常见石油钻机顶驱系统故障诊断与排除(讲稿)

常见石油钻机

顶驱系统故障

诊断与排除三顶驱系统的结构与工作原理(一)顶驱系统的结构组成不同类型的顶部驱动钻井系统虽然其驱动形式和制造厂家不同，但其结构组成却基本相同，下面以VARCO公司交流变频感应电动机TDS-11SA顶驱为例简述顶部驱动钻井装置的基本结构组成。顶部驱动钻井装置主要包括下列主要总成及部件：1.水龙头-钻井电机总成；2.滑动架和导轨；3.管子处理器；4.液压和气压控制系统；5.平衡系统；6.动力系统和控制系统。1.水龙头-钻井电机总成水龙头-钻井电机总成是顶部驱动装置的主体部件，主要由以下部件组成：(1)钻井电机和制动器；(2)齿轮箱（变速箱）；(3)整体式水龙头；(4)电机冷却系统。(1)钻井电机和制动器

TDS-11SA顶驱的动力为两台400马力交流感应钻井电机。电机垂直安装在传动齿轮箱箱盖上。电机有一个双端轴，轴下端安装传动小齿轮，轴上端安装制动器。电机顶部安装有一个液压盘式制动器，通过制动器外盖可以很容易检查和维护制动器。在定向作业中，盘式制动器还可以辅助钻柱定向。制动器由司钻控制台遥控控制。

(2)齿轮箱（变速箱）传动箱总成把由钻井电机产生的动能传递到钻杆。传动箱内部是一个齿轮减速系统，传动箱箱体为传动齿轮和轴承提供了一个密封的润滑油池。

TDS-11SA顶驱传动箱和水龙头总成内部是一个单级双减速齿轮系统，从电机到主轴的减速比为10.5:1。轴承和齿轮由一个安装在箱体上的油泵强制润滑。一个低速液压马达驱动油泵，过滤后的润滑油通过主支撑轴承、扶正轴承、小齿轮和复合齿轮轴承及齿轮的齿面连续循环。油热交换是空冷式，传动箱上安装有油位指示器可监视油面高度。(3)整体式水龙头整体式水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部，上部台阶坐于主止推轴承上以支撑钻柱负荷。主轴和鹅颈管之间有一个标准冲管盘根总成，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轮箱相连，以支撑水平支撑。合金钢水龙头提环联结在本体上，可以相对于水龙头变速箱作垂直方向的短行程，构成一个整体的平衡系统。(4)电机冷却系统电机冷却系统为风冷式。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马力的交流电机。冷却系统经过制动器与电机的接合面吸进空气，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电机内部，最后从底部的百叶窗排出。2.滑动架和导轨顶部驱动装置通过安装在箱体上的滑动架沿着导轨上下垂直移动，完成钻井作业。(1)滑动架(2)导轨

(1)滑动架滑动架上安装有导向轮或导向滑轨，可以支撑整个顶驱的重量。(2)导轨导轨悬挂在天车架上并一直延伸到离钻台大约7英尺高。导轨与一个安装在井架下部离钻台10-15英尺高的扭矩反作用梁连接。通过导轨平衡由传动箱驱动钻杆时产生的扭矩。常见的顶驱导轨分为分段式、折叠式和固定式导轨三种。3.管子处理器管子处理器为顶部驱动装置提供了提放28m长立柱、并用钻井电机上卸立柱扣的能力。它由以下重要部分组成：(1)旋转吊环配接器；(2)背钳总成；(3)吊环倾斜装置；(4)内防喷阀；(5)吊卡吊环和钻杆吊卡。

