新型直驱式顶部驱动钻井装置.pdf

一 5 6 一 石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 1年第 3 9卷第 7期 ●新产 品开发 新型直驱式顶部驱动钻 井装置 蒋 谊 陈 俊 王信军 张东海 四川宏华石油设备有限公司 摘要 为解决顶驱因故障停机 时间长而带来的系列 问题，研制 了新型直驱 式顶部驱动钻 井装 置 ，并形成 了D Q 2 2 5 D B Z 、D Q 4 5 0 D B Z 、D Q 6 7 5 D B Z和 D Q 9 0 0 D B Z系列型号的直驱式顶驱 ，可达到 4 0 0 0～1 2 0 0 0 m 的钻井作业深度。该顶驱主要由动力水龙头和管子处理器 组成，采用大功率交流 变频电动机驱动，无级变速控制 ，多功能人机界面操作 ；提升系统采用双载荷通道隔离设计，中 心管主轴设计有特殊组合轴承 ，可承受钩载 ，同时也具备抗钻柱纵向振动功能。D Q 2 2 5 0 D B Z顶驱 在 国外应用 1 3口井，经受了一 3 O o C严寒考验 ，最大连续钻井扭矩达到 了3 5 k N i n ，创下 日钻进 1 0 1 6 IT I 的记录。D Q 4 5 0 D B Z顶驱在国内川东 7 0 5 6 3钻井队现场作业，最大连 续钻井扭矩 2 8 k N IT I ，上卸扣扭矩 3 0 k N i n ，水平 井造斜段始为 4 5 9 3 i n ，造斜 8 8 。 ，总进尺达 6 5 0 0 m。 关键词 顶部驱动钻井装置 机 电一体化 直驱 融合设计 0 引 言 顶部驱动钻井装置 简称顶驱 自 1 9 8 2年问 世 以来 ，经过不断的改进和开发 ，已在海洋和陆地 多种钻机装备上逐步得到推广和应用 。顶驱可从井 架上部空间直接旋转钻杆钻进 、循环钻井液 、接立 根 、上卸扣和倒划眼等多种钻井作业 ，是 当今石油 钻井中的前沿技术和装备 ，可节省钻井 时间 2 0 ％ ～ 4 0 ％，并可预防卡钻事故的发生 ，尤其是钻斜井 和高难度定向井时更体现出其优势，可降低勘探开 发风险 ，提高作业的安全性 J 。 目前 ，国内外传统的顶驱装置采用机械变速传 动机构 ，润滑和密封的故障是顶驱的最大问题。为 解决顶驱因故障停机时间长而带来的系列问题 ，四 川宏华石油设备有限公 司在充分吸收国内外传统机 械变速顶驱经验的基础上 ，采用机 电融合设计技术 ， 把主载荷通道与电动机结构高度集成 ，由电动机直 接驱动主轴钻进 无减速器装置 、齿轮润滑油及冷 却过滤系统 ，于 2 0 0 9年 3月开发 了直驱式顶部驱 动钻 井 装 置 ，并 形 成 了 D Q 2 2 5 D B Z、D Q 4 5 0 D B Z 、 D Q 6 7 5 D B Z和 D Q 9 0 0 D B Z系列 型号 的直驱 式顶驱 ， 可达到 4 0 0 0～1 2 0 0 0 i n的钻井作业深度。 1 技术分析 1 ． 1 结构 直驱式顶驱主要 由动力水龙头和管子处理器组 成 ，结构如图 1和图2所示。 图 1 D Q 4 5 0 D B Z直驱式顶驱结构原理 l 一 动力水 龙头 ；2 一管子处理器。 一种顶驱和一种动力水龙头的直驱电机获得国家专利 ，专利号分别为 C N 2 0 1 0 2 0 1 4 5 6 5 4 ． 0和 C N 2 0 0 8 2 0 2 2 2 8 8 6 ． 4 。 2 0 1 1年 第 3 9卷 第 7期 蒋谊等 新型直驱式顶部驱动钻 井装 置 一 5 7一 动力系统主要包括主电动机系统 、主承载机构 和中心钻井液通道。管子处理器主要包括背钳 、旋 转头和吊环倾斜装置等。顶驱辅助系统主要包括导 轨及滑车 、V F D控 制房 、P L C电控 系统 、液压站 和司钻操作台。 图2 D Q 4 5 0 D B Z直驱式顶驱结构示意 图 1 一 吊环倾斜装置 ；2 一 锁紧装 置；3 一液压站 ；4 一 平衡 装 置 ； 5 一 冲管 ； 6一 鹅 颈 管 ； 7 一 冷 却 风 机 ； 8 一 液 压 控 制 阀组 ； 9 一 电 控 制 箱 ； 1 0 一 液 力 驱 动 马达 ； 1 1 一 旋转 头 ； 1 2 一I B O P 装 置 ； 1 3 一 背钳 。 1 ． 