頂部驅(qū)動鉆井裝置中旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計

解文芳，陳悅軍，胡海明，張　鎧，張　磊，方力平，畢群泗，張學(xué)婧

（1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．大慶油田有限責(zé)任公司　采油工程研究院，黑龍江　大慶8163318）①

頂部驅(qū)動鉆井裝置中旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計

解文芳1，陳悅軍1，胡海明1，張鎧1，張磊1，方力平1，畢群泗1，張學(xué)婧2

（1．甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州730070；2．大慶油田有限責(zé)任公司采油工程研究院，黑龍江大慶8163318）①

現(xiàn)有的頂部驅(qū)動裝置中的旋轉(zhuǎn)頭主要有單負(fù)荷通道和雙負(fù)荷通道2種傳遞形式。分析了2種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，采用回轉(zhuǎn)支承和芯軸結(jié)構(gòu)，設(shè)計了新的旋轉(zhuǎn)頭，具有單負(fù)荷通道的簡單結(jié)構(gòu)，又延續(xù)了雙負(fù)荷通道的傳遞形式，能有效延長了主軸的使用壽命。

頂部驅(qū)動裝置；旋轉(zhuǎn)頭；回轉(zhuǎn)支承；芯軸

頂部驅(qū)動鉆井裝置是美國、法國、挪威等國近20年來相繼研制成功的一種頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)。它可從井架上部空間直接旋轉(zhuǎn)鉆桿，沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等多種鉆井作業(yè)，顯著提高了鉆井作業(yè)的能力和效率，并已成為石油鉆井行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，是當(dāng)前鉆井設(shè)備自動化發(fā)展階段的突出成果之一［1-3］。目前，海洋鉆井平臺全部裝備了頂驅(qū)，陸地石油鉆機(jī)也越來越多地裝備了頂驅(qū)。頂驅(qū)主軸是頂驅(qū)的核心部件，旋轉(zhuǎn)頭的優(yōu)化設(shè)計能有效延長主軸的使用壽命［4-5］。

1　旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)裝置的旋轉(zhuǎn)頭，又名吊環(huán)適配器。吊環(huán)、背鉗和傾斜裝置均懸持在旋轉(zhuǎn)頭上，旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部設(shè)有多道液壓油路，為了實現(xiàn)吊環(huán)和背鉗的井口操作，旋轉(zhuǎn)頭需要圍繞主軸旋轉(zhuǎn)，同時保證液壓油路的暢通和密封。

國內(nèi)外頂部驅(qū)動鉆井裝置中，按傳遞載荷方式分為2種。

一種是以美國NOV（Varco）公司的頂驅(qū)為代表的單負(fù)荷通道結(jié)構(gòu)［6］，如圖1所示。頂驅(qū)主軸穿過芯軸中心孔，芯軸上方的軸肩懸掛在齒輪箱體上，主軸下方設(shè)有多道U型槽，回轉(zhuǎn)體自重及其載荷通過分離式卡環(huán)傳遞到主軸。這種單負(fù)荷通道傳遞形式使得頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)無論處于哪種作業(yè)方式（起鉆、下鉆、鉆進(jìn)），其主軸及主承載軸承始終處于承載狀態(tài)，相對降低了使用壽命，而且旋轉(zhuǎn)頭在工作中需經(jīng)常浮動，操作工序復(fù)雜。

圖1　Varco頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)

另一種是以北京石油機(jī)械廠生產(chǎn)的頂驅(qū)為代表的雙負(fù)荷通道結(jié)構(gòu)［7］，如圖2所示。頂驅(qū)主軸穿過芯軸中心孔，芯軸上方的軸肩懸掛在齒輪箱體上，螺紋套通過螺紋與芯軸連接，回轉(zhuǎn)體的載荷通過止推軸承和螺紋套傳遞到芯軸，最終全部傳遞到齒輪箱體。雙負(fù)荷通道傳遞形式由于在旋轉(zhuǎn)頭中增加了承載軸承、上下扶正軸承，所有軸承采用強(qiáng)制潤滑，各處潤滑油的密封以及各油路在旋轉(zhuǎn)體上的設(shè)置，使得旋轉(zhuǎn)承載裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管線接頭增多，可靠性差，維修不便，成本提高。

