頂驅(qū)可浮動增扭旋轉(zhuǎn)頭裝置及其控制方法

摘"" 要：隨著鉆井自動化的逐步推廣與深入發(fā)展，頂驅(qū)配套液壓吊卡已成為必然選擇。在已有的頂驅(qū)結(jié)構(gòu)上配套液壓吊卡后，旋轉(zhuǎn)頭與內(nèi)套之間的旋轉(zhuǎn)密封數(shù)量成倍增加，使得旋轉(zhuǎn)阻力成倍增大，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)困難甚至無法旋轉(zhuǎn)。從鉆井裝備緊湊化和模塊化的發(fā)展趨勢出發(fā)，通過對井架空間、頂驅(qū)功能和結(jié)構(gòu)進行研究，研制了一種新型可浮動的增扭旋轉(zhuǎn)頭裝置及其控制方法，包括可浮動旋轉(zhuǎn)頭、減速增扭裝置、液壓控制回路3個模塊。采用液壓方式，實現(xiàn)遠程操控旋轉(zhuǎn)頭的浮動。設(shè)計了二級齒輪傳動，獲得了所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。廠內(nèi)和現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)頭裝置縮短了頂驅(qū)本體高度，在配備液壓吊卡情況下轉(zhuǎn)動穩(wěn)定自如，鉆井工況旋轉(zhuǎn)頭自動懸浮，起下鉆工況旋轉(zhuǎn)頭下沉到位。研究結(jié)果可為單負荷通道頂驅(qū)旋轉(zhuǎn)頭懸浮結(jié)構(gòu)和多油道旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：頂驅(qū);旋轉(zhuǎn)頭;浮動;增扭;控制

中圖分類號：TE923""""""""" 文獻標(biāo)志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.010

文章編號：1001-3482（2025）01-0062-05

收稿日期： 2024-07-20

基金項目： 中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)課題（CPET202206）。

作者簡介： 張軍巧（1971-），女，河北石家莊人，高級工程師，碩士，主要研究方向為石油鉆機的頂部驅(qū)動技術(shù)，E-mail：zhjq66666@163.com。

A Floatable Torque-Increasing Rotary Head Device and Its Control Method

ZHANG Junqiao1，QI Jianxiong1， XIE Hongfeng1，SU Feiyu2，ZHU Pan1，ZHANG Shuyao1

（ 1.Beijing Petroleum Machinery Co.，Ltd.，Beijing 102206，China ;

2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Dalian Maritime University，Dalian 116000，China）

Abstract：With the gradual promotion and in-depth development of drilling automation， top drive matching hydraulic elevators has become an inevitable choice. After matching the hydraulic elevator on the existing top drive， the number of rotating seals between the rotary head and the center pipe is doubled， which makes the rotating resistance double， resulting in the rotary head is difficult or even impossible to rotate. Therefore， based on the development trend of compact and modular drilling equipment， a new type of floating torque-increasing rotary head device and its control method have been developed by studying the derrick space， top drive function， and structure. The device consists of three modules： a floating rotary head， a deceleration and torque-increasing device and a hydraulic control circuit. The floating of the rotary head can be remotely controlled by the hydraulic method. A two-stage gear drive has been designed to achieve the required speed and torque. The results of in-house and field tests show that the rotating head device can shorten the height of the top drive， rotate stably and freely when equipped with a hydraulic lift， and automatically float the rotating head in the drilling state and sink it in the triggering state. The research results can provide a reference for multi-circuit single load channel top drive rotary head floating device.

Key words： top drive;rotating head;floating;increasing torque;control

頂部驅(qū)動鉆井裝置（簡稱“頂驅(qū)”）主要由動力水龍頭、管子處理裝置、電氣傳動與控制系統(tǒng)、液壓傳動與控制系統(tǒng)等組成，能驅(qū)動鉆柱旋轉(zhuǎn)并具有旋緊或松開鉆柱接頭的功能，可以沿導(dǎo)軌上下移動，完成鉆井作業(yè)[1-4]。

旋轉(zhuǎn)頭裝置為頂驅(qū)上管子處理裝置的一部分，為起下鉆作業(yè)服務(wù)的。動力驅(qū)動后繞主軸做正反兩個方向360°（或只旋轉(zhuǎn)一定的角度，在一些小噸位的頂驅(qū)上有時會取消旋轉(zhuǎn)功能，但大部分頂驅(qū)具有該功能）運動，進而帶動連接于旋轉(zhuǎn)頭兩側(cè)吊耳的吊環(huán)及吊卡轉(zhuǎn)動。為適應(yīng)去小鼠洞抓取單根，或?qū)?zhǔn)二層臺的立柱，或?qū)⒌醐h(huán)及吊卡轉(zhuǎn)至某一位置，使頂驅(qū)本體在鉆井時有一個較開闊的空間，不影響頂驅(qū)鉆進，旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)速度通常設(shè)定為3 ～6 r/min[5-7]。

