顶部驱动钻井装置研制过程

顶部驱动钻井装置研制过程

    1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生

    首先让我们简单回顾一下中国和世界石油钻井业的发展概况。

众所周知，我国是世界上钻井发展得很早的一个国家，有史料可考的，公元前250年，中国人即用手工凿井。北宋中期，在四川用简单顿钻冲击打气井，钻到160 m。宋人沈括在其名著《梦溪笔谈》一书中，介绍了陕西延长地区的“脂水”，第一次命名它为“石油”，并预言“此物后必大行于世”。1907年，我国使用日本钻机在延长地区（今延长油矿）打出中国大陆第一口油井，井深81 m ，“见旺油”，这就是著名的“延一井”。我国陆上石油的近代工业化开采实际开始于此。新中国成立后，我国石油、天然气工业有了巨大的进步，从1957年太原矿山机器厂制造了国产第一台1200 m轻型钻机开始，旋转钻机逐渐得到了普遍的应用。现在我国已经成为世界第五大产油国。

就世界油气钻探历史而言，顿钻、旋转钻、冲击回转钻进，称为近代油气钻探的三大重点技术。世界公认的的第一口油井，是美国人1859年用顿钻法钻成功的。大约1900年转盘钻井法在美国开始出现，钻井工艺得以革新，出现了伟大的转折。1901年美国首先钻出世界上第一口高产油井。

    但是与钻井业进步并存的是，繁重艰苦的钻井劳动，笨重的钻机、钻具操作以及安全等等问题，使得实现钻机自动化，成为了几代钻井人的长期愿望。石油钻井多年以来一直采用标准的转盘和方钻杆钻井方法，利用转盘、方钻杆、钻杆大钳、卡瓦、卡瓦座和方补心接单根，从而把钻柱连接在一起。除了如方钻杆旋扣器这样小的改进外，这种接单根的方法几十年中实际上并没有发生重大的变化。

    20世纪70年代以来，出现了动力水龙头。由于改革了驱动方式，可用水龙头直接驱动钻具，在相当程度上改善了钻井工人的操作条件，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扣的问题，即是说并未从根本上摆脱转盘，也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、液压大钳等等，局部解决了钻杆移位、连接等等问题，但都没有达到石油人盼望的理想程度。

    随着科学技术的进步，出现了现代化的顶部驱动钻井装置，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，转盘-方钻杆打井模式已成历史，钻台上方的钻井设备面目为之一新。

    2 .顶部驱动钻井装置研制过程

   1）美国Varco BJ公司的研制历程

    Varco BJ公司大致经历了两个阶段的研制发展过程：

    第一阶段：20世纪80年代。在1981年开始研制最初的TDS-l型顶部驱动钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装置TDS-2型的设计，但后者未能投产。1983年生产了单速（速比为5.33：1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了工业标准，这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的方式。这个阶段历时5年，至1988年研制开发了具有新标准的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同年还生产了单速（速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生产的一种产品。

    至20世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机上得以应用。

    第二阶段：20世纪90年代。这一阶段的特征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l－2）、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上，得到广泛应用。随着钻井深度的增加，要求驱动更大重量的钻柱，于是设计了双马达驱动的顶部驱动钻井装置，它具有单速传动（速比5.33：1），命名为IDS-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等诸型号的顶部驱动钻井装置。

1993年后，研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，是一种具有单速比6.00：1、紧凑的行星齿轮驱动的更先进的装置，它是真正意义上的整体式顶部驱动钻井装置。由TDS发展到IDS型，即由顶部驱动钻井装置，发展到整体式顶部驱动钻井装置，这在顶部驱动钻井装置的历史上实现了新的飞跃。1994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升能力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。1996年后该公司更研制出500 t的TDS-11SA型及轻便的250 t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以TDS-10SA型引人注目，它具有低购置成本、轻便、高可靠性及低维护费等优越性，其紧凑尺寸使它可用于小型修井机和轻便钻机上。TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音，并可获得225 r/min的最高工作转速。值得称道的是，该顶部驱动钻井装置由2台交流变频电机驱动，电机上没有电刷、电刷齿轮或转换开关，交流电机内没有产生电弧的装置，同时顶部驱动钻井装置本身带有液压系统，不需要单独的液压装置和液压油管汇，这些新的设计

降低了顶部驱动钻井装置的维护和配件费用。    这里需要指出的是，Varco BJ公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马达的顶部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的顶部驱动钻井装置研制。以1994年后生产的TDS-11SA型为例，它使用一对400hp的交流驱动电机，重要较轻，尺寸较小，是顶部驱动钻井装置的心脏，而产生的扭矩特性却接近于一台1100hp的直流电动机。选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少，无污染、作业范围大，满扭矩负荷时可以达1min，而无电火花，安全性好，因此得到用户认可。还应看到，交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可使用750 V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种灵活性使得它使用范围宽广。

（2）中国的研制发展过程。

我国从20世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术，1993年列人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北京石油机械研究所、宝鸡石油机械厂及大港石油管理局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家积极合作，克服资料、材料不全等许多困难，认真按照计划执行。突出的是打破了国外关于空心电动机的垄断，解决了一批机、电、液、气一体化的技术难题，于1995年完成样机，并在台架试验中不断改进完善。1997年4月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进行工业试验，适应多种复杂钻井要求，当年胜利完成任务，完钻井深5649m，垂深5369 m，水平位移550 m，井斜角70度。该井在试验期间，起下钻约50次，多次遇阻遇卡，利用顶部驱动钻井装置均能顺利通过。国产顶部驱动钻井装置的成就，宣告了我国DQ-60D型顶部驱动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阶段跨越，我国已经成为世界上第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家。1997年12月国产顶部驱动钻井装置通过了原中国石油天然气总公司的鉴定，鉴定书中认为：“该装置是结合我国实际情况，参考国外技术，自行设计并研制成功的大型机电一体化设备，填补了国内空白，并在总体技术上达到国外90年代先进水平。”之后，该项目荣获原中国石油天然气总公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖。

我国生产的DQ-60D型顶部驱动钻井装置，名义钻井深度6000m；最大钩载4500KN，动力水龙头最大扭矩40 kN·m，转速范围0～183 r/min，无级调速；直流电机最大输出功率940 kw；倾斜臂最大倾斜角，前倾30度，后倾15度；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩80kN·m；上卸扣装置夹持钻杆范围89-216 mm（3.5～8.5in）。在工业试验中，经历了跳钻、蹩钻、划眼等多种考验，表明DQ-60D型产品的性能优良，质量可靠。

DQ-60D型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动，故主轴可无级调速、扭矩可任意设定，其倾斜臂为双向的，不仅可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆；而且可实现后倾．在下钻时，使2个吊卡交替应用，非常方便。DQ-60D型产品采用了液压驱动回转头，而且是正反转互锁的。现场实验表明，回转头与倾斜臂动作协调，操作方便、快捷，而且实现了上卸扣机构的动作与回转头旋转互锁，保证了工作安全。由于上述革新，使DQ-60D型产品较国外产品更进一步发挥了顶部驱动的优越性，在钻井遇阻、遇卡时，可迅速接上钻具划眼或倒划眼，避免事故发生；在井喷、井涌时可迅速关闭内防喷器，防止井喷；在钻井时实施立根钻井，提高钻井速度，使我国DQ-60D型顶部驱动钻井装置赶上了90年代同类产品的世界先进水平。

目前，宝鸡石油机械厂已生产DQ-60D1型顶部驱动钻井装置，供应用户。