顶驱钻井系统全面介绍课件

顶驱钻井系统全面介绍目录

1．概述2．顶驱的历史3．主要组成4．技术特点

5．技术评价6．设计制造中的一些问题7．顶部驱动钻井系统的经济技术评价8．主要生产厂家及产品特点

9．顶驱的发展21.概述顶驱钻井系统（TDS）是一套安装于井架内部空间、由游车悬持的顶部驱动钻井装置。利用水龙头与钻井马达相结合，配备一种结构新型的钻杆上卸扣装置（管柱处理装置），从井架的上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。

顶部驱动，是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进的驱动方式。3VARCO顶驱VARCO4传统钻井方式钻进过程：破岩排屑顿钻钻井——钻进过程不连续旋转钻井——钻进过程连续转盘钻井下动力5钻井新设备与新方法钻井新设备液控盘式刹车液压钻机交流变频驱动技术顶部驱动装置钻井新方法地质导向钻井6顶部驱动装置要解决的问题传统钻井工艺的薄弱环节（1）三大工作系统不能互济起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。我国千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。（2）方钻杆长度受限由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工、效率低，劳动强度大。7顶驱与转盘钻井的比较1转盘钻井方式2顶驱钻井方式8TDS驱动方式液压驱动液压马达外形尺寸很小，液压顶驱的本体尺寸能够满足小型井架的需要，该类顶驱的工作高度一般在5m以下。液压顶驱多数用于小型钻机上。电驱动

AC-SCR-DCAC变频9AC变频顶驱系统的主要优点为：(1)AC电动机效率高，经济性好；(2)AC电动机无电刷，可防爆，钻井安全且占空间小；(3)AC变频驱动，可精确调节工作转速与输出扭矩，具有更好的调节性能；(4)AC变频驱动零转速时具有全制动扭矩，可保证钻井安全。过载能力强，短时内可承受额定载荷的150%过载载荷。现阶段主要以AC变频顶驱系统为主。102．顶驱的历史第一台顶驱钻井系统由美国Varco公司于1982年研制成功，此后法国、挪威、加拿大和中国相继研制成功11（1）美国Varco公司的研制历程20世纪80年代。Varco公司从上世纪六十年代开始研制顶驱。在1981年年底研制出最初的TDS-l型牵引型顶部驱动钻井装置的系列马达原型，并作出了顶部驱动钻井装置TDS-2型的设计。1983年生产了单速（速比为5.33：1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，并由此形成了工业标准，这一标准改变了世界海洋与陆地钻探油气的方式。1988年研制开发了具有新标准的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型顶部驱动钻井装置，同年还生产了单速（速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生产的一种产品。12至20世纪80年代末，出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4型两种顶部驱动钻井装置由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机上得以应用。到85年Varco公司共销售顶驱82台。BJ公司从1985年开始生产销售顶驱，到1988年共销售顶驱8台，随后被Varco公司兼并，到1991年VarcoBJ公司共销售顶驱312台，其中300台用于海上钻井平台，中国当时有四台全用于海上钻井平台。131990年首先生产出了整体式水龙头，装配在TDS-3S、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上，得到广泛应用。141994年开发的TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升能力为400t，为第一台双交流电动机驱动式。1996年后该公司更研制出500t的TDS-11SA型及轻便的250t的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以TDS-10SA型引人注目，它具有低购置成本、轻便、高可靠性及低维护费等优越性，其紧凑尺寸使它可用于小型修井机和轻便钻机上。TDS-11SA型顶部驱动钻井装置是为快速轻便而设计的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音，并可获得225r/min的最高工作转速。该顶部驱动钻井装置由2台交流变频电机驱动。15VarcoBJ公司在1993年之后，就不再开发直流驱动马达的顶部驱动钻井装置，而是转向交流变频电驱动的顶部驱动钻井装置研制。如TDS-11SA（1994年），使用一对400hp的交流驱动电机，重要较轻，尺寸较小，而产生的扭矩特性却接近于一台1100hp的直流电动机。选用交流电机具有明显的特点：它可靠性高，维护少，无污染、作业范围大，满扭矩负荷时可以达1min，而无电火花，安全性好，因此得到用户认可。交流电动机既可使用钻机自身的动力装置带动，又可使用750V直流电源，或直接用工业网电驱动，这种灵活性使得它使用范围宽广。16VARCO公司顶驱参数17TDS-11SA技术参数：

API提升载荷：500吨（S）整体式水龙头双交流电机：2×350马力减速箱齿轮传动比：10.5连续工作扭矩：51.75kNm间歇工作扭矩：67.34kNm适用钻杆尺寸：3½～5in

静音斜齿轮传动18（2）中国的研制发展过程我国从20世纪80年代末开始跟踪这一世界先进技术，1993年列入原中国石油天然气总公司重点科研计划，由石油勘探开发科学研究院北京石油机械研究所、宝鸡石油机械厂及大港石油管理局等单位联合承担试制开发任务。研制中科研人员与国内多家厂家积极合作，克服资料、材料不全等许多困难，认真按照计划执行。突出的是打破了国外关于空心电动机的垄断，解决了一批机、电、液、气一体化的技术难题，于1995年完成样机，并在台架试验中不断改进完善。191997年4月样机安装在塔里木60501钻井队钻机上进行工业试验，适应多种复杂钻井要求，当年胜利完成任务，完钻井深5649m，垂深5369m，水平位移550m，井斜角70度。该井在试验期间，起下钻约50次，多次遇阻遇卡，利用顶部驱动钻井装置均能顺利通过。国产顶部驱动钻井装置的成就，宣告了我国DQ-60D型顶部驱动钻井装置已研制成功，标志着我国钻机自动化实现了历史性的阶段跨越，我国已经成为世界上第五个可以制造顶部驱动钻井装置的国家。201997年12月国产顶部驱动钻井装置通过了原中国石油天然气总公司的鉴定，鉴定书中认为：“该装置是结合我国实际情况，参考国外技术，自行设计并研制成功的大型机电一体化设备，填补了国内空白，并在总体技术上达到国外90年代先进水平。”之后，该项目荣获原中国石油天然气总公司科技进步一等奖和国家科技进步三等奖。21我国生产的DQ-60D型顶部驱动钻井装置，名义钻井深度6000m；最大钩载4500KN，动力水龙头最大扭矩40kN·m，转速范围0～183r/min，无级调速；直流电机最大输出功率940kw；倾斜臂最大倾斜角，前倾30度，后倾15度；回转半径1350mm；最大卸扣扭矩80kN·m；上卸扣装置夹持钻杆范围φ89~φ216mm（3.5～8.5in）。在工业试验中，经历了跳钻、蹩钻、划眼等多种考验，表明DQ-60D型产品的性能优良，质量可靠。22DQ-60D型顶部驱动钻井装置采用直流电驱动，故主轴可无级调速、扭矩可任意设定，其倾斜臂为双向的，不仅可前倾到鼠洞抓取钻杆或排放钻杆；而且可实现后倾．在下钻时，使2个吊卡交替应用，非常方便。DQ-60D型产品采用了液压驱动回转头，而且是正反转互锁的。现场实验表明，回转头与倾斜臂动作协调，操作方便、快捷，而且实现了上卸扣机构的动作与回转头旋转互锁，保证了工作安全。由于上述革新，使DQ-60D型产品较国外产品更进一步发挥了顶部驱动的优越性，在钻井遇阻、遇卡时，可迅速接上钻具划眼或倒划眼，避免事故发生；在井喷、井涌时可迅速关闭内防喷器，防止井喷；在钻井时实施立根钻井，提高钻井速度，使我国DQ-60D型顶部驱动钻井装置赶上了90年代同类产品的世界先进水平。23国产顶驱现在我国已经能够生产从3000m到12000m的顶驱装置，其参数符合我国钻机标准。生产厂家：北京石油机械厂辽河天意石油装备有限公司宝鸡石油机械集团大庆锦宏有限公司华北石油机械厂24国产部分顶驱参数

