4 500 kN變頻直驅頂部驅動鉆井裝置設計

張軍巧，李美華，齊建雄，趙春暉，楚 飛，孫明寰，王洋紳

(北京石油機械有限公司，北京 102206)

頂部驅動鉆井裝置(以下簡稱頂驅)安裝在井架上部，可以沿導軌上下移動，進行旋轉鉆桿、循環鉆井液、接立根、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業。它取代傳統的轉盤+方鉆桿系統，極大減少了鉆柱遇阻、卡鉆等復雜情況的發生，顯著提高了鉆井作業的效率。頂驅是當今石油鉆井的前沿技術與裝備，已在陸地和海洋鉆井中得到廣泛應用，尤其在深井、水平井、大斜度井等高難度井的作業中顯示出較高的技術先進性。隨著油氣勘探開發的環境越來越惡劣，難度越來越大，頂驅已成為鉆深井、超深井和特殊工藝井的標配產品[1-5]。

為適應頂驅的發展趨勢，降低能源消耗和生產成本，提高傳動效率和可靠性，北京石油機械有限公司在充分吸收國內外頂驅先進技術和經驗的基礎上，采用機電融合技術，把主軸與電機進行集成，開發出由變頻電機直接驅動主軸旋轉的頂部驅動鉆井裝置(以下簡稱直驅頂驅)。本文介紹了該直驅頂驅的結構、特點、試驗情況。

1 設計要求

1.1 遵循標準

直驅頂驅的設計既要滿足正常鉆井工藝的要求，還要符合相應的標準和規范要求。設計過程中遵循的主要標準有[6-9]：API Spec 8C-2012《鉆井和采油提升設備規范(PSL1和PSL2)》、GB/T19190-2013《石油天然氣工業鉆井和采油提升設備》、GB/T 31049-2014《石油鉆機頂部驅動鉆井裝置》、SY/T5288-2000《鉆采提升設備的主要連接尺寸》。

1.2 適應環境

4 500 kN直驅頂驅需滿足陸地和海洋各種鉆井工況的要求。首先要考慮溫度、濕度要求，使用環境溫度一般為-20～50 ℃。為了提高直驅頂驅的環境溫度適應能力，設計時將溫度范圍調整為-35～55 ℃。針對海洋環境，還要考慮防鹽霧腐蝕、防爆和阻燃的要求。

2 結構組成及特點

4 500 kN直驅頂驅系統主要由動力水龍頭、管子處理裝置、導軌和滑車、液壓系統和電氣系統組成。動力水龍頭包括提環總成、鵝頸管總成、沖管總成、箱體、電機、主軸等，管子處理裝置包括懸掛體、吊環傾斜機構、防松裝置、背鉗等。4 500 kN直驅頂的本體結構如圖1所示。

動力水龍頭中的電機直接驅動主軸并帶動鉆柱旋轉。管子處理裝置中的懸掛體不承載時，動力水龍頭可進行鉆井作業；懸掛體承載時，用于起下鉆作業，此時動力水龍頭不可進行鉆井作業。集成在頂驅本體上的液壓系統，可以實現背鉗的夾緊與松開、吊環前后傾和中位浮動、旋轉頭回轉與鎖緊、內防噴器打開與關閉、主電機制動與松開等功能。電氣控制系統具有對頂驅的運行情況進行實時控制和監測的功能。

1—提環總成；2—鵝頸管總成；3—沖管總成；4—動力水龍頭箱體；5—電機； 6—懸掛體；7—主軸；8—吊環傾斜機構；9—防松裝置；10—轉換接頭；11—背鉗；12—導軌；13—集成液壓箱；14—液壓泵組；15—閥塊；16—散熱系統。圖1 4 500 kN直驅頂的本體結構

1) 提環總成中的平衡油缸一端與提環相連，另一端固定在箱體上，可自平衡，省去了提環與大鉤或游車連接用的懸掛梁，縮短了頂驅本體高度。

2) 取消減速箱及其油潤滑、冷卻和過濾系統，由電機直接驅動主軸鉆進。采用變頻控制技術，變頻器根據電機轉速要求自動調節輸出頻率，從而實現無級變速，傳動效率更高。密封數量更少，結構更簡單，維護更方便，可靠性更強。電機與主軸同軸度好，避免了鉆井過程中由于不同軸造成的各連接件之間過度磨損、振動和沖擊，延長機械零件和密封件的使用壽命。

3) 主軸旋轉與管子處理裝置中的上浮機構互鎖，鉆進和起下鉆時的載荷分別由主軸軸承和主軸臺階承受，保證了主軸軸承的使用壽命，減少液壓管線接頭，從而降低成本，提高頂驅的可靠性。