2 工 作原 理 大功率交流变频电动机集成设计于动力水龙头 内部，与管子处理器通过主轴连接 ；动力水龙头的 电动机由转子轴和定子组成 ，转子轴套与中心管主 轴通过胀套固定相连 ，定子与动力水龙头外壳直接 相连 ，管子处理器的旋转头与动力水龙头下筒体连 接 ，电动机直接驱动中心管主轴钻进。 1 ． 3 主要技术参数 直驱式顶驱主要技术参数见表 1 。 表 l 直驱式顶驱的主要技术参数 主要参数D Q 2 2 5 D B Z D Q 4 5 0 DB Z D Q 6 7 5 D B Z D Q 9 O O D B Z 1 ． 4 技 术特 点 1 动力水龙头提升系统为双载荷 隔离通道 ， 载荷通道 1 提环与动力水龙头箱体相连 ，顶驱起 下钻时旋转头及吊环承受提升井下钻柱时的瞬间起 拔载荷 ，并通过内部的大推力轴承将载荷传递到中 心管主轴。载荷通道 2 钻进 时，中心管主轴直接 承受井下钻柱冲击载荷 ，通过轴肩法兰盘将 冲击载 荷传递至 l『 承力箱体。2个载荷通道将载荷传递到承 力箱体上 ，通过提环再传递到钻机游吊系统上。承 力箱体作为承上启下的主承载件 ，同时也连接动力 水龙头壳 体。由于水 龙头壳体 内集 成有 电动机 定 子 ，故不承受载荷和冲击。中心管主轴设计有特殊 组合轴承 ，不仅能承受钩载 ，同时也具备抗钻柱纵 向振动功能。 2 目前国外顶驱锁定旋转头采用销- 孑 L 插拔 ， 旋转头齿盘上周 围均布有 3 0个 1 2 。 夹角销孔 ，销 孑 L 对正插入概率低 ，需要检查对位插正 ，吊环前后 倾斜时定位精度不高，影响钻井操作效率。新型直 驱式顶驱对旋转头锁定采用齿条锁紧机构 ，啮合齿 顶修 圆设计锁定成功率 1 0 0 ％ ，旋转头任意位置定 位精度达 2 ． 1 。 ，不需要调整角度 ，比 V a r c o 顶驱定 位更加精确 、快速。 3 旋转头 内部设计 有组合轴 承，利用深 沟 球轴承 、滚针轴承对其径向定位 ，减小上卸扣时产 生的偏心扭力和钻柱振动冲击 ，有效保护 内部 的动 密封组件 ，延长密封的使用寿命 。 4 主电动机采用 1台 5 8 0 k W 7 8 0 h p 的防 爆型交流变频电动机 ，根据油 田电动机使用标准设 计。进 口轴承、合成润滑脂和集成防潮加热器能满 足温差 、湿度范围较大地 区使用要求 ，抗极端气候 能力 比现有顶驱更强。其模块化的设计可独立维护 更换，对维护设备和场地条件要求低 。 5 液压系统集 成安装 于顶 驱本体 ，采 用 目 前主流顶驱成熟可靠的恒压系统设计 ，系统反应迅 速 ，执行机构端液压压力损失小 ；采用进 口元件和 密封件 ，可靠性高。 6 电控系统采用德国西门子公司 P L C模块 ， 是在参考国外主流顶驱 的基础上结合新型直驱式顶 驱特点所设计 的全新控制系统 ，能够实现钻机与顶 驱设备独立作业模式切换 ，具备安全互锁 、故障诊 断 、实时监控 、报 警和 自保护 等功能 ，有 以下优 点 ①设计有单独 的顶驱 V F D控制偏房 ，也可集 成到钻机控制系统 ，为客户新 旧钻机选择顶驱设备 提供灵 活的选择。② 司钻操作可选择 H M1 人机界 面控制和操作箱控制 2 种方式。③顶驱主电动机具 一 5 8一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第7期 备悬停功能 ，与 中心管主轴上 的盘刹液压制动功能 互补 ，极大地提高了设备在水平井作业和处理钻柱 堵钻解卡的安全性。④采用进 口电力模块及电缆接 插件 ，提高了整机的可靠性 。 7 无齿 轮润 滑油 及冷 却过 滤 系统 的设计 ， 可在传动机构中减少机械密封机构 ，显著降低设备 故障率及维护难 度 ，更 易满足设计 和加工制造要 求 ，同时也增强了传动系统的可靠性。 8 整机设备表 面散热条件 比传统顶 驱电动 机好 ，热容量较大 ，再配合风机多通道强制冷却散 热。钻井作业时过载能力强 ，可持续输出 1 ． 5倍的 钻井作业额定扭矩 ，并且可减少传动能耗损失。顶 驱主轴输 出转速 02 2 0 r ／ m i n ，主轴 0～1 1 0 r ／ m i n 为恒扭矩调 速段 ，1 1 0～ 2 2 0 r ／ mi n为恒 功调速段。 D Q 2 2 5 D B Z顶驱最大连续工作扭矩 突破 3 5 k N m， 比同规格美 国 N O V公司的 T D SI O S A顶驱输出动 力提升 2 9 ％ ，其余型号直驱式顶驱在输出动力设 计上均超过国外 主流顶驱设备。 