第七章 旋转系统_z

1、第七章第七章 旋转系统旋转系统 转盘、水龙头和顶驱装置转盘、水龙头和顶驱装置 转盘的功用转盘的功用 转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要 的转速。的转速。 下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱 或钻杆柱重量。或钻杆柱重量。 完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进完成卸钻头、卸扣，处理事故时倒扣、进 扣等辅助工作；涡轮钻井时，转盘制动上部钻扣等辅助工作；涡轮钻井时，转盘制动上部钻 杆柱，以承受反扭矩。杆柱，以承受反扭矩。 第一节第一节 转盘转盘 转盘的主轴承应有足够的强度和寿命。以保转盘的主轴承应有足够的强度和寿命。以保 证承

2、受成百吨重的套管柱或钻杆柱重量，及圆锥证承受成百吨重的套管柱或钻杆柱重量，及圆锥 齿轮传动造成的轴向、径向载荷作用下有足够的齿轮传动造成的轴向、径向载荷作用下有足够的 寿命。寿命。 转台和圆锥齿轮能传递足够大的扭矩（可达转台和圆锥齿轮能传递足够大的扭矩（可达 5050100kN100kNm m），能倒转，能可靠地制动。），能倒转，能可靠地制动。 密封性好，严防外界的泥浆、油水污液渗入密封性好，严防外界的泥浆、油水污液渗入 转盘内部，减缓齿轮和轴承的磨损。转盘内部，减缓齿轮和轴承的磨损。 转盘的使用要求转盘的使用要求 转盘结构组成 水平轴总成水平轴总成传递动力传递动力 n 水平轴；小伞齿轮；轴承

3、；输入链轮；制动装置水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置 (制动棘轮制动棘轮) 转台总成转台总成驱动方钻杆驱动方钻杆 n转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方 补心；泥浆密宫密封装置。补心；泥浆密宫密封装置。 壳体壳体连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油） 转盘的结构转盘的结构 转盘的工作原理转盘的工作原理 动力经水平轴上的法兰或链轮传入，通过圆动力经水平轴上的法兰或链轮传入，通过圆 锥齿轮传动转台，借助转台通孔中的方补心锥齿轮传动转台，借助转台通孔中的方补心 和小方瓦带动方钻杆、钻杆柱和钻头转动，和小方瓦带动方

4、钻杆、钻杆柱和钻头转动， 同时，小方瓦允许钻杆轴向自由滑动，实现同时，小方瓦允许钻杆轴向自由滑动，实现 钻杆柱的边旋转边送进。起下钻或下套管时，钻杆柱的边旋转边送进。起下钻或下套管时， 钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台 上。上。 特性参数特性参数 通孔直径：转盘通孔直径是转盘主要几何参数，它通孔直径：转盘通孔直径是转盘主要几何参数，它 应比第一次开钻时用的最大号钻头直径至少大应比第一次开钻时用的最大号钻头直径至少大10mm10mm。 最大静负荷：转盘上能承受的最大重量。最大静负荷：转盘上能承受的最大重量。 最大工作扭矩：转盘在最低工作转速时应达到的工

5、最大工作扭矩：转盘在最低工作转速时应达到的工 作扭矩。作扭矩。 最高转速：转盘在轻载荷下允许使用的最高转速，最高转速：转盘在轻载荷下允许使用的最高转速， 一般规定为一般规定为300r/min300r/min。 中心矩：转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的中心矩：转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的 距离。距离。 型号型号 例：例：ZP175，机械驱动转盘，通孔直径，机械驱动转盘，通孔直径17.5in （444.5mm） 第二节第二节 水龙头水龙头 钻井水龙头通过提环挂在大钩上，上部钻井水龙头通过提环挂在大钩上，上部 通过鹅颈管与很长的水龙带相连，下部接方通过鹅颈管与很长的水龙带相连，下部接方

