頂驅鑽機的吊環傾斜裝置設計

① 鑽井領域技術有哪些

一、海洋鑽井設備
1.石油鑽機
石油鑽機是一組十分復雜的大型成套設備，製造難度大、成套范圍廣，用於海洋鑽井的石油鑽機還要能夠承受海水腐蝕、海浪沖刷等惡劣的自然條件。目前，美國是製造成套石油鑽機最具實力的國家。
隨著交流變頻調速技術的迅猛發展，交流變頻電驅動鑽機（AC-GTO-AC石油鑽機）憑借其自身的優越性，正在取代現有的可控硅直流電驅動鑽機，成為海洋石油鑽機發展的換代產品。交流變頻電驅動鑽機在工作性能方面，實現了無級變速，恆功率寬調速，簡化了鑽機機械結構，提高了鑽機提升能力和處理事故的能力；在操作性方面，交流電動機體積小，單機容量大，容易實現鑽機的自動化、智能化和對外界變化的自適應控制，易於操作管理；在安全性方面，交流變頻技術本身對電動機具有安全保護功能，易於安裝、拆卸，搬遷方便靈活，安全性高。目前，世界主要鑽機製造商均發展了交流變頻電驅動大功率石油鑽機，將其配備在鑽深能力為10668米（35000英尺）及以上的深水（工作水深大於2438米，即8000英尺）的半潛式鑽井平台或鑽井浮船上。
另外，新型液壓石油鑽機也在不斷地推廣和使用。新型液壓鑽機是由挪威海事液壓公司於1996年開發的一種新型鑽機。該鑽機作為提升機械，取消了傳統的絞車、井架和游車等常規設備，用升降液缸代替了絞車，同時也替代了浮式鑽井的龐大的鑽柱運動補償器，從而大大降低了鑽機的質量和製造成本（據報道可降低成本30％）。除此以外，該鑽機還可以與計算機組合實現鑽井和鑽具升降操作的機械化和自動化，操作人員數量明顯減少。
目前激光石油鑽機還處於研發階段。激光鑽井技術具有降低成本、提高鑽速、改善井控，減少鑽機工作時間、鑽頭磨損和起下鑽時間，精確控制鑽眼，以及在井眼周圍形成一層堅硬的玻璃化外皮，最大限度地減少或取消同心套管等其他鑽機無法比擬的優點。據悉，美國芝加哥天然氣研究所（GRI）與美科羅拉多礦業學院、麻省理工學院、雷克伍德公司、菲利普斯及美國空軍和陸軍合作，聯合開展了有關激光鑽機的研究，並計劃在21世紀使用上激光鑽井。
隨著石油鑽機的不斷發展，作為石油鑽機的關鍵設備的鑽井絞車、轉盤、頂驅和鑽井泵也得到了快速的發展。
2.井絞車
為適應海洋石油鑽探和開采向深水推進的需要，鑽井絞車的提升能力和鑽探能力也在不斷提高。
3.轉盤和頂驅
鑽井裝置旋轉系統中的兩個互補設備的轉盤和頂驅，也在實踐中逐漸完善，功能不斷增強。
4.鑽井泵
對於海洋鑽井，特別是深海鑽井來說，鑽井泵是鑽井液設備中的關鍵設備。21世紀初National-Oilwell公司成功開發出了新一代鑽井泵——HEX鑽井泵，它代表了未來鑽井泵的發展趨勢，該鑽井泵配有兩台交流變頻驅動電動機，採用六個缸套，與傳統鑽井泵相比具有輸出流量穩定、超高壓、超高流量、尺寸小等優點。此外，高強度鋼和耐磨陶瓷在鑽井泵的泵體、液缸、活塞等零件上的使用，可顯著降低泵的體積、質量，同時延長泵的使用壽命，成為未來鑽井泵的又一發展方向。
5.PDC鑽頭的新技術
對於PDC鑽頭來說，現在需要具備的條件是能鑽達更深、更硬，地下環境更異常的區域，這必然對現代鑽井工藝又提出了更高的要求。這些鑽頭包括自磨式PDC鑽頭，具有超強的抗磨性，能很好地延緩鑽頭的磨損，同時輕型的鑽頭可鑽達更深、更硬的地層。另外還有耐高溫的PDC鑽頭。
6.井控設備
鑽井井下控制裝置需要滿足海洋鑽井的需要，如需要可以關閉正在鑽探的井卻不需要取出鑽桿；需要滿足不斷增加的工作壓力，降低質量，減小尺寸；還需要適應新的欠平衡鑽井的井控設備。
二、鑽井技術
1.油氣井力學與過程式控制制方面
（1）向信息化、智能化方向發展。
井下智能鑽井系統的最終發展目標，是「地下鑽掘機器人」。這種地下鑽掘機器人不同於一般的機器人，它必須能夠在地下極其復雜的地質環境及非常惡劣的工況下進行有效的工作。它必須能夠精確探測前方和周圍的地質環境及本身的狀態，進而做出正確的分析和決策，並且能夠自動適應所處的工作環境，沿著「預定的路線」或要求沖向「地下目標」，勝利完成人類賦予它實地探察地下資源並加以開採的神聖任務。這種地下鑽掘機器人，是自動化鑽井的核心，將是多種高新技術和新產品的進一步研究和開發及其微型化集成的結果，代表著未來鑽井與掘進技術的發展趨勢，可望在21世紀前半葉實現並達到比較理想的成熟度。
（2）向多學科緊密結合、提高勘探發現率和提高油井產量與採收率方向發展。
以近年來發展迅速、技術先進的水平井為例，水平井設計程序和框圖是1992年11月由美國石油工程協會和地質家協會、地球物理家協會和測井分析家協會共同開會約定的，該設計內容是由地質、鑽井、採油油藏、成本核算四部分人員共同合作完成的。應用水平井技術勘探和開發整裝油氣田，是20世紀90年代水平井應用發展的主要趨勢之一，它不僅可顯著提高油田產量，更可以有效地提高油田採收率。
（3）向有效勘探和開采特殊油氣藏方向發展。
特殊油氣藏包括低滲油氣藏、斷塊油氣藏、稠油油藏、高含水油氣藏、薄油層等。以低滲油氣藏為例：我國已探明儲量中，低滲油氣藏占總探明儲量25％，近3～4年新增探明儲量中，約60％為低滲油氣藏，其低孔、低滲的兩低特性使其勘探發現難度極大，而且儲層傷害問題貫穿於鑽井、完井和測試全過程。因此，研究發展低壓低滲探井鑽井過程中儲層傷害機理及評價方法、鑽井液化學與儲層保護技術、最大限度發現和保護儲層的全過程欠平衡鑽井優化設計和適應性等，是有效勘探和開采特殊油氣藏的鑽井工程核心問題。
2.復雜油氣多相流與高壓水射流方面
（1）復雜油氣水多相流本質認識更深入，模型研究更科學、更接近實際。
近年來國內外在多相流基礎理論方面的研究內容主要涉及多相流流型、流型圖、壓力降、截面含氣率、截面含液率、特種管件內的多相流、液汽、噴汽及數值計算等，理論研究發展迅速。為了掌握油氣兩相流在水平井中的流動特性，包括沿井長的壓力降、持液率及流體從儲油層中流出的狀況，研究人員進行了一系列試驗和理論研究工作，並提出了計算模型。如研究傾斜管中油水兩相流不穩定性，提出了一種瞬態兩流體模型來模擬管內彈狀流的流動工況；通過對孔隙率波、流動湍流度、平均含氣率的測量和信號分析，得到流型轉化機理的特點和規律。由於多相流體在環空中的不同井段流型不一樣，因而其靜液壓力、摩阻壓降、加速壓力計算非常煩鎖，對這些不同流型段、不同的井段，需要用不同的計算模型。美國莫爾公司開發了一套多相流水力學軟體來進行這種復雜的多相流計算，使模型研究更科學、更接近實際。
（2）復雜井筒多相流理論研究的指導作用越來越大。
復雜井筒多相流理論研究將指導水平井段設計和產能預測，能夠實時地監控欠平衡鑽井井下的復雜流動情況，並能夠編制出智能化的軟體系統，幫助鑽井人員監測和控制流動參數，科學進行生產系統優化設計。相信隨著科學技術的不斷發展和對多相流動本質了解的不斷深入，在不遠的未來，必然能夠利用多相流動知識促進石油工程相關理論和技術的發展。
（3）高壓超高壓射流破岩鑽井和增產應用越來越廣泛。
隨著高壓水射流理論、技術和設備的發展與進步，新型射流種類將不斷出現，高壓超高壓射流紊流動力學和流動規律的研究和認識將不斷深入，應用范圍和領域將不斷擴大。在石油工程中，高壓超高壓射流技術將不僅應用於輔助破岩鑽井，進一步提高鑽井速度，而且將應用於油氣井增產改造，如水力深穿透射孔、定向噴射輔助壓裂、徑向水平微小井眼開采等。同時，高壓水射流技術在煤炭、化工、冶金、建築、機械、軍工等十多個工業領域的水力採煤采礦、切割鑽孔破碎、清洗除垢除銹等場合也有越來越廣泛的應用。

