□ 張洪生 □ 路 通 □ 曹立宏

蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

20世紀80年代以來，頂部驅(qū)動鉆井裝置逐步發(fā)展成為了世界石油采鉆行業(yè)前沿技術(shù)之一。頂驅(qū)裝置的出現(xiàn)對鉆井技術(shù)的進步有巨大的影響,成為深井、復雜井鉆井以及出國鉆井作業(yè)的必配設(shè)備之一。而頂驅(qū)裝置憑借優(yōu)越的性能、適用范圍極廣的特點，從2 000 m到12 000 m的井深都可以使用頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代社會對石油需求不斷增加，如今石油天然氣能源的開采呈現(xiàn)向陸地深層和深海發(fā)展的趨勢，因此頂驅(qū)技術(shù)的開發(fā)和研究，對復雜地質(zhì)條件下的油氣田勘探開發(fā)具有非常深遠的影響。

1 頂部驅(qū)動鉆井裝置結(jié)構(gòu)

9 000 m頂部驅(qū)動鉆井裝置主要由以下部分組成：水龍頭-鉆井馬達總成（關(guān)鍵部件）；導向滑車總成（關(guān)鍵部件）；管子處理裝置總成 （體現(xiàn)最大優(yōu)點的部件）；平衡系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；頂部驅(qū)動鉆井裝置控制系統(tǒng)；可選用的附屬設(shè)備［1］。其主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)參數(shù)

名義鉆井深度：9 000 m（114 mm鉆桿）；最大載荷：6 750 kN（750 t）；

▲圖1 頂部驅(qū)動鉆井裝置結(jié)構(gòu)

連續(xù)鉆井扭矩：70 kN·m；

最大卸扣扭矩：125 kN·m；

轉(zhuǎn)速范圍：0～200 r/min

背鉗夾持鉆桿范圍：86～216 mm；

額定功率：500 kW×2（兩臺交流電機）；

電源電壓：600 V/AC；

3 總體方案設(shè)計

目前，頂驅(qū)在國內(nèi)外的應用已經(jīng)達到一定范圍，頂驅(qū)技術(shù)也經(jīng)過了數(shù)次更新。每個品牌的頂驅(qū)都有各自的技術(shù)優(yōu)勢。通過對以往國內(nèi)外頂驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)和使用情況的分析，對當前應用最多的各個頂驅(qū)優(yōu)缺點進行比較，提出最優(yōu)設(shè)計方案。

3.1 水龍頭-鉆井馬達總成

水龍頭-鉆井馬達總成是頂部驅(qū)動鉆井裝置的主體部件，由水龍頭、馬達和減速箱組成。

3.1.1 馬達（電機）選擇

根據(jù)頂部驅(qū)動裝置的驅(qū)動形式區(qū)分，目前市場上在用的和正在生產(chǎn)的頂驅(qū)，有液壓驅(qū)動和電驅(qū)動兩大類型。在電驅(qū)動頂驅(qū)中，又可分為直流（AC-SCR-DC）電驅(qū)動和交流變頻（AC-SCR-AC）電驅(qū)動兩種形式［2］。在交流變頻電驅(qū)動中，根據(jù)電機類型又可分為交流變頻感應電動機驅(qū)動和交流變頻永磁電動機驅(qū)動兩種形式。實際上可以分為4種驅(qū)動形式的頂驅(qū)，見表1。

表1 4種驅(qū)動形式的優(yōu)缺點

相比較而言，交流頂驅(qū)在性能上的優(yōu)點是：1）更高的扭矩范圍和更寬的轉(zhuǎn)速范圍；2）維護費用低；3）零轉(zhuǎn)速時的扭矩高，且可以有效制動；4）安全性好；5）更小的整體尺寸和更輕的重量；6）精確的速度和扭矩控制。

由于國內(nèi)永磁電機方面的技術(shù)還不能滿足頂驅(qū)應用要求，并且目前頂驅(qū)的主流應用還是以交流 （ACSCR-AC）變頻感應電動機驅(qū)動形式為主，因此，選用以交流變頻感應電動機驅(qū)動形式的頂驅(qū)。

