鉆井頂驅(qū)的發(fā)展歷史綜述

摘 要：系統(tǒng)介紹了鉆井頂驅(qū)發(fā)展的歷史、主要類型，詳細(xì)列舉了幾個(gè)主流品牌中各型號(hào)的主要參數(shù)，及交流電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)與直流電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)的優(yōu)勢(shì)比較。

關(guān)鍵詞：石油;鉆井;驅(qū)動(dòng)

石油鉆井多年來一直采用標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)盤和方鉆桿鉆井方式，利用轉(zhuǎn)盤、方鉆桿、鉆桿B型大鉗、吊卡、卡瓦和方補(bǔ)心接單根。這種鉆井方式有兩個(gè)突出的矛盾一直懸而未決，一是由于起下鉆不能及時(shí)實(shí)現(xiàn)循環(huán)旋轉(zhuǎn)功能，遇上復(fù)雜地層，或是巖屑沉淀，往往造成卡鉆。二是由于常規(guī)鉆機(jī)在鉆進(jìn)中依靠轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)方鉆桿旋轉(zhuǎn)送進(jìn)，方鉆桿的長(zhǎng)度限制了鉆進(jìn)深度，故每次只能接單根，因而費(fèi)工費(fèi)時(shí)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。20世紀(jì)70年代以來，出現(xiàn)了動(dòng)力水龍頭，在相當(dāng)程度上改善了鉆井工人的操作條件，加快了鉆井速度，但它只是水龍頭和氣動(dòng)馬達(dá)的結(jié)合，未從根本上擺脫轉(zhuǎn)盤，也不具備起鉆中能迅速旋轉(zhuǎn)鉆具、循環(huán)鉆井液的能力。

20世紀(jì)80年代以美國(guó)、法國(guó)、挪威等國(guó)為代表研制的頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)（TOP DRIVE DRILLING SYSTE），明顯提高了鉆井作業(yè)速度和效率，尤其是深井、復(fù)雜井，同時(shí)能及時(shí)避免和控制事故的發(fā)生，不僅提高了井口工人的安全，而且減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，已成為石油鉆井先進(jìn)裝備的代表。

而所謂的頂部驅(qū)動(dòng)，就是把鉆井動(dòng)力部分由下邊的轉(zhuǎn)盤移動(dòng)到鉆機(jī)上部的水龍頭處。它可從井架空間上部直接旋轉(zhuǎn)鉆柱，驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，并沿著井架內(nèi)專用的導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，循環(huán)鉆井液，接立根，上卸扣和倒劃眼等多種鉆井工藝操作。由于取消了方鉆桿，無(wú)論是在鉆進(jìn)過程中，還是在起下鉆過程中，鉆柱可以保持鉆井液循環(huán)。因而遇卡遇阻事故可以得到及時(shí)有效的控制和處理。同時(shí)，可以進(jìn)行立根鉆進(jìn)，大大提高了純鉆進(jìn)時(shí)間，鉆井實(shí)驗(yàn)表明：這種系統(tǒng)可節(jié)省鉆井時(shí)間20%-25%。是當(dāng)今石油鉆井自動(dòng)化中的前沿技術(shù)與裝備，用于鉆斜井、鉆高難度的定向井時(shí)效果尤為顯著。

1 頂驅(qū)發(fā)展的簡(jiǎn)要回顧

首先以美國(guó)VARCO公司系列頂驅(qū)為例，回顧一下頂部驅(qū)動(dòng)裝置的研制發(fā)展過程。

1981年開始研制最初的TDS-1型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的系列馬達(dá)原型，采用的是GE752直流電機(jī)，電機(jī)水平安裝。在隨后作出的頂部驅(qū)動(dòng)裝置TDS-2型的設(shè)計(jì)中，電機(jī)該為直立安裝，但它們均是建立在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，未投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。

