顶部驱动钻井系统系列技术资料汇编 顶驱钻井.docx
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顶部驱动钻井系统系列技术资料汇编顶驱钻井
顶部驱动钻井系统系列之一
顶部驱动钻井系统是取代转盘钻进的新型石油钻井系统。
英文简写为TDS(TOPDRIVEDRILLINGSYSTEM),该产品20世纪80年代初开始研制,现在已发展到最先进的一体化顶部驱动钻井系统,英文简写为IDS(INTEGRATEDDRIVEDRILLINGSYSTEM)。
该系统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。
顶部驱动钻井系统部件包括:
水龙头一钻井马达总成;马达支架/导向滑车总成;钻杆上卸扣装置总成;平衡系统;冷却系统;顶驱控制系统及其它辅助设备。
与常规旋转钻井方式不同,采用顶驱系统钻进一次可接入和钻进约28m长的一个立根,上卸扣时间减少了2/3;在起钻遇阻遇卡时可以迅速接上钻具,一边旋转一边循环,进行倒划眼,可以大大减少卡钻事故。
(一) 顶部驱动钻井系统发展趋势
从20世纪80年代初第一台顶驱系统问世到现在,它一直是当今石油钻井的重大前沿技术与装备,已经成了深井、复杂井施工的必选装备之一,全世界已有上千台顶驱系统用于海洋、陆地深井和定向井。
在海外钻井工程的投标中,是否配备顶驱系统成了能否中标的重要条件。
目前,顶驱系统(TDS)开始从海洋石油钻机向陆地钻机发展;从直流电动机驱动为主向静液传动和交流变频电动机驱动方向发展;向简单化、轻便化方向发展,质量减轻,尺寸减小,满足修井机和轻型钻机的要求。
此外,不少厂家在不断提高顶部驱动系统功率、扩大AC变频电驱动顶驱规格范围。
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
自1981年12月美国Varco–BJ公司研制的顶部驱动系统投入使用以来,挪威的MaritimeHydraulics公司、法国的ACB–Bretfor公司和TRITENN公司、美国的NationalOilwell公司、加拿大的CANRIG公司和Tesco公司等都研制和使用顶驱。
其中Varco公司和NationalOilwell公司已经基本上形成了AC变频电驱动顶驱系列。
应当说,顶部驱动钻机排在首位的是美国Varco公司,该公司生产的TDS-65型AC–SCR–C电驱动顶部驱动系统提升载荷为7500kN,TD–8SA型交流变频驱系统提升载荷为6500kN,其采用的交流感应电动机最高效率为97%。
美国Oilwell公司研制的PS2-750型顶驱系统,套筒载荷为7520kN。
顶部驱动钻井系统系列之二
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
(1)美国Varco–BJ公司
美国的Varco–BJ公司是世界上第一个研制顶驱的公司,也是研究制造销售顶驱世界最大的一家公司,已先后开发了10多种规格顶驱。
该公司生产的顶驱在世界油田的应用数量居第一位。
1981年设计了TDS–2型顶驱钻井系统。
1991~1992年发展了与水龙头和游车相组合的TDS–3SB、TDS–4SB、TDS–6SB型以及单速(6.0:
1)行星减速传动的IDS型(IDS:
水龙头和游车相组合的整体顶驱);从1993~1995年,又发展了单速、高扭矩变频驱动(990hp)的TDSX–75型(用于海上和大型的陆地钻井装置)和适用于海洋自升式钻井装置、钻井船和平台石油钻机及6000m陆地直流驱动的IDS–1型和IDS–3型及陆用LDS–1型(与侧驱SDS相同);1996~1997年,又发展了水龙头相组合,适用于陆地,低价格的TDS–9S(交流变频双马达2×147kW)和TDS–10SS(交流变频双马达2×257.4kW)型。
Varco公司后又推出了TDS–4S(4H)型、TDS–6S型、TDS–8SA型、TDS–10SA型、TDS–11SA型、IDS–4A型、TDS–1000型等系列顶驱。
其顶驱产品研制的特点表现在以下几个方面:
①增加了大型顶驱。
Varco公司研究开发的TDS–1000型顶驱,适用于所有海洋石油钻机以及大型陆地石油钻机钻井。
API提升载荷10000kN,钻井连续功率1120.9kW,连续扭矩97.82kN·m,刹车静止扭矩127.446kN·m,间歇扭矩146.42kN·m,全功率转速0~270r/min。
