顶 部 驱 动 钻 井 系 统简介(VARCO)

顶部驱动钻井系统海外工程公司装备部李东明

正在钻进的VARCOTDS-11SA交流变频顶驱一、顶驱简介(一)顶驱的发展状况(二)顶驱系统的主要构成(三)顶驱的优点(四)中原油田顶驱使用情况二、顶驱的安装拆卸与维护保养(一)

VARCO顶驱的安装和拆卸(二)

VARCO顶驱的维护保养三、顶驱的操作(一)

VARCO司钻控制台操作说明(二)顶驱操作过程的注意事项(三)顶驱操作过程的禁止事项四、顶驱液压系统简介和液压元件的识别(一)液压元件的识别(二)液压系统简介(二)液压图示例简介五、顶驱的故障处理及应注意事项(一)顶驱的故障处理(二)处理故障时应该注意的事项一、顶驱简介（一）顶驱的发展状况

顶部驱动钻井系统(简称顶驱)被誉为钻井技术的革命性技术，具有自动化程度高、安全性能好、钻井速度快和劳动强度低等优点，在深井、大斜度井、欠平衡井、水平井、海洋钻井等复杂条件下钻井中有着广泛的应用前景。目前全球5000多台钻机中，已经有1000多台配备了顶部驱动系统，且呈快速增长之势。MHPTD-500顶驱CANRIG-500T顶驱TESCO250-HMIS顶驱TESCO500-HCI顶驱（二）顶驱系统的主要构成顶驱系统主要包括以下部分：1.顶驱主机（钻井单元）；2.悬挂部分（导轨、反扭矩系统）；3.自动控制单元（变频房、司控台）；4.动力部分（动力电源和电缆等）。（二）顶驱系统的主要构成（三）顶驱的优点

1．节省接单根时间

顶驱不使用方钻杆，不受方钻杆长度限制，避免了钻进9米左右接单根的麻烦。取而代之的是利用立柱钻进，大大节省了接单根的时间，从而节约了钻井时间。

2．倒划眼防止卡钻

顶驱具有使用28米立柱倒划眼的能力，可在不增加起钻时间的前提下，顺利地循环和旋转将钻具提出井眼。在定向钻井过程中，可以大幅度减少起钻总时间。

3．下钻划眼

顶驱具有不连接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。使用顶驱下钻时，可在数秒内接好钻柱，立刻划眼，从而减少卡钻的危险。

（三）顶驱的优点

4．人员安全

顶驱可减少接单根次数2/3，从而降低了事故发生率。接单根只需要打背钳。倾斜装置可以使吊环、吊卡向前摆至鼠洞和猴台，大大减少了人员工作的危险程度，降低了劳动强度。5．设备安全

顶驱采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。（三）顶驱的优点6．井下安全

在起下钻遇阻、遇卡时，顶驱可在任何位置与钻柱相连建立循环，进行立柱划眼作业,用方钻杆就做不到。在大位移井接单根划眼,卡钻、憋泵的危险性较大，特别在上提遇卡，下放遇阻时，很难接方钻杆循环。如使用顶驱，很容易在任何位置立即建立循环，大大减少了卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段，扭矩管及托架总成起扶正作用，保证套管居中。顶驱的IBOP(可遥控)，在发现井涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。（三）顶驱的优点7．井控安全在不稳定井眼中使用顶驱起钻时，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，顶驱可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内完成旋扣和紧扣，建立循环。遥控IBOP可安全控制钻柱内压力。8．便于维修顶驱钻井电机清晰可见，比驱动转盘的电机更易维修。驱动转盘的电机常常覆盖着泥浆，位于钻台下方看不见，维修难度大。顶驱整个系统由司控台控制，故操作方便、简单、可靠。（三）顶驱的优点9.下套管顶驱具有足够的提升能力，可采用常规方法下套管。在套管和主驱动轴之间加入一个转换接头（又称大小头）就可在套管中进行压力循环，无须再接入钢制水龙头旋转接头。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力，套管容易通过缩径的井眼。10.取心能够连续取心钻进28m，取心中间不需接单根。这样可以提高取心收获率，减少起钻次数，与传统的取心作业相比，它的优点是明显的，污染小，质量高。（三）顶驱的优点11.节约泥浆在上部内防喷器球阀下面接有泥浆截流阀，截流阀起保留钻井液的作用。常规钻井中，钻井液滞留在方钻杆中，卸扣后溢出漏失，除非花时间手动操作泥浆截流阀才能止流。

