液壓系統(tǒng)在鉆井工業(yè)上的應(yīng)用

＊孔 聰

（中海油田服務(wù)股份有限公司 廣東 524057）

液壓系統(tǒng)在鉆井工業(yè)上的應(yīng)用

＊孔 聰

（中海油田服務(wù)股份有限公司 廣東 524057）

液壓系統(tǒng)是以液壓油為主要工作媒介，利用液壓油的壓力能以及控制閥門等附件，來操控液壓執(zhí)行機構(gòu)中的整套裝置。近年來，伴隨國內(nèi)液壓技術(shù)的逐步提升，該系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到了農(nóng)機、工程機械、石油鉆井等行業(yè)中去。其中，尤以在鉆井工業(yè)中的應(yīng)用最具代表。本文即基于美國Varco公司的TDS-8SA型頂驅(qū)鉆井裝置，介紹了液壓系統(tǒng)的相關(guān)理論及其在鉆井工業(yè)中的應(yīng)用。

液壓系統(tǒng)；頂驅(qū)鉆井裝置；鉆井

鉆井是石油工業(yè)中的老大，其鉆井技術(shù)的發(fā)展對于石油的勘探與開發(fā)具有重要的推動作用。在現(xiàn)代鉆井技術(shù)中，石油鉆機頂部驅(qū)動鉆井裝置TDS（以下簡稱為頂驅(qū)鉆井裝置）可謂是裝備發(fā)展中至關(guān)重要的三大成果之一，相較于一般的轉(zhuǎn)盤方鉆桿鉆井，頂驅(qū)鉆井裝置具有節(jié)約鉆井時間，提升鉆井效率、倒劃眼防止卡鉆、減少人員工作的危險程度等優(yōu)點。而液壓系統(tǒng)作為頂驅(qū)鉆井裝置中不可或缺的重要成分，在遠距離的實時傳動與有效控制方面發(fā)揮著不可小覷的作用。鑒于液壓系統(tǒng)對于油路的密封性具有較高的要求，且該系統(tǒng)的整體設(shè)計成本較高，極易導(dǎo)致其在鉆井工業(yè)中的應(yīng)用受限。因而為能夠充分展現(xiàn)出頂驅(qū)鉆井裝置的功能，深入分析和探討液壓系統(tǒng)的具體應(yīng)用就顯得尤為必要。

1.頂驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)

(1)頂驅(qū)裝置概述

頂驅(qū)鉆井裝置是由美國、法國、挪威等國家于上世紀(jì)80年代初開始研制的較先進的頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)，能夠進行諸如上卸扣、倒劃眼等多種鉆井操作，對于鉆井作業(yè)能力和工作效率的提升有很大的益處。從某種意義上講，頂驅(qū)裝置的出現(xiàn)促使以往的轉(zhuǎn)盤鉆井法發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，頂驅(qū)鉆井法應(yīng)運而生，并被廣泛應(yīng)用到海洋和特殊陸地鉆機中去，成為旋轉(zhuǎn)鉆柱與接卸鉆桿立根行之有效的方法之一。此外，頂驅(qū)鉆井裝置可以起下28米左右的立柱，一定程度上促使鉆井過程中的上卸扣操作大大縮減。

(2)頂驅(qū)鉆井裝置的基本結(jié)構(gòu)

美國Varco公司的TDS-8SA型頂驅(qū)鉆井裝置的基本結(jié)構(gòu)主要包含水龍頭-鉆井馬達總成、馬達支架/導(dǎo)向滑車總成、鉆桿上卸扣裝置總成、平衡系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂部驅(qū)動鉆井裝置控制系統(tǒng)以及可選用的附屬設(shè)備七個部分，具體如下圖1所示：

①水龍頭—鉆井馬達總成。在頂驅(qū)鉆井裝置中發(fā)揮著不可小覷的作用，其由鉆進電機和制動器、齒輪箱、整體水龍頭四部分組成，其中，鉆井電機與制動器的構(gòu)成部分通常為兩個垂直對稱的交流鉆井主電機；齒輪箱中的兩對齒輪都是斜齒輪，主要作用在于傳遞扭矩，降低噪音；整體水龍頭包含沖管總成與鵝頸管兩部分，在循環(huán)鉆井液中發(fā)揮著不可替代的作用。

②馬達支架/導(dǎo)向滑車總成。在頂驅(qū)鉆井裝置中，馬達支架/導(dǎo)向滑車總成主要起反扭矩作用。頂驅(qū)鉆井裝置中的主體借助一組連接臂與導(dǎo)向滑車相互連接，并將導(dǎo)向滑車嵌入到導(dǎo)軌中去，能夠使導(dǎo)向滑車沿著導(dǎo)軌方向上下自由移動，與此同時，井架還能夠承擔(dān)起鉆井過程中的鉆頭及鉆桿所產(chǎn)生的反扭矩。

