顶部驱动模拟修井装置.docx

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顶部驱动模拟修井装置

第1章概述

1.1课题研究主要内容

本课题研究的主要内容是设计石油钻修井模拟实验平台的顶驱系统。

首先要明确顶驱装置的分类、组成结构和工作原理，收集世界主流顶驱系统产品的相关资料，加深对顶驱装置的了解和认识；然后借助Solidworks实体制图初步设计顶驱系统的结构，并实现该装置的工作模拟；最后完成对顶驱装置各个零、部件的强度校核并绘制总装图、部件图和零件图。

1.2课题研究的目的和意义

通过该课题的研究，对于实现钻修井的自动化操作，降低工人的劳动强度具有重大的意义。

顶驱装置可从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作,它显著提高了钻井作业的能力和效率。

从世界钻井机械的发展趋势上看，为适应钻井自动化的进步需求，顶部驱动钻井装置，必将成为世界钻井机械发展的重要方向，它符合钻井自动化的历史潮流。

据悉，目前我国赴国外工作的钻井队，如钻机上未安装顶部驱动钻井装置者，投标竞争中将不允许中标，可见对顶部驱动钻井装置的研究与设计具有积极的意义。

第2章顶驱装置的发展历程

2.1什么是顶部驱动钻井装置

顶部驱动钻井装置TDS（TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM）是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功、正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。

它可从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作,它显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。

目前在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用于打中深井（井深L=2000~4500m）、深井（井深L=4500~6000m）、超深井（井深L=6000~9000m）的日益增多。

2.2历史性的新跨跃

20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。

据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。

但在延续近百年的转盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。

其一，由于起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。

卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。

我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。

其二，由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工效率低，劳动强度大。

而所谓的顶部驱动，则是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部的水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。

由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。

因而，由于各种原因引起的遇卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。

同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25%左右。

国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜320、井深2981m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。

2.3顶驱系统的特点

2.3.1顶部驱动钻井装置的优点

2.3.1.1节省接单根时间

利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一面又可通过转盘上的方补心向下送进。

方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。

而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦，一代之而起的是利用立根钻进。

这种使用立根钻进的能力大大节省钻井时间。

来做一个测算，若钻进305m中每一次连接单根的平均时间为1m分钟，那么用立根钻进就可减少221分钟的连接的接单根时间。

换言之，这相当于可节省约4h左右的时间用于钻进。

单根接成立根一般可以在空闲时，如注水泥候凝或换钻头下钻时进行。

对于撬装钻机来说，还可节省将立根卸成单根的时间。

顶部驱动钻井系统与立根排放器联合使用，可以在立根内进行反向扩眼。

立根排放器在井架里进行卸扣作业可以使所有钻杆在井架中排立，同时，还能全面控制循环作业和转动作业。

除此之外，采用顶部驱动钻井系统进行起下作业，特别是在负压钻井时，允许有少量的自井壁渗漏的天然气积累。

而使用单根钻杆卸扣时，在停钻到开钻这段时间内，自井壁渗人的天然气向顶部移动造成井口压力增加，从而使钻井作业停下，只有等到这部分天然气循环出钻井系统后钻井作业才能重新进行。

这是采用单根钻柱钻井作业耗费时间的另一方面。

2.3.1.2倒划眼防止卡钻

由于具有可使用28m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转将钻具提出井眼。

钻杆上卸扣装置可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。

在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大幅度地减少起钻总时间。

2.3.1.3下钻划眼

该装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。

下钻中接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。

使用TDS下钻时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。

这样不花费时间，也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。

2.3.1.4节省定向钻进时间

该装置可以通过28m立根循环，相应减少井下马达定向时间。

2.3.1.5人员安全

钻井人员最需要进行的一项工作是接单根。

TDS可减少接单根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。

此外，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业者工作的危险程度。

2.3.1.6井下安全

在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业。

采用方钻杆与转盘时，就得卸掉1-2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。

在大位移井接单根划眼、卡钻、憋泵的危险性较大，特别在上提遇卡，下放遇阻时，很难使方钻杆循环。

如使用顶部驱动钻井装置，很容易在任何位置立即进行循环，大大减少了卡钻等复杂情况。

在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段。

扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业中套管居中一。

顶部驱动钻井装置内防喷阀及其执行机构，在发现井涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。

2.3.1.7设备安全

顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。

钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现擎钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。

这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使用一寿命的目的。

2.3.1.8井控安全

在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶部驱动钻井装置主轴与钻柱分离。

在用吊卡提升钻柱的过程中，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆上卸扣装置可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内遥控完成旋扣和紧扣，恢复循环。