12.维护费用低电动顶驱初期采用直流电机驱动，目前使用的顶驱已开始使用交流技术，交流电机比直流电机轻,没有电刷、刷状齿轮和整流子，因此，保养费用低。另外，交流电机里没有放电装置。Varco公司生产的交流变频顶驱具有船装式液压系统，因而省去了独立的液压动力元件和液压回路，大大降低了附加费用。（四）中原油田顶驱使用情况

目前中原油田共有顶驱27台，其中美国Varco交流变频顶驱4台（TDS－11SA3台，TDS－10SA1台），CANRIG500吨顶驱一台；加拿大Tesco液压顶驱HMI-500一台,HMIS-250两台；挪威MH公司的PTD-500两台。其余为北石500吨顶驱。所有设备均可以在标准的43.28米井架内安全运行，TDS－10SA提升能力为250吨，其它顶驱的提升能力均为500吨，而且符合钻井施工和HSE规范要求，操作简单、安全、高效。（四）中原油田顶驱使用情况

这些顶驱由顶驱科负责管理，分别在苏丹、也门、沙特、科威特、毛里塔尼亚和哈萨克斯坦等国的钻井市场上使用。顶驱正逐渐成为海外钻井队的标准配置。油田赴国外施工的钻井队，如果钻机上安装了顶驱，会在投标竞争中优先中标。有的区块，若钻机没有配备顶驱，是不让投标的。（四）中原油田顶驱使用情况

自2000年顶驱在国际钻井市场上使用以来，在处理井下复杂情况、降低劳动强度、提高钻井时效等方面，充分发挥了它的优势，特别是在水平定向井的施工中，独显其能。顶驱的使用操作比较复杂，这对司钻等操作人员提出了很高的要求。二、顶驱的安装与拆卸（一）顶驱的安装

顶驱的安装包括：安装前的准备；安装导轨和顶驱主机；司控台的安装；变频控制房的就位；电缆的安装与连接。（一）顶驱的安装安装前准备：在天车底部安装吊耳（一）顶驱的安装安装前准备：安装连接板（一）顶驱的安装

将导轨按顺序放到跑道上，准备吊装（一）顶驱的安装

吊起第一节导轨（一）顶驱的安装

固定第一节导轨下部，防止其摆动（一）顶驱的安装将第二节导轨吊上钻台（一）顶驱的安装把1、2节导轨钩挂连接（一）顶驱的安装把1、2节导轨钩挂连接（一）顶驱的安装把1、2节导轨吊起并坐在钻台上（一）顶驱的安装安装1、2节导轨的连接固定销和安全销（一）顶驱的安装按相同步骤连接1-4节导轨，与连接板连接后并锁住。（一）顶驱的安装下放导轨提升筐（一）顶驱的安装将提升筐移离导轨（一）顶驱的安装固定第4节导轨（一）顶驱的安装将顶驱吊上钻台（一）顶驱的安装大钩挂在顶驱提环上（一）顶驱的安装用游车提起顶驱，把固定顶驱的第5节导轨与第4节导轨连接（一）顶驱的安装连接4、5节导轨（一）顶驱的安装4、5节导轨连接完毕（一）顶驱的安装

