一、概 述
顶驱钻井系统(TDS)是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。利用水龙头与钻井马达相结合,配备一种结构新型的钻杆上卸扣装置(管柱处理装置),从井架的上部直接旋转钻柱,并沿井架内专用导轨向下送进,可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。
顶部驱动,是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部水龙头处,直接驱动钻具旋转钻进的驱动方式。
钻进过程:
1.破岩
2. 排屑
顿钻钻井——钻进过程不连续
旋转钻井——钻进过程连续
1.转盘钻
2. 井下动力
钻井新设备与新方法:
1.钻井新设备
1)液控盘式刹车
2) 液压钻机
3)交流变频驱动技术
4)顶部驱动装置
2.钻井新方法:
1) 地质导向钻井
顶部驱动装置要解决的问题:
传统钻井工艺的薄弱环节
(1)三大工作系统不能互济
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。
我国千台钻机,每年因卡钻造成的损失难以计数。
(2)方钻杆长度受限
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。
顶驱与转盘钻井的比较
转盘钻井方式
顶驱钻井方式
TDS驱动方式:
液压驱动
液压马达外形尺寸很小,液压顶驱的
本体尺寸能够满足小型井架的需要,
该类顶驱的工作高度一般在5m以下。
液压顶驱多数用于小型钻机上。
电驱动
AC-SCR-DC
AC变频
AC变频顶驱系统的主要优点为:
(1)AC电动机效率高,经济性好;
(2)AC电动机无电刷,可防爆,钻井安全且占空间小;
(3)AC变频驱动,可精确调节工作转速与输出扭矩,具有更好的调节性能;
(4)AC变频驱动零转速时具有全制动扭矩,可保证钻井安全。过载能力强,短时内可承受额定载荷的150%过载载荷。
现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。
(1)美国 Varco公司的研制历程
20世纪80年代。Varco 公司从上世纪六十年代开始研制顶驱。
在1981年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动钻井装置的系列马达原型,并作出了顶部驱动钻井装置TDS-2型的设计。1983年生产了单速(速比为5.33:1)的TDS-3型顶部驱动钻井装置,并由此形成了工业标准,这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的方式。
1988年研制开发了具有新标准的2速(高速比7.95:1,低速比5.08:1)的TDS-4型顶部驱动钻井装置,同年还生产了单速(速比6.67:1)的TDS-5型顶部驱动钻井装置,但当时它只是作为临时性措施而设计生产的一种产品。
至20世纪80年代末,出现了新式高扭矩马达,TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置由于应用了这种新式马达应运而生,并在钻机上得以应用。到85年Varco公司共销售顶驱82台。BJ公司从1985年开始生产销售顶驱,到1988年共销售顶驱8台,随后被Varco公司兼并,到1991年Varco BJ 公司共销售顶驱312台,其中300台用于海上钻井平台,中国当时有四台全用于海上钻井平台。
1990年首先生产出了整体式水龙头,装配在 TDS-3S、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上,得到广泛应用。
1994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置,起升能力为400t,为第一台双交流电动机驱动式。
1996年后该公司更研制出 500 t的TDS-11SA型及轻便的250 t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以TDS-10SA型引人注目,它具有低购置成本、轻便、高可靠性及低维护费等优越性,其紧凑尺寸使它可用于小型修井机和轻便钻机上。
TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计的,结构非常紧凑,采用斜齿轮传动,降低了噪音,并可获得225 r/min的最高工作转速。该顶部驱动钻井装置由2台交流变频电机驱动 。
Varco BJ公司在1993年之后,就不再开发直流驱动马达的顶部驱动钻井装置,而是转向交流变频电驱动的顶部驱动钻井装置研制。
如TDS-11SA( 1994年),使用一对400hp的交流驱动电机,重要较轻,尺寸较小,而产生的扭矩特性却接近于一台1100hp的直流电动机。
选用交流电机具有明显的特点:它可靠性高,维护少,无污染、作业范围大,满扭矩负荷时可以达1min,而无电火花,安全性好,因此得到用户认可。
交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动,又可使用 750 V直流电源,或直接用工业网电驱动,这种灵活性使得它使用范围宽广。