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頂部驅動鉆井系統

自1982以來,國外第壹套頂驅鉆井系統(頂驅)成功鉆成壹口井斜32o、井深2981m的定向井,得到迅速發展和廣泛應用。頂驅的制造商也從美國和挪威擴大到包括法國和加拿大在內的四個國家的七家公司。之後,中國和英國也加入了該裝置的生產行列,實現了鉆機自動化進程的階段性跨越。目前,美、加、挪的頂驅裝置產品已形成系列,從海上鉆機推向陸地鉆機(包括傾斜垂直鉆機),從電驅動鉆機推向柴油驅動鉆機(王紅英等,2005)。

頂部驅動鉆井裝置是當今鉆井設備中高科技、復雜的機電液壹體化設備,已成為現代鉆機的重要配置,是21世紀三大鉆井設備之壹。世界上只有少數幾個國家有這項技術。頂部驅動鉆井裝置是壹種替代轉盤鉆井的新型石油鉆井設備。與傳統的旋轉鉆井方法不同,頂驅裝置可以壹次鉆壹根立柱,造斷時間減少三分之二。起鉆遇阻遇卡時,可快速連接鉆具,邊旋轉邊循環,進行倒劃眼,可大大減少卡鉆事故。

1.2.1國外頂驅鉆井系統

1.2.1.1美國國民油井Varco公司

美國Varco公司是最早研發頂驅的公司之壹,先後研發了10多種頂驅。目前,該公司生產的頂驅居世界油田首位。其中IDS-1(負載5000kN)、TDS-4H(負載6500kN)、TDS-4S(負載7500kN)、TDS-6S(負載7500kN)頂驅采用AC-SCR-DC電傳動,串勵或並勵DC電機。TDS-8SA(載重6500kN)、TDS-9SA(載重4000kN)、TDS-10SA(載重2500kN)、TDS-11SA(載重5000kN)頂驅均采用交流變頻電機驅動。TDS-9SA和TDS-11SA/SE頂驅由兩臺交流異步電機驅動,其他頂驅由壹臺電機驅動。TDS-11SA頂驅屬於Varco公司最新型號,其顯著特點是:體積小、重量輕、搬遷方便、安裝省時(Varco頂驅安裝是頂驅設備中最省時的);由於液壓系統完全安裝在頂驅體內,壓力損失較小,系統移動迅速;西門子提供的變頻系統性能穩定,技術成熟,故障率相對較低。因此,Varco公司的TDS-11SA和TDS-9S頂驅具有很高的市場占有率,尤其是在陸地鉆井市場。缺點是液壓系統完全位於頂驅本體上,難以檢查和解決液壓系統故障(李傳華等,2005)。

美國國家油井公司最初生產三種頂驅:PS-350/500、PS-500/650和PS500/650(雙速)。近兩年研發了PSZ-650/650型(載重6500kN)和PSZ-750型(載重6500kN)雙速傳動機構頂驅,PS-500/650型頂驅改進為PS-500/500型(載重5000kN)。PS-500/650(雙速)頂驅改為PSZ-500/500(載重5000kN)頂驅,保留PS-350/500(載重3500kN)頂驅,形成五個規格的頂驅新系列。

1.2.1.2美國Boven公司

美國Boven公司目前有ES-7和中小型系列頂驅三個型號(TD-120P,TD-250HTP,TD-350P)。該系列頂驅可用於鉆井和修井,使用方便。

1.2.1.3美國BJ公司

美國BJ公司開發了額定起重量為5000kN的AC-SCR-DC電驅動頂驅。

1.2.1.4加拿大Tesco公司

加拿大Tesco公司最初生產三種液壓頂驅,即150MHI、500HS和500HC。到1998,10月份65438+10月份* *生產了150多套。由於電動頂驅具有更好的鉆井性能和適應性,Tesco公司從1996開始生產交流變頻電動頂驅,采用美國Kaman公司的PA44永磁同步電機。目前樂購生產的液壓驅動和電驅動頂驅基本形成了150HMI(載荷1500kN)、500HC/HCI(載荷5000kN)、650HC/HCI(載荷6500kN)、500ECI(載荷5000kN)、650。

1.2.1.5加拿大Canrig公司

加拿大Canrig公司不僅生產AC-SCR-DC電驅動頂驅,還生產交流變頻電驅動頂驅。6027E(載重2500kN)、8035E(載重5000kN)、1050E(載重7000kN)、1165E(載重9000kN)四種規格的頂配傳動均為單速傳動。另外還有6027E-2SP(載重2500kN)、6170E-2SP-HELI(載重2500kN)、1050E-2SP(載重7000kN)、1165E-2SP(型。1998年夏天,Canrig公司研發了第壹臺額定載荷為6500kN的交流變頻電驅動頂驅,基本形成了1500、2750、5000、6500、7500kN規格的五個交流變頻電驅動頂驅系列。

