Ⅰ 頂部驅動鑽井系統
國外自1982年首台頂部驅動鑽井系統（頂驅）成功地鑽了一口井斜32o井深2981m的定向井之後，得到了迅速發展和廣泛應用。生產頂驅的廠商也由當初的美國、挪威擴展到法國、加拿大等4國7家公司。之後，中國、英國也加入到該裝置的生產行列，實現了鑽機自動化進程的階段性跨越。目前美國、加拿大和挪威等國的頂部驅動裝置的產品已形成系列，並從海洋鑽機推向陸地鑽機（包括斜直井鑽機），從電驅動鑽機推向柴油機驅動鑽機（王洪英等，2005）。
頂部驅動鑽井裝置是當今鑽井裝備中技術含量較高並且復雜的機電液一體化的設備，已成為現代鑽機的重要配置，是21世紀鑽井三大技術裝備之一，全世界僅有少數幾個國家擁有此項技術。頂部驅動鑽井裝置是用以取代轉盤鑽進的新型石油鑽井裝備。與常規旋轉鑽井方式不同，採用頂驅裝置鑽進一次可接入和鑽進一個立根，上卸扣時間減少了三分之二；在起鑽遇阻遇卡時可以迅速接上鑽具，一邊旋轉一邊循環，進行倒劃眼，可以大大減少卡鑽事故。
1.2.1 國外頂部驅動鑽井系統
1.2.1.1 美國National Oilwell Varco公司
美國Varco公司是最早研究開發頂驅的公司之一，先後研究開發了10多種型式頂驅。目前該公司生產的頂驅在世界油田的應用數量占第一位。其中IDS-1型（載荷5000kN）、TDS-4H型（載荷6500kN）、TDS-4S型（載荷7500kN）和TDS-6S型（載荷7500kN）頂驅採用AC-SCR-DC電驅動型、串激或並激DC電動機。TDS-8SA型（載荷6500kN）、TDS-9SA型（載荷4000kN）、TDS-10SA型（載荷2500kN）和TDS-11SA型（載荷5000kN）頂驅均採用AC變頻電機驅動。TDS-9SA型和TDS-11SA/SE型兩種頂驅採用兩台AC非同步電動機驅動，其餘頂驅為一台電機驅動。TDS-11SA型頂驅屬Varco公司最新型號的頂驅，其顯著特點是：體積小、重量輕、搬遷和安裝方便省時（在所在頂驅設備中，Varco頂驅安裝最省時）；液壓系統因完全安放於頂驅本體而使壓力損失較少，系統動作迅速；西門子提供的變頻系統性能穩定，技術成熟，故障率相對較低。因此，Varco公司的TDS-11SA和TDS-9S頂驅在市場上尤其是陸地鑽井市場上具有較高的佔有率；不足之處是由於液壓系統完全位於頂驅本體上，使得液壓系統發生故障時難以排查和解決（李傳華等，2005）。
美國National Oilwell公司原生產PS-350/500，PS-500/650型和PS500/650（雙速）型等3種規格系列頂驅。近兩年又研究開發了PSZ-650/650型（載荷6500kN）和PSZ-750型（載荷6500kN）兩種雙速傳動機構頂驅，並把PS-500/650型頂驅改進為PS-500/500型（載荷5000kN）頂驅；PS-500/650（雙速）型頂驅改為PSZ-500/500型（載荷5000kN）頂驅，保留了PS-350/500型（載荷3500kN）頂驅，組成了5種規格新系列頂驅。
1.2.1.2 美國Boven公司
美國Boven公司公司目前有ES-7和3種型號（TD-120P、TD-250HTP、TD-350P）的中小型系列頂驅。該系列頂驅可用於鑽井，也可用於修井，使用方便。
1.2.1.3 美國BJ公司
美國BJ公司研究開發了AC-SCR-DC電驅動頂驅，額定提升載荷為5000kN。
1.2.1.4 加拿大Tesco公司