6、钻杆，连接钻具，是钻机中非常具有专业特钻杆，连接钻具，是钻机中非常具有专业特 点的设备。点的设备。 1 1、主要功用、主要功用 悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部 钻具重量；钻具重量； 向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液向转动着的钻杆柱内引输高压钻井液 是起升、旋转、循环三大工作机组相交汇的是起升、旋转、循环三大工作机组相交汇的 “关节关节”部件，在钻机组成中处于重要的地部件，在钻机组成中处于重要的地 位。位。 2 2、对水龙头的要求、对水龙头的要求 水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命；水龙头的主轴承必须具有足够的强度和寿命； 高压钻井液密封系统（或

7、称冲管总成）必须高压钻井液密封系统（或称冲管总成）必须 工作可靠，寿命长，更换快速、方便；工作可靠，寿命长，更换快速、方便； 机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封 元件的磨损；元件的磨损； 各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应 有足够的强度和刚性。有足够的强度和刚性。 3 3、结构组成、结构组成 (1)(1)承载系统承载系统 中心管及中心管及 其接头、壳体、耳轴、提其接头、壳体、耳轴、提 环和主轴承（负荷轴承）环和主轴承（负荷轴承） 等。等。 (2)(2)钻井液系统钻井液系统 包括鹅包括鹅 颈管、钻井液冲管总成颈管

8、、钻井液冲管总成 （包括上、下钻井液密封（包括上、下钻井液密封 盒组件等）。盒组件等）。 (3)(3)辅助系统辅助系统 包括扶正、包括扶正、 防跳辅助轴承、机油密封防跳辅助轴承、机油密封 盒组件及上盖等。盒组件及上盖等。 功能：对高压、磨砺性强的钻井液进行动密封功能：对高压、磨砺性强的钻井液进行动密封 特点：特点： n冲管浮立在鹅颈管过渡接头和中心管之间，工冲管浮立在鹅颈管过渡接头和中心管之间，工 作时不转动，但允许略有轴向窜动，冲管磨损作时不转动，但允许略有轴向窜动，冲管磨损 均匀。均匀。 nY Y形密封圈与钢制隔环交迭布置。形密封圈与钢制隔环交迭布置。 n密封圈数目少，仅有密封圈数目少，仅

9、有3 34 4个。可通过密封盒上个。可通过密封盒上 黄油嘴注入黄油，润滑条件好，减少了摩擦能黄油嘴注入黄油，润滑条件好，减少了摩擦能 量损失和磨损。量损失和磨损。 n冲管和中心管同心性好。密封盒有定位止口，冲管和中心管同心性好。密封盒有定位止口， 圆柱配合面定心，保证冲管和中心管有很好的圆柱配合面定心，保证冲管和中心管有很好的 同心性，不易发生偏磨。同心性，不易发生偏磨。 n能快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒能快速拆装，更换方便。只需将上、下密封盒 压帽旋出，就可取出冲管总成，快速更换密封压帽旋出，就可取出冲管总成，快速更换密封 圈或冲管。圈或冲管。 浮动式快卸冲管总成浮动式快卸冲管总成

10、 4、特点、特点 轴承布置轴承布置 n 两扶正轴承分置于主轴承两边，扶正好两扶正轴承分置于主轴承两边，扶正好。 耐压耐压： 鹅颈管；冲管总成 n 冲管总成为快卸密封结构冲管总成为快卸密封结构（易损件） n 浮动冲管浮动冲管（工作时不转动，有轴向窜动有轴向窜动。），Y 形液压自密封、快卸结构 5、型号、型号 表示方法：表示方法： 例例SL1351，最大静负荷，最大静负荷1350kN水龙头，第水龙头，第 一次改型一次改型 第三节第三节 顶驱钻井系统顶驱钻井系统 一、概述 顶驱钻井系统（顶驱钻井系统（Top Drive Drilling System） 简称顶驱系统（简称顶驱系统（Top Drive

