毕业设计姓名：杨青课题：顶驱钻机的构设计指导教师：饶美丽专业：机电一体化日期：2010年11月19日顶驱钻井的结构设计摘要20多年来世界上蓬勃发展的顶部驱动钻井装置，实现了钻机现代化的历史跨越。

介绍了顶部驱动钻机的中提技术，描述了顶部驱动的结构和功能。

对其主要的技术参数，结构和工作性能等做出了详细的介绍。

致命了它在钻井，修井方面的广阔应用前景。

关键词：钻井，钻机，顶部驱动，原理，结构TOP DRIVE RIG STRUCTUREDESIGINGABSTRACRFor more than 20 years of world booming top drive drilling rig device, have realized modernization a historical leap. Introduces top drive rig advice, describes the top drive technology of structure and function. Its main technical parameters, structure and working performance and so make were introduced in detail. Deadly it up on the drilling and workover aspects, broad application prospect.KEY WORDS:Drilling, the drill, top drive, principle, structure前言近20年来，世界上发展起来的顶部驱动钻井转转显著提高了组阿宁作业能力和效率，并已经成为石油钻井行业的标准产品。

目前在世界上不少国家的上千台大，中型钻机上，将它用于钻中深井（2000-4500M）,深井（4500-6000M），超深井（6000-9000M）的日益增多。

该产品自80年代初开始研制，值到现在已发展到最先进的整体顶部驱动钻井装置，英文简写为IDS(INTRGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM)，显示出它强大的生命力。

从世界钻井机械的发展趋势来看，为适应钻井自动化的进一步需求，顶驱钻井装置和井下钻头加压装置，将成为21世界世界钻井机械发展的主要方向。

据悉，目前我国赴国外工作的钻井队，如果钻机未安装顶驱装置，工程投标将不予中标。

可见顶驱装置已到了非用不可的地步。

自1981年12月美国研制的顶部驱动系统投入使用以来，顶驱逐渐被世界各国石油钻井所采用。

目前，浅海上的钻井船或平台，几乎全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越开越多地使用了顶驱。

1 顶驱装置的发展历程1.1 什么事顶驱钻井装置顶驱钻井装置是美国，法国，挪威近20多年来相继研制成功，正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。

它可以从井架空间上不直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，弯沉钻柱旋转钻进，循环钻井液，接力跟，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。

如图1所示。

该装置主要由3部分组成，导向滑车总成，水龙头，井钻马达总成和钻杆上卸扣装置总成。

该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。

实践表明，该系统可节省钻井时间20%-25%，并可预防卡钻事故的发生，用于钻斜井，高难度定向井时经济效果尤其显著。

图11.2历史性的跨越20世纪初 .美国人发明了旋转钻井法.常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进 较顿钻是历史的飞跃。

据统计!美国63%的石油井用旋转钻井法钻成！转盘钻井方式下立下功劳，但在转盘钻井历史上，它有2个突出的矛盾未能得到解决。

其一，由于起下钻中不能及时循环旋转，遇上复杂地层，或是岩屑沉积，往往造成卡钻。

卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。

我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以数计。

其二，由于常规钻井在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，每次只能接单根，所以费工效率低，劳动强度大 。

而顶部驱动则是把钻机动力部分由下边的转盘移到上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。

由于取消了方钻杆，无论在钻进中，还是起下钻时，旋转钻具的动力以及循环井眼的泥浆始终可与钻具联接在一起。

因而，由各种原因引起的遇卡，遇阻事故均可以得到及时有效的处理。

同时，可以进行立根钻进,大大提高了钻速，平均提高钻井时效25%左右。

国外自1982年首台顶驱成功地钻了1口井斜32°，井深2198m的定向井之后!迅速发展。

不仅在海洋及深井，定向井中采用。

而且在2000m 钻机上也开始大批使用.生产顶驱的厂商也由当初的美国,挪威扩展到法国,加拿大等 4国 7家公司.之后,中国,英国也加入到该装置的生产行列 .实现了钻机自动化进程的阶段性跨越.1.3 钻井装置的的研制过程1．31钻井自动化推动了顶驱钻井法德诞生上个世纪，旋转钻机得到了普遍使用，但是繁重艰苦的钻井劳动，笨重的钻机，钻具操作以及安全等问题，使得实现钻机自动化，成了几代钻井和矿机行业众多人士的长期愿望。

石油钻井多年来一直采用标准的转盘和方钻杆钻法，利用转盘，方钻杆，钻杆大钳，卡瓦卡瓦座和方补芯接单根。

把钻柱联接在一起&除了如方钻杆旋扣器这样小的改进外，几十年来这种接单根的方法实际上并没有重大变化。

20世纪年代，现了动力水龙头。

于改革了驱动方式，用水龙头直接驱动钻具。

在相当程度上改善了工人的操作条件，加快了钻进速度。

但是，早期的动力水龙头只是水龙头与钻井马达的结合，没有解决高效上卸钻杆螺纹的问题，未从根本上摆脱转盘，不具备起钻后就能迅速旋转钻具，循环钻井液的能力，因此缺乏竞争力。