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③ KZDB、XD-DB型交流變頻電驅動頂驅式岩心鑽機

KZ30DB、XD-35DB型交流變頻電驅動頂驅式岩心鑽機,由中國地質裝備總公司和汶川科學鑽探工程中心、核工業地質局等單位合作研製,是一種具有我國自主知識產權的新型電動頂驅式岩心鑽機。鑽探施工能力N口徑分別為5000m、3500m。該鑽機由工業電網提供動力源,採用模塊化交流變頻電驅動單元作為提升、回轉、送鑽、打撈等執行系統,採用全轉矩控制、全機械化作業、全數字化操作的工作模式,融合機、電、液、氣、電子及信息化技術為一體,服務於孔深3500m的礦產勘探及能源鑽采深部鑽探作業。

(一)鑽機系統設計

1)採用重載K型鑽塔,承載1350kN,導軌行程25m,實現18m立根鑽進。

2)頂部驅動鑽井系統直接在井架上部驅動鑽柱,並沿井架內導軌上下移動,通過交流變頻絞車實現減壓鑽進功能,完成回轉鑽進、鑽井液循環、接立根/單根、上卸扣、倒劃眼等操作。

3)採用以AC-VFD-AC交流變頻方式驅動鑽機主要執行部件(絞車、頂驅、繩索卷揚、轉盤)的電機。實現頂驅、絞車等部件全程無級調速,取消機械換擋,傳動簡單、可靠。

4)採用全數字化交流變頻控制技術,通過電傳系統PLC、觸摸屏和氣、電、液及儀表參數一體化設計,實現頂驅、絞車、繩索卷揚、轉盤等部件的智能化控制,並可實現遠程鑽進參數的監控。

(二)鑽機主要結構

鑽機主要結構部件包括K135鑽塔、2.0鑽井平台、電驅頂驅系統、電驅主絞車(含盤剎)、電驅繩索絞車(含盤剎)、電控系統、司鑽房、井口自動化裝置、泥漿泵及固控裝置等。

1.鑽塔、平台

採用K型鑽塔,鑽塔凈空高度31m,最大鉤載1350kN(5×6游車繩系),平台高度2.0m,立根盒容量4000m。鑽塔結構如圖2-14所示。

圖2-14 K型鑽塔結構示意圖

2.頂驅系統

直驅電驅動高速頂驅作為核心部件(圖2-15),具備回轉、泥漿循環、加接單根、起下立根、擰卸絲扣等功能。該頂驅獲國家發明專利,專利號:ZL201310367876.4。機械部分包括以下3部分:

圖2-15 頂驅結構

1)托架-滑車總成,由托架與多組滾子組成。確保頂驅沿著導軌高速運動或者慢速給進的運動限制及抗扭功能。

2)電機-水龍頭總成,由變頻電機組件與水龍頭組件組成。

3)自動擺管裝置,由提吊側擺機構與背鉗擰卸機構組成。側擺機構負責從平台拾取鑽桿單根,或從二層台抓取立根;背鉗擰卸機構負責單根鑽桿或鑽桿立根與頂驅主軸之間的絲扣擰卸。

3.主絞車

主絞車採用300kW交流變頻電機,通過減速機、捲筒離合器輸出扭矩與速度到捲筒,再通過天車、游車實現對頂驅的提升與下放;主捲筒通過電機編碼器、制動單元實現能耗制動及零速懸停,通過液壓盤剎實現安全制動;通過捲筒編碼器可以精確測定頂驅系統在鑽塔凈空內的運行位置;通過過卷防碰、井架防碰實現對捲筒的安全制動。主絞車結構如圖2-16所示。

圖2-16 主絞車結構示意圖

送鑽裝置包含:送鑽變頻電機通過大速比送鑽減速機、送鑽離合器、減速機、捲筒離合器輸出扭矩與轉速給主絞車捲筒。

主絞車具有以下特點:

1)傳動方式:交流變頻電驅動,氣胎離合。

2)控制方式:閉環控制,可實現零位懸停。

3)安全模式:過卷防碰,井架鋼絲繩防碰,電子防碰。

4)剎車模式:主剎車為液壓盤剎,輔助剎車能耗制動。

5)制動形式:駐車制動、工作制動、緊急制動(失電)。

6)送鑽控制:小功率變頻電機實現自動送鑽,可實現3000N調壓精度。

7)控制顯示:氣源、潤滑油壓力、游車位置與游車速度的顯示與報警。

8)互鎖功能:主電機與送鑽電機啟動互鎖。

4.繩索取心絞車

繩索取心絞車(圖2-17)最大拉力:25000N;最高繩速:200m/min;鋼絲繩直徑:8mm;容繩量:4000m。該型絞車獲國家發明專利,專利號:ZL201310368723.2,其設計特點及功能優勢如下。

圖2-17 繩索取心絞車

(1)設計特點

1)傳動方式:交流變頻電驅動,電磁離合器;

2)控制方式:閉環控制,可實現零位懸停;

3)剎車模式:主剎為液壓盤剎,輔剎為能耗制動;

4)排列方式:自動排繩、自動換向;

5)控制顯示:可檢測繩長、繩速、張力。

(2)功能優勢

1)具有電磁離合,可實現無動力自由下放;

2)具有液壓盤剎,可實現安全制動;

3)具有排繩、張力、繩長等裝置,提高打撈成功率。

5.電控系統(AC-VF-AC)

電控系統由動力部分、變頻驅動部分以及各執行單元三部分組成。動力裝置為網電變壓器或柴油發電機組;變頻驅動裝置為VFD房(Variable-frequency Drive),包含頂驅電機、絞車電機、送鑽電機、繩索絞車電機、轉盤電機的變頻器以及綜合控制裝置(包含可編程邏輯控制器PLC);執行單元包含各部件的變頻電機、感測器、編碼器、動力電纜及控制電纜。控制系統布局圖如圖2-18所示。

