顶部驱动钻井工艺浅谈
（中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司 上海浦东200120）
摘要：顶部驱动钻井是80年代发展起来的一项新技术，是对传统钻井技术的重大突破，在此，着重在顶部驱动钻井技术发展的基础上介绍顶驱钻井系统的原理及组成，通过顶部驱动钻井系统与转盘方钻杆常规钻井系统的工作对比分析发现顶部驱动钻井技术具有：可缩短建经周期；改善钻井工人操作条件；减少钻井事故；降低钻井成本等四方面优点，同时也存在初始投资大，增加钻机负荷，系统复杂维修困难、不能进行钢丝绳作业等问题，最后对于顶部驱动钻井技术提出了几点建议。
关键词：顶部驱动 钻井设备 控制系统 技术进展
一、顶驱的定义与简介
1.1顶驱的定义
顶驱的全称为顶部驱动钻井装置TDS（TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。
1.2顶部驱动钻井系统的前驱
顶部驱动钻井系统的前驱是动力水龙头装置，动力水龙头由直流电动机或也马达驱动。早先，由于缺乏合适于水龙头的动力机，所以动力水龙头的输出扭矩一般较小，因而早期的动力水龙头得以问世。但这种大型动力水龙头不能为石油钻井界所接受，其原因在于动力水龙头缺乏与之配套使用的钻杆操作装置，不能有效的进行起下钻、接单根等作业。但顶部驱动系统的出现改变了这一局面，顶驱系统不同于动力水龙头，该系统带有钻杆操作装置。
1.3顶驱简介
顶部驱动钻井是旋转钻井技术的一项重大突破，传统的转盘钻井方法是通过转盘和方钻杆驱动钻具进行钻进，而顶部驱动钻井取消了转盘和方钻杆，由顶部马达直接驱动钻杆旋转，它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。该系统显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品。自20世纪80年代初开始研制，现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS（INTEGRATED TOP DRIVE DRILLING SYSTEM），是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。
顶部驱动装置的出现，使得传统的转盘钻井法发生了变革，诞生了顶部驱动钻井方法。该方法在1000多台海洋钻机和特殊陆地钻机上的成功使用，得到了使用者和市场的认同。它的重要意义是促进了海上和陆地钻井技术自动化的进步；其另一个意义则在于：顶部驱动钻井使用自动化接单根起下钻设备，从而不必要再试制和研究始于20世纪60年代的方钻杆接单根方法。
顶部驱动钻井装置的旋转钻柱和接卸钻杆立根更为有效的方法。该装置可起下28M立柱，减少了钻井时三分之一的上卸扣操作。它可以在不影响现有设备的条件下提供比转盘更大的旋转动力，可以连续起下钻、循环、旋转和下套管，还可以使被卡钻杆倒划眼。
1.4 本文的主要工作
介绍顶驱的系统原理与组成，性能工作特点存在的优势并和转盘系统加以对比，突出顶部驱动钻井系统的优点和发展前景。
二、顶部驱动钻井系统原理及组成
2.1顶驱系统原理及组成
1）钻井马达和水龙头总成
钻井马达常选用液马达，直流电动机和交流电动机三种形式，电机一般都配有冷却系统。钻井马达提供钻柱旋转的动力。总成还包括传动机构，有行星齿轮传动和普通齿轮传动两种，一些顶驱系统仍采用普通水龙头。
2）导向滑车总成
钻井马达和传动机构安装在导向滑车总成上，钻进过程中钻柱所产生的反扭矩由导向滑车传达安装在井架上的导轨上，并由井架承受并克服之。
3）钻杆操作装置
这是顶部驱动的关键部件，目前有液动式和机械式两种，液动式包括扭矩扳手、吊环连接器、吊环倾斜器和旋转头等，结构复杂。而机械式是最近问世的，故障率低，使用维护方便。
4）平衡补偿装置
有两个液压缸及附件等组成，用来提供类似于大钩提供的减震冲程。
5）动力和控制系统
控制系统包括司钻操作控制柜和电气、液压工作回路等。液马达驱动式顶驱系统需要有足够大的液压源，作为马达的动力源。
6）辅助设备（包括PS-16动力卡瓦，钢丝绳连接器等。）
顶驱系统上端与大钩吊环相连，下端则直接和钻杆连接，可以用扭矩扳手使二者脱开或连接，顶驱系统随游动系统上下移动，钻井马达通过减速机构直接驱动水龙头中心管，带动钻杆旋转，钻杆的装卸由钻杆操作装置完成。在顶驱钻井方式下，由于取消了方钻杆，可以实现边起边升（或下放）边循环、边旋转，这对于底层条件复杂的井段钻进无疑是十分有利的。
利用钻盘动力而实现顶部驱动的侧部传动装置的结构和原理则有所不同，侧部传动装置主要组成包括一套传递转盘动力 至上部驱动总成的传动机构、机械式钻杆操作装置、上部驱动总成和控制系统等。钻机配备的转盘通过动力输出机构，将动力传递到安装在钻台和天车之间的驱动轴上，驱动轴井相应的机构与上部驱动总成相连，上不去动总成和远控安装阀安装在游动滑车和水龙头上，在钻进或起下钻时，上部驱动总成沿驱动轴上下移动，并将驱动轴的动力传递给钻杆，实现顶部驱动钻井。