253．主要组成顶驱钻井系统组成3.1钻井马达-水龙头总成3.2钻杆上卸扣装置3.3导轨-导向滑车总成3.4控制系统263.1钻井马达-水龙头总成钻井马达是顶驱的主驱动力，目前主要有液马达顶驱、AC-SCR-DC顶驱和AC变频顶驱等几大类。但不管是哪一类，驱动系统的区别仅在于驱动马达的形式，在结构组成上没有根本性区别。该部分可分为：电机部分和水龙头总成；

电机冷却系统；平衡系统273.1.1电机部分和水龙头总成该总成由系列部件组成：变速箱和中心管部分；整体式水龙头总成；钻井电机和制动器28（1）

变速箱和

中心管总成该装置包括：罩体；本体和传动箱；电机小齿轮（34齿）；复式齿轮（63×18齿）；大齿轮（102齿）；主驱动轴；整体式水龙头总成；

润滑系统。29变速箱总成双级减速的单速斜齿齿轮传动可以提供由电机到主驱动轴的10.5：1传动比。本体和齿轮箱盖体将传动齿轮、主止推轴承和径向轴承罩在其中。齿轮箱盖体盖住上调节轴承并支撑交流电机和电机罩。大齿轮联接在主驱动轴的承载台肩上通过与主体和盖体一体的加压系统给齿轮和轴承提供润滑。本体和传动装置部分形成一个密闭的润滑油室，润滑齿轮和轴承。油泵装在传动箱内，由液压泵驱动向齿轮供给润滑油。30（2）整体式水龙头装置主轴和鹅颈管之间装有一标准冲管盘根总成，这样就可以使钻柱旋转。冲管盘根总成由电机罩体支撑并同齿箱相连，以增加水平支撑。锻制合金钢水龙头提环采用销钉固定在主体上，并与标准钻井大钩相联。可以使用加长的水龙头提环，以便在鹅颈管和大钩之间留出足够空间，方便操作人员加装电测盘根装置。31（3）钻井电机和制动器

TDS—11SA的动力为两台350马力或400马力交流钻井电机。电机并排垂直安装在传动齿轮箱箱盖上，箱盖带有一个经过改装的“D”型端面，从而使电机安装时在不需加垫片或专门找中。每台电机都有一个双端轴，轴下端安装传动小齿轮，而制动器安装在轴上端。32VARCO电机结构VARCO电机结构33交流电机及特性顶驱一般使用一台或两台800马力或400×2马力交流电机，它们安装在齿轮箱顶部，可保证井中心线与导轨之间的距离最短。钻井电机具有下列优点：☆

可靠性高；☆维护少；☆无污染；☆作业范围大；☆满钮矩负荷时可以长时间处于静止状态；☆能过载150%，时间可长达1分钟；☆无电火花。34ＶＡＲＣＯ电驱动顶驱特性可采用三相600伏的交流电机来驱动，输入频率0-80赫兹。每台电机需要1100立方英尺/分钟的冷却空气。◊使用两台400马力交流电机（总计800马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供37500英尺•磅钮矩；保持800马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生18250英尺•磅钮矩。◊使用两台300马力交流电机（总计700马力）和10.5：1齿轮传动比可在0到114转/分钟钻柱转速范围内提供32500英尺•磅钮矩；保持700马力输出功率，可在228转/分钟最大钻杆转速下产生15100英尺•磅钮矩。电机为开放式设计，可以让冷却空气流经电机内部，能保证转子有效地将热量散放在冷却空气中。配备有：内部温度传感器；双层漆包线圈；升级型轴承/轴密封；锥形输出轴。35VARCO特性VARCO交流电机特性36制动器每台电机顶部装有两个液压盘式制动器，通过制动器外盖周围可打开的盖子很容易检查和维护制动器。盘式夹紧制动器可以在定向钻井作业中辅助钻柱定向。制动器由司钻控制台遥控控制。373.1.2电机冷却系统

TDS—11SA的电机冷却系统为一就地吸气式的离心鼓风机，配备有两台安装在钻井电机顶部的5马力交流电电机。冷却系统经过制动器抽进空气，经过刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口。冷却空气然后通过开放型钻井电机内部，最后从电机底部的百叶窗风口排出。这种结构简单、坚固耐用的设计保证了强制通风的可靠性。383.1.3平衡系统平衡系统的功能相当于大钩补偿弹簧，可防止在使用顶驱上卸钻杆时损坏接头丝扣。它两个液缸及连接元件、液压蓄能器和液压管汇组成。液缸安装在整体式水龙头吊环和大钩吊耳之间。与液压蓄能器相连。蓄能器可保持一个预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。司钻控制台上的遥控阀可以操作液缸伸缩以辅助顶驱拆卸和安装。393.2滑动架和导轨TDS—11SA钻井系统借助于与齿轮箱相连的滑动架沿悬立式导轨游动。导轨悬挂在天车，并一直延伸到距钻台不到7英尺处。在此，与安装在井架下部的扭矩反作用梁相联。钻井扭矩通过滑动架作用到导轨上。导轨可分成20英尺一段（132磅/英尺）并悬挂于天车的孔板眼内。导轨各段用销子固定在一起，为方便安装多采用铰接连接。可以在钻台上依次联结起来，然后用绞车将导轨整体吊起与天车联接。40滑动架和导轨滑动架和导轨413.3管子处理装置

