顶部驱动钻井装置中旋转头设计

解文芳，陈悦军，胡海明，张　铠，张　磊，方力平，毕群泗，张学婧

（1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；2．大庆油田有限责任公司　采油工程研究院，黑龙江　大庆8163318）①

顶部驱动钻井装置中旋转头设计

解文芳1，陈悦军1，胡海明1，张铠1，张磊1，方力平1，毕群泗1，张学婧2

（1．甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州730070；2．大庆油田有限责任公司采油工程研究院，黑龙江大庆8163318）①

现有的顶部驱动装置中的旋转头主要有单负荷通道和双负荷通道2种传递形式。分析了2种结构形式的优缺点，采用回转支承和芯轴结构，设计了新的旋转头，具有单负荷通道的简单结构，又延续了双负荷通道的传递形式，能有效延长了主轴的使用寿命。

顶部驱动装置；旋转头；回转支承；芯轴

顶部驱动钻井装置是美国、法国、挪威等国近20年来相继研制成功的一种顶部驱动钻井系统。它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进、循环钻井液、接立柱、上卸扣和倒划眼等多种钻井作业，显著提高了钻井作业的能力和效率，并已成为石油钻井行业的标准产品，是当前钻井设备自动化发展阶段的突出成果之一［1-3］。目前，海洋钻井平台全部装备了顶驱，陆地石油钻机也越来越多地装备了顶驱。顶驱主轴是顶驱的核心部件，旋转头的优化设计能有效延长主轴的使用寿命［4-5］。

1　旋转头结构

顶驱装置的旋转头，又名吊环适配器。吊环、背钳和倾斜装置均悬持在旋转头上，旋转头内部设有多道液压油路，为了实现吊环和背钳的井口操作，旋转头需要围绕主轴旋转，同时保证液压油路的畅通和密封。

国内外顶部驱动钻井装置中，按传递载荷方式分为2种。

一种是以美国NOV（Varco）公司的顶驱为代表的单负荷通道结构［6］，如图1所示。顶驱主轴穿过芯轴中心孔，芯轴上方的轴肩悬挂在齿轮箱体上，主轴下方设有多道U型槽，回转体自重及其载荷通过分离式卡环传递到主轴。这种单负荷通道传递形式使得顶部驱动钻井系统无论处于哪种作业方式（起钻、下钻、钻进），其主轴及主承载轴承始终处于承载状态，相对降低了使用寿命，而且旋转头在工作中需经常浮动，操作工序复杂。

图1　Varco顶驱的旋转头结构

另一种是以北京石油机械厂生产的顶驱为代表的双负荷通道结构［7］，如图2所示。顶驱主轴穿过芯轴中心孔，芯轴上方的轴肩悬挂在齿轮箱体上，螺纹套通过螺纹与芯轴连接，回转体的载荷通过止推轴承和螺纹套传递到芯轴，最终全部传递到齿轮箱体。双负荷通道传递形式由于在旋转头中增加了承载轴承、上下扶正轴承，所有轴承采用强制润滑，各处润滑油的密封以及各油路在旋转体上的设置，使得旋转承载装置结构复杂，管线接头增多，可靠性差，维修不便，成本提高。

图2　北石顶驱的旋转头结构

综合分析2种旋转头结构的利弊，在现有双负荷通道旋转头的基础上，选用回转支承和自润滑轴套代替原有的扶正轴承，既保证了双负荷通道的优点，又使结构更集成简单，有效降低了制造安装和维修成本。

2　旋转头优化设计

沿用双负荷通道传递形式的旋转头的工作原理，即钻进时顶驱主轴承载，其他工况旋转头上悬挂的载荷通过芯轴传递到齿轮箱。旋转头主要由芯轴、齿轮、回转体、回转支承和分离式卡环等组成，如图3所示。芯轴上部的台肩悬挂在齿轮箱体上，齿轮和回转支承外圈均与回转体螺栓连接，液压马达带动齿轮旋转，带动回转体旋转。自润滑轴套和回转支承分别设置在回转体上、下部，保证芯轴的扶正。两件分离式卡环与芯轴通过多道U型槽连接，套筒与卡环螺栓连接以固定卡环。回转支承下表面落在2件分离式卡环的上表面，使回转体载荷通过卡环传递到芯轴并最终传递到齿轮箱体上。

