李陳龍，陳占榮，王 強(qiáng)，閆朝輝，張曉璞

（1.安徽省深地鉆探工程研究中心，安徽 合肥 230000； 2.河北永明地質(zhì)工程機(jī)械有限公司，河北 邢臺(tái) 055150；3.安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

頂驅(qū)是20 世紀(jì)80 年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的重大石油鉆井裝備，自1981 年12 月美國(guó)Varco 公司研制出頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置投入使用以來(lái)，頂驅(qū)逐漸被世界各國(guó)石油鉆井所采用。隨后，法國(guó)的ACB-Bretbr、挪威的Maritime Hydraulics、加拿大的Tesco 和CANRIG 公司相繼研制和使用頂驅(qū)系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)內(nèi)石油裝備廠家相繼研發(fā)出自己的頂驅(qū)。采用頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)能大幅降低鉆井卡鉆事故概率，提高作業(yè)效率和工作的安全性。頂驅(qū)被譽(yù)為近代鉆井裝備的三大革命性技術(shù)成果之一，具有工作可靠、性能完善、制造容易、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是復(fù)雜地質(zhì)條件下的深井、超深井、定向井鉆井的重要裝備。

目前，國(guó)內(nèi)外頂驅(qū)主要結(jié)構(gòu)形式是雙電機(jī)加減速箱驅(qū)動(dòng)中心管鉆井。然而，這種結(jié)構(gòu)體型大、零部件多且故障率高。另外，一些小型頂驅(qū)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)中心管，但是此結(jié)構(gòu)存在故障率高、傳動(dòng)效率低和能耗高的問題。直驅(qū)頂驅(qū)是未來(lái)發(fā)展的方向，一些國(guó)內(nèi)外廠家已經(jīng)進(jìn)行了研究并推出了部分產(chǎn)品［1-3］。然而，現(xiàn)有的直驅(qū)頂驅(qū)大都采用普通電機(jī)，并且電機(jī)冷卻采用風(fēng)冷。雖然更改了頂驅(qū)結(jié)構(gòu)，但沒有從根本上解決頂驅(qū)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和高故障率的問題［4-5］。在地質(zhì)勘探、水文地質(zhì)調(diào)查、煤層氣及頁(yè)巖氣開采等領(lǐng)域，鉆井深度大多在3000～4000 m之間，基于這一需求，我們開展了針對(duì)4000 m 新型低故障率頂驅(qū)的研發(fā)工作。

1 概述

頂驅(qū)主要由動(dòng)力水龍頭、管子處理裝置、導(dǎo)向裝置、液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及電纜附件等組成。

動(dòng)力水龍頭主要由電機(jī)、提環(huán)、鵝頸管、沖管、剎車裝置、主軸、軸承等零部件組成。

管子處理裝置主要由吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)頭、背鉗、防松裝置、保護(hù)接頭等組成。

導(dǎo)向裝置主要由導(dǎo)向滑車、導(dǎo)軌及運(yùn)輸架組成。

本次關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括：頂驅(qū)電機(jī)布局、主軸承設(shè)計(jì)、剎車裝置設(shè)計(jì)、管子處理裝置設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、輔助設(shè)備布局等。研制的DQ250ZA-YM 型頂驅(qū)本體如圖1 所示［6-7］。

圖1 DQ250ZA-YM 型頂驅(qū)本體Fig.1 DQ250ZA-YM top drive body

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 電機(jī)設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)都能提供旋轉(zhuǎn)鉆柱的動(dòng)力，但由于液壓馬達(dá)效率較低，因此在石油鉆機(jī)中很少使用。常規(guī)的頂驅(qū)通常由雙電機(jī)加減速箱驅(qū)動(dòng)主軸（圖2a），或者采用變頻調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸（圖2b），其電機(jī)均采用風(fēng)機(jī)冷卻的方式。電機(jī)內(nèi)部與外界通過(guò)風(fēng)道相連，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生>80 dB 的風(fēng)噪聲。由于頂驅(qū)的空間和結(jié)構(gòu)限制，配備備用風(fēng)機(jī)較為困難。當(dāng)冷卻風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，頂驅(qū)需要停機(jī)進(jìn)行大修，對(duì)施工周期將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。隨著頂驅(qū)在海洋勘探項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用，冷卻風(fēng)機(jī)會(huì)將海洋環(huán)境中的高鹽霧吸入電機(jī)內(nèi)部，對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害，因此對(duì)電機(jī)的防腐要求非常高［8-9］。