③鉆桿上卸扣裝置總成。鉆桿上卸扣裝置總成主要由背鉗、內(nèi)防噴器、傾斜機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)頭總成等多個部分構(gòu)成，在頂驅(qū)鉆井裝置中主要發(fā)揮推動鉆井作業(yè)自動化程度的提高的作用。

圖1 TDS-8SA型頂驅(qū)鉆井裝置圖

④平衡系統(tǒng)。頂驅(qū)鉆井裝置中的平衡系統(tǒng)主要包含兩個相同的高壓蓄能器和與提環(huán)、大鉤相連接的油缸，其在鉆井裝置中的功能與大鉤補償彈簧類似，旨在保持頂驅(qū)本體重量的平衡。也正基于此，鉆井裝置中的平衡系統(tǒng)又有液氣彈簧式平衡裝置之稱。

⑤冷卻系統(tǒng)。在頂部驅(qū)動鉆機中，主要配備了兩臺吸氣式的離心鼓風(fēng)機冷卻系統(tǒng)，分別安裝在電機的頂部位置。該系統(tǒng)主要是將所吸入的空氣借助開放型內(nèi)道傳送到電機的出口位置，再從底部將空氣排出。

2.液壓系統(tǒng)在頂驅(qū)鉆井裝置中的應(yīng)用

（1)液壓系統(tǒng)簡介

液壓系統(tǒng)指的是以液壓油為傳遞壓力的介質(zhì)，通過控制閥門等輔助性元件實現(xiàn)對液壓執(zhí)行機構(gòu)整套裝置的操縱。該系統(tǒng)致力于通過不斷改變壓強，促進自身作用力的進一步增大。通常來講，完整的液壓系統(tǒng)主要包含動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）以及液壓油五大部分。其基本結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

①液壓動力元件。在液壓系統(tǒng)中，其動力元件也即液壓泵，是將電動機等原動機所提供的機械能向液壓能轉(zhuǎn)換的一種機械裝置，其中，齒輪泵是其常見的結(jié)構(gòu)形式。

②液壓執(zhí)行元件。液壓執(zhí)行元件又被稱之為液壓缸，主要是將液壓泵中的液壓能轉(zhuǎn)化為機械能。其所發(fā)揮的作用在于驅(qū)動負(fù)載進行直線往復(fù)或回轉(zhuǎn)運動。

③液壓控制元件。液壓控制元件又可稱之為液壓閥，也即是指對系統(tǒng)中的液壓、流量及其流動方向等加以調(diào)節(jié)與控制。

④液壓輔助元件。輔助元件主要由油箱、油管、濾油器、蓄能器、加熱器等部分構(gòu)成，由于各部分的功能具有多樣化，其在系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用也不盡相同。

⑤液壓油。液壓油可以說是液壓傳動系統(tǒng)的本質(zhì)所在，其在整個液壓系統(tǒng)中發(fā)揮著能量傳遞的作用。

(2)頂驅(qū)液壓系統(tǒng)的設(shè)計及作用

在當(dāng)前市場中，交流變頻電驅(qū)動與液壓驅(qū)動是頂驅(qū)鉆井裝置最常見的兩種驅(qū)動形式，鑒于在頂部驅(qū)動裝置中，交流變頻電驅(qū)動具有一定的優(yōu)越性，因而本文即選取美國Varco公司的TDS-8SA型頂驅(qū)鉆井裝置為研究對象，分析了該型號頂驅(qū)鉆井裝置液壓系統(tǒng)的工作原理。

液壓傳動系統(tǒng)是頂驅(qū)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，其主要由主體重量平衡系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、吊環(huán)傾斜系統(tǒng)、IBOP控制系統(tǒng)、背鉗系統(tǒng)以及定位銷系統(tǒng)等部分構(gòu)成。在頂驅(qū)鉆井裝置中，一旦主電機發(fā)生驅(qū)動，那么勢必會影響到其主旋轉(zhuǎn)。與此同時，液壓傳動還會在一定程度上對上卸扣、吊環(huán)傾斜與回轉(zhuǎn)、主電機制動等起到控制作用。

圖2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

①平衡系統(tǒng)控制油路。頂驅(qū)鉆井裝置液壓系統(tǒng)中的平衡系統(tǒng)控制油路的重要組件由減壓溢流閥、三位四通防爆電磁閥以及蓄能器三部分構(gòu)成，其中，減壓溢流閥主要發(fā)揮控制和調(diào)節(jié)油壓的作用；蓄能器能夠?qū)τ透灼鸬骄彌_減振的效果。