双内防喷器可安全控制钻柱内压力。

当在一不稳定油井里进行提升作业时，采用顶部驱动系统上扣连接和远距离循环遥控，立根排放器在数秒中之内即可实现水龙头中心管的输出端同钻柱在任一位置的快速对接。

对钻柱防喷阀能够保持对钻柱内部压力的安全控制。

2.3.1.9便于维修

钻井马达清晰可见，因此比单独驱动转盘的马达更易维修。

单独驱动转盘的马达常常覆盖着泥浆，位于钻台下方看不见。

熟练的现场人员约12h就可将其组装、拆卸。

整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，故操作方便、简单、可靠。

2.3.1.10取心

能够连续取心钻进28m,取心中间不需接单根。

这样可以提高取心收获率，减少起钻次数与传统的取心作业相比，它的优点是明显的，污染小，质量高。

2.3.1.11节约泥浆

在上部内防喷器球阀下面接有泥浆截流阀，截流阀起保留钻井液的作用。

常规钻井中，钻井液滞留在方钻杆中，卸扣后溢出漏失，除非花时间手动操作泥浆截流阀才能止流。

2.3.1.12使用灵活

顶部驱动钻井装置使钻机具有前所未有的灵活性，可以下人打捞工具、完井工具和其他设备，既可正转又可反转。

2.3.1.13便于拆下

顶部驱动钻井装置很容易拆下，如果需要的话，不必将它从导轨上移下即可拆下其它设备。

电、液、气管线不需拆卸。

2.3.1.14内部防喷器功能

该装置具有内部防喷器的功能，起钻时如有井喷迹象，可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆柱的.连接，循环钻井一液压井，避免事故发生，这是因为水龙头在起钻时不必拆下。

2.3.2结构特点

（1）简便的安装移运性能。

（2）具有较大的卸扣能力。

（3）导轨安装与拆卸检修方便，具有互换性。

（4）顶驱主体可通过过渡环直接与游车连接，减少整个顶驱装置的工作高度。

（5）液压控制的旋转头装置，可带动吊环倾斜机构360°旋转，并有级锁紧。

（6）钻井和起下钻采用不同的负荷通道，延长主轴承的使用寿命。

（7）背钳采用四点浮动夹持，提高了背钳的夹持能力，减少了对钻具的损伤。

（8）采用液压浮动油缸平衡顶驱主体自重，可在上卸扣作用时保护钻具接头丝扣。

（9）高强度的齿轮减速传动。

第3章顶驱装置的设计

3.1顶部驱动装置设计方案的初步确定

设计要求：

顶驱装置外形尺寸500*500*800mm，整体悬挂于起升横梁上，背部由井架导轨进行定位。

适应2寸半管柱旋转与上卸扣操作，上卸扣扭矩不小于500Nm，液压系统工作压力10MPa。

本项目是钻修井综合实验模拟平台的顶部驱动装置，鉴于简化结构的原因，该装置仅包括三大组成部份：

水龙头—液压马达总成、齿轮减速箱和钻杆上卸扣装置总成，如图1-1。

图3-1顶驱装置

顶驱装置的动力初步选定为液压马达，传动方案为经一级齿轮减速箱减速将动力传输到主轴上。

液压马达可以通过不同旋转方向来实现顶驱接接单根、立根时的上扣和取出管柱时的卸扣过程。

3.2水龙头一钻井马达总成

水龙头一钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件组成见图2-1。

它由水龙头钻井水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。

图3-2水龙头-钻井马达总成

3.2.1整体水龙头

整体水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。

水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部。

主轴经锻制而成，上部台阶坐于主止推轴承上以支承钻柱负荷。

水龙头密封总成装在钻井马达上方。

水龙头密封总成装在钻井马达上方由标准冲管、组合盘根和联管螺母组成，联管螺母使密封总成作为一个整体运动。

盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致，只要松开上、下压紧盘根帽，即可很快装卸冲管和盘根。

3.2.2液压马达

3.2.2.1给定的系统参数

液压系统额定工作压力10Mpa，最大工作压力20Mpa；主轴最大转矩1KNm，转速约为200r/min。

3.2.2.2选择液压马达

根据系统的各项参数，初步选定液压马达的型号为BM-D200，生产厂家为南京液压机械制造厂，其主要性能参数如下：

参数

型号

公称

排量

工作压力MPa

输出扭矩

转速

重量kg

额定

最高

额定

额定

最高

BM-D200

200

10

12.5

238

320

400

10.5

安装尺寸如下：

图3-3BM-D200型液压马达L=234（单位：

mm）

3.2.3整体水龙头

整体水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。

水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部。

主轴经锻制而成，上部台阶坐于主止推轴承上以支承钻柱负荷。

水龙头密封总成装在钻井马达上方。

水龙头密封总成装在钻井马达上方由标准冲管、组合盘根和联管螺母组成，联管螺母使密封总成作为一个整体运动。

盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的