1982年設(shè)計(jì)并于1983年生產(chǎn)了單速（減速比為5.33：1）的TDS-3型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，開始應(yīng)用于實(shí)際油田鉆井生產(chǎn)中，并由此形成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1988年研制開發(fā)了具有新標(biāo)準(zhǔn)的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型頂部驅(qū)動(dòng)裝置，同年還生產(chǎn)了單速（減速比6.67：1）的TDS-5型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，但當(dāng)時(shí)它只是作為臨時(shí)性措施而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種產(chǎn)品。

1989年出現(xiàn)了新式高扭矩馬達(dá)，TDS-3H型及TDS-4H型兩種頂部驅(qū)動(dòng)裝置由于應(yīng)用了這種新式馬達(dá)應(yīng)運(yùn)而生，并在鉆機(jī)上得以應(yīng)用。

1990年研制生產(chǎn)了整體式水龍頭，裝配在TDS-3S、TDS-4S兩種型號(hào)的頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置上，得到廣泛應(yīng)用。隨著鉆井深度的增加，要求驅(qū)動(dòng)更大重量的鉆柱，于是設(shè)計(jì)了雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的TDS-6S型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，單速傳動(dòng)比5.33：1，應(yīng)用于深井鉆井。

1991～1992年間，又陸續(xù)研制了TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB等諸型號(hào)的頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置。

1991年研制的IDS-1型整體式頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，是一種具有單速比6.00：1、緊湊的行星齒輪驅(qū)動(dòng)的更先進(jìn)的裝置，它是真正意義上的整體式頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置。

1993年研制開發(fā)了第一臺(tái)交流頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，這在頂部驅(qū)動(dòng)裝置的歷史上實(shí)現(xiàn)了新的飛躍。緊接著于1994年又研制開發(fā)了TDS-9SA型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，起升能力為400噸，為第一臺(tái)雙交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式。

1997年該公司更研制出500t的TDS-11SA型及輕便的TDS-10SA型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置。其中尤以TDS-11SA型引人注目，它是為快速輕便而設(shè)計(jì)的，結(jié)構(gòu)非常緊湊，采用斜齒輪傳動(dòng)，降低了噪音，具有輕便、高可靠性及低維護(hù)費(fèi)等優(yōu)越性。

2 中國(guó)頂驅(qū)發(fā)展概況

1993年 ，我國(guó)開始了自行設(shè)計(jì)、自行制造頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置工作;

1996年， DQ-60D型頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白;

1998年 ，研制和開發(fā)了DQ-60P輕便式頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置;

2000年 ，中石油勘探研究院石油機(jī)械研究所與北石廠等單位聯(lián)合開展了頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的產(chǎn)業(yè)化研制工作;

2004 年，我國(guó)第一臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DQ70BS交流變頻頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置在北石廠問世 ;天意公司也研制成功DQ-40LHTY1頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置，并進(jìn)行了功能實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn);

2005年， 9000米鉆機(jī)配套的北石廠DQ90BSC頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置研制成功;

2006年，北石廠2臺(tái)DQ40BS頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置出口美國(guó) ;天意公司DQ-70LHTY1頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置研制成功;

2009年， 景宏公司進(jìn)入頂驅(qū)制造行業(yè)，開始制造DQ50、DQ70頂驅(qū);

3 頂部驅(qū)動(dòng)裝置的類型

根據(jù)頂部驅(qū)動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)形式區(qū)分，目前世界上在用的和正在生產(chǎn)的頂驅(qū)，共有液壓驅(qū)動(dòng)和電驅(qū)動(dòng)兩大類型。在電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)中，又可分為直流（AC-SCR-DC）電驅(qū)動(dòng)和交流變頻（AC-SCR-AC）電驅(qū)動(dòng)兩種形式。在交流變頻電驅(qū)動(dòng)中，根據(jù)電機(jī)類型又可分為交流變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流變頻永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種形式。實(shí)際上可以分為4種驅(qū)動(dòng)形式的頂驅(qū)：

液壓驅(qū)動(dòng)形式頂驅(qū)，例如加拿大TESCO的650HC/HCI。

直流（AC-SCR-DC）電驅(qū)動(dòng)形式，例如加拿大CANRIG、美國(guó)VARCO的IDS-1。

交流（AC-SCR-AC）變頻感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，例如美國(guó)VARCO的TDS-11SA，TDS-9SA，挪威的MH頂驅(qū)、中國(guó)北石廠的DQ70BSC、景宏公司的DQ70頂驅(qū)。

