深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置研制

牟新明，蔣衛(wèi)焱，李 鵬，高 明，廖麗華，趙 濤

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300451）

深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置研制

牟新明1，蔣衛(wèi)焱2，李 鵬1，高 明1，廖麗華1，趙 濤1

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300451）

為滿足深水工程勘察船鉆機(jī)自主配套的需要，在吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制了KDQ40／2250DB型深水勘探船專用的交流變頻頂部驅(qū)動(dòng)裝置，與我國(guó)首艘深水工程勘察船“海洋石油708”配套使用。介紹了該頂驅(qū)裝置的結(jié)構(gòu)方案、技術(shù)參數(shù)及廠內(nèi)試驗(yàn)情況。重點(diǎn)介紹了液控高壓球閥、大通徑、大跨距等結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該頂驅(qū)裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足了海洋鉆井和勘探取樣作業(yè)的要求。

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置；深水；海洋勘探船

我國(guó)南海具有豐富的油氣和天然氣水合物資源，但平均水深均在1 000 m以上，勘察開采的技術(shù)難度大。為實(shí)現(xiàn)南海深水油氣資源的自主勘探開發(fā)，在世界深海油氣勘探開發(fā)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于有利地位，必須打破國(guó)外技術(shù)壟斷，掌握深水油氣勘探開發(fā)前沿技術(shù)，擁有國(guó)際先進(jìn)水平的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的深水勘察鉆井裝備。為此，寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司于2010年為國(guó)內(nèi)首艘深水工程勘察船配套了鉆機(jī)系統(tǒng)［1］，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)井架、大通徑頂驅(qū)、鉆桿處理裝置、海底基盤等深水鉆機(jī)關(guān)鍵裝備的自主配套。

深水工程勘察船用頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置（以下簡(jiǎn)稱頂驅(qū)裝置）主體結(jié)構(gòu)包括動(dòng)力水龍頭和管子處理裝置，設(shè)計(jì)理念與陸用頂驅(qū)裝置相同。但是由于勘察船屬于浮式平臺(tái)（船），其作業(yè)工況與陸用及固定式平臺(tái)鉆機(jī)不同，該裝置具有滿足浮式平臺(tái)（船）的特殊結(jié)構(gòu)。為滿足下放取樣工具的需要，在頂驅(qū)裝置的泥漿通道頂部設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程控制開關(guān)的高壓球閥，設(shè)計(jì)了大通徑泥漿通道、雙提環(huán)結(jié)構(gòu)。井口中心至導(dǎo)軌中心2 000 mm的大跨距設(shè)計(jì)，可適應(yīng)下放海底基盤的需要。KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置整體設(shè)計(jì)滿足3 000 m水深的鉆井與取樣作業(yè)要求。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置主要由動(dòng)力水龍頭、管子處理裝置、雙導(dǎo)軌與滑車、液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)，以及運(yùn)移架等輔助裝置等組成。如圖1。

圖1 KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置結(jié)構(gòu)

1.1.1 本體裝置

KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理與傳統(tǒng)頂驅(qū)的相同，采用1臺(tái)298 k W直立式交流變頻電機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)齒輪箱減速后驅(qū)動(dòng)中心管（主軸）帶動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)。利用電機(jī)的額定動(dòng)力，可提供30.5 k N·m的最大連續(xù)鉆井轉(zhuǎn)矩；利用電機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力，可以提供52 k N·m的最大緊、松扣轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，鉆井液由水龍帶經(jīng)泥漿管線進(jìn)入主軸內(nèi)孔泥漿通道并經(jīng)該通道進(jìn)入鉆具。主電機(jī)上副軸伸出端安裝有液壓盤剎。當(dāng)憋鉆時(shí)可剎住頂驅(qū)主軸，防止鉆具倒轉(zhuǎn)卸扣；在定向鉆井作業(yè)時(shí)可輔助鉆柱定向。

頂驅(qū)裝置的上下游動(dòng)由分體式雙提環(huán)與補(bǔ)償器下端連接耳板相連，雙導(dǎo)軌與滑車可將鉆井作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩傳遞到井架上，同時(shí)扶正頂驅(qū)主體沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。

管子處理裝置可大幅提高井口作業(yè)的機(jī)械化程度，其主要功能為：在鉆井或起／下鉆作業(yè)時(shí)，與動(dòng)力水龍頭配合，完成在井架內(nèi)任意高度上／卸扣、緊／松扣的作業(yè)；井控作業(yè)時(shí)可遙控關(guān)閉IBOP，保證鉆井安全。