11、 System ）TDS： 从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导从井架空间上部直接旋转钻柱，沿井架内导 轨向下送进，完成钻进、循环钻井液、接立轨向下送进，完成钻进、循环钻井液、接立 根和上卸扣等多种钻井操作根和上卸扣等多种钻井操作 顶驱系统是钻井水龙头和钻井马达的组合，顶驱系统是钻井水龙头和钻井马达的组合， 因此应属于钻机旋转设备，因此应属于钻机旋转设备，“动动力水龙头力水龙头” 发展历程发展历程 1982年问世，美国年问世，美国Varco，AC-SCR-DC 80年代中期，挪威年代中期，挪威Ro-galand研发中心，引入研发中心，引入 交流变频，交流变频，AC-GTO-AC 90年代，交

12、流变频顶驱占主导地位，年代，交流变频顶驱占主导地位，MH、 Varco、Tesco、CANRIG公司公司 液压驱动顶驱液压驱动顶驱 顶驱系统是四大新技术之一顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹（顶驱、盘式刹 车、液压钻井泵和车、液压钻井泵和AC变频驱动）变频驱动） 二、顶驱钻井特点二、顶驱钻井特点 立根（立根（28m）钻进，节省）钻进，节省2/3接单根时间：转盘钻以接单根时间：转盘钻以 单根加长钻杆，顶驱以立根钻进井架不需加高。单根加长钻杆，顶驱以立根钻进井架不需加高。 可随时压井：起下钻时，任意高度需循环井液，水可随时压井：起下钻时，任意高度需循环井液，水 龙头可立即接上龙头可立即接上 设

13、遥控内防喷器（设遥控内防喷器（IBOP），安全性提高），安全性提高 减少卡钻事故：实现倒划眼起钻（钻头取不出时，减少卡钻事故：实现倒划眼起钻（钻头取不出时， 边转边提），实现划眼下钻（钻头下不去时，边转边转边提），实现划眼下钻（钻头下不去时，边转 边放）。没有联接方钻杆边放）。没有联接方钻杆 立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达立根钻水平井、丛式井、斜井时容易控制井底马达 的造斜方位。的造斜方位。 钻杆上、卸扣操作机械化。顶驱完成钻杆上、卸扣操作机械化。顶驱完成 立根钻进，提高取岩心质量。立根钻进，提高取岩心质量。 三、顶驱系统组成三、顶驱系统组成 组成组成: n钻井马达钻井马达-水龙

14、头总成水龙头总成 n导轨导向滑车总成导轨导向滑车总成 n上卸扣装置上卸扣装置 n控制系统：电气液联合控制控制系统：电气液联合控制 按驱动形式分类按驱动形式分类： n液马达顶驱液马达顶驱液马达；液马达； nAC-SCR-DC顶驱顶驱DC电机；电机； nAC变频顶驱变频顶驱AC电机电机。 AC变频电驱动变频电驱动 AC变频电驱动能更好地满足现代钻井工艺发展需要，具有更变频电驱动能更好地满足现代钻井工艺发展需要，具有更 好的好的钻井适应性、钻井经济性及可靠性与先进性钻井适应性、钻井经济性及可靠性与先进性。 比比ACSCRDC电驱动具有更多的优点，是一种成熟的调电驱动具有更多的优点，是一种成熟的调 速

15、技术，可精确地调节和控制速技术，可精确地调节和控制AC电动机的工作转速和扭矩；电动机的工作转速和扭矩； 调速范围宽广；调速范围宽广； 当转速为当转速为0时具有全扭矩；时具有全扭矩； 启动电流小，可加速启动和加速制动；启动电流小，可加速启动和加速制动； 过载能力强，工作效率高，反馈制动刹车；过载能力强，工作效率高，反馈制动刹车； 无电刷工作火花；无电刷工作火花； 具有多种安全保护功能；具有多种安全保护功能； 各项技术经济指标先进。各项技术经济指标先进。 顶驱系统结构顶驱系统结构 水龙头水龙头马达总成马达总成 导向滑车总成导向滑车总成 钻杆上卸扣总成。钻杆上卸扣总成。 1. 钻井马达钻井马达-水龙

