第七章 旋转系统-z

第七章旋转系统转盘、水龙头和顶驱装置转盘的功用①转动井中钻具，传递足够大的扭矩和必要的转速。②下套管或起下钻时，承托井中全部套管柱或钻杆柱重量。③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，转盘制动上部钻杆柱，以承受反扭矩。第一节转盘①转盘的主轴承应有足够的强度和寿命。以保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寿命。②转台和圆锥齿轮能传递足够大的扭矩（可达50～100kN·m），能倒转，能可靠地制动。③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。转盘的使用要求转盘结构组成水平轴总成—传递动力水平轴；小伞齿轮；轴承；输入链轮；制动装置(制动棘轮)

转台总成—驱动方钻杆转台；大伞齿轮；主轴承；防跳轴承；方瓦；方补心；泥浆密宫密封装置。壳体—连接，储油润滑（靠小锥轮旋转带油）

转盘的结构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，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，钻杆柱或套管柱可用卡瓦或吊卡座落在转台上。

特性参数通孔直径：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10mm。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作扭矩。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300r/min。中心矩：转台中心至水平轴链轮第一排轮齿中心的距离。型号例：ZP175，机械驱动转盘，通孔直径17.5in（444.5mm）第二节水龙头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，下部接方钻杆，连接钻具，是钻机中非常具有专业特点的设备。1、主要功用悬持旋转着的钻杆柱，承受大部分以至全部钻具重量；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“关节”部件，在钻机组成中处于重要的地位。2、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；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；机油密封良好，能自动补偿工作过程中密封元件的磨损；各承载零件，如提环、壳体、中心管等，应有足够的强度和刚性。

3、结构组成

(1)承载系统中心管及其接头、壳体、耳轴、提环和主轴承（负荷轴承）等。

(2)钻井液系统包括鹅颈管、钻井液冲管总成（包括上、下钻井液密封盒组件等）。

(3)辅助系统包括扶正、防跳辅助轴承、机油密封盒组件及上盖等。功能：对高压、磨砺性强的钻井液进行动密封特点：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，冲管磨损均匀。Y形密封圈与钢制隔环交迭布置。密封圈数目少，仅有3～4个。可通过密封盒上黄油嘴注入黄油，润滑条件好，减少了摩擦能量损失和磨损。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同心性，不易发生偏磨。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，快速更换密封圈或冲管。浮动式快卸冲管总成4、特点

轴承布置

两扶正轴承分置于主轴承两边，扶正好。

耐压：鹅颈管；冲管总成

冲管总成为快卸密封结构（易损件）

浮动冲管（工作时不转动，有轴向窜动。），Y形液压自密封、快卸结构5、型号表示方法：例SL135—1，最大静负荷1350kN水龙头，第一次改型第三节顶驱钻井系统

一、概述顶驱钻井系统（TopDriveDrillingSystem）简称顶驱系统（TopDriveSystem）TDS：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，因此应属于钻机旋转设备，“动力水龙头”发展历程1982年问世，美国Varco，AC-SCR-DC80年代中期，挪威Ro-galand研发中心，引入交流变频，AC-GTO-AC90年代，交流变频顶驱占主导地位，MH、Varco、Tesco、CANRIG公司液压驱动顶驱顶驱系统是四大新技术之一（顶驱、盘式刹车、液压钻井泵和AC变频驱动）二、顶驱钻井特点立根（28m）钻进，节省2/3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。可随时压井：起下钻时，任意高度需循环井液，水龙头可立即接上设遥控内防喷器（IBOP），安全性提高减少卡钻事故：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的造斜方位。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。三、顶驱系统组成组成:钻井马达-水龙头总成导轨导向滑车总成上卸扣装置控制系统：电气液联合控制按驱动形式分类：液马达顶驱—液马达；AC-SCR-DC顶驱—DC电机；AC变频顶驱—AC电机。AC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，具有更好的钻井适应性、钻井经济性及可靠性与先进性。比AC—SCR—DC电驱动具有更多的优点，是一种成熟的调速技术，可精确地调节和控制AC电动机的工作转速和扭矩；调速范围宽广；当转速为0时具有全扭矩；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；无电刷工作火花；具有多种安全保护功能；各项技术经济指标先进。顶驱系统结构水龙头—马达总成导向滑车总成钻杆上卸扣总成。1.钻井马达-水龙头总成TDS-3S型顶驱钻井马达-水龙头总成：Varco公司，由水龙头、马达和一级齿轮减速箱组成。（1）马达：用并激DC马达。（2）水龙头：额定载荷6500kN；盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致。（3）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（Z=18），与主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻柱。TDS-3S变速箱是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。（6）润滑系统TDS-3S顶驱的油润滑系统：油泵强制润滑（7）钻井马达冷却系统马达冷却系统为风冷。图4-4为冷却系统的总体安排。用离心式鼓风机对电机进行强制冷却。图4-4钻井马达

