15000m頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的研制

基金項(xiàng)目：中國石油天然氣集團(tuán)有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目“萬米級智能鉆機(jī)研發(fā)”（2022ZG06-01）。

為滿足超深層油氣勘探開發(fā)對鉆井裝備的需求，結(jié)合北京石油機(jī)械有限公司系列頂驅(qū)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研制了15 000 m頂驅(qū)。依據(jù)15 000 m鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)確定了主要技術(shù)參數(shù)；根據(jù)鉆井工藝要求，設(shè)計(jì)了總體結(jié)構(gòu)方案；應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)、理論計(jì)算和有限元分析等方法，對關(guān)鍵模塊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，分析了實(shí)時(shí)監(jiān)測與維護(hù)技術(shù)、一鍵式協(xié)同控制技術(shù)和自動(dòng)潤滑技術(shù)。臺(tái)架性能試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，啟停、運(yùn)行平穩(wěn)，控制精準(zhǔn)，裝配合格，自動(dòng)化和智能化水平高，能很好地滿足15 000 m鉆井工況要求，有效提升了鉆井作業(yè)效率和安全性。研制結(jié)果可為超深層鉆井技術(shù)與裝備的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供技術(shù)借鑒。

特深井鉆機(jī)；頂驅(qū)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；有限元分析；臺(tái)架試驗(yàn)；協(xié)同控制

Development of 15 000 m Top Drive System

Zhang Junqiao Wang Bo Qi Jianxiong Zhang Hongjun Xie Hongfeng Shan Xiaoping Ma Rui

（Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd.）

In order to meet the demand for drilling equipment in ultra-deep oil and gas exploration and development，combined with the experience of Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd. in research and development of top drives，a 15 000 m top drive was developed. Its main technical parameters were determined based on the technical parameters of the 15 000 m drilling rig. Its overall structure was designed according to the requirements of drilling technology，and the structures of key modules were optimized using the methods such as modular design，theoretical calculation and finite element analysis. Real-time monitoring and maintenance technology，one-key collaborative control technology and automatic lubrication technology were analyzed. Finally，a bench test on the performance of the top drive system was performed. The results show that all performance indicators of the system meet the design requirements. It can start，stop and operate smoothly，and control accurately. It is also characterized by qualified assembly，and high automation and intelligence levels. These features allow the system to well accommodate the 15 000 m drilling conditions，with improved drilling efficiency and safety. The development of 15 000 m top drive provides a technical reference for further research and application of ultra-deep drilling technologies and equipment.

ultra-deep well drilling rig;top drive; structural optimization; finite element analysis; bench test; collaborative control

0 引 言

頂驅(qū)是頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的簡稱，可以在井架空間上部直接驅(qū)動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)并沿專用導(dǎo)軌向下送進(jìn)，完成旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、循環(huán)鉆井液、接立根、上卸扣、倒劃眼、旋轉(zhuǎn)下套管等多種鉆完井作業(yè)，已成為現(xiàn)代鉆井作業(yè)必備裝備^［1-2］。近年來，國內(nèi)油氣勘探不斷向深層、超深層拓展，已在多個(gè)地區(qū)超深層發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)油氣流，開創(chuàng)了勘探開發(fā)的新領(lǐng)域，開展超深層鉆井配套頂驅(qū)的研究成為必然^［3-4］。公開文獻(xiàn)表明，國外研制成功并進(jìn)行應(yīng)用的萬米級頂驅(qū)有美國NOV公司的TDX1250和TDX1500、挪威MH公司的TD1250和TD1500，其中TDX 1250和TD1250的承載能力為11 250 kN，TDX1500和TD1500的承載能力可達(dá)到13 500 kN，它們均配備了鉆井作業(yè)安全提升、扭矩智能控制、導(dǎo)向滑動(dòng)控制等技術(shù)^［5-6］，并應(yīng)用于海洋平臺(tái)的鉆井作業(yè)中。國內(nèi)北京石油機(jī)械有限公司（以下簡稱北石）研制的12 000 m頂驅(qū)承載能力為9 000 kN，配置包括安全提升、扭矩智能控制、導(dǎo)向滑動(dòng)控制、主軸旋轉(zhuǎn)定位、遠(yuǎn)程診斷等技術(shù)，在鉆井能力、鉆井技術(shù)、安全性、輕量化等方面有了顯著的突破，已在深地塔科1井、深地川科1井成功應(yīng)用。深地塔科1井設(shè)計(jì)井深11 100 m，是我國首口萬米科學(xué)探索井，位于新疆沙漠腹地。深地川科1井設(shè)計(jì)井深10 520 m，位于四川盆地西北部，因復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，是全球鉆進(jìn)難度最大的萬米深井，其7項(xiàng)難度指標(biāo)居世界第一。