圖2 頂驅(qū)結(jié)構(gòu)Fig.2 Top drive structure

研發(fā)的新型頂驅(qū)（圖2c）采用了大扭矩低轉(zhuǎn)速的永磁同步電機(jī)，其在同等功率下尺寸比普通變頻電機(jī)尺寸更小（表1）。電機(jī)的轉(zhuǎn)子直接與頂驅(qū)中心管連接，電機(jī)定子的外圓設(shè)有冷卻水道。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，冷卻水道內(nèi)的冷卻液會(huì)將電機(jī)定子產(chǎn)生的熱量帶走。在冷卻水道上下兩端各設(shè)有兩道O 形密封圈，以密封電機(jī)殼體與電機(jī)定子之間的連接面，防止冷卻液外泄。同時(shí)為使冷卻水道充滿冷卻液，達(dá)到最佳冷卻效果，冷卻液設(shè)計(jì)為從電機(jī)下端進(jìn)入，從電機(jī)上端流出。電機(jī)上蓋和電機(jī)下蓋與電機(jī)殼體之間分別設(shè)有O 形圈密封，從而使得電機(jī)完全處于密封環(huán)境中。冷卻系統(tǒng)將冷卻液從頂驅(qū)與冷卻系統(tǒng)之間來(lái)回循環(huán)。冷卻系統(tǒng)設(shè)在地面，冷卻水泵設(shè)計(jì)一用一備。由于去除了冷卻風(fēng)機(jī)，頂驅(qū)運(yùn)行噪聲可控制在40 dB 以下。電機(jī)內(nèi)部與外界完全隔離，可有效延長(zhǎng)電機(jī)壽命。如果在海洋環(huán)境下，冷卻系統(tǒng)可以增加換熱器，利用海水將冷卻液的熱量帶走，從而大幅提高頂驅(qū)的冷卻效果［10-11］。

表1 普通電機(jī)與永磁同步電機(jī)尺寸比Table 1 Size comparison between ordinary motor and permanent magnet synchronous motor

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)和軸承溫度，在電機(jī)、主軸承和扶正軸承處增設(shè)了溫度傳感器。扶正軸承和主軸承采用三線制PT100 溫度傳感器，電機(jī)內(nèi)部安裝了2×KTY84-130、2×PTC145 及2×PT100 等溫度檢測(cè)傳感器。所有傳感器與監(jiān)控系統(tǒng)集成，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)頂驅(qū)溫度。特別是對(duì)應(yīng)軸承溫度的檢測(cè)，能夠及時(shí)提醒用戶進(jìn)行軸承的保養(yǎng)。

2.2 主軸承安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)時(shí)將主軸承和防跳軸承置于電機(jī)內(nèi)部，使頂驅(qū)高度可縮短200～300 mm，軸承室容油量較原來(lái)的結(jié)構(gòu)提升30%以上。這種設(shè)計(jì)更有利于主軸承的潤(rùn)滑和散熱，從而更有效地保護(hù)軸承，并延長(zhǎng)保養(yǎng)周期，同時(shí)也能節(jié)約鉆井時(shí)間。

2.3 剎車裝置設(shè)計(jì)

剎車裝置起制動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)作用，能承受反扭矩，每組剎車裝置通過(guò)一對(duì)剎車油缸對(duì)剎車盤提供壓力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剎車功能，制動(dòng)能量與液壓系統(tǒng)施加的壓力成正比，剎車片的磨損量是通過(guò)增加活塞的行程來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償。每個(gè)剎車片帶有兩個(gè)自動(dòng)復(fù)位的彈簧，可以使剎車摩擦片在松開時(shí)自動(dòng)復(fù)位。

傳統(tǒng)的剎車鉗通常布置在頂驅(qū)上殼體內(nèi)部，如圖3（a）所示。由于空間限制，一般只能布置4～6 組剎車鉗。在實(shí)際使用中遇極端工況時(shí)，剎車力往往不足，甚至有些情況還要借助背鉗夾持力處理事故，操作起來(lái)極為不便。且剎車片為易損件，有的剎車片更換時(shí)需要返廠更換，并需要拆下大部分零件后才能更換，維修保養(yǎng)耗時(shí)長(zhǎng)，影響施工周期與施工成本［12-14］。