6.鑽機操作間

鑽機操作間是整個鑽井現場的「司令部」,如圖2-19所示。主要組成部分為電氣控制部分和數字化操控界面。除此之外,包含現場多點視頻監控、獨立檢測系統、現場通信裝置等。

操作間實現了集中、智能、舒適、安全操控的功能。電氣控制部分(元件面板)完成回轉、升降轉速、扭矩設定,加桿、擰卸、剎車等啟停及作業流程;數字化界麵包括觸摸屏、顯示屏等,其功能是在各個人機界面中顯示工藝參數及設備運行參數並可進行設定。

7.工作室

除操作間的人機操作界面外,還配有遠程監控工作室,設置了鑽進參數工控機,可實時監視鑽機各個部件的運行狀態及主要的鑽進工藝參數,包括鑽進界面、網路布局、裝置布局、趨勢圖、操作記錄、數據記錄等,不僅可以實時記錄設備運行參數、工藝參數、操作記錄等,而且可以存儲備份並遠程傳輸。

圖2-18 電控系統布局圖

圖2-19 鑽機操作間

8.輔助裝置

為配合頂驅取心鑽進工藝和單吊卡作業的完整流程,配備了液壓吊卡、動力鉗、氣動卡盤三個機械化井口作業專用輔助裝置,以提高作業效率、降低人工勞動強度。

1)液壓吊卡(圖2-20):用於提吊大直徑繩索取心鑽桿加接單根、立根,協助起下鑽作業,可實現自動開合、自動插銷、自動鎖緊。該吊卡獲國家發明專利,專利號:ZL201310367854.9;

2)動力鉗:用於大直徑大扭矩繩索鑽桿自動擰卸的動力裝置;

3)氣動卡盤:用於孔口自動夾持大噸位大直徑繩索鑽桿的裝置(圖2-21)。

圖2-20 液壓吊卡

圖2-21 氣動卡盤

(三)鑽機主要技術參數

KZ30DB、XD-35DB型電動頂驅鑽機主要技術參數見表2-8。

表2-8 KZ30DB、XD-35DB型電動頂驅鑽機主要技術參數

續表

(四)鑽機應用實例

XD35DB型鑽機,於2012年8月～2013年5月,在江西崇仁相山大型鈾礦田為「中國鈾礦地質第一科學深鑽」提供裝備支撐,實現全孔連續取心2818.88m,終孔口徑Ф122mm;創造了國內S114大口徑繩索取心鑽深紀錄。

自2012年7月起,KZ30DB型鑽機用於設計孔深3350m的四川綿陽汶川科學鑽探四號孔(WFSD-4)施工,採用電驅動轉盤鑽進工藝。

④ DJZ型全液壓頂驅鑽機

DJZ2000型全液壓頂驅鑽機由安徽兩淮科力機械製造有限責任公司研製。與傳統轉盤鑽機相比,該頂驅鑽機具有回轉扭矩大、提升能力強、上卸扣加減尺方便、無主動鑽桿、立根鑽進效率更高、處理事故能力強、全液壓操作安全可靠、有過載保護功能、大幅降低工人勞動強度等優點。主要用於地質岩心鑽孔及凍結孔、注漿孔、地熱井和煤層氣孔等工程施工。

(一)鑽機主要結構

DJZ2000全液壓頂驅鑽機以液壓方式驅動,鑽機主要由液壓泵站、液壓操作顯示台、頂部驅動及提引卸扣裝置、液壓卷揚、頂驅導軌及滑車系統、鑽塔等部分組成,如圖2-10所示。

圖2-10 DJZ2000頂驅鑽機系統結構圖

1.頂驅裝置

頂驅裝置主要包括水龍頭、頂驅減速箱、拖車、提引器、卸扣裝置和防松保護接頭。頂驅上部由兩個馬達和減速機輸入扭矩,頂驅裝置通過液壓控制實現換擋。頂驅結構如圖2-11所示。

圖2-11 頂驅裝置結構示意圖

頂驅提引器是頂驅裝置的核心技術之一,結構簡單可靠,操作方便。它可以卡住鑽桿鎖接頭完成提拉、旋轉動作,既可在地面加減小根鑽桿,也可以直接加接立根後進入正常鑽進;用頂驅起鑽後還可完成卸扣動作。

2.液壓卷揚

DJZ2000頂驅鑽機採用JY100型液壓卷揚設備(圖2-12)。該卷揚有四個擋位,卷揚滾筒容繩量300m。液壓行星輪系卷揚可以分別通過卷揚手把和操作台手柄兩種方式控制。使用操作台控制反轉下放鑽桿可進行減壓鑽進。

圖2-12 液壓行星輪系卷揚系統結構圖

3.液壓泵站

液壓泵站的功能是為主機提供液壓動力。液壓泵站主要由液壓油箱、油溫散熱器、蓄能器、皮帶輪、聯軸器、分動箱和負載敏感泵組成。泵站由一台160kW 電動機驅動,通過分動箱分別帶動一個雙聯130/130負載敏感反饋泵、單個130負載敏感反饋泵和一個雙聯齒輪泵。

4.操作台

操作台(圖2-13)上裝有視頻顯示器、轉速表、系統壓力表、濾油報警器等。視頻可對鑽塔二層台上的工作情況進行監控,實現了塔上操作和現場工作狀態視頻化,方便操作人員工作。通過轉速表和回轉系統壓力表數值,可更好了解孔內鑽進時的工況,有效控制鑽進參數。電控比例變數手柄的應用使操作台體積減小,內部接線安裝簡單方便。

圖2-13 DJZ2000鑽機操作台

5.鑽塔

採用四角鑽塔,高28m,承載力80t。

(二)鑽機主要技術參數

DJZ2000型全液壓頂驅鑽機主要技術參數見表2-7。

表2-7 DJZ2000全液壓頂驅鑽機主要技術參數表

(三)鑽機應用實例

2011～2013年,安徽省煤田地質局第三勘探隊曾在陝西省長武煤礦、甘肅核桃峪煤礦使用DJZ2000型全液壓頂驅鑽機完成凍結孔11個,完成總工作量8714m,最深鑽孔深度916m,終孔口徑為Φ130mm,平均鑽探台月效率1600m(無岩心鑽探)。甘肅煤田地質局146隊曾在甘肅海石灣煤礦使用DJZ2000型全液壓頂驅鑽機施工大口徑地面瓦斯抽排井工程,井深700m,鑽井直徑Φ850mm,下入Φ630mm×12mm套管,均取得了良好的使用效果。