3.1.2 計算

鉆井深度：9 000 m，即L=9 000 m；選用7 in鉆頭鉆進。

1） 鉆頭破碎巖石需要的功率 N1［3］：

式中 ：K為摩阻因數(shù)，取0.15；n為轉(zhuǎn)速，取200 r/min；D頭為鉆頭直徑，取17.8cm；W為鉆壓，取28 t。

由式（1）得：

2）旋轉(zhuǎn)鉆桿所需功率N2：

式中：γ為泥漿密度；L為鉆柱長度，取9 000 m；n 為動力輸出軸轉(zhuǎn)速，取 200 r/min；L′=9 km。

由式（2）、（3）得：

3）電機所需總功率N總：

式中：KN為功率儲備系數(shù)，取1.2。

由式（4）得：

該功率即為所選電機功率。參考國內(nèi)DQ70系列頂驅(qū)電機功率值，選定兩臺電機功率均為500 kW，相對輸出軸來說，即總功率為1 000 kW。

3.1.3 水龍頭總成設(shè)計

水龍頭總成集合了轉(zhuǎn)盤鉆井裝置中的幾個功能，其中的沖管總成是整個頂驅(qū)靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分的一個連接件。通過水龍頭總成的泥漿通道，可以在鉆進過程中注入泥漿至鉆柱內(nèi)。水龍頭總成的主止推軸承位于變速箱內(nèi)部的大齒圈上方，上部臺階坐在主止推軸承上，可以支撐鉆柱負荷。主軸和鵝頸管之間有一個沖管總成，用來完成靜部和動部的連接。沖管總成外部有支承座，把鵝頸管的重量傳遞給齒輪箱箱體。鋼質(zhì)的水龍頭提環(huán)連接在頂驅(qū)本體上，可以使水龍頭相對變速箱垂直移動。這種布置使主要部件的受力最小化，由箱體承載并傳遞給井架，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

水龍頭總成屬于標準的成型產(chǎn)品，國內(nèi)外都有廠家對此進行單獨開發(fā)和制造。本設(shè)計中，為使設(shè)備具有更好的通用性，使用通用的水龍頭總成。水龍頭總成結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示［4］。

3.1.4 減速箱設(shè)計

為獲得大扭矩，頂驅(qū)裝置一般都有減速（變速）箱裝置，采用單速或雙速齒輪傳動。較早的頂驅(qū)裝置采用直齒圓柱齒輪傳動，目前國外大多數(shù) 500 t以上頂驅(qū)采用噪聲小，使用壽命長的斜齒輪傳動。

▲圖2 水龍頭總成結(jié)構(gòu)圖

TDS-11SA頂驅(qū)傳動箱和水龍頭總成內(nèi)部是單級雙減速齒輪系統(tǒng)，從電機到主軸的減速比為10.5∶1。軸承和齒輪由一個安裝在箱體上的油泵強制潤滑。一個低速液壓馬達驅(qū)動油泵，過濾后的潤滑油通過主支撐軸承、扶正軸承、小齒輪和復合齒輪軸承及齒輪的齒面連續(xù)循環(huán)。油熱交換是空冷式，傳動箱上安裝有油位指示器可監(jiān)視油面高度。

IDS-1頂驅(qū)傳動箱和水龍頭總成內(nèi)部是行星齒輪減速系統(tǒng)，從電機到主軸的減速比為 6.0∶1。而CANRIG 1050E頂驅(qū)除了一個雙級減速系統(tǒng)外，還有一套增扭器裝置，用于上卸扣時增加輔助的扭矩。軸承和齒輪的潤滑采用浸入和飛濺方式。

DQ70BS頂驅(qū)傳動箱和水龍頭總成內(nèi)部是二級齒輪減速系統(tǒng)，傳動比大（10.5∶1），兩對齒輪均為斜齒輪，硬齒面，傳遞扭矩大，噪聲小，以適應崩扣時大扭矩的要求。所有軸承均采用SKF軸承，抗振動沖擊。潤滑系統(tǒng)采用擺線齒輪油泵強制潤滑，由一個主電機輸出軸驅(qū)動，正反轉(zhuǎn)都可輸出潤滑油［5］［6］。

本設(shè)計采用展開式二級減速斜齒輪系統(tǒng)，使傳動更加平穩(wěn)，而且，此減速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于維護和修理。減速系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

▲圖3 減速箱示意圖

3.2 管子處理裝置總成

管子處理機主要用來取送鉆桿和進行上卸扣作業(yè)，它可以在任意位置通過液壓馬達實現(xiàn)上卸扣功能，管子處理機最能體現(xiàn)出頂驅(qū)鉆機的先進性與優(yōu)越性。管子處理機裝置為鉆桿鉆進作業(yè)服務，是頂驅(qū)裝置的重要組成部分。它由旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、背鉗、吊環(huán)取送機構(gòu)等組成。