圖3 剎車裝置及新型剎車鉗結(jié)構(gòu)Fig.3 Top drive structure brake device and new brake caliper structure diagram

研發(fā)的新型剎車裝置采用模塊式設(shè)計(jì)，如圖3（b）所示。通常一組剎車鉗由上下2 個(gè)油缸組成，而新型剎車鉗采用上下4 個(gè)油缸組成，大大縮小剎車鉗安裝空間，如圖3（c）所示。新型剎車鉗從頂驅(qū)上殼體外部安裝，這不僅節(jié)約了空間，而且在后期維修和維護(hù)時(shí)也更加方便。當(dāng)需要更換剎車片時(shí)，只需拆卸固定每組剎車鉗的8 個(gè)螺栓即可。新型剎車裝置共采用了4 組剎車鉗，相當(dāng)于傳統(tǒng)剎車鉗8 組的設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的4～6 組剎車鉗相比，新型剎車裝置的剎車扭矩提升了25%～50%，可滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下定向鉆進(jìn)時(shí)需要很大的剎車扭矩［15］。

2.4 管子處理裝置

管子處理裝置是頂部驅(qū)動(dòng)裝置的重要組成部分，一般由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)頭、傾斜裝置、背鉗總成、IBOP、保護(hù)接頭及其他零部件組成。旋轉(zhuǎn)頭兩側(cè)設(shè)有吊耳用于連接吊環(huán)及吊卡，能使吊環(huán)、吊卡繞主軸正反360°自由旋轉(zhuǎn)，配合吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)去小鼠洞抓取單根或?qū)?zhǔn)二層臺(tái)的立柱，或?qū)⒌醐h(huán)及吊卡轉(zhuǎn)至某一位置不影響頂驅(qū)本體鉆進(jìn)。所以旋轉(zhuǎn)頭是管子處理裝置重要組成部分。

傳統(tǒng)管子處理裝置背鉗固定于旋轉(zhuǎn)頭上，背鉗跟著旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，否則吊環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)與背鉗發(fā)生碰撞，旋轉(zhuǎn)頭與固定軸之間油道分別為2 路傾斜油缸、2 路背鉗油缸、3 路預(yù)留液壓吊卡，一共7 路油槽，至少需要8 根密封格萊圈，旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)時(shí)80%以上的阻力來(lái)自格萊圈，因此需要在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能減少格萊圈數(shù)量。研發(fā)的新型管子處理裝置，新型旋轉(zhuǎn)頭沒有背鉗油路，只需6 根格萊圈就可滿足使用需求，既降低了成本又簡(jiǎn)化了液壓管路。

傳統(tǒng)背鉗與新型背鉗對(duì)比如圖4 所示［16］。傳統(tǒng)頂驅(qū)背鉗安裝在旋轉(zhuǎn)頭上，當(dāng)背鉗卸扣時(shí)背鉗反扭矩傳遞給旋轉(zhuǎn)頭，這時(shí)旋轉(zhuǎn)頭需要有鎖緊機(jī)構(gòu)防止旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，一般鎖緊機(jī)構(gòu)采用油缸穿銷進(jìn)行鎖緊，背鉗夾緊前需要人工操控電磁閥手動(dòng)啟動(dòng)液壓缸穿銷鎖緊［17］。在整個(gè)操作過(guò)程操作人員需要近距離觀察鎖緊情況，不僅浪費(fèi)卸扣時(shí)間還增加了工作人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 傳統(tǒng)背鉗與新型背鉗對(duì)比Fig.4 Comparison between Traditional and New Back Pliers

新型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)去除鎖緊裝置，旋轉(zhuǎn)頭操作完全在司鉆房進(jìn)行，無(wú)需人工在頂驅(qū)旁操作鎖緊裝置，減少液壓管路和液壓控制元件，簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)。傳統(tǒng)背鉗固定于旋轉(zhuǎn)頭上外形尺寸明顯大于新型背鉗尺寸，不僅增加故障率還增加頂驅(qū)本體重量。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與新型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖5 所示［8］。

圖5 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與新型旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)對(duì)比Fig.5 Comparison between traditional rotating mechanisms and new rotating mechanisms