圖2　北石頂驅(qū)的旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)

綜合分析2種旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)的利弊，在現(xiàn)有雙負(fù)荷通道旋轉(zhuǎn)頭的基礎(chǔ)上，選用回轉(zhuǎn)支承和自潤滑軸套代替原有的扶正軸承，既保證了雙負(fù)荷通道的優(yōu)點(diǎn)，又使結(jié)構(gòu)更集成簡單，有效降低了制造安裝和維修成本。

2　旋轉(zhuǎn)頭優(yōu)化設(shè)計

沿用雙負(fù)荷通道傳遞形式的旋轉(zhuǎn)頭的工作原理，即鉆進(jìn)時頂驅(qū)主軸承載，其他工況旋轉(zhuǎn)頭上懸掛的載荷通過芯軸傳遞到齒輪箱。旋轉(zhuǎn)頭主要由芯軸、齒輪、回轉(zhuǎn)體、回轉(zhuǎn)支承和分離式卡環(huán)等組成，如圖3所示。芯軸上部的臺肩懸掛在齒輪箱體上，齒輪和回轉(zhuǎn)支承外圈均與回轉(zhuǎn)體螺栓連接，液壓馬達(dá)帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，帶動回轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)。自潤滑軸套和回轉(zhuǎn)支承分別設(shè)置在回轉(zhuǎn)體上、下部，保證芯軸的扶正。兩件分離式卡環(huán)與芯軸通過多道U型槽連接，套筒與卡環(huán)螺栓連接以固定卡環(huán)?；剞D(zhuǎn)支承下表面落在2件分離式卡環(huán)的上表面，使回轉(zhuǎn)體載荷通過卡環(huán)傳遞到芯軸并最終傳遞到齒輪箱體上。

圖3　旋轉(zhuǎn)頭三維結(jié)構(gòu)

3　技術(shù)特點(diǎn)

3．1 芯軸傳遞負(fù)載

芯軸材料選用AISI4330［8］，上部臺肩懸掛在上部齒輪箱上，并用螺栓連接，將芯軸的自重傳遞到齒輪箱。平鍵連接芯軸和回轉(zhuǎn)支承內(nèi)圈，用來限定二者之間的周向運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)支承的下表面落在分離式卡環(huán)上，這種結(jié)構(gòu)將回轉(zhuǎn)支承承受的載荷通過分離式卡環(huán)和芯軸的U型槽傳遞到芯軸，最終傳遞到齒輪箱。分離式卡環(huán)和套筒的設(shè)計在解決載荷傳遞問題的同時，保證了結(jié)構(gòu)的可安裝性。同Varco的頂驅(qū)相比，在芯軸上開設(shè)U型槽比在主軸上開槽更大程度地保護(hù)了主軸。

3．2 簡化扶正結(jié)構(gòu)

芯軸的扶正機(jī)構(gòu)對頂驅(qū)回轉(zhuǎn)頭的結(jié)構(gòu)和制造安裝成本起至關(guān)重要的作用。采用上部自潤滑軸套、下端回轉(zhuǎn)支承扶正芯軸，代替了傳統(tǒng)的上、下采用扶正軸承的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。自潤滑軸套是以銅合金為基體，鑲嵌有特殊配方的固體潤滑劑和潤滑油，在摩擦過程中逐漸釋放潤滑油和固體潤滑劑，具有耐磨和自潤滑的特點(diǎn)，自潤滑軸套與回轉(zhuǎn)體螺栓連接，與芯軸配合連接，按照旋轉(zhuǎn)頭常規(guī)井口操作的頻率，自潤滑軸套的使用壽命為3～4 a?；剞D(zhuǎn)支承作為滾動軸承的一種，自帶油路，既便于安裝，又避免了潤滑油路和密封的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

