15000m頂部驅動鉆井裝置的研制

基金項目：中國石油天然氣集團有限公司科學研究與技術開發項目“萬米級智能鉆機研發”（2022ZG06-01）。

為滿足超深層油氣勘探開發對鉆井裝備的需求，結合北京石油機械有限公司系列頂驅的研發經驗，研制了15 000 m頂驅。依據15 000 m鉆機的技術參數確定了主要技術參數；根據鉆井工藝要求，設計了總體結構方案；應用模塊化設計、理論計算和有限元分析等方法，對關鍵模塊進行了結構優化，分析了實時監測與維護技術、一鍵式協同控制技術和自動潤滑技術。臺架性能試驗結果表明：該裝置的各項性能指標均符合設計要求，啟停、運行平穩，控制精準，裝配合格，自動化和智能化水平高，能很好地滿足15 000 m鉆井工況要求，有效提升了鉆井作業效率和安全性。研制結果可為超深層鉆井技術與裝備的進一步研究和應用提供技術借鑒。

特深井鉆機；頂驅；結構優化；有限元分析；臺架試驗；協同控制

Development of 15 000 m Top Drive System

Zhang Junqiao Wang Bo Qi Jianxiong Zhang Hongjun Xie Hongfeng Shan Xiaoping Ma Rui

（Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd.）

In order to meet the demand for drilling equipment in ultra-deep oil and gas exploration and development，combined with the experience of Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd. in research and development of top drives，a 15 000 m top drive was developed. Its main technical parameters were determined based on the technical parameters of the 15 000 m drilling rig. Its overall structure was designed according to the requirements of drilling technology，and the structures of key modules were optimized using the methods such as modular design，theoretical calculation and finite element analysis. Real-time monitoring and maintenance technology，one-key collaborative control technology and automatic lubrication technology were analyzed. Finally，a bench test on the performance of the top drive system was performed. The results show that all performance indicators of the system meet the design requirements. It can start，stop and operate smoothly，and control accurately. It is also characterized by qualified assembly，and high automation and intelligence levels. These features allow the system to well accommodate the 15 000 m drilling conditions，with improved drilling efficiency and safety. The development of 15 000 m top drive provides a technical reference for further research and application of ultra-deep drilling technologies and equipment.

ultra-deep well drilling rig;top drive; structural optimization; finite element analysis; bench test; collaborative control

0 引 言

頂驅是頂部驅動鉆井裝置的簡稱，可以在井架空間上部直接驅動鉆柱旋轉并沿專用導軌向下送進，完成旋轉鉆進、循環鉆井液、接立根、上卸扣、倒劃眼、旋轉下套管等多種鉆完井作業，已成為現代鉆井作業必備裝備^［1-2］。近年來，國內油氣勘探不斷向深層、超深層拓展，已在多個地區超深層發現高產油氣流，開創了勘探開發的新領域，開展超深層鉆井配套頂驅的研究成為必然^［3-4］。公開文獻表明，國外研制成功并進行應用的萬米級頂驅有美國NOV公司的TDX1250和TDX1500、挪威MH公司的TD1250和TD1500，其中TDX 1250和TD1250的承載能力為11 250 kN，TDX1500和TD1500的承載能力可達到13 500 kN，它們均配備了鉆井作業安全提升、扭矩智能控制、導向滑動控制等技術^［5-6］，并應用于海洋平臺的鉆井作業中。國內北京石油機械有限公司（以下簡稱北石）研制的12 000 m頂驅承載能力為9 000 kN，配置包括安全提升、扭矩智能控制、導向滑動控制、主軸旋轉定位、遠程診斷等技術，在鉆井能力、鉆井技術、安全性、輕量化等方面有了顯著的突破，已在深地塔科1井、深地川科1井成功應用。深地塔科1井設計井深11 100 m，是我國首口萬米科學探索井，位于新疆沙漠腹地。深地川科1井設計井深10 520 m，位于四川盆地西北部，因復雜的地質結構，是全球鉆進難度最大的萬米深井，其7項難度指標居世界第一。