2 现场应用 2 0 1 0年 7月 ，D Q 2 2 5 D B Z型顶 驱在俄 罗斯北 方极地区新乌连戈伊苏格木油 田投入使用。该顶驱 经历 了频繁地上卸扣 、起下钻 、下套管 、固井 、测 井和钻柱遇阻解卡等操作 ，整机运行正常。截至到 2 0 1 0年 1 1月 ，已经成功 完钻 1 3口井 。其 中在 格 木油 田 2 3号井位完钻 6口定 向井 ，累计钻井深度 2 1 0 0 0 m。在格木油 田 6号井位完钻 7口水平井 ， 累计钻井深度 2 5 0 0 0 m。顶驱系统经受 了俄罗斯地 区 一 3 0 c c 严寒的考验 ，其最大连续钻井扭矩达 3 5 k N m，创下 日钻进 1 0 1 6 m的记录 ，提前近 1 月 完成承包钻井合同。目前在川东 7 0 5 6 3钻井 队现场 作业的 D Q 4 5 0 D B Z顶驱连续工作扭 矩 2 8 k N m， 上卸扣扭矩 3 0 k N m，该水平井造斜段始为 4 5 9 3 m，造斜 8 8 。 ，总进尺达到 6 5 0 0 m。 由此可见 ，新型直驱式顶部驱动钻井装置设计 理念先进 ，设备性 能完善 ，可靠性和作业效率高 ， 满足现场使用要求。 [ 1 ] [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 步 卫玲 ．国外 钻机 顶部 驱 动 钻井 装 置 的发 展 趋势 [ J ]．石油机械，2 0 0 9 ，3 7 5 8 89 O ． 王永勤，李安 ，吴永婷 ． T D S一1 I 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 32 7． 侯强 ，董 阳阳 ． T D 5 0 0 ／ 1 0 0 0型顶 驱在海 洋钻井 中 的应用 [ J ]．石油矿场机械，2 0 1 0 ，3 9 3 7 1 7 3． 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 62 ． 陈如恒 ．破除旧观念 创造新钻机 j[ J ]．石油 矿场机械 ，2 0 0 8 ，3 7 5 1 9 ． 第一作者简介蒋谊 ，生于 1 9 7 4年，2 0 0 3年毕业于 四川大学机电专业 ，获硕士学位，现从事石油设备的研发 和管理工作。地址 6 1 0 0 4 1 四川 I 省成都市。电话 0 2 8 8 2 9 7 1 8 1 3 。Em a i l j i a n g y i 0 0 7 7 y a h o o ． c o m ． c n 。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3 0 7 本文编辑赵连禄 上接 第 5 5页 3 完井管串下人裸 眼井后应尽快 进行压裂 施工 ，避免井壁长时间在完井液中浸泡出现不稳定 因素，保证压裂施工顺利进行 ； 4 在压裂 时间无法保证 的情况下 ，封隔器 的坐封液体应与完井液性能一致 ，以利于完井液的 性能稳定 ，从而有效保护井壁 ，防止坍塌 ； 5 如果水平井段全部发育 良好 、渗透率高 ， 建议 以 2只封隔器中间连接 1～2根套管作 为 1只 封隔器来使用 ，这样 相 当于加 长 了封隔 器的密封 段 ，将有利于压裂施工。 参考文献 [ 1 ] 张承武，王兴建，陈建刚 ．分段压裂封隔器叠层钢 [ 2 ] [ 3 ] 片膨胀筒的密封机理 [ J ]．石 油机械 ，2 0 0 7 ，3 5 3 57 ． 檀朝东 ，周 晓东 ，饶鹏 ．一次 多层 压裂封 隔器 的 研制与应用 [ J ]．石油钻采工艺，1 9 9 9 ，2 1 4 9 91 0 1 ． 李艳丽 ． Y 2 1 1 8 0型小井眼压裂封隔器的研制[ J ]． 石油机械 ，2 0 0 5 ，3 3 7 5 3 5 4 ． 第一作者简介 许 国林 ，工 程师 ，生 于 1 9 6 3年 ，1 9 8 2 年毕业于大庆石油学校机械专业，现从事钻井 固井工具研 究工作。地址 1 6 3 4 1 3 黑龙江省 大庆市。电话 0 4 5 9 4 8 9 1 3 5 1 。 E ma i l x u g u o l i n c n p c ． c o m． c n。 收稿 日期 2 0 1 1 0 3～ 0 2 本文编辑谢守平