頂驅(qū)系統(tǒng)與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)的區(qū)別

頂驅(qū)系統(tǒng)包含有很多的鉆井平臺設(shè)備，也增加了傳統(tǒng)沒有的設(shè)備，頂驅(qū)系統(tǒng)的最終目標是將實現(xiàn)鉆井的高度自動化，將鉆井工人從危險而又繁重的作業(yè)中解放出來。比如我們說鉆機A裝備了頂驅(qū)系統(tǒng)，而鉆機B沒有裝備頂驅(qū)系統(tǒng)，那么鉆機A可以替代的鉆機B的設(shè)備功能就不單單是轉(zhuǎn)盤功能，還有其他的平臺設(shè)備（比如水龍頭）的功能。也就是說，鉆機A中的頂驅(qū)中內(nèi)置了一個異步電動機以及和它配合的旋轉(zhuǎn)機械，它可以代替轉(zhuǎn)盤的功能。所以，單純拿轉(zhuǎn)盤去與頂比較是沒有意義的，只是在電控上他們的電機同樣可以用變頻器動，可以相互替代（如果電機功率差的不是很大的話）。如果非要分析這個頂驅(qū)有什么好處，就必須非常了解鉆井的工藝。頂部驅(qū)動鉆井裝置有以下主要部件和附件構(gòu)成：l）水龍頭-鉆井馬達總成（關(guān)鍵部件之一）；2）馬達支架/導(dǎo)向滑車總成（關(guān)鍵部件之一）；3）鉆桿上卸扣裝置總成（關(guān)鍵部件之一，它是體現(xiàn)頂部驅(qū)動鉆井裝置最大優(yōu)點的設(shè)備）；4）平衡系統(tǒng)；5）冷卻系統(tǒng)；6）頂部驅(qū)動鉆井裝置控制系統(tǒng)；7）可選用的附屬設(shè)備。水龍頭+鉆井馬達總成=傳統(tǒng)鉆井中的水龍頭+轉(zhuǎn)盤，在傳統(tǒng)鉆機中水龍頭和轉(zhuǎn)盤是不相干的獨立設(shè)備；鉆桿上卸扣裝置總成=傳統(tǒng)鉆井中的液壓貓頭+吊環(huán)裝置+傾斜裝置+新增的其他設(shè)備（比如說內(nèi)置防噴器2臺、緩沖缸2個）；冷卻系統(tǒng)=傳統(tǒng)鉆機中的轉(zhuǎn)盤風(fēng)機及風(fēng)道系統(tǒng)；馬達支架/導(dǎo)向滑車總成、平衡系統(tǒng)為配合頂驅(qū)結(jié)構(gòu)而新增的系統(tǒng)；頂部驅(qū)動鉆井裝置控制系統(tǒng)也是為了適應(yīng)頂驅(qū)的集成控制而新增的系統(tǒng)。頂驅(qū)系統(tǒng)的工作方式無需方鉆桿，無需大勾。下面總結(jié)頂驅(qū)系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)盤鉆機系統(tǒng)的優(yōu)點再結(jié)合說明所涉及的工藝過程：1）立柱鉆井,節(jié)約了三分之二的接單根時間利用轉(zhuǎn)盤帶動方鉆桿鉆井時,受方鉆桿的限制,每鉆完9米左右就需要停泵接一個單根。而頂部驅(qū)動裝置實現(xiàn)了立柱鉆井,直接接上一根立柱就可以實現(xiàn)繼續(xù)鉆進,節(jié)約了三分之二的接單根時間。所謂立柱（也叫立根），是指事先就把幾根鉆桿接起來，如一根鉆桿9米左右，一根立根就可能有28米左右，由3根鉆桿連接而成，立根在二層臺上擺放和加接。所謂方鉆桿，是轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉆柱時才用的，因為普通鉆桿時圓的，轉(zhuǎn)盤卡不住，它是方的，可以卡在轉(zhuǎn)盤中心，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)鉆井就是轉(zhuǎn)盤帶動方鉆桿，方鉆桿再帶動鉆柱旋轉(zhuǎn)的。方鉆桿的長度一般為9米左右，所以每次最多也就鉆9米，就必須加鉆桿。但頂驅(qū)是直接有接鉆桿的接頭的，它添加鉆桿（應(yīng)該叫立根吧）的長度可以擴展2甚至3倍（看二層臺的高度）。2）下鉆、劃眼、倒劃眼防止卡鉆頂部驅(qū)動鉆井裝■具有使用28米立柱倒劃眼的能力，可在不增加起鉆時間的前提下，順利地循環(huán)和旋轉(zhuǎn)將鉆具提出井眼。在定向鉆井過程中，可以大幅度地減少起鉆總時間。所謂劃眼，就是為防止井壁坍塌使鉆柱由上而下的旋轉(zhuǎn)下鉆的過程。所謂倒劃眼，就是為防止井壁坍塌使鉆柱由下而上的旋轉(zhuǎn)起鉆的過程。也是由于不用方鉆桿的原因可使勞動強度減少。3）節(jié)約鉆井成本由于頂部驅(qū)動裝置可以及時方便的處理井下事故,所以它允許鉆井過程中使用較少、較便宜的鉆井液和添加劑,這對占鉆井成本近25%的泥漿藥品來講,無疑節(jié)約了不少鉆井成本。