PoweredElevatorPositioner(360º)360º旋转头定位

Link-TiltAssembly吊环倾斜总成LowerIBOPValve下防喷器Back-UpClamp背钳AdjustableStabbingGuide喇叭口RotatingLinkAdapter旋转头UpperIBOP&AccumulatorAssembly上防喷器和其驱动装置TorqueArresterFrame背钳臂350T-108”ElevatorLinks350T-108”吊卡吊环350or500TElevators吊卡(1)旋转吊环配接器；旋转吊环配接器在管子处理器的上部，是一个环形装置。在起升或吊环倾斜装置定位、管子处理器围绕钻杆旋转时，保证了液压或气路管汇的连通。同时，旋转吊环配接器也为吊环倾斜装置、扭矩背钳液缸、内防喷阀液缸提供了安装的位置。(2)背钳总成；顶驱的背钳悬挂于旋转吊环配接器上，扭矩平衡架支撑着背钳。它在保护短节的下轴节的底部，由一对钻杆引鞋和夹紧液缸组成，在钻柱与保护短节连接时用于夹紧钻柱接头。背钳本体安装在扭矩平衡架上，在钻杆上卸扣时可以上下移动并平衡上卸扣时产生的扭矩。(3)吊环倾斜装置；顶驱的双向吊环倾斜装置由两个液缸组成，液缸上端与旋转吊环配接器通过销子相连，下端与吊卡吊环通过耳板销子相连。Derrickman钻工Mousehole鼠洞Overdrill钻到底(4)内防喷阀；管子处理器中的内防喷器的控制阀是一个球形、全尺寸、内部通的安全阀。在下部第二个手动阀可以辅助进行井控。两个球阀的直径均为6-7/8英寸，工作压力为105MP。从司钻台上一个电磁阀按扭遥控上部的内防喷器的打开和关闭。(5)钻杆吊卡。钻杆吊卡悬挂在安装在旋转吊环配接器上的长孔吊环上。吊环倾斜装置摆动吊卡可以提起钻杆。4.液压和气压控制系统TDS-11SA顶驱的液压系统是一个自备循环的系统。一个10马力、1800转的交流电机驱动两个液压泵为液压系统供能。其中一个定量泵驱动润滑油系统马达，一个变量泵为交流钻井电机制动、旋转头、遥控防喷器、吊环倾斜装置和平衡系统提供液压动力。5.平衡系统平衡系统是顶部驱动钻井装置极具特色的设备之一。它的主要作用是防止上卸接头扣时螺纹的损坏，其次是在卸扣时可以帮助公扣接头从母扣接头中弹出。6.动力&控制系统顶部驱动钻井装置的动力系统为整套设备提供了所有的能源，控制系统为司钻提供了一个控制台，通过控制台实现对顶部驱动钻井装置自身的控制。顶驱系统的工作原理顶部驱动装置承载原理如图所示，在起钻模式时，游车或大钩提升整体式水龙头提环，通过齿轮箱体内支撑轴承作用在主轴上产生向上的提升力。吊环配接器支撑台肩下部的支撑环将主轴的提升力作用在吊环配接器、吊卡吊环上，然后经过吊卡提升钻柱起钻。在起钻时，施加在主轴上的钻柱的重量通过齿轮箱内的支撑轴承转移到整体式水龙头的提环上。平衡系统工作原理如图所示。平衡系统的活塞杆上端与游车相连接，油缸下端与整体式水龙头相连接。油缸上腔始终通高压油，产生的向上拉力作用在水龙头上，一直提着水龙头。两相同的液缸产生的向上拉力的合力要比顶部驱动钻井装置和立根的自重大一些，当上、卸扣未完时，液缸带动顶部驱动钻井装置和立根一起上跳（或上移），此时蓄能器放出压力油供给液缸工作。随着蓄能器内油液逐渐放出，油压则逐渐降低，液缸的拉力逐渐减小，上调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，顶部驱动钻井装置和钻柱的重量大于液缸向上的拉力，液缸被拉下来，缸内油液被排出，大部分返回蓄能器储存。其中溢流阀限制回路压力的最大值，减压阀控制提供给回路的压力大小。顶驱系统故障诊断与处理(二)常见故障的诊断方法

