本章将简述顶部驱动钻井装置的主要部件和选择件。各主要部件在用户服务手册中都有独立章节予以叙述，不同类型钻机专用设备在操作说明书里有叙述。

     顶部驱动钻井装置由以下主要部件和附件组成：

     l）水龙头-钻井马达总成（关键部件之一）；

     2）马达支架/导向滑车总成（关键部件之一）；

     3）钻杆上卸扣装置总成（关键部件之一，它是体现顶部驱动钻井装置{zd0}优点的设备）；

     4）平衡系统；

     5）冷却系统；

     6）顶部驱动钻井装置控制系统；

     7）可选用的附属设备。

{dy}节 水龙头-钻井马达总成

     水龙头-钻井马达总成是顶部驱动钻井装置的主体部件，见图2-l。它由水龙头、马达和一级齿轮减速器组成。钻井水龙头额定载荷是6500 kN；采用串激（或并激）直流电动机立式传动，驱动主轴。轴上端装有气动刹车（16VC600气离合器）。 当气压为0.62 MPa时，可产生47.5 kN?m的扭矩，用于马达的快速制动。这是由于主轴带动质量很大的钻具旋转时，旋转体转动惯量大，惯性则大，因此立即刹止，改变运动方式是不易的，故要有气刹车刹止才能克服惯性，制止钻具的旋转运动。马达轴下伸轴头装有小齿轮（Z=18），与装在主轴上的大齿轮（Z=96）相啮合，主轴下方接钻杆柱，{zd0}转速为 430 r/min。

     钻井时，当马达电枢电流为 1325 A时，间隙尖峰扭矩51.5 kN?m，而当电流为1050A时，连续运转扭矩为39.1kN?m，主轴转速可达180r/min。

     由上可见，水龙头-钻井马达总成包括下述主要部件：。

     1）钻井马达和制动器（气刹车）

     2）齿轮箱（变速箱）；

     3）整体水龙头；

     4）平衡器。

以下将分别对每个部件进行说明。

一、钻井马达

在TDS－3S型顶部驱动钻井装置上安装的是 1100/1300hp的并激直流钻井马达。马达配置双头电枢轴和垂直止推轴承。气刹车用于承受钻柱扭矩，避免马达停车并有利于定向钻井的定向工作。气刹车由一个远控电磁阀控制。如需要输出扭矩和齿轮传动比卡片，可参阅用户手册。

     二、齿轮箱（变速箱）总成

TDS－3S型顶部驱动钻井装置的单速变速箱由下述主要部件组成：

1）     96齿大齿轮；

2）     18齿大齿轮；

3）     上、下箱体；

4）     主轴/驱动杆；

5）     马达支座机罩。

TDS-3S变速箱是一个单速齿轮减速装置，齿轮减速比5.33：1。由于大齿轮的缘故，马达中心线与主轴中心线距离为579.1mm。

水龙头主止推轴承装在上齿轮箱内，后者固定于整体水龙头提环上。由主止推轴承支撑的主轴/驱动杆通过一个锥形衬套连接大齿轮。两个齿轮箱体构成齿轮的密封润滑油室，并支撑钻杆上卸扣装置。

     TDS-3S型顶部驱动钻井装置的油润滑系统为油泵强制供油系统，油泵由普通3～4hp电马达驱动、可使润滑油通过一个自由流动的小间隙滤网由油泵泵到齿轮箱底。

     齿轮箱是一台重型钢制壳体，在其底部有筋板散热。过滤了的润滑油通过主止推轴承、上轴承，再经齿轮间隙连续循环。油热交换器是水冷或空冷的。热交换器的类型依赖于钻井马达冷却系统的选择。油泵、油热交换器和油滤清器安装于传动箱外壳上，传动箱上开有玻璃窗可监视油面高度。

三、整体水龙头

整体水龙头的功能是整个钻井装置功能的集合。水龙头主止推轴承位于大齿圈上方的变速箱内部。主轴经锻制而成，上部台阶坐于主止推轴承上以支承钻柱负荷。龙头密封总成装在钻井马达上方由标准冲管、组合盘根、联管螺母组成。联管螺母使密封总成作为一个整体运动。水龙头密封总成工作压力为42MPa。盘根盒为快速装卸式，与普通水龙头的一致，只要松开上、下压紧盘根帽，即可很快装卸冲管和盘根。

