鉆井頂驅的發展歷史綜述

摘 要：系統介紹了鉆井頂驅發展的歷史、主要類型，詳細列舉了幾個主流品牌中各型號的主要參數，及交流電驅動頂驅與直流電驅動頂驅的優勢比較。

關鍵詞：石油;鉆井;驅動

石油鉆井多年來一直采用標準的轉盤和方鉆桿鉆井方式，利用轉盤、方鉆桿、鉆桿B型大鉗、吊卡、卡瓦和方補心接單根。這種鉆井方式有兩個突出的矛盾一直懸而未決，一是由于起下鉆不能及時實現循環旋轉功能，遇上復雜地層，或是巖屑沉淀，往往造成卡鉆。二是由于常規鉆機在鉆進中依靠轉盤帶動方鉆桿旋轉送進，方鉆桿的長度限制了鉆進深度，故每次只能接單根，因而費工費時效率低，勞動強度大。20世紀70年代以來，出現了動力水龍頭，在相當程度上改善了鉆井工人的操作條件，加快了鉆井速度，但它只是水龍頭和氣動馬達的結合，未從根本上擺脫轉盤，也不具備起鉆中能迅速旋轉鉆具、循環鉆井液的能力。

20世紀80年代以美國、法國、挪威等國為代表研制的頂部驅動鉆井系統（TOP DRIVE DRILLING SYSTE），明顯提高了鉆井作業速度和效率，尤其是深井、復雜井，同時能及時避免和控制事故的發生，不僅提高了井口工人的安全，而且減輕了工人的勞動強度，已成為石油鉆井先進裝備的代表。

而所謂的頂部驅動，就是把鉆井動力部分由下邊的轉盤移動到鉆機上部的水龍頭處。它可從井架空間上部直接旋轉鉆柱，驅動鉆具旋轉，并沿著井架內專用的導軌向下送進，完成鉆柱旋轉鉆進，循環鉆井液，接立根，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井工藝操作。由于取消了方鉆桿，無論是在鉆進過程中，還是在起下鉆過程中，鉆柱可以保持鉆井液循環。因而遇卡遇阻事故可以得到及時有效的控制和處理。同時，可以進行立根鉆進，大大提高了純鉆進時間，鉆井實驗表明：這種系統可節省鉆井時間20%-25%。是當今石油鉆井自動化中的前沿技術與裝備，用于鉆斜井、鉆高難度的定向井時效果尤為顯著。

1 頂驅發展的簡要回顧

首先以美國VARCO公司系列頂驅為例，回顧一下頂部驅動裝置的研制發展過程。

1981年開始研制最初的TDS-1型頂部驅動鉆井裝置的系列馬達原型，采用的是GE752直流電機，電機水平安裝。在隨后作出的頂部驅動裝置TDS-2型的設計中，電機該為直立安裝，但它們均是建立在設計的基礎上，未投入實際生產應用。

1982年設計并于1983年生產了單速（減速比為5.33：1）的TDS-3型頂部驅動鉆井裝置，開始應用于實際油田鉆井生產中，并由此形成了工業標準。

1988年研制開發了具有新標準的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型頂部驅動裝置，同年還生產了單速（減速比6.67：1）的TDS-5型頂部驅動鉆井裝置，但當時它只是作為臨時性措施而設計生產的一種產品。

1989年出現了新式高扭矩馬達，TDS-3H型及TDS-4H型兩種頂部驅動裝置由于應用了這種新式馬達應運而生，并在鉆機上得以應用。

1990年研制生產了整體式水龍頭，裝配在TDS-3S、TDS-4S兩種型號的頂部驅動鉆井裝置上，得到廣泛應用。隨著鉆井深度的增加，要求驅動更大重量的鉆柱，于是設計了雙馬達驅動的TDS-6S型頂部驅動鉆井裝置，單速傳動比5.33：1，應用于深井鉆井。

1991～1992年間，又陸續研制了TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB等諸型號的頂部驅動鉆井裝置。

1991年研制的IDS-1型整體式頂部驅動鉆井裝置，是一種具有單速比6.00：1、緊湊的行星齒輪驅動的更先進的裝置，它是真正意義上的整體式頂部驅動鉆井裝置。

1993年研制開發了第一臺交流頂部驅動鉆井裝置，這在頂部驅動裝置的歷史上實現了新的飛躍。緊接著于1994年又研制開發了TDS-9SA型頂部驅動鉆井裝置，起升能力為400噸，為第一臺雙交流電動機驅動式。