采用GEGEB–13型AC电动机,在最大连续扭矩时,电动机额定转速800r/min,最高转速2300r/min。
减速器齿轮速度比8.5:
1,采用PH–1000型管子操纵装置。
②增加了IDS–4A型顶驱。
IDS–4A型顶驱是在原IDS–1型顶驱基础上,经过改进完善而成的。
取消了AC–SCR–DC电驱动,采用先进的交流(AC)变频电驱动。
增大了顶驱钻井功率、扭矩和转速,提高了钻井性能。
IDS–4A型顶驱的API提升载荷为5000kN,钻井功率845.58kW,采用GEGEB–IDS型AC电动机。
顶驱钻井连续扭矩62.09kN·m,间歇扭矩93.14kN·m,全功率最高转速265r/min。
③采用电驱动。
Varco公司认为,与液压驱动顶驱相比,电驱动顶驱钻井更安全可靠,更适合严寒和极地等区域钻井,启动更为方便,使用寿命长。
采用交流(AC)电动机之后,电动机的体积和质量减小。
④扩大交流(AC)变频电驱动应用。
在Varco公司推出的新的规格系列顶驱中,扩大了AC变频电驱动顶驱的系列规格,目前正处于逐步代替AC–SCR–DC电驱动的发展阶段。
与AC–SCR–DC电驱动顶驱相比,AC变频电驱动顶驱具有较好的钻井性能,较高的钻井适应性、经济性、可靠性和先进性,估计将来有可能全部代替AC–SCR–DC电驱动。
Varco–BJ公司生产的顶部驱动系统的具体性能及主要参数见表1。
表1 Varco–BJ公司顶部驱动系统主要性能参数
型 号
TDS–4H
TDS–4S
TDS–6S
TDS–8SA
TDS–10SA
TDS–11SA
电动机类型与功率/kW
GE752串激或并激高扭矩直流电动机,功率831
GEGEB–20A1
交流电动机,功率846
交流电动机,
功率257
交流电动机,功率2×257,可选用2×294
API提升载荷/t
650或750
750
650或750
250
500
间歇输出扭矩/(kN·m)
串激
并激
并激
85.43
标准27.1
高速10.03
标准44.1
选用值49.5
高速44.07
低速69.02
高速40.19
低速62.89
81.36
间歇输出扭矩/(kN·m)
高速58.85
低速91.94
高速53.56
低速83.8
114.17
127.46
标准49.5
高速18.16
标准62.4
选用值74.6
全功率最大转速/(r/min)
高速190
低速120
高速205
低速130
195
188
标准182
高速500
标准228
选用值228
钻
井
参
数
钻井转速/
(r/min)
低速挡O~130
高速挡0~205
250(连续)
0~270
O~182
O~228
连续钻井扭矩/(kN·m)
并激电动机
低速挡62.886串激电动机
低速挡69.014高速挡44.066
81.35
85.5
27.115
44.05可选用
49.5
间隙扭矩/(kN·m)
并激电动机
83.80串激电动机
91.94
114.17
127.46
49.49
62.38,可选用74.58
最大连续功率/kW
1618
846
257
514,可选用588
钻
井
电
动
机
型号
GE752并激/串激高扭矩直流电动机
GE752并激高扭矩直流电动
机(2台)
GEB–20A1交流电动机
交流电动机
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
(2)美国NationalOilwell公司
美国NationalOilwell公司原生产PS–350/500型,FS–500/650型和PS500/650(双速)型等3种规格系列顶驱。
后又研究开发了PS2–650/650型和PSZ–750型两种双速传动机构顶驱,改进生产了PS–500/500型顶驱和PSZ–500/500型顶驱,形成了5种规格顶驱。
主要技术参数见表2。
表2 美国NationalOilwell公司顶驱系统主要技术参数
顶驱型号
PS–350/500
PS–500/500
PSZ–500/500
PSZ–650/650
PSZ–750
钻柱载荷/kN
套管载荷/kN
传动机构
齿轮传动速比
最大连续输入功率/kW
最高转速/(r/min)
最大卸扣扭矩/(kN·m)
电动惯性刹车型号
在钻杆上电动惯性刹车扭矩/(kN·m)
最大钻井液压/MPa
3500
5000
单速
5.1
843
273
63.1
20VC600
85.7
34.5
5000
5000