交流（AC-SCR-AC）變頻永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，例如加拿大TESCO的650ECL。

交流電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)與直流電驅(qū)動(dòng)頂驅(qū)在性能上相比較而言，有以下優(yōu)越性：

1. 更高的扭矩范圍和更寬的轉(zhuǎn)速范圍

由于直流電動(dòng)機(jī)換向器的能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量與轉(zhuǎn)速的乘積約為106千瓦·轉(zhuǎn)/分鐘，超過這一數(shù)值時(shí)，設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。而交流電機(jī)則不受這個(gè)限制，因此可以獲得更高的扭矩和轉(zhuǎn)速。

2. 維護(hù)費(fèi)用低

交流電機(jī)沒有電刷、電刷齒輪或轉(zhuǎn)換開關(guān)，無(wú)需維護(hù)電刷，從而降低了維護(hù)費(fèi)用。

3. 零轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩高，且可以有效制動(dòng)

在鉆井卡鉆時(shí)，直流電機(jī)基本不允許在堵轉(zhuǎn)扭矩下工作;而交流電機(jī)則可在堵轉(zhuǎn)扭矩下工作，即滿扭矩負(fù)荷時(shí)可以長(zhǎng)時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài)，過載能力達(dá)到150%，時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1分鐘。

4. 安全性好

由于使用交流防爆電機(jī)，電機(jī)上沒有產(chǎn)生電弧的裝置，從而增加了鉆井作業(yè)中設(shè)備和人員的的安全性。

5. 更小的整體尺寸和更輕的重量

如果采用一對(duì)400馬力的交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)特性卻接近于1100馬力的直流電動(dòng)機(jī)，因此縮小了整個(gè)頂驅(qū)的尺寸和重量。由于結(jié)構(gòu)緊湊，從而提高了頂驅(qū)的便攜性和機(jī)動(dòng)性，保證了擁有足夠的安全空間，擴(kuò)展了頂驅(qū)的適用范圍。

6. 精確的速度和扭矩控制

由于交流電機(jī)是通過調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率來控制速度，而隨著電子元件的迅猛發(fā)展，特別是新型晶體管（IGBT）元件用于頂驅(qū)交流調(diào)速技術(shù)，從而可以精確控制交流頂驅(qū)的扭矩和轉(zhuǎn)速達(dá)到+/-1%。

4 主要頂驅(qū)的基本技術(shù)參數(shù)

隨著頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置在世界范圍內(nèi)鉆機(jī)上的大批應(yīng)用，生產(chǎn)頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的廠家也由當(dāng)初的美國(guó)、挪威擴(kuò)展到法國(guó)、加拿大等4個(gè)國(guó)家的7家公司。之后，中國(guó)、英國(guó)也加入到頂部驅(qū)動(dòng)裝置的生產(chǎn)行列。目前世界上主要生產(chǎn)頂部驅(qū)動(dòng)裝置的公司有：美國(guó)NATION-OILWELL VARCO公司、BJ公司;加拿大TESCO公司、CANRIG公司;挪威米ARITI米E-HYDRILICS公司;法國(guó)ACB公司;中國(guó)的北石、景洪等。

1. 美國(guó)VARCO公司新系列頂驅(qū)的主要技術(shù)參數(shù)

目前，VARCO公司生產(chǎn)7種規(guī)格新系列頂驅(qū)，主要基本參數(shù)見表1。API提升載荷250噸-750噸，連續(xù)工作扭矩10.21千?！っ住?6.94千?！っ?，間歇工作扭矩18.47千?！っ住?29.72千?！っ?，全功率轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/分鐘～500轉(zhuǎn)/分鐘。