图3　旋转头三维结构

3　技术特点

3．1 芯轴传递负载

芯轴材料选用AISI4330［8］，上部台肩悬挂在上部齿轮箱上，并用螺栓连接，将芯轴的自重传递到齿轮箱。平键连接芯轴和回转支承内圈，用来限定二者之间的周向运动。回转支承的下表面落在分离式卡环上，这种结构将回转支承承受的载荷通过分离式卡环和芯轴的U型槽传递到芯轴，最终传递到齿轮箱。分离式卡环和套筒的设计在解决载荷传递问题的同时，保证了结构的可安装性。同Varco的顶驱相比，在芯轴上开设U型槽比在主轴上开槽更大程度地保护了主轴。

3．2 简化扶正结构

芯轴的扶正机构对顶驱回转头的结构和制造安装成本起至关重要的作用。采用上部自润滑轴套、下端回转支承扶正芯轴，代替了传统的上、下采用扶正轴承的结构，如图4所示。自润滑轴套是以铜合金为基体，镶嵌有特殊配方的固体润滑剂和润滑油，在摩擦过程中逐渐释放润滑油和固体润滑剂，具有耐磨和自润滑的特点，自润滑轴套与回转体螺栓连接，与芯轴配合连接，按照旋转头常规井口操作的频率，自润滑轴套的使用寿命为3～4 a。回转支承作为滚动轴承的一种，自带油路，既便于安装，又避免了润滑油路和密封的复杂结构。

图4　旋转头剖面

3．3 液压油路的设计

旋转头上共布置8条油路，其中2条为IBOP直连油路，不经过回转体，直接在芯轴下方连接，其余6条油路出油口在回转体侧面，2条为背钳使用，2条倾斜装置使用，2条备用油路，如图5所示。回转体内表面有多条环形油槽，分别与芯轴上出来的油路连接，每个环形油槽之间有密封圈，6条环形油路最上方和最下方分别设置防尘密封圈以保证液压油的清洁。环形油槽的设计使回转体在旋转运动时，液压油供给和密封防尘均不受影响。

图5　旋转头液压油路

4　结论

1） 回转支承的应用，避免了轴承的润滑密封和安装困难的问题。回转支承内外圈分别与回转体和承载套连接，内圈被分体式卡环支撑，既实现了回转体的转动扶正，又平稳传递了载荷，且不需回转体浮动工作。

2） 金属自润滑套布置在回转体和芯轴之间，起扶正和自润滑的作用，与现有技术中的轴承设计相比，结构和安装得到优化。

3） 芯轴下端外表面U型槽的设计，相比在主轴上开设U型槽设计，解决了保护主轴及载荷传递的问题。

4） 新设计的旋转头能有效延长主轴的使用寿命，避免了使用扶正轴承时的润滑及密封问题，降低了回转体和芯轴的加工难度，减少了制造成本。

［1］ SY／T 6726—2008，石油钻机顶部驱动装置［S］．

［2］ 李继志，陈荣振．石油钻采机械概论［M］．东营：石油大学出版社，2000．

［3］ 杨致远，顾请献，彭生明．TDS9S顶部驱动装置［J］．河南石油，1998（1）：41-43．

［4］ 沈泽俊．采用顶驱钻井作业提高工作的安全性［J］．石油工业技术监督，2006（1）：45-47．

［5］ 王永勤．TDS11SA顶驱装置可靠性分析［D］．东营：石油大学，2009．

［6］ 步卫玲．国外钻机顶部驱动钻井装置的发展趋势［J］．石油机械，2009，37（6）：88-90．

［7］ 沈昭．国产顶部驱动钻井装置的研制与发展［J］．石油机械，2001，29（增刊）：92-94．

［8］ 刘鸿文．材料力学［M］．北京：高等教育出版社，2002．

Design for Rotating Head of Top Drive Drilling System

XIEWenfang1，CHEN Yuejun1，HUHaiming1，ZHANG Kai1，ZHANG Lei1，
FANG Liping1，BI Qunsi1，ZHANG Xuejing2
（1．Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China；2．Production Engineering Research Institue，Daqing Oilfield Company Ltd．，Daqing 163318，China）

The existing rotating heads of top drive drilling system are divided into single load path type and dual load path type．After analyzing the advantages and disadvantages of the two types of rotating head，a new type of rotating head is reasonable designed by adopting slewing bearing and mandrel．The new rotating head used dual load path but possessed simple structure，which can prolong the service life of the main shaft of the top drive drilling system．

top drive drilling system；rotating head；slewing bearing；mandrel

TE922

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．09．009

1001-3482（2015）09-0035-03