1.1.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是頂驅(qū)裝置的重要組成部分，主要由液壓源（液壓站）、控制閥組、執(zhí)行元件、液壓管線等部分組成。液壓源為地面液壓站形式。由于船上空間限制，頂驅(qū)裝置液壓系統(tǒng)與機(jī)具液壓系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，共用液壓油箱。液壓站冗余設(shè)計(jì)的2臺(tái)主液壓泵，可在本地和司鉆臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩地控制，2臺(tái)主液壓泵互鎖。采用目前主流頂驅(qū)成熟可靠的恒壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)借鑒了DQ70DB型頂驅(qū)裝置的成功經(jīng)驗(yàn)，在沿用其液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加了球閥與吊卡的控制。

1.1.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用1臺(tái)SIEMENS交流變頻柜，一對(duì)一控制驅(qū)動(dòng)主電機(jī)，有速度傳感器的變頻控制方案，確保頂驅(qū)電機(jī)在低速下的控制精度指標(biāo)和額定轉(zhuǎn)矩輸出。緊／松扣轉(zhuǎn)矩及鉆井轉(zhuǎn)矩可控，具有堵轉(zhuǎn)保持功能。

PLC控制系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)把數(shù)字化設(shè)備組成Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)變頻器、操作臺(tái)等設(shè)備的高速通訊。PLC控制系統(tǒng)可對(duì)整個(gè)電控系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行組件的動(dòng)作及運(yùn)行參數(shù)。實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)系統(tǒng)的操作、控制及故障保護(hù)功能、系統(tǒng)故障時(shí)的聲光報(bào)警、頂驅(qū)故障或停機(jī)時(shí)剎車的自動(dòng)控制、系統(tǒng)的機(jī)、電、液一體化控制及互鎖控制。

頂驅(qū)操作臺(tái)在鉆機(jī)司鉆房?jī)?nèi)，可實(shí)現(xiàn)頂驅(qū)裝置的所有操作、顯示、報(bào)警功能。頂驅(qū)操作臺(tái)設(shè)有頂驅(qū)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩4～20 mA信號(hào)輸出防爆插接件。

針對(duì)海洋工況，電纜采用海洋鉆井VFD電纜和防爆及高防護(hù)等級(jí)（IP67）快速插接件，具有防油、防水、防砸功能，信號(hào)的采集及傳輸電纜具有抗干擾能力。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

名義鉆井深度 4 000 m（?114.3 mm鉆桿）

最大載荷 2 250 k N

工作高度5.37 m（上提環(huán)銷中心到鉆桿上平面）

電源電壓 690 V，50 Hz，AC

額定功率 298 k W

最大鉆井轉(zhuǎn)矩 30.5 k N·m，連續(xù)

最大鉆井轉(zhuǎn)矩時(shí)的最高轉(zhuǎn)速 92 r／min，連續(xù)

最大卸扣轉(zhuǎn)矩 52 k N·m，短時(shí)

泥漿通道 ?105 mm，35 MPa

背鉗夾持鉆桿接頭直徑 ?168～?254 mm

背鉗最大通徑 ?260 mm

遙控IBOP型號(hào) 8s/8″REG API，70 MPa

2 設(shè)計(jì)特色

在頂驅(qū)裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用了4項(xiàng)自有專利技術(shù)［2-5］，整體設(shè)計(jì)除具備傳統(tǒng)交流變頻頂驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有一些適應(yīng)海洋鉆井工況的特點(diǎn)。

2.1 選用Reliance交流變頻電機(jī)

Reliance交流變頻電機(jī)具有過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行效率高、結(jié)構(gòu)形式緊湊以及無(wú)電暈、絕緣系統(tǒng)和電流屏蔽設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)。為適應(yīng)海洋鉆井工況的要求，主電機(jī)防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)為IP55。鑒于Reliance交流變頻電機(jī)的優(yōu)越性能，KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置主傳動(dòng)采用1臺(tái)功率為298 k W的Reliance交流變頻電機(jī)經(jīng)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。采用強(qiáng)制風(fēng)冷卻方式。該電動(dòng)機(jī)具有寬廣的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速范圍，并且具有在額定轉(zhuǎn)矩下，長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)工作的特性，并具有170%的過(guò)載能力，以及可準(zhǔn)確快速實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的能力。

2.2 液控高壓球閥

勘察船在使用頂驅(qū)鉆井作業(yè)過(guò)程中，需要從頂驅(qū)的頂部通過(guò)沖管、主軸和鉆桿內(nèi)部起放勘察取樣工具。為此，頂驅(qū)的鉆井液通道（包括：沖管、主軸、IBOP、保護(hù)短節(jié)、鉆桿內(nèi)孔等）的最頂部設(shè)計(jì)有遠(yuǎn)程控制高壓球閥。球閥本體可承受35 MPa高壓鉆井液的作用。閥體采用硬密封形式，具有耐高壓，耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。如圖2。

