（中石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

國產(chǎn)頂部驅(qū)動鉆井裝置發(fā)展趨勢

王永江

（中石油長城鉆探頂驅(qū)技術(shù)分公司，北京 100101）

隨著現(xiàn)代鉆井技術(shù)的不斷提高、新工藝、新技術(shù)的運(yùn)用逐步深入，對頂驅(qū)的要求也產(chǎn)生了新的變化，為改進(jìn)頂驅(qū)裝置，提高其可靠性、安全性及可操作性，著重從頂驅(qū)的技術(shù)發(fā)展、新產(chǎn)品應(yīng)用等幾個方面介紹發(fā)展方向，并對國產(chǎn)頂驅(qū)制造廠家提出建議。

鉆機(jī)；頂驅(qū)；發(fā)展趨勢

頂部驅(qū)動鉆井裝置（頂驅(qū)）是20世紀(jì)80年代以來發(fā)展起來的新型重大石油鉆井技術(shù)裝備，它取代傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤加方鉆桿而直接驅(qū)動鉆柱鉆進(jìn)，極大減少了遇阻、卡鉆等復(fù)雜情況的發(fā)生。頂驅(qū)代表鉆井工藝技術(shù)、機(jī)電液一體化石油專用設(shè)備的最高水平，已經(jīng)成為深井、復(fù)雜井以及出國鉆機(jī)的必備設(shè)備之一。我國從20世紀(jì)80年代末開始頂驅(qū)裝置的研究工作，北石、寶石、天意、景洪、宏華等石油裝備制造企業(yè)先后開發(fā)了多種型號頂驅(qū)，部分指標(biāo)和性能達(dá)到了國際水平。由于起步較晚，目前我國生產(chǎn)的頂驅(qū)還不能完全滿足海洋和陸地鉆井的需要，與國外相比仍有一定距離。近年來，隨著鉆井設(shè)備發(fā)展，信息網(wǎng)絡(luò)化、便攜快搬、快速有效鉆井等新技術(shù)得到廣泛運(yùn)用，國產(chǎn)頂驅(qū)在以下方面仍然有很大的改善和發(fā)展空間。

1 直驅(qū)頂驅(qū)

直驅(qū)頂驅(qū)就是通過電機(jī)直接驅(qū)動主軸，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)。相比常規(guī)頂驅(qū)，直驅(qū)頂驅(qū)沒有傳動裝置，也就是沒有齒輪箱，因此傳動效率更高，能夠提升能效10%以上，鉆井行業(yè)本身是能源消耗巨大，如果都能采取直驅(qū)，節(jié)約的能源將非?？捎^。除此之外，直驅(qū)頂驅(qū)還有以下傳統(tǒng)頂驅(qū)所不具備的優(yōu)點(diǎn)。（1）無齒輪變速箱機(jī)構(gòu)和齒輪與軸承潤滑油及冷卻過濾系統(tǒng)，在傳動機(jī)構(gòu)中減少了機(jī)械密封機(jī)構(gòu)，顯著降低設(shè)備故障率及維護(hù)難度，使得電機(jī)之外的加工制造更易保證。（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)地減少了因為變速箱的可靠性問題及相關(guān)軸承和齒輪故障而停機(jī)的時間。另外由于沒有齒輪箱，頂驅(qū)的工作噪音降低。因此直驅(qū)頂驅(qū)不僅提供了工作性能，還減少了維修和停機(jī)時間。

影響直驅(qū)頂驅(qū)技術(shù)發(fā)展的瓶頸是電機(jī)技術(shù)，由于變頻電機(jī)的低速不穩(wěn)定性、功率密度等限制，使直驅(qū)頂驅(qū)的發(fā)展一直停滯在理論上，即使有個別頂驅(qū)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了直驅(qū)頂驅(qū)，也因為體積巨大，性能不可靠等原因而無法得到廣泛運(yùn)用。最近幾年，隨著電機(jī)制造技術(shù)尤其是永磁同步電機(jī)制造技術(shù)水平的提高，生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、功率因數(shù)高、可控性好的電機(jī)逐漸成為可能，直驅(qū)頂驅(qū)甚至直驅(qū)鉆井將很快出現(xiàn)在中國市場上。

2 定制式快搬頂驅(qū)