1997年該公司更研制出500t的TDS-11SA型及輕便的TDS-10SA型頂部驅動鉆井裝置。其中尤以TDS-11SA型引人注目，它是為快速輕便而設計的，結構非常緊湊，采用斜齒輪傳動，降低了噪音，具有輕便、高可靠性及低維護費等優越性。

2 中國頂驅發展概況

1993年 ，我國開始了自行設計、自行制造頂部驅動鉆井裝置工作;

1996年， DQ-60D型頂部驅動鉆井裝置研制成功，填補了國內空白;

1998年 ，研制和開發了DQ-60P輕便式頂部驅動鉆井裝置;

2000年 ，中石油勘探研究院石油機械研究所與北石廠等單位聯合開展了頂部驅動鉆井裝置的產業化研制工作;

2004 年，我國第一臺具有自主知識產權的DQ70BS交流變頻頂部驅動鉆井裝置在北石廠問世 ;天意公司也研制成功DQ-40LHTY1頂部驅動鉆井裝置，并進行了功能實驗及現場實驗;

2005年， 9000米鉆機配套的北石廠DQ90BSC頂部驅動鉆井裝置研制成功;

2006年，北石廠2臺DQ40BS頂部驅動鉆井裝置出口美國 ;天意公司DQ-70LHTY1頂部驅動鉆井裝置研制成功;

2009年， 景宏公司進入頂驅制造行業，開始制造DQ50、DQ70頂驅;

3 頂部驅動裝置的類型

根據頂部驅動裝置的驅動形式區分，目前世界上在用的和正在生產的頂驅，共有液壓驅動和電驅動兩大類型。在電驅動頂驅中，又可分為直流（AC-SCR-DC）電驅動和交流變頻（AC-SCR-AC）電驅動兩種形式。在交流變頻電驅動中，根據電機類型又可分為交流變頻感應電動機驅動和交流變頻永磁電動機驅動兩種形式。實際上可以分為4種驅動形式的頂驅：

液壓驅動形式頂驅，例如加拿大TESCO的650HC/HCI。

直流（AC-SCR-DC）電驅動形式，例如加拿大CANRIG、美國VARCO的IDS-1。

交流（AC-SCR-AC）變頻感應電動機驅動形式，例如美國VARCO的TDS-11SA，TDS-9SA，挪威的MH頂驅、中國北石廠的DQ70BSC、景宏公司的DQ70頂驅。

交流（AC-SCR-AC）變頻永磁電動機驅動形式，例如加拿大TESCO的650ECL。

交流電驅動頂驅與直流電驅動頂驅在性能上相比較而言，有以下優越性：

1. 更高的扭矩范圍和更寬的轉速范圍

由于直流電動機換向器的能力限制了它的容量和轉速，其極限容量與轉速的乘積約為106千瓦·轉/分鐘，超過這一數值時，設計與制造就非常困難了。而交流電機則不受這個限制，因此可以獲得更高的扭矩和轉速。

2. 維護費用低

交流電機沒有電刷、電刷齒輪或轉換開關，無需維護電刷，從而降低了維護費用。

3. 零轉速時的扭矩高，且可以有效制動

在鉆井卡鉆時，直流電機基本不允許在堵轉扭矩下工作;而交流電機則可在堵轉扭矩下工作，即滿扭矩負荷時可以長時間處于靜止狀態，過載能力達到150%，時間可長達1分鐘。

4. 安全性好

由于使用交流防爆電機，電機上沒有產生電弧的裝置，從而增加了鉆井作業中設備和人員的的安全性。

5. 更小的整體尺寸和更輕的重量

如果采用一對400馬力的交流驅動電機，而產生的扭轉特性卻接近于1100馬力的直流電動機，因此縮小了整個頂驅的尺寸和重量。由于結構緊湊，從而提高了頂驅的便攜性和機動性，保證了擁有足夠的安全空間，擴展了頂驅的適用范圍。

6. 精確的速度和扭矩控制

由于交流電機是通過調節電機的頻率來控制速度，而隨著電子元件的迅猛發展，特別是新型晶體管（IGBT）元件用于頂驅交流調速技術，從而可以精確控制交流頂驅的扭矩和轉速達到+/-1%。

