国产顶部驱动钻井装置发展趋势

（中石油长城钻探顶驱技术分公司，北京 100101）

国产顶部驱动钻井装置发展趋势

王永江

（中石油长城钻探顶驱技术分公司，北京 100101）

随着现代钻井技术的不断提高、新工艺、新技术的运用逐步深入，对顶驱的要求也产生了新的变化，为改进顶驱装置，提高其可靠性、安全性及可操作性，着重从顶驱的技术发展、新产品应用等几个方面介绍发展方向，并对国产顶驱制造厂家提出建议。

钻机；顶驱；发展趋势

顶部驱动钻井装置（顶驱）是20世纪80年代以来发展起来的新型重大石油钻井技术装备，它取代传统的转盘加方钻杆而直接驱动钻柱钻进，极大减少了遇阻、卡钻等复杂情况的发生。顶驱代表钻井工艺技术、机电液一体化石油专用设备的最高水平，已经成为深井、复杂井以及出国钻机的必备设备之一。我国从20世纪80年代末开始顶驱装置的研究工作，北石、宝石、天意、景洪、宏华等石油装备制造企业先后开发了多种型号顶驱，部分指标和性能达到了国际水平。由于起步较晚，目前我国生产的顶驱还不能完全满足海洋和陆地钻井的需要，与国外相比仍有一定距离。近年来，随着钻井设备发展，信息网络化、便携快搬、快速有效钻井等新技术得到广泛运用，国产顶驱在以下方面仍然有很大的改善和发展空间。

1 直驱顶驱

直驱顶驱就是通过电机直接驱动主轴，带动钻具旋转。相比常规顶驱，直驱顶驱没有传动装置，也就是没有齿轮箱，因此传动效率更高，能够提升能效10%以上，钻井行业本身是能源消耗巨大，如果都能采取直驱，节约的能源将非常可观。除此之外，直驱顶驱还有以下传统顶驱所不具备的优点。（1）无齿轮变速箱机构和齿轮与轴承润滑油及冷却过滤系统，在传动机构中减少了机械密封机构，显著降低设备故障率及维护难度，使得电机之外的加工制造更易保证。（2）减少了变速箱以及相关的润滑系统和轴承等部件，相应地减少了因为变速箱的可靠性问题及相关轴承和齿轮故障而停机的时间。另外由于没有齿轮箱，顶驱的工作噪音降低。因此直驱顶驱不仅提供了工作性能，还减少了维修和停机时间。

影响直驱顶驱技术发展的瓶颈是电机技术，由于变频电机的低速不稳定性、功率密度等限制，使直驱顶驱的发展一直停滞在理论上，即使有个别顶驱生产厂家生产了直驱顶驱，也因为体积巨大，性能不可靠等原因而无法得到广泛运用。最近几年，随着电机制造技术尤其是永磁同步电机制造技术水平的提高，生产出结构简单、功率密度大、功率因数高、可控性好的电机逐渐成为可能，直驱顶驱甚至直驱钻井将很快出现在中国市场上。

2 定制式快搬顶驱

快搬钻机和顶驱是实现快速搬家的最优解决办法，国内外多家钻机生产厂家已经能生产出在一天之内完成全部搬家任务的钻机，这些钻机可以实现当天完井、当天搬家、当天开钻的目标。与这类钻机配套的顶驱通常采用定制式结构，在钻机生产的同时就对顶驱进行量身定做，最大限度的减少搬家期间顶驱的拆装工作量，定制顶驱与常规顶驱的区别如下。（1）顶驱没有传统意义的导轨，而是采用滑轨和滑架的方式。滑轨是钻机的一部分，钻机通常采用伸缩式井架，井架的内侧两端布置着滑轨，这些滑轨与钻机成为一个整体。顶驱本体上安装有滑道，在游车大钩的带动下实现顶驱的上下移动。这种结构的优点在于：搬家时钻机放到运输过程中，顶驱可以在井架内形成有效的固定，因此无需进行拆装作业。（2）顶驱的控制系统集成在钻机的控制房中，或者将顶驱控制房布局在钻台面，通过这些方式，可以减少顶驱和钻机搬家过程中电控系统的安装和接线，减少了安装时间。（3）电缆等其他结构也通过特殊设计，实现和钻机的有效匹配。在保证正常生产作业的基础上实现顶驱的快搬。

3 小体积大扭矩顶驱

随着钻井体积减小、钻井深度和水平段增加等因素，对顶驱的要求是体积更小、扭矩更大。美国NOV公司生产的350EP顶驱，虽然额定载荷是350吨，但是外形尺寸比传统的250吨顶驱更小，最大连续扭矩却能达到37000英尺磅，最大卸扣扭矩60000英尺磅，超过了500吨顶驱的最大连续扭矩，使得这种顶驱可以在从4000米到7000米钻机上得到广泛应用。国产顶驱虽然也有大扭矩顶驱，但是只是在原来顶驱的基础上增加了电机功率，对控制系统进行升级，外形尺寸和结构没有根本变化，因此在适用性上受到了一定的限制。