隨著國內深井鉆探記錄不斷被打破，開展15 000 m特深井鉆機配套頂驅研究已成為我國油氣勘探開發向特深層發展的必然需求。鑒于此，北石研制了一套名義鉆井深度15 000 m的頂驅。該頂驅具有超高提升載荷、超大功率、超高循環壓力等特點，具有實時監測關鍵部件、自主識別作業工況等功能，維護保養簡單，自動化程度高，安全性好。該頂驅的研制成功，對滿足國家能源接替戰略需求、提升我國鉆井裝備整體競爭力、增強超深層油氣資源開發能力具有重要意義。

1 技術分析

1.1 總體方案

研制的頂驅應滿足萬米超深井鉆井工藝要求。為滿足超深井作業過程中額定提升載荷和鉆井扭矩的需要，采用雙提環、雙主電機的結構。雙提環和鉆機游車之間通過過渡提環連接，達到傳遞載荷可靠、頂驅重心居中的目的。為應對萬米深井超長鉆井周期的生產需求，采用一級減速傳動結構，減少高速旋轉部件數量，提升傳動效率和可靠性。為適應超深井作業中大排量、高泵壓的要求，鉆井液通道采用通徑102 mm、額定循環壓力70 MPa的結構。為保證正常旋緊、松開鉆柱接頭，背鉗采用4油缸結構以達到所需的夾持扭矩，雙旋轉馬達使旋轉頭獲得所需的旋轉動力，帶動吊環、吊卡旋轉，以抓取單根或鉆柱。與鉆機井架上的雙導軌相匹配，設計了滾輪式滑車，用于傳遞頂驅工作扭矩。

1.2 總體結構

頂驅由本體、電氣傳動與控制系統、液壓傳動與控制系統等組成，其中頂驅本體由動力水龍頭、管子處理裝置和滑車等組成^［7］。動力水龍頭包括過渡提環、主電機、提環、減速箱等，管子處理裝置包括旋轉馬達、旋轉頭、背鉗、內防噴器及控制裝置、吊環傾斜系統等，背鉗包括背鉗支架和背鉗體。頂驅本體結構如圖1所示。

1.3 主要技術參數

額定載荷（API Spec 8C PSL1）：11 250 kN；

名義鉆井深度（?114 mm鉆桿）：15 000 m；

電動機額定功率：1 100 kW×2；

最大連續鉆井扭矩（≤140 r/min）：

145 kN·m；

最大上卸扣扭矩：205 kN·m；

剎車扭矩：145 kN·m；

額定循環壓力：70 MPa；

主軸中心通道直徑：102 mm；

轉速：0～280 r/min；

環境溫度：-35～55" ℃。

交流變頻電機的調速特性是額定鉆速以下恒扭矩調節，額定鉆速以上恒功率調節。所以，額定轉速以下，可以輸出最大鉆井扭矩；額定轉速以上，可輸出的最大鉆井扭矩隨轉速上升而下降，轉速和最大鉆井扭矩的乘積不變。根據電機調速特性和頂驅技術參數，可得頂驅輸出鉆井扭矩與轉速的關系，如圖2所示。

1.4 工作原理

動力水龍頭中的主電機通過一級齒輪減速后，驅動主軸及與其連接的鉆柱旋轉鉆進。管子處理裝置中的旋轉馬達做旋轉運動，帶動吊環、吊卡轉動，完成接鉆桿、起下鉆等作業，還可通過操作內防噴器控制裝置關閉內防噴器來防止井噴的發生。頂驅的輔助動作，如本體質量的平衡、背鉗夾緊松開與上提下放、吊環傾斜與浮動、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均通過液壓系統驅動相關執行元件來完成。電氣控制系統具有對頂驅及關鍵部件的運行狀態進行實時控制、監測和自診斷功能。滑車使頂驅在各種作業中與鉆機井架保持相對正確的位置，并承受頂驅工作時的反扭矩。