16、头总成水龙头总成 TDS-3S型顶驱钻井马达型顶驱钻井马达-水龙头总成：水龙头总成：Varco公司，由水龙头、公司，由水龙头、 马达和一级齿轮减速箱组成。马达和一级齿轮减速箱组成。 （1）马达：用并激）马达：用并激DC马达。马达。 （2）水龙头：额定载荷）水龙头：额定载荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与；盘根盒为快速装卸式，与 普通水龙头的一致。普通水龙头的一致。 （3）气动刹车：在马达轴上端，快速制动。）气动刹车：在马达轴上端，快速制动。 （4）减速箱：马达轴下有小齿轮（）减速箱：马达轴下有小齿轮（Z=18），与主轴上的大），与主轴上的大 齿轮（齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻柱。）

17、相啮合，主轴下方接钻柱。TDS-3S变速箱是变速箱是 一个单速齿轮减速装置，减速比一个单速齿轮减速装置，减速比5.331。 （5）主轴：即水龙头的中心管。）主轴：即水龙头的中心管。 （6）润滑系统润滑系统 TDS-3S顶驱的油顶驱的油 润滑系统：润滑系统：油泵强油泵强 制润滑制润滑 （7）钻井马达冷却系统钻井马达冷却系统 马达冷却系统为风冷风冷。 图4-4为冷却系统的总体 安排。 用离心式鼓风机用离心式鼓风机对电对电 机进行强制冷却机进行强制冷却。 图图4-4钻井马达钻井马达 冷却系统冷却系统 近距离安装鼓风机近距离安装鼓风机 基本的马达冷却系统（ 看图4-5）,向钻井马达 提供近距离的冷却风

18、。 加高进气口的近距离加高进气口的近距离 安装鼓风机安装鼓风机（图4-5） 图图4-5加高进气口的近距离冷却系统加高进气口的近距离冷却系统 远距离鼓风机冷却远距离鼓风机冷却 系统系统 安装在井架上的远距安装在井架上的远距 离鼓风机，通过软管离鼓风机，通过软管 输送冷却风。输送冷却风。 图图4-6 远距离鼓风机冷却系统远距离鼓风机冷却系统 2. 导轨导轨导向滑车总成导向滑车总成 导向滑车和支撑装置总成导向滑车和支撑装置总成 如图如图4-7所示所示。 导轨导轨：装在井架内 导向滑车：导向滑车：由马达底座 和框架组成。 作用作用：对游车和顶驱起导对游车和顶驱起导 向向及及承受反扭矩作用承受反扭矩作用

19、。 80年代为双导轨，90年代 改为单导轨。 图图4-7 马达支架和导向滑车总成马达支架和导向滑车总成 3 . 上 扣 卸 扣 装 置上 扣 卸 扣 装 置 （Pipehandler） 由旋转头、吊环联接由旋转头、吊环联接 器、吊环倾斜机构和扭器、吊环倾斜机构和扭 矩扳手组成矩扳手组成。 图图4-8 650吨钻杆上卸扣装置总成吨钻杆上卸扣装置总成 S （1 1）液控扭矩扳手液控扭矩扳手 用处用处：卸扣卸扣。 原理原理：由液缸驱动由液缸驱动横向夹横向夹 紧活塞紧活塞夹紧钻杆母接头，两夹紧钻杆母接头，两 个转矩液缸驱驱动扭矩管，个转矩液缸驱驱动扭矩管， 转动保护接头及主轴转动保护接头及主轴松扣松扣

20、， 然后启动钻井马达然后启动钻井马达旋扣旋扣。 ， （扭矩液缸84kN-m；可 旋转25） 图图4-9 扭矩扳手总成扭矩扳手总成 （2）内防喷器及启动器）内防喷器及启动器 内防喷器内防喷器是球型安全阀是球型安全阀，防止泥防止泥 浆溢流浆溢流。 上部远控内防喷器和下部手动内上部远控内防喷器和下部手动内 防喷器防喷器，形成内井控防喷系统。 上部远控内防喷器是钻杆上卸扣 装置的一部分。当上卸扣时，扭矩 扳手同远控上部内防喷器的花键啮 合形成扭矩。 下部与上部内防喷器型式相同。 两个内防喷器一直接在钻柱中，可 随时将顶驱装置同钻柱连接使用。 （3 3）吊环联接器吊环联接器、吊环吊环 和钻杆吊卡和钻杆吊