在VARCO頂驅(qū)系列中，IDS-1型、TDS-4S型和TDS-4H型、TDS-6S型等3種規(guī)格頂驅(qū)采用AC-SCR-DC電驅(qū)動(dòng)形式，采用GE752型串激或并激高扭矩DC電動(dòng)機(jī)，功率為809.1～831千瓦。其中TDS-8SA型、TDS-9SA型、TDS-10SA型和TDS-11SA型等4種規(guī)格頂驅(qū)采用AC變頻電驅(qū)動(dòng)形式，分別采用GE GEB-20A型電動(dòng)機(jī)，功率845.8千瓦;Reliance Electric AC雙電動(dòng)機(jī)、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;Reliance Electric AC電動(dòng)機(jī)、功率257.4千瓦;Reliance Electric AC雙電動(dòng)機(jī)、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;也可選用2×294.2千瓦=588.4千瓦。

2. 加拿大TESCO公司新系列頂驅(qū)主要基本參數(shù)

目前，TESCO公司生產(chǎn)5種規(guī)格新系列頂驅(qū)，主要基本參數(shù)見表2。額定載荷1500千?！?500千牛，最大扭矩28.98千?！っ住?9.34千?！っ?，最高轉(zhuǎn)速195轉(zhuǎn)/分鐘～220轉(zhuǎn)/分鐘。

在5種規(guī)格新系列頂驅(qū)中，150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型等3種規(guī)格頂驅(qū)采用液壓驅(qū)動(dòng)形式，分別采用1臺(tái)196型液壓馬達(dá)、兩臺(tái)196型液壓馬達(dá)、兩臺(tái)196型液壓馬達(dá)。500ECI型和650ECI型等兩種規(guī)格頂驅(qū)采用AC變頻永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，均采用兩臺(tái)美國(guó)Kaman公司PA-44型永磁電動(dòng)機(jī)，功率2×662千瓦=1323.9千瓦。

3. 加拿大CANRIG公司新系列頂驅(qū)主要基本參數(shù)

目前，CANRIG公司生產(chǎn)8種規(guī)格新系列頂驅(qū)，主要基本參數(shù)見表3。額定載荷1750千?！?500千牛，最大扭矩28.9千牛·米～97.4千?！っ?，最高轉(zhuǎn)速175轉(zhuǎn)/分鐘～270轉(zhuǎn)/分鐘。

6027E型、8035E型、1050E型和1165E型等4種規(guī)格頂驅(qū)采用直流電驅(qū)動(dòng)形式，功率分別為450千瓦、600千瓦、750千瓦、820千瓦。1250AC型和1275AC型等兩種規(guī)格頂驅(qū)采用GE B20 AC變頻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，功率均為900千瓦。

4 挪威MH公司新系列頂驅(qū)主要基本參數(shù)

隨著電氣控制元件及技術(shù)、材料工程、動(dòng)力工程的發(fā)展，以及鉆井業(yè)對(duì)頂驅(qū)越來越高的要求，比如體積更緊湊，搬遷更方便，控制更容易等，頂驅(qū)裝備的結(jié)構(gòu)與控制技術(shù)必將得以持續(xù)的提升，有著非常大的發(fā)展前景。可喜的是，我國(guó)的頂驅(qū)制造及研發(fā)也在迎頭趕上，目前除了北京石油機(jī)械廠，也涌現(xiàn)了黑龍江景宏石油設(shè)備制造有限公司，遼河天意石油石油裝備有限公司等制造研發(fā)商，而且這幾家的頂驅(qū)也各有特色，并具有各自的專利技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。相信隨著下一輪石油價(jià)格的上漲，國(guó)產(chǎn)頂驅(qū)的制造與研發(fā)技術(shù)也必將迎來一場(chǎng)新的井噴式發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳朝達(dá). 《頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)》. 北京：石油工業(yè)出版社，2000.11.第一版.P5-P7

[2]VARCO? BJ. 《VARCO TOP DRIVER MANUALS》1998? P21，P25

作者簡(jiǎn)介：

耿紅軍（1969-），男，漢族，河南省新鄉(xiāng)市人 ，高級(jí)工程師，高級(jí)工程師，研究方向：石油裝備管理。