4）設(shè)備安全頂部驅(qū)動鉆井裝置采用馬達旋轉(zhuǎn)上扣,上扣平穩(wěn),并可從扭矩表上觀察上扣扭矩,避免上扣扭矩過盈或不足。鉆井最大扭矩的設(shè)定,使鉆井中出現(xiàn)蹩鉆扭矩超過設(shè)定范圍時馬達會自動停止旋轉(zhuǎn),待調(diào)整鉆井參后再正常鉆進,避免設(shè)備超負荷長時間運轉(zhuǎn)。5）實現(xiàn)了高度的自動化以保證操作人員的安全由于以前傳統(tǒng)鉆井系統(tǒng)中鉆臺上可以說是處處高壓，危機四伏，比較低的如鉆井液壓力20多Mpa，比較高的如防噴器壓力100多Mpa，由于有了高度的集成，大部分液壓設(shè)備（一般為30多Mpa）都可以在司鉆室（司鉆室為防彈玻璃）遠程操作（只要設(shè)備在頂驅(qū)上就已經(jīng)可以實現(xiàn)了），這樣就大大提高了操作人員的安全系數(shù)。6）為以后實現(xiàn)鉆井全面自動化和真正無人值守提供了可能，期待有這么一天?？偟膩碚f，頂驅(qū)以其鉆井工作方式的改變和設(shè)備高度集成為最大優(yōu)點，其余優(yōu)點都是衍生出來的。它與傳統(tǒng)系統(tǒng)比也有缺點：系統(tǒng)復(fù)雜，維護困難；太重容易增加鋼絲繩的斷列幾率；立根太長出現(xiàn)事故不好疏散。在電機驅(qū)動方面，它和轉(zhuǎn)盤沒有區(qū)別，可以互換。以自動化技術(shù)武裝國產(chǎn)精良頂驅(qū)――記北京石油機械廠北京石油機械廠是一個有著近五十年歷史的國有中二型企業(yè)，是國內(nèi)石油行業(yè)最早通過IS09000質(zhì)量體系認證的企業(yè)，目前她已經(jīng)成長為一個集開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)為一體的石油鉆采裝備專業(yè)制造企業(yè)，并且光榮的成為我國首臺交流變頻頂驅(qū)裝置的研制者，僅用短短四年半的時間，完成了100臺頂驅(qū)裝置的設(shè)計和銷售。北石廠自知面臨著既要在技術(shù)上保證頂驅(qū)產(chǎn)品的國際級水準，又要拉大與國內(nèi)同行間的競爭優(yōu)勢的重要使命。早在2003年實施國產(chǎn)頂驅(qū)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目伊始，北石廠便開始了與世界一流的自動化系統(tǒng)解決方案提供商一一西門子公司的長期合作關(guān)系，這一高瞻遠矚的戰(zhàn)略選擇最終成就了其國內(nèi)頂驅(qū)市場頭把交椅的至尊位置。作為我國首臺交流變頻頂驅(qū)裝置的研制者，北京石油機械廠（以下簡稱北石廠）無時無刻不在感覺著肩負的重要使命。一是面對愈發(fā)激烈的國際競爭，國產(chǎn)頂驅(qū)需要在不斷與國外知名品牌頂驅(qū)的“交手”中保持“技高一籌”，一是由于國內(nèi)石油鉆采設(shè)備制造廠商的快速發(fā)展，應(yīng)對石油鉆采設(shè)備日益嚴峻的價格壓力。北石廠既要在技術(shù)上保證頂驅(qū)產(chǎn)品的國際級水準，又要拉大與國內(nèi)同行間的競爭優(yōu)勢。圖1：北京石油機械廠概貌這家有著近五十年歷史的國有中二型企業(yè)，是國內(nèi)石油行業(yè)最早通過IS09000質(zhì)量體系認證的企業(yè)，先后取得美國石油學(xué)會APISPEC16D等證書許可權(quán)。目前擁有螺桿鉆具系列、地面防噴器控制裝置系列、井下單螺桿抽油泵系列、震擊器系列、頂部驅(qū)動鉆井裝置等產(chǎn)品，2007年度實現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值12億元，銷售收入8.82億元，是集開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)為一體的石油鉆采裝備專業(yè)制造企業(yè)。其中北石廠自主研制的交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置，擁有中國石油天然氣集團公司（CNPC）自主知識產(chǎn)權(quán)，采用了多項國家專利技術(shù)，填補了國內(nèi)空白。