21、卡 作用作用: :吊环联接器通过吊吊环联接器通过吊 环将下部吊卡与主轴相环将下部吊卡与主轴相 连连。 主轴穿过齿轮箱壳体， 又同整体水龙头相接。 图图4-11 吊环联结及限扭器总成吊环联结及限扭器总成 （4 4）吊环倾斜器吊环倾斜器 作用作用：去卡抱待接立根接去卡抱待接立根接 头。头。（吊鼠洞中的单根和接 立根） 气阀控制气弹簧，使吊环气阀控制气弹簧，使吊环 前倾前倾300，后摆，后摆600。 吊环倾斜器的倾斜臂位于 吊环的前部，由空气弹簧启 动。 图图4-12 长行程吊环倾斜装置总成长行程吊环倾斜装置总成 （5）旋转头总成）旋转头总成 当钻杆上卸扣装当钻杆上卸扣装 置在起钻中随钻柱置在起钻中

22、随钻柱 部件旋转时，旋转部件旋转时，旋转 头可自由旋转。头可自由旋转。 图图4-13 650t旋转头总成旋转头总成 4. 平衡系统平衡系统 主要对上卸扣起伸主要对上卸扣起伸 缩作用。缩作用。 防止上卸接头扣时 螺纹的损坏；在卸扣 时可帮助公扣接头从 母扣接头中弹出，类 似于大钩的152mm的 减震冲程减震冲程。 平衡系统组成： 两个相同油缸和两个相同油缸和 两个液压储能器两个液压储能器。 缸体端与整体水缸体端与整体水 龙头相连龙头相连，活塞杆端，活塞杆端 与大钩连接，与大钩连接，或者直或者直 接连到游车上接连到游车上。又称 液气弹簧式平衡装置液气弹簧式平衡装置。 （1）前期）前期TDS系统平衡

23、油缸连接方式系统平衡油缸连接方式 TDS-3型顶驱型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连平衡油缸下端和水龙头相连，上端和大钩相连上端和大钩相连 。它提供。它提供152mm的缓冲行程。的缓冲行程。 （2）整体式）整体式IDS系统平衡油缸连接方式系统平衡油缸连接方式 如如IDS-1型顶驱，型顶驱，平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连，上端上端 和游车相连接和游车相连接。取消了大钩，提供。取消了大钩，提供203mm的缓冲行程。的缓冲行程。 （3）新型）新型IDS系统平衡油缸的连接方式系统平衡油缸的连接方式 如如TDS-3S、TDS-9S型，型，平衡油缸的上端与游车平衡油缸的上端与

24、游车（当不用大钩（当不用大钩 时）时）连接连接，下端直接固定在水龙头提环上下端直接固定在水龙头提环上。 （4）平衡液压回路工作原理）平衡液压回路工作原理 该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压 系统来补油保压，不必单独加油泵。系统来补油保压，不必单独加油泵。 连接：连接：平衡系统的平衡系统的活塞杆上端与游车连接活塞杆上端与游车连接，油缸油缸 下端与水龙头连接下端与水龙头连接。油缸上腔始终通高压油，油缸产。油缸上腔始终通高压油，油缸产 生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头。生向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头。 工作过程：工作过程： 两个油缸向上的合拉两个油缸向上的合拉 力力大于大于顶驱和立根重量顶驱和立根重量 ，油缸带动顶驱和立根油缸带动顶驱和立根 上移上移。此时蓄能器放出 压力油供给油缸工作。 随着蓄能器内油液放出 ，油压降低，油缸的拉 力减小。 当油缸向上的拉力当油缸向