钻井顶驱的发展历史综述

摘 要：系统介绍了钻井顶驱发展的历史、主要类型，详细列举了几个主流品牌中各型号的主要参数，及交流电驱动顶驱与直流电驱动顶驱的优势比较。

关键词：石油;钻井;驱动

石油钻井多年来一直采用标准的转盘和方钻杆钻井方式，利用转盘、方钻杆、钻杆B型大钳、吊卡、卡瓦和方补心接单根。这种钻井方式有两个突出的矛盾一直悬而未决，一是由于起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。二是由于常规钻机在钻进中依靠转盘带动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工费时效率低，劳动强度大。20世纪70年代以来，出现了动力水龙头，在相当程度上改善了钻井工人的操作条件，加快了鉆井速度，但它只是水龙头和气动马达的结合，未从根本上摆脱转盘，也不具备起钻中能迅速旋转钻具、循环钻井液的能力。

20世纪80年代以美国、法国、挪威等国为代表研制的顶部驱动钻井系统（TOP DRIVE DRILLING SYSTE），明显提高了钻井作业速度和效率，尤其是深井、复杂井，同时能及时避免和控制事故的发生，不仅提高了井口工人的安全，而且减轻了工人的劳动强度，已成为石油钻井先进装备的代表。

而所谓的顶部驱动，就是把钻井动力部分由下边的转盘移动到钻机上部的水龙头处。它可从井架空间上部直接旋转钻柱，驱动钻具旋转，并沿着井架内专用的导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井工艺操作。由于取消了方钻杆，无论是在钻进过程中，还是在起下钻过程中，钻柱可以保持钻井液循环。因而遇卡遇阻事故可以得到及时有效的控制和处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了纯钻进时间，钻井实验表明：这种系统可节省钻井时间20%-25%。是当今石油钻井自动化中的前沿技术与装备，用于钻斜井、钻高难度的定向井时效果尤为显著。

1 顶驱发展的简要回顾

首先以美国VARCO公司系列顶驱为例，回顾一下顶部驱动装置的研制发展过程。

1981年开始研制最初的TDS-1型顶部驱动钻井装置的系列马达原型，采用的是GE752直流电机，电机水平安装。在随后作出的顶部驱动装置TDS-2型的设计中，电机该为直立安装，但它们均是建立在设计的基础上，未投入实际生产应用。

1982年设计并于1983年生产了单速（减速比为5.33：1）的TDS-3型顶部驱动钻井装置，开始应用于实际油田钻井生产中，并由此形成了工业标准。

1988年研制开发了具有新标准的2速（高速比7.95：1，低速比5.08：1）的TDS-4型顶部驱动装置，同年还生产了单速（减速比6.67：1）的TDS-5型顶部驱动钻井装置，但当时它只是作为临时性措施而设计生产的一种产品。

1989年出现了新式高扭矩马达，TDS-3H型及TDS-4H型两种顶部驱动装置由于应用了这种新式马达应运而生，并在钻机上得以应用。

1990年研制生产了整体式水龙头，装配在TDS-3S、TDS-4S两种型号的顶部驱动钻井装置上，得到广泛应用。随着钻井深度的增加，要求驱动更大重量的钻柱，于是设计了双马达驱动的TDS-6S型顶部驱动钻井装置，单速传动比5.33：1，应用于深井钻井。

1991～1992年间，又陆续研制了TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB等诸型号的顶部驱动钻井装置。

1991年研制的IDS-1型整体式顶部驱动钻井装置，是一种具有单速比6.00：1、紧凑的行星齿轮驱动的更先进的装置，它是真正意义上的整体式顶部驱动钻井装置。

1993年研制开发了第一台交流顶部驱动钻井装置，这在顶部驱动装置的历史上实现了新的飞跃。紧接着于1994年又研制开发了TDS-9SA型顶部驱动钻井装置，起升能力为400吨，为第一台双交流电动机驱动式。