⑤ 頂驅的頂驅的優點

作為當前最新的鑽井方式，有許多不同於方鑽桿鑽井的優點。同以前的方法相比，頂部驅動鑽井裝置還有一些特定優點：
1．節省接單根時間
頂部驅動鑽井裝置不使用方鑽桿，不受方鑽桿長度限制，避免了鑽進9米左右接單根的麻煩。取而代之的是利用立柱鑽進，大大節省了接單根的時間，從而節約了鑽井時間。
2． 倒劃眼防止卡鑽
頂部驅動鑽井裝置具有使用28米立柱倒劃眼的能力，可在不增加起鑽時間的前提下，順利地循環和旋轉將鑽具提出井眼。在定向鑽井過程中，可以大幅度地減少起鑽總時間。
3．下鑽劃眼
頂部驅動鑽井裝置具有不解接方鑽桿鑽過砂橋和縮徑點的能力。使用頂部驅動鑽井裝置下鑽時，可在數秒內接好鑽柱，立刻劃眼，從而減少卡鑽的危險。
4． 人員安全
頂部驅動鑽井裝置可減少接單根次數2/3，從而降低了事故發生率。接單根只需要打背鉗。鑽桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至鼠洞，大大減少了人員工作的危險程度。
5． 設備安全
頂部驅動鑽井裝置採用馬達旋轉上扣，上扣平穩，並可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鑽井最大扭矩的設定，使鑽井中出現蹩鑽扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鑽井參數後再正常鑽進，避免設備超負荷長時間運轉。
頂驅的發展、組成元件、性能特點：
多年來，石油鑽井一直是依靠鑽機的轉盤帶動方鑽桿和鑽具、鑽頭旋轉進行鑽井作業的。近年來，隨著鑽井裝備技術的不斷發展，為了更好地滿足鑽特殊工藝井的需要，20世紀80年代，國外研製出一種將水龍頭與馬達相結合，在井架空間的上部帶動鑽具、鑽頭旋轉，並可沿井架內安放的導軌向下送進的鑽井裝置，同時配備了鑽桿的上、卸絲扣裝置，可完成井下鑽柱旋轉、循環鑽井液、鑽桿上卸、起下鑽、邊起下邊轉動等操作。因該裝置在鑽機的游動滑車之下，驅動的位置比原轉盤位置要高，所以稱之為頂部驅動鑽井裝置。頂部驅動鑽井裝置可接立柱（三根鑽桿組成一根立柱）鑽進，省去了轉盤鑽井時接、卸方鑽桿的常規操作，節約鑽井時間20%～25%，同時，減輕了工人勞動強度，減少了操作者的人身事故。使用頂部驅動裝置鑽井時，在起下鑽具的同時可循環鑽井液、轉動鑽具，有利鑽井中井下復雜情況和事故的處理，對深井、特殊工藝井的鑽井施工非常有利。頂部驅動裝置鑽井使鑽機的鑽檯面貌為之一新，為今後實現自動化鑽井創造了條件。
目前國內外的深井鑽機、海洋及淺海石油鑽井平台、施工特殊工藝井的鑽機大多配備了頂部驅動鑽井裝置。1993年，國內開始了頂部驅動裝置的研究工作，1996年完成了頂部驅動裝置樣機的台架試驗。1997年，寶雞石油機械廠生產出了DQ60D型頂部驅動裝置，在塔里木油田鑽井隊使用後現已批量生產。截至2004年我國在用的頂部驅動鑽井裝置大約有150台左右。
頂部驅動鑽井裝置有以下主要部件和附件構成：
l）水龍頭-鑽井馬達總成（關鍵部件之一）；
2）馬達支架/導向滑車總成（關鍵部件之一）；
3）鑽桿上卸扣裝置總成（關鍵部件之一，它是體現頂部驅動鑽井裝置最大優點的設備）；
4）平衡系統；
5）冷卻系統；
6）頂部驅動鑽井裝置控制系統；
7）可選用的附屬設備。
其中水龍頭-鑽井馬達總成包括下述主要部件：
1）鑽井馬達和制動器（氣剎車）
2）齒輪箱（變速箱）；
3）整體水龍頭；
4）平衡器。
頂部驅動鑽井裝的性能特點：
·在鑽井過程中可在任意位置提起鑽具劃眼循環，清洗井眼，有效地避免卡鑽等事故發 生。起下鑽過程中遇卡或遇阻可迅速使頂驅接上鑽具，循環泥漿進行劃眼作業。
·用立根鑽進，減少2/3上卸扣工作量。
·在下套管時，藉助於吊環傾斜機構抓取套管，在上扣時頂驅有扶正作用，可避免亂扣、 錯扣，大大提高下套管速度。
·在憋鑽時，可用剎車機構剎住鑽具，慢慢釋放，防止鑽具迅速反彈，以防損壞鑽具或 脫扣。
·在定向鑽進中，可用剎車機構剎住頂驅主軸，進行定向造斜。
·在井涌、井噴時，在井架內任意高度可迅速關閉內防噴器。
·由於不使用轉盤，提高了井口操作時的安全性。
·藉助於傾斜臂和旋轉頭的作用，井口上卸扣作業和二層台作業的體力勞動強度大大減 輕。
·在穩斜段鑽進時，可隨意提動鑽具，避免岩屑沉積。
·利用立根鑽進，可實現連續長筒取芯達27米。
其結構特點：
·簡便的安裝移運性能。
·具有較大的卸扣能力。
·導軌安裝與拆卸檢修方便，具有互換性能。
·頂驅體可通過過渡環直接與游車連接，減少整個裝置的工作高度。
·液壓控制的旋轉頭裝置，可帶動吊環傾斜機構旋轉360º，並有級鎖緊。
·高強度的齒輪減速傳動。
·鑽井和起下鑽採用不同的負荷通道，延長主軸承的使用壽命。
·背鉗採用四點浮動夾持，提高了背鉗的夾持能力，減少了對鑽具的損傷。
·採用液壓浮動油缸平衡頂驅主體自重，可在上卸扣作業時保護鑽具接頭絲扣。

⑥ 頂部驅動鑽井系統

國外自1982年首台頂部驅動鑽井系統（頂驅）成功地鑽了一口井斜32o井深2981m的定向井之後，得到了迅速發展和廣泛應用。生產頂驅的廠商也由當初的美國、挪威擴展到法國、加拿大等4國7家公司。之後，中國、英國也加入到該裝置的生產行列，實現了鑽機自動化進程的階段性跨越。目前美國、加拿大和挪威等國的頂部驅動裝置的產品已形成系列，並從海洋鑽機推向陸地鑽機（包括斜直井鑽機），從電驅動鑽機推向柴油機驅動鑽機（王洪英等，2005）。

頂部驅動鑽井裝置是當今鑽井裝備中技術含量較高並且復雜的機電液一體化的設備，已成為現代鑽機的重要配置，是21世紀鑽井三大技術裝備之一，全世界僅有少數幾個國家擁有此項技術。頂部驅動鑽井裝置是用以取代轉盤鑽進的新型石油鑽井裝備。與常規旋轉鑽井方式不同，採用頂驅裝置鑽進一次可接入和鑽進一個立根，上卸扣時間減少了三分之二；在起鑽遇阻遇卡時可以迅速接上鑽具，一邊旋轉一邊循環，進行倒劃眼，可以大大減少卡鑽事故。

1.2.1 國外頂部驅動鑽井系統

1.2.1.1 美國National Oilwell Varco公司

美國Varco公司是最早研究開發頂驅的公司之一，先後研究開發了10多種型式頂驅。目前該公司生產的頂驅在世界油田的應用數量占第一位。其中IDS-1型（載荷5000kN）、TDS-4H型（載荷6500kN）、TDS-4S型（載荷7500kN）和TDS-6S型（載荷7500kN）頂驅採用AC-SCR-DC電驅動型、串激或並激DC電動機。TDS-8SA型（載荷6500kN）、TDS-9SA型（載荷4000kN）、TDS-10SA型（載荷2500kN）和TDS-11SA型（載荷5000kN）頂驅均採用AC變頻電機驅動。TDS-9SA型和TDS-11SA/SE型兩種頂驅採用兩台AC非同步電動機驅動，其餘頂驅為一台電機驅動。TDS-11SA型頂驅屬Varco公司最新型號的頂驅，其顯著特點是：體積小、重量輕、搬遷和安裝方便省時（在所在頂驅設備中，Varco頂驅安裝最省時）；液壓系統因完全安放於頂驅本體而使壓力損失較少，系統動作迅速；西門子提供的變頻系統性能穩定，技術成熟，故障率相對較低。因此，Varco公司的TDS-11SA和TDS-9S頂驅在市場上尤其是陸地鑽井市場上具有較高的佔有率；不足之處是由於液壓系統完全位於頂驅本體上，使得液壓系統發生故障時難以排查和解決（李傳華等，2005）。