管子处理装置由以下重要部件组成：（1）动力旋转头/吊环联接环；（2）双向吊环倾斜装置；（3）承载法兰盘；（4）遥控式上内防喷阀启动器；（5）钮矩背钳。42管子处理装置管子处理装置433.3.1动力旋转头和旋转吊环联接环动力旋转头/旋转吊环联接环作用是当起钻或吊环倾斜装置定位、钻杆处理装置随钻柱部件一起旋转时，使液压管汇能保持连通动力旋转头/吊环联接环有一个液压泵，可以双向旋转。液压泵由司钻控制台上的电磁阀操纵。液压泵可驱动装在旋转吊环联接环顶部的定位齿轮转动，在作业和制动过程中，管子处理装置通过选定夹紧方式将旋转吊环联接环锁定于24个刻度的任一刻度位置。当液压泵停止工作时，吊环联接环能自由旋转。吊环倾斜装置液缸和扭矩平衡架悬挂在旋转吊环联接环上。吊环联接环连在主轴底座上，主轴内的液压通路与旋转吊环联接环的相应液压油通道相连。液压油沿主轴的导流槽，供给管子处理装置的启动器。无论旋转还是处于任意静止状态，液压油都可在两个部件之间流动。44动力旋转头和

旋转吊环联接环动力旋转头和旋转吊环联接环453.3.2双向吊环倾斜装置

吊环倾斜装置由两个液缸组成，并通过夹紧装置提升能力为350吨的吊卡吊环相连。液缸的闩锁限制了吊卡只能移动到井架工的位置，井架工位置可调。松开闩锁，可将吊卡移动到小鼠洞位置。司钻控制台上有一个3挡开关来操纵吊环倾斜器。当置于TILT（倾斜）档，吊环向前移至小鼠洞或井架工位置；当置于DRILL（钻井）档，吊环向后倾斜，脱离钻杆并提升吊卡，便于钻进到钻台面。有一个单独的浮动开关可用于自由悬挂吊环。吊环可以停留在任一中间位置。操纵司钻台的FLOAT钮，吊环可以复位到井中心位置。46双向吊环倾斜装置双向吊环倾斜装置473.3.3承载法兰盘吊卡提升的载荷由吊卡经吊环传递到安装在主轴的承载法兰盘上。483.3.4遥控上内防喷阀启动器两个球型内防喷阀为全尺寸、内开口安全阀。遥控式上阀和手动式下阀构成了井控系统。额定工作压力15000psi。司钻控制台有一个两档开关操纵上内防喷阀的开启和关闭。493.3.5扭矩背钳扭矩背钳安装在保护接头下台肩的下方，包括两个镶块夹爪和一个夹紧液缸，当与保护接头相连时，夹紧钻柱母扣端。悬挂于旋转吊环吊卡的扭矩平衡架上来支撑扭矩背钳液缸。液缸与扭矩平衡架之间采用柔性连接，可以上下移动，方便松紧扣和在上卸扣时承受反作用扭矩。503.4顶驱的控制系统

顶驱是一个复杂的系统，如正常钻进时，要控制电机的旋转，必要时还要刹住钻柱，在时还可能要关闭防喷器；起下钻时，要完成夹紧、上卸扣、吊环旋转或移动等动作，同时还要有保护系统以保证系统正常工作，还要防止误操作等。因此顶驱的控制是非常复杂的，目前采用的是电、液联合控制（或电气液联合控制）。51顶驱的控制系统

组成液压控制系统顶驱司钻台控制柜523.4.1液压控制系统液压控制系统完全安装顶部驱动系统上，可提供全部液压动力，这样就不需要其它的液压管汇。液压控制系统由性能可靠的标准件组成，用来控制和操作下列装置：平衡系统；交流电机制动器；润滑系统；动力旋转头；遥控式内防喷阀；扭矩背钳；吊环倾斜装置5354液压系统液压油滤子平衡系统储能器上IBOP延时储能器齿轮油滤子油压开关系统储能器IBOP压力开关上IBOP执行液缸平衡系统阀块主液压系统阀块吊环阀块吊环液缸平衡液缸液压油箱旋转头马达和锁销总成电机和泵总成液压电机10hp,1,800rpm油箱容量25加仑特性54液压控制系统液压控制系统55液压控制系统备有一台功率为10马力、转速为1800转/分钟的交流电机，以驱动两个液压泵。用一台固定排量式泵驱动润滑系统，而用一台可变排量式泵驱动其它装置。整体式液压阀汇安装在顶驱本体上，其中装有各种电磁阀、压力控制阀和流量控制阀。液压油贮存在一个无缝不锈钢油缸内。这样，钻机搬迁时，不需要将液压油抽干和重新加满。油缸安装在两台钻井电机之间，配有过滤器和油面观测计。内防喷阀、压力控制阀和平衡系统均由液动-气动蓄能器来启动。563.4.2顶驱司钻控制台司钻控制台由300号不锈钢制成，采用全尺寸油密开关和指示灯。可以进行内加压爆，以满足危险地区作业的需要。Varco公司还能按照用户要求提供带Pyle-National快速接头的控制台。57顶驱司钻控制台司钻控制台还具备能与其它控制系统直接配套的控制手段。司钻控制台还可通过安装在环境受到控制的变频房中的司钻PLC控制盘与变频器和顶驱之间进行数据和操作命令的交换58顶驱司钻控制台宝鸡TRSCO司钻控制台593.4.3交流电机控制系统控制柜中主要有大功率变频装置、PLC控制器等组成，用以完成对顶驱的全面控制。60ＶＡＲＣＯ控制交流变频驱动最大的优点之一是转速和钮矩能够得到高质量的控制，使操作人员能在整个运转范围内准确地控制钻杆转速613.5顶部驱动系统的操作顶驱钻井系统可完成钻井、倒划眼、接钻杆、循环钻井液、下套管等各种钻井操作。623.5.1钻进1.接立根钻进

接立根钻进是TDS常用的钻进方式。采用立根钻进的场合很多。对钻丛式井的滑轨钻机和可带立根移动的钻机，钻杆立根可排放在井架上不动，留待下一口井接立根钻进使用。如没有现存的立根，推荐采用下面两种方法：第一种方法是下钻时在井架内留下一部分立根，接单根下钻到底，留下的立根数量应足以钻完预计的钻头进尺；第二种方法在钻进期间或钻机空闲时，在小鼠洞内接好立根。为安全起见，小鼠洞最好要垂直，以保证在垂直平面内对扣，简化接单根程序。应注意单根只要旋进钻柱母扣既可，因为顶部驱动电机还要施加紧扣钮矩上紧接头。631.接立根钻进1.接立根钻进642.接单根钻进