4) 管子處理裝置部件可在組裝好后整體安裝到動力水龍頭箱體的底面，模塊化程度高，便于獨立維護更換，制造難度低，組裝工藝性好。

5) 液壓源及閥塊集成在頂驅本體上，占用空間小。液壓源到執行機構的管線長度大幅縮短，壓力損失更小，使液壓控制的反應更迅速。

6) 電控系統集智能鉆機接口、軟轉矩控制、扭擺減阻控制等技術于一體，具備安全互鎖、故障診斷、實時監控、報警和自保護等功能。設計有單獨的電控房，也可集成到鉆機控制系統，方便顧客自主選擇。人機交互操作界面包含狀態顯示、操作功能、數值設定、歷史數據歸檔、自動保養和預防性維護提示等內容，顯示全面、易于操作、應急處置方便。一鍵式操作，設置靈活，降低誤操作概率，極大地提高頂驅工作的安全性和可靠性。

3 主要技術參數

北京石油機械有限公司于2020年研制出4 500 kN直驅頂驅，其主要技術參數如表1所示。

表1 4 500 kN直驅頂驅的主要技術參數

4 關鍵零件強度校核

驅動主軸的低速大轉矩電機，以及承受頂驅額定載荷的主軸臺階都是設計的關鍵部位。本文僅對主軸臺階處的表面接觸應力進行校核。起下鉆時，載荷通過懸掛體作用在主軸臺階處，受力如圖2所示。

圖2 主軸臺階處受力

力平衡方程為：

F=Fi·cosα+N·sinα=N(sinα+μcosα)

(1)

式中：F為軸向力，2F=4 500 kN；α為臺階面錐角，α=60°；N為接觸面上的正壓力；Ft為接觸面間的摩擦力,Fi=N·μ；μ為靜摩擦無潤滑鋼間的摩擦因數，一般取μ=0.15[10]。

正壓力可用接觸壓力和接觸面積確定，即：

(2)

式中：p為表面的接觸壓力；A為表面積。

(3)

式中：D為錐面大徑，D=258 mm；d為錐面小徑，d=228 mm；L為錐面長度，L=10 mm。

將式(2)～(3)代入式(1)得：

則：

經計算得，p=313.2 MPa。主軸材料調質后的許用接觸應力不小于900 MPa，則安全系數為900/313.2=2.87，符合API Spec 8C的要求。

5 樣機試驗

直驅頂驅樣機試制完成后，在廠內進行臺架試驗，內容包括：主承載件靜載拉伸試驗、動力水龍頭試驗、管子處理裝置試驗、泥漿通道密封試驗、液壓系統試驗、電控系統試驗[6-8]。

1) 靜載拉伸試驗。在箱體、主軸、懸掛體這些承受主要載荷的零件高應力部位貼應變片，緩慢地施加驗證載荷，而后卸載。

初始狀態下、驗證載荷下以及卸載后的應變值顯示主承載件無屈服發生。卸載24 h后拆卸，檢查各零件，沒有變形和損傷，無損檢測證明無影響使用的缺陷。

2) 動力水龍頭運轉試驗。對產品進行空載運轉試驗、轉矩加載運轉試驗、上卸扣和堵轉試驗。

試驗過程噪聲小，運轉平穩，無異常。試驗最高轉速可達200 r/min，恒轉矩階段的轉速為0～100 r/min，連續工作轉矩值70 kN·m，松開鉆柱螺紋時轉矩可達105 kN·m，堵轉轉矩70 kN·m。

3) 管子處理裝置試驗。懸掛體轉動平穩，吊環傾斜和中位浮動動作正確、換向平穩，能自由回到中位，內防噴器開關到位，無卡阻和沖擊，無滲漏。

4) 主通道密封試驗。對主軸及沖管盤根總成、鵝頸管總成在內的泥漿通道進行2個周期、壓力為78 MPa、每個周期保壓3 min的試驗，均無可見的壓力下降或滲漏。

5) 液壓系統試驗。對液壓源、閥組和各個執行機構進行功能和聯動試驗。各元件工作正常，密封良好，無滲漏發生。

6) 電控系統試驗。對系統功能以及顯示、報警、保護和功能互鎖進行試驗。調節控制準確，操作靈活，顯示與報警無誤。

6 結論

1) 研制的直驅頂驅與傳統減速頂驅相比，無減速箱和油潤滑系統，傳動效率高，密封數量少，無潤滑油泄露風險。

2) 動力水龍頭和管子處理裝置可獨立裝配后組裝，模塊化程度高，生產效率高。主軸軸承只承受鉆井時的載荷，起下鉆時的載荷由主軸臺階承受，延長了軸承的使用壽命，縮短了頂驅本體高度。液壓源和閥組集成在本體上，縮短了兩者之間的管線長度，壓力損失小，控制反應更靈敏。

3) 試驗結果證明，整機性能穩定，啟停和運行平穩，定位精確，裝配質量合格，設計合理。