深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型顶驱装置研制

牟新明，蒋卫焱，李 鹏，高 明，廖丽华，赵 涛

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.中海油田服务股份有限公司，天津300451）

深水工程勘察船用KDQ40／2250DB型顶驱装置研制

牟新明1，蒋卫焱2，李 鹏1，高 明1，廖丽华1，赵 涛1

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.中海油田服务股份有限公司，天津300451）

为满足深水工程勘察船钻机自主配套的需要，在吸收国内外先进顶部驱动钻井装置设计经验的基础上，研制了KDQ40／2250DB型深水勘探船专用的交流变频顶部驱动装置，与我国首艘深水工程勘察船“海洋石油708”配套使用。介绍了该顶驱装置的结构方案、技术参数及厂内试验情况。重点介绍了液控高压球阀、大通径、大跨距等结构的特点。试验结果表明，该顶驱装置的各项性能指标满足了海洋钻井和勘探取样作业的要求。

顶部驱动钻井装置；深水；海洋勘探船

我国南海具有丰富的油气和天然气水合物资源，但平均水深均在1 000 m以上，勘察开采的技术难度大。为实现南海深水油气资源的自主勘探开发，在世界深海油气勘探开发的国际竞争中处于有利地位，必须打破国外技术垄断，掌握深水油气勘探开发前沿技术，拥有国际先进水平的自主知识产权的深水勘察钻井装备。为此，宝鸡石油机械有限责任公司于2010年为国内首艘深水工程勘察船配套了钻机系统［1］，实现了动态井架、大通径顶驱、钻杆处理装置、海底基盘等深水钻机关键装备的自主配套。

深水工程勘察船用顶部驱动钻井装置（以下简称顶驱装置）主体结构包括动力水龙头和管子处理装置，设计理念与陆用顶驱装置相同。但是由于勘察船属于浮式平台（船），其作业工况与陆用及固定式平台钻机不同，该装置具有满足浮式平台（船）的特殊结构。为满足下放取样工具的需要，在顶驱装置的泥浆通道顶部设计有远程控制开关的高压球阀，设计了大通径泥浆通道、双提环结构。井口中心至导轨中心2 000 mm的大跨距设计，可适应下放海底基盘的需要。KDQ40／2250DB型顶驱装置整体设计满足3 000 m水深的钻井与取样作业要求。

1 技术分析

1.1 结构

KDQ40／2250DB型顶驱装置主要由动力水龙头、管子处理装置、双导轨与滑车、液压传动与控制系统、电气传动与控制系统，以及运移架等辅助装置等组成。如图1。

图1 KDQ40／2250DB型顶驱装置结构

1.1.1 本体装置

KDQ40／2250DB型顶驱装置本体结构如图1所示。其工作原理与传统顶驱的相同，采用1台298 k W直立式交流变频电机作为动力源，经齿轮箱减速后驱动中心管（主轴）带动钻杆旋转。利用电机的额定动力，可提供30.5 k N·m的最大连续钻井转矩；利用电机的短时过载能力，可以提供52 k N·m的最大紧、松扣转矩。同时，钻井液由水龙带经泥浆管线进入主轴内孔泥浆通道并经该通道进入钻具。主电机上副轴伸出端安装有液压盘刹。当憋钻时可刹住顶驱主轴，防止钻具倒转卸扣；在定向钻井作业时可辅助钻柱定向。

顶驱装置的上下游动由分体式双提环与补偿器下端连接耳板相连，双导轨与滑车可将钻井作业时产生的反转矩传递到井架上，同时扶正顶驱主体沿导轨上下移动。

管子处理装置可大幅提高井口作业的机械化程度，其主要功能为：在钻井或起／下钻作业时，与动力水龙头配合，完成在井架内任意高度上／卸扣、紧／松扣的作业；井控作业时可遥控关闭IBOP，保证钻井安全。

1.1.2 液压系统

液压系统是顶驱装置的重要组成部分，主要由液压源（液压站）、控制阀组、执行元件、液压管线等部分组成。液压源为地面液压站形式。由于船上空间限制，顶驱装置液压系统与机具液压系统集成设计，共用液压油箱。液压站冗余设计的2台主液压泵，可在本地和司钻台实现两地控制，2台主液压泵互锁。采用目前主流顶驱成熟可靠的恒压系统设计，液压控制系统设计借鉴了DQ70DB型顶驱装置的成功经验，在沿用其液压系统基础上，增加了球阀与吊卡的控制。

1.1.3 电控系统

电控系统采用1台SIEMENS交流变频柜，一对一控制驱动主电机，有速度传感器的变频控制方案，确保顶驱电机在低速下的控制精度指标和额定转矩输出。紧／松扣转矩及钻井转矩可控，具有堵转保持功能。