安装完导轨和顶驱主机，然后将变频房就位，再安装电缆。（一）顶驱的拆卸

顶驱的拆卸，与安装的程序基本相反。但应注意以下几点：1.拆掉吊环后，顶驱主机要摆正位；2.拆掉水龙带后，要释放中心管内的泥浆；3.及时断电。（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养1．齿轮变速箱A．选择正确的齿轮油：要求齿轮油满足AGMA标准的EP规格，且在齿轮箱内部工作温度下具有最低100SUS粘度。B．齿轮变速箱的润滑时间表：描述频率在第一次使用后更换齿轮油使用1月后更换齿轮油并分析油品每6个月一次更换齿轮油滤芯每3个月一次拆下，清洗和更换磁性放油嘴每年一次（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养1．齿轮变速箱对于环境温度低于20F的情况下，顶驱应在很小的载荷（小于200安培）和很低转速（低于50RPM）的情况下通过转动来预热，直至20F以上为止。如果油温升至200F以上，VARCO建议停机或减小载荷使温度稳定在200F以下。C．每日检查齿轮油液面。（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养2．液压系统A．润滑时间表：描述频率进行液压油品分析每6个月一次更换液压油一年，或根据油品分析结果更早进行更换液压系统滤芯每3个月一次B．每日检查液压油液面。在加入液压油前，油嘴附近必须清洁。（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养3．电机A．润滑时间表描述润滑点数冲数频率油料品种润滑交流电机45冲每3个月一次电机黄油润滑风机电机43冲每3个月一次电机黄油润滑液压泵电机23冲每3个月一次电机黄油B．推荐电机黄油：CHEVRON公司生产的BLACKPEARLEP2（不允许替代）。（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养4．常规润滑保养A．润滑时间表：描述润滑点数冲数频率油料品种冲管总成11冲每天常规黄油上盖油封11冲每周常规黄油吊耳销子22冲每周常规黄油旋转头齿轮—每周常规黄油旋转头连接器23冲每周常规黄油IBOP启动轮液缸销子51冲每天常规黄油IBOP启动摇臂21冲每天常规黄油（二）顶驱的维护保养顶驱的润滑和保养描述润滑点数冲数频率油料品种上IBOP阀110冲每周常规黄油扶正补心41冲每天常规黄油背钳液缸门22冲每天常规黄油滑动架总成81冲每周常规黄油背钳反钮矩架4每周常规黄油吊环耳眼4每周丝扣油B．注意事项：严酷的工况，如大载荷或极端温度，腐蚀性气体等，可能需要更频繁的润滑；耐磨补心，捆绑件，易生锈处以及异常工况需要更频繁的润滑；请留意不可过度润滑部件。三、顶驱的操作(一)VARCO司钻控制台的操作说明(一)VARCO司钻控制台的操作说明上扣扭矩设定旋钮司控台气压缺失指示灯:红灯闪,喇叭鸣钻进/旋扣/紧扣选择开关:钻进选DRILL;上卸扣选SPIN;紧扣选TORQUE油压缺失指示灯:红灯闪,喇叭鸣风机失效指示灯:红灯闪,喇叭鸣钻井电机过热指示灯:红灯闪,喇叭鸣报警消除/指示灯检测液压动力选择开关:正常钻进选AUTO;其它可选ON吊环钻进/断开/倾斜开关:吊环后摆选DRILL;前伸选TILT;保持选OFF.吊环自由浮动按钮:按下吊环浮动回中位背钳启动/抓握开关:卸扣时,按下并保持,直至扣开.(3秒内)管子处理器左/右旋转开关.此功能只有在LINKTILTFLOAT开关按下时才起作用.(一)VARCO司钻控制台的操作说明刹车指示灯:红灯亮,刹车.刹车断开/自动/启动选择开关:正常时选AUTO,定向时选ON.上IBOP关闭指示灯:关闭时,黄灯亮上IBOP打开/关闭选择开关紧急制动开关:按下时,变频器关闭变频器故障:红灯闪,喇叭鸣主轴反转/关/正转选择开关:卸扣时选REVERSE.钻进扭矩设定钻井调速手轮:调节转速(一)VARCO司钻控制台的操作说明扭矩表:以ft.lb的形式显示钻井扭矩/上扣扭矩/卸扣扭矩转速表:以rpm显示主轴转速(二)顶驱操作过程的注意事项1.手轮应缓慢转动到所需要的转速。2.刹车开关的“AUTO”档用于定向钻进，正常钻进在“OFF”档。3.当堵转时，首先保持手轮不动，保持堵转扭矩，上提、下放顶驱，找到一个能够恢复旋转的位置。若以上措施不能够恢复旋转，就必须释放堵转扭矩。办法是：保持手轮不动，非常缓慢地将钻井扭矩设定值减小，这样就可控制钻具缓慢反转，扭矩值也随之减小，直至为零。这时才可将手轮回零位。若操作不当，会损坏刹车系统和动力系统。(二)顶驱操作过程的注意事项4.司控台为正压防爆，内放干燥剂除湿；禁用流体冲洗。5.在打表层或出现非顶驱故障原因的剧烈震动时，应该适当降低转速，以避开顶驱共振点，避免顶驱因剧烈震动造成损坏。6.用“吊环倾斜功能”协助井架工和钻工排放钻具。但不可超载使用该功能(在“TILT”状态下,吊卡负荷不得大于1吨)(二)顶驱操作过程的注意事项7.起、下钻铤：钻铤的规格大小不同，有的一个立柱钻铤远远超过1吨。为保证“倾斜”功能不过载，必须按以下程序操作:

