖定成功率，旋轉頭任意位置定位精度達2.1°，操作不需要調整角度。與國外主流的美國VARCO公司頂驅比較，其定位更加精確、快速。

3） 頂驅導軌裝置采用快速自動定位式頂驅導軌，實現了低位打銷軸、高位自動定位的目的。該導軌的安裝連接只需在鉆臺面上就可完成，從而極大減小了裝卸難度，也減少了施工人員，達到了省時省力，提高裝卸效率，降低裝卸成本，簡化操作過程，消除在高位操作存在安全隱患的目的。同時，與需要通過液壓缸來定位的導軌相比，具有免維護的特點，降低了使用成本。

4） 旋轉頭內部設計有組合軸承，利用深溝球軸承、滾針軸承對其徑向定位，克服了承受上卸扣時產生的偏心扭力和鉆柱振動沖擊，有效保護了內部的動密封組件，提高了密封的使用壽命。

5） 主電機為采用油田電機使用標準設計的1臺580kW（780hp）防爆型交流變頻空心軸電機。在結構上使用國外進口的先進軸承、合成潤滑脂和集成防潮加熱器，能滿足溫差、濕度范圍較大地區使用，抗極端氣候使用能力比現有頂驅更強。同時，其模塊化的設計可獨立維護更換，對維護設備和場地條件要求低。

6） 液壓系統集成安裝于頂驅本體上，采用目前主流頂驅成熟可靠的恒壓系統設計，系統反應迅速，執行機構端液壓壓力損失小。該液壓系統全部采用進口元件和密封件，可靠性高。由于液壓上無潤滑系統，從根本上解決設備液壓和潤滑耦合帶來的不同工況時載荷的不穩定，降低了設備維修時間和成本。

7） 電控系統采用德國西門子公司PLC模塊對設備進行控制，該系統是在參考國外主流頂驅的基礎上，結合宏華直驅頂驅特點所設計的全新控制系統，能夠實現鉆機與頂驅設備獨立作業模式切換，具備安全互鎖、故障診斷、實時監控、報警和自保護等功能，具有4個優點：①即設計有單獨的頂驅VFD控制偏房，也可集成到鉆機控制系統，為客戶新舊鉆機選擇頂驅設備提供靈活的選擇；②司鉆操作可選擇HMI人機界面控制和操作箱控制2種方式；③頂驅主電機具備懸停功能，與中心管主軸上的盤剎液壓制動功能互補，極大地提高了設備在水平井作業和處理鉆柱堵鉆解卡的安全性；④采用進口電力模塊及電纜接插件，提高了整機的使用可靠性。

4 現場應用

DQ225DBZ型頂驅在俄羅斯北方極地區新烏連戈伊蘇格木油田自2010－07投入使用以來，經歷了頻繁的上卸扣、起下鉆、下套管、固井、測井、鉆柱遇阻解卡等操作，整機設備各功能均運行正常，到2010年底，已經成功完鉆11口井。其中，在格木油田23號井位完鉆5口定向井的作業，累計鉆井深超過19 000m；在格木油田6號井位完鉆6口水平井的作業，累計鉆井深超過20 000m。整個頂驅系統經受住了－20℃嚴寒的考驗，其最大連續鉆井扭矩已創紀錄地達到3 5000N·m。該井隊也創下日鉆進作業1 016m的記錄，提前30d完成承包鉆井合同。

該直驅頂驅通過了由四川省科技廳組織召開的四川宏華《交流變頻電機直接驅動頂部鉆井裝置及其關鍵技術的研究與應用》成果鑒定會鑒定：由業內專家、教授組成的鑒定委員會考察了生產制造現場，聽取了項目組所作的研制工作報告，審查了有關資料，并進行現場提問、討論、評審等。鑒定委員會一致認為：“四川宏華直驅頂驅在石油裝備領域首次提出機電融合設計理念，整體性能達到國際先進水平，同意通過鑒定。”

從現場使用情況看，與帶齒輪箱的常規頂驅相比，四川宏華石油設備有限公司研制成功的直驅頂驅系統是集機、電、液于一體的新型直驅式頂驅鉆井設備，采用直驅頂驅專用大扭矩交流變頻電機、齒輪齒條式鎖緊機構、導軌采用單銷鎖扣機構，具有故障點少、可靠性高、維修方便、過載能力強、適應范圍寬等優點。

直驅頂驅不僅提高了鉆井效率，而且節約了使用成本，可推廣應用于石油和天然氣勘探開發領域。同時，宏華直驅頂驅的技術突破和今后批量進入國際市場，將對提升中國石油裝備在行業的地位產生積極影響，將提高中國頂驅產品在國際高端市場的競爭力。

5 結語

現場應用證明：宏華直驅頂驅不僅降低了使用故障率，進一步提高了其實用性和可靠性，同時減少了維修難度，是一種設計理念先進、設備性能完善、質量穩定可靠性高的頂部驅動鉆井裝置。直驅頂驅推動了AC變頻感應電動機驅動頂驅的向前發展，將是電動頂驅新的發展方向。

［1］ 李蔭棠.頂部驅動鉆井裝置在陸地石油鉆機上的應用［J］.石油機械，1998，26（10）：51－53.

［2］ 侯 強，董陽陽.TD500／1000型頂驅在海洋鉆井中的應用［J］.石油礦場機械，2010，39（3）：71－73.

［3］ 宋路江，蔡正敏，張貴德，等.頂驅內防噴器在井控中的應用及維護［J］.石油礦場機械，2010，39（9）：89－91.

［4］ 陳如恒.破除舊觀念創造新鉆機（三）［J］.石油礦場機械，2008，37（5）：1－9.

［5］ 陳朝達.頂部驅動鉆井裝置（一）［J］.石油礦場機械，2000，29（3）：1－5.

［6］ 王洪英，葉東慶，楊海波.國外頂部驅動鉆井系統的最新進展［J］，探礦工程，2005，10（4），61－63.

［7］ 李傳華，劉 鵬，劉百紅.淺述國外頂部驅動裝置的性能與應用［J］.石油礦場機械，2008，37（7）：30－33.

Development and Applications of Direct－drive Top Drive Drilling System

ZHANG Dong－hai，CHEN Jun，JIANG Yi，GAO Hang
（Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Chengdu610036，China）

The structure of the direct－drive TDS eliminates the need for a gearbox and lubrication system compared with other ordinary TDS，which realizes the machine and electron inter－coupling.The application on site indicated that it could increase continuous operation torque，enhance the TDS capability of resolving emergency in well drilling process，and reduce the failure rate and maintenance labor intensity and time.It has very good reliability，economy and the popularization foreground in drilling rig.

TDS；electro－mechanics；direct－drive；interfused design

1001－3482（2012）01－0072－04

TE922

A

2011－07－18

張東海（1980－），男，河南周口人，工程師，碩士，2007年畢業于西南石油大學機械設計及理論專業，主要從事石油設備的設計與研發工作，E－mail：zzzdh3000＠163.com。