顶部驱动钻井装置的优越性

一、合理的设备结构设计确保上卸扣自动化操作实现

前已述及，Varco BJ顶部驱动钻井装置由于显著提高了钻井作业的能力和效率，发展成为了标准系列产品。例如，生产了三种使用整体式水龙头的TDS-3S、TDS-4S及TDS-5S型顶部驱动钻井装置，它们可以旋转钻柱和整体接卸28 m钻杆立根，减少钻井时间25％，并可防止卡钻事故的发生。

顶部驱动钻井装置的出现，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，得到了人们的肯定和市场的认同。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。

高可靠性的顶部驱动钻井装置（TDS）是旋转钻柱和接卸钻杆立根更有效的方法。该装置起下28 m立柱，减少了钻井时三分之二的上卸扣操作。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。钻杆上卸扣装置总成可使接头上卸扣并起升钻杆。特制的S型管总成将泥浆软管线同水龙头相在接。液体回路提供液压动力和气动力，电回路则提供直流电和交流电。对于每个部件的更详尽的描述将在第二章中进行。

TDS装置可满足用户在整体水龙头提环处与游动设备相连的要求。某些钻机由于高度的局限，需要取消大钩，而将水龙头提环直接连接到游车上。主轴/驱动杆从齿轮箱中伸出，或者通过传动装置，使钻井马达偏离该主轴。内部防喷器阀（IBOP）连接于主轴末端，这种设计使得钻井时载荷可由钻柱通过主轴直接传到水龙头轴承上。

顶部驱动钻井装置具有自身的重量分担系统。水龙头-总成附着于导向滑车上、该总成打井时可在两根导轨上垂直运动并传递马达扭矩。马达用螺栓固定在马达支座-上，后者又装在齿轮箱上。

钻杆上卸扣装置总成由吊环联接器、吊环倾斜装置、限扭器、旋转头、扭矩扳手和吊卡总成组成。吊环联接器围绕主轴固定，刚好装在主轴台阶上方。限扭器安装在吊环联接器支承盘和旋转头之间，保持吊环联接器在钻进过程中不碰到主轴台阶。吊环联接器座于支承盘顶，旋转头用螺栓固定在齿轮箱上。钻杆吊卡通过一付吊环挂于吊环联接器上，吊环倾斜装置工作使它摆动，提起钻杆。当钻杆吊卡提升钻杆重量超重时，吊环联接器便下落至主轴台阶处，使载荷通过主轴传至水龙头轴承上。为方便使用，扭矩扳手总成设计成单独悬挂在旋转头上。

二、顶部驱动钻井装置的优点

不用方钻杆钻井有许多优点。同以前的方法相比，顶部驱动钻井装置还有一些特定优点：

1．节省接单根时间

利用转盘旋转钻进时，方钻杆一面被转盘推动旋转，一方面又可通过转盘上的方补心向下送进。方钻杆长约9m，故方钻杆钻完一根杆长行程后，就需将它取下再接一单根才能继续钻进。而顶部驱动钻井装置不使用方钻杆，不受方钻杆长度约束，也就避免了钻进9m左右接一单根的麻烦。代之而起的是利用立根钻进。这种使用立根钻进的能力大大节省了接单根的时间。可以这样来做一个测算，若钻进1000ft（即305m）中每一次连接单根的平均时间为1min（准确的说，从钻头离开井底到开钻之前），那么用立根钻进就可减少2/的连接时间，即减少（305/9.17 ×2/3）×10＝221 min的接单根时间。换言之，这相当于可于可节省约4h左右的时间用于钻进。单根接成立根一般可以在空闲时，如注水泥候凝或换钻头下钻时进行。对于撬装钻机来说，还可节省将立根卸成单根的时间。

    顶部驱动钻井系统与立根排放器联合使用，可以在立根内进行反向扩眼。立根排放器在井架里进行卸扣作业可以使所有钻杆在井架中排立，同时，还能全面控制循环作业和转动作业。除此之外、采用顶部驱动钻井系统进行起下作业，特别是在负压钻井时，允许有少量的自井壁渗漏的天然气积累。而使用单根钻杆卸扣时，在停钻到开钻这段时间内。自井壁渗入的天然气向顶部移动造成井口压力增加，从而使钻井作业停下，只有等到这部分天然气循环出钻井系统后钻井作业才能重新进行。这是采用单根钻柱钻井作业耗费时间的另一方面。