1997年该公司更研制出500t的TDS-11SA型及轻便的TDS-10SA型顶部驱动钻井装置。其中尤以TDS-11SA型引人注目，它是为快速轻便而设计的，结构非常紧凑，采用斜齿轮传动，降低了噪音，具有轻便、高可靠性及低维护费等优越性。

2 中国顶驱发展概况

1993年 ，我国开始了自行设计、自行制造顶部驱动钻井装置工作;

1996年， DQ-60D型顶部驱动钻井装置研制成功，填补了国内空白;

1998年 ，研制和开发了DQ-60P轻便式顶部驱动钻井装置;

2000年 ，中石油勘探研究院石油机械研究所与北石厂等单位联合开展了顶部驱动钻井装置的产业化研制工作;

2004 年，我国第一台具有自主知识产权的DQ70BS交流变频顶部驱动钻井装置在北石厂问世 ;天意公司也研制成功DQ-40LHTY1顶部驱动钻井装置，并进行了功能实验及现场实验;

2005年， 9000米钻机配套的北石厂DQ90BSC顶部驱动钻井装置研制成功;

2006年，北石厂2台DQ40BS顶部驱动钻井装置出口美国 ;天意公司DQ-70LHTY1顶部驱动钻井装置研制成功;

2009年， 景宏公司进入顶驱制造行业，开始制造DQ50、DQ70顶驱;

3 顶部驱动装置的类型

根据顶部驱动装置的驱动形式区分，目前世界上在用的和正在生产的顶驱，共有液压驱动和电驱动两大类型。在电驱动顶驱中，又可分为直流（AC-SCR-DC）电驱动和交流变频（AC-SCR-AC）电驱动两种形式。在交流变频电驱动中，根据电机类型又可分为交流变频感应电动机驱动和交流变频永磁电动机驱动两种形式。实际上可以分为4种驱动形式的顶驱：

液压驱动形式顶驱，例如加拿大TESCO的650HC/HCI。

直流（AC-SCR-DC）电驱动形式，例如加拿大CANRIG、美国VARCO的IDS-1。

交流（AC-SCR-AC）变频感应电动机驱动形式，例如美国VARCO的TDS-11SA，TDS-9SA，挪威的MH顶驱、中国北石厂的DQ70BSC、景宏公司的DQ70顶驱。

交流（AC-SCR-AC）变频永磁电动机驱动形式，例如加拿大TESCO的650ECL。

交流电驱动顶驱与直流电驱动顶驱在性能上相比较而言，有以下优越性：

1. 更高的扭矩范围和更宽的转速范围

由于直流电动机换向器的能力限制了它的容量和转速，其极限容量与转速的乘积约为106千瓦·转/分钟，超过这一数值时，设计与制造就非常困难了。而交流电机则不受这个限制，因此可以获得更高的扭矩和转速。

2. 维护费用低

交流电机没有电刷、电刷齿轮或转换开关，无需维护电刷，从而降低了维护费用。

3. 零转速时的扭矩高，且可以有效制动

在钻井卡钻时，直流电机基本不允许在堵转扭矩下工作;而交流电机则可在堵转扭矩下工作，即满扭矩负荷时可以长时间处于静止状态，过载能力达到150%，时间可长达1分钟。

4. 安全性好

由于使用交流防爆电机，电机上没有产生电弧的装置，从而增加了钻井作业中设备和人员的的安全性。

5. 更小的整体尺寸和更轻的重量

如果采用一对400马力的交流驱动电机，而产生的扭转特性却接近于1100马力的直流电动机，因此缩小了整个顶驱的尺寸和重量。由于结构紧凑，从而提高了顶驱的便携性和机动性，保证了拥有足够的安全空间，扩展了顶驱的适用范围。

6. 精确的速度和扭矩控制

由于交流电机是通过调节电机的频率来控制速度，而随着电子元件的迅猛发展，特別是新型晶体管（IGBT）元件用于顶驱交流调速技术，从而可以精确控制交流顶驱的扭矩和转速达到+/-1%。

