1000型顶驱在海洋钻井中的应用.pdf

2 0 1 0 年 第 3 9卷 第 3 期第 7 l 页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I EL D EQUI P MENT 文 章 编 号 1 0 01 - 34 8 2 2 01 0 0 3 0 07 1 - 03 T D5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶驱在海 洋钻井 中的应 用 侯强 ， 董 阳阳 天津瑞灵 石油设 备有限公 司， 天津 3 0 0 3 0 8 摘 要 在 吸 收 国 内外 先进 顶驱 经验 的基础 上 ， 研制 了 T D5 O O ／ l O O O型顶 部驱 动钻 井装置 。该装 置 采 用 交流 电动机 变频驱 动 ， 变频 调速 ， 矢量控制 ； 管子 处理 器采 用双扭 矩臂 双 背钳技 术 ； 提 升 系统采 用 双载荷通道 。现场应用表明 该装置降低 了劳动强度 ， 极 大地提 高 了钻 井工作效率， 减少 了事故的 发 生 ， 提 高 了施 工的安 全性 。 关 键词 顶部驱 动钻 井 装置 ； 变频 驱动控 制技 术 ； 双 载荷 ； 应 用 中图分 类号 T E 9 2 2 文 献标 识码 B Ap p l i c a t i o n o f T D5 0 0 ／ 1 0 0 0 T o p Dr i v e Dr i l l i n g S y s t e m o n Of f s h o r e Ri g HOU Qi a n g， DONG Ya n g y a n g Ti a n j i nRu i l i n g Pe t r o l e u m Eq u i p me n t Co ．， Lt d ．， Ti a n j i n 3 0 0 3 0 8 ， Ch i n a Ab s t r a c t TD5 0 0 ／ 1 0 0 0 t o p d r i v e d r i l l i n g s y s t e m wa s d e v e l o p e d o n t h e b a s i s o f a d v a n c e d e x p e r i e n c e f r o m d o m e s t i c a nd f o r e i g n t o p d r i v e d r i l l i ng s ys t e m ．The s ys t e m a d o pt e d VFD by AC mo t o r a n d v e c t or c o nt r o l ；t he pi p e ha nd l e r a d op t do ubl e t or q ue t u be s a nd d ou bl e t ong s a n d t he h o i s t i n g s y s t e m a d o p t d o u b l e l o a d p a t h ．Th e a p p l i c a t i o n o f TD5 0 0 ／ 1 0 0 0 o n s i t e i n d i c a t e d t h a t i t c o u l d d e c r e a s e t he l a bo r， e nh a nc e d r i l l i n g e f f i c i e nc y， l e s s e n t h e a c c i de nt a nd a dv a n c e t he s a f e t y． Ke y wo r d st o p dr i v e dr i l l i n g s y s t e m ； V FD C on t r ol ； d ou bl e l oa d p a t h； a p pl i c a t i on 顶部驱动钻井装置是 当今石油钻井 的前沿技术 装 备 ， 是 近 代钻 井 装备 的 三大 技 术 成 果 之 一 。顶 部 驱 动钻 井系 统是 2 0世 纪末 期 ， 美 国 、 法 国 、 挪 威等 国 家 研制应 用 的一 种新 型钻 井 系 统 ， 现 已成 为 石 油 钻 井 行业 的标 准产 品 。2 0 0 0 9 0 0 0 m 深 的井 都可 以 使 用顶 部驱 动钻 井 系 统 ， 适 用 范 围 广 。从 世 界 钻 井 机 械 的发 展趋 势来 看 ， 它符合 2 1世纪 钻井 自动 化 的 历史潮流 。