PLC控制系统通过现场总线技术把数字化设备组成Profibus-DP网络，实现变频器、操作台等设备的高速通讯。PLC控制系统可对整个电控系统进行逻辑控制，实时监测执行组件的动作及运行参数。实现顶驱系统的操作、控制及故障保护功能、系统故障时的声光报警、顶驱故障或停机时刹车的自动控制、系统的机、电、液一体化控制及互锁控制。

顶驱操作台在钻机司钻房内，可实现顶驱装置的所有操作、显示、报警功能。顶驱操作台设有顶驱转速、转矩4～20 mA信号输出防爆插接件。

针对海洋工况，电缆采用海洋钻井VFD电缆和防爆及高防护等级（IP67）快速插接件，具有防油、防水、防砸功能，信号的采集及传输电缆具有抗干扰能力。

1.2 主要技术参数

名义钻井深度 4 000 m（ø114.3 mm钻杆）

最大载荷 2 250 k N

工作高度5.37 m（上提环销中心到钻杆上平面）

电源电压 690 V，50 Hz，AC

额定功率 298 k W

最大钻井转矩 30.5 k N·m，连续

最大钻井转矩时的最高转速 92 r／min，连续

最大卸扣转矩 52 k N·m，短时

泥浆通道 ø105 mm，35 MPa

背钳夹持钻杆接头直径 ø168～ø254 mm

背钳最大通径 ø260 mm

遥控IBOP型号 8s/8″REG API，70 MPa

2 设计特色

在顶驱装置的设计过程中运用了4项自有专利技术［2-5］，整体设计除具备传统交流变频顶驱的优点外，还具有一些适应海洋钻井工况的特点。

2.1 选用Reliance交流变频电机

Reliance交流变频电机具有过载能力强、运行效率高、结构形式紧凑以及无电晕、绝缘系统和电流屏蔽设计等诸多优点。为适应海洋钻井工况的要求，主电机防护等级设计为IP55。鉴于Reliance交流变频电机的优越性能，KDQ40／2250DB型顶驱装置主传动采用1台功率为298 k W的Reliance交流变频电机经齿轮减速箱驱动主轴旋转。采用强制风冷却方式。该电动机具有宽广的恒转矩和恒功率调速范围，并且具有在额定转矩下，长时间堵转工作的特性，并具有170%的过载能力，以及可准确快速实现正反转的能力。

2.2 液控高压球阀

勘察船在使用顶驱钻井作业过程中，需要从顶驱的顶部通过冲管、主轴和钻杆内部起放勘察取样工具。为此，顶驱的钻井液通道（包括：冲管、主轴、IBOP、保护短节、钻杆内孔等）的最顶部设计有远程控制高压球阀。球阀本体可承受35 MPa高压钻井液的作用。阀体采用硬密封形式，具有耐高压，耐腐蚀的优点。如图2。

在钻井过程中，球阀处于关闭状态，形成钻井液的密封通道。取样时，当钻井液压力完全释放后打开球阀，从球阀孔中下放勘察取样工具，到达井底进行取样作业。

完成取样工作后，提出取样工具，关闭球阀，循环钻井液，继续钻井。

实现自动控制功能的执行器安装在球阀上，通过接收来自控制系统的控制信号对球阀实施控制。远程控制技术的应用提高了钻机操作的自动化水平与安全性。该项技术已经申请专利［6］。

图2 液控高压球阀

2.3 大通径泥浆通道

根据石油行业标准［7］，名义钻深为4 000 m的顶驱装置，泥浆循环通道直径为75 mm，名义钻深为12 000 m的顶驱装置，泥浆循环通道直径为89 mm。为满足勘察船在井口中心下放取样工具的需要，包括泥浆循环装置的高压球阀的泥浆循环通道均设计为直径为105 mm的大通径泥浆通道。背钳最大通径达到260 mm。

由于钻井泥浆工作压力为35 MPa，通径达到105 mm，因此高压大通径的球阀及IBOP均需特制，其设计与选购成为整个顶驱装置设计的难点与瓶颈。在通过技术攻关后，有效解决了此问题。

2.4 大跨距滑车与双导轨

导轨与滑车可将钻井作业时产生的反转矩传递到井架上，同时扶正顶驱主体沿导轨上下移动。为满足下放基盘空间需要，顶驱导轨中心与井口中心距离确定为2 000 mm的大跨距布局。为适应海洋动态钻井工况要求，采用后置式双导轨的形式，双导轨固定在井架上，与钻柱补偿器共用。滑车的设计采取框架结构以满足双导轨和大跨距的要求。

3 室内试验

顶驱制造完成后进行了厂内试验。试验结果表明，该顶驱达到了设计要求。

3.1 静载荷试验

包括中心管、吊环的额定静载荷试验和设计验证静载荷试验。设计了针对不同试验内容的试验方案，通过各种必要工艺装备的制作，满足试验的要求。如图3。

图3 顶驱装置主要部件的静载荷试验

在进行额定静载荷试验后，主承载零件进行无损检测，并进行几何尺寸的检测。根据检测报告的结果，主承载件满足设计要求。

3.2 台架运转试验

空载荷运转试验结果显示，中心管转速最高达到186 r／min。载荷运转试验中，恒转矩阶段的转速为0～89 r／min，转矩为30.5 k N·m。刹车试验证明，刹车装置能快速将电机刹住。电机堵转试验保持堵转状态时间5 min以上，电机无异常现象。调速性能试验从5～186 r／min无级调速，转速变化应均匀、平稳、无跳动，在低速时无爬行，中、高速时无振动。

