1.顶部驱动钻井系统概述；
1.1.顶部驱动钻井系统简介（图1）；
顶部驱动钻井装置是当今石油钻井的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果（交直流变频电驱系统和井下钻头增压系统）之一。 20世纪末期，美国、法国、挪威等国家研制应用的一种新型的钻井系统。现在已成为石油钻井行业的标准产品。它适用性极广，从2000米到9000米的井深都可以使用顶部驱动钻井系统；从世界钻井机械的发展趋势上看，它符合21世纪钻井自动化的历史潮流。现在，我国赴国外打井的队伍，如果没有安装该系统将不允许在投标竞争中中标，由此可见，顶部驱动钻井系统已经到了非用不可的地步。
所谓的顶驱，就是可以直接从井架空间上部直接旋转钻柱，并沿井架内专用导轨向下送进，完成钻柱旋转钻进，循环钻井液、接单根、上卸扣和倒划眼等多种钻井操作的钻井机械设备。
1.吊卡; 2.吊环; 3.转拒板手; 4.花健上防喷阀; 5.防喷阀启动器; 6.吊环倾料器; 7.吊环联接器; 8.限扭器; 9.旋转头; 10.钻井马达及传动箱总成; 11.水龙头; 12.游车大钩; 13.导向机; 14.平衡液缸; 15.S形管; 16.马达滑车总成; 17.水龙带; 18.流体管束; 19.主轴; 20.电缆束
图1
1.2.顶部驱动装进系统的研制过程；
钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生。二十世纪初期，美国首先使用旋转钻井法获得成功，此种方法较顿钻方法是一种历史性的飞跃，据统计，美国有63%的石油井是用旋转法钻井打成的。
但在延续百多年的转盘钻井方式中，有两个突出的矛盾未能得到有效的解决：其一、起下钻时不能及时实现循环旋转的功能，遇上复杂地层或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。其二、方钻杆的长度限制了钻进的深度（每次只能接单根），降低了效率，增加了劳动的强度，降低了安全系数。 二十世纪七十年代，出现了动力水龙头，改革了驱动的方式，在相当的程度上改善了工人的操作条件，加快了钻井的速度以及同期出现的“铁钻工”装置、液气大钳等等，局部解决了钻杆位移、连接等问题，但远没有达到石油工人盼望的理想程度。
二十世纪八十年代，美国首先研制了顶部驱动钻井系统TDS-3S投入石油钻井的生产。80年代末期新式高扭矩马达的出现为顶驱注入了新的血液和活力。TDS—3H、TDS—4应运而生，直至后来的TDS-3SB、TDS-4SB、TDS-6SB。
二十世纪九十年代研制的IDS型整体式顶部驱动钻井装置，用紧凑的行星齿轮驱动，才形成了真正意义上的顶驱，既有TDS到IDS，由顶部驱动钻井装置到整体式顶部驱动钻井装置，实现了历史性的飞跃。
2.与转盘钻井的对比；
顶驱钻井技术和转盘钻井技术相比，具有以下优点；
2.1.缩短建井周期；
采用顶驱钻井技术，可以节省转进时间的11%（或总时间的8%），节省时间主要来自：
（a）：采用接立根钻进方式，钻柱连接次数可减少2/3；
（b）:对于深度在300米以内井段起下钻，其起下时间可减少30分钟；
（c）:每次洗井与扩眼平均可节约30分钟，因为顶驱钻井可用整个立根进行反向扩眼;
（d）:不需要接卸方钻杆;
（e）:对于丛式井，一般不需要将立根卸成单根；
（f）:钻定向井时，需直接用接立根方式钻井，可减少测量次数；
（g蕲蛇酶注射液）:减少了钻井事故而节省大量钻井时间。
2.2.改善了钻井工人的工作条件；
顶部驱动钻井系统是自动化程度较高，操作使用比较方便，降低了劳动强度；取消了转盘等旋转设备，改善了作业条件，提高了操作安全性。
2.3.减少了钻井事故；
顶驱钻井系统在起下钻时，均可进行扩孔倒划眼等作业。此外，钻杆旋转可以大大减少岩石对钻柱的阻力，这样就能有效地避免卡钻，若钻大斜度的延伸井，要求钻具在井中能不断旋转，泥浆不断循环，以防卡钻，顶部驱动钻井系统能很好的满足这种技术要求。
采用顶部驱动钻井技术，不论钻井或起下钻作业中，在任何位置均可利用液控安全阀关闭钻杆内部通道。由于取消了方钻杆，防喷器可在任何位置关闭，使钻井系统的井控能力大
为提高。
2.4.降低钻井成本；
费用的节省只要来源于节省钻井时间、减少钻井事故及降低设备管材消耗，此外，顶驱钻井系统装有可遥控的钻杆内防喷阀，有助于降低淤泥费用。对于难钻的斜井，易钻的直井和斜井，以及大斜井，费用节省就更可观，一般来说，钻井成本越高，节省的费用也越多，如沙漠或海上钻井。尽管顶驱钻井系统的初始投资较高（平均每套需100万美元左右），但与采用顶驱钻井技术所带来的效益相比，还是非常值得的。
3.顶驱钻井系统的结构组成；
顶那驱动钻井系统由六部分组成:分别是钻井马达和水龙头总成;导向滑车总成;平衡系统；管子上卸装置;动力和控制系统;和辅助设备。