如今 ， 赴国外钻井 的队伍如果没有安装 顶部驱动钻井装置将不允许投标 ， 由此可见顶部驱 动 钻井装 置 的重要 性 。 由于 海 洋 钻井 普 遍 采 用丛 式 井 和定 向井 ， 并 且 多钻 遇高 压 油气水 层及 高 失水 、 易塌 陷 等复 杂地层 ， 海洋 钻井 运用 顶 驱钻 井 可 以提 高 钻 井 作业 成 功率 ， 降低作业工人的劳动强度 ， 有效地防止井喷、 卡钻等 钻 井事 故 ， 避免 人 员 伤 亡 、 设 备 报废 、 油 气 层 和 环境 破 坏 ； 同时 由于顶 驱钻 井 系统 可 以较 大 幅 度 地 提 高 钻 井速 度 ， 减少 钻井 液对 油气 层 的浸 泡时 间 ， 这 对 减 少油气层损害 ， 提高勘探开发效果有着难以评估 的 作用口 。 ] 。在吸收借鉴国内外先进顶驱经验 的基础 上 ， 天 津 瑞 灵 石 油 设 备 有 限 公 司 自 主 研 制 了 TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型 顶 驱 ， 如 图 1 。该 装 置 具 有 6项 专 利 ， 并经 过 了工业 试 运行 ， 获得 了广 泛好 评 。 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 5 项 目来源 本装置已获得 6 项专利 专利号 Z L 2 0 0 7 2 0 0 9 7 4 0 0 ． 4 ； Z L 2 0 0 7 2 0 0 9 8 5 0 1 ． 3 ； Z I 2 0 0 7 2 0 0 9 8 5 0 2 ． 8 ； Z L 2 0 0 7 2 0 0 9 8 5 0 3 ． 2 ZL2 00 72 00 98 50 4． 7； ZL2 00 72 00 97 39 9． 5 作者 简介 侯强 1 9 6 8 ， 男 ， 天津人 ， 工程师 ， 硕士研究 生 ， 主要从事石 油机械产品开发与企业 管理 工作 。 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 图 1 TD5 0 0 ／ 1 0 0 0型 顶 驱 1 结构组成及参数 1 ． 1 结 构组成 T D5 0 0 ／ 1 0 0 0型 顶部 驱动 钻 井 装 置 主要 由齿 轮 减速 箱 、 提环 、 主 电机 系统 、 钻 井液 及泥 浆通 道 、 管 子 处理器、 电气传动 与控制系统 、 液压传动 与控 制系 统、 导轨及滑车、 司钻控制台及转运架等组成 ， 结构 如 图 2 。 主 导 图 2顶部驱动钻井装置结构 1 ． 2主要技 术参 数 名 义钻 井深 度 o l 1 4 mm 钻 杆 7 0 0 0 m 最 大载荷4 5 0 0 k N 额 定循 环压 力 3 5 MP a 系 统质量 1 2 5 0 0 k g 额定 功率 2 3 6 7 ． 5 k w 2 5 0 0 h p 环 境温度 工 作扭矩 最 大扭矩 2 特点 一 3 5～ 5 O ℃ 6 5 k N m 连续 9 7 ． 5 k N m 间断 a 结 合 最新 齿 轮 减速 箱 技术 、 高 速 变频 电机 技术 、 S i e me n s 大功 率变 频驱 动 控制 技 术 ， 达 到 了更 高 的能 量密度 和输 出控 制 。与 目前代 表着 同类设 备 国际先进 水平 的美 国 NO V 公 司 的 同等规 格顶 部 驱 动 系统 T DS 1 1 S A 相 比， TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶 驱 的 最 大 持续 钻井扭 矩 达 到 了 6 5 k N m， 输 出动 力 提 升 了 2 8 。 b 提升 系统 为 双 载荷 通 道 ， 由于 旋转 头 采 用 了止 推轴 承 ， 保 证 了旋 转 头 在起 下 钻 时 能 承受 瞬 时 大载 荷 ， 避 免 了 因旋 转 头 损 坏 而造 成 的 长 时 间停 钻 和较 大 的维护 工作 量 ， 同时 顶驱 起 下 钻 时产 生 的较 大 的瞬 时冲击 载荷 由承载 法兰轴 直接 传递 给齿轮 箱 箱体 ， 有利 于延 长 主 止推 轴 承 的工作 寿命 。主止 推 轴 承采用 进 口推力轴 承 ， 特殊结 构设计 ， 能 抗钻柱 纵 向震 动 。 c 采用 双扭 矩 臂 双 背 钳设 计 ， 减少 了上 卸 扣 时扭矩臂产生的变形 ， 克服了背钳主体和主轴之间 的偏磨问题 ， 提高 了钳 牙、 旋转头 密封等的工作寿 命 ， 同 时背钳 可 以在 1 m 的 范 围 内上 下 滑 动 ， 使 得 拆装 保 护接头 及 I B OP更加 方便 。 