本文主要研討確定管子處理裝置核心部件背鉗的結(jié)構(gòu)，結(jié)合目前國內(nèi)外頂驅(qū)裝置采用的背鉗產(chǎn)品進行詳細對比，選擇最優(yōu)方案。

3.2.1 環(huán)形背鉗和側(cè)掛式背鉗的比較

國內(nèi)外的背鉗產(chǎn)品主要有環(huán)形背鉗和側(cè)掛式背鉗兩種形式，由于環(huán)形背鉗的結(jié)構(gòu)中心和頂驅(qū)裝置的旋轉(zhuǎn)中心相同，所以環(huán)形背鉗能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動對中功能，而不需要設(shè)計定心扶正機構(gòu)，簡化了背鉗系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)。但是環(huán)形背鉗有一個天生的缺陷就是維護和保養(yǎng)十分不便，鉆機大多數(shù)時間是在非常惡劣的條件下工作，所以頂驅(qū)鉆機的各個設(shè)備的故障率都很高，這就要求工人經(jīng)常對各個設(shè)備進行必要的保養(yǎng)，而側(cè)掛式背鉗可以很好地解決這個問題。側(cè)掛式背鉗只要拆掉背鉗外殼之間的連接銷就可以打開背鉗體，方便更換鉗牙，使維修變得簡單易行，背鉗體還可以滑動以拆裝保護接頭、手動和自動防噴短節(jié)［7］。

3.2.2 背鉗的選擇

本設(shè)計采用側(cè)掛式背鉗，為雙向浮動式液壓背鉗,主要用于夾緊鉆桿接頭，實現(xiàn)鉆桿與頂驅(qū)保護接頭上卸扣的功能。還可以上下滑動以拆裝保護接頭、手動和自動防噴短節(jié)。其特點是：可以上下移動到指定的工作位置，并在該位置固定后上下雙向浮動，拆卸保護接頭和防噴短節(jié)易于操作。上卸扣時背鉗可以隨螺紋旋合時的軸向運動而上下移動，可以在螺紋旋合時防止螺紋牙形的損壞，延長鉆桿使用壽命。該背鉗牙座為敞開式，兩半扶正環(huán)徑向浮動可以導向，牙板和液壓大鉗的牙板可以互換使用，使得該背鉗現(xiàn)場使用、維護方便，尤其在檢修或更換IBOP（內(nèi)防噴器）時簡單快捷，大大減化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并減少了機械故障幾率及檢修費用，側(cè)掛式背鉗結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

▲圖4 側(cè)掛式背鉗結(jié)構(gòu)示意圖

▲圖5 導向滑車總成

3.3 導向滑車總成結(jié)構(gòu)

這一總成的主要作用是承受頂驅(qū)工作時的反扭矩，并將扭矩通過導軌傳遞給井架。早先這一總成是一個馬達支架，上面帶有滾動裝置，與導軌相連，整個頂驅(qū)在馬達支架的約束下在導軌上面上下來回運動。當前，頂驅(qū)這一總成采用導向滑車的結(jié)構(gòu)形式，導軌上部用U形環(huán)與天車底梁后耳板向量，下部直接與井架扭矩梁相連，將扭矩傳遞到井架下部，避免井架上部承受扭矩，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

頂驅(qū)減速箱體連接滑車，滑車被穿入導軌與導軌連接，頂驅(qū)隨著滑車在導軌上面上下活動，結(jié)構(gòu)簡單合理，給頂驅(qū)的安裝維護帶來很大方便。

4 技術(shù)特點

采用交流變頻技術(shù)，雙電機一對一控制，轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制自動切換，實現(xiàn)了在額定轉(zhuǎn)矩下連續(xù)堵轉(zhuǎn)運行，提高了頂驅(qū)系統(tǒng)應對井下復雜工況和事故處理的能力。使用通用的水龍頭總成，備具有更好的通用性；采用展開式二級減速齒輪系統(tǒng)，傳動更加平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，通用性更好；背鉗只需要能夠?qū)崿F(xiàn)卡緊功能即可，無需卡緊后的旋扣動作，鉗頭處機構(gòu)原理比較簡單，安裝、維修方便。

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