加拿大Tesco公司原來生產150MHI型、500HS型、500HC型3種規格液壓驅動頂驅，到1998年1月共生產150多台。由於電驅動頂驅具有更好的鑽井性能和適應性，Tesco公司從1996年開始生產AC變頻電驅動頂驅，採用美國Kaman公司PA44型永磁同步電動機。目前，Tesco公司生產的液壓驅動和電驅動頂驅已經基本上形成了150HMI型（載荷1500kN）、500HC/HCI型（載荷5000kN）、650HC/HCI型（載荷6500kN）、500ECI型（載荷5000kN）和650ECI型（載荷6500kN）等幾種規格的頂驅系列。
1.2.1.5 加拿大Canrig公司
加拿大Canrig公司既生產AC-SCR-DC電驅動頂驅，又生產AC變頻電驅動頂驅。生產的6027E（載荷2500kN）、8035E（載荷5000kN）、1050E（載荷7000kN）、1165E（載荷9000kN）等4種規格頂驅為單速傳動，此外還生產6027E-2SP（載荷2500kN）、6170E-2SP-HELI（載荷2500kN）、1050E-2SP（載荷7000kN）、1165E-2SP型（載荷9000kN）等4種規格雙速傳動頂驅，全部採用AC-SCR-DC電驅動型式。Canrig公司於1998年夏天研究開發了第一台額定載荷為6500kN的AC變頻電驅動頂驅，基本上形成了1500、2750、5000、6500、7500kN等5種規格AC變頻電驅動頂驅系列。
1.2.1.6 挪威MH公司
挪威MH公司生產的PTD-350（載荷3500kN）、PTD-410（載荷4100kN）、PTD-500（載荷5000kN）、DDMY650HY（載荷6500kN）、DDM650HY（750）（載荷6500kN/7500kN）等5種規格頂驅採用液壓驅動，DDM500DC（載荷6500kN）、DDML650L-DC（載荷6500kN）、DDM650DC（750）（載荷6500kN/7500kN）、DDM650DC（載荷5000kN）等4種規格頂驅採用AC-SCR-DC電驅動。
1.2.1.7 法國Acb公司
法國Acb公司研究開發了BRETFOR液壓頂驅，額定靜載荷為5000kN。
1.2.1.8 德國BRR公司
德國BRR公司研究開發了RB130（載荷1700kN）、RB135（載荷1700kN）系列液壓頂驅。
1.2.2 國內頂部驅動鑽井系統
我國於20世紀末開始頂部驅動鑽井系統的研製工作，主要由中國石油勘探開發科學研究院等單位合作先後開發了DQ60D、DQ60P直流電驅動頂驅和DQ30Y液壓頂驅。2003年中國石油勘探開發科學研究院與北京石油機械廠合作研製了我國首台DQ70BS交流變頻頂部驅動鑽井裝置，它代表了國內頂驅最新技術成果和發展方向。
1.2.2.1 北京石油機械廠
北京石油機械廠開發有DQ30Y（載荷1700kN）、DQ40BC（載荷2250kN）、DQ50BC（載荷3150kN）、DQ70BSC（載荷4500kN，圖1.4）、DQ90BSC（載荷6750kN）系列頂驅。DQ30Y是我國開發的第一台液壓頂驅，DQ70BSC和DQ90BSC（表1.9）是交流變頻頂驅。交流變頻頂驅的技術特點：
1）動力水龍頭採用進口交流電動機，交流變頻驅動；
2）動力水龍頭裝置採用進口推力軸承和特殊結構設計，抗鑽柱縱向震動；
3）管子處理裝置的傾斜機構可以前傾、後傾或者360°旋轉，有利於抓取鑽桿以及鑽進時使主軸更靠近鑽檯面，鑽柱使用充分；
4）管子處理裝置採用側置背鉗，背鉗隨吊環轉動；
5）採用了機、電、液、信息一體化的控制技術，自動化程度高。