2 主要技術改進與結構優化

2.1 超高載荷提升系統

根據15 000 m鉆機井架空間尺寸，為可靠傳遞11 250 kN額定載荷，結合北石系列頂驅的研發經驗，采用雙提環、過渡提環和可調滑車結構。雙提環相對于主軸對稱分布，下部與減速箱連接，上部與過渡提環連接，過渡提環再與游車連接。滑車前后、左右方向均可調節。這種結構可使頂驅重心、主軸重心以及井口中心的偏差在標準規定的范圍內，減小主承載件（承受主載荷的構件）在工作中受到的交變彎曲應力。同時，采用有限元分析軟件，對包括過渡提環、提環、主軸、內套、旋轉頭等在內的主承載件在最大靜載、最大扭矩、正常鉆進等工況下進行強度分析和疲勞分析，根據分析結果優化了結構，滿足了相關標準規定的在11 250 kN時安全系數大于2.25、疲勞壽命不少于20 a的要求^［8-9］。

以旋轉頭為例，進行理論計算^［10］、有限元強度分析和疲勞分析。旋轉頭兩側的吊耳連接吊環及吊卡，在旋轉馬達作用下，能繞主軸轉動，配合吊環傾斜機構去抓取單根或立根，承受起下鉆作業時的載荷。旋轉頭吊耳結構見圖3。

在11 250 kN作用下，旋轉頭吊耳接觸半徑R₁應不大于114.3 mm，R₂應不小于76.2 mm，吊耳受剪切和壓力作用，常規計算顯示最小安全系數為3.15。有限元分析是利用CAXA 3D實體設計軟件建立旋轉頭三維模型后，將其導入有限元分析ANSYS軟件進行整體網格劃分，單元類型為Solid187號實體單元，節點總數為581 440個，單元總數為847 707個。在靜力平衡狀態下，旋轉頭承受來自底部軸承支撐面的約束作用，在旋轉頭2個吊耳上施加11 250 kN的載荷，方向為y向；底部的軸承支撐面約束其y方向的自由度。有限元強度分析結果顯示安全系數為2.55，疲勞分析安全系數為3.38，疲勞壽命為24.3 a，均符合相關標準要求。旋轉頭有限元分析結果見圖4，其中最大載荷工況應力計算結果見圖4a，最大靜載工況位移計算結果見圖4b，疲勞壽命分析結果見圖4c，疲勞安全系數分析結果見圖4d。

2.2 超大功率旋轉動力系統

萬米以上超深井具有鉆井周期長、地質條件復雜、工況不確定等特點，為安全、高效地完成鉆井工作，采用2臺功率大、調速范圍廣的交流變頻電機，一級減速驅動結構，傳動簡單，提高了傳動效率。與二級減速結構相比，減少1套齒輪副就會減少66%的高速軸承，減少約1/2的熱載荷^［11］。同時，考慮鉆井現場風沙、油污、溫差大等惡劣的環境條件，以及相較于常規頂驅翻倍的電纜數量，采用集成化拖鏈成套游動管纜，因此柔性好、抗打擊，單芯電纜可換，滿足對管纜進行可靠防護和穩定供電的要求。為了清晰表示電路中的設備及其組成部分的工作原理，便于查找、測試、安裝和維護設備，繪制了系統單線圖，如圖5所示。由圖5可以看出，井場發電機輸送了600 V交流電源到電控房。經主空氣開關、進線電抗器連接到電源模塊，轉換為DC 810 V輸出到直流母線。電機模塊工作在該直流電網上，利用脈沖寬度調制方法（PWM），生成三相頻率可調的供電電源，輸出到頂驅主電機。同時，3AC 600 V 交流電經空氣開關連接到輔助變壓器，轉換為3AC 380 V 和220 VAC交流電，作為輔助電源，通入PLC/MCC柜。控制變壓器將3AC 380 V 變壓為220 VAC，再經Sitop模塊變為DC 24V^［7］。

2.3 超大扭矩管子處理系統

頂驅最大上卸扣扭矩205 kN·m，作業井深15 000 m。為順利完成起下鉆，要求管子處理裝置能適應不同尺寸的鉆桿接頭，可保護各接頭免受大扭矩的損壞、能自動上提下放，以方便更換相關零部件。采用四油缸夾持結構的背鉗體，油缸行程長、夾持范圍寬，可適應不同尺寸鉆桿接頭，夾持壓力可自主調節，在滿足承扭能力的同時可保護鉆桿接頭免受損壞。

