張東海，陳 俊，蔣 誼，高 杭

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，成都610036） ①

直驅(qū)式頂驅(qū)的研制和應(yīng)用

張東海，陳 俊，蔣 誼，高 杭

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，成都610036）①

介紹了一種利用機電融合技術(shù)設(shè)計出的新型頂驅(qū)——直驅(qū)式頂驅(qū)裝置。該頂驅(qū)裝置采用大功率交流變頻電動機直接驅(qū)動主軸，與傳統(tǒng)的頂驅(qū)相比取消了機械變速機構(gòu)，實現(xiàn)了電機與機械的相互融合。國外現(xiàn)場使用情況表明：與傳統(tǒng)同型號的頂驅(qū)相比，不僅明顯提高連續(xù)鉆井作業(yè)扭矩，并且顯著降低設(shè)備使用故障率與維護強度，增強了應(yīng)對鉆井事故的能力。具有較強的可靠性、經(jīng)濟性和良好的推廣前景。

直驅(qū)頂驅(qū)；機電一體化；機電融合；可靠性

頂驅(qū)裝置自1982年問世以來，經(jīng)過不斷的改進和開發(fā)，已在海洋和陸地多種鉆機裝備上逐步得到了推廣和應(yīng)用［1－4］。頂驅(qū)可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進、循環(huán)鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井操作，可節(jié)省鉆井時間20%～40%，預(yù)防卡鉆事故發(fā)生，提高作業(yè)的安全性，尤其是在鉆斜井和高難度定向井具有很大的優(yōu)勢，是當今石油鉆井中前沿的技術(shù)和裝備［5］。同時，由于油氣勘探開發(fā)的環(huán)境越來越惡劣，難度也越來越大，為節(jié)省投資，降低開發(fā)成本，提高采收率，加快油田勘探開發(fā)速度，各油田和石油公司都將目光轉(zhuǎn)向利用頂驅(qū)裝置來鉆深井、超深井、特殊工藝井（包括定向井、水平井、大位移井、復(fù)雜結(jié)構(gòu)井以及叢式井等）。因此，國內(nèi)外對頂驅(qū)裝置的需求也越來越迫切［6－7］。

目前，國內(nèi)外傳統(tǒng)的頂驅(qū)裝置采用機械變速傳動機構(gòu)，潤滑和密封的故障是頂驅(qū)的最大問題之一。據(jù)美國Varco公司與Sedco Forex公司調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超過40%的頂部驅(qū)動設(shè)備故障是由變速箱及其輔助設(shè)備引起的。除了變速箱的問題，以前的頂驅(qū)為了滿足轉(zhuǎn)速要求而降低了扭矩，這種權(quán)衡的做法在某種程度上也減小了頂驅(qū)應(yīng)用的效果。新型結(jié)構(gòu)的無級變速電動直驅(qū)頂驅(qū)裝置是近兩年鉆井裝備新技術(shù)發(fā)展的最新成果，在很大程度上解決了這一問題。

四川宏華石油設(shè)備有限公司（以下簡稱宏華）在充分吸收國內(nèi)外傳統(tǒng)機械變速頂驅(qū)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地采用機電融合設(shè)計技術(shù)，把主載荷通道與電機結(jié)構(gòu)高度集成，由電機直接驅(qū)動主軸鉆進，實現(xiàn)無減速箱裝置和齒輪潤滑及冷卻過濾系統(tǒng)，于2009－03自主開發(fā)了直驅(qū)頂驅(qū)鉆井設(shè)備，成功研制生產(chǎn)了DQ225DBZ、DQ450DBZ、DQ675DBZ、DQ900DBZ型號的直驅(qū)頂驅(qū)，配備于4 000～12 000 m鉆機。該系列直驅(qū)頂驅(qū)已經(jīng)申請14項專利，其中包括4項發(fā)明專利。DQ225DBZ型頂驅(qū)在俄羅斯北方極地區(qū)新烏連戈伊蘇格木油田投入使用以來，已經(jīng)完鉆6口定向井和7口水平井，最大連續(xù)工作扭矩達到38 000N·m，超過世界同噸位級頂驅(qū)連續(xù)工作扭矩值。該直驅(qū)頂驅(qū)維修方便，整體結(jié)構(gòu)簡潔，模塊化程度高，提高了整機工作的可靠性，其優(yōu)異的作業(yè)性能獲得了客戶的贊許。