美國National Oilwell公司原生產PS-350/500，PS-500/650型和PS500/650（雙速）型等3種規格系列頂驅。近兩年又研究開發了PSZ-650/650型（載荷6500kN）和PSZ-750型（載荷6500kN）兩種雙速傳動機構頂驅，並把PS-500/650型頂驅改進為PS-500/500型（載荷5000kN）頂驅；PS-500/650（雙速）型頂驅改為PSZ-500/500型（載荷5000kN）頂驅，保留了PS-350/500型（載荷3500kN）頂驅，組成了5種規格新系列頂驅。

1.2.1.2 美國Boven公司

美國Boven公司公司目前有ES-7和3種型號（TD-120P、TD-250HTP、TD-350P）的中小型系列頂驅。該系列頂驅可用於鑽井，也可用於修井，使用方便。

1.2.1.3 美國BJ公司

美國BJ公司研究開發了AC-SCR-DC電驅動頂驅，額定提升載荷為5000kN。

1.2.1.4 加拿大Tesco公司

加拿大Tesco公司原來生產150MHI型、500HS型、500HC型3種規格液壓驅動頂驅，到1998年1月共生產150多台。由於電驅動頂驅具有更好的鑽井性能和適應性，Tesco公司從1996年開始生產AC變頻電驅動頂驅，採用美國Kaman公司PA44型永磁同步電動機。目前，Tesco公司生產的液壓驅動和電驅動頂驅已經基本上形成了150HMI型（載荷1500kN）、500HC/HCI型（載荷5000kN）、650HC/HCI型（載荷6500kN）、500ECI型（載荷5000kN）和650ECI型（載荷6500kN）等幾種規格的頂驅系列。

1.2.1.5 加拿大Canrig公司

加拿大Canrig公司既生產AC-SCR-DC電驅動頂驅，又生產AC變頻電驅動頂驅。生產的6027E（載荷2500kN）、8035E（載荷5000kN）、1050E（載荷7000kN）、1165E（載荷9000kN）等4種規格頂驅為單速傳動，此外還生產6027E-2SP（載荷2500kN）、6170E-2SP-HELI（載荷2500kN）、1050E-2SP（載荷7000kN）、1165E-2SP型（載荷9000kN）等4種規格雙速傳動頂驅，全部採用AC-SCR-DC電驅動型式。Canrig公司於1998年夏天研究開發了第一台額定載荷為6500kN的AC變頻電驅動頂驅，基本上形成了1500、2750、5000、6500、7500kN等5種規格AC變頻電驅動頂驅系列。

1.2.1.6 挪威MH公司

挪威MH公司生產的PTD-350（載荷3500kN）、PTD-410（載荷4100kN）、PTD-500（載荷5000kN）、DDMY650HY（載荷6500kN）、DDM650HY（750）（載荷6500kN/7500kN）等5種規格頂驅採用液壓驅動，DDM500DC（載荷6500kN）、DDML650L-DC（載荷6500kN）、DDM650DC（750）（載荷6500kN/7500kN）、DDM650DC（載荷5000kN）等4種規格頂驅採用AC-SCR-DC電驅動。

1.2.1.7 法國Acb公司

法國Acb公司研究開發了BRETFOR液壓頂驅，額定靜載荷為5000kN。

1.2.1.8 德國BRR公司

德國BRR公司研究開發了RB130（載荷1700kN）、RB135（載荷1700kN）系列液壓頂驅。

1.2.2 國內頂部驅動鑽井系統

我國於20世紀末開始頂部驅動鑽井系統的研製工作，主要由中國石油勘探開發科學研究院等單位合作先後開發了DQ60D、DQ60P直流電驅動頂驅和DQ30Y液壓頂驅。2003年中國石油勘探開發科學研究院與北京石油機械廠合作研製了我國首台DQ70BS交流變頻頂部驅動鑽井裝置，它代表了國內頂驅最新技術成果和發展方向。

1.2.2.1 北京石油機械廠

北京石油機械廠開發有DQ30Y（載荷1700kN）、DQ40BC（載荷2250kN）、DQ50BC（載荷3150kN）、DQ70BSC（載荷4500kN，圖1.4）、DQ90BSC（載荷6750kN）系列頂驅。DQ30Y是我國開發的第一台液壓頂驅，DQ70BSC和DQ90BSC（表1.9）是交流變頻頂驅。交流變頻頂驅的技術特點：

1）動力水龍頭採用進口交流電動機，交流變頻驅動；

2）動力水龍頭裝置採用進口推力軸承和特殊結構設計，抗鑽柱縱向震動；

3）管子處理裝置的傾斜機構可以前傾、後傾或者360°旋轉，有利於抓取鑽桿以及鑽進時使主軸更靠近鑽檯面，鑽柱使用充分；

4）管子處理裝置採用側置背鉗，背鉗隨吊環轉動；

5）採用了機、電、液、信息一體化的控制技術，自動化程度高。

圖1.4 DQ70BSC頂驅

表1.9 北京石油機械廠交流變頻頂部驅動鑽井裝置主要技術參數

2007年5月中旬，DQ120BSC頂驅（載荷9000kN）被列為國家863計劃，中國石油重大科技專項1.2萬m鑽機配套頂驅裝置（表1.9），在北京石油機械廠通過專家組的設計評審。這意味著我國頂驅技術將再度升級。評審專家認為，「北京石油機械廠完成的DQ120BSC頂驅的設計，充分考慮該頂驅的使用工況，其主要性能指標及整體設計能夠滿足1.2萬m鑽機使用要求。圖紙、工藝、技術規范完整，符合相關標准要求，同意投入樣機試制」。

1.2.2.2 盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司

盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司生產有DQ-40LHTY3（載荷2250kN）、DQ-50LHTY1（載荷3150kN）、DQ-70LHTY1（載荷4500kN，圖1.5）系列頂驅產品。性能特點：①機電液一體化的控制技術，變頻器交流輸出參數與電機的特性要求相匹配，PLC程序可根據用戶要求進行設計，具有監控、報警、自我診斷、保護和互鎖功能，更加符合鑽井工況。②交流變頻電機實現無級調速，採用全疊片硬繞組結構，傳動功率大，抗過載能力強。③採用雙負荷通道，即鑽進時減速箱軸承承載，在起下鑽時回轉頭軸承承載，提高了軸承、主軸的使用壽命和抗鑽柱縱向震動能力。④回轉頭只用兩個油道給傾斜油缸供油，實現吊環的前傾和後擺，而且每個油道均為雙密封，預防泄漏事故發生，提高了設備使用的可靠性；在起、下鑽時允許回轉頭隨鑽具旋轉，方便事故處理。⑤採用插入式內套結構，背鉗與IBOP油缸不隨回轉頭轉動，結構簡單。⑥專利技術的傾擺式對夾背鉗，夾緊力矩大，夾持可靠，便於保護接頭、鉗牙等易損件的更換。⑦主液壓泵在鑽進和定向過程中可以關閉，泵的使用壽命提高。即使液壓系統停止工作，也可進行鑽進、劃眼和起下鑽作業。⑧集成式液壓系統連同油箱集成於頂驅本體之上，系統發熱量低，安裝便利。⑨專利技術的新型單導軌，採用單銷和鎖口機構，安裝拆卸簡單快速。