单速
6.825
843
200
84.5
20VC600
95.6
34.5
5000
5000
双速
8.28/4.05
843
126/257
101.8
20VC600
115.3
34.5
6500
6500
双速
8.23/4.05
843
126/257
101.8
20VC600
115.3
51.7
6500
7500
双速
8.30/4.07
1686
126/256
149.2
20VC600
228.6
51.7
(3)美国Bowen公司
美国Bowen公司早在20世纪80年代就研究开发了ES-7型顶驱,近些年来又研究开发了TD120P型、TD350P型、TD250P型顶驱,基本上形成了3种规格中小型系列顶驱。
该系列顶驱可用于钻井和修井.使用方便。
中小型系列顶驱主要结构待点:
顶驱采用液压驱动型式,两台定排量活塞式液压马达同时驱动钻柱旋转进行钻井。
液压系统由柴油机,液压泵、液压管线、热交换器、油箱、控制系统等组成。
司钻可在仪表盘上进行钻井操作。
气控系统可在仪表盘上利用一个单杠杆阀来控制水龙头的旋转方向和速度。
中小型系统顶驱主要性能参数见表3。
表3 BOWEN公司中小型顶驱系列主要性能参数
型 号
TD350P
TD250HTP
TDl20P
提升能力/t
钻井扭矩/(N·m)
上/卸扣扭矩/(N·m)
额定载荷/kN
输出功率/kW
350
32790
81360
3500
386
250
28476
44748
2500
294
120
10984
N/A
1200
110
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
(4)加拿大Tesco公司
加拿大Tesco公司原来只生产150HMI型、500HS型、500HC型等3种规格液压驱动顶驱。
1996年开始生产交流变频电驱动顶驱,已开发了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等5种规格顶驱系列。
主要技术参数,见表4。
表4 加拿大Tesco公司顶驱系统主要技术参数
型 号
150HMI
500HC/HCI
6500C/HCI
650ECI
500ECI
额定载荷/kN
最大扭矩/(kN·m)
最高转速/(r/min)
顶驱长度/m
顶驱宽度/m
顶驱重量/t
动力功率/kW
动力机
1500
28.98
220
3.809
O.838
3.174
349.2
196型液压马达
5000
74.52
205
5.981
1.066
7.256
551
2×136、2×
164、2×196型液
压马达
6500
74.52
205
6.676
1.244
8.163
2×136、2×
164、2×196型液
压马达
5000
59.34
195
5.981
1.37
7.256
2×PA44永磁同步电动机
6500
59.34
195
6.676
1.42
8.163
2×PA44永磁同步电动机
500ECI型和650ECI型两种规格的AC变频电驱动顶驱,均采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机,输出功率1324kW(2×900hp)。
两种顶驱的齿轮传动比分别为14.66:
1、18.33:
l,质量分别为7257kg、8165kg,高度分别为5.98m、6.67m,宽度分别为1.37m、1.42m。
电动机壳体用铝合金铸造,减轻了顶驱质量,转子用钕铁硼磁性材料制造,形成恒定的转子磁场,其磁场强度与外界旋转的转速无关,可使电动机在低转速下运传。
电动机在0~1r/min时还具有全扭矩,工作时没有火花,换向时不需要制动器。
AC变频控制系统的逆变器将电动机的电感负荷与电网隔开,与AC—SCR—DC电驱动相比,提高电网COSΦ值。
此外。
逆变器采用最先进的IGBT电器件控制,可在一个周期内对脉冲宽度调制信号进行多次开关控制,比用可控硅调节控制更加精确。
电动机最高可变频率达30kHz,最大转速达2860r/min。
两种AC变频电驱动顶驱投入使用以来,累计停机率小于0.4%,具有使用安全可靠的特点。
主要优点:
①交流电驱动,即使在额定扭矩或是在不旋转工况下,电机功率因数都能达到近似于1。
②固有安全性能好,采用液体冷却无刷式电机,因此不需要风扇或其它通风设备。
③模块组装式结构,整套装置重量轻、结构紧凑、容易安装(无论是用于固定式系统还是可移动式系统)。