A、起钻铤时，卸开扣以后应该先将钻铤下部先拉到立根盒，下放顶驱，使钻铤下部接触到立根盒，然后才可以使用吊环倾斜功能将钻铤上部送到接近井架工的位置。

B、下钻铤时，应在扣好吊卡后将吊环倾斜油缸先复位到“浮动”状态，然后才可以提升钻铤。否则就可能造成吊环倾斜油缸损坏。(二)顶驱操作过程的注意事项8.定向钻井操作时，根据钻井工艺要求钻具不旋转时，应该将顶驱刹车置于“ON”；在其他定向井工艺过程允许钻具旋转时，刹车均置于“AUTO”位置。9.定向作业中顶驱钻井扭矩设置必须大于动力钻具的最大输出扭矩。如果在复合钻井过程中发现顶驱反转，必须立即加大钻井扭矩的设定值。10.当使用井下动力马达钻井时，应保证顶驱刹车扭矩值大于动力马达的最大扭矩输出值，因此需要经常检查刹车是否可靠。(三)顶驱操作过程的禁止事项在吊环、吊卡承载的情况下，绝对禁止旋转主轴和旋转头。因为承载环在载荷作用下，起浮动作用的浮动油缸被压缩，承载环与主轴上的承载卡箍直接接触，此时如果旋转主轴，就会造成承载环与承载卡箍的接触面产生相对运动，从而导致摩擦，进而导致磨损而失效。在操作系统中没有这项保护的互锁功能，操作者应该切记！(三)顶驱操作过程的禁止事项震击是钻井过程中经常使用的解除卡钻的手段之一。为防止损坏顶驱，禁止在井口或接近井口的部位安装震击器进行震击作业。若必须进行震击作业，震击器离开井口的深度不得小于1500米（或5000英尺）。使用大于12英尺的吊环作业时，禁止使用“吊环倾斜”功能，以避免倾斜油缸过载而损坏。在使用9英尺吊环时，也应避免在倾斜状态下让吊卡承受超过1吨的载荷。(三)顶驱操作过程的禁止事项在加速、减速时应该避免调速过快，否则不利于钻井安全，也不利于顶驱的安全运行。禁止反复快速地加速→减速→加速→减速（也就是将手轮快速从最小位置拧向最大位置，又从最大位置拧向最小位置，反复进行），这种错误操作除了对顶驱系统的安全运行有害以外（导致系统母线过电压和动力制动模块失效），还可能导致钻具落井事故。在使用顶驱时，严格禁止使用地面下击器。(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别电动顶驱的液压系统主要承担辅助机械手功能液压顶驱的液压系统又分为主系统和辅助系统两部分液压顶驱的主系统结构相对简单，主要承担钻井任务，但往往受到辅助系统的制约液压顶驱的辅助系统不受主系统的制约，可以单独运行(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别(四)顶驱液压系统简介和液压元件的识别

