[实用新型]高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置

说明书

技术领域

一种顶部驱动钻井装置，采用液压源作为动力并具有高转速范围和大扭矩范围，为可应用于油气井、页岩气井、煤层气井钻进的机电液一体的自动化钻井装备。

背景技术

二十世纪八十年代顶部驱动钻井装置问世。传统的转盘驱动钻井作业必须采用主动钻杆，存在起下钻拆装钻杆时不能及时驱动钻柱回转、不能快速实现钻井液循环、主动钻杆的长度限制了回次钻进深度、自动化程度不高等一系列弊端，由此导致钻井效率低下，井下事故发生几率大。

顶部驱动钻井装置可采用立根钻进，相对于转盘的接单根钻进大幅度缩短了钻杆接卸的辅助作业时间，可在任意高度上驱动钻柱，保证钻井液连续循环，有效防止了卡钻、蹩钻等井下事故的发生，即便井下出现异常，也可及时处理。

在满足钻井作业需求的同时，顶部驱动钻井装置通常配有钻杆上卸扣自动化操作部件，如背钳和管子操作机械手等，使其接卸钻柱简单快捷，有效降低工人劳动强度，避免人身事故发生。顶部驱动转井装置配有遥控内防喷器与手动内防喷器，可根据需要由井口人员在钻台面直接进行防喷器的启闭操作，也可由机长在司钻房内远程遥控，一方面在接卸钻柱过程中控制钻井液循环，另一方面可对井下压力进行调控，防止井喷事故发生。

顶部驱动钻井装置作为先进的钻井工程设备，在油气装备领域得到重视，经过不断的改良和发展，目前已在油气井工程中广泛应用。按照动力传动形式的不同，顶部驱动钻井装置有电驱动和液压驱动两大类型，电驱动顶驱可采用有直流或交流电机驱动，较为先进的电顶驱多采用交流变频调速，其主要优势在于电力的传输是通过电缆线来完成的，传输距离不受限制，在动力传输过程中功率损耗较小。其不足在于此类设备大多尺寸庞大且沉重，无论采用SCR还是DBS调速，其附属系统均显得复杂繁琐，综合效率低下，且不易检测和维护。

事实上早在电传动顶驱问世之初，采用液压传动及控制技术的顶驱设计理念已经提出，由于现役油气井钻机动力配置多采用柴油发电机组，而后整流并在直流母排上进行同期，进而采用逆变器分配给钻机的各个执行部件。电传顶驱即是在这种背景下应运而生的钻机组成部件之一。即便是电传动的顶驱，其自动化辅助作业机具也都采用液压传动，因此电顶驱还需在顶驱本体上配置独立的液压系统，以满足辅助作业机具的动作要求。如今，钻机动力配置逐步向多样化、结构化、合理化的方向发展，采用柴油机直接驱动液压泵构成液压动力源具有成本低、结构紧凑、性能优良的技术优势。伴随着现代机电液一体化技术的发展，应用先进机电液传动控制技术构建的全液压顶驱有望替代电传动顶驱成为新一代先进钻井装备的典型设备。

专利CN102037206A、US20090166090A1、CN102373879A所述之顶驱均为电驱动顶驱，其中专利CN102037206A采用与顶驱主轴同轴布置的行星减速机，减速机数量为1，可采用一个或多个马达驱动行星轮，借助于二级行星传动驱动主轴回转，结构紧凑但传动系复杂，由于无法保证行星减速机输入轴与主轴同轴度，需要在结构中设置输入端径向浮动轴承，本实用新型所采用的行星减速机输出轴与液压马达及顶驱主传动箱小齿轮轴同轴，均布在小齿轮轴所在的圆周上，其数量与液压马达及小齿轮轴的数量相同，为2～4台。专利US20090166090A1所述顶驱由电机驱动一级减速齿轮系，进而将转速和扭矩传递给顶驱主轴。专利CN102373879A所述顶驱无变速箱，由空心电机直接驱动顶驱主轴回转，并通过盘刹组件对顶驱主轴直接制动。上述几种电顶驱旋转头转动、吊环倾斜等辅助动作都是液压系统实现的，电顶驱的液压系统集成在其内部，包括驱动电机、液压泵、液压泵的机械传动结构、液压油箱及散热器。电驱动顶驱集成度较高，但结构复杂，体积庞大，质量大。

液压顶驱与电顶驱不同，顶驱主轴回转及其他辅助动作均由液压系统实现，其液压系统泵站一般安放于钻台面或地表。专利CN203321308U、专利CN201705200U所述之顶驱均为液压顶驱，液压马达与顶驱主轴直接相连，不通过变速箱等中间传动机构，即将液压马达的扭矩和转速直接传递到顶驱主轴上，传动结构与专利CN102373879A所述电顶驱类似；为实现钻井液循环，驱动马达为带有中空输出轴的空心液压马达。此种类型液压顶驱传动链简化，传动效率高，设备简单可靠，但是液压顶驱马达为专门的赫格隆空心低速大扭矩径向柱塞液压马达，驱动马达通用性差，成本提高；且存在顶驱转速调速范围、扭矩范围小的弊端，无法适应多种钻探工艺要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种高速大扭矩全液压顶部驱动钻井装置。