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第四章顶驱钻井系统
一、概述（机自）
顶驱钻井系统（TopDriveDrillingSystem）或简称顶驱系统（TopDriveSystem-TDS）。
1.什么是顶部驱动钻井装置
顶驱是从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣等多种钻井操作，参见图4-1。
主要由三部分组成：导向滑车总成、水龙头一马达总成、钻杆上卸扣装置总成。
图4-1顶部驱动钻井系统

2.思路
转盘＋水龙头—→动力水龙头
3.顶驱钻井系统是80年代以来钻井设备发展的四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）
4.顶驱发展
第一台顶驱82年问世，由美国Varco公司研制。
后来，法国、挪威、加拿大、中国相继研制了顶驱。
5．驱动型式有两种
（1）液马达驱动
（2）电动机驱动
①AC-SCR-DC顶驱动
80年代，电驱广泛用AC-SCR-DC驱动。
②AC变频f顶驱
80年代中，挪威将AC-SCR-DC改成AC变频顶驱。
之后，美国（Varco公司）、挪威（MH公司）、加拿大（Tesco公司和CANRIG公司）等研制了AC变频顶驱。
90年代，AC变频顶驱占了主导地位。
中国：有液压、AC-SCR-DC驱动顶驱，尚无AC—AC变频顶驱。
二、顶驱钻井特点
立根（28m）钻进，节省2/3接单根时间。
（转盘钻以单根加长钻杆，以立根钻进井架不需加高。）
可随时压井（任意高度需循环井液，水龙头可立即接上），减少卡钻事故。
实现：倒划眼起钻（钻头取不出时，边转边提）；
实现：划眼下钻（钻头下不去时，边转边放）。
（4）立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达的造斜方位。
（5）钻杆上卸扣操作机械化。（液马达在顶部）
（6）立根钻进，提高取岩心质量。
三、顶驱系统组成
组成:钻井马达-水龙头总成、上卸扣装置和导轨-导向滑车总成。
仅动力有别，其他无本质区别：
液马达顶驱—液马达；
AC-SCR-DC顶驱—DC电机；
AC变频顶驱—AC电机。
1.钻井马达-水龙头总成
顶驱的主体。（典型结构示于图4-2。它是Varco公司额定载荷6500kN的TDS-3S型顶驱钻井马达-水龙头总成。）
由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。
（1）马达：用并激DC马达，立式驱动主轴。
（2）水龙头：额定载荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致。
（3）气动刹车：在马达轴上端，快速制动。
（4）减速箱：马达轴下有小齿轮（Z=18），与主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻柱。
TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，减速比5.331。
（5）主轴：即水龙头的中心管。
（6）润滑系统
TDS-3S顶驱的油润滑系统（图4-3），油泵强制润滑。
（7）钻井马达冷却系统
马达冷却系统为风冷。图4-4为冷却系统的总体安排。
①近距离安装鼓风机
基本的马达冷却系统（看图4-5）,向钻井马达提供近距离的冷却风。
②加高进气口的近距离安装鼓风机（图4-5）
③远距离鼓风机冷却系统（图4-6）
安装在井架上的远距离鼓风机，通过软管输送。

图4-2水龙头—钻井马达总成
图4-3顶驱水龙头—马达总成油润滑图

图4-4钻井马达
冷却系统

图4-5加高进气口的近距离冷却系统

图4-6远距离鼓风机冷却系统
2.导轨—导向滑车总成
钻井马达导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。它由导向滑车框架和马达支架两部分组成。
①导轨：装在井架内
②导向滑车：由马达底座和框架组成。
③作用：对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用。
80年代为双导轨，90年代改为单导轨。

图4-7马达支架和导向滑车总成
3.上扣卸扣装置（Pipehander）
钻杆上卸扣装置如图4-8所示。
主要：由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构、保护接头和扭矩扳手组成。（可参见Varco公司的TDS-8S交流变频顶驱系统结构图。）

图4-8650吨钻杆上卸扣装置总成

650/750/
1000Ton
1200HP

TDS-8S(AC)

（1）液控扭矩扳手
用处：卸扣。
原理：由液缸驱动夹持爪先夹紧（横向夹紧活塞）钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩筒（扭矩扳手上卸扣期间，上升扳手使扭矩管上的母花键同上部内防喷器下方的公花键相啃合，为液缸提供反扭矩。），转动保护接头及主轴松扣，然后启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作。（扭矩液缸84KN-m；可旋转25°。）
结合图4-10分析。
图4-9扭矩扳手总成
（2）内防喷器及启动器
内防喷器（图4-10）是球型安全阀。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器，形成内井控防喷系统。
远控上部内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分。当上卸