隨著液壓吊卡的應(yīng)用普及，旋轉(zhuǎn)頭設(shè)計需預(yù)留液壓吊卡旋轉(zhuǎn)油道及密封槽，以實現(xiàn)對吊卡液壓系統(tǒng)的持續(xù)供壓。由于油道和密封的增加，旋轉(zhuǎn)頭要想正常旋轉(zhuǎn)，就必須克服成倍增加的油道和密封帶來的旋轉(zhuǎn)阻力，僅通過增大驅(qū)動壓力的方式，無法滿足頂驅(qū)功能要求。若通過增加動力數(shù)量的方式，則與鉆井裝備緊湊化和模塊化的設(shè)計趨勢不符。為了滿足頂驅(qū)配備液壓吊卡的需要，同時達到減小頂驅(qū)高度的目的，設(shè)計了新型旋轉(zhuǎn)頭裝置。通過采用單負荷通道，減少了旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部軸承數(shù)量，優(yōu)化了旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)，從而縮短了旋轉(zhuǎn)頭高度，降低了旋轉(zhuǎn)頭加工難度。液壓浮動設(shè)計滿足了不同工況旋轉(zhuǎn)頭上下移動及承載的需要。二級齒輪傳動設(shè)計降低了旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)速，增大了旋轉(zhuǎn)扭矩，滿足了液壓吊卡的使用。該裝置有效地解決了在空間受限的情況下，提高旋轉(zhuǎn)頭扭矩、縮短頂驅(qū)高度的問題。

1 常規(guī)旋轉(zhuǎn)頭裝置

旋轉(zhuǎn)頭裝置具有旋轉(zhuǎn)、承載和提供相關(guān)液壓油道的功能。旋轉(zhuǎn)頭裝置在起下鉆過程中，頻繁受拉伸沖擊載荷作用，為保證能承受頂驅(qū)額定工作載荷的作用，旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部設(shè)計有軸承組。常規(guī)旋轉(zhuǎn)頭裝置由旋轉(zhuǎn)頭、內(nèi)套、液壓馬達、軸承組、一級齒輪副、吊環(huán)等組成，旋轉(zhuǎn)頭裝置如圖1所示。

2 新型旋轉(zhuǎn)頭裝置關(guān)鍵技術(shù)

2.1 承載通道的確定

旋轉(zhuǎn)頭裝置按承受工作載荷的方式分兩種：①由旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)部的軸承組承受;②沒有承載軸承，將承受的力傳遞到主軸上。前者為雙負荷通道，即在鉆井過程中，主軸與井下鉆柱相連，載荷通過主軸及主軸承傳遞到箱體上，并承受鉆井過程中的全部載荷。在起下鉆過程中，需要連接或拆卸鉆桿，此時鉆具的載荷通過吊環(huán)吊卡機構(gòu)作用到旋轉(zhuǎn)頭上，再通過旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)的軸承組以及內(nèi)套將載荷傳遞到箱體上，而不再通過主軸和主軸承。這種方式可延長主軸及主軸承的使用壽命，但也增大了頂驅(qū)本體高度以及旋轉(zhuǎn)頭的尺寸和重量。后者為單負荷通道，。無論鉆井還是起下鉆作業(yè)，鉆柱載荷均作用到主軸上，主軸將載荷通過軸承傳遞到箱體上。這種方式可減少旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)的軸承數(shù)量及其配套結(jié)構(gòu)的尺寸，降低旋轉(zhuǎn)頭的加工難度，易于將動力水龍頭和旋轉(zhuǎn)頭裝置設(shè)計成獨立模塊。但主軸的受力情況不如雙負荷通道。結(jié)合井架空間要求，以及滿足顧客對頂驅(qū)技術(shù)參數(shù)、尺寸與重量的規(guī)定，對比分析兩種承載通道結(jié)構(gòu)及優(yōu)缺點，確定采用單負荷通道結(jié)構(gòu)，達到簡化旋轉(zhuǎn)頭結(jié)構(gòu)、縮短頂驅(qū)尺寸的目的。

1-內(nèi)套; 2-液壓馬達;3-小齒輪; 4-大齒輪;

5-旋轉(zhuǎn)頭; 6-吊環(huán)。

2.2 浮動方式的確定

對于單負荷通道頂驅(qū)，鉆井作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)頭與主軸要脫離，起下鉆時，旋轉(zhuǎn)頭要作用在主軸上，因此，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)頭應(yīng)能浮動且與主軸互鎖。