隨著國內(nèi)深井鉆探記錄不斷被打破，開展15 000 m特深井鉆機(jī)配套頂驅(qū)研究已成為我國油氣勘探開發(fā)向特深層發(fā)展的必然需求。鑒于此，北石研制了一套名義鉆井深度15 000 m的頂驅(qū)。該頂驅(qū)具有超高提升載荷、超大功率、超高循環(huán)壓力等特點(diǎn)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵部件、自主識別作業(yè)工況等功能，維護(hù)保養(yǎng)簡單，自動(dòng)化程度高，安全性好。該頂驅(qū)的研制成功，對滿足國家能源接替戰(zhàn)略需求、提升我國鉆井裝備整體競爭力、增強(qiáng)超深層油氣資源開發(fā)能力具有重要意義。

1 技術(shù)分析

1.1 總體方案

研制的頂驅(qū)應(yīng)滿足萬米超深井鉆井工藝要求。為滿足超深井作業(yè)過程中額定提升載荷和鉆井扭矩的需要，采用雙提環(huán)、雙主電機(jī)的結(jié)構(gòu)。雙提環(huán)和鉆機(jī)游車之間通過過渡提環(huán)連接，達(dá)到傳遞載荷可靠、頂驅(qū)重心居中的目的。為應(yīng)對萬米深井超長鉆井周期的生產(chǎn)需求，采用一級減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，減少高速旋轉(zhuǎn)部件數(shù)量，提升傳動(dòng)效率和可靠性。為適應(yīng)超深井作業(yè)中大排量、高泵壓的要求，鉆井液通道采用通徑102 mm、額定循環(huán)壓力70 MPa的結(jié)構(gòu)。為保證正常旋緊、松開鉆柱接頭，背鉗采用4油缸結(jié)構(gòu)以達(dá)到所需的夾持扭矩，雙旋轉(zhuǎn)馬達(dá)使旋轉(zhuǎn)頭獲得所需的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，帶動(dòng)吊環(huán)、吊卡旋轉(zhuǎn)，以抓取單根或鉆柱。與鉆機(jī)井架上的雙導(dǎo)軌相匹配，設(shè)計(jì)了滾輪式滑車，用于傳遞頂驅(qū)工作扭矩。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

頂驅(qū)由本體、電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)等組成，其中頂驅(qū)本體由動(dòng)力水龍頭、管子處理裝置和滑車等組成^［7］。動(dòng)力水龍頭包括過渡提環(huán)、主電機(jī)、提環(huán)、減速箱等，管子處理裝置包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)頭、背鉗、內(nèi)防噴器及控制裝置、吊環(huán)傾斜系統(tǒng)等，背鉗包括背鉗支架和背鉗體。頂驅(qū)本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