4 主要頂驅的基本技術參數

隨著頂部驅動鉆井裝置在世界范圍內鉆機上的大批應用，生產頂部驅動鉆井裝置的廠家也由當初的美國、挪威擴展到法國、加拿大等4個國家的7家公司。之后，中國、英國也加入到頂部驅動裝置的生產行列。目前世界上主要生產頂部驅動裝置的公司有：美國NATION-OILWELL VARCO公司、BJ公司;加拿大TESCO公司、CANRIG公司;挪威米ARITI米E-HYDRILICS公司;法國ACB公司;中國的北石、景洪等。

1. 美國VARCO公司新系列頂驅的主要技術參數

目前，VARCO公司生產7種規格新系列頂驅，主要基本參數見表1。API提升載荷250噸-750噸，連續工作扭矩10.21千牛·米～86.94千牛·米，間歇工作扭矩18.47千牛·米～129.72千牛·米，全功率轉速為120轉/分鐘～500轉/分鐘。

在VARCO頂驅系列中，IDS-1型、TDS-4S型和TDS-4H型、TDS-6S型等3種規格頂驅采用AC-SCR-DC電驅動形式，采用GE752型串激或并激高扭矩DC電動機，功率為809.1～831千瓦。其中TDS-8SA型、TDS-9SA型、TDS-10SA型和TDS-11SA型等4種規格頂驅采用AC變頻電驅動形式，分別采用GE GEB-20A型電動機，功率845.8千瓦;Reliance Electric AC雙電動機、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;Reliance Electric AC電動機、功率257.4千瓦;Reliance Electric AC雙電動機、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;也可選用2×294.2千瓦=588.4千瓦。

2. 加拿大TESCO公司新系列頂驅主要基本參數

目前，TESCO公司生產5種規格新系列頂驅，主要基本參數見表2。額定載荷1500千牛～6500千牛，最大扭矩28.98千牛·米～59.34千牛·米，最高轉速195轉/分鐘～220轉/分鐘。

在5種規格新系列頂驅中，150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型等3種規格頂驅采用液壓驅動形式，分別采用1臺196型液壓馬達、兩臺196型液壓馬達、兩臺196型液壓馬達。500ECI型和650ECI型等兩種規格頂驅采用AC變頻永磁電動機驅動形式，均采用兩臺美國Kaman公司PA-44型永磁電動機，功率2×662千瓦=1323.9千瓦。

3. 加拿大CANRIG公司新系列頂驅主要基本參數

目前，CANRIG公司生產8種規格新系列頂驅，主要基本參數見表3。額定載荷1750千牛～7500千牛，最大扭矩28.9千牛·米～97.4千牛·米，最高轉速175轉/分鐘～270轉/分鐘。

6027E型、8035E型、1050E型和1165E型等4種規格頂驅采用直流電驅動形式，功率分別為450千瓦、600千瓦、750千瓦、820千瓦。1250AC型和1275AC型等兩種規格頂驅采用GE B20 AC變頻電動機驅動形式，功率均為900千瓦。

4 挪威MH公司新系列頂驅主要基本參數

隨著電氣控制元件及技術、材料工程、動力工程的發展，以及鉆井業對頂驅越來越高的要求，比如體積更緊湊，搬遷更方便，控制更容易等，頂驅裝備的結構與控制技術必將得以持續的提升，有著非常大的發展前景。可喜的是，我國的頂驅制造及研發也在迎頭趕上，目前除了北京石油機械廠，也涌現了黑龍江景宏石油設備制造有限公司，遼河天意石油石油裝備有限公司等制造研發商，而且這幾家的頂驅也各有特色，并具有各自的專利技術和自主知識產權。相信隨著下一輪石油價格的上漲，國產頂驅的制造與研發技術也必將迎來一場新的井噴式發展。

參考文獻：

[1]陳朝達. 《頂部驅動鉆井系統》. 北京：石油工業出版社，2000.11.第一版.P5-P7

[2]VARCO? BJ. 《VARCO TOP DRIVER MANUALS》1998? P21，P25

作者簡介：

耿紅軍（1969-），男，漢族，河南省新鄉市人 ，高級工程師，高級工程師，研究方向：石油裝備管理。