    由于大大节约钻井时间，故降低钻井成本，在顶部驱动钻井装置使用中已明显表现出来。顶部驱动钻井装置采用立柱钻进，可利用钻机中停时间如开钻前或候凝时将钻杆单根配成立柱。按常规钻井接1次单根约3～4in就可节约4～5 h。对海上整拖钻机，立柱可用于下一口井钻进。在定向井中，由于采用立柱钻进，减少了每次接单根后重新调整工具面角的时间。顶部驱动钻井装置的马达为无级调速，可达到与井底导向马达、MWD、高效能钻头的最佳配合，以提高机械转速，准确控制井眼轨迹。在取心钻进中，用立柱钻进省去了许多复杂的操作，提高了取心收获率。国内外大量的实践说明，采用顶部驱动钻井装置可减少钻井时间10％～30％。1995～1997年，大港油田渤海北方钻井公司先后在渤海湾组织了三次快速钻井施工，采用顶部驱动钻井装置大大提高了钻井速度。1995年10月，歧口18-1快速钻井，56d时间完成三口平均井深356lm的生产井，平均建井周期18.82d，比该地区历史水平提高3.3；1996年10月，竟中36-1快速钻井，55.6d完成15口平均井深1876m的生产井，平均建井周期3.17d；1997年3月，歧口17-3快速钻井9口，平均井深2435m，平均建井周期7.65d。

2．倒划眼防止卡钻

由于具有可使用28 m立根倒划眼的能力，所以该装置可在不增加起钻时间的前提下，顺利的循环和旋转钻具提出井眼。钻杆上卸扣装置可以在井架中间卸扣，使整个立根排放在井架上。在定向钻井中，它具有的倒划眼起钻能力可以大幅度地减少起钻总时间。

3．下钻划眼

    该装置具有不接方钻杆钻过砂桥和缩径点的能力。下钻中接水龙头和方钻杆划眼需要时间做准备工作，而钻井人员往往忽视时间的重要性导致卡钻事故的发生。使用TDS下钻时，可在数秒内接好钻柱，然后立即划眼。这样不花费时间，也没有多余的工作要做，从而减少卡钻的危险。

4．节省定向钻进时间

该装置可以通过28 m立根循环，相应减少井下马达定向时间。

5．人员安全

钻井人员最需要进行的一项工作是接单根。TDS可减少接单根次数2/3，从而大大的降低事故发生率。接单根时只需要打背钳。此外，钻杆上卸扣装置总成上的倾斜装置可以使吊环、吊卡向下摆至小鼠洞或向上至二层台指梁，大大减少了作业者工作的危险程度。

6．井下安全  

在起下钻遇阻、遇卡时，管子处理装置可以在任何位置相接，开泵循环，进行立柱划眼作业。采用方钻杆与转盘时，就得卸掉l～2个单根，接方钻杆划眼，每次只能划1个单根。在大位移井接单根划眼、卡钻、憋泵的危险性较大，特别在上提遇卡，下放遇阻时，很难接方钻杆循环、如使用顶部驱动钻井装置，很容易在任何位置立即进行循环，大大减少了卡钻等复杂情况。在下套管遇阻时，可迅速接上大小头，边循环边旋转下放，通过遇阻井段，扭矩管及托架总成起扶正作用，保证下套管作业套管居中。顶部驱动钻井装置内防喷阀及其执行机构，在发现并涌时可立即执行井控动作，其作用类似于方钻杆旋塞。

    7．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。这样也达到了用好钻柱和延长钻柱使用寿命的目的。

    8．井控安全

    在不稳定井眼中采用TDS起钻时，关泵停止循环，同时顶部驱动钻井装置主轴与钻柱分离。在用吊卡提升钻柱的过程中，若发现井下异常，例如出现井喷征兆，需要接泵循环，钻杆上卸扣装置可在井架任何高度将主轴插人钻柱，数秒内遥控完成旋扣和紧扣，恢复循环。双内防喷器可安全控制钻柱内压力。

当在一不稳定油井里进行提升作业时，采用顶部驱动系统上扣连接和远距离循环遥控，立根排放器在数秒中之内即可实现水龙头中心管的输出端同钻柱在任一位置的快速对接。对钻柱防喷阀能够保持对钻柱内部压力的安全控制。

9．便于维修

钻井马达清晰可见，因此比单独驱动转盘的马达更易维修。单独驱动转盘的马达常常覆盖着泥浆，位于钻台下方看不见。熟练的现场人员约12h就可将其组装、拆卸。整个系统由安装在司钻面前的控制盘控制，故操作方便、简单、可靠。

10．使用常规水龙头部件

Varco BJ顶部驱动钻井装置使用常规的650 t水龙头止推轴承和冲管密封盘根。特殊设计后维修难度没有提高，钻井人员对其亦不陌生。

11．下套管

Varco BJ顶部驱动钻井装置具有650 t提升能力，可采用常规方法下套管。在套管和主驱动轴之间加入一个转换接头（又称大小头）就可在套管中进行压力循环，无须再接入钢制水龙头旋转接头。套管可以旋转和循环入井，从而减少缩径井段的摩阻力，这样套管就容易通过井径缩小的井眼。