1 結(jié)構(gòu)和參數(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

直驅(qū)頂驅(qū)主要由動力水龍頭和管子處理器2大部件組成，如圖1。動力水龍頭系統(tǒng)主要包括主電機系統(tǒng)、主承載機構(gòu)、中心泥漿通道；管子處理器主要包括背鉗、旋轉(zhuǎn)頭、吊環(huán)傾斜裝置等。頂驅(qū)輔助系統(tǒng)主要包括導(dǎo)軌、滑車、VFD控制房、PLC電控系統(tǒng)、液壓站、司鉆操作臺。結(jié)構(gòu)如圖2。

圖1 DQ450DBZ型直驅(qū)頂驅(qū)

圖2 DQ450DBZ型直驅(qū)頂驅(qū)結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)如表1。

2 技術(shù)優(yōu)勢

直驅(qū)頂驅(qū)最顯著特點就是結(jié)合當今世界最前沿的機電一體化融合設(shè)計理念，將大功率交流變頻電動機集成設(shè)計于動力水龍頭內(nèi)部，通過交流變頻電機直接驅(qū)動主軸進行鉆進。與國內(nèi)外傳統(tǒng)的機械變速頂驅(qū)設(shè)備相比，取消了齒輪變速傳動機構(gòu)。

1） 無齒輪變速箱機構(gòu)和齒輪與軸承潤滑油及冷卻過濾系統(tǒng)，在傳動機構(gòu)中減少機械密封機構(gòu)，顯著降低設(shè)備故障率及維護難度，使得加工制造更易保證。

2） 減少了變速箱以及相關(guān)的潤滑系統(tǒng)和軸承等部件，相應(yīng)地減少了因變速箱的可靠性問題及其相關(guān)的軸承和齒輪故障而停機的時間。同時，直驅(qū)頂驅(qū)將電機的動力直接輸出，使電機效能最大化。另外，省去了齒輪箱機構(gòu)，也使得頂驅(qū)裝置工作噪聲降低、結(jié)構(gòu)簡化、維護方便。因此，不僅直驅(qū)頂驅(qū)提高了工作性能，同時還減少了維修和停機時間，解決了困擾早期設(shè)計的許多問題。

3） 主電機定子與水龍頭殼體一體化設(shè)計，整機設(shè)備表面散熱條件對比傳統(tǒng)頂驅(qū)電機有很大優(yōu)勢。由于采用直驅(qū)電機，其體積和質(zhì)量比傳統(tǒng)的電機大，所以機械強度的裕量大，熱容量也很大，再配合風(fēng)機多通道強制冷卻散熱，電機的過載能力就很強，鉆井作業(yè)時過載能力強，可輸出1.5倍的鉆井作業(yè)額定扭矩并且減少傳動能耗損失，短時間可過載2倍以上。宏華直驅(qū)頂驅(qū)主軸輸出轉(zhuǎn)速為0～220 r／min，其中0～110r／min為恒扭矩調(diào)速段，110～220r／min為恒功調(diào)速段。2010年下半年，在俄羅斯穆拉夫列恩庫現(xiàn)場作業(yè)的宏華DQ225DBZ型頂驅(qū)最大連續(xù)工作扭矩＞35 000N·m，與同規(guī)格噸位的美國NOV公司先進的TDS－10SA對比輸出動力提升29%，其他型號直驅(qū)頂驅(qū)在輸出動力設(shè)計上均超過國外主流頂驅(qū)設(shè)備。

表1 宏華系列直驅(qū)頂驅(qū)主要技術(shù)參數(shù)

3 特點

宏華直驅(qū)頂驅(qū)動力水龍頭與管子處理系統(tǒng)通過主軸連接；動力水龍頭的電機由轉(zhuǎn)子軸、定子組成，轉(zhuǎn)子軸套與中心管主軸通過脹緊裝置相連，電機定子與動力水龍頭外殼直接相連，管子處理器的旋轉(zhuǎn)頭與動力水龍頭下筒體連接。