額定載荷（API Spec 8C PSL1）：11 250 kN；

名義鉆井深度（?114 mm鉆桿）：15 000 m；

電動(dòng)機(jī)額定功率：1 100 kW×2；

最大連續(xù)鉆井扭矩（≤140 r/min）：

145 kN·m；

最大上卸扣扭矩：205 kN·m；

剎車扭矩：145 kN·m；

額定循環(huán)壓力：70 MPa；

主軸中心通道直徑：102 mm；

轉(zhuǎn)速：0～280 r/min；

環(huán)境溫度：-35～55" ℃。

交流變頻電機(jī)的調(diào)速特性是額定鉆速以下恒扭矩調(diào)節(jié)，額定鉆速以上恒功率調(diào)節(jié)。所以，額定轉(zhuǎn)速以下，可以輸出最大鉆井扭矩；額定轉(zhuǎn)速以上，可輸出的最大鉆井扭矩隨轉(zhuǎn)速上升而下降，轉(zhuǎn)速和最大鉆井扭矩的乘積不變。根據(jù)電機(jī)調(diào)速特性和頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)，可得頂驅(qū)輸出鉆井扭矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，如圖2所示。

1.4 工作原理

動(dòng)力水龍頭中的主電機(jī)通過一級齒輪減速后，驅(qū)動(dòng)主軸及與其連接的鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。管子處理裝置中的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)吊環(huán)、吊卡轉(zhuǎn)動(dòng)，完成接鉆桿、起下鉆等作業(yè)，還可通過操作內(nèi)防噴器控制裝置關(guān)閉內(nèi)防噴器來防止井噴的發(fā)生。頂驅(qū)的輔助動(dòng)作，如本體質(zhì)量的平衡、背鉗夾緊松開與上提下放、吊環(huán)傾斜與浮動(dòng)、旋轉(zhuǎn)頭回轉(zhuǎn)與鎖緊、內(nèi)防噴器打開與關(guān)閉、主電機(jī)制動(dòng)與松開等功能均通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相關(guān)執(zhí)行元件來完成。電氣控制系統(tǒng)具有對頂驅(qū)及關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測和自診斷功能?；囀鬼旘?qū)在各種作業(yè)中與鉆機(jī)井架保持相對正確的位置，并承受頂驅(qū)工作時(shí)的反扭矩。

2 主要技術(shù)改進(jìn)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 超高載荷提升系統(tǒng)

根據(jù)15 000 m鉆機(jī)井架空間尺寸，為可靠傳遞11 250 kN額定載荷，結(jié)合北石系列頂驅(qū)的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，采用雙提環(huán)、過渡提環(huán)和可調(diào)滑車結(jié)構(gòu)。雙提環(huán)相對于主軸對稱分布，下部與減速箱連接，上部與過渡提環(huán)連接，過渡提環(huán)再與游車連接。滑車前后、左右方向均可調(diào)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)可使頂驅(qū)重心、主軸重心以及井口中心的偏差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，減小主承載件（承受主載荷的構(gòu)件）在工作中受到的交變彎曲應(yīng)力。同時(shí)，采用有限元分析軟件，對包括過渡提環(huán)、提環(huán)、主軸、內(nèi)套、旋轉(zhuǎn)頭等在內(nèi)的主承載件在最大靜載、最大扭矩、正常鉆進(jìn)等工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析和疲勞分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，滿足了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的在11 250 kN時(shí)安全系數(shù)大于2.25、疲勞壽命不少于20 a的要求^［8-9］。

以旋轉(zhuǎn)頭為例，進(jìn)行理論計(jì)算^［10］、有限元強(qiáng)度分析和疲勞分析。旋轉(zhuǎn)頭兩側(cè)的吊耳連接吊環(huán)及吊卡，在旋轉(zhuǎn)馬達(dá)作用下，能繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，配合吊環(huán)傾斜機(jī)構(gòu)去抓取單根或立根，承受起下鉆作業(yè)時(shí)的載荷。旋轉(zhuǎn)頭吊耳結(jié)構(gòu)見圖3。