背鉗支架內布置油缸，通過油缸活塞的伸縮，實現支架的伸縮，從而使背鉗體能自動升降足夠的距離，以方便拆裝轉換接頭或內防噴器組件。

2.4 超高壓主循環通道

對于萬米以上頂驅，地層壓力大，井下溫度高，地層中的油、氣、鹽等對鉆井液的污染可能增大，由此導致鉆井液對主循環通道的腐蝕可能加劇，且使主通道循環壓力達70 MPa，因此主循環通道應具有耐高壓、防腐蝕、旋轉面耐磨損、旋轉密封性能好等特點。主循環通道包括主軸、鵝頸管、鉆井液連接管、沖管總成等，最容易失效的是沖管總成，尤其是沖管總成中與鉆井液直接接觸的零件和用于密封的零件。沖管總成按結構分為盤根式和機械密封式（見圖6）。

通過優選材料、優化結構與熱處理方式、在旋轉部位噴涂高硬合金、對整體表面進行特殊防腐耐磨處理等，已起到耐磨防腐的效果。用于旋轉密封的盤根，選用高性能橡膠材料和適當的結構設計實現耐高壓、耐磨損的性能；機械密封式還可以根據動、靜環端面磨損量和泄漏量，對液壓彈簧進行動態壓力調節，以保持密封的穩定性，從而滿足超深井作業中大排量、高泵壓的要求。

2.5 液壓系統閥組

液壓系統閥組用于控制頂驅的輔助動作，包括整機平衡系統、剎車系統、內防噴器系統、吊環的傾斜和浮動系統、旋轉頭的回轉系統、旋轉頭的鎖緊、背鉗系統，有的還包括液壓吊卡系統，因此液壓系統閥組的設計直接決定著頂驅整機的性能。目前液壓閥組有疊加式和插裝式2種。疊加式閥組排查故障簡單，但每個輔助動作控制系統的控制原理不同，高度不同，位置相對固定，連接件形式多樣，容易出現差錯。插裝式閥組安裝靈活，但對閥塊表面質量及內部油道加工質量要求較高，排查故障較為困難。為克服以上2種閥組的缺點，采用由閥塊基座、片式插裝閥塊、電磁換向閥組成拼裝式液壓控制閥組，如圖7所示。該閥組在完成液壓輔助動作的同時，具有安裝位置隨意性強、組合形式多樣化的特點，排查故障方便，生產和維護成本低。

2.6 實時監測與維護系統

在鉆井作業中設備動作不到位、維護不及時造成的故障將會產生經濟損失，并且事后維護也將造成時間、人員、物資浪費，進而影響鉆井效率^［12］。因此，需基于物聯網技術，采用接近開關、激光、傳感器等非接觸式設計，實時監測提環、滑車、內防噴器等相關零部件的狀態和位置，以及吊環傾斜角度、提升載荷值等參數，根據檢測結果提供預防性維護、維修建議，對關鍵部件進行自動維護保養。還可對測得的數據進行分析和處理，結合診斷對象的歷史狀態，預測未來的狀態，進而確定出必要的對策，為技術人員遠程診斷提供參考和技術支持，降低因設備異常造成的損失，保證了鉆井作業的順利進行。

2.7 “一鍵式”協同控制技術

鉆井作業和起下鉆作業過程中，頂驅主軸與鉆桿的連接和脫離需要依序控制多個部件，并需要人工密切觀察設備狀態、司鉆臺界面顯示，進行綜合判斷，通過手眼協調來完成相應工作存在誤操作、誤判斷的風險，可能引發鉆井事故。采用“一鍵式”協同控制技術，將多個操作步驟簡化為一鍵操作，極大簡化了操作的煩瑣程度，實現了多個部件的安全連鎖及聯動，可幫助操作人員完成復雜的作業任務，降低了作業風險，提升了鉆井作業效率和安全性。

2.8 自動潤滑系統

頂驅潤滑系統主要包括電機、提環銷、平衡油缸、滑車滾輪、鉆井液傘、旋轉頭、傾斜油缸及背鉗等，其潤滑部位分散、潤滑點多、潤滑周期不同、潤滑量也不一致。人工操作需要在頂驅停機的狀態下進行，影響鉆井效率，提高鉆井風險，同時還存在工作量大、高空作業危險性高、難以定時定量潤滑的不足。為克服人工潤滑的缺點，設計了自動潤滑系統，對多個潤滑點按時、自動、定量進行潤滑，潤滑效果好，對環境無污染，作業效率高。自動潤滑系統示意圖見圖8。