三、顶部驱动钻井装的性能特点
3.1 顶驱的性能特点
1、在钻井过程中可在任意位置提起钻具划眼循环，清洗井眼，有效地避免卡
钻等事故发 生。起下钻过程中遇卡或遇阻可迅速使顶驱接上钻具，循环泥浆进行划眼作业。
2、用立根钻进，减少2/3上卸扣工作量。
3、在下套管时，借助于吊环倾斜机构抓取套管，在上扣时顶驱有扶正作用，可避免乱扣、 错扣，大大提高下套管速度。
4、在憋钻时，可用刹车机构刹住钻具，慢慢释放，防止钻具迅速反弹，以防损坏钻具或 脱扣。
5、在定向钻进中，可用刹车机构刹住顶驱主轴，进行定向造斜。
6、在井涌、井喷时，在井架内任意高度可迅速关闭内防喷器。
7、由于不使用转盘，提高了井口操作时的安全性。
8、借助于倾斜臂和旋转头的作用，井口上卸扣作业和二层台作业的体力劳动强度大大减 轻。
9、在稳斜段钻进时，可随意提动钻具，避免岩屑沉积。
10、利用立根钻进，可实现连续长筒取芯达27米。
3.2 其结构特点
1、简便的安装移运性能。
2、具有较大的卸扣能力。
3、导轨安装与拆卸检修方便，具有互换性能。
4、顶驱体可通过过渡环直接与游车连接，减少整个装置的工作高度。
5、液压控制的旋转头装置，可带动吊环倾斜机构旋转360º，并有级锁紧。
6、高强度的齿轮减速传动。
7、钻井和起下钻采用不同的负荷通道，延长主轴承的使用寿命。
8、背钳采用四点浮动夹持，提高了背钳的夹持能力，减少了对钻具的损伤。
9、采用液压浮动油缸平衡顶驱主体自重，可在上卸扣作业时保护钻
接头丝扣。
四、顶驱与钻盘对比优点
作为当前最新的钻井方式，有许多不同于方钻杆钻井的优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置与钻盘钻井技术相比具有以下优点：
1、缩短建经周期
采用顶驱钻井技术，可以节省钻井时间11%或总是捡的8%，节约时间主要来自：
1）、采用接立柱钻井方式，钻柱连接次数可减少2/3；
2)、对于深度在300m以内井段起下钻其时间可减少30分钟；
3)、每次洗井与扩眼平均可节约30分钟，因为顶驱钻井可用整根单根进行反向扩眼；
4)、不需要接卸方钻杆；
5)、对于丛式井，一般不需要接立根或卸单根；
6)、钻定向井时，直接用接立根方式钻井，可减少测量次数；
7)、减少钻井事故而节约大量钻井时间。
2、改善了钻井工人的作业条件
顶部驱动钻井系统的自动化程度较高，操作使用比较方便，降低了劳动程度；取消了钻盘等旋转设备，改善了作业条件，提高了作业安全性。
3、减少了钻井事故
顶驱系统在起下钻时，均可进行扩孔倒划眼等作业，此外，钻杆旋转可以大大减少岩石对钻柱的阻力，这样就能有效的避免粘卡，若钻大斜度的延伸井要求钻具在井中不断地旋转，泥浆不断循环以防粘卡，顶部驱动钻井系统能很好地满足这种技术要求，采用顶部驱动钻井技术，不论钻进或起下钻作业中，在任何位置均可利用液控安全阀关闭钻杆内部通道。由于气消了方钻杆，防喷器可以在任何位置关闭，使钻井系统的井控能力大大提高。
4、降低钻井成本
费用的节约主要来源于节约钻井时间，减少钻井事故及降低设备管材消耗，此外，顶驱钻井系统装有可遥控的钻杆内防喷阀，有助于降低泥浆费用，对遇难钻的斜井，易钻的直径或斜井，以及大倾斜井，费用节省就更可观，一般地说，钻井成本越高节省的费用就越多，如沙漠或海上钻井，尽管顶驱钻井系统的初始投资较高，但与采用顶驱钻井技术所带来的效益相比还是非常值得的。
5、设备安全
顶部驱动钻井装置采用马达旋转上扣，上扣平稳，并可从扭矩表上观察上扣扭矩，避免上扣扭矩过盈或不足。钻井最大扭矩的设定，使钻井中出现蹩钻扭矩超过设定范围时马达会自动停止旋转，待调整钻井参数后再正常钻进，避免设备超负荷长时间运转。
五、影响系统推广因素及建议
5.1影响顶驱系统推广的因素
1、设备初始投资高
2、增加了钻机负荷
顶驱钻井系统的重量一般为15.5T左右，增加了游动系统重量及井架负荷，从而影响了钻机的钻井深度，另外还会引起钢丝绳和绞车的额外磨损。
3、系统复杂
顶驱钻井系统有众多不见组成，较常规系统复杂得多，对工人操作和维修的技术要求较高。
4、对裸眼段不能进行钢丝绳作业
5.2对顶驱系统推广的建议
1、沙漠钻井成本高，风险大，应逐步推广顶驱钻井系统，提高钻井速度，降低钻井费用，以加速公司开发生产模式。
2、侧部传动的顶驱钻井装置，即具有一般顶驱系统的优势，有具有低费用特性，系统较简单应在公司推广采用。
3、顶驱动钻井技术应优先考虑用于丛式井、定向井、倾斜度大的水平延伸井，不宜用浅井。
参考文献：
《钻井工程理论与技术》 中国石油大学出版社 管志川 陈庭根主编
《钻井顶驱维护保养技术》 化学工业出版社 叶莉主编
《顶部驱动钻井装置操作指南》 石油工业出版社 刘广华主编