圖1.4 DQ70BSC頂驅
表1.9 北京石油機械廠交流變頻頂部驅動鑽井裝置主要技術參數
2007年5月中旬，DQ120BSC頂驅（載荷9000kN）被列為國家863計劃，中國石油重大科技專項1.2萬m鑽機配套頂驅裝置（表1.9），在北京石油機械廠通過專家組的設計評審。這意味著我國頂驅技術將再度升級。評審專家認為，「北京石油機械廠完成的DQ120BSC頂驅的設計，充分考慮該頂驅的使用工況，其主要性能指標及整體設計能夠滿足1.2萬m鑽機使用要求。圖紙、工藝、技術規范完整，符合相關標准要求，同意投入樣機試制」。
1.2.2.2 盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司
盤錦遼河油田天意石油裝備有限公司生產有DQ-40LHTY3（載荷2250kN）、DQ-50LHTY1（載荷3150kN）、DQ-70LHTY1（載荷4500kN，圖1.5）系列頂驅產品。性能特點：①機電液一體化的控制技術，變頻器交流輸出參數與電機的特性要求相匹配，PLC程序可根據用戶要求進行設計，具有監控、報警、自我診斷、保護和互鎖功能，更加符合鑽井工況。②交流變頻電機實現無級調速，採用全疊片硬繞組結構，傳動功率大，抗過載能力強。③採用雙負荷通道，即鑽進時減速箱軸承承載，在起下鑽時回轉頭軸承承載，提高了軸承、主軸的使用壽命和抗鑽柱縱向震動能力。④回轉頭只用兩個油道給傾斜油缸供油，實現吊環的前傾和後擺，而且每個油道均為雙密封，預防泄漏事故發生，提高了設備使用的可靠性；在起、下鑽時允許回轉頭隨鑽具旋轉，方便事故處理。⑤採用插入式內套結構，背鉗與IBOP油缸不隨回轉頭轉動，結構簡單。⑥專利技術的傾擺式對夾背鉗，夾緊力矩大，夾持可靠，便於保護接頭、鉗牙等易損件的更換。⑦主液壓泵在鑽進和定向過程中可以關閉，泵的使用壽命提高。即使液壓系統停止工作，也可進行鑽進、劃眼和起下鑽作業。⑧集成式液壓系統連同油箱集成於頂驅本體之上，系統發熱量低，安裝便利。⑨專利技術的新型單導軌，採用單銷和鎖口機構，安裝拆卸簡單快速。
圖1.5 DQ-70LHTY1頂驅
Ⅱ 頂驅的頂驅的優點
作為當前最新的鑽井方式，有許多不同於方鑽桿鑽井的優點。同以前的方法相比，頂部驅動鑽井裝置還有一些特定優點：
1．節省接單根時間
頂部驅動鑽井裝置不使用方鑽桿，不受方鑽桿長度限制，避免了鑽進9米左右接單根的麻煩。取而代之的是利用立柱鑽進，大大節省了接單根的時間，從而節約了鑽井時間。
2． 倒劃眼防止卡鑽
頂部驅動鑽井裝置具有使用28米立柱倒劃眼的能力，可在不增加起鑽時間的前提下，順利地循環和旋轉將鑽具提出井眼。在定向鑽井過程中，可以大幅度地減少起鑽總時間。
3．下鑽劃眼
頂部驅動鑽井裝置具有不解接方鑽桿鑽過砂橋和縮徑點的能力。使用頂部驅動鑽井裝置下鑽時，可在數秒內接好鑽柱，立刻劃眼，從而減少卡鑽的危險。
4． 人員安全
頂部驅動鑽井裝置可減少接單根次數2/3，從而降低了事故發生率。接單根只需要打背鉗。鑽桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至鼠洞，大大減少了人員工作的危險程度。
5． 設備安全
頂部驅動鑽井裝置採用馬達旋轉上扣，上扣平穩，並可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鑽井最大扭矩的設定，使鑽井中出現蹩鑽扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鑽井參數後再正常鑽進，避免設備超負荷長時間運轉。