4 主要顶驱的基本技术参数

随着顶部驱动钻井装置在世界范围内钻机上的大批应用，生产顶部驱动钻井装置的厂家也由当初的美国、挪威扩展到法国、加拿大等4个国家的7家公司。之后，中国、英国也加入到顶部驱动装置的生产行列。目前世界上主要生产顶部驱动装置的公司有：美国NATION-OILWELL VARCO公司、BJ公司;加拿大TESCO公司、CANRIG公司;挪威米ARITI米E-HYDRILICS公司;法国ACB公司;中国的北石、景洪等。

1. 美国VARCO公司新系列顶驱的主要技术参数

目前，VARCO公司生产7种规格新系列顶驱，主要基本参数见表1。API提升载荷250吨-750吨，连续工作扭矩10.21千牛·米～86.94千牛·米，间歇工作扭矩18.47千牛·米～129.72千牛·米，全功率转速为120转/分钟～500转/分钟。

在VARCO顶驱系列中，IDS-1型、TDS-4S型和TDS-4H型、TDS-6S型等3种规格顶驱采用AC-SCR-DC电驱动形式，采用GE752型串激或并激高扭矩DC电动机，功率为809.1～831千瓦。其中TDS-8SA型、TDS-9SA型、TDS-10SA型和TDS-11SA型等4种规格顶驱采用AC变频电驱动形式，分别采用GE GEB-20A型电动机，功率845.8千瓦;Reliance Electric AC双电动机、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;Reliance Electric AC电动机、功率257.4千瓦;Reliance Electric AC双电动机、功率2×257.4千瓦=514.9千瓦;也可选用2×294.2千瓦=588.4千瓦。

2. 加拿大TESCO公司新系列顶驱主要基本参数

目前，TESCO公司生产5种规格新系列顶驱，主要基本参数见表2。额定载荷1500千牛～6500千牛，最大扭矩28.98千牛·米～59.34千牛·米，最高转速195转/分钟～220转/分钟。

在5种规格新系列顶驱中，150HMI型、500HC/HCI型、650HC/HCI型等3种规格顶驱采用液压驱动形式，分别采用1台196型液压马达、两台196型液压马达、两台196型液压马达。500ECI型和650ECI型等两种规格顶驱采用AC变频永磁电动机驱动形式，均采用两台美国Kaman公司PA-44型永磁电动机，功率2×662千瓦=1323.9千瓦。

3. 加拿大CANRIG公司新系列顶驱主要基本参数

目前，CANRIG公司生产8种规格新系列顶驱，主要基本参数见表3。额定载荷1750千牛～7500千牛，最大扭矩28.9千牛·米～97.4千牛·米，最高转速175转/分钟～270转/分钟。

6027E型、8035E型、1050E型和1165E型等4种规格顶驱采用直流电驱动形式，功率分别为450千瓦、600千瓦、750千瓦、820千瓦。1250AC型和1275AC型等两种规格顶驱采用GE B20 AC变频电动机驱动形式，功率均为900千瓦。

4 挪威MH公司新系列顶驱主要基本参数

随着电气控制元件及技术、材料工程、动力工程的发展，以及钻井业对顶驱越来越高的要求，比如体积更紧凑，搬迁更方便，控制更容易等，顶驱装备的结构与控制技术必将得以持续的提升，有着非常大的发展前景。可喜的是，我国的顶驱制造及研发也在迎头赶上，目前除了北京石油机械厂，也涌现了黑龙江景宏石油设备制造有限公司，辽河天意石油石油装备有限公司等制造研发商，而且这几家的顶驱也各有特色，并具有各自的专利技术和自主知识产权。相信随着下一轮石油价格的上涨，国产顶驱的制造与研发技术也必将迎来一场新的井喷式发展。

参考文献：

[1]陈朝达. 《顶部驱动钻井系统》. 北京：石油工业出版社，2000.11.第一版.P5-P7

[2]VARCO  BJ. 《VARCO TOP DRIVER MANUALS》1998  P21，P25

作者简介：

耿红军（1969-），男，汉族，河南省新乡市人 ，高级工程师，高级工程师，研究方向：石油装备管理。