冷却系统

①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。②加高进气口的近距离安装鼓风机（图4-5）图4-5加高进气口的近距离冷却系统

③远距离鼓风机冷却系统安装在井架上的远距离鼓风机，通过软管输送冷却风。图4-6

远距离鼓风机冷却系统

2.导轨—导向滑车总成导向滑车和支撑装置总成如图4-7所示。①导轨：装在井架内②导向滑车：由马达底座和框架组成。作用：对游车和顶驱起导向及承受反扭矩作用。80年代为双导轨，90年代改为单导轨。

图4-7

马达支架和导向滑车总成

TDS-8S(AC)

3.上扣卸扣装置（Pipehandler）由旋转头、吊环联接器、吊环倾斜机构和扭矩扳手组成。图4-8650吨钻杆上卸扣装置总成

（1）液控扭矩扳手用处：卸扣。原理：由液缸驱动横向夹紧活塞夹紧钻杆母接头，两个转矩液缸驱驱动扭矩管，转动保护接头及主轴松扣，然后启动钻井马达旋扣。，（扭矩液缸84kN-m；可旋转25°）

图4-9

扭矩扳手总成

（2）内防喷器及启动器内防喷器是球型安全阀，防止泥浆溢流。上部远控内防喷器和下部手动内防喷器，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）吊环联接器、吊环和钻杆吊卡作用:吊环联接器通过吊环将下部吊卡与主轴相连。

主轴穿过齿轮箱壳体，又同整体水龙头相接。

图4-11吊环联结及限扭器总成

（4）吊环倾斜器

作用：去卡抱待接立根接头。（吊鼠洞中的单根和接立根）气阀控制气弹簧，使吊环前倾300，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4-12长行程吊环倾斜装置总成

（5）旋转头总成当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱部件旋转时，旋转头可自由旋转。

图4-13650t旋转头总成4.平衡系统主要对上卸扣起伸缩作用。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。

平衡系统组成：

两个相同油缸和两个液压储能器。缸体端与整体水龙头相连，活塞杆端与大钩连接，或者直接连到游车上。又称液气弹簧式平衡装置。

（1）前期TDS系统平衡油缸连接方式TDS-3型顶驱平衡油缸下端和水龙头相连，上端和大钩相连。它提供152mm的缓冲行程。

（2）整体式IDS系统平衡油缸连接方式如IDS-1型顶驱，平衡油缸的下端与钻井马达壳体相连，上端和游车相连接。取消了大钩，提供203mm的缓冲行程。（3）新型IDS系统平衡油缸的连接方式如TDS-3S、TDS-9S型，平衡油缸的上端与游车（当不用大钩时）连接，下端直接固定在水龙头提环上。

（4）平衡液压回路工作原理该液压回路消耗的液压能很少，可用其它液压系统来补油保压，不必单独加油泵。①连接：平衡系统的活塞杆上端与游车连接，油缸下端与水龙头连接。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。②工作过程：★两个油缸向上的合拉力大于顶驱和立根重量，油缸带动顶驱和立根上移。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。★当油缸向上的拉力小于顶驱和立根重量时，上跳过程由加速变为减速，最后停止上移。当向上提起整个钻柱时★钻柱和顶驱的重量大于油缸向上的拉力，油缸被拉下来，缸内排液，油液返回蓄能器。OnBoardHydraulics液压管汇总成液压油箱M10hpACMotor变量泵定量泵System储能罐IBOP储能罐平衡液缸储能罐顶驱自重平衡液缸平衡液缸阀汇电极盘刹旋转头锁销液缸旋转头悬浮液缸旋转头液压马达旋转头PiphandlerClampCylinder吊环倾斜液缸吊环倾斜阀汇UpperIBOP执行液缸齿轮油喷嘴/节流孔液压马达齿轮油泵齿轮油池10hp液压泵