3 試驗情況

頂驅樣機裝配完成后進行了臺架試驗，內容主要包括：動力水龍頭試驗、剎車試驗、管子處理裝置試驗、主通道密封試驗、液壓系統試驗、電控系統試驗^［13］。具體試驗過程如下。

（1）動力水龍頭試驗。對產品進行空載荷運轉、扭矩加載運轉、帶載跑合、堵轉和上卸扣功能等試驗。恒扭矩加載階段最高轉速140 r/min、扭矩145 kN·m；恒功率階段功率2 200 kW，最高轉速280 r/min；最大卸扣扭矩達到205 kN·m，堵轉扭矩145 kN·m。試驗過程中頂驅各零部件運轉平穩，背鉗卡緊、松開靈活自如，背鉗支架上提下放順暢，剎車制動可靠有效，無異常現象。

（2）管子處理裝置試驗。對旋轉頭旋轉、傾斜機構空載和中位浮動、內防噴器控制等進行試驗。旋轉頭運轉平穩，換向無沖擊；吊環傾斜和中位浮動動作正確，能自由回到垂直位置；內防噴器控制裝置操作靈活，開關到位。

（3）主通道密封試驗。對主通道進行2個周期、每周期105 MPa壓力、保壓時間3 min的試驗，均無可見的壓力下降或滲漏。

（4）液壓系統試驗。對液壓源、液壓閥組和各個液壓回路進行試驗，各元件工作正常，密封良好，無液壓油泄漏。

（5）電控系統試驗。對系統功能以及顯示、監測、報警、保護及功能互鎖等進行試驗。調節控制準確，人機界面顯示與報警無誤；互鎖功能齊全、準確。能實時傳輸顯示提環位置、吊環傾斜角度、背鉗高度、IBOP套筒位置等被測件的狀態。

4 結 論

（1）15 000 m頂驅達到預期設計要求，實現了頂驅從機械化、自動化到數字化、智能化的初步跨越，有效減輕了勞動強度，降低了作業風險 。

（2）提升系統采用雙提環和雙載荷通道形式，消除偏重引起的導軌、滑車、轉換接頭和鉆桿螺紋等非正常磨損，上卸扣對中更準確、快捷。通過理論計算和有限元分析相結合的方式，對重要零部件結構進行了優化和輕量化設計，滿足超高提升載荷和鉆機井架空間尺寸需求。

（3）旋轉動力系統兼具直驅和減速驅動的優點，大幅縮短傳動鏈，集成管纜彎曲半徑更小、更柔軟，系統可靠性更高，滿足超大功率旋轉動力的需求。

（4）管子處理系統通過液壓系統與非接觸檢測元件的配合控制實現對吊環、背鉗、IBOP等零部件的精準定位，還可與井口自動化裝備進行無縫聯動，滿足超大上卸扣扭矩需求。

（5）對主循環通道中易失效件，從材料、結構、熱處理和表面處理等方面進行了特殊設計，滿足超高壓鉆井需求。

（6）拼裝式液壓閥組克服了疊加閥組和插裝閥組的缺點，簡化了加工工藝，提高了容錯率，拆裝簡便，滿足頂驅液壓輔助動作的需求。

（7）實時監控維護系統對頂驅關鍵部件、相關井口設備的運行狀態和位置實時進行監測及綜合判斷，實現自主調節和控制，為技術人員遠程診斷和決策提供支持，提高了頂驅的自動化和智能化水平。

（8）一鍵式協同控制技術實現了鉆具一鍵抓取、防碰安全聯動等功能，簡化了操作流程，減少了操作人員數量，減輕了勞動強度，提高了作業的可靠性和安全性。

（9）自動潤滑系統自動按設定的時間間隔對各潤滑點進行定量潤滑，自動化程度高，對環境友好。

（10）臺架試驗結果表明，整機性能穩定，啟停和運行平穩，控制精準，裝配質量合格，設計合理。

參考文獻

［1］ 國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會．石油天然氣鉆采設備 頂部驅動鉆井裝置：GB/T 31049—2022［S］．北京：中國標準出版社，2022．

State Administration for Market Regulation，Standardization Administration. Petroleum drilling and production equipment-top drive system： GB/T 31049—2022［S］. Beijing： Standards Press of China，2022.