緊握石油鉆采的發(fā)展契機近年來我國對石油能源開發(fā)力度的加大和石油鉆采設(shè)備出口的急劇增加，極大地拉動了我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)的需求和發(fā)展。根據(jù)國家權(quán)威資料顯示，2006年1-10月，全國石油鉆采專用設(shè)備制造業(yè)共實現(xiàn)銷售收入244.24億元，同比增長75.12%,比去年同期快33.25%；利潤24.17億元，同比增長115.80%，比去年同期快40.82%。當前，我國是世界上極少數(shù)能成套生產(chǎn)1000-9000米鉆機的國家，且國產(chǎn)12000米的鉆機已經(jīng)面世。

圖2：2005-2007年度我國石油鉆采設(shè)備制造業(yè)銷售收入和利潤增長趨勢圖北石廠副廠長兼總工程師鄒連陽教授相當看好國內(nèi)的石油鉆采市場：“由于石油行業(yè)的發(fā)展前景良好，我廠每年的產(chǎn)值和利潤都在翻倍增長。石油行業(yè)良好的大環(huán)境同時帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，石油行業(yè)上游和下游的分布大體是上游以鉆井采油為主，下游以煉油化工為主。我們的產(chǎn)品覆蓋中石油、中石化所屬的陸上油氣田和中海油所屬海上油田，出口到40多個國家和地區(qū)，‘北石'和‘BPM'已成為國內(nèi)外石油界普遍認可的品牌。尤其在‘十一五'規(guī)劃綱要中，國家更加重視能源質(zhì)量、安全生產(chǎn)和大型機械制造業(yè)的發(fā)展，為我廠帶來了新的發(fā)展契機?！眻D3：北石廠副廠長兼總工程師鄒連陽教授“我們這種提供大型設(shè)備產(chǎn)品的廠商，最重要的是要靠質(zhì)量、靠可靠性、靠競爭能力以取得發(fā)展，同時頂住已有的價格壓力。用戶最基本的設(shè)備需求，比如鉆采24小時不能停機，通過考核每月停機的小時數(shù)來確定產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。我廠的設(shè)備能夠被全球各大國家廣泛采用，也是憑借著數(shù)年積累的技術(shù)、性能和可靠性口碑?！薄霸谖覐S提出的三化戰(zhàn)略——也就是科技化、數(shù)字化和國際化戰(zhàn)略的指引下。作為北京市數(shù)字化示范企業(yè)，自動化和信息化是我們非常關(guān)心的領(lǐng)域，我廠的數(shù)字化和信息化已經(jīng)涵蓋了研發(fā)、管理、制造和生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。全廠共有職工600余名，配備電腦300臺左右，平均每兩人一臺計算機的終端擁有率，是同行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的?！北笔瘡S總工程師辦公室沈克工程師也對企業(yè)取得的成績充滿了自豪。從首臺到百臺頂驅(qū)的質(zhì)變頂驅(qū)是頂部驅(qū)動鉆井裝置的簡稱，是當今油氣鉆井界的重大前沿技術(shù)與裝備，被譽為近代鉆井裝備的三大技術(shù)成果之一。曾幾何時，這種裝置只有美國、加拿大等少數(shù)幾個發(fā)達國家能夠生產(chǎn)。為了生產(chǎn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的頂部驅(qū)動裝置產(chǎn)品，北石廠自2003年開始研制交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置，并成功實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。鄒連陽教授介紹說：“頂驅(qū)是2003年1月立項，當時就想把這個項目的整體水平提高，包括設(shè)計手段的水平、設(shè)計理念的水平，我們希望用最先進的方法設(shè)計出最好的產(chǎn)品?！痹缭趯嵤﹪a(chǎn)頂驅(qū)產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)項目伊始，北石廠便開始了與世界一流的自動化系統(tǒng)解決方案提供商一一西門子公司的長期合作關(guān)系，共同開發(fā)石油鉆機交流變頻頂部驅(qū)動裝置，為北石廠提供西門子頂驅(qū)電控系統(tǒng)解決方案。