1.转动方向错误

如果转动方向错误，先看是否正确选择了“正反转开关”；如果不是，将手轮转到0FF档，改变方向，然后将手轮转到0N档，继续作业。如果手轮方向正确，则：A．确认“正反转开关”的功能是否正常；B．确认给PLC的输入信号是否正确；C．确认给变频器的输入是否正确；D．在改变方向前，手轮是否转到0FF档位；2.转速／扭矩不稳定问题将顶驱脱离钻柱。如果情况依旧，检查输入信号和检查电压表的机械状态；如果问题没有改变，则重新检查钻井设计和检查机械方面的原因。如果问题解决，则继续作业。如果没有解决，则尝试同管子处理机构相互作用扭矩。如果扭矩合适，则检查编码器；如果不合适，则：2.转速／扭矩不稳定问题A.确认电压；B．确认在PLC处的电压信号；C．检查电缆和接线；D．联接电脑和PLC并确认信号；E．检查变频器参数；3.IBOP的问题IBOP不能工作，当开关关闭时指示灯不亮，则：A．检查PLC；B．检查接线；C．检查油压开关；IBOP不能工作，当开关关闭时指示灯亮，则：A．检查机械原因；B．检查电磁阀；C．检查压力。4.吊环倾斜装置的问题吊环倾斜装置有三种故障：吊环倾斜不能浮动；装置是不能倾斜；装置不能用于钻井操作；无论哪一种或几种故障，都按以下方法检查：A．检查机械原因；B．检查PLC的输入；C．检查电磁阀；D．检查油压；5.刹车故障刹车不能松开，但刹车指示灯不亮，则：A．检查机械原因；B．检查液压原因；刹车不能松开，但刹车指示灯亮，则：A．将‘刹车开关’转到0N，然后再转到0FF。看刹车是否恢复正常；B．如果不正常，则检查变频器故障；C．如果还不能查到，则检查PLC和电路；刹车打滑小于4140公斤•米，则：A．检查油压；B．检查刹车片；如果刹车不能夹紧，则：A．检查PLC；B．检查电路；C．检查机械原因；D．检查液压原因；6.转速控制问题首先检查并校正仪表；太快或太慢，则：A．确认手轮电压表的电压；B．确认手轮有无足够的输出信号；C．确认在PLC的手轮电压；D．检查在短路或断路时的电缆情况；E．连接电脑和PLC并确认信号；（是否是转速/扭矩不稳定问题，参看“转速/扭矩不稳定问题”部分）7.无旋转但有高扭矩如果井下有扭矩出现，请检查钻井设计；尝试绕过编码器。如果转动，但方向不正确，则要确定电机相位；如果不转动，则检查机械原因：A．刹车抱死；B．轴承损坏；C．电机接线错误；D．是否扭矩可以减小；8.无转动和无扭矩确认钻井极限设定不为0，并且手轮在启动档位。尝试一下旋扣工况，如果能转动，则：A．检查手轮电压表的电位；B．确认手轮有信号输出；C．确认在PLC处的电压；D．检查在断开和短路时的情况；E．连接PLC和电路并检查信号；8.无转动和无扭矩旋扣工况时，如不能转动，则检查变频器：A．检查电源；B．检查PLC；C．检查接线；D．检查继电器；E．检查变频器的扭矩参数；9.变频器故障西门子70型变频器故障：F006，电压过高。A．检查发电机输入；B．检查井下扭矩(键槽)；C．检查刹车断路；D．检查变频器参数；F023，温度过高。A．检查空调机；F030，直流柜短路。A．在变频器内检查烟雾；B．检查刹车断路器；F011，电流过大。A．检查变频器参数；F035，外接故障。A．检查刹车断路器；B．检查变频器参数；F051，转速编码器。A．检查编码器；B．重新设定后显示；C．无/低转速，高扭矩；F053，TACHODN/DT，速度不稳。A．检查编码器；B．检查编码器电缆；C．检查变频器参数；10.扭矩钳/旋转头的问题管子处理装置不左转，如果吊环倾斜不浮动，参看“吊环倾斜装置的问题”部分；如果吊环倾斜浮动，则：A.检查PLC的输出；B.检查接线；C.检查电磁阀；D.检查压力；管子处理装置不右转，如果吊环倾斜不浮动，参看”吊环倾斜装置的问题”部分；如果吊环倾斜浮动，则：A.检查PLC的输出；B.检查接线；C.检查电磁阀；D.检查压力；扭矩钳不能夹紧，则：看手轮是否转到OFF位子；如果手轮关闭且旋转头不能顺时针转动，则：A．检查PLC的输出；B．检查接线；C．检查电磁阀；D．检查压力；手轮关闭旋转头能顺时针转动，则：A．制动销卡住：PLC控时问题；旋转头转动太快；旋转头转动太慢。B．背钳不能夹紧：检查液压和机械系统功能。C．背钳打滑：检查液压压力；检查钳牙；更换钳牙。11.指示灯故障测试一个或更多的指示灯失效A．刹车抱紧；B．油压丢失；C．风机失效；D．钻井电机过热；E．自动复位；F．内防喷阀；G．变频器故障；H．增压防爆(压力丢失)；发现故障，则：A．检查灯泡；B．检查PLC输出；C．检查电源；几种报警处理方法1.过热报警如果钻井电机没使用过，则：A．检查线路；B．检查PLC的输入信号；如果钻井电机使用过，则关闭变频器并等待l5分钟。如果出现过热现象，则：A．检查线路；B．检查PLC的输入；如果没出现过热故障，则：A．检查风机；B．检查风机启动装置；C．检查风机转速和风口；D．检查控气流量；2.增压防爆压力丢失报警A．检查气压；B．检查压力开关；C．检查PLC的输入；3.风机失效警报确定风机已接通，A.检查压力开关；B.检查PLC的输入；C.检查风机是否旋转。如果风机没接通，启动装置已跳闸A.测电机和电缆的电阻；启动装置没跳闸，且启动装置已供电，A.检查接头和电缆；启动装置没供电，则：A．检查PLC；B．检查线路；C．检查输出；4.液压泵油压丢失报警确定液压泵已接通，A.检查压力开关B.检查PLC的输入C.检查泵是否旋转；如果液压泵没接通，启动装置已跳闸A.测电机和电缆的电阻；启动装置没跳闸，且启动装置已供电A.检查接头和电缆；启动装置没供电，则：A．检查PLC；B．检查线路；C．检查输出；顶驱各主要结构故障