［2］ 劉廣華．頂部驅動鉆井裝置操作指南［M］．北京：石油工業出版社，2010：35-43．

LIU G H. Top drive system operation guide［M］. Beijing： Petroleum industry press，2010： 35-43.

［3］ 趙濤，黃元元，賈向鋒，等．我國海洋油氣鉆井裝備技術現狀及展望［J］．石油機械，2022，50（4）：56-62．

ZHAO T，HUANG Y Y，JIA X F，et al. Offshore oil/gas drilling equipment in China： review and prospect［J］. China Petroleum Machinery，2022，50（4）： 56-62.

［4］ 劉湘華．基于正交試驗法的高溫封隔器鑲齒卡瓦優化［J］．石油機械，2023，51（7）：96-103．

LIU X H. Optimization of inserted tooth slip for high temperature packer based on orthogonal test［J］. China Petroleum Machinery，2023，51（7）： 96-103.

［5］ 汪海閣，黃洪春，畢文欣，等．深井超深井油氣鉆井技術進展與展望［J］．天然氣工業，2021，41（8）：163-177．

WANG H G，HUANG H C，BI W X，et al. Deep and ultra-deep oil/gas well drilling technologies： progress and prospect［J］. Natural Gas Industry，2021，41（8）： 163-177.

［6］ 蘇義腦，路保平，劉巖生，等．中國陸上深井超深井鉆完井技術現狀及攻關建議［J］．石油鉆采工藝，2020，42（5）：527-542．

SU Y N，LU B P，LIU Y S，et al. Status and research suggestions on the drilling and completion technologies for onshore deep and ultra deep wells in China［J］. Oil Drilling amp; Production Technology，2020，42（5）： 527-542.

［7］ 北京石油機械有限公司．頂部驅動鉆井裝置操作手冊［M］．［出版地不詳］：［出版社不詳］，2023：31-33．

Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd. Top drive system operation manual［M］.［S.l.］：［s.n.］，2023：31-33.

［8］ American Petroleum Institute. Drilling and production hoisting equipment（PSL1 and PSL2）： API SPEC 8C［S］. Washington，DC： American Petroleum Institute，2012.

［9］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．石油天然氣工業鉆井和采油提升設備：GB/T 19190-2013［S］．北京：中國標準化出版社，2014．

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China，Standardization Administration. Petroleum and natural gas industries-drilling and production hoisting equipment： GB/T 19190—2013［S］. Beijing： Standards Press of China，2014.

［10］ 成大先．機械設計手冊［M］．第4版．北京：化學工業出版社，2002．

CHENG D X. Handbook of mechanical design［M］. 4rd ed. Beijing： Chemical Industry Press，2002.

［11］ 步為玲．國外鉆機頂部驅動鉆井裝置的發展趨勢［J］．石油機械，2009，37（6）：88-90．

BU W L. The development trend of top drive drilling devices for foreign drilling machines［J］. China Petroleum Machinery，2009，37（6）： 88-90.

［12］ 孔永超，夏輝，羅磊，等．石油鉆機集成控制系統技術研究［J］．石油機械，2023，51（9）：34-40．

KONG Y C，XIA H，LUO L，et al. Technical research on integrated control system of drilling rig［J］. China Petroleum Machinery，2023，51（9）： 34-40.

［13］ 張軍巧，李美華，齊建雄，等．4 500 kN變頻直驅頂部驅動鉆井裝置設計［J］．石油礦場機械，2021，50（5）：48-51．

ZHANG J Q，LI M H，QI J X，et al. Design of 4 500 kN variable frequency direct-drive top drive system［J］. Oil Field Equipment，2021，50（5）： 48-51.

第一作者簡介：張軍巧，女，高級工程師，生于1971年，2003年畢業于北京林業大學機械設計及理論專業，獲碩士學位，現從事頂驅的研發及質量改進工作。地址：（102206）北京市昌平區。電話：（010）80165981。email：13520733956@163.com。