在鉆井過(guò)程中，球閥處于關(guān)閉狀態(tài)，形成鉆井液的密封通道。取樣時(shí)，當(dāng)鉆井液壓力完全釋放后打開球閥，從球閥孔中下放勘察取樣工具，到達(dá)井底進(jìn)行取樣作業(yè)。

完成取樣工作后，提出取樣工具，關(guān)閉球閥，循環(huán)鉆井液，繼續(xù)鉆井。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能的執(zhí)行器安裝在球閥上，通過(guò)接收來(lái)自控制系統(tǒng)的控制信號(hào)對(duì)球閥實(shí)施控制。遠(yuǎn)程控制技術(shù)的應(yīng)用提高了鉆機(jī)操作的自動(dòng)化水平與安全性。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)專利［6］。

圖2 液控高壓球閥

2.3 大通徑泥漿通道

根據(jù)石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［7］，名義鉆深為4 000 m的頂驅(qū)裝置，泥漿循環(huán)通道直徑為75 mm，名義鉆深為12 000 m的頂驅(qū)裝置，泥漿循環(huán)通道直徑為89 mm。為滿足勘察船在井口中心下放取樣工具的需要，包括泥漿循環(huán)裝置的高壓球閥的泥漿循環(huán)通道均設(shè)計(jì)為直徑為105 mm的大通徑泥漿通道。背鉗最大通徑達(dá)到260 mm。

由于鉆井泥漿工作壓力為35 MPa，通徑達(dá)到105 mm，因此高壓大通徑的球閥及IBOP均需特制，其設(shè)計(jì)與選購(gòu)成為整個(gè)頂驅(qū)裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與瓶頸。在通過(guò)技術(shù)攻關(guān)后，有效解決了此問(wèn)題。

2.4 大跨距滑車與雙導(dǎo)軌

導(dǎo)軌與滑車可將鉆井作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩傳遞到井架上，同時(shí)扶正頂驅(qū)主體沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。為滿足下放基盤空間需要，頂驅(qū)導(dǎo)軌中心與井口中心距離確定為2 000 mm的大跨距布局。為適應(yīng)海洋動(dòng)態(tài)鉆井工況要求，采用后置式雙導(dǎo)軌的形式，雙導(dǎo)軌固定在井架上，與鉆柱補(bǔ)償器共用?；嚨脑O(shè)計(jì)采取框架結(jié)構(gòu)以滿足雙導(dǎo)軌和大跨距的要求。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

頂驅(qū)制造完成后進(jìn)行了廠內(nèi)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該頂驅(qū)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.1 靜載荷試驗(yàn)

包括中心管、吊環(huán)的額定靜載荷試驗(yàn)和設(shè)計(jì)驗(yàn)證靜載荷試驗(yàn)。設(shè)計(jì)了針對(duì)不同試驗(yàn)內(nèi)容的試驗(yàn)方案，通過(guò)各種必要工藝裝備的制作，滿足試驗(yàn)的要求。如圖3。

圖3 頂驅(qū)裝置主要部件的靜載荷試驗(yàn)

在進(jìn)行額定靜載荷試驗(yàn)后，主承載零件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并進(jìn)行幾何尺寸的檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)報(bào)告的結(jié)果，主承載件滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 臺(tái)架運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)

空載荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示，中心管轉(zhuǎn)速最高達(dá)到186 r／min。載荷運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)中，恒轉(zhuǎn)矩階段的轉(zhuǎn)速為0～89 r／min，轉(zhuǎn)矩為30.5 k N·m。剎車試驗(yàn)證明，剎車裝置能快速將電機(jī)剎住。電機(jī)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)保持堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)間5 min以上，電機(jī)無(wú)異常現(xiàn)象。調(diào)速性能試驗(yàn)從5～186 r／min無(wú)級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化應(yīng)均勻、平穩(wěn)、無(wú)跳動(dòng)，在低速時(shí)無(wú)爬行，中、高速時(shí)無(wú)振動(dòng)。

3.3 主要部件的壓力試驗(yàn)

進(jìn)行壓力試驗(yàn)的零部件為：保護(hù)短節(jié)、IBOP、中心管、沖管裝置、鵝頸管總成等。試驗(yàn)壓力70 MPa，保壓≥3 min，均無(wú)滲漏。

3.4 液壓與電控系統(tǒng)試驗(yàn)

液壓系統(tǒng)壓力試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)頭油道（共9條）密封性試驗(yàn)壓力為24 MPa，穩(wěn)壓5 min，無(wú)壓降、壓力油竄腔或滲漏油現(xiàn)象。整個(gè)液壓系統(tǒng)回路壓力試驗(yàn)壓力為16 MPa，各管線及管線接頭處、各液壓元件處均無(wú)滲漏油現(xiàn)象。