12．取心

能够连续取心钻进28 m，取心中间不需接单根。这样可以提高取心收获率，减少起钻次数，与传统的取心作业相比，它的优点是明显的，污染小，质量高。                                               

13．使用灵活

    Varco BJ顶部驱动钻井装置使钻机具有前所未有的灵活性，可以下入打捞工具、完井工具和其他设备，既可正转又可反转。

    14．节约泥浆

    在上部内防喷器球阀下面接有泥浆截流阀，截流阀起保留钻井液的作用。常规钻井中，钻井液滞留在方钻杆中，卸扣后溢出漏失，除非花时间手动操作泥浆截流阀才能止流。

    15．便于拆下

    Varco BJ顶部驱动钻井装置很容易拆下，如果需要的话，不必将它从导轨上移下即可拆下其它设备。电、液、气管线不需拆卸。

    16．内部防喷器功能

    该装置具有内部防喷器的功能，起钻时如有井喷迹象，可由司钻遥控钻杆上卸扣装置，迅速实现水龙头与钻杆柱的连接，循环钻井液压井，避免事故发生，这是因为水龙头在起钻时不必拆下。

    17．其它优点

    顶部驱动钻井系统初期采用直流电机驱动，目前使用的顶部驱动系统已开始使用交流技术，Varco 公司生产的TDS-9S型顶部驱动钻井系统由两个350 hp的交流钻井马达驱动，能够产生32500ft·lb 的钻井力矩和47000 ft·lb的上、卸扣力矩。该系统结构相当紧凑，对现有外井只需稍加改进，即配备具有400 t提升能力的顶部驱动钻井系统就能保证在标准的136 ft井架里进行安全操作。

除了比直流马达轻以外，交流马达没有电刷、刷状齿轮和整流子，因此，降低了保养费用。另外，交流马达里没有放电装置。Varco公司生产的TDS-9S型顶部驱动钻井系统具有船装式液压系统，因而省去了独立的液压动力元件和液压回路，大大降低了附加费用。

当然，采用顶部驱动钻井系统的最大优点是在水平钻井中体现出来。这向操作者和承包商提出了挑战。由于油井越钻越深，选择合适的方法进行钻井和起下作业变得尤为重要。钻杆进入水平段越深，所受的摩擦力越大，在这种情况下，采用顶部驱动钻井系统进行立根操作的优点变的更加明显，主要表现在能使钻杆尽可能光滑和快速的通过这些横向截面。

作为顶部驱动钻井装置在国内油田应用的情况，现以大港油田的应用对比为例，对顶部驱动钻井装置的优越性可见一斑。

大港油田在张巨河滩海地区钻的张17-1、张19-l和张18-30大位移井，其中后2口井在同一井场，张17-1和张19-1并采用转盘钻施工，张18-30井采用顶部驱动装置施工。在条件基本相同的情况下，用转盘钻施工的2口井平均机械转速不到9 m/h，且都发生过卡钻事故。而用顶部驱动装置施工的井，平均机械钻速为12.68 m/h，全没有发生过井下事故。

三、整体式顶部驱动钻井装置IDS型的重要改进

前已述及，美国Varco BJ公司1993年后推出了IDS型整体顶部驱动钻井装置。由TDS型发展到IDS型，是顶部驱动发展史上新的进步。它是真正意义上的整体式顶部驱动钻井装置。为什么这样说呢？这是因为IDS型实现了钻井马达与水龙头的一体化，钻井马达中心上安置，它穿过水龙头之中，通过马达的空心主轴，与水龙头鹅颈管和中心管（在顶部驱动钻井装置上已演变在主轴）相连，保证了泥浆有流畅通道。例如我国宝鸡石油机械厂的DQ-60D型就是这种设计，读者可参阅本书第六章的有关章节。而TDS型设计中，钻井马达是侧置式的，它通过减速机构与水龙头相连，推动水龙头主轴旋转。

与TDS顶部驱动钻井系统比较，IDS型顶部驱动钻井系统有以下两点重要改进：

    1．采用反扭力管结构

    钻井时产生的反扭矩，通过反扭力臂、小车、反扭力管传到离钻台高2.54m固定在井架上的扭矩梁上。反扭力管顶端悬挂在天车梁的悬架上。钻井系统在任何高度位置上，均能将钻井时的反扭矩通过反扭矩管传给反扭矩梁，所以井架上部不承受反扭矩。

    2．采用EZY卸扣短节

    IDS型顶部驱动钻井系统采用了EZY卸扣短节，代替原有的液压卸扣器，减少了液压元件。EZY卸扣短节结构比较简单，内部有两块互相配合的斜面环，在上扣时两斜面环在弹簧力的作用下，处于上扣位置。卸扣时，主轴反转，使两斜面环产生微量转动，两斜面环处于卸扣位置。卸扣力矩由丝扣之间和端面之间的摩擦力组成，卸扣短节先卸掉端面之间的摩擦力。所以可用70％～75％的上扣力矩进行卸扣。这样，在立根的底部用背钳卡住，顶部驱动钻井系统反转卸扣，可确保顶部接头首先卸开。

综上所述，IDS型顶部驱动钻井装置采取直流钻井马达在中心线上的布置方案，并与优化的整体式游车组成了当今世界上堪称最短、最小的顶部驱动钻井装置。这一整体化的设计对于小型井架是理想的配合装置，特别适用了安装尺寸已达极限尺寸和需要花费大的改装成本的那些钻井设备。