旋轉(zhuǎn)頭的浮動可采用機械和液壓兩種方式。機械方式可通過彈簧來實現(xiàn)，這種方式易安裝、價格低，但彈簧長期處在交變載荷作用下，使用壽命和使用效果會隨著彈簧性能的變化產(chǎn)生重大影響，易產(chǎn)生變形和疲勞失效。液壓方式通常采用密閉柱塞缸實現(xiàn)加壓懸浮、泄壓下沉，相對彈簧的懸浮方式，具有反應(yīng)快、耐用、可調(diào)可控的優(yōu)點，往復(fù)使用時穩(wěn)定性好，不會造成疲勞失效，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較高?？紤]鉆井現(xiàn)場惡劣的使用環(huán)境、復(fù)雜工況、鉆井成本、鉆井效率、頂驅(qū)裝置以及旋轉(zhuǎn)頭維護更換等各種因素的實際情況，確定采用使用壽命長、使用性能穩(wěn)定的液壓浮動方式。

2.3 增扭結(jié)構(gòu)的選擇

增大液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩可以通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力、油液流量、馬達排量、增加馬達數(shù)量、以及多級齒輪副傳動等方式實現(xiàn)。由于設(shè)計之初，液壓馬達的裝配空間已經(jīng)約束，更換較大排量的馬達、以及增加馬達數(shù)量存在很大困難。有些用戶技術(shù)協(xié)議中明確了液壓系統(tǒng)的額定工作壓力和額定流量，且增大系統(tǒng)壓力和流量，將增加系統(tǒng)能源損耗，影響密封效果，產(chǎn)生的液壓沖擊，易造成液壓馬達內(nèi)部零部件的損傷和磨損，對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，只能采用二級齒輪降速增扭的方式來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)扭矩的增大。

2.4 新型旋轉(zhuǎn)頭裝置

2.4.1 結(jié)構(gòu)組成

通過上述分析，確定了二級齒輪減速增扭、液壓浮動形式的單負荷通道旋轉(zhuǎn)頭裝置，主要由箱體、內(nèi)套、第一齒輪副、第二齒輪副、旋轉(zhuǎn)頭、承載托件、擋板、主軸等組成，如圖2所示。液壓馬達驅(qū)動二級齒輪副、進而帶動旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)頭既可繞內(nèi)套旋轉(zhuǎn)，也可以沿內(nèi)套軸向方向上下移動。在鉆井時，旋轉(zhuǎn)頭脫離主軸旋轉(zhuǎn)，處于懸浮狀態(tài)，鉆柱、鉆井工具等相關(guān)大噸位載荷由主軸承受，示意圖如圖2a所示。在起下鉆時，旋轉(zhuǎn)頭在鉆柱重力作用下下沉，將受到的載荷通過承載托架傳遞到主軸上，依然由主軸承受大噸位載荷，實現(xiàn)了主軸單負荷的功能，旋轉(zhuǎn)頭下沉狀態(tài)如圖2b所示。

2.4.2 承壓腔

承壓腔由內(nèi)套、大齒輪、上部密封件、中部外密封件、隔離環(huán)、中部內(nèi)密封件、擋環(huán)及相關(guān)油道、輔件等組成。當(dāng)液壓油進入該密閉承壓腔時，就會推動第二齒輪副大齒輪及旋轉(zhuǎn)頭、擋板等組件沿內(nèi)套向上懸浮，使旋轉(zhuǎn)頭組件脫離承載托件，在主軸旋轉(zhuǎn)的情況下，不影響旋轉(zhuǎn)頭組件的靜態(tài)位置。當(dāng)液壓油流出承壓腔返回油箱時，旋轉(zhuǎn)頭組件在重力作用下下移座落到承載托件上。

2.4.3 增扭裝置

二級齒輪減速增扭裝置包括支架、液壓馬達、第一齒輪副、銷軸、第二齒輪副及相關(guān)輔件等組成，如圖2所示。支架與箱體連接，液壓馬達、第一齒輪副、銷軸、第二齒輪副主動齒輪等均連接到支架上，支架承受這些零部件的重力和齒輪副旋轉(zhuǎn)扭矩。其工作過程為：液壓馬達驅(qū)動第一齒輪副、第二齒輪副運轉(zhuǎn)，第二齒輪副大齒輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)頭繞內(nèi)套轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了增加旋轉(zhuǎn)密封情況下，旋轉(zhuǎn)頭自由旋轉(zhuǎn)的功能。在旋轉(zhuǎn)頭組件懸浮、下沉過程中，二級齒輪副配合齒輪要滿足時時嚙合的需要，所以齒輪副相對齒輪的厚度不同，且為可上下移動的直齒結(jié)構(gòu)。

1-箱體; 2-內(nèi)套; 3-第二齒輪副大齒輪; 4-承壓腔;

5-旋轉(zhuǎn)頭; 6-軸承; 7-承載托件; 8-主軸; 9-擋板;