目前西門子已順利交付上百套DQ70BS型、DQ90BSC型和DQ40BSC型交流頂部驅(qū)動裝置的電控系統(tǒng)。圖4：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置圖片及其應(yīng)用于石油鉆采現(xiàn)場頂驅(qū)中心電氣工程師謝海歡詳細闡述了頂驅(qū)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能：“頂部鉆進裝置是當今石油鉆井中前沿的技術(shù)和裝備，它節(jié)省鉆井時間20%~25%，并可預(yù)防卡鉆事故發(fā)生，尤其是鉆斜井和高難度定向井所帶來的顯著經(jīng)濟效果，也預(yù)示著它必將成為21世紀鉆井機械發(fā)展的重要方向。北石頂部驅(qū)動鉆井系統(tǒng)包括提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)動力系統(tǒng)、鉆柱自動化處理裝置、鉆柱內(nèi)防噴器、智能化控制系統(tǒng)等，是大功率、自動化程度高、集光機電液技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。頂驅(qū)系統(tǒng)在工作中隨游車一起移動，提供泥漿循環(huán)通道、鉆柱內(nèi)防噴器及其控制、鉆柱連接和拆卸等處理功能，為鉆柱提供旋轉(zhuǎn)動力。我們采用了西門子S7300PLC可編程控制器、PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線控制、光纖通訊、遠程監(jiān)控、人機操作界面(HMI)等諸多先進技術(shù)對系統(tǒng)進行全面智能控制，使整機智能化程度和可靠性明顯提高?！表椖勘笔疍Q70BS頂驅(qū)美國VARCOTDS-11SA頂驅(qū)加拿大TESCO500ECI頂驅(qū)名義鉆井深度7000m（41/2鉆桿）7000m（41/2鉆桿）7000m（41/2鉆桿）最大載荷4500KN4500KN4500KN系統(tǒng)總量12t12.25t3.3t北石DQ70BS頂驅(qū)600VAC50Hz600VAC50Hz600VAC50Hz額定功率400HPx2400HPx2450hpx2環(huán)境工作溫度—35°C~50°C—35C~50C—35C~50C

轉(zhuǎn)速范圍0?220r/min0?228r/min0?195r/min工作扭矩50KN.m（連續(xù)）50KN.m（連續(xù)）50KN.m（連續(xù)）最大扭矩75KN.m（間斷）73KN.m（間斷）74KN.m（間斷）速比10.5：1雙級減速10.5：1雙級減速18.61：1雙級減速數(shù)據(jù)傳輸(PROFIBUS)與光纜現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線(PROFIBUS)現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線(PROFIBUS)現(xiàn)場數(shù)據(jù)總線表1國內(nèi)外三種典型500噸頂部驅(qū)動裝置主要技術(shù)參數(shù)對比通過對比主要性能和技術(shù)指標(參見表1),北石頂驅(qū)均滿足超深井、復(fù)雜井的鉆井要求，所特有的背鉗技術(shù)、雙負荷通道技術(shù)以及光機電液信息技術(shù)一體化的綜合性能，使其性能更先進，質(zhì)量更可靠，作業(yè)更安全，整體上比國外產(chǎn)品更勝一籌。北石廠僅用短短四年半的時間，完成了100臺頂驅(qū)裝置的設(shè)計和銷售，使我國成為繼美國、加拿大、挪威等國家之后，國際上少數(shù)能夠規(guī)模生產(chǎn)頂驅(qū)鉆井裝置的國家之一。以自動化來武裝精良設(shè)備“以科技打造精良裝備”這幾個字除了顯示在北石廠的進門標語上，還深深的印刻在每個人的心里?！笆晃濉逼陂g，北石廠繼續(xù)承擔(dān)和參與了中石油集團重大科技專項“DQ120BSC頂驅(qū)裝置”研制項目助推我國頂驅(qū)產(chǎn)品的進一步提升。謝海歡提到了項目的最新進展：“目前DQ120BSC頂驅(qū)裝置已經(jīng)通過驗收，其中主要采用的自動化設(shè)備包括西門子S7300PLC，S120驅(qū)動系統(tǒng)，無線傳輸和HMI等方面的技術(shù)。