圖1.5 DQ-70LHTY1頂驅

⑦ 頂部驅動裝置原理

什麼是頂部驅動鑽井系統？編輯

所謂的頂驅，就是可以直接從井架空間上部直接旋轉鑽柱，並沿井架內專用導軌向下送進，完成鑽柱旋轉鑽進，循環鑽井液、接單根、上卸扣和倒劃眼等多種鑽井操作的鑽井機械設備。
見圖：它主要有三個部分組成：導向滑車總成、水龍頭-鑽井馬達總成和鑽桿上卸扣裝置總成。
該系統是當前鑽井設備自動化發展更新的突出階段成果之一。經實踐證明：這種系統可節省鑽井時間20%到30%，並可預防卡鑽事故，用於鑽高難度的定向井時經濟效果尤為顯著。

3頂部驅動系統的研製過程：編輯
1、鑽井自動化進程推動了頂部驅動鑽井法的誕生。
二十世紀初期，美國首先使用旋轉鑽井法獲得成功，此種方法較頓鑽方法是一種歷史性的飛躍，據統計，美國有63%的石油井是用旋轉法鑽井打成的。
但在延續百多年的轉盤鑽井方式中，有兩個突出的矛盾未能得到有效的解決：其一、起下鑽時不能及時實現循環旋轉的功能，遇上復雜地層或是岩屑沉澱，往往造成卡鑽。其二、方鑽桿的長度限制了鑽進的深度（每次只能接單根），降低了效率，增加了勞動的強度，降低了安全系數。
二十世紀七十年代，出現了動力水龍頭，改革了驅動的方式，在相當的程度上改善了工人的操作條件，加快了鑽井的速度以及同期出現的「鐵鑽工」裝置、液氣大鉗等等，局部解決了鑽桿位移、連接等問題，但遠沒有達到石油工人盼望的理想程度。

TDS-3SB
二十世紀八十年代，美國首先研製了頂部驅動鑽井系統TDS-3S投入石油鑽井的生產。80年代末期新式高扭矩馬達的出現為頂驅注入了新的血液和活力。TDS—3H、TDS—4應運而生，直至後來的TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB。
二十世紀九十年代研製的IDS型整體式頂部驅動鑽井裝置，用緊湊的行星齒輪驅動，才形成了真正意義上的頂驅，既有TDS到IDS，由頂部驅動鑽井裝置到整體式頂部驅動鑽井裝置，實現了歷史性的飛躍。
2、挪威DDM-HY-650型頂部驅動鑽井裝置：
最大載荷6500kN，液壓驅動，工作扭矩為55kN.m，工作時最大扭矩為63.5kN.m，工作轉速為130—230r/min，液壓動力壓力為33MPa，排量1600L/min，水龍頭吊環到吊卡上平面的距離為6.79米，質量17噸。
3、加拿大8035E頂部驅動鑽井裝置：
額定鑽井深度5000米，額定載荷3500kN，輸出功率670kW，最大連續扭矩33.10kN.m，最高轉速200r/min，質量為8.6噸。最低井架高度要求39米。
4、美國ES-7型頂部驅動鑽井系統：
採用25kW直流電機驅動鑽柱，連續旋轉扭矩34.5kN.m，間歇運轉扭矩41.5kN.m，額定載荷5000kN，最高轉速300r/min，鑽井液壓力35.1MPa，系統總高7.01米，質量8.1噸。
5、國產DQ-60D型頂部驅動鑽井裝置。
額定鑽井深度6000m，最大鉤載4500kN，動力水龍頭最大扭矩40kN.m，轉速范圍0—183r/min，無級調速；直流電機最大輸出功率940kw；傾斜臂最大傾斜角，前傾30°，後傾15°；回轉半徑1350mm；最大卸扣扭矩80kN.m；上卸扣裝置夾持鑽桿的范圍Ø89—Ø216mm（3½—8½ in）。

4頂部驅動鑽井裝置的結構：編輯
（一）、 頂部驅動鑽井裝置主要有以下部件和附件組成:
1、水龍頭－－鑽井馬達總成（關鍵部件）；
2、馬達支架/導向滑車總成（關鍵部件）；
3、鑽桿上卸扣總成（體現最大優點的部件）；
4、平衡系統；
5、冷卻系統；
6、頂部驅動鑽井裝置控制系統；
7、可選用的附屬設備。
頂部驅動鑽井裝置的主體部件，主要包括：
1、鑽井馬達；
2、齒輪箱；
3、整體水龍頭；
4、平衡器。
鑽井馬達的冷卻系統：
馬達的冷卻為風冷。
1、近距離安裝鼓風機
2、加高進氣口的近距離安裝鼓風機
3、遠距離安裝鼓風機近距離就是近距離向馬達提供冷卻風，取風高度在馬達行程最低點距離鑽台6米以上。
遠距離安裝鼓風機：
在不能保證提供安全冷卻空氣的情況下，例如：井架為密閉式的即可採用直徑8in軟管冷卻系統，且鼓風機馬達為40hp（比近距離安裝提高了一倍），馬達安在二層平台，從井架外吸進空氣，增加的馬力用於驅使空氣流過較長的進氣軟管。
（二）、導向滑車總成
整個導向滑車總成沿著導軌與游車導向滑車一起運動。當鑽井馬達處於排放立根的位置上時，導向滑車則可作為馬達的支撐梁。導軌有單軌和雙軌兩種。
（三）、鑽桿上卸扣裝置
主要組成部件：
1、扭矩扳手
2、內防噴器和啟動器
3、吊環連接器和限扭器
4、吊環傾斜裝置
5、旋轉頭
扭矩扳手總成提供鑽桿的上卸扣的手段。他位於內防噴器下部的保護接頭一側，他有兩個液缸在扭矩管和下鉗頭之間。
鉗頭有一直徑為10in的夾緊活塞，用以夾持與保護接頭相連接的鑽桿母扣。范圍：3½in--7⅜in。
鑽桿上卸扣裝置另有兩個緩沖液缸，類似大鉤彈簧，可提供絲扣補償行程125mm。
內防噴器是全尺寸、內開口、球型安全閥式的。帶花鍵的遠控上部內防噴器和手動的下部內防噴器形成井控防噴系統，內防噴器採用6⅝in正規扣，工作壓力為105MPa。
吊環傾斜裝置：
有兩種功用：
1、吊鼠洞中的單根。
2、接立柱時，不用井架工在二層台上將大鉤拉靠到二層台上。若行程1.3米的傾斜裝置不能滿足要求則可選擇2.9米的長行程吊環傾斜裝置。
平衡系統的主要作用是防止上卸接頭扣時螺紋的損壞，其次在卸扣時可幫助公扣接頭從母扣接頭中彈出，這依賴於它為頂部驅動鑽井裝置提供了一個類似於大鉤的152 毫米的減震沖程。是因為使用頂部驅動鑽井裝置後沒有再安裝大鉤了；退一步說，即使裝有大鉤，它的彈簧也將由於頂部驅動鑽井裝置的重量而吊長，起不了緩沖作用。

