顶驱液压系统分析及优化设计

1顶部驱动钻井装置简介

顶驱全称为顶部驱动钻井装置TDS（TOPDRVIEDRILL⁃INGSYSTEM），常用于顶部驱动钻井系统。顶部驱动钻井系统可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作。

2顶驱液压系统装置的组成及优点

2.1顶驱液压系统装置的组成部分

根据其工作原理可知，顶驱液压系统装置的组成虽然型号较多，但其主要的组成结构是相同的。第一，动力驱动装置。该部分的组成主要为一台至两台交流、直流电机或者马达，运行过程是在行星齿轮机构的减速阻力下，达到提供钻井动力的目的。第二，倾斜装置。该装置的组成部分主要有：吊环、机械臂、驱动机构，这其中又是由气动及液动组成驱动机构，主要运作流程是由气囊或液缸来带动吊环摆动。第三，管子处理装置。这个组成部分是整个驱动装置中最具设计优点的，是由扭矩钳、内防喷控制阀及执行机构组成。运作原理是扭矩钳在液压作用的指导下，能够进行无时间及方向限制的卸扣作业；而内防喷控制阀在停泵时，能够进行机械臂开关的自动调控，从而能够实现井控的目的。第四，扭矩管、平衡系统即冷却系统。这其中扭矩管的主要作用是在装置运行过程中，为驱动机构提供轨道，便于其进行上下滑动，具有扶正驱动装置的作用；平衡系统的作用是对双液压平衡液缸进行控制；冷却系统主要是负责机电运行时的降温步骤，主要有鼓风机、交流电机及导管组成。第五，控制系统。该系统是顶驱液压装置的总控制枢纽，操作人员主要运用该系统进行司钻控制及仪表控制。

2.2顶驱液压钻井装置的优点

第一，实现接单根时间的减少。该优点实现的原理是转盘在进行旋转钻井时，推动了方钻杆的同步旋转，同时又可以带动转盘上的方补芯向下运动。顶驱液压装置在衔接两根单根方面无需取下钻杆，采用的是方钻杆以及立根钻进的方式，从而节省了接单根交替的时间。第二，倒戈眼能够防止卡钻。立根倒戈眼由于其装置较长，在运行结束后，可在不起钻的情况下将循环旋转着的钻具提出井眼，而且在钻具提出井眼后，钻杆上的卸扣装置此时也可以辅助在井架中间进行卸扣操作，这种作业手法能够在定向钻井中减少倒戈眼的起钻时间，从而节省总的施工工期。第三，下钻划眼方面的优势。此装置的优势主要表现在节省了接方钻杆过沙桥及缩径点的工序，特别是在运用TDS进行下钻时，能够在短时间内完成钻柱对接，从而可以立即进行划眼操作，下井划眼节省了钻井施工程序，大幅度避免了卡钻几率。第四，定向钻进及取芯钻进的效率高。顶驱液压装置的施工距离标准可达到28米，在通过该距离的立根循环后，能够减少定向钻进时马达的规定时限；而取芯钻进的优势则是在起钻次数降低的情况下提升其成功率。第五，能够额外增加载荷。顶驱液压装置不同于常规钻井装置还有一点就是载荷量的控制，一般的钻井在控制钻头重量时，主要是通过刹把的操作，而顶驱钻井则可运用液压缸增加额外的载重量，从而实现高效运作。

3顶驱液压系统的分析及优化设计

顶驱液压装置运行原理简单来说就是将各个组件有机地组合起来，并实现有目的性的传动，最源头的运行步骤是通过发电机将动力源转化为液压来传送，再经执行元件实现液压转变为机械能的过程，从而达到顶驱多样钻井的目的。井下顶驱钻井的作业环境相对较为复杂，因此该系统在运作时应该符合以下要求：

3.1钻井工艺要求

第一，对吊环的要求，应保证在放置及取下单根及立根时，吊环能够实现前倾及后倾速度的自动化调控，实现其平稳运动。第二，保证回转头能够向两个方向调整旋转，并且做到速度的可控。第三，为防止钻柱反弹释放扭矩松脱，钻具需刹车机构对主电机转轴进行制动操作。第四，要求遇到井涌及井喷现象时，装置能够进行快速的钻杆衔接，并对内防喷器进行遥控，做到及时关闭钻柱通道。第五，在拆卸及衔接单根或者立根时，要求背钳液压缸能够实行钻杆加紧动作，控制主电机进行崩扣或者上扣操作。第六，平衡机构的作用是当主电机卸扣或上扣时，平衡液压缸起液压支撑作用托起顶驱装置主体重量，以免在上、卸扣时由于主体重量而引起丝扣的磨损。

3.2环境要求

第一，顶驱液压装置要能够适应石油钻井工程的复杂地质情况，而且要能应对负载变化较为激烈，防火、防爆及防腐蚀等特殊施工情况。第二，应能够适应野外环境，提升抗风沙及抗污染能力，并且不受昼夜温差大的影响。

4结语

顶驱液压系统是顶部驱动钻井的主要装置，其工作效率及工作质量直接影响到钻井的成功率，本论文在研究相关顶驱装置的基础上，提出了优化顶驱液压装置的建议，为石油开采行业的发展提供了设备支持。

作者：丁雪峰 单位：辽宁天意实业股份有限公司