從機械角度看，頂驅(qū)產(chǎn)品的進一步發(fā)展是加大工業(yè)扭矩，隨著鉆井深度的加大，裝置的功率也要提高，功能特性需要越來越可靠，設(shè)計體積減小、作業(yè)效率提升的同時保證更加穩(wěn)定。此外，防爆應(yīng)用也是一個重點。根據(jù)用戶的要求，我們會增強防爆設(shè)置，力求把產(chǎn)品做得更好。”圖5：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置生產(chǎn)車間“北石頂驅(qū)電控系統(tǒng)全部采用SIEMENS產(chǎn)品，由西門子工廠自動化工程有限公司SFAE設(shè)計、制造?！弊鳛槲鏖T子公司在系統(tǒng)集成方面的合作伙伴，SFAE工程部石油鉆機業(yè)務(wù)主管劉立偉先生談到：“頂驅(qū)電控系統(tǒng)實現(xiàn)了電控房與司鉆操作臺、本體控制站之間的智能通訊；方便了鉆機維護管理人員與司鉆集中監(jiān)控,具有很好的可視性和可讀性。同時使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大大簡化，后續(xù)功能開發(fā)空間很大，無論從設(shè)計、安裝、運行、維護，還是提高工效等方面，都體現(xiàn)出優(yōu)越性，為系統(tǒng)的全集成自動化奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

圖6：頂驅(qū)系統(tǒng)組成示意圖值得一提的是，頂驅(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是PROFIBUS-DP結(jié)構(gòu)，包括所有遠程站和變頻驅(qū)動系統(tǒng)，所有子站、整流器和逆變器都通過PROFIBUS協(xié)議與CPU進行通訊。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃?，CPU與本體站的通訊為光纜。其中CPU機架共使用的信號模塊為5個DI、2個DO、1個AO。數(shù)字輸入主要將系統(tǒng)的各路電源狀態(tài)輸入到PLC，供系統(tǒng)的自診斷及上位工控軟件WINCC顯示使用。在項目中使用的SIMATICS7-300系列PLC是西門子全集成自動化TIA系統(tǒng)中的控制核心，是其集成與開放特性的重要體現(xiàn)。応乍戕也霽 MAE柄心M瓷Q1圖7：交流變頻頂部驅(qū)動鉆井裝置測試臺北石頂驅(qū)在產(chǎn)品研發(fā)的同時，建立了具有國際先進水平的專用全功能、全載荷、全功率試驗裝置，建設(shè)了具有國際水準的現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)施，形成了一套先進的設(shè)計研發(fā)手段，研究開發(fā)了相關(guān)的鉆井工藝技術(shù)，形成了10余項國家專利。實現(xiàn)了年產(chǎn)百余套套頂驅(qū)的規(guī)模生產(chǎn)能力，組建了一支高水平的技術(shù)服務(wù)隊伍。

控軻蠱純余用孚腫汕昏時雀棵堆制露掃Profrbusj?裟禾?俎瑕出了祐進對翩控軻蠱純余用孚腫汕昏時雀棵堆制露掃Profrbusj?裟禾?俎瑕出了祐進對翩H（擔(dān)嚴生IS圖&西門子解決方案充分履行了北石廠對頂驅(qū)電控系統(tǒng)的需求LJ▲hJ子Ir 1JI談到與西門子公司的合作，劉立偉工程師說：“西門子的解決方案充分保證了北石廠對頂驅(qū)電控系統(tǒng)的需求，目前我們已經(jīng)交貨的電控系統(tǒng)將近200套?！敝x工程師的體會是：“頂驅(qū)是機電一體化的動力裝置,我們的傳動和控制部分采用了西門子的產(chǎn)品，在技術(shù)含量上占了很大的比重。西門子的產(chǎn)品在本土化方面做得很好，服務(wù)一流，雙方合作的非常愉快。尤其在最近發(fā)生的四川汶川大地震中，西門子工程師堅守在四川東部的川慶油田進行現(xiàn)場技術(shù)支持，勝利完成了川慶油田120頂驅(qū)項目，贏得了客戶的信賴，值得欽佩?！编u教授補充說：“我們和西門子的合作，是一個在較高層面上的大型產(chǎn)品的合作，和單一項目中的合作有很大不同。我們的頂驅(qū)產(chǎn)品會在連續(xù)的周期內(nèi)不斷批量生產(chǎn)，這就考驗了雙方一起克服困難、分享成功、同舟共濟的合作意愿。西門