5頂部驅動裝置操作過程編輯
接立根鑽進
接立根鑽進是頂部驅動鑽井裝置普遍採用的方式。採用立根鑽進方法很多。對鑽從式井的軌道鑽機和可帶立根運移的鑽機，鑽桿立根可立在井架上不動，留待下一口井接立根鑽進使用。若沒有立根，推薦兩種接立根方法：一是下鑽時留下一些立根豎在井架上不動，接單根下鑽到底，用留下的立根鑽完鑽頭進尺；二是在鑽進期間或休閑時，在小鼠洞內接立根。為安全起見，小鼠洞最好垂直，以保證在垂直平面內對扣，簡化接扣程序。還應當注意接頭只要旋進鑽柱母扣即可，因為頂部驅動鑽井鑽井馬達還要施加緊扣扭矩上接頭。
接單根鑽進
通常在兩種情況需要接單根鑽進。一種是新開鑽井，井架中沒有接好的立根；另一種是利用井下馬達造斜時每9．4 m必須測一次斜。吊環傾斜裝置將吊卡推向小鼠洞提起單根，從而保證了接單根的安全，提高了接單根鑽進的效率。接單根鑽進程序如下：
1 鑽完單根坐放卡瓦於鑽柱上，停止泥漿循環(圖a)；
2 用鑽桿上卸扣裝置上的扭矩扳手卸開保護接頭與鑽桿的連接扣；
3 用鑽井馬達旋扣；
4 提升頂部驅動鑽井裝置。提升前打開鑽桿吊卡，以便讓吊卡通過卡瓦中的母接箍(圖b)；
5 起動吊環傾斜裝置，使吊卡擺至鼠洞單根上，扣好吊卡；
6 提單根出鼠洞。當單根公扣露出鼠洞後，關閉起動器使單根擺至井眼中心(圖c)；
7 對好鑽檯面的接扣，下放頂部驅動鑽井裝置，使單根底部進入插入引鞋(圖d)；
8 用鑽井馬達旋扣和緊扣，打背鉗承受反扭矩；
起下鑽操作
起下鑽仍採用常規方法。為提高井架工扣吊卡的能力和減少起下鑽時間，可以使用吊環傾斜裝置使吊卡靠近井架工。吊環傾斜裝置有一個中停機構，通過它可調節吊卡距二層台的距離，便於井架工操作。
打開旋轉鎖定機構和旋轉鑽桿上卸扣裝置可使吊卡開口定在任一方向。如鑽柱旋轉，吊卡將回到原定位置。起鑽中遇到縮徑或鍵槽卡鑽，鑽井馬達可在井架任一高度同立根相接，立即建立循環和旋轉活動鑽具，使鑽具通過卡點。
倒劃眼操作
1、使用頂部驅動鑽井裝置倒劃眼
可以利用頂部驅動鑽井裝置倒劃眼，從而防止鑽桿粘卡和破壞井下鍵槽。倒劃眼並不影響正常起鑽排放立根，即不必卸單根。
2、倒劃眼起升程序
倒劃眼起升步驟如下(參見下圖)：
1) 在循環和旋轉時提升游車，直至提出的鑽柱第三個接頭時停止泥漿循環和旋轉(圖a)，即已起升提出一個立根；
2) 鑽工坐放卡瓦於鑽柱上，把鑽柱卡在簡易轉盤中；
3) 從鑽檯面上卸開立根，用鑽井馬達旋扣(倒車扣)；
4) 用扭矩扳手卸開立根上部與馬達的連接扣，這時只有頂部驅動鑽井裝置吊卡卡住立根。在鑽台上打好背鉗，用鑽井馬達旋扣（圖b）；
5) 用鑽桿吊卡提起自由立根(圖c)；
6) 將立根排放在鑽桿盒中(圖d)；
7) 放下游車和頂部驅動鑽井裝置到鑽台(圖e)；
8) 將鑽井馬達下部的公接頭插入鑽柱母扣，用鑽井馬達旋扣和緊扣。稍微施加一點卡瓦力，則鑽桿上卸扣裝置的扭矩扳手就可用於緊扣；
9) 恢復循環，提卡瓦，起升和旋轉轉柱，繼續倒劃眼起升。
一、下管套
頂部驅動鑽井裝置配用500～750 t吊環和足夠額定提升能力的游動滑車，就能進行額定重量500～650 t的下套管作業。為留有足夠的空間裝水龍頭，必須使用4．6 m的長吊環。
將一段泥漿軟管線同鑽桿上卸扣裝置保護接頭相連，下套管過程中可控制遠控內防噴器的開啟與關閉，實現套管的灌漿。
如果需要，也可使用懸掛在頂部驅動鑽井裝置外側的游動滑車和大鉤，配用Varco BJ規定吊卡和適當的游動設備，按常規方法下套管。頂部驅動鑽井裝置起下套管裝置如圖3—5所示。

6頂部驅動鑽井裝置的優越性編輯
1、節省接單根時間。頂部驅動鑽井裝置不使用方鑽桿，不受方鑽桿長度的限制也就避免了鑽進9米左右接一個單根的麻煩。取而帶之的是利用立根鑽進，這樣就大大減少了接單的時間。按常規鑽井接一個單根用3—4min計算，鑽進1000米就可以節省4-5h。
2、倒劃眼防止卡鑽。由於不用接方鑽桿就可以循環和旋轉，所以在不增加起下 鑽時間的前提下，頂部驅動鑽井裝置就能夠非常順利的將鑽具起出井眼，在定向鑽井中，這種功能可以節約大量的時間和降低事故發生的機率。
3、下鑽劃眼。頂部驅動鑽井裝置具有不接方鑽桿鑽過砂橋和縮徑點的能力。
4、節省定向鑽進時間。該裝置可以通過28米立根鑽進、循環，這樣就相應的減少了井下馬達定向的時間。
5、人員安全。頂部驅動鑽井裝置，是鑽井機械操作自動化的標志性產品，終於將鑽井工人從繁重的體力勞動中解救出來。接單根的次數減少了2/3，並且由於其自動化的程度高，從而大大減少了作業者工作的危險程度，進而大大降低了事故的發生率。
6、井下安全。在起下鑽遇阻、遇卡時，管子處理裝置可以在任何位置相連，開泵循環，進行立根劃眼作業。
7、設備安全。頂部驅動鑽井裝置採用馬達旋轉上扣，操作動作平穩、可以從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣過贏或不足。最大扭矩的設定，使鑽井中出現憋鑽扭矩超過設定范圍時馬達就會自動停止旋轉，待調整鑽井參數後再進行鑽進。這樣就避免了設備長時間超負荷運轉，增加了使用壽命。
8、井控安全。該裝置可以在井架的任何位置鑽具的對接，數秒鍾內恢復循環，雙內防噴器可安全控制鑽柱內壓力。
9、便於維修。鑽井馬達清晰可見。熟練的現場人員約12小時就能將其組裝和拆卸。
10、使用常規的水龍頭部件。頂部驅動裝置可使用650噸常規水龍頭的一些部件，特殊設計後維修難度沒有增加。
11、下套管。頂部驅動鑽井裝置的提升能力很大（650噸），在套管和主軸之間加一個轉換頭（大小頭）就可以在套管中進行壓力循環。套管可以旋轉和循環入井，從而減少縮徑井段的摩阻力。
12、取心。能夠連續鑽進28米，取心中間不需接單根。這樣可以提高取心收獲率，減少起鑽的次數與傳統的取心作業相比它的優點明顯。污染小、質量高。
13、使用靈活。可以下入各種井下作業工具、完井工具和其他設備，即可以正轉又可以反轉。
14、節約泥漿。在上部內防噴器內接有泥漿截流閥，在接單根時保證泥漿不會外溢。
15、拆卸方便。工作需要時不必將它從導軌上移下就可以拆下其他設備。
16、內防噴器功能。起鑽時如果有井噴的跡象即可由司鑽遙控鑽桿上卸扣裝置，迅速實現水龍頭與鑽桿的連接，循環鑽井液，避免事故的發生。
17、其他優點：採用交流電機驅動，減低維修保養費用；特別適用於定向井和水平井，因為立根鑽進能使鑽桿盡快的通過水平井段的一些橫向截面。