同期先后出现的铁钻工装置，液压大钳等，只是局部解决了钻杆移位，联接等问题，但都没有达到石油人理想的程度。

随着科技进步的发展。

现代化的顶驱装置和早期的动力水龙头完全不同，它除具有常规水龙头和钻井马达之外，更为重要的是，发展了钻柱上卸扣技术。

配备了特殊的钻杆上卸扣装置，传统的方钻杆大钩，转盘已经淘汰。

1.3．2顶驱钻井装置研制过程a) 美国Varco公司的研制历程 Varco BJ公司大致经历了两个阶段。

第一阶段，20世纪80年代。

1981年开始研制TDS-1型装置的系列马达圆形，并设计了TDS-2型递过去钻井装置。

1983年生产了单速TDS-3型顶驱装置，并由此形成了工业标准。

在这个阶段上历时5年时间，至1988年研制开发了具有新标准的2速TDS-4型情趣装置，同年还生产了临时性的单速TDS-5型顶驱装置。

至80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4型2中顶驱应用了新式马达，并在钻机上得以应用。

第二阶段，20世纪90年代。

这一阶段的可证是应用整体式水龙头，游车等。

在1990年首先生产出了整体式水龙头，装配在TDS-3S（图2），TDS-4S两种型号的顶驱装置上，得到广泛应用。

随着钻井深度的增加，要求驱动更大质量的钻柱，于是设计了双马达的顶驱装置，它具有单速传动(速比5.33：1)，命名为TDS-6S 型，用于深井钻机。

1991-1992年间，应用了整体式水龙头和游车，于是陆续又研制出TDS-3SB，TDS-4SB,TDS-6SB等型号的顶驱装置。

1993之后，研制的IDS型整体式顶驱钻井装置，是一种具有单速比6.00:1，紧凑的行星齿轮驱动的先进装置，它是真正意义上的整体式顶驱钻井装置。

由TDS 型发展到IDS型，既由顶驱发展到整体顶驱装置，在其研制史上实现了新的飞跃。

目前该公司研制出500t的TDS-11S型，400t的TDS-9S型及轻便的250t的TDS-10S 型顶驱。

其中尤以TDS-11S型引人注目，它具有成本低，轻便，可靠性高及维护费用低等优越性，可用在修井机和轻便钻机上。

1-接线盒;2-水龙头；3-气刹车；4-钻井马达；5-齿轮；6-主轴图2 水龙头-钻井马达总成b) 我国的研制过程我国从上个世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术。

1993年列入原中国石油天然气总公司重点科研计划，由石油勘探开发科学研究院机械所,宝鸡石油机械厂等单位联合承担试制开发任务。

研制中科研人员与国内多家厂商积极合作，克服资料,材料不全等许多困难认真按照计划执行。

打破了国外关于空心电动机的垄断。

解决了一批机,电,液,气一体化技术难题。

于1995年完成样机。

并在台架试验中不断改进完善。

1997-04样机安装在塔里木6501钻井队钻机上进行工业试验。

适应多种复杂钻井要求，当年完成任务，钻抵5590m目的层。

该井在试验期间，起下钻约50次，多次遇阻遇卡，使用情趣装置均能顺利通过。

国产顶驱装置的成就，宣告了我国DK-60D型顶驱钻井装置已研制成功，标志着我国钻机自动化实现了历史性的跨越。

我国已经成为世界上第5个可以制作顶驱装置的国家。

项目因此荣获原总公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖-目前我国顶驱装置已由宝石厂投入生产6如图3图3 DK-60型顶驱结构2顶驱装置的结构顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成：水龙头-钻井马达总成；马达支架/导向滑车总成；钻杆上卸扣装置总成; 平衡系统;冷却系统；顶部驱动钻井装置控制系统；可选用的附属设备。

2.1 水龙头钻井马达总成水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件。

它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。

钻井水龙头额定载荷是6500 kN；采用串激（或并激）直流电动机立式传动，驱动主轴。

轴上端装有气动刹车（16VC600气离合器）。

当气压为0.62 MPa时，可产生47.5 kN?m的扭矩，用于马达的快速制动。

这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时，旋转体转动惯量大，惯性则大，因此立即刹止，改变运动方式是不易的，故要有气刹车刹止才能克服惯性，制止钻具的旋转运动。

马达轴下伸轴头装有小齿轮（Z=18），与装在主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻杆柱，最大转速为 430 r/min。

钻井时，当马达电枢电流为 1325 A 时，间隙尖峰扭矩51.5 kN/m，而当电流为1050A时，连续运转扭矩为39.1kN/m，主轴转速可达180r/min。

其中水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件：钻井马达和制动器（气刹车）；齿轮箱（变速箱）；整体水龙头；平衡器。

钻井马达：在顶部驱动钻井装置上安装的是 1100/1300hp的并激直流钻井马达。

马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。

气刹车用于承受钻柱扭矩，避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。

气刹车由一个远控电磁阀控制。

如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片。

齿轮箱（变速箱）总成：顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成：96齿大齿轮；18齿大齿轮；上、下箱体；主轴/驱动杆；马达支座机罩。

变速箱是一个单速齿轮减速装置，齿轮减速比5.33：1。