圖4　旋轉(zhuǎn)頭剖面

3．3 液壓油路的設(shè)計

旋轉(zhuǎn)頭上共布置8條油路，其中2條為IBOP直連油路，不經(jīng)過回轉(zhuǎn)體，直接在芯軸下方連接，其余6條油路出油口在回轉(zhuǎn)體側(cè)面，2條為背鉗使用，2條傾斜裝置使用，2條備用油路，如圖5所示?；剞D(zhuǎn)體內(nèi)表面有多條環(huán)形油槽，分別與芯軸上出來的油路連接，每個環(huán)形油槽之間有密封圈，6條環(huán)形油路最上方和最下方分別設(shè)置防塵密封圈以保證液壓油的清潔。環(huán)形油槽的設(shè)計使回轉(zhuǎn)體在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，液壓油供給和密封防塵均不受影響。

圖5　旋轉(zhuǎn)頭液壓油路

4　結(jié)論

1） 回轉(zhuǎn)支承的應(yīng)用，避免了軸承的潤滑密封和安裝困難的問題?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)外圈分別與回轉(zhuǎn)體和承載套連接，內(nèi)圈被分體式卡環(huán)支撐，既實現(xiàn)了回轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)動扶正，又平穩(wěn)傳遞了載荷，且不需回轉(zhuǎn)體浮動工作。

2） 金屬自潤滑套布置在回轉(zhuǎn)體和芯軸之間，起扶正和自潤滑的作用，與現(xiàn)有技術(shù)中的軸承設(shè)計相比，結(jié)構(gòu)和安裝得到優(yōu)化。

3） 芯軸下端外表面U型槽的設(shè)計，相比在主軸上開設(shè)U型槽設(shè)計，解決了保護(hù)主軸及載荷傳遞的問題。

4） 新設(shè)計的旋轉(zhuǎn)頭能有效延長主軸的使用壽命，避免了使用扶正軸承時的潤滑及密封問題，降低了回轉(zhuǎn)體和芯軸的加工難度，減少了制造成本。

［1］ SY／T 6726—2008，石油鉆機(jī)頂部驅(qū)動裝置［S］．

［2］ 李繼志，陳榮振．石油鉆采機(jī)械概論［M］．東營：石油大學(xué)出版社，2000．

［3］ 楊致遠(yuǎn)，顧請獻(xiàn)，彭生明．TDS9S頂部驅(qū)動裝置［J］．河南石油，1998（1）：41-43．

［4］ 沈澤?。捎庙旘?qū)鉆井作業(yè)提高工作的安全性［J］．石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2006（1）：45-47．

［5］ 王永勤．TDS11SA頂驅(qū)裝置可靠性分析［D］．東營：石油大學(xué)，2009．

［6］ 步衛(wèi)玲．國外鉆機(jī)頂部驅(qū)動鉆井裝置的發(fā)展趨勢［J］．石油機(jī)械，2009，37（6）：88-90．

［7］ 沈昭．國產(chǎn)頂部驅(qū)動鉆井裝置的研制與發(fā)展［J］．石油機(jī)械，2001，29（增刊）：92-94．

［8］ 劉鴻文．材料力學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，2002．

Design for Rotating Head of Top Drive Drilling System

XIEWenfang1，CHEN Yuejun1，HUHaiming1，ZHANG Kai1，ZHANG Lei1，
FANG Liping1，BI Qunsi1，ZHANG Xuejing2
（1．Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China；2．Production Engineering Research Institue，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163318，China）

The existing rotating heads of top drive drilling system are divided into single load path type and dual load path type．After analyzing the advantages and disadvantages of the two types of rotating head，a new type of rotating head is reasonable designed by adopting slewing bearing and mandrel．The new rotating head used dual load path but possessed simple structure，which can prolong the service life of the main shaft of the top drive drilling system．

top drive drilling system；rotating head；slewing bearing；mandrel

TE922

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．009

1001-3482（2015）09-0035-03