在11 250 kN作用下，旋轉(zhuǎn)頭吊耳接觸半徑R₁應(yīng)不大于114.3 mm，R₂應(yīng)不小于76.2 mm，吊耳受剪切和壓力作用，常規(guī)計(jì)算顯示最小安全系數(shù)為3.15。有限元分析是利用CAXA 3D實(shí)體設(shè)計(jì)軟件建立旋轉(zhuǎn)頭三維模型后，將其導(dǎo)入有限元分析ANSYS軟件進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，單元類型為Solid187號實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為581 440個(gè)，單元總數(shù)為847 707個(gè)。在靜力平衡狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)頭承受來自底部軸承支撐面的約束作用，在旋轉(zhuǎn)頭2個(gè)吊耳上施加11 250 kN的載荷，方向?yàn)閥向；底部的軸承支撐面約束其y方向的自由度。有限元強(qiáng)度分析結(jié)果顯示安全系數(shù)為2.55，疲勞分析安全系數(shù)為3.38，疲勞壽命為24.3 a，均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。旋轉(zhuǎn)頭有限元分析結(jié)果見圖4，其中最大載荷工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖4a，最大靜載工況位移計(jì)算結(jié)果見圖4b，疲勞壽命分析結(jié)果見圖4c，疲勞安全系數(shù)分析結(jié)果見圖4d。

2.2 超大功率旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)

萬米以上超深井具有鉆井周期長、地質(zhì)條件復(fù)雜、工況不確定等特點(diǎn)，為安全、高效地完成鉆井工作，采用2臺(tái)功率大、調(diào)速范圍廣的交流變頻電機(jī)，一級減速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)簡單，提高了傳動(dòng)效率。與二級減速結(jié)構(gòu)相比，減少1套齒輪副就會(huì)減少66%的高速軸承，減少約1/2的熱載荷^［11］。同時(shí)，考慮鉆井現(xiàn)場風(fēng)沙、油污、溫差大等惡劣的環(huán)境條件，以及相較于常規(guī)頂驅(qū)翻倍的電纜數(shù)量，采用集成化拖鏈成套游動(dòng)管纜，因此柔性好、抗打擊，單芯電纜可換，滿足對管纜進(jìn)行可靠防護(hù)和穩(wěn)定供電的要求。為了清晰表示電路中的設(shè)備及其組成部分的工作原理，便于查找、測試、安裝和維護(hù)設(shè)備，繪制了系統(tǒng)單線圖，如圖5所示。由圖5可以看出，井場發(fā)電機(jī)輸送了600 V交流電源到電控房。經(jīng)主空氣開關(guān)、進(jìn)線電抗器連接到電源模塊，轉(zhuǎn)換為DC 810 V輸出到直流母線。電機(jī)模塊工作在該直流電網(wǎng)上，利用脈沖寬度調(diào)制方法（PWM），生成三相頻率可調(diào)的供電電源，輸出到頂驅(qū)主電機(jī)。同時(shí)，3AC 600 V 交流電經(jīng)空氣開關(guān)連接到輔助變壓器，轉(zhuǎn)換為3AC 380 V 和220 VAC交流電，作為輔助電源，通入PLC/MCC柜?？刂谱儔浩鲗?AC 380 V 變壓為220 VAC，再經(jīng)Sitop模塊變?yōu)镈C 24V^［7］。

2.3 超大扭矩管子處理系統(tǒng)

頂驅(qū)最大上卸扣扭矩205 kN·m，作業(yè)井深15 000 m。為順利完成起下鉆，要求管子處理裝置能適應(yīng)不同尺寸的鉆桿接頭，可保護(hù)各接頭免受大扭矩的損壞、能自動(dòng)上提下放，以方便更換相關(guān)零部件。采用四油缸夾持結(jié)構(gòu)的背鉗體，油缸行程長、夾持范圍寬，可適應(yīng)不同尺寸鉆桿接頭，夾持壓力可自主調(diào)節(jié)，在滿足承扭能力的同時(shí)可保護(hù)鉆桿接頭免受損壞。