頂驅的發展、組成元件、性能特點：
多年來，石油鑽井一直是依靠鑽機的轉盤帶動方鑽桿和鑽具、鑽頭旋轉進行鑽井作業的。近年來，隨著鑽井裝備技術的不斷發展，為了更好地滿足鑽特殊工藝井的需要，20世紀80年代，國外研製出一種將水龍頭與馬達相結合，在井架空間的上部帶動鑽具、鑽頭旋轉，並可沿井架內安放的導軌向下送進的鑽井裝置，同時配備了鑽桿的上、卸絲扣裝置，可完成井下鑽柱旋轉、循環鑽井液、鑽桿上卸、起下鑽、邊起下邊轉動等操作。因該裝置在鑽機的游動滑車之下，驅動的位置比原轉盤位置要高，所以稱之為頂部驅動鑽井裝置。頂部驅動鑽井裝置可接立柱（三根鑽桿組成一根立柱）鑽進，省去了轉盤鑽井時接、卸方鑽桿的常規操作，節約鑽井時間20%～25%，同時，減輕了工人勞動強度，減少了操作者的人身事故。使用頂部驅動裝置鑽井時，在起下鑽具的同時可循環鑽井液、轉動鑽具，有利鑽井中井下復雜情況和事故的處理，對深井、特殊工藝井的鑽井施工非常有利。頂部驅動裝置鑽井使鑽機的鑽檯面貌為之一新，為今後實現自動化鑽井創造了條件。
目前國內外的深井鑽機、海洋及淺海石油鑽井平台、施工特殊工藝井的鑽機大多配備了頂部驅動鑽井裝置。1993年，國內開始了頂部驅動裝置的研究工作，1996年完成了頂部驅動裝置樣機的台架試驗。1997年，寶雞石油機械廠生產出了DQ60D型頂部驅動裝置，在塔里木油田鑽井隊使用後現已批量生產。截至2004年我國在用的頂部驅動鑽井裝置大約有150台左右。
頂部驅動鑽井裝置有以下主要部件和附件構成：
l）水龍頭-鑽井馬達總成（關鍵部件之一）；
2）馬達支架/導向滑車總成（關鍵部件之一）；
3）鑽桿上卸扣裝置總成（關鍵部件之一，它是體現頂部驅動鑽井裝置最大優點的設備）；
4）平衡系統；
5）冷卻系統；
6）頂部驅動鑽井裝置控制系統；
7）可選用的附屬設備。
其中水龍頭-鑽井馬達總成包括下述主要部件：
1）鑽井馬達和制動器（氣剎車）
2）齒輪箱（變速箱）；
3）整體水龍頭；
4）平衡器。
頂部驅動鑽井裝的性能特點：
·在鑽井過程中可在任意位置提起鑽具劃眼循環，清洗井眼，有效地避免卡鑽等事故發 生。起下鑽過程中遇卡或遇阻可迅速使頂驅接上鑽具，循環泥漿進行劃眼作業。
·用立根鑽進，減少2/3上卸扣工作量。
·在下套管時，藉助於吊環傾斜機構抓取套管，在上扣時頂驅有扶正作用，可避免亂扣、 錯扣，大大提高下套管速度。
·在憋鑽時，可用剎車機構剎住鑽具，慢慢釋放，防止鑽具迅速反彈，以防損壞鑽具或 脫扣。
·在定向鑽進中，可用剎車機構剎住頂驅主軸，進行定向造斜。
·在井涌、井噴時，在井架內任意高度可迅速關閉內防噴器。
·由於不使用轉盤，提高了井口操作時的安全性。
·藉助於傾斜臂和旋轉頭的作用，井口上卸扣作業和二層台作業的體力勞動強度大大減 輕。
·在穩斜段鑽進時，可隨意提動鑽具，避免岩屑沉積。
·利用立根鑽進，可實現連續長筒取芯達27米。
其結構特點：
·簡便的安裝移運性能。
·具有較大的卸扣能力。
·導軌安裝與拆卸檢修方便，具有互換性能。
·頂驅體可通過過渡環直接與游車連接，減少整個裝置的工作高度。
·液壓控制的旋轉頭裝置，可帶動吊環傾斜機構旋轉360º，並有級鎖緊。
·高強度的齒輪減速傳動。
·鑽井和起下鑽採用不同的負荷通道，延長主軸承的使用壽命。
·背鉗採用四點浮動夾持，提高了背鉗的夾持能力，減少了對鑽具的損傷。
·採用液壓浮動油缸平衡頂驅主體自重，可在上卸扣作業時保護鑽具接頭絲扣。