d 其他 顶驱 滑 车 采 用滚 轮 结 构 ， 需 定期 润 滑 维 护 ， TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型 顶 驱 滑 车 采 用 自润 滑 耐 磨 材 料 ， 使顶 驱运行 平稳 ， 噪 音降低 ， 滑 车及导 轨免维 护 ， 节 省 了大量 的维 护保 养 时 问 ， 并且 可 以实 现顶 驱 安 装 和拆 卸简单 、 快捷 、 安 全 。 e 具备 良好 的便 携 性 体 积 小 ， 质 量 轻 的 同 时 ， 具备 较大 的输 出性 能 。 由于 采用 矩 形 导 轨 和滑 块 滑车 ， 安装 方式 采用下 装方 式 ， 实现 了顶驱安 装和 拆 卸简 单 、 快 捷 、 安全 。 f 目前 其他各 类 顶驱均 采用 销 和销 孑 L 的方式 来 离合 及锁 定旋 转 头 ， 但 销 子 插 入 销孔 通 常 需要 较 长时间， 比较 困难 ， 影 响钻井作业效率 ， 同时液压缸 的活塞杆承受大冲击剪切载荷 ， 该液缸 的工作寿命 较短 ， 容易漏油 ， 造成环境污染并给作业现场带来安 全隐患 。TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶驱采用端部修尖 的公母 渐开线花键离合方式 ， 液压缸不受剪切力 ， 其工作寿 命得到保证 ， 同时， 渐开线花键的设计保证圆周多齿 同时啮合， 有利于顶驱处理钻具上卸扣 时承受较大 的剪 切 冲 击 力 ， 同 时 锁 定 成 功 率 从 7 5 ％ 提 高 到 第 3 9 卷第 3期 侯强 ， 等 TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶驱在海洋钻井 中的应 用 。7 3 ‘ 1 0 0 。 g 在管 子处 理器倾 斜 机构 的设计 中进 行 了创 新 ， 采 用拉杆 承载 机 构 代 替 了 同类 设 备 中压 杆 承 载 设计 ， 避免 了 同类 设 备 中的 液 压缸 压 弯 甚 至 断 裂 的 设 备故 障 。 h 采 用 了深 沟 球 轴 承 I B oP驱 动 机 构 ， 由 于 深 沟球 轴承具 有较 好 的轴 向承载 能力 和轴 向调 心性 能 ， 克服 了滚轮的偏磨及其寿命短的问题 ， 避免 了由 其 带来 的作 业 安 全 隐 患 ， 相 比于现 有 的 I B OP驱 动 方 式 ， 该 驱动结 构更 为 简洁 ， 受力 合理 。 i 主 电机采用 2台 3 6 7 ． 5 k W 5 0 0 h p 的 Re l i a n c e 顶驱 专用 电机 ， 性 能 可靠 ， 并 采 用 渐 开线 花 键 与减速箱连接 ， 保证 主电机输 出轴轴承不受轴 向力 和径 向力 ， 避免电机轴承偏磨 ， 延长 了轴承寿命 。 j 交流变频采用整套德 国西门子 技术 ， 采用 S i e me n s 可编程 控 制 器 对 辅 助 系 统 进 行 控 制 ， 能 够 安全互 锁 、 监 控 、 报 警 ， 具 有 较 强 的 自诊 断 和 保 护 功 能， 保证系统工作安全可靠 ； 在变频 驱动和 P L C控 制 系统 之 间采用 了 简洁 有 效 的隔 离 屏蔽 手段 ， 克 服 了 同类 设备 中普遍 存在 的 电控故 障及 其干 扰故 障 。 k 采 用海 洋钻井 交 流变频 专 用 电缆 及进 口快 速 电连接 器 ， 带 有 明显 的标 识 ， 现 场作 业 安 全 方 便 ， 避免 错误 连接 。 I 液 压 系统 因完全 安装 于顶驱 本 体 而使 压 力 损失 较少 ， 系统 动作 迅速 ， 减少 了液压管 线 连接 。液 压系 统全 部采用 进 口液压 元 件 和进 口密 封 件 ， 可 靠 性高 。 m 液 压系统 和 润滑 系统 独 立设 置 ， 避 免 了 同 类 设备 液压 和润 滑 的耦 合带 来 的在不 同工 况 时载荷 的不稳定， 极大地提高了设备整体的工作寿命 ， 降低 了设 备 维修 时 间和成本 。 3 现 场 应 用 T D 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶 驱在 胜利 海 洋 钻 井 公 司 8号 平台应 用期 问， 成 功 钻 井 2口。C D X 一 6 P井 斜 为 9 0 ． 