電控系統(tǒng)試驗(yàn)的結(jié)果表明，達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，操作控制、互鎖、通訊等性能安全、可靠。液壓控制動(dòng)作運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)沖擊，開、關(guān)靈活，無(wú)卡阻現(xiàn)象。司鉆操作臺(tái)上的各控制開關(guān)、指示燈、調(diào)節(jié)旋鈕等，與實(shí)際控制對(duì)象對(duì)應(yīng)。

4 結(jié)論

1） KDQ40／2250DB型頂驅(qū)裝置目前已通過(guò)海試，各項(xiàng)性能穩(wěn)定，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。深水工程勘察船頂驅(qū)的研制成功，實(shí)現(xiàn)深水勘察鉆機(jī)重要裝備的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于開發(fā)深海油氣資源具有重要意義。

2） 該頂驅(qū)裝置是針對(duì)深?？碧酱@井作業(yè)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，與常規(guī)頂驅(qū)裝置相比，泥漿通道頂部配備液控高壓球閥，大通徑泥漿通道、雙提環(huán)、大跨距等是其特有設(shè)計(jì)。

3） 深水工程勘察船在作業(yè)時(shí)遠(yuǎn)離大陸，補(bǔ)給困難，因此頂驅(qū)裝置內(nèi)部所有機(jī)械傳動(dòng)、液壓元件和電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型均應(yīng)考慮長(zhǎng)壽命和極高的可靠性。海洋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和選購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)高于同類陸用產(chǎn)品。KDQ40／2250DB頂驅(qū)裝置中旋轉(zhuǎn)鎖緊油缸位移傳感器在海試過(guò)程中未能經(jīng)受嚴(yán)酷的考驗(yàn)，信號(hào)不穩(wěn)定，應(yīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4） 頂驅(qū)裝置設(shè)計(jì)應(yīng)特別注重導(dǎo)軌的強(qiáng)度和精度。國(guó)產(chǎn)頂驅(qū)裝置在使用過(guò)程中，不論常規(guī)陸用頂驅(qū)裝置，還是海洋平臺(tái)用頂驅(qū)裝置，均出現(xiàn)過(guò)導(dǎo)軌精度較低，裝配困難，導(dǎo)軌強(qiáng)度不足導(dǎo)致變形，或磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，甚至出現(xiàn)過(guò)導(dǎo)軌斷裂脫離的嚴(yán)重問(wèn)題。在今后的設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)研究。

［1］ 王維旭，蔣衛(wèi)焱，車鐵軍，等.深水工程勘察船鉆機(jī)研制［J］.石油機(jī)械.2011，39（10）：93-96.

［2］ 王兵，高明.鉆具接頭增扭裝置.中國(guó)：ZL 03 2 62438.7［P］.2003-06-15.

［3］ 王兵，高明，侯文輝，等.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置背鉗鉗體總成.中國(guó)：ZL 03 2 62442.5［P］.2003-06-15.

［4］ 王兵，高明.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)頭裝置.中國(guó)：ZL 03 2 62437.9［P］.2003-06-15.

［5］ 張福，王兵，高明，等.頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置旋轉(zhuǎn)頭承載卡套密封總成.中國(guó)：ZL 2006 2 0164952.8［P］.2006-12-30.

［6］ 牟新明，王兵，廖麗華，等.一種頂驅(qū)用遠(yuǎn)程控制的高壓球閥.中國(guó)：ZL201020178479.5［P］.2010-05-04.

［7］ SY／T6726—2008，石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動(dòng)裝置［S］.

Investigating and Manufacture of KDQ40／2250DB Top Drive for Deep water Research Vessel

MU Xin-ming1，JIANG Wei-yan2，LI Peng1，GAO Min1，LIAO Li-hua1，ZHAO Tao1
（1.Baoji Oil f iel d Machiner y Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.China Oil f iel d Ser vices Li mited，Tianj un 300451，China）

KDQ40／2250DB top drive was devel oped to meet the need of self-supporting f or Deepwater Research Vessel rig on the basis of advanced experience from domestic and f oreign top drive drilling system，which is used on t he China’s first deep water engineering survey vessel“HAIYANGSHIYOU 708”.The configuration scheme and the technical parameter and the factory acceptance test are presented in the paper.During t he paper，t he design f eat ures of t he syste mis t he main content，such as hydraulic control high pressure valve，bigger diameter and bigger span fra me，and so on.Test result indicated t hat the design requirements are satisfied and t he top drive meets the requirements for drilling and the sampling working.

top drive drilling equip ment；deep warer；marine exploration vessel

TE951

B

1001-3482（2014）06-0080-04

2014-01-08

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“深水工程勘察船及配套技術(shù)”（2008ZX05027-004）

牟新明（1979-），女，山東棲霞人，工程師，碩士，2006年畢業(yè)于西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程專業(yè)，主要從事鉆采設(shè)備技術(shù)研究與設(shè)計(jì)工作，E-mail：x mmu9924＠126.co m。