通常有两种情况需要接单根钻进。一种是新井钻井，井架上没有接好的立根；另一种是用井下动力马达造斜时，每30英尺必须测斜一次。653.倒划眼顶驱可以倒划眼，来防止钻柱粘卡和减少井下键槽卡钻，倒划眼并不影响正常起下钻排放立根。这是因为顶部驱动和背钳能在井架内卸开93英尺立根。663.5.2井控程序顶驱可在井架任一高度与钻柱连接。钻进时，遥控式上内防喷阀总是接在钻柱中，一旦需要即可立即投入使用。下内防喷阀需用扳手手动操作，除此之外它与上内防喷阀相同。两个防喷阀始终接在钻柱上，因此，只要顶驱与钻杆相连，内防喷阀就能马上投入使用。为了将井控设备接到钻柱上，打开背钳液缸，将反扭矩架提离钻柱。将下防喷阀拆离上防喷阀后，下防喷阀仍接在钻柱上以便采取井控措施，顶驱使用转换接头连接钻柱和下防喷阀。67二、井控程序井控程序68二、井控程序井控程序694.顶部驱动钻井装置的特点顶驱将动力向上放置，取消了方钻杆，增加钻进过程的活动空间。起升、旋转、循环三大工作系统可以同时工作，丰富了钻井操作。70顶部驱动钻井装置的特点顶驱的主要优越性在起下钻及遇阻遇卡时，能及时旋转钻杆和循环泥浆。既提高了井眼质量，又减少了事故发生。可接立根钻井，减少三分之二的泥浆循环时间，明显提高钻井效率。吊环前后倾斜、旋转，上卸扣动作全部由电液控制来实现，可减轻工人劳动强度，自动化程度高。可随时关闭内防喷器，提高了钻井作业的安全性。钻进时转盘不旋转，钻台操作更安全。据国外测算，比常规钻井方式提高效率15~30%714.1节省接单根时间立根钻进利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一方面又可通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦。代之而起的是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时间。72在定向井中，由于采用立柱钻进，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间。顶部驱动钻井装置的马达为无级调速，可达到与井底导向马达、MWD、高效能钻头的最佳配合，以提高机械转速，准确控制井眼轨迹。在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作，提高了取心收获率。国内外大量的实践说明，采用顶部驱动钻井装置可减少钻井时间10％～30％。734.2倒划眼防止卡钻由于具有可使用28m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转钻具提出井眼。钻杆上卸扣装置可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大幅度地减少起钻总时间。744.3下钻划眼该装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。下钻中接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。使用TDS下钻时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。这样不花费时间，也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。754.4节省定向钻进时间该装置可以通过28m立根循环，相应减少井下马达定向时间。764.5人员安全TDS可减少接单根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。接单根时只需要打背钳。此外，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业者工作的危险程度。774.6井下安全在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业。采用方钻杆与转盘时，就得卸掉l～2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。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、如使用顶部驱动钻井装置，很容易在任何位置立即进行循环，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，保证下套管作业套管居中。顶部驱动钻井装置内防喷阀及其执行机构，在发现并涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。784.7设备安全顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，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。这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使用寿命的目的。794.8井控安全在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶部驱动钻井装置主轴与钻柱分离。在用吊卡提升钻柱的过程中，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆上卸扣装置可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内遥控完成旋扣和紧扣，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内压力。当在一不稳定油井里进行提升作业时，采用顶部驱动系统上扣连接和远距离循环遥控，立根排放器在数秒中之内即可实现水龙头中心管的输出端同钻柱在任一位置的快速对接。对钻柱防喷阀能够保持对钻柱内部压力的安全控制。804.9便于维修钻井马达清晰可见，因此比单独驱动转盘的马达更易维修。单独驱动转盘的马达常常覆盖着泥浆，位于钻台下方看不见。熟练的现场人员约12h就可将其组装、拆卸。整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，故操作方便、简单、可靠。814.10使用常规水龙头部件顶部驱动钻井装置使用常规的水龙头止推轴承和冲管密封盘根。现场更换维修没有提高。824.11下套管顶部驱动钻井装置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，这样套管就容易通过井径缩小的井眼。834.12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。844.13使用灵活顶部驱动钻井装置使钻机具有前所未有的灵活性，可以下入打捞工具、完井工具和其他设备，既可正转又可反转。854.14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。864.15便于拆下VarcoBJ顶部驱动钻井装置很容易拆下，如果需要的话，不必将它从导轨上移下即可拆下其它设备。电、液、气管线不需拆卸。874.16内部防喷器功能该装置具有内部防喷器的功能，起钻时如有井喷迹象，可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆柱的连接，循环钻井液压井，避免事故发生，这是因为水龙头在起钻时不必拆下。88

4.17其它优点交流马达除了比直流马达轻以外，由于没有电刷、刷状齿轮和整流子，因此，降低了保养费用。另外，交流马达里没有放电装置。89采用顶部驱动钻井系统的最大优点是在水平钻井中体现出来。这向操作者和承包商提出了挑战。由于油井越钻越深，选择合适的方法进行钻井和起下作业变得尤为重要。钻杆进入水平段越深，所受的摩擦力越大，在这种情况下，采用顶部驱动钻井系统进行立根操作的优点变的更加明显，主要表现在能使钻杆尽可能光滑和快速的通过这些横向截面。90大港油田在张巨河滩海地区钻的张17-1、张19-l和张18-30大位移井，其中后2口井在同一井场，张17-1和张19-1并采用转盘钻施工，张18-30井采用顶部驱动装置施工。在条件基本相同的情况下，用转盘钻施工的2口井平均机械转速不到9m/h，且都发生过卡钻事故。而用顶部驱动装置施工的井，平均机械钻速为12.68m/h，全没有发生过井下事故。91中原油田在桥口地区部署的两口滚动开发井桥72、桥73同时开钻，桥72井采用上海三高公司的50D新钻机完井深度4580m，钻井周期50天，而桥73井由于施工中采用了顶驱，仅用了37天8小时就完成了4482m的设计井深，比桥72井提前13天完钻，扣除多钻100m的三天时间，桥73与桥72相比较，节约了近9天的钻井时间。925．参数评价5.1最大钩载与最大钻柱重量5.2公制单位与英制单位5.3等功率与等扭矩5.4顶驱参数意义935.1最大钩载与最大钻柱重量TDS-11SA94最大钩载与最大钻柱重量最大钩载——使用于下套管、解卡符合有关标准（国标、API、ISO）最大钻柱重量