1.2.1.6挪威MH公司

挪威MH公司生產的PTD-350(載重3500kN)、PTD-410(載重4100kN)、PTD-500(載重5000kN)、DDMY650HY(載重6500kN)、DDM650HY(載重750)。DDM500DC(負載6500kN)、DDML650L-DC(負載6500kN)、DDM650DC(負載6500kN/7500kN)、DDM650DC(負載5000kN)四種規格的頂驅,采用AC-SCR-DC驅動。

1.2.1.7法國Acb公司

法國Acb公司開發了額定靜載荷為5000kN的BRETFOR液壓頂驅。

1.2.1.8德國BRR公司

德國BRR公司開發了RB130(載荷1700kN)和RB135(載荷1700kN)系列液壓頂驅。

1.2.2國內頂驅鉆井系統

20世紀末,中國開始研制頂部驅動鉆井系統。中國石油勘探開發研究院等單位先後研制出DQ60D、DQ60P DC驅動頂驅和DQ30Y液壓頂驅。2003年,中國石油勘探開發研究院與北京石油機械廠合作,研制出國內首臺DQ70BS交流變頻頂驅鉆井裝置,代表了國內頂驅的最新技術成果和發展方向。

1.2.2.1北京石油機械廠

北京石油機械廠開發了DQ30Y(載荷1700kN)、DQ40BC(載荷2250kN)、DQ50BC(載荷3150kN)、DQ70BSC(載荷4500kN,圖1.4)、DQ90BSC(載荷6750kN)系列。DQ30Y是我國研制的第壹臺液壓頂驅。DQ70BSC和DQ90BSC(表1.9)為交流變頻頂驅。交流變頻頂驅的技術特點;

1)動力水龍頭采用進口交流電機,交流變頻驅動;

2)動力水龍頭裝置采用進口推力軸承和特殊結構設計,抵抗鉆柱縱向振動;

3)鉆桿搬運裝置的傾斜機構可向前、向後傾斜或360度旋轉,有利於鉆井時抓取鉆桿,使主軸更靠近鉆臺,使鉆柱得到充分利用;

4)運管裝置采用側背鉗,背鉗隨吊環轉動;

5)采用機、電、液、信息壹體化控制技術,自動化程度高。

圖1.4 DQ70BSC頂驅

表1.9北京石油機械廠交流變頻頂驅鉆井裝置主要技術參數

2007年5月中旬,DQ120BSC頂驅(載荷9000kN)被列為國家863計劃,中國石油重大科技項目65438+200萬m鉆機頂驅裝置(表1.9)在北京石油機械廠通過專家組設計審查。這意味著中國的頂級驅動技術將再次升級。評審專家認為“北京石油機械廠完成的DQ120BSC頂驅設計充分考慮了頂驅的工況,其主要性能指標和總體設計能夠滿足12000 m鉆機的作業要求。圖紙、工藝、技術規範齊全,符合相關標準要求,同意樣機投入試制。”

1.2.2.2盤錦遼河油田天壹石油裝備有限公司

盤錦遼河油田天壹石油裝備有限公司生產DQ-40LHTY3(載荷2250kN)、DQ-50LHTY1(載荷3150kN)、DQ-70LHT1(載荷4500kN,圖1.5)系列頂驅產品。性能特點:①機電液壹體化控制技術,變頻器交流輸出參數與電機特性匹配,可根據用戶要求設計PLC程序,具有監測、報警、自診斷、保護、聯鎖等功能,更符合鉆井條件。②交流變頻電機實現無級調速,采用全疊片硬繞組結構,傳動功率高,抗過載能力強。(3)采用雙載荷通道,即鉆進時加載減速器軸承,起下鉆時加載旋轉頭軸承,提高了軸承和主軸的使用壽命及鉆柱的抗縱向振動能力。(4)旋轉頭只用兩條油路向傾斜油缸供油,實現吊環的前擺和後擺,每條油路都是雙重密封,防止泄漏事故,提高設備使用的可靠性;起下鉆時,允許旋轉頭隨鉆具旋轉,便於事故處理。⑤采用插入式內套結構,背鉗和IBOP氣缸不隨旋轉頭轉動,結構簡單。⑥專利傾斜背鉗夾緊扭矩大,夾緊可靠,便於更換保護接頭、鉗牙等易損件。⑦主液壓泵可在鉆孔和定向過程中關閉,延長了泵的使用壽命。即使液壓系統停止工作,也可以進行鉆孔、鉆井和起下鉆作業。⑧集成液壓系統和油箱集成在頂驅本體上,發熱量低,安裝方便。⑨專利新型單導軌采用單銷及鎖緊機構,安裝拆卸簡單快捷。

圖1.5 DQ-70LHTY1頂驅

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