1.主马达刹车的故障处理故障现象故障原因解决办法刹车不松开换向阀卡往检查该阀，必要时更换刹车未完全松开阀门或管路堵塞阀门或管路堵塞检查或更换阀门或管线机械故障机械维修刹车不能夹紧或打滑刹瓦上有液压油检查是否漏油，如果是，则修理液压不足或不能稳定在1400psi减压阀堵塞或需要调节或更换换向阀SVl卡住(B1处测压)更换阀或检查电信号刹车动作迟缓(发出信号后)液压油杂质过多更换液压油减压阀故障更换阀件2.鼓风机故障处理故障现象故障原因解决办法鼓风机发出异常噪声叶轮松动重新安装叶轮及轮毂，并锁上锁销。电机轴承问题修理，必要时更换鼓风机出现断续转动现象电源接头松动紧固电源线。马达线圈故障检查马达线圈问是否有杂质，修理或更换线圈。电缆芯线断裂改用电缆备用芯线。主电机过热/过热警告马达转动不正常根据上项查找原因。马达电缆芯线断裂改用电缆备用芯线。3.动力旋转头故障处理故障现象故障原因解决办法旋转头不转动电磁控制阀SV2或安全阀卡住检测，修理或更换阀件电磁阀SV2未通电检查电路接头和电磁阀液压马达磨损或齿轮破损更换马达锁销处于锁持状态调节安全阀机械故障检查和修理换向阀不能换向检查左、右压力，更换该阀节流阀堵塞清洗或更换该阀液压管线破损更换管线动力旋转头故障处理旋转头不能回位换向阀卡住或安全阀设定压力改变测试压力并检查换向阀，如果必要，调节安全阀传感器故障更换传感器。如果马达转动正常，旋转头不能回位的原因可能是控制系统故障造成检查控制系统。吊环运动不同步平衡阀设定值改变调节四个平衡阀，使其压力一致4.IBOP执行液缸故障处理故障现象故障原因解决办法安全阀泄露内部元件磨损检查垫圈或磨损零件，修理或更换。执行机构不正常工作检查机械部份，检查减压阀转动时出现异常振动或晃动连杆芯套或执行机构芯套磨损更换芯套凸轮滚子磨损修理或更换滚子和支架液缸不动作减压阀阻塞测试压力，调节或更换减压阀储能器未充压测试压力并按要求充压系统无压力检查液压系统5.锁销和背钳液缸故障处理故障现象故障原因解决办法锁销不动作电磁阀未工作或安全阀未调节好检查电路和测试压力，按要求调节安全阀。如果B5和C5处压力变化不正常，则说明是控制阀有故障更换换向控制阀。如果压力变化正常，则说明是管线或锁销液缸有故障。修理管线或锁销液缸。锁销作用在齿圈表面上的压力过大安全阀不工作或设定不正常测试压力，并按要求调节和设定安全阀。背钳液缸不动作液缸压力不足或无压力测试并调节。液缸故障检查、修理或更换液缸锁销动作，背钳不动作。可控单向阀没有动作检查C5压力，如有必要更换CV5阀或检查管汇。6.吊环倾斜液缸故障处理故障现象故障原因解决办法吊卡不能伸至鼠洞、井架工位置定位卡位置不正确调整。当控制阀松开后，吊环位置不稳定。B8处压力未降到lOOps以下更换可控(开)单向阀可控(开)单向阀阻塞或卡住更换可控(开)单向阀液缸密封失效更换密封压力保持单向阀压力设置变化或卡住开启或有杂质。调节或更换压力保持安全阀吊环倾斜液缸故障处理故障现象故障原因解决办法吊卡不能回到井口中心自由位置。手动检测扭检查，若吊环倾斜，则说明是电路故障检查电磁阀和接头手动检测扭检查，若吊环不倾斜，则说明是液压故障检查液压系统吊环不倾斜电磁阀未动作检查电磁阀二侧吊环运动不协调压力保持阀设定不正确四个阀均调节至1500psi7.平衡机构故障处理故障现象故障原因解决办法