4 软扭矩系统

软扭矩是一种新型的钻井扭矩控制系统，它对逆变器输出控制系统进行了优化控制，让逆变器的输出更加适合于钻井现场，有效的克服Stick-Slip也就是粘滑的影响，通过让转速随时可变，维持扭矩的恒定输出。

粘滑是钻井作业中的常见现象，会导致钻柱发生有害的旋转振动。钻进作业时，地面钻柱不断旋转 ，但由于钻头的摩擦阻力、BHA和钻柱本身的原因，井底会发生粘着。随着地面钻柱的旋转，钻柱的扭矩逐渐加大，粘阻被克服，这时钻头速度会突然增加，钻柱扭矩得到释放。如果任由其发展，粘滑可能导致钻头和BHA的旋转从完全停止，然后加速到地面转速的5～6倍。这样就容易损坏钻头，破坏切削刃，减低机械钻速（ROP），缩短钻头使用寿命，破坏井眼轨迹，增加钻井风险。软扭矩的使用，可以有效的消除粘滑，其功能效果可以概括为以下几点：（1）消除粘滑，使井下钻柱组合在理想的转速和钻压下钻进。（2）减轻钻进过程中的钻柱振荡，提升井眼轨迹质量。（3）减少钻具磨损，延长钻头寿命，减少起下钻次数。（4）提升钻进速度，加快钻井周期。（5）使钻进过程变平稳，提高钻井作业的安全性。（6）保护顶驱设备，减少扭矩波动，减少设备疲劳损伤。

正确合理的使用软扭矩，可以显著降低钻井综合成本。正是由于软扭矩有如此多的优点，因此各顶驱生产厂家都在大力研发和推广使用软扭矩。目前各顶驱生产厂家的软扭矩由于工作原理、控制方式的不同，使用效果也不尽相同。根据长城钻探最近对多个厂家软扭矩的使用，目前技术最成熟，使用效果最好的是荷兰EP公司生产的软扭矩，而且EP公司通过不断改进，已经发展到第二代产品，并且已经实现了根据钻井参数变化自动调整软扭矩的功能，通过使用软扭矩可以增加机械钻速5%以上，国产软扭矩在使用效果和兼容性上还需要提高。

5 顶驱远程监控系统

随着无线网络、云计算技术的发展，对顶驱等重要设备实现远程数据监控及故障诊断成为可能。目前顶驱通常采用西门子或者ABB控制系统，以NOV顶驱ABB的ACS800控制系统为例，该系统集成了以太网接口，通过网络可以将顶驱的各项参数传给NOV的数据中心，从而实现顶驱的数据共享和远程故障分析。这个系统的缺点：一是数据传输需要依赖网络，对于偏远的专业区域会存在传输问题。二是由于NOV的数据中心设在美国，用户无法有效分享数据上传结果并参与故障诊断。此外，近年涌现了一批专业的设备检测公司，通过在顶驱齿轮箱、主电机等关键部位安装探头和传感器，采集轴承和齿轮等顶驱系统自身无法采集的运行参数，并通过云计算等方式预先发现和判断出可能出现问题的轴承和齿轮并及时将信息反馈给用户，便于用户开展预防性维修，最大程度的减少设备损坏和停机的影响。

6 顶驱下套管装置

顶驱下套管装置与顶驱连接，通过顶驱的驱动机构实现夹持机构与套管的松开或夹紧。在顶驱扭矩及提升载荷的作用下，完成套管上扣、上提及下方套管等作业；下套管装置本身具有自密封机构，能够实现与被夹持套管内部自密封，可以在下套管作业的同时循环钻井液，减少或避免复杂事故的发生。

顶驱下套管装置具有以下优点：能够同时实现套管的旋转、上提下放及钻井液循环，极大地提高下套管作业的成功率；取代了传统下套管作业中动力套管钳和吊卡等装备，减少下套管作业中施工人员的数量，提高了作业的安全性和效率；能够为套管管柱传递一定的下压力等。随着顶驱装置在钻井行业的广泛应用，顶驱下套管装置已经成为国内外石油公司研发的热点。国外公司如加拿大TESCO，美国Weatherford、Frank公司等，国内的北石、天意等公司都有自己的产品。国产顶驱下套管装置的发展趋势包括：（1）从液压驱动向机械驱动方式发展。（2）从卡瓦牙夹持和锥面夹持结构向微痕夹持方向发展。（3）向工具集成化和智能化方向发展。

7 结语

国产生产顶驱的厂家众多，但是产量和规模有限，同时还不断有新的厂家投入到顶驱研制和生产的过程中。相比进口顶驱，我们除了模仿，更应该注重顶驱技术的发展趋势，在产品类型和功能上不断完善，生产出更多具备现代钻井技术的顶驱设备，满足日益发展的钻井市场要求。

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