快搬鉆機(jī)和頂驅(qū)是實(shí)現(xiàn)快速搬家的最優(yōu)解決辦法，國內(nèi)外多家鉆機(jī)生產(chǎn)廠家已經(jīng)能生產(chǎn)出在一天之內(nèi)完成全部搬家任務(wù)的鉆機(jī)，這些鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)天完井、當(dāng)天搬家、當(dāng)天開鉆的目標(biāo)。與這類鉆機(jī)配套的頂驅(qū)通常采用定制式結(jié)構(gòu)，在鉆機(jī)生產(chǎn)的同時就對頂驅(qū)進(jìn)行量身定做，最大限度的減少搬家期間頂驅(qū)的拆裝工作量，定制頂驅(qū)與常規(guī)頂驅(qū)的區(qū)別如下。（1）頂驅(qū)沒有傳統(tǒng)意義的導(dǎo)軌，而是采用滑軌和滑架的方式。滑軌是鉆機(jī)的一部分，鉆機(jī)通常采用伸縮式井架，井架的內(nèi)側(cè)兩端布置著滑軌，這些滑軌與鉆機(jī)成為一個整體。頂驅(qū)本體上安裝有滑道，在游車大鉤的帶動下實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的上下移動。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：搬家時鉆機(jī)放到運(yùn)輸過程中，頂驅(qū)可以在井架內(nèi)形成有效的固定，因此無需進(jìn)行拆裝作業(yè)。（2）頂驅(qū)的控制系統(tǒng)集成在鉆機(jī)的控制房中，或者將頂驅(qū)控制房布局在鉆臺面，通過這些方式，可以減少頂驅(qū)和鉆機(jī)搬家過程中電控系統(tǒng)的安裝和接線，減少了安裝時間。（3）電纜等其他結(jié)構(gòu)也通過特殊設(shè)計，實(shí)現(xiàn)和鉆機(jī)的有效匹配。在保證正常生產(chǎn)作業(yè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的快搬。

3 小體積大扭矩頂驅(qū)

隨著鉆井體積減小、鉆井深度和水平段增加等因素，對頂驅(qū)的要求是體積更小、扭矩更大。美國NOV公司生產(chǎn)的350EP頂驅(qū)，雖然額定載荷是350噸，但是外形尺寸比傳統(tǒng)的250噸頂驅(qū)更小，最大連續(xù)扭矩卻能達(dá)到37000英尺磅，最大卸扣扭矩60000英尺磅，超過了500噸頂驅(qū)的最大連續(xù)扭矩，使得這種頂驅(qū)可以在從4000米到7000米鉆機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。國產(chǎn)頂驅(qū)雖然也有大扭矩頂驅(qū)，但是只是在原來頂驅(qū)的基礎(chǔ)上增加了電機(jī)功率，對控制系統(tǒng)進(jìn)行升級，外形尺寸和結(jié)構(gòu)沒有根本變化，因此在適用性上受到了一定的限制。

4 軟扭矩系統(tǒng)

軟扭矩是一種新型的鉆井扭矩控制系統(tǒng)，它對逆變器輸出控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化控制，讓逆變器的輸出更加適合于鉆井現(xiàn)場，有效的克服Stick-Slip也就是粘滑的影響，通過讓轉(zhuǎn)速隨時可變，維持扭矩的恒定輸出。

粘滑是鉆井作業(yè)中的常見現(xiàn)象，會導(dǎo)致鉆柱發(fā)生有害的旋轉(zhuǎn)振動。鉆進(jìn)作業(yè)時，地面鉆柱不斷旋轉(zhuǎn) ，但由于鉆頭的摩擦阻力、BHA和鉆柱本身的原因，井底會發(fā)生粘著。隨著地面鉆柱的旋轉(zhuǎn)，鉆柱的扭矩逐漸加大，粘阻被克服，這時鉆頭速度會突然增加，鉆柱扭矩得到釋放。如果任由其發(fā)展，粘滑可能導(dǎo)致鉆頭和BHA的旋轉(zhuǎn)從完全停止，然后加速到地面轉(zhuǎn)速的5～6倍。這樣就容易損壞鉆頭，破壞切削刃，減低機(jī)械鉆速（ROP），縮短鉆頭使用壽命，破壞井眼軌跡，增加鉆井風(fēng)險。軟扭矩的使用，可以有效的消除粘滑，其功能效果可以概括為以下幾點(diǎn)：（1）消除粘滑，使井下鉆柱組合在理想的轉(zhuǎn)速和鉆壓下鉆進(jìn)。（2）減輕鉆進(jìn)過程中的鉆柱振蕩，提升井眼軌跡質(zhì)量。（3）減少鉆具磨損，延長鉆頭壽命，減少起下鉆次數(shù)。（4）提升鉆進(jìn)速度，加快鉆井周期。（5）使鉆進(jìn)過程變平穩(wěn)，提高鉆井作業(yè)的安全性。（6）保護(hù)頂驅(qū)設(shè)備，減少扭矩波動，減少設(shè)備疲勞損傷。