④该系统功率/重量比为同行业最高。
⑤降低了运输过程的吨-英里数。
除了具备Tesco公司其它型号顶部驱动系统的管子装卸和自动操作功能外,ECI系列产品代表了更先进的高性能电动顶部驱动钻井系统。
该系列应用范围广泛,从小型的陆地钻机到大型海上钻机,均可选用。
(5)加拿大CANRIG公司
加拿大CANRIG既生产AC–SCR–DC电驱动顶驱,又生产AC变频电驱动顶驱。
各型TDS共分3类11种型号。
①单速直流电动机驱动的6025E、8035E、1050E和1165E4种型号,见表5。
表5 CANRIG公司单速电驱动顶部驱动系统主要性能参数
型 号
6025E
8035E
1050E
1165E
名义钻井深度/m
额定载荷/t
API承受载荷/t
连续输出功率/kW
连续最大扭矩/(N·m)
间隙最大扭矩/(N·m)
最大速度/(r/min)
顶驱系统重量/kg
3600
250
166
450
1970033100
2410040700
320200
8600
5000
350
323
670
29800
32500
265
12300
7000
500
413
840
4070057900
4570065100
265185
12700
9000
650
472
840
57900
65100
185
13200
②双速电驱动的6025E–2SP、6017E–2SP–HELI、1050E–2SP、1165E–2SP4种型号。
CANRIG公司双速电驱动顶部驱动系统主要性能参数见表6。
表6 CANRIG公司双速电驱动顶部驱动系统主要性能参数
型 号
6025E–2SP
6017E–2SP–HELl
1050E–2SP
11650–2SP
连续输出功率/kW
传动比
最大连续扭矩/(N·m)
最大间隙扭矩/(N·m)
最大速度/(r/min)
450
高传动比2.324:
1
低传动比7.250:
1
256008200
31400 10100
250775
840
高传动比5.458:
l
低传动比8.425:
l
6850044400
7700049900
155240
③交流变频电驱动顶驱。
研究开发了第一台额定载荷为6500kN的AC变频电驱动顶驱和小型石油钻机用额定载荷为1500kN、2750kN AC变频电驱动顶驱及大型石油钻机用的额定载荷为5000KN、7500kNAC变频顶驱,基本上形成了1500kN、2750kN、5000kN、6500kN、7500kN等5种规格AC变频电驱动顶驱系列。
其中额定6500kN AC变频电驱动顶驱,采用美国GEB20AC电动机,在钻井时可以输出平衡的扭矩,而且在单速传动顶驱中,可获得宽广的调速范围,并给出最好的钻井性能和钻井特性曲线,能够更精确地调节和使用工作转速和工作扭矩。
CANRIG公司交流变频电驱动顶部驱动系统主要性能参数见表7。
表7 CANRIG公司交流变频电驱动顶部驱动系统主要性能参数
型 号
5025E
7035E
9050E
额定载荷/t
连续输出功率/kW
250
370
350
520
500
670
④CANRIG公司又研制了深海大型钻井平台用的TDS,分别装备于1999年建成的工作水深为10000ft,钻深为31500ft的PrideAfrica和PrideAngo1a两艘钻井浮船上。
二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
(6)挪威MaritimeHydraulics公司
挪威MaritimeHydraulics公司生产PTD系列轻便式顶驱和DDM系列重型顶驱(图1)。
在PTD系列顶驱中,又开发了PDT–S350型顶驱,形成了PTD–S350型、PTD–410型和FFD–500型等3种规格系列顶驱。
在DDM系列顶驱中,改进生产了DDM–650HY型顶驱,形成了DDM650HY型、DDM650HY(750)型、DDMS00DC/DDM650L–DC型、DDM650DC(750)型、DDM650DC"Frontier"(750)型等5种规格系列顶驱。
其中FID–S350型、PITD4l0型、PTD500型、DDM650HY型和DDM650HY(750)型等5种规格顶驱采用液压驱动,DDMS00DC/DDM650L–DC型、DDM650DC(750)型DDM650DC“Frontier”(750)型等3种规格顶驱采用AC–SCR–DC电驱动。