四、马达冷却系统

马达冷却系统为风冷。冷却动力由两台5hp电动机提供。

第二节     导向滑车总成

导向滑车类似于海洋钻机上使用的滑车结构，它由导向滑车焊接框架和马达支架两部分组成。

     一、导向滑车焊接框架

     该框架上装有导向轮，并且当马达支架的支点位于排放立根的位置上时，可为起升系统设备运作提供必要的间隙空间。

     二、马达支架（底座架）

     该底座架包括支架与马达壳体总成间的一个支座，用以支承马达和其它所有附件。

     整个导向滑车总成沿着导轨与游车导向滑车（如果需要的话）一起运动。当钻井马达处于排放立根的位置上时，导向滑车则可作为马达的支承梁。

     导轨装在井架内部，对游车及顶部驱动钻井系统起导向作用，钻进时同时承受反扭矩。导轨间距1.57 m，当导轨上钻井反扭矩为565.4 kN?m时，每根导轨上承受载荷33.1kN。对于为给定的导轨系统设计的导向滑车结构，用类似于海洋钻机滑车和运动补偿器的矩形管和工字梁来制造。导轨有双轨及单轨两种，加拿大制造的还有浮动式的。导轨两端用支座固定。

     钻井马达总成通过马达壳体上的两支耳轴销与导向滑车相连。耳轴销允许马达总成在钻柱沿导轨上下运动时，二者保持良好对中。马达自身的重量由马达对中液缸来平衡，该液缸安装在马达齿轮箱和马达支架下横梁之间。钻井时液缸允许自动找正，而当钻具重量减小时还能维持马达沿垂直轴向不偏移。

     导向滑车适用于三种标准轨距，以便用户安装所需导轨时选定。

第三节 钻杆上卸扣装置总成

     钻杆上卸扣装置，它为顶部驱动钻井装置提供了提放28m长立柱、并用马达上卸立柱扣的能力。它由下列部件组成：

1）     扭矩扳手；

2）     内防喷器和启动器；

     3）吊环联接器和限扭器；

     4）吊环倾斜装置：

5）旋转转头。

     钻杆上卸扣装置具有84 kN?m（即60000ft?lb）的卸扣扭矩，故命名为PH-60型，可在井架任意高度卸扣。钻进时，钻杆上卸扣装置固定不动，不妨碍钻柱的起下。钻井马达通过主轴、内防喷器和保护接头将扭矩传给钻柱，驱动钻柱旋转。当使用钻杆吊卡起下钻时，吊环联结器将提升载荷转移到主轴上。

液路和气路均通过旋转头，旋转头允许吊卡自由旋转。自动复位机构使自由转动吊卡复位。

各型顶部驱动钻井装置均可使用额定提升能力为650t的PH-60型钻杆上卸扣装置。

以下就上面述及的几个主要部件进行介绍。

     1）扭矩扳手；

扭矩扳手总成提供卸开钻杆的手段。吊杆可悬挂于旋转头上，支撑扭矩扳手。扭矩扳手位于内防喷器下部的保护接头一侧，它的两个液缸连接在扭矩管和下钳头之间，下钳头延伸至保护接头公扣下方。

     钳头有一直径10 in的夹紧活塞，用以夹持与保护与接头相连接的钻杆母扣。夹持的标准接头直径范围为5.5～7.5in。为适应不同直径的接头还准备了可供用户选用的6.5或3.5 in 钻杆接头。扭矩扳手上卸扣期间，扭矩管上的母花键同上部内防喷器下方的公花键相啮合为液缸提供反扭矩。

     扭矩扳手启动后，自动上升2 in同内防喷器上的花键相啮合，在得到程序控制压力后，夹紧活塞夹住母接头。在上升至夹紧压力后，另一程序阀自动开启将压力传给扭矩液缸。扭矩液缸在 84 kN?m的{zd0}扭矩下可旋转25度，整个作业由司钻控制台上的电按钮自动控制完成。

     使用扭矩管升降机构上的一挡，夹紧装置可以升起。到能夹住保护接头为止，从而可根据需要上紧和卸开保护接头。换用二挡则可以卸开下防喷器或调节接头。手动阀控制上卸扣旋转方向。在上扣方式中，可以调节减压阀和预置上扣扭矩，但在卸扣方式时减压阀处于旁通状态。

     简而言之，液控扭矩扳手由连接在钻井马达上的吊架支承。卸扣时夹紧活塞（又称夹持爪）先夹紧钻杆母接头，该动作由夹紧液缸驱动完成。然后，与扭矩管相连的两个扭矩液缸动作，转动保护接头及主轴松扣（即井场上称为“崩扣”的瞬间操作）再启动钻井马达旋扣，完成卸扣操作。钻杆上卸扣装置另有两个缓冲液缸，类似大钩弹簧，可提供丝扣补偿行程125m。