下面分别以VARCOTDS-10SA,11SA的液压图，MHDPT-500液压图，TESCO250T-HMIS液压图进行示例讲解。(五)顶驱故障处理(五)顶驱故障处理AC风机电机的故障处理

故障故障原因处置措施风机内有机械噪音叶轮松动电机轴承问题用带锁线的螺丝重新安装叶轮和轮毂需要修理或更换风机间歇运行线路问题或松动电机启动器问题导线断开需要查找和修理检查启动器线圈是否有灰尘和杂物。需维修或更换。使用备用导线。在风机运行的情况下电机的过热、超温报警风机转向反导线断开证实风机转向正确。使用备用导线。(五)顶驱故障处理液压系统故障处理

注意事项□为了处理故障电器控制系统可以旁通，通过手动动作电磁阀来操作相应功能。▲在操作电磁阀时，要提醒顶驱附近的所有人员。在你操作电磁阀时，你就解除了安全互锁，顶驱部件可能运动从而引发严重伤害甚至死亡事故。(五)顶驱故障处理□在钻井电机对侧可以找到主液压阀块，上面有液压示意图上指示的测压点。使用压力测试盒可以测压。旋转吊环适配器的马达上也有测压点。□液压系统是预先调试好的。液压故障主要与故障阀件有关。污染或其他危害远多于系统失调。只有在其他故障原因都排除的情况下才能改变调试设定。液压系统故障处理

注意事项(五)顶驱故障处理AC钻井电机刹车故障处理

故障故障原因处置措施刹车不释放方向阀粘卡。检测方向阀，如需更换之。刹车释放了但仍然保持单向阀不开或刹车油管堵塞。刹车机械故障。必要时更换单向阀或刹车油管。更换刹车总成。刹车不工作或打滑刹车片上有液压油检查液压油泄漏点并维修。在司控台刹车开关打到ON位后，刹车工作延迟液压油污染。减压阀失灵。更换液压油。更换该阀。(五)顶驱故障处理

三位方向阀控制旋转头左转或右转。依据选择的方向，压力分别施加在液马达的A口或B口。自动复位功能由处理器控制并且能使工具（旋转头）返回到中位。

※A、B口的最大载荷压力是1600psi.如果旋转吊环适配器是自由旋转，载荷压力要小于最大值。短销必须伸出锁定，才能达到满载压力。(五)顶驱故障处理旋转吊环适配器（旋转头）马达故障处理

故障故障原因处置措施旋转吊环适配器（旋转头）不动作方向控制阀或减压阀粘卡。检查、修理或更换阀。在电磁阀通电时，查看压力变化。如无压力变化，试着手动操作电磁阀。▲在操作电磁阀时，要提醒顶驱附近的所有人员。在你操作电磁阀时，你就解除了安全互锁，顶驱部件可能运动从而引发严重伤害甚至死亡事故。电磁阀没有通电动作。检查电路连接和阀的功能。马达破旧或齿轮牙齿缺损断掉。更换液马达短销伸出锁定。调节减压阀机械干涉（卡阻）。检查和修理方向阀不移动。测试左右压力。更换方向阀阀节流孔堵塞。清洗节流孔或更换阀。液压管线破损。更换液压管线。(五)顶驱故障处理AC钻井电机刹车是弹簧复位释放和施压2000psi制动的刹车。通过操控电磁阀施加油压，进行刹车或释放压力解除刹车。为测试本系统，将司控台上的AUTOBRAKES开关打到ON位。在主液压阀块测压点B1处接上压力表。压力读数应为2000psi.将AUTOBRAKES开关打到OFF位。压力读数应很低。如果压力高，则电磁阀可能粘卡。(五)顶驱故障处理IBOP执行液缸故障处理