1） 動力水龍頭提升系統(tǒng)為雙載荷隔離通道。①鉆井負載通道：鉆進時，中心管主軸直接承受井下鉆柱沖擊載荷，通過軸肩法蘭盤將沖擊載荷傳遞到承力箱體，即鉆柱通過中心管主軸—主軸承—提升箱體—提環(huán)—游車。②下套管和起下鉆柱負載通道：吊環(huán)吊卡—旋轉(zhuǎn)頭吊耳—動力水龍頭下筒體—提升箱體—提環(huán)—游車。雖然2個載荷通道將載荷傳遞到承力提升箱體上，通過提環(huán)再傳遞到鉆機游吊系統(tǒng)上，但下套管和起鉆柱載荷通道沒有通過主軸承，這樣就減輕了主軸承的負擔(dān)，延長了其壽命。另外，中心管主軸設(shè)計有特殊組合軸承，不僅承受鉤載也具備抗鉆柱縱向振動功能。

2） 目前，國外頂驅(qū)設(shè)備鎖定旋轉(zhuǎn)頭多采用銷－孔插拔的結(jié)構(gòu)型式，旋轉(zhuǎn)頭齒盤上圓周均布有30個夾角12°銷孔。這種結(jié)構(gòu)銷孔對正插入幾率低，需要檢索對位插正，吊環(huán)前后傾斜時定位精度不高，影響鉆井操作效率。宏華直驅(qū)頂驅(qū)對旋轉(zhuǎn)頭鎖定采用齒條鎖緊機構(gòu)，嚙合齒頂修圓設(shè)計保證100%鎖定成功率，旋轉(zhuǎn)頭任意位置定位精度達2.1°，操作不需要調(diào)整角度。與國外主流的美國VARCO公司頂驅(qū)比較，其定位更加精確、快速。

3） 頂驅(qū)導(dǎo)軌裝置采用快速自動定位式頂驅(qū)導(dǎo)軌，實現(xiàn)了低位打銷軸、高位自動定位的目的。該導(dǎo)軌的安裝連接只需在鉆臺面上就可完成，從而極大減小了裝卸難度，也減少了施工人員，達到了省時省力，提高裝卸效率，降低裝卸成本，簡化操作過程，消除在高位操作存在安全隱患的目的。同時，與需要通過液壓缸來定位的導(dǎo)軌相比，具有免維護的特點，降低了使用成本。

4） 旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部設(shè)計有組合軸承，利用深溝球軸承、滾針軸承對其徑向定位，克服了承受上卸扣時產(chǎn)生的偏心扭力和鉆柱振動沖擊，有效保護了內(nèi)部的動密封組件，提高了密封的使用壽命。

5） 主電機為采用油田電機使用標準設(shè)計的1臺580kW（780hp）防爆型交流變頻空心軸電機。在結(jié)構(gòu)上使用國外進口的先進軸承、合成潤滑脂和集成防潮加熱器，能滿足溫差、濕度范圍較大地區(qū)使用，抗極端氣候使用能力比現(xiàn)有頂驅(qū)更強。同時，其模塊化的設(shè)計可獨立維護更換，對維護設(shè)備和場地條件要求低。

6） 液壓系統(tǒng)集成安裝于頂驅(qū)本體上，采用目前主流頂驅(qū)成熟可靠的恒壓系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)反應(yīng)迅速，執(zhí)行機構(gòu)端液壓壓力損失小。該液壓系統(tǒng)全部采用進口元件和密封件，可靠性高。由于液壓上無潤滑系統(tǒng)，從根本上解決設(shè)備液壓和潤滑耦合帶來的不同工況時載荷的不穩(wěn)定，降低了設(shè)備維修時間和成本。

7） 電控系統(tǒng)采用德國西門子公司PLC模塊對設(shè)備進行控制，該系統(tǒng)是在參考國外主流頂驅(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合宏華直驅(qū)頂驅(qū)特點所設(shè)計的全新控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆機與頂驅(qū)設(shè)備獨立作業(yè)模式切換，具備安全互鎖、故障診斷、實時監(jiān)控、報警和自保護等功能，具有4個優(yōu)點：①即設(shè)計有單獨的頂驅(qū)VFD控制偏房，也可集成到鉆機控制系統(tǒng)，為客戶新舊鉆機選擇頂驅(qū)設(shè)備提供靈活的選擇；②司鉆操作可選擇HMI人機界面控制和操作箱控制2種方式；③頂驅(qū)主電機具備懸停功能，與中心管主軸上的盤剎液壓制動功能互補，極大地提高了設(shè)備在水平井作業(yè)和處理鉆柱堵鉆解卡的安全性；④采用進口電力模塊及電纜接插件，提高了整機的使用可靠性。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