MaritimeHydraulics公司生产的顶部驱动系统的主要性能参数见表8和表9。
表8 MartimeHydraulics公司PTD系列顶部驱动系统主要性能参数I
型 号
PTD–S350
PTD410
PTD500
提升能力/kN
连续扭矩/(kN·m)
最大转速下的扭矩/(kN·m)
最大转速/(r/min)
最大扭矩下的转速/(r/min)
最大输入功率/kW
重量(包括滑车)/t
3500
46
21
200
90
580
4.7
4100
38
19
200
90
580
5.6
5000
54
33.2
235
140
1178
5.7
表9 MartimeHydraulics公司DDM系列顶部驱动系统主要性能参数Ⅱ
型 号
DDM500DC
DDM650L–DC
DDM650DC(750)
DDM650DC
“FRONTIER”(750)
DDM650
HY
DDM650HY(750)
最大输入功率/kW
提升能力/kN
连续扭矩/(kN·m)
最大转速/(r/min)
最大转速下的扭矩/(kN·m)
最大扭矩下的转速/(r/min)
重量(包括滑车)/t
783
6500
68.35
186
26.5
104
16
783
6500
68.35
186
N/A
104
20.4
1566
650/7500
88
240
N/A
163
24
6500
55
265
26.5
120
10
6500/7500
55
265
26.5
120
16
(二)国外顶部驱动钻井系统发展现状
(7)法国Acb公司
法国Alsthom公司的子公司Acb公司,研究开发了BRETFOR顶驱,水龙头冲管直径为76.2mm,采用液压马达驱动钻柱旋转,利用遥控液压元件进行控制。
主要技术参数见表10。
表10 法国Acb公司BRETFOR顶驱主要技术参数表
额定静载荷/kN
最大上扣扭矩/(kN·m)
最大转速/(r/min)
最大卸扣扭矩/(kN·m)
5000
55.30
240
182.49
(三)国内顶部驱动钻井系统发展现状
顶部驱动钻井系统是当今钻井装备中技术含量高并且复杂的机电液一体化的设备,全世界仅有少数几个国家拥有此项技术,我国是世界上继美国、挪威、加拿大、法国之后第五个生产顶驱的国家。
我国顶部驱动设备采用的是引进、吸收消化到自主设计制造。
80年代后期我国就开始了顶驱系统的调研和设计工作,1995年宝鸡石油机械厂研制成功了我国第一台6000m电驱动DQ–60D顶驱系统,在塔里木油田轮古1井进行了工业性试验,1997年年底通过产品鉴定,定型后已在长庆油田投入工业应用。
2004年年初,我国自己设计施工的首条顶部驱动钻井系统生产线,在北京石油机械厂建成投产。
首台具有自主知识产权的集机、电、液于一体的DQ70BS交流变频顶部驱动系统,在新疆油田经过一个月的试用获得成功。
专家鉴定认为,由中国石油勘探开发研究院和北京石油机械厂共同研制的顶部驱动钻井系统,在综合性能、配置、外观等方面
均达到国际一流,可以投入批量生产。
我国的顶部驱动设备尽管已取得了较好的成绩,但与国外顶驱装备20多年的研制历史相比,仍有差距。
目前我们还应当加强研制力量的投入,提高设备零部件的性能质量和可靠性,推广应用修井机用小型顶驱,在引进国外先进顶驱的基础上,研究出适合我国油田钻井特点的先进装置,不断完善我国的顶驱系列。
国内顶部驱动系统TDS研制情况
1.DQ–60D型顶部驱动钻井系统
DQ–60D(图2顶驱是集机、电(强电、弱电)、液、气技术于一体的高科技产品,研制成本仅为进口的一半。
主要特点:
①采用直流电驱动(中空电动机结构),成本低,可靠性高。
②采用单导轨支撑结构,大大降低了井架变形。
③立足国内,选用国外先进、成熟的关键元件,整机国产化率达到90%。
④采用液压驱动的回转头和双向倾斜臂。
⑤采用具有互锁、报警功能的机、电、液一体化控制技术。
主要技术参数见表11。
表1l DQ–60D型顶部驱动钻井系统主要技术参数
名义钻井深度(127mm钻杆)/m
最大钩载/kN
上吊环承载能力/kN
动力水龙头最大连续扭矩/(kN·m)
动力水龙头最大间断扭矩/(kN·m)
动力水龙头转速范围/(r/min)
输出功率/kW
旋转头速度/(r/min)
倾斜臂最大倾斜角度
倾斜臂回转半径(吊环长度2700mm)/mm
最大卸扣扭矩/(kN·m)
背钳通孔尺寸/mm
下吊环及吊卡额定负荷/
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