故障故障原因处置措施安全阀泄漏内部零件损坏。执行器没有正确动作。检查损坏的零件，如需维修或更换之。检查执行器的机械操作。检查减压阀。主轴运转时有异常振动。驱动轭轴套或执行器衬套磨损。滚轮磨损或损坏。更换轴套（衬套）。修复或更换滚轮或滚轮架。液缸不动做减压阀节流孔堵塞。储能器没有充气。无系统压力。测试压力并调节或更换减压阀。测试储能器压力，需要时补充氮气。检查液压系统运行情况。(五)顶驱故障处理IBOP在开位时液缸处于低液压压力下，A4=500psi,B4和C4相等，且小于100psi。当你关闭IBOP时，高压作用于液缸。A4小于100psi；B4和C4是2000psi。当电磁阀掉电时，是打开IBOP，延时一小段时间后A4压力达到500psi。延时一小段时间后B4压力小于100psi而C4达到2000psi。时间延迟是通过延时储能器执行的。测试系统时，给IBOP电磁阀通电并测量B4点的压力，应为2000psi。A4点的压力降至500psi。打开IBOP并测试A4点压力，压力增至2000psi。B4和C4点的压力降至500psi。(五)顶驱故障处理短销液缸和背钳夹紧液缸故障处理

故障故障原因处置措施短销不啮合电磁阀不动作或减压阀不调节。B5和C5点压力异常显示阀有问题。B5和C5点压力正常说明管线或短销液缸有问题。检查是否加电和测压力。根据需要调节。更换方向控制阀。修理管线或短销液缸。短销在旋转头齿轮盘上施加过大的力减压阀不工作或调节超限。测试压力并根据需要调节。背钳夹紧液缸不动作液缸上没有压力或压力低。液缸损坏。ⅰ向背钳液压回路提供的高压在C5点必须是2000psi而G5点必须小于100psi。如果条件满足，CP点压力应从不足100psi升至高于2000psi。如果条件不满足，检查管件、旋转头和背钳夹紧液缸。当夹紧时，CR点压力应为CP点压力的2.7倍。当钳牙咬住钻杆时，CR点压力低于100psi。如果该点压力不降，说明单流阀CNEC受到污染。测试压力并根据需要调节和修理。检查液缸并维修或更换。修理管件，旋转头或背钳夹紧液缸。清洗或修理CNEC阀。短销啮合但背钳夹紧液缸不动作控制阀不工作。检查C5点压力。如果需要更换阀CV5或更新阀块。(五)顶驱故障处理当短销和背钳夹紧液缸不动作时，短销在全压作用下是完全缩回的，而背钳夹紧液缸是在500psi的压力作用下缩回的。当你给夹背钳紧液缸电磁阀通电时，短销液缸也相对旋转齿轮动作，并且它可能与24个孔中的其中之一错过。控制系统脉冲地启动旋转头缓慢运动直至短销与旋转的齿轮盘上的一个孔啮合。一旦短销与孔啮合，系统压力就完全施加在C5上，接着打开阀CV5，并将系统压力完全施加在背钳夹紧液缸的关闭动作上。当背钳夹紧液缸电磁阀断电时，背钳释放并且短销从孔中拔出。(五)顶驱故障处理在静止时，C5点的压力是2000psi，B5点的压力小于100psi，CP点压力小于100psi，CR点压力500psi。当你给电磁阀SV5通电，或手动操作该阀时，短销液缸筒内的压力增加。该压力由一个0.031的减压阀控制，以防止短销以全力作用于旋转头齿轮盘表面，直到短销与其中一个孔啮合。B5点压力200psi(被减压阀限定)，C5点压力小于100psi，G5点压力小于100psi，CP点压力小于100psi，CR点压力小于100psi。一旦短销与孔啮合，系统压力完全施加在C5点，控制阀CV5打开使背钳夹紧。B5点的压力是2000psi，C5点压力是2000psi（迫使让背钳夹紧的阀CV5打开），G5小于100psi，CP点2000psi，CR点小于100psi。当电磁阀SV5断电时，短销液缸缩回短销，同时背钳松开。液压回路回到静止状态。。(五)顶驱故障处理平衡系统故障处理

故障故障原因处置措施没有平衡功能平衡液缸损坏。密封漏失