正確合理的使用軟扭矩，可以顯著降低鉆井綜合成本。正是由于軟扭矩有如此多的優(yōu)點(diǎn)，因此各頂驅(qū)生產(chǎn)廠家都在大力研發(fā)和推廣使用軟扭矩。目前各頂驅(qū)生產(chǎn)廠家的軟扭矩由于工作原理、控制方式的不同，使用效果也不盡相同。根據(jù)長城鉆探最近對多個廠家軟扭矩的使用，目前技術(shù)最成熟，使用效果最好的是荷蘭EP公司生產(chǎn)的軟扭矩，而且EP公司通過不斷改進(jìn)，已經(jīng)發(fā)展到第二代產(chǎn)品，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)鉆井參數(shù)變化自動調(diào)整軟扭矩的功能，通過使用軟扭矩可以增加機(jī)械鉆速5%以上，國產(chǎn)軟扭矩在使用效果和兼容性上還需要提高。

5 頂驅(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

隨著無線網(wǎng)絡(luò)、云計算技術(shù)的發(fā)展，對頂驅(qū)等重要設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控及故障診斷成為可能。目前頂驅(qū)通常采用西門子或者ABB控制系統(tǒng)，以NOV頂驅(qū)ABB的ACS800控制系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)集成了以太網(wǎng)接口，通過網(wǎng)絡(luò)可以將頂驅(qū)的各項參數(shù)傳給NOV的數(shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)的數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程故障分析。這個系統(tǒng)的缺點(diǎn)：一是數(shù)據(jù)傳輸需要依賴網(wǎng)絡(luò)，對于偏遠(yuǎn)的專業(yè)區(qū)域會存在傳輸問題。二是由于NOV的數(shù)據(jù)中心設(shè)在美國，用戶無法有效分享數(shù)據(jù)上傳結(jié)果并參與故障診斷。此外，近年涌現(xiàn)了一批專業(yè)的設(shè)備檢測公司，通過在頂驅(qū)齒輪箱、主電機(jī)等關(guān)鍵部位安裝探頭和傳感器，采集軸承和齒輪等頂驅(qū)系統(tǒng)自身無法采集的運(yùn)行參數(shù)，并通過云計算等方式預(yù)先發(fā)現(xiàn)和判斷出可能出現(xiàn)問題的軸承和齒輪并及時將信息反饋給用戶，便于用戶開展預(yù)防性維修，最大程度的減少設(shè)備損壞和停機(jī)的影響。

6 頂驅(qū)下套管裝置

頂驅(qū)下套管裝置與頂驅(qū)連接，通過頂驅(qū)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)與套管的松開或夾緊。在頂驅(qū)扭矩及提升載荷的作用下，完成套管上扣、上提及下方套管等作業(yè)；下套管裝置本身具有自密封機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)與被夾持套管內(nèi)部自密封，可以在下套管作業(yè)的同時循環(huán)鉆井液，減少或避免復(fù)雜事故的發(fā)生。

頂驅(qū)下套管裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：能夠同時實(shí)現(xiàn)套管的旋轉(zhuǎn)、上提下放及鉆井液循環(huán)，極大地提高下套管作業(yè)的成功率；取代了傳統(tǒng)下套管作業(yè)中動力套管鉗和吊卡等裝備，減少下套管作業(yè)中施工人員的數(shù)量，提高了作業(yè)的安全性和效率；能夠為套管管柱傳遞一定的下壓力等。隨著頂驅(qū)裝置在鉆井行業(yè)的廣泛應(yīng)用，頂驅(qū)下套管裝置已經(jīng)成為國內(nèi)外石油公司研發(fā)的熱點(diǎn)。國外公司如加拿大TESCO，美國Weatherford、Frank公司等，國內(nèi)的北石、天意等公司都有自己的產(chǎn)品。國產(chǎn)頂驅(qū)下套管裝置的發(fā)展趨勢包括：（1）從液壓驅(qū)動向機(jī)械驅(qū)動方式發(fā)展。（2）從卡瓦牙夾持和錐面夾持結(jié)構(gòu)向微痕夾持方向發(fā)展。（3）向工具集成化和智能化方向發(fā)展。

7 結(jié)語

國產(chǎn)生產(chǎn)頂驅(qū)的廠家眾多，但是產(chǎn)量和規(guī)模有限，同時還不斷有新的廠家投入到頂驅(qū)研制和生產(chǎn)的過程中。相比進(jìn)口頂驅(qū)，我們除了模仿，更應(yīng)該注重頂驅(qū)技術(shù)的發(fā)展趨勢，在產(chǎn)品類型和功能上不斷完善，生產(chǎn)出更多具備現(xiàn)代鉆井技術(shù)的頂驅(qū)設(shè)備，滿足日益發(fā)展的鉆井市場要求。

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