背鉗支架內(nèi)布置油缸，通過油缸活塞的伸縮，實(shí)現(xiàn)支架的伸縮，從而使背鉗體能自動(dòng)升降足夠的距離，以方便拆裝轉(zhuǎn)換接頭或內(nèi)防噴器組件。

2.4 超高壓主循環(huán)通道

對于萬米以上頂驅(qū)，地層壓力大，井下溫度高，地層中的油、氣、鹽等對鉆井液的污染可能增大，由此導(dǎo)致鉆井液對主循環(huán)通道的腐蝕可能加劇，且使主通道循環(huán)壓力達(dá)70 MPa，因此主循環(huán)通道應(yīng)具有耐高壓、防腐蝕、旋轉(zhuǎn)面耐磨損、旋轉(zhuǎn)密封性能好等特點(diǎn)。主循環(huán)通道包括主軸、鵝頸管、鉆井液連接管、沖管總成等，最容易失效的是沖管總成，尤其是沖管總成中與鉆井液直接接觸的零件和用于密封的零件。沖管總成按結(jié)構(gòu)分為盤根式和機(jī)械密封式（見圖6）。

通過優(yōu)選材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)與熱處理方式、在旋轉(zhuǎn)部位噴涂高硬合金、對整體表面進(jìn)行特殊防腐耐磨處理等，已起到耐磨防腐的效果。用于旋轉(zhuǎn)密封的盤根，選用高性能橡膠材料和適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)耐高壓、耐磨損的性能；機(jī)械密封式還可以根據(jù)動(dòng)、靜環(huán)端面磨損量和泄漏量，對液壓彈簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓力調(diào)節(jié)，以保持密封的穩(wěn)定性，從而滿足超深井作業(yè)中大排量、高泵壓的要求。

2.5 液壓系統(tǒng)閥組

液壓系統(tǒng)閥組用于控制頂驅(qū)的輔助動(dòng)作，包括整機(jī)平衡系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、內(nèi)防噴器系統(tǒng)、吊環(huán)的傾斜和浮動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)頭的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)頭的鎖緊、背鉗系統(tǒng)，有的還包括液壓吊卡系統(tǒng)，因此液壓系統(tǒng)閥組的設(shè)計(jì)直接決定著頂驅(qū)整機(jī)的性能。目前液壓閥組有疊加式和插裝式2種。疊加式閥組排查故障簡單，但每個(gè)輔助動(dòng)作控制系統(tǒng)的控制原理不同，高度不同，位置相對固定，連接件形式多樣，容易出現(xiàn)差錯(cuò)。插裝式閥組安裝靈活，但對閥塊表面質(zhì)量及內(nèi)部油道加工質(zhì)量要求較高，排查故障較為困難。為克服以上2種閥組的缺點(diǎn)，采用由閥塊基座、片式插裝閥塊、電磁換向閥組成拼裝式液壓控制閥組，如圖7所示。該閥組在完成液壓輔助動(dòng)作的同時(shí)，具有安裝位置隨意性強(qiáng)、組合形式多樣化的特點(diǎn)，排查故障方便，生產(chǎn)和維護(hù)成本低。

2.6 實(shí)時(shí)監(jiān)測與維護(hù)系統(tǒng)

在鉆井作業(yè)中設(shè)備動(dòng)作不到位、維護(hù)不及時(shí)造成的故障將會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)損失，并且事后維護(hù)也將造成時(shí)間、人員、物資浪費(fèi)，進(jìn)而影響鉆井效率^［12］。因此，需基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用接近開關(guān)、激光、傳感器等非接觸式設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測提環(huán)、滑車、內(nèi)防噴器等相關(guān)零部件的狀態(tài)和位置，以及吊環(huán)傾斜角度、提升載荷值等參數(shù)，根據(jù)檢測結(jié)果提供預(yù)防性維護(hù)、維修建議，對關(guān)鍵部件進(jìn)行自動(dòng)維護(hù)保養(yǎng)。還可對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，結(jié)合診斷對象的歷史狀態(tài)，預(yù)測未來的狀態(tài)，進(jìn)而確定出必要的對策，為技術(shù)人員遠(yuǎn)程診斷提供參考和技術(shù)支持，降低因設(shè)備異常造成的損失，保證了鉆井作業(yè)的順利進(jìn)行。