3.1.钻井马达和水龙头总成（图2）；
顶部驱动钻井系统使用一台735KW(1000马力)串激或并激直流钻井马达(如GE752直流马达)驱动主轴。马达转轴两端外伸,转轴靠集电环端装有止推轴承。转轴上端装有刹车轮毂,当气压为620kPa时,16VC600气胎在输出轴上可产生47464N.m静制动力矩。转轴下端装18齿小齿轮,96齿大齿轮借花键装于主轴,减速比为5.33:1,齿轮密封润滑。齿轮箱为厚钢板焊制而成,底部悬挂着管子上卸装置。马达及滑车重量通过连杆由水龙头支承。连杆连接在加长的水龙头提环销上(图3)。（图4）为标准的钻井马达冷却系统。钻井马达所需冷却空气在2.45kPa表压下为793m3/min。在钻井马达上装一台重型压力鼓风机,由另一台15马力、345r/min的防爆交流马达驱动。送风系统在钻井马达下行的最低点(离钻台6m高处)继续吸入空气。钻井马达与鼓风机之间用刚性通风管道相连。强制通风系统出口带有火花制止器, 防止来自井眼的可燃气体的爆炸。 在某些情况下,冷却空气的最低吸入高 1.接线盒; 2.水龙头；3.气刹车; 4.GE752度必须提高，此时可将通风系统的吸入 钻井马达; 5.齿轮(96齿、18齿); 6.主轴;
图2
tc轴承
图4
1.火花制止器; 2.钻井马达; 3.15马力防爆交流马达及离心式鼓风机; 4.水龙头; 5.刚性通风
管道; 6.马达接线盒
口装在游车上,用软管连接再下放至鼓风机。这样, 最低吸入高度离钻台约9m。
如果钻机不能保证提供安全的冷却空气,例如四周围起来的井架, 此时可将一台22kw(30马力)防爆交流马达和一台离心压力鼓风机安装在与猴台相同高度的井架上, 从井架外面吸入冷却空气, 并用一根软管送至钻井马达。
如需要, 也可使用闭合循环冷却系统。系统由两台管式热交换器和两台鼓风机组成, 安装在钻井马达两边, 热交换器由90/10镍铜合金管和集流管组成,它要求冷却液( 冷却淡水、海水或乙二醇)最小流量为1511/min (最高温度32℃)。系统亦需要表压为6.86kPa、流量为20m3/min的吹扫空气以保持系统内部压力高于外部, 防止任何外界空气的空气侵入。
3.2.导向滑车总成；
钻井马达导向滑车总成(图5)由两部分组成:压铸机料筒的设计
（1）滑车构架( 装有导向轮)。
（2）钻井马达构架( 支承钻井马达及附件)。
构架均由矩形断面管材焊制而成, 两部分由销子连接。导向滑车在导轨上运行,导轨间距1.57m,51524N.m的钻井扭矩在每根导轨上产生的负荷为32813N。
图5
1.钻井马达构架; 2.钻井马达耳抽安装支座; 3.S形管支座; 4.滑车构架; 5.销轴; 6.导向滚轮; 7.管束支座
3.3.平衡系统；
平衡系统(图6)在以顶部驱动钻井系统进行上卸扣时能防止钻杆接头丝扣损坏, 这是由系统提供的15.2cm缓冲冲程(与大钩相似)而实现的。需要平衡系统的原因是: 顶部 图6
驱动钻井系统可以不用大钩, 水龙头直接悬 1.水龙头提环; 2.大钩;
气钉挂在游车上; 在有大钩的情况下, 大钩的缓 铜锌合金3.梨形环; 4.连接环; 5.链;门栓
冲弹簧会被悬挂在其下的顶部驱动钻井系统 6.平衡液缸总成; 7.水龙头连杆
的重量所压坏。
平衡系统由两个液缸及金属附件、两个液压储能器和液压管汇组成。液缸一头连接水龙头的连杆, 另一头连接大钩吊环耳; 或者通过可调节的大断面链条直接连接在游车上( 在无大钩的情况下)。
两个液缸和位于导向滑车的钻井马达构架内的液压储能器相连。储能器充以液压油,保持预定压力。该压力由位于导向滑车上的平衡管汇调定。顶部驱动钻井系统所需全部液压能量都来自该管汇。管汇还带有操纵管子上卸装置转矩扳手的液压阀。
3.4.管子上卸扣装置；
管子上卸装置能提起和下放27m长的立根,并能将立根与钻井马达总成相连或分离。它由容量为500t的吊环联接器、转矩扳手、吊环、吊卡、遥控防喷阀启动器及吊环倾斜器组成如（图7）。
管子上卸装置可在井架内的任意高度上紧、卸开钻杆。卸扣扭矩可达81346N.m。
钻井时,管子上卸装置保持静止状态,与穿过其中的钻柱不发生接触。钻井马达通过主轴和保护接头旋转钻柱。转矩扳手与液压管线保持连通, 随时可获液压能量。随着立根向下钻进, 下放至钻台的吊卡由一固定台支承, 钻井马达和转矩扳手继续下放直至与吊卡接触。
座好卡瓦后, 挂合转矩扳手将钻井马达与钻柱卸开,并用钻井马达旋扣。开启吊卡并上提至二层台,扣入另一立根。上提立根,先在钻台上将立根插入钻柱, 再在井架内将主轴和保护接头插入立根。用钻井马达将上下两处的丝扣旋紧。上扣时, 在钻台上打上手动大钳,咬住钻柱。
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