7頂驅鑽井裝置與常規鑽井設備的比較編輯
鑽井效率明顯提高。
A、從鑽井到起下鑽或從起下鑽恢復鑽進狀態，該裝置不存在常規鑽機的上、卸水龍頭和方鑽桿所造成的時間損失。
B、不存在常規鑽機轉盤方補心蹦出所造成的停工。
C、不用鑽鼠洞。
D、立根鑽進，從而減少了常規鑽井接單根上提鑽柱需從新定工具面角的時間。
E、在井下純作業時間增多，上扣、起下鑽、測量和其他非純鑽進時間減少。
立柱鑽進節省了大量的時間
A、減少了坍塌頁岩層擴眼或清洗井底的時間。
B、在井徑不足需擴眼或首次下入足尺寸穩定器進行擴眼時減少了鑽進時間。
C、在同一平台鑽叢式井，不用甩鑽具或卸立柱。
D、不需要接單根就能夠回收最大長度的岩心。
E、定向鑽井時，減少了定向時間。
連續旋轉和循環降低了風險。
A、連續的旋轉和循環是頂部驅動鑽井裝置的重要特徵。
B、頂部驅動鑽井裝置允許使用少量的、比較便宜的潤滑劑、鑽井液或添加劑。
c、減少了鑽柱或昂貴的井下工具卡鑽的幾率。
有利於井控。
A、任何時間和位置的於鑽柱對接。
B、隨時可以進行的循環和旋轉。
C、減少鑽柱被卡後，上卸方鑽桿的危險作業程序。
安全性提高。
A、減少了使用大鉗和貓頭等，降低了鑽井工人作業危險。
B、減少許多笨重的工作，提高了起升重鑽具的安全性。
C、自動吊卡，消除了人工操作吊卡的事故隱患。
D、井控安全性得到大大提高。
E、遙控防噴盒，防止泥漿濺落到鑽台上，增加了工作的安全性。
作業時間的比較
起下鑽

非生產

純鑽進

典型鑽井的作業時間分配

30%

40%

30%

頂部驅動鑽井裝置鑽井時間分配

25%

35%

40%

水平井費用比較
項 目

轉盤/方鑽桿

頂驅裝置

日成本，美元

40800

43000

測深，M

2000

2000

機械鑽速， m/h

30

30

日進尺

240

288

鑽2000m所需天數

8.3

6.9

單井成本，美圓

338640

296700

單井用頂驅節約，美圓

41940

8口井用頂驅節約，美圓

335120

8維護保養以及操作注意事項編輯
強電系統
1)、防塵、防潮是最主要的兩條。SCR主控櫃、綜合櫃在尚未置放在空調房前必須注意防潮、防塵，並且
不能在溫度過高(45°C以上)、過低(一10℃以下)的環境中工作。放置一段時間重新啟用前，須用吸塵器將元件積存的塵埃除去，然後用電吹風將元件烘乾，最後須測絕緣電阻值，至少在1MΩ以上，一般應在5MΩ以上。只有在進行了以上步驟以後，方可啟動SCR。
2)、一定要先啟動鼓風電機，然後選擇主電機的轉向。再給定額定電流值(即額定鑽井扭矩值)，最後開動主電機，即給出一個電壓值(轉速值)。
3)、一般說來應先啟動冷卻風機及合上勵磁開關後再合主開關。如先合主開關，那就該盡快合上勵磁關。
4)、運行中要隨時注意觀察電流大小(PLC操作櫃上的扭矩表反映出主電機工作電流的大小)。
5)、各部分電纜應連接牢靠，焊接部位不應有虛焊現象。
6)、由於光線照射及空氣的氧化作用，電纜會發生老化現象，使用二年以後應注意觀察有無裂開、剝落老化現象，一般說，使用四年後應更換電纜。
弱電控制系統
1)、PLC櫃、操作櫃均為正壓防爆系統，要配備動三大件，保證空氣的乾燥、清潔，不含易燃、易爆危險氣體。
2)、使用操作櫃時應先合上電源開關，再打開操作櫃開關，最後打開PLC開關，停止操作時先關PLC，再關操作櫃，最後關電源櫃。
3)、PLC櫃操作櫃也應注意防潮防塵，但因其具有防爆結構，相應地防潮防塵能力也較強。
主電機
1)、吸風口應朝下，防止雨水進入。
2)、主電機外殼不應承受本身重量以外的負荷。
3)、由於主電機停止轉動，加熱器即自動加熱，當長期不用時應關掉加熱電路。
4)、電樞及勵磁部分的絕緣電阻應大於1MΩ，當小於0．8MΩ時必須先烘乾再工作。
5)、主電機軸伸錐度、粗糙度、接觸斑點均應符合要求。
6)、由於泥漿管路從電機中心穿過，故在密封要求上必須嚴格。
7)、正常鑽井時，每天應在主軸承部位加潤滑脂。
液壓系統
1)、油箱的液位不低於250mm，油溫不高於80℃。
2)、過濾器應定期更換濾芯(3月至6月)，具有發訊裝置 的過濾器更應勤清洗和制訂相應的更換措施。
3)、液壓油必須干凈，在使用三個月以後應更換。
4)、開泵前，吸油口閘閥一定要打開，出口管應與系統連起來。
5)、管路連接一定要可靠，注意各部位組合墊。o形圈不要遺忘，在不經常拆卸的螺紋處可以使用密封膠。
6)、濾芯應經常清洗，半年應重新更換濾芯，二年至三年應更換高壓膠管。
7)、要防止在拆裝、搬運、加油、修理過程中外界 污染物進入系統。
8)、液壓源的溢流閥應調整至略高於泵的壓力限定值，一般地不要在無油流輸出情況下啟動泵。
本體部分：
減速箱是一個傳遞動力和運動的重要部件，潤滑油應經常更換(三個月至半年)，油麵應保持一定高度，初次裝配需經充分空運轉跑合，出廠前應更換為干凈的潤滑油。減速箱內裝有鉑電阻溫度感測器，箱體外裝有溫度變送器，用來監視潤滑油的溫度，現已調整為75℃，超過此溫度，PLC操作櫃相應的紅燈將顯示，並有聲報警。
兩個防噴器（手動、液動各一個）均應密封可靠，試壓在50Mpa以上。正常情況下當主軸轉動時，不得操作內防噴器，只有發生井噴井涌時才操作，使之關閉。起下鑽時為節省鑽井液的消耗，應將內防噴器關閉，開鑽前一定要先打開內防噴器，再開鑽井泵。
上卸扣機構應根據鑽桿的尺寸選擇相應牙板，各油缸之間的協調動作藉助於減壓閥、順序閥來調整。
上卸扣機構與回轉頭相連的鏈條長度應調整合適，略微鬆弛一些，可起到安全的作用。