2.7 “一鍵式”協(xié)同控制技術(shù)

鉆井作業(yè)和起下鉆作業(yè)過程中，頂驅(qū)主軸與鉆桿的連接和脫離需要依序控制多個(gè)部件，并需要人工密切觀察設(shè)備狀態(tài)、司鉆臺(tái)界面顯示，進(jìn)行綜合判斷，通過手眼協(xié)調(diào)來完成相應(yīng)工作存在誤操作、誤判斷的風(fēng)險(xiǎn)，可能引發(fā)鉆井事故。采用“一鍵式”協(xié)同控制技術(shù)，將多個(gè)操作步驟簡化為一鍵操作，極大簡化了操作的煩瑣程度，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)部件的安全連鎖及聯(lián)動(dòng)，可幫助操作人員完成復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提升了鉆井作業(yè)效率和安全性。

2.8 自動(dòng)潤滑系統(tǒng)

頂驅(qū)潤滑系統(tǒng)主要包括電機(jī)、提環(huán)銷、平衡油缸、滑車滾輪、鉆井液傘、旋轉(zhuǎn)頭、傾斜油缸及背鉗等，其潤滑部位分散、潤滑點(diǎn)多、潤滑周期不同、潤滑量也不一致。人工操作需要在頂驅(qū)停機(jī)的狀態(tài)下進(jìn)行，影響鉆井效率，提高鉆井風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還存在工作量大、高空作業(yè)危險(xiǎn)性高、難以定時(shí)定量潤滑的不足。為克服人工潤滑的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)潤滑系統(tǒng)，對多個(gè)潤滑點(diǎn)按時(shí)、自動(dòng)、定量進(jìn)行潤滑，潤滑效果好，對環(huán)境無污染，作業(yè)效率高。自動(dòng)潤滑系統(tǒng)示意圖見圖8。

3 試驗(yàn)情況

頂驅(qū)樣機(jī)裝配完成后進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，內(nèi)容主要包括：動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)、剎車試驗(yàn)、管子處理裝置試驗(yàn)、主通道密封試驗(yàn)、液壓系統(tǒng)試驗(yàn)、電控系統(tǒng)試驗(yàn)^［13］。具體試驗(yàn)過程如下。

（1）動(dòng)力水龍頭試驗(yàn)。對產(chǎn)品進(jìn)行空載荷運(yùn)轉(zhuǎn)、扭矩加載運(yùn)轉(zhuǎn)、帶載跑合、堵轉(zhuǎn)和上卸扣功能等試驗(yàn)。恒扭矩加載階段最高轉(zhuǎn)速140 r/min、扭矩145 kN·m；恒功率階段功率2 200 kW，最高轉(zhuǎn)速280 r/min；最大卸扣扭矩達(dá)到205 kN·m，堵轉(zhuǎn)扭矩145 kN·m。試驗(yàn)過程中頂驅(qū)各零部件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，背鉗卡緊、松開靈活自如，背鉗支架上提下放順暢，剎車制動(dòng)可靠有效，無異?，F(xiàn)象。

（2）管子處理裝置試驗(yàn)。對旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)、傾斜機(jī)構(gòu)空載和中位浮動(dòng)、內(nèi)防噴器控制等進(jìn)行試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)頭運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，換向無沖擊；吊環(huán)傾斜和中位浮動(dòng)動(dòng)作正確，能自由回到垂直位置；內(nèi)防噴器控制裝置操作靈活，開關(guān)到位。