2.5 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌和滑車在頂驅(qū)系統(tǒng)中起到使頂驅(qū)沿鉆機(jī)井架上下移動(dòng)的作用，并能夠承受反扭矩。傳統(tǒng)導(dǎo)軌安裝流程為：利用吊車將第一節(jié)導(dǎo)軌和第二節(jié)導(dǎo)軌對(duì)接→穿入前銷→穿入后銷→穿入鎖銷→安裝別針→按照相同步驟，依次安裝剩下的導(dǎo)軌。整個(gè)安裝過(guò)程需4～6 h，具體安裝過(guò)程如圖6 所示。傳統(tǒng)的導(dǎo)軌安裝過(guò)程相對(duì)較為繁瑣，需要逐步進(jìn)行對(duì)接、固定和鎖定操作。

圖6 傳統(tǒng)導(dǎo)軌安裝過(guò)程Fig.6 Traditional Rail Mounting Process

對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)了一套新型導(dǎo)軌，如圖7 所示。新型導(dǎo)軌共8 節(jié)，其中6 節(jié)長(zhǎng)導(dǎo)軌，2 節(jié)短導(dǎo)軌，除了兩節(jié)短導(dǎo)軌連接外，其余導(dǎo)軌之間采用一個(gè)銷軸進(jìn)行連接。在上段導(dǎo)軌板內(nèi)設(shè)有抽拉板，通過(guò)一根鋼絲繩在每節(jié)導(dǎo)軌內(nèi)部來(lái)回穿插，達(dá)到4 根鋼絲繩的提升效果。鋼絲繩上端繞在抽拉板下端的兩個(gè)滑輪上，下端繞在下滑輪上，鋼絲繩兩頭固定在導(dǎo)軌下端。

圖7 新型導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及提升過(guò)程Fig.7 New guide rail structure and lifting process

新型導(dǎo)軌的安裝和使用非常簡(jiǎn)便，只需要使用吊車或輔助絞車將導(dǎo)軌抽拉板提起，然后掛到天車耳板上即可，無(wú)需進(jìn)行繁瑣的穿銷過(guò)程。為了確保導(dǎo)軌在使用過(guò)程中的安全性，新型導(dǎo)軌采用了4 根鋼絲繩進(jìn)行提升。在拆卸導(dǎo)軌時(shí)，只需將導(dǎo)軌提起并折疊到導(dǎo)軌運(yùn)輸架上，同樣也沒有繁瑣的拆銷過(guò)程。通過(guò)這種新型導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)，安裝和拆卸過(guò)程變得更加高效和便捷，安裝或拆卸一般只需要1.5～2 h，節(jié)約了大量時(shí)間，可顯著提高工作效率。新型導(dǎo)軌提升過(guò)程如圖7 所示［15］。

2.6 輔助設(shè)備

新型頂驅(qū)在設(shè)計(jì)時(shí)去除了減速箱，僅有軸承室，因此無(wú)需強(qiáng)制潤(rùn)滑系統(tǒng)，可以去除潤(rùn)滑泵站。同時(shí)，液壓站被安置在地面上，油泵采用一用一備的配置，當(dāng)主要液壓油泵出現(xiàn)故障時(shí)，可以迅速切換到備用液壓油泵，以防止液壓站故障對(duì)作業(yè)的影響。冷卻風(fēng)機(jī)由冷卻系統(tǒng)代替，冷卻系統(tǒng)水泵同樣采用一用一備的配置，以避免冷卻系統(tǒng)故障對(duì)作業(yè)的影響。此外，VFD 房、冷卻系統(tǒng)和液壓站也被集成在一起，使安裝和運(yùn)輸更加快捷方便，如圖8 所示［13］。

圖8 液壓站與冷卻系統(tǒng)集成Fig.8 Integration of hydraulic station and cooling system

液壓閥組直接安裝在頂驅(qū)本體上，每個(gè)液壓回路都安裝了壓力變送器，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)回路的壓力狀態(tài)。一旦液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，可以快速地檢測(cè)故障原因，大幅縮短故障檢測(cè)時(shí)間。

通過(guò)這些改進(jìn)，新型頂驅(qū)在設(shè)計(jì)上更加先進(jìn)和高效。它不僅簡(jiǎn)化了潤(rùn)滑和冷卻系統(tǒng)的配置，還提供了更快速的故障檢測(cè)和切換備用設(shè)備的能力，從而提高了作業(yè)的效率和可靠性［18］。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