——使用于正常钻进、起下钻95石油钻机的国家标准GB1806-79石油钻机型式与基本参数GB1806-86石油钻机型式与基本参数SY/T5609-93石油钻机型式与基本参数SY/T5609-1999石油钻机型式与基本参数GB/T23505-2009石油钻机和修井机96GB/T23505-2009石油钻机和修井机GB/T23505-2009石油钻机和修井机975.2公制单位与英制单位英寸1in=25.4mm英尺1ft=12in磅1lb=0.4536kg短吨1st=2000lb1st=907.2kg=0.9072t（吨）API标准采用英制单位98TDS-11SATDS-11SA500st450t350st315t995.3恒功率与恒扭矩TDS-11SA连续转速连续扭矩100恒功率与恒扭矩n1-电机额定转速n2-电机超频转速（功率不降）n1-n2恒功率区间N=Mω1015．4顶驱参数意义TDS-11SA技术参数特性曲线102TDS-11SA特性曲线间歇扭矩制动扭矩钻井扭矩1036．设计制造中的一些问题6.1基本特点6.2散热问题6.3顶驱制动6.4上卸扣的位移补偿6.5管柱联接问题6.6顶驱安装6.7下套管1046.1基本特点（1）功率密度大（2）功能齐全（3）系统复杂1056.2散热问题大的功率密度，独立的散热系统1066.3顶驱制动制动电机，液控盘式刹车1076.4上卸扣的位移补偿平衡缸浮动支承1086.5管柱联接问题内防喷器旋向运动补偿1096.6顶驱安装导轨安装与连接，夹板，螺栓，焊接1106.7下套管可同时循环泥浆，连接与密封1117.顶部驱动钻井系统的经济技术评价7.1一般经济技术评价7.2有形钻井操作与无形钻井操作评价1127.1一般经济技术评价（1）顶部驱动钻井装置和常规钻进设备的比较

（2）使用顶驱与未使用顶驱其辅助工时的比较

113（1）顶部驱动钻井装置和常规钻进设备的比较

1.钻井效率明显提高

1）从钻井到起下钻或起下钻恢复钻进状态下，钻井装置不存在常规钻机的上、卸扣水龙头和造成的时间损失。

2）不存在常规钻机转盘方补心蹦出所造成的停工。

3）不用钻鼠洞。

4）定向钻井时，以整个立柱底端连接上扣，从而减少了常规钻井接单根上提钻柱需从新定工具面角的时间。

5）在井下纯作业时间更多，上扣、起下钻、测量和其它非纯钻业时间减少。114

2．立柱钻进节省大量时间

1）减少了坍塌页岩层扩眼或清洗井底的时间。2）在扩眼和套管下扩眼作业中，减少了钻进时间。

3）在井径不足需扩眼或首次下入足尺寸稳定器进行扩眼时，减少了钻井时间。

4）在同一平台钻丛式井，不用甩钻具或卸立柱。

5）不需换单根就能回收最大长度的岩心。

6）定向钻井时，每次连接立柱后减少了定向时间。115

3．连续旋转和循环降低风险

1）顶部驱动钻井装置钻井最重要的特征就是能够整立柱划眼或倒划眼，连续旋转和开泵循环，连续旋转意味着能大大降低定向井或水平井中起出或下入钻柱时的摩阻。

2）顶部驱动钻井装置允许使用较少、也许较便宜的润滑剂、钻井液或添加剂。

3）由于减少使用粘土，使其颗粒较少进入产层而降低对地层的损害。

4）减少了钻柱或昂贵的井下工具卡钻的机率。1164．在钻台任何位置上可换立柱，有利于井控1）由于可在井架任何位置把内防喷阀接上，司钻在任何时候都可进行有效的井控。2）当井眼遇到问题时，可立刻实施钻柱旋转和井内循环。3）钻柱被卡时，可消除钻台卸方钻杆的危险性作业程序。117

5．安全性提高

1）绝大多数顶部驱动钻井装置实施上扣和卸扣，这样，减少了使用大钳和链钳的危险性。

2）有些顶部驱动钻井装置具有“伸长”功能，管子处理机采用液压活塞和遥控启动提升机将钻机和钻挺吊往于“V”型门和二层台，这就减少了笨重的工作，提高了管子装卸的安全性。