（3）主通道密封試驗(yàn)。對主通道進(jìn)行2個(gè)周期、每周期105 MPa壓力、保壓時(shí)間3 min的試驗(yàn)，均無可見的壓力下降或滲漏。

（4）液壓系統(tǒng)試驗(yàn)。對液壓源、液壓閥組和各個(gè)液壓回路進(jìn)行試驗(yàn)，各元件工作正常，密封良好，無液壓油泄漏。

（5）電控系統(tǒng)試驗(yàn)。對系統(tǒng)功能以及顯示、監(jiān)測、報(bào)警、保護(hù)及功能互鎖等進(jìn)行試驗(yàn)。調(diào)節(jié)控制準(zhǔn)確，人機(jī)界面顯示與報(bào)警無誤；互鎖功能齊全、準(zhǔn)確。能實(shí)時(shí)傳輸顯示提環(huán)位置、吊環(huán)傾斜角度、背鉗高度、IBOP套筒位置等被測件的狀態(tài)。

4 結(jié) 論

（1）15 000 m頂驅(qū)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了頂驅(qū)從機(jī)械化、自動(dòng)化到數(shù)字化、智能化的初步跨越，有效減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn) 。

（2）提升系統(tǒng)采用雙提環(huán)和雙載荷通道形式，消除偏重引起的導(dǎo)軌、滑車、轉(zhuǎn)換接頭和鉆桿螺紋等非正常磨損，上卸扣對中更準(zhǔn)確、快捷。通過理論計(jì)算和有限元分析相結(jié)合的方式，對重要零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)，滿足超高提升載荷和鉆機(jī)井架空間尺寸需求。

（3）旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)兼具直驅(qū)和減速驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，大幅縮短傳動(dòng)鏈，集成管纜彎曲半徑更小、更柔軟，系統(tǒng)可靠性更高，滿足超大功率旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的需求。

（4）管子處理系統(tǒng)通過液壓系統(tǒng)與非接觸檢測元件的配合控制實(shí)現(xiàn)對吊環(huán)、背鉗、IBOP等零部件的精準(zhǔn)定位，還可與井口自動(dòng)化裝備進(jìn)行無縫聯(lián)動(dòng)，滿足超大上卸扣扭矩需求。

（5）對主循環(huán)通道中易失效件，從材料、結(jié)構(gòu)、熱處理和表面處理等方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，滿足超高壓鉆井需求。

（6）拼裝式液壓閥組克服了疊加閥組和插裝閥組的缺點(diǎn)，簡化了加工工藝，提高了容錯(cuò)率，拆裝簡便，滿足頂驅(qū)液壓輔助動(dòng)作的需求。

（7）實(shí)時(shí)監(jiān)控維護(hù)系統(tǒng)對頂驅(qū)關(guān)鍵部件、相關(guān)井口設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和位置實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測及綜合判斷，實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)和控制，為技術(shù)人員遠(yuǎn)程診斷和決策提供支持，提高了頂驅(qū)的自動(dòng)化和智能化水平。

（8）一鍵式協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆具一鍵抓取、防碰安全聯(lián)動(dòng)等功能，簡化了操作流程，減少了操作人員數(shù)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)的可靠性和安全性。

（9）自動(dòng)潤滑系統(tǒng)自動(dòng)按設(shè)定的時(shí)間間隔對各潤滑點(diǎn)進(jìn)行定量潤滑，自動(dòng)化程度高，對環(huán)境友好。

（10）臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，整機(jī)性能穩(wěn)定，啟停和運(yùn)行平穩(wěn)，控制精準(zhǔn)，裝配質(zhì)量合格，設(shè)計(jì)合理。

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第一作者簡介：張軍巧，女，高級工程師，生于1971年，2003年畢業(yè)于北京林業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)從事頂驅(qū)的研發(fā)及質(zhì)量改進(jìn)工作。地址：（102206）北京市昌平區(qū)。電話：（010）80165981。email：13520733956@163.com。