3.3 主要部件的压力试验

进行压力试验的零部件为：保护短节、IBOP、中心管、冲管装置、鹅颈管总成等。试验压力70 MPa，保压≥3 min，均无渗漏。

3.4 液压与电控系统试验

液压系统压力试验中，旋转头油道（共9条）密封性试验压力为24 MPa，稳压5 min，无压降、压力油窜腔或渗漏油现象。整个液压系统回路压力试验压力为16 MPa，各管线及管线接头处、各液压元件处均无渗漏油现象。

电控系统试验的结果表明，达到各项技术参数指标，操作控制、互锁、通讯等性能安全、可靠。液压控制动作运行平稳、无冲击，开、关灵活，无卡阻现象。司钻操作台上的各控制开关、指示灯、调节旋钮等，与实际控制对象对应。

4 结论

1） KDQ40／2250DB型顶驱装置目前已通过海试，各项性能稳定，满足现场使用要求。深水工程勘察船顶驱的研制成功，实现深水勘察钻机重要装备的国产化，对于开发深海油气资源具有重要意义。

2） 该顶驱装置是针对深海勘探船钻井作业的特点而设计的，与常规顶驱装置相比，泥浆通道顶部配备液控高压球阀，大通径泥浆通道、双提环、大跨距等是其特有设计。

3） 深水工程勘察船在作业时远离大陆，补给困难，因此顶驱装置内部所有机械传动、液压元件和电气设备的设计和选型均应考虑长寿命和极高的可靠性。海洋产品的设计和选购标准均应高于同类陆用产品。KDQ40／2250DB顶驱装置中旋转锁紧油缸位移传感器在海试过程中未能经受严酷的考验，信号不稳定，应改进设计。

4） 顶驱装置设计应特别注重导轨的强度和精度。国产顶驱装置在使用过程中，不论常规陆用顶驱装置，还是海洋平台用顶驱装置，均出现过导轨精度较低，装配困难，导轨强度不足导致变形，或磨损严重的问题，甚至出现过导轨断裂脱离的严重问题。在今后的设计中应重点研究。

［1］ 王维旭，蒋卫焱，车铁军，等.深水工程勘察船钻机研制［J］.石油机械.2011，39（10）：93-96.

［2］ 王兵，高明.钻具接头增扭装置.中国：ZL 03 2 62438.7［P］.2003-06-15.

［3］ 王兵，高明，侯文辉，等.顶部驱动钻井装置背钳钳体总成.中国：ZL 03 2 62442.5［P］.2003-06-15.

［4］ 王兵，高明.顶部驱动钻井系统的旋转头装置.中国：ZL 03 2 62437.9［P］.2003-06-15.

［5］ 张福，王兵，高明，等.顶部驱动钻井装置旋转头承载卡套密封总成.中国：ZL 2006 2 0164952.8［P］.2006-12-30.

［6］ 牟新明，王兵，廖丽华，等.一种顶驱用远程控制的高压球阀.中国：ZL201020178479.5［P］.2010-05-04.

［7］ SY／T6726—2008，石油钻机顶部驱动装置［S］.

Investigating and Manufacture of KDQ40／2250DB Top Drive for Deep water Research Vessel

MU Xin-ming1，JIANG Wei-yan2，LI Peng1，GAO Min1，LIAO Li-hua1，ZHAO Tao1
（1.Baoji Oil f iel d Machiner y Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2.China Oil f iel d Ser vices Li mited，Tianj un 300451，China）

KDQ40／2250DB top drive was devel oped to meet the need of self-supporting f or Deepwater Research Vessel rig on the basis of advanced experience from domestic and f oreign top drive drilling system，which is used on t he China’s first deep water engineering survey vessel“HAIYANGSHIYOU 708”.The configuration scheme and the technical parameter and the factory acceptance test are presented in the paper.During t he paper，t he design f eat ures of t he syste mis t he main content，such as hydraulic control high pressure valve，bigger diameter and bigger span fra me，and so on.Test result indicated t hat the design requirements are satisfied and t he top drive meets the requirements for drilling and the sampling working.

top drive drilling equip ment；deep warer；marine exploration vessel

TE951

B

1001-3482（2014）06-0080-04

2014-01-08

国家科技重大专项“深水工程勘察船及配套技术”（2008ZX05027-004）

牟新明（1979-），女，山东栖霞人，工程师，硕士，2006年毕业于西安工业大学机电工程专业，主要从事钻采设备技术研究与设计工作，E-mail：x mmu9924＠126.co m。