DQ225DBZ型頂驅(qū)在俄羅斯北方極地區(qū)新烏連戈伊蘇格木油田自2010－07投入使用以來，經(jīng)歷了頻繁的上卸扣、起下鉆、下套管、固井、測井、鉆柱遇阻解卡等操作，整機設(shè)備各功能均運行正常，到2010年底，已經(jīng)成功完鉆11口井。其中，在格木油田23號井位完鉆5口定向井的作業(yè)，累計鉆井深超過19 000m；在格木油田6號井位完鉆6口水平井的作業(yè)，累計鉆井深超過20 000m。整個頂驅(qū)系統(tǒng)經(jīng)受住了－20℃嚴寒的考驗，其最大連續(xù)鉆井扭矩已創(chuàng)紀錄地達到3 5000N·m。該井隊也創(chuàng)下日鉆進作業(yè)1 016m的記錄，提前30d完成承包鉆井合同。

該直驅(qū)頂驅(qū)通過了由四川省科技廳組織召開的四川宏華《交流變頻電機直接驅(qū)動頂部鉆井裝置及其關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用》成果鑒定會鑒定：由業(yè)內(nèi)專家、教授組成的鑒定委員會考察了生產(chǎn)制造現(xiàn)場，聽取了項目組所作的研制工作報告，審查了有關(guān)資料，并進行現(xiàn)場提問、討論、評審等。鑒定委員會一致認為：“四川宏華直驅(qū)頂驅(qū)在石油裝備領(lǐng)域首次提出機電融合設(shè)計理念，整體性能達到國際先進水平，同意通過鑒定。”

從現(xiàn)場使用情況看，與帶齒輪箱的常規(guī)頂驅(qū)相比，四川宏華石油設(shè)備有限公司研制成功的直驅(qū)頂驅(qū)系統(tǒng)是集機、電、液于一體的新型直驅(qū)式頂驅(qū)鉆井設(shè)備，采用直驅(qū)頂驅(qū)專用大扭矩交流變頻電機、齒輪齒條式鎖緊機構(gòu)、導(dǎo)軌采用單銷鎖扣機構(gòu)，具有故障點少、可靠性高、維修方便、過載能力強、適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點。

直驅(qū)頂驅(qū)不僅提高了鉆井效率，而且節(jié)約了使用成本，可推廣應(yīng)用于石油和天然氣勘探開發(fā)領(lǐng)域。同時，宏華直驅(qū)頂驅(qū)的技術(shù)突破和今后批量進入國際市場，將對提升中國石油裝備在行業(yè)的地位產(chǎn)生積極影響，將提高中國頂驅(qū)產(chǎn)品在國際高端市場的競爭力。

5 結(jié)語

現(xiàn)場應(yīng)用證明：宏華直驅(qū)頂驅(qū)不僅降低了使用故障率，進一步提高了其實用性和可靠性，同時減少了維修難度，是一種設(shè)計理念先進、設(shè)備性能完善、質(zhì)量穩(wěn)定可靠性高的頂部驅(qū)動鉆井裝置。直驅(qū)頂驅(qū)推動了AC變頻感應(yīng)電動機驅(qū)動頂驅(qū)的向前發(fā)展，將是電動頂驅(qū)新的發(fā)展方向。

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Development and Applications of Direct－drive Top Drive Drilling System

ZHANG Dong－h(huán)ai，CHEN Jun，JIANG Yi，GAO Hang
（Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co.，Ltd.，Chengdu610036，China）

The structure of the direct－drive TDS eliminates the need for a gearbox and lubrication system compared with other ordinary TDS，which realizes the machine and electron inter－coupling.The application on site indicated that it could increase continuous operation torque，enhance the TDS capability of resolving emergency in well drilling process，and reduce the failure rate and maintenance labor intensity and time.It has very good reliability，economy and the popularization foreground in drilling rig.

TDS；electro－mechanics；direct－drive；interfused design

1001－3482（2012）01－0072－04

TE922

A

2011－07－18

張東海（1980－），男，河南周口人，工程師，碩士，2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè)，主要從事石油設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)工作，E－mail：zzzdh3000＠163.com。