10-第二齒輪副小齒輪; 11-液壓馬達;12-第一齒輪副大齒輪;13-第一齒輪副小齒輪; 14-承載支架; 15-銷軸。

2.5 旋轉(zhuǎn)頭浮動液壓控制

液壓管路的設(shè)計不但滿足頂驅(qū)的功能和性能，還要適應(yīng)石油鉆井的復(fù)雜工況，充分考慮鉆井工藝和現(xiàn)場環(huán)境因素，做到在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上盡可能簡單[8-12]。利用壓力的傳遞性，通過液體介質(zhì)的靜壓力來傳遞能量，使各個液壓元件產(chǎn)生力和運動，將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能，遠程控制旋轉(zhuǎn)頭裝置的懸浮和下沉，其旋轉(zhuǎn)頭浮動液壓控制原理如圖3所示。

當(dāng)換向閥得電時，液壓油經(jīng)減壓閥、換向閥等進入密閉承壓腔，高壓液壓油推動大齒輪、旋轉(zhuǎn)頭、擋板等組件沿內(nèi)套向上懸浮，使旋轉(zhuǎn)頭組件脫離承載托件，在主軸旋轉(zhuǎn)的情況下，不影響旋轉(zhuǎn)頭組件的靜態(tài)位置，此時可進行鉆井作業(yè)。當(dāng)換向閥失電后，旋轉(zhuǎn)頭組件在重力作用下下移座落到承載托件上，液壓油經(jīng)換向閥返回油箱，旋轉(zhuǎn)頭組件通過承載托件將其及其所附帶載荷作用到主軸上，此時可進行起下鉆作業(yè)。

1-減壓閥; 2-換向閥; 3-測壓節(jié)點; 4-密封承壓腔。

承壓腔的結(jié)構(gòu)及狀態(tài)如圖4所示，懸浮狀態(tài)時，如圖4a所示，下沉狀態(tài)時，如圖4b所示。

3 試驗

樣機試制完成后，在廠內(nèi)進行了臺架試驗，而后在某油田進行了現(xiàn)場試驗。試驗內(nèi)容包括：旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)試驗、旋轉(zhuǎn)頭各油道靜壓試驗、旋轉(zhuǎn)頭各油道動壓試驗、主軸旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)頭浮動機構(gòu)互鎖試驗[13-15]。

1） 旋轉(zhuǎn)頭旋轉(zhuǎn)試驗。啟動液壓源，操作旋轉(zhuǎn)頭正、反向旋轉(zhuǎn)。液壓馬達運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)頭速度可調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)動順暢、無卡阻現(xiàn)象，換向時無沖擊。

2） 旋轉(zhuǎn)頭各油道靜壓試驗。對旋轉(zhuǎn)頭上各油道分別進行1.5倍額定工作壓力、保壓5 min，壓力穩(wěn)定，無滲漏現(xiàn)象。

3） 旋轉(zhuǎn)頭各油道動壓試驗。對旋轉(zhuǎn)頭上各油道分別施加額定工作壓力，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)頭正、反向旋轉(zhuǎn)各5 min，旋轉(zhuǎn)頭正、反向轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，壓力穩(wěn)定，無滲漏現(xiàn)象。

4） 主軸旋轉(zhuǎn)與旋轉(zhuǎn)頭浮動機構(gòu)互鎖試驗。主軸旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)頭可沿內(nèi)套向上運動，脫離主軸;主軸靜止時，旋轉(zhuǎn)頭沿內(nèi)套向下移動，下沉作用在主軸上。

4 結(jié)論

1） 采用液壓浮動缸的形式控制旋轉(zhuǎn)頭的懸浮與下落，使主軸旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)頭浮動互鎖，操作簡單，提高了頂驅(qū)的安全性和可靠性。

2） 采用單負荷通道結(jié)構(gòu)，減少了旋轉(zhuǎn)頭內(nèi)的軸承及其配套結(jié)構(gòu)的數(shù)量，減輕了旋轉(zhuǎn)頭的體積和質(zhì)量，降低了旋轉(zhuǎn)頭的加工難度和制造成本，縮短了整機高度。

3） 動力水龍頭和旋轉(zhuǎn)頭裝置進行模塊化設(shè)計，可獨立裝配后再進行組裝，生產(chǎn)效率高，便于后續(xù)的拆裝和維護。

4） 二級齒輪降速增扭裝置，將液壓馬達的輸出扭矩進行增扭處理，滿足頂驅(qū)配套液壓吊卡的情況旋轉(zhuǎn)頭正常旋轉(zhuǎn)的需要，解決了安裝空間限制情況下，無法更換大馬達的問題。

5） 試驗結(jié)果表明，整機性能穩(wěn)定，啟停和運行平穩(wěn)，控制精準(zhǔn)，裝配質(zhì)量合格，設(shè)計合理。

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（編輯：韓睿超）