2 。 ， C D X 一 4 P井 斜 为 9 1 ． 2 6 。 ， 由于 井 斜 角 大 ， 水 平 位 移长 ， 易形 成很 大 的摩 擦 和 反 扭矩 。 由于使 用 了 TD 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶 驱 ， 采 用 2台 3 6 7 ． 5 k W 5 0 0 h p 交流变频 电机驱动 ， 输出扭矩大 ， 转速平稳使井斜轨 迹的控制轻松 自由， 保证了井身质量。TD5 0 0 ／ 1 0 o 0 型顶驱在使用过程中频繁地起下钻、 上卸扣 ， 历经遇 阻解 卡 、 堵 漏 、 下套管 、 固井 、 测 井 、 取心 等各 种作 业 ， 运行均正常， 满足 了钻井使工艺要求 。井 队认为安 装 了 T D5 0 0 ／ 1 0 0型 顶 驱 后 给 钻 井 作 业 带 来 了很 多 方便 ， 降低了劳动 强度 ， 节约 了时间， 提高 了生产效 率 ， 处理井下复杂情况的能力大大提高 ， 降低了生产 成本 ， 其 优越 性 主要 表现在 3 个 方 面 。 a 由 于采 用 变频 无 级 调 速 ， 顶 驱 可 以平 稳 地 传递 扭矩 和转 速 ， 转速 调整 不受 泥浆 泵泵 压 、 排量 和 上水 效率 的影 响 ， 避 免 了转 盘 钻 井 只能 按 固定 挡位 操作 的缺 点 和其 他 因素 的影 响 ， 更 好 地 实 现 钻井 工 艺参 数 。顶驱 主轴 转速 范 围较宽 0～ 2 2 0 r ／ rai n ， 主轴 0 ～1 1 0 r ／ mi n为恒 扭 矩 调 速 ， 1 1 0 ～2 2 0 r ／ mi n 为恒 功率 调速 。 b 接立根 进 行 钻 井 ， 与 常 规 钻井 相 比可 节 约 2 ／ 3的接扣时间和 由此进行循环泥浆 的时间， 减少 了发生事故 的几率 ， 大大提高了生产效率。 c 在 起 下钻 过 程 中 ， 钻 具 遇 卡 阻 时 可 立 即接 上 顶驱 进行 旋转 和循 环泥 浆 ， 大范 围活 动钻 具 ， 边 提 钻边倒划眼或进行堵漏 、 压井作业。在钻井过程中 遇到井涌时 ， 可立 即关闭与钻柱相连 的遥控 内防喷 器或 手动 内防喷 器 。 4 结 语 现场应 用 证 明 ， T D5 0 0 ／ 1 0 0 0型 顶驱 性 能 完 善 ， 质 量稳 定 可靠 ， 采用 多项 专利 技术 ， 满 足 了现场使 用 要求。顶驱装置是安全生产 、 提高作业效率 、 保障生 产 人员 人 身安 全 的理 想装 备 。 参 考 文 献 [ 1 ] 王永勤 ， 李 安 ， 吴永 婷． T DS - 1 1 S A 型顶 驱 系统故 障 树分析 [ J ] ． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 4 2 3 2 7 ． [ 2 ] 刘清友 ， 龙永辉 ， 张毅超 ， 等． 在 海洋修井机上安装 顶驱 装置的可行性 研究 [ J ] ． 石油 矿场 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 1 2 1 7 2 O． [ 3 ] 陈如恒．破 除旧观念 创造新 钻机 三[ J ] ． 石油 矿场 机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 O 5 I - 9 ． [ 4 3刘海密 ， 曾 志伟 ， 马 奔． TD S - 1 1 S A 型 顶驱 定位 销和 背钳 液缸 故 障诊 断 技术 [ J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 0 6 ， 3 5 4 1 1 8 - 1 2 O ． [ 5 ] 李传华 ， 刘炳瑞 ， 刘百 红． 引起顶 驱钻机 振动 的原 因分 析及解决方法[ J ] ． 石油矿场机械， 2 0 0 7 ， 3 6 7 5 7 6 0 ． [ 6 ] 牟新 明， 李鹏 ， 张福 ， 等． 顶驱中心管接头螺纹 连接 性能分析口] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 8 2 4 2 9 ． [ 7 ] 李鹏 ， 牟新 明 ， 高 明， 等． 顶驱 中心管强度有限元分 析 [- j -] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 0 9， 3 8 9 5 9 6 2 ．