钻井工程——第一部：顶驱历史
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。
（一）传统钻井方式:
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。
（二）顶驱的历史
（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。