②剎車油路。剎車油路主要包含防爆電磁換向閥、減壓閥兩部分，其中，這里的減壓閥致力于對執(zhí)行機構(gòu)所需要的壓力加以調(diào)控。

③回轉(zhuǎn)頭油路。頂驅(qū)液壓系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)頭油路由三部分構(gòu)成，分別為調(diào)速閥、雙向溢流閥和防爆電磁換向閥，其中，調(diào)速閥能夠?qū)剞D(zhuǎn)頭的運動速度進行隨意調(diào)整；雙向溢流閥在整個系統(tǒng)中起調(diào)定回路最大工作壓力的作用。此外，在旋轉(zhuǎn)頭的位置，還接有一個可以幫助旋轉(zhuǎn)頭實現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)功能的液壓馬達。

④傾斜機構(gòu)油路。傾斜機構(gòu)油路主要由雙液壓單向閥、雙單向節(jié)流閥以及防爆電磁換向閥三部分構(gòu)成。其中，雙液壓單向閥在此所發(fā)揮的作用在于，確保傾斜臂及與之相關(guān)聯(lián)的吊環(huán)吊卡能夠長時間停留在某一位置；這種回路有助于使執(zhí)行元件的背壓力得到保持，適當(dāng)調(diào)整雙單向節(jié)流閥的位置，其吊環(huán)的運動速度也會相應(yīng)發(fā)生改變；相比之下，防爆電磁換向閥則主要發(fā)揮換向功能。

⑤IBOP控制油路。在IBOP控制油路中，除了包含與上述相同的防爆電磁換向閥之外，還包括減壓閥、液控單向閥，這三個單元主要發(fā)揮的作用在于：防爆電磁換向閥起換向作用；減壓閥用于對執(zhí)行機構(gòu)所需壓力的調(diào)整；液控單向閥旨在對油缸行程位置加以控制，嚴(yán)防下滑。

⑥背鉗機構(gòu)控制油路。背鉗機構(gòu)控制油路包括防爆電磁換向閥、單向液壓鎖以及減壓閥三大部分，其中，液壓閥在背鉗機構(gòu)中起調(diào)節(jié)壓力的作用；使用單向液壓鎖能夠為背鉗的卡瓦的長時間停放提供便利，并為正常打鉆時，卡瓦不外露提供保障。

⑦定位銷系統(tǒng)控制油路。定位銷系統(tǒng)控制油路的構(gòu)成部分主要包括二位四通防爆電磁換向閥、減壓閥二部分。這里的減壓閥在其中所發(fā)揮的作用是對定位銷所需壓力加以調(diào)節(jié)，用于銷緊回轉(zhuǎn)頭聯(lián)接主軸與背鉗，為背鉗上下扣做準(zhǔn)備。其調(diào)整機構(gòu)位于回轉(zhuǎn)頭上部，回轉(zhuǎn)支架上。

3.結(jié)束語

綜上所述，在頂驅(qū)鉆井置中，液壓系統(tǒng)的性能好壞將會給頂驅(qū)的工作效率及其使用效果帶來直接性影響。美國Varco公司的TDS-8SA型頂驅(qū)鉆井裝置在應(yīng)用液壓系統(tǒng)時，應(yīng)對其各部分組件及其所發(fā)揮的作用加以深入分析，并對液壓系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備做好定期的檢查與維護等，以便使液壓系統(tǒng)在鉆井工作中的應(yīng)用效果達到最佳。

[1]白大鵬,李紹輝,馬哲,王海巖,黃峰．智能鉆井工具液壓系統(tǒng)性能測試臺的研制[J]． 石油機械,2016,(09)．

[2]徐新,路妍．某自升式鉆井平臺防噴器液壓系統(tǒng)設(shè)計問題分析[J]．機電設(shè)備,2017,(02)．

(責(zé)任編輯 王恒)

Application of Hydraulic System in Well Drilling Industry

Kong Cong
（China Oil field Services Limited Liability Company, Guangdong, 524057）

Hydraulic system takes the hydraulic oil as the main working medium and makes use of the pressure energy of hydraulic oil as well as the control valves etc. other accessories to operate the complete set of equipment in hydraulic actuator. In recent years, with the gradual improvement of hydraulic technology in China, the system has been widely applied to agricultural machinery, engineering machinery, oil drilling and other industries.Among them, especially the application in the drilling industry is the most representative. Based on the TDS-8SA type top driving well drilling device of American Varco, this paper introduces the theory of hydraulic system and its application in drilling industry.

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T

A

孔聰（1983～），男，中海油田服務(wù)股份有限公司；研究方向：鉆井勘探四化機械。