研發(fā)的DQ250ZA-YM 型頂驅(qū)系統(tǒng)在中國(guó)煤炭地質(zhì)總局廣東煤炭地質(zhì)局GM40603 鉆井隊(duì)承擔(dān)的山西省呂梁市興縣蔡家會(huì)鎮(zhèn)鉆井工程中應(yīng)用，施工目的層為煤層，累計(jì)完成井深超3000 m 的垂直井10余口，水平井7 口（水平段長(zhǎng)1200 m），在施工過(guò)程中順利處理井內(nèi)事故30 余起，無(wú)故障運(yùn)行超15000 h，維護(hù)保養(yǎng)部件少，保養(yǎng)周期長(zhǎng)，為鉆井施工節(jié)約了大量時(shí)間。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，新型頂驅(qū)性能及穩(wěn)定性得到了用戶的一致好評(píng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工與導(dǎo)軌提升如圖9、圖10 所示。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)施工圖片F(xiàn)ig.9 Site construction pictures

圖10 導(dǎo)軌施工提升過(guò)程Fig.10 Guide rail construction and lifting process

表2 為部分水平井施工數(shù)據(jù)，從表2 中可以看出，最大鉆井深度3451 m，最長(zhǎng)完鉆周期34 天，最大扭矩15 kN·m，4 口井一共處理6 次井下事故，井下事故均為卡鉆，頂驅(qū)1 次過(guò)載保護(hù)報(bào)警。頂驅(qū)最大起鉆重力為850 kN。

表2 部分水平井施工應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics on the construction and application of some horizontal wells

表3 為部分定向井施工數(shù)據(jù)，從表3 中可以看出，最大鉆井深度2342 m，最長(zhǎng)完鉆周期32 天，最大扭矩28 kN·m，主要井下事故為卡鉆共26 次，頂驅(qū)故障主要為過(guò)載保護(hù)報(bào)警故障共12 次。本次施工最大起鉆重力達(dá)1400 kN。

表3 部分定向鉆井應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics on the application of some directional drilling

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，兩組鉆井井深相差1000 多米，但兩組鉆井周期相近，在定向井施工中井下事故和頂驅(qū)報(bào)警故障次數(shù)明顯多于水平井施工，正常鉆進(jìn)時(shí)扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平井施工，定向井施工時(shí)因井眼軌跡不理想，“狗腿”角大，泥漿摩阻大等原因?qū)е驴ㄣ@事故頻發(fā)，這跟地層構(gòu)造、工程設(shè)計(jì)科學(xué)性、技術(shù)措施的正確性、操作人員素質(zhì)、泥漿調(diào)配有很大關(guān)系。用頂驅(qū)處理井下事故時(shí)頂驅(qū)基本滿負(fù)荷運(yùn)行或過(guò)載運(yùn)行導(dǎo)致過(guò)載停機(jī)，這是頂驅(qū)主要故障原因。在兩個(gè)施工項(xiàng)目中沒有出現(xiàn)機(jī)械故障和液壓故障，施工能順利進(jìn)行，大大提升了作業(yè)效率，由此可知鉆井施工周期與井下事故次數(shù)和頂驅(qū)故障率有很大關(guān)系。

3 結(jié)論

（1）研發(fā)的新型頂驅(qū)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，去除了冷卻風(fēng)機(jī)、鎖緊機(jī)構(gòu)、減速箱、潤(rùn)滑泵站、液壓站等機(jī)構(gòu)，零部件數(shù)量減少了45%以上，簡(jiǎn) 化了頂驅(qū)結(jié)構(gòu)，從而大幅降低了頂驅(qū)的故障率，提升了作業(yè)效率。

（2）新設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌，簡(jiǎn)化了安裝操作步驟，每?jī)晒?jié)導(dǎo)軌之間僅用一個(gè)無(wú)需拆卸銷連接，減少了安裝時(shí)間，增強(qiáng)了施工的安全性。

（3）新型頂驅(qū)設(shè)計(jì)理念可應(yīng)用于各類不同大小的頂驅(qū)上，可廣泛應(yīng)用于石油天然氣鉆井與修井、地質(zhì)勘探、頁(yè)巖氣和煤層氣勘探、海洋勘探等多領(lǐng)域，具有良好的市場(chǎng)前景。