3）司钻操作自动吊卡，从而消除了人工操作吊卡常出现的事故。118

4）在欠平衡作业期间，顶部驱动钻井装置通过降低BOP磨损，允许BOP旋转头封闭圆形管柱而不是六角方钻杆，从而提高了作业的安全性。

5）在井架任何高度位置都可把井控设备安装在钻柱上，以循环钻井液，这样就大大提高了井控能力。

6）有些顶部驱动钻井装置上可遥控内防喷阀，防止了泥浆溅落到钻台上。

7）顶部驱动钻井系统允许井队“自动作业”，因为多数管子装卸机功能可在司钻台遥控作业。119通过对比可以看出，在高效、安全、风险、井控、纯钻进时间等主要方面，使用顶部驱动钻井装置明显优于常规设备钻井。120（2）使用顶驱与未使用顶驱其辅助工时的比较对利用顶部驱动钻井装置作业和不用顶部驱动钻井装置而进行辅助作业的经济性加以对比研究。图7-1普通钻井作业时间分配表图7－2利用顶驱后钻井时间分配121把钻井活动分成三大部分，说明使用顶部驱动钻井装置和不使用顶部驱动钻井装置时的时间分配，图中说明在普通钻井作业中井下钻井作业占用约40％的时间。其它时间用于起下钻或非钻井生产时间，它包括钻机搬迁、维修、测量、测井、固井、候凝、安装防喷器、回堵等。122由于顶驱的使用，提高了机械钻速，节约了钻井时间，钻井施工中纯钻井所用时间从40％降到了30%或更少，起下钻和非钻井生产时间所占的比例相应的增加了。顶驱的使用虽然减少了起下钻的时间，但相对于整个钻井施工来说，由于纯钻井时间的减少，节约了整个钻井施工时间，起下钻在钻井施工中所占的比例却增加了。1237.2有形钻井操作与无形钻井操作评价1）钻柱连接时间；2）起下钻时间；3）洗井和扩眼时间；4）取放方钻杆操作时间；5）扩套管眼和扩井；6）下钻时间；7）倒划眼操作时间；8）顶部驱动钻井装置维护时间。124（1）钻柱连接时间连接时间应该限定在上卸扣时间上，这主要是由于钻井环境有差异，大量的时间被用在了连接完后下钻的过程中。在分析了几口用方钻杆连接的井所用的时间后得出，其平均连接时间是3min，而用顶部驱动钻井装置的平均连接时间则是2.5min。125（2）起下钻时间顶部驱动钻井系统和方钻杆转盘系统的最主要区别就是顶部驱动钻井系统淘汰了方钻杆以及与之相应的操作装置。卸钻杆时，顶部驱动钻井系统运用扭矩扳手或液压钳拧松钻杆柱，并将钻杆柱提升起来。顶部驱动钻井系统的另一个特征就是其吊环联接器或吊环倾斜装置。通过它的操作使吊环、吊卡摆至小鼠洞或二层台指梁。这种便利的倾斜装置使得井架工人不必站在二层台指梁上伸出扳手装卸立根了。顶部驱动钻井系统的导轨能阻止游车和吊卡的晃动，使得它能在恶劣的天气环境下装卸钻杆柱。126（3）洗井和扩眼时间下钻过程中用熟悉的方钻杆转盘系统操作时，必须接上2到3根单根，然后用几分钟循环钻井数去洗井和扩井。然而顶部驱动钻井系统只需将最后一根立根接入就可立刻洗井和扩井。在一个行程中，如果遇到卡钻事故，则可立刻停止下钻，同时用循环钻井液和顶部驱动钻井装置驱动钻杆去解决。顶部驱动钻井装置在起钻遇卡时，也能立刻将钻杆打反车，这种操作对于只能用单根下钻的方钻杆转盘系统会消费大量的时间。即使不考虑遇卡时下放钻杆，处理方钻杆时间和接单根的循环时间，在进行一次洗井和扩眼操作时顶部驱动钻井系统（相对于方钻杆转盘系统来说）也能平均节省30min。127（4）取放方钻杆操作时间顶部驱动钻井系统淘汰了方钻杆和卡瓦，这使得在将钻杆下放到井底去洗井时再也不需要对方钻杆进行两次操作了。通过对三口井的评价得出，每次起下钻有个平均时间，而且所有的起下钻操作在整个过程中都会被循环操作。而用顶部驱动钻井系统取代方钻杆转盘系统则每次进行一次该操作就可以节省15min。因此在所有起下钻中都可以节省30min时间用来下钻到井底洗井。此外，如果所有的下钻从头到尾需要几个循环的话，则节省的时间更会大增。128（5）扩套管眼和扩眼时间无论何时要对井眼进行修补操作，方钻杆转盘系统则必须将与之长度相等的钻杆放下去重新钻出该并限。如果没有辅助的下钻杆装置，则其下放钻杆速度为1000ft/h。然而，用顶部驱动钻井系统进行同样的操作时，所有的时间仅为前者的三分之一，这还没有考虑连接时间的循环时间。129（6）下钻时间当使用多井平台打井时顶部驱动钻井装置能使钻杆放在完井后的井架上去打另一口井，对于方钻杆转盘系统来说，当打多口井时，其平均下钻的速度为1000ft/h也可以节省大量的时间。然而用它打一口井时，因为钻杆柱在一开始时必须被一根根接起来，最后还需放到二层指梁的下面，故不可能节省时间。在打第一口井的实际操作中，用绞车将钻杆从地面提起来，接上接头，成为钻杆柱，倘若在同一地方打三口井，如果有两口斜井，由于钻杆不需要被放下来，故可使平均钻井速度明显提高，如果不考虑下钻杆时间的话，其减少的时间将会更多。即使在紧急撤离时，也需要下钻杆时间，这正是问题的不利方面。130（7）倒划眼操作时间无论用顶部驱动钻井装置还是方钻杆转盘系统起钻，都是按立根数去取出井内钻柱，故花费时间在正常情况下基本一致。但顶部驱动钻井装置优于方钻杆转盘系统之处在于：起钻时顶部驱动钻井装置可倒划眼，边旋转边起钻通过小井径地段及“狗腿”段等，这将节省不少时间，而后者不能实现这种倒划眼的操作，必须分别进行。131（8）维护时间顶部驱动钻井系统比普通的方钻杆转盘系统有更多的运动部件，需要每天都进行维护，据报道井B-l至B-3的维护时间分别为18.5h、10h和32h，这些时间相当于12～18min/d。许多需要的维修和加油润滑在钻井过程中或对该装置的维护中已经被做了，因而比每天用专门时间去维护该装置的时间少。132还要注意在维护设备时任何改进或变动都应按照制造厂家的技术标准进行。例如由于制造厂家的部件和服务成本高，故在使用顶部驱动钻井装置时安全接头就常由另一个单独的厂商制造，这种安全接头会比原制造厂家接头长50.8mm，因此，工作面在实际工作中会被扭矩扳手损坏。由于在安全接头中多出的部分增高了扭矩扳手在钻杆内的位置，从而导致了工作面在拆卸时被损坏。1338．主要生产厂家及产品特点8.1美国Varco公司8.2挪威MH公司8.3法国Acb公司8.4加拿大Tesco公司8.5加拿Canrig公司8.6美国National-Oilwell公司8.7美国Bowen公司8.8中国顶驱系统1348.1美国Varco公司美国Varco公司是世界上第一个研制顶驱钻井系统的公司，80年代到90年代初研制了多种规格的AC-SCR-DC常规电驱动顶驱系统。如TDS-3（1983），TDS-4和TDS-5（1988），TDS-3H和TDS-4H（1989），TDS-3S、TDS-4S和TDS-6S（1991）。额定承载能力350tf，500tf，650tf，采用GE752直流电动机驱动。135

Varco公司也是AC变频顶驱系统的大厂家，生产系列的AC变频顶驱钻井系统，如TDS-9S，TDS-10S，TDS-11S，以及额定提升能力为650tf的TDS-7S。Varco公司的TDS-10S，TDS-9S和TDS-11S等3种AC变频顶驱系统的额定提升能力分别为250tf，400tf和500tf。

136Varco公司产品Varco公司产品137Varco公司顶驱系统主要技术特性参数Varco公司顶驱系统主要技术特性参数138

8.2挪威MH公司挪威MH（MaritimeHydraulics）公司从1984年开始研制海上钻井平台用的DDM系列重型顶部驱动钻井装置，如DDM-650型、DDM-HY-650型、DDM-HY-500型、DDM-EL-500型多种顶部驱动钻并装置，为适应陆地钻井的要求，MH又研制了PTD系列的轻便式顶部驱动钻井装置。AkerKvaernerMH139

（1）DDM-650型顶驱系统原产品为直流电机驱动，也可改用AC变频驱动。140DDM-650

DDM-650型产品就是MH公司首先研制的顶部驱动钻井系统。DDM-650型顶部驱动钻井系统由15个部件组成：1）水龙头。Wirth公司6500kN水龙头;2）电动机。交流电动机，采用调频变速。也可用直流电动机；3）齿轮减速器：是根据Wirth公司转盘设计准则进行设计的；4）机械齿轮销。由遥控进行操作；5）钻杆操纵接头。气动或液压驱动均可；6）钻杆操纵旋转环。带有滚动轴承；141DDM-6507)吊卡定位电动机。可将钻杆操纵装置自动退回到预定位置；8）液压缸。液压缸具有两种功能，一是提升悬挂器，另一个功能是提升伸缩接头；9）悬挂器。名义载荷为6500kN，带有凸台悬挂吊环，其悬挂器杆可以垂直移动600mm；10）吊卡游动执行机构。用于鼠洞（放方钻杆用）上扣联接钻杆接头；11）伸缩接头。在垂直方向可以伸缩500mm，主要用于公接头进入母接头或者提出工具接头；12）伸缩接头支撑组。用于支撑防喷器操作器和扭矩扳手以及垂直伸缩运动伸缩接头；142DDM-65013）远距离控制阀。由液压操作器进行控制；14）扭矩扳手。适用于φ120.65~φ196.85的钻杆卸扣，卸扣扭矩为82.95kN·m15）钻杆吊卡。MH型气动吊卡。

DDM-650型顶部驱动钻井系统额定载荷为6500kN，最高工作转速为290r/min，交流电动机功率为760kW，利用变频调速（直流电动机功率为740kW）。液压动力装置550kW，油压16MPa，排量160L/min。143（2）液压顶部驱动钻井系统系列产品近些年来，挪威MH公司利用本公司擅长的液压技术又研制了液压驱动顶部驱动钻井系统，目前已发展成为3种系列产品。1）DDM-HY-650型顶驱是一种大扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为6500kN，液压驱动，工作扭矩为55kN·rn，最大为63.5kN·m，工作转速为l30～230r/min，液压动力压力为33MPa，排量1600L/min,水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.79m。144（2）液压顶部驱动钻井系统系列产品2)DDM-HY-500型。是一种标准扭矩结构形式顶部驱动钻井装置，最大载荷为5000kN，液压驱动，工作扭矩为对42.1KN·m，最大为50KN·m，工作转速为125～225r/min,液压动力压力为33MPa，排量1600L/min,水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为5.04m，质量为15t。3）DDM-EL-500型。最大载荷为5000kN，采用AC-SCR-DC电驱动，工作扭矩为42.3kN·m,最大为48.9KN·m,工作转速为160～197r/min,齿轮速比为5.84,水龙头吊环口到吊卡上平面的距离为6.65m,质量为19t。145（3）PTD系列轻便顶部驱动钻井装置

在PTD系列顶部驱动钻井装置中近几年研究开发的PTD-410型顶部驱动钻井装置，取消了原来PTD-HY-500型和PTDEL2PA44-500W型两种顶部驱动钻井装置，形成了PTD-410型和PTD-500型等4种规格系列顶部驱动钻井装置，全部采用液压驱动。1468.3法国Acb公司法国Alsthom公司的子公司Acb公司，研究开发了BRETFOR500型顶部驱动钻井装置，分为液马达和直流电动机驱动两大类。在水龙头-钻井马达总成中不同类型的钻井马达位置各异，不仅马达，而且相关的气动刹车、鼓风机等都改变了。147法国Acb公司

BRETFOR500型顶部驱动钻井装置额定载荷为5000kN，在50r/min时载荷为3350kN，钻井中液压力为351MPa，水龙头冲管直径为76.2mm，采用液压马达驱动钻柱旋转，钻柱最高工作转速为240r/min,最大上扣扭矩为55.30kN·m，利用液压油缸进行卸扣，最大扭矩为127.19kN·m，如果利用液压油缸和液压马达同时卸扣，最大扭矩达182.49kN·m。方钻杆阀通径为φ76.2mm，利用遥控液压元件进行控制。148法国Acb公司Acb公司认为：采用液压驱动顶部驱动钻井装置部件的结构设计刚性较好，使用寿命长，特别适用于钻井时的振动工艺要求。液压驱动在0r/min时还具有全扭矩。工作时没有火花，输出扭矩较大等，确保钻井安全可靠，处理事故能力强。1498.4加拿大Tesco公司加拿大Tesco公司从1993年开始研制陆地钻井井架使用的顶部驱动钻井装置，原来只生产150HMI型、500HS型、500HC型等三种规格的液压驱动顶部驱动钻井装置，到2003年共生产312台。由于电驱动顶部驱动钻井装置具有更好的钻井性能和适应性，从1996年开始生产AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，采用美国Kaman公司PA44型永磁同步电动机。产品销路很好,上市后一年多就售出9台。目前，Tesco公司生产的液压驱动和电驱动顶部驱动钻井装置已经基本上形成了150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型、500ECI型和650ECI型等5种规格系列。150Tesco公司151Tesco公司加拿大Tesco公司生产的500ECI型650ECI型AC变频电驱动顶部驱动钻井装置，分别均采用美国Kaman公司两台PA44型永磁同步电动机。其电动机和AC变频调速系统是由美国M-1型坦克电力拖动系统移植而来,属于成熟、先进的军工技术。该电动机具有单位功率质量轻的优点，转子用钛合金制造，壳体用铝合金制造，总体质量较轻，从而减轻了顶部驱动钻井装置质量。152Tesco公司质量轻转动惯性较小，电动机转换时不需要制动器，由全速到静止只需5S，由静止到全速小于5S。电动机外型尺寸因此也减少了三分之一，对顶部驱动钻井装置总体布置也很有利。电动机转子采用铷铁硼磁性材料制造，形成恒定的转子磁场作用，其磁场强度与外界旋转磁场的转速无关，允许定子旋转磁场的转速较低；也就是电动机在低转速条件下，也具有很好的调节与使用性能。例如该电动机在0～lr/min时仍具有额定扭矩。153Tesco公司该电动机没有换向器，在工作时不发生火花，提高了钻气井或天然气较多的油井的安全性。该电动机将输入电能转换为机械能的转换效率为95％。每个电动机各有一个独立的液体、空气冷却系统，将电机发生的热量带走，以确保电动机正常运转。减速齿轮箱的齿轮速比为14.66和18.33，用压力喷油方式进行润滑，并对润滑油的油温进行监控。154Tesco公司AC变频控制系统的逆变器．将电动机的电感负载与电网隔开，与AC-SCR-DC电驱动形式相比，提高了电网的功率因素。此外，逆变器在整流之后，不采用SCR可控硅器件进行变频，采用最先进的IGBT电子器件进行控制，可在一个周期内对脉冲宽度调制信号进行多次开关控制。与用SCR可控硅器件进行变频相比，其工作转速和工作扭矩调节控制更加精确。供给电动机可变频率最高可达30KHz，最高转速可达2860r/min，电动机转速控制精度可达＜±10r/min。155Tesco公司根据已投入运行的AC变频电驱动顶部驱动钻井装置统计结果，系统累计停机率＜0．4％，AC变频控制系统运行良好，可靠性较高，但价格与AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置相比，要高5％。156Tesco公司Tesco电动顶驱采用的永磁、无碳刷、同步电机，具有以下特点：1、体积小、重量轻，每台电机仅重395磅（179公斤），是交流感应电机重量的八分之一到十分之一左右。2、抗震击性能好，曾经在加拿大肯廷钻井公司进行打井时经历了39天连续震击（跳钻），电机及整个顶驱的载荷通道均未受到任何影响。产生永磁电机的Kaman电磁公司还成功的为荷兰皇家海军进行了60倍于重力加速度的三轴（三维）满负荷冲击试验，结果证明对永磁电机没有损害，没有性能降级。这一点采用交流感应电机的其他厂家是无法相比的。157Tesco公司3、Tesco电机中的转子上无线圈，因此电机产生的热量比交流感应电机要少。4、Tesco电机中的转子仅83磅重，故电机能以较低的启动电流启动，对电网动力要求较低。另外，电机从最高转速2860rpm在不到5秒钟之内就可以停住，因此电机无需惯性刹车。永磁电机不需外接交流电产生它的磁场，转子周围有28块钕铁硼永久磁铁。因此，当定子磁场以1rpm这样慢的速度旋转时，转子也能以1rpm的转速同步跟进。而交流感应电机属于异步电机，其中的转子旋转的速度总略慢于磁场旋转的速度。其特性决定了此类电机适合恒速大扭矩输出，在低电机转速的情况下，它很难准确控制转速以及非常稳定的控制扭矩。158Tesco公司当永磁电机处于零转速时，它可向钻柱施加全扭矩，而且能够连续施加全扭矩持续无限长的时间。这一特点对于特殊作业非常有帮助：在倒扣作业的时候，不仅需向被卡钻柱施加很大的反扭矩，而且需要持续足够长的时间。而交流感应电机在零转速下持续施加全扭矩时，它所施加的扭矩小于最大扭矩，它所施加的扭矩只能持续有限时间，不足以完成倒扣作业，因此必须借助抓握器（背钳）来代替它的电机锁定反扭矩，但这样一来就无法测定反扭矩的数值，且不便释放扭矩。而Tesco的电机由控制系统慢慢的释放反扭矩。159Tesco公司5、Tesco电机为全密闭式，无论电闪雷鸣，刮风下雨均不会受影响。而普通电机的控制电缆易受雨水影响。6、Tesco的顶驱驱动控制系统采用冗余的MD500系统，即每台电机都有一套独立的驱动控制系统，这就比原来的一对二系统多了一套控制系统，更确保了顶驱系统不中断作业的能力。7、Tesco的电机采用乙二醇/水（50/50）的混合液进行冷却，其效率比空气冷却高得多，密封性很好，从未出现任何渗漏现象。所以Tesco的电机可以在-60°C到55°C的恶劣环境下工作，最高工作温度为180°C，而其他厂家电机的工作温度仅为160°C。160Tesco公司8、Tesco顶驱拥有两项世界专利：扭矩导轨系统和水平位移机构。扭矩导轨没有采用滚动性部件，而是用高分子量聚氨脂作扭矩衬套。这种方式的好处是无需保养，无需上润滑脂。水平位移机构只有Tesco顶驱才具备，而其他厂家的水平位移机构需要移动整个导轨，而且移动后的导轨与钻台面不垂直，故从小鼠洞连接不容易对扣，而且容易损坏钻具丝扣。161Tesco公司9、Tesco将辅助液压系统放置在地面，而其他厂家将整个辅助液压系统甚至包括油箱以及所有的管线均放置在顶驱壳体内部，这种布局有两缺点：顶驱工作时顶驱内部工作条件恶劣，在跳钻、震击时表现的更加突出，这种环境会对液压系统的管线、接头和阀件造成威胁，更是生产的故障隐患。这种布局的顶驱，只有在停机的情况下才能对液压系统进行检查和维修。相比之下，Tesco的液压系统的布局更加合理安全，并可以在不中止顶驱运转的情况下进行维护维修。有的顶驱将液压动力源及油箱均装在顶驱主体内，由于顶驱本体较小，因此势必会以牺牲液压动力源的效率为代价，且极容易产生过热现象，其液压系统的工作压力仅为1,500psi,而Tesco的液压系统的工作压力达2,000psi,且从未产生过热现象。162Tesco公司10、Tesco的顶驱中心管可在钻井现场就可拆卸下来，对于技术较熟练的机械工人来说，仅需2–3个小时的时间即可完成这项工作。这对于需对顶驱进行无损探伤试验而言无疑是一大优点。有的顶驱需先将顶驱齿轮箱拆卸后才能将中心管取出，甚至需要花费至少一整天的时间。163Tesco公司11、Tesco的冷却系统中添加了即可以降低电控机房内的室内温度，又可以排除冷凝水结露的散热泵系统，使顶驱系统在异常潮湿的地区亦能正常运转。这种散热泵系统与传统的空调器相比具有密封性强的特点。只需将它安装在电控机房内即可，由于它的热交换板始终保持低于冷却电子模块及电路板的冷极板的温度，故冷极板上不会结露。它所产生的热通过冷却系统中的冷却液带走，因此，散热泵系统是冷却系统的延伸，即它的安装无需在机房的墙壁上打孔。而安装空调器则需在机房墙壁上打孔，因此，在气候恶劣的环境下，尘土，尘埃，潮气，水及其他气态物质极易进入电控机房内，造成短路或电子模块被击穿。这种高强度的密封性不仅对顶驱系统的运行很重要，而且对顶驱系统的存放和运输亦很重要。164Tesco公司12、Tesco的Power/ElectronicsModule（动力/电子模块）中还安装了UPS（不间断电源）以应付在停电或断电的情况下依然能确保对顶驱系统的控制。Tesco的顶驱系统中还安装了内置式PowerQualityModule（动力质量模块）以确保当来自电动钻机的三相交流电出现瞬时超高电压时起到保护的作用。它还能给顶驱系统提供很高的容限，即当输入电压在550–700伏的范围内时容许它通过而不会因电压的波动而跳闸。既确保了顶驱系统不受被击穿的损害，又不致因一般电压的波动而频繁的跳闸。165Tesco公司13、在顶驱齿轮箱中增加了特殊花键（DrySpline），使顶驱在更换或拆卸中心管时，齿轮箱中的齿轮油不会外泻，既节省了齿轮油，又满足了环保要求。14、增加了GEFanucPLC可编程逻辑控制器及Versamax励磁控制器并通过通讯电缆将两者相连并向司钻控制台输入指令。166Tesco公司1678.5加拿Canrig公司

加拿大Canrig公司是较早研制电动顶驱的公司，开始只生产AC-SCR-DC电驱动顶部驱动钻井装置，1998年为适应交流