     二、内防喷器和启动器

     内防喷器是全尺寸、内开口、球型安全阀式的。带花键的远控上部内防喷器和手动下部内防喷器形成内井控防喷系统。内防喷器采用6.5 in正规扣，工作压力为105 MPa。

     远控上部内防喷器是钻杆上卸扣装置的一部分。当上卸和时，扭矩扳手同远控上部内防喷器的花键啮合形成扭矩。

     顶部驱动钻井装置使用的下部内防喷器型式与上部内防喷器相同，但外表面没有经过特殊加工。二个内防喷器一直接在钻柱中，因此可随时将顶部驱动钻井装置同钻柱连接使用。

     在井控作业中，下部内防喷器可以卸开留在钻柱中。顶部驱动装置还可以接入一个转换接头，连接在钻柱和下部内防喷器中间。

扭矩扳手架上安装有二个双作用液缸。液缸推动位于上部内防喷器一侧的圆环。同液缸相连接的启动器臂（即启动手柄）与圆环相啮合；远控开启或关闭上部内防喷器。位于司钻控制台上的电开关和电磁阀控制液缸的动作。

三、吊环联结器、吊环和钻杆吊卡

吊环联结器通过吊环将下部吊卡与主轴相连，主轴穿过齿轮箱壳体，后者又同整体水龙头相连。吊环联结器额定负荷650 t，可配350 t至650 t提升能力的标准吊环。一般钻井配用3.35 m长350 t吊环和中开闩钻杆吊卡。为留出一定的空隙装固井水泥头，固井时要用4.57 m长吊环。

Varco BJ吊环是由优质、高抗拉强度的合金钢坯锻制而成。吊环配对使用，以保持{zj0}平衡效果。

     吊环联接器、承载箍和吊环将提升负荷传给主轴，在没有提升负荷的条件下，主轴可在吊环联接器内转动。吊环联接器可根据起下钻作业的需要随旋转头转动。Varco瓶颈状中开闩的钻杆吊卡承重350t，能适应恶劣的油田条件。该吊卡在连接吊环处的形状不同于常规吊卡，常规吊卡使用直吊环而 Varco BJ钻杆吊卡使所接吊环向二侧展宽，增大吊环间的宽度。中心距的加大主要是避免钻进时同其他设备相碰。

     非金属的防磨引鞋保护吊卡的内表面，使吊卡在钻进时同钻柱接触而不致损坏吊卡体。

     Varco钻杆吊卡均符合API标准，实验拉力为额定拉力的1.5倍。吊卡内表面经高频硬化达到{zg}的抗磨能力。运动部件都配有润滑油嘴，以延长使用寿命。

       四、吊环倾斜装置

     吊环倾斜装置上的吊环倾斜臂位于吊环联接器的前部，由空气弹簧启动。钻杆上卸扣装置上的2.7m长吊环在吊环倾斜装置启动器的作用下，可以轻松的摆动提放小鼠洞内的钻杆。启动器由电磁阀控制。该装置的中停机构便于井架工排放钻具作业。因此，吊环倾斜装置有两个主要功用：

1）     吊鼠洞中的单根；

2）     接立根时，不用井架工在二层台上将大钩拉靠到二层台上。

若行程为1.3m的吊环倾斜装置不能满足使用要求，则可使用行程为2.9m的长行程吊环倾斜装置，同时配备双空气弹簧。

     五、旋转头总成

     顶部驱动钻井装置旋转头是一个滑动总成。当钻杆上卸扣装置在起钻中随钻柱部件旋转时，它能始终保持液、气路的连通。

     固定法兰体内部钻有许多油气流道，一端接软管口，另一端通往法兰向下延伸圆柱部分的下表面。在旋转滑块的表面部分有许多密封槽，槽内也有许多流道，密封槽与接口靠这些流道相通。当旋转滑块就位于固定法兰的支承面上时，密封槽与孔眼相对接，使滑块和法兰不论是在旋转还是任一固定位置始终都有油气通过。

     旋转头可自由旋转。如果锁定在24个刻度中任意刻度位置上，那么通过凸轮顶杆和自动返回液缸对凸轮的作用，旋转头会象标准钻井大钩一样自动返回到原预定位置。

第四节 平衡系统

平衡系统总成如图所示，它是顶部驱动钻井装备特色设备之一。它的主要作用是防止上卸接头扣时螺纹损坏，其次在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，这依赖于它为顶部驱动钻井装置提供了一个类似于大钩的152mm的减震冲程。这一点之所以必要，是因为使用顶部驱动钻井装置后没有再安装大钩了；退一步说，即使装有大钩，它的弹簧也将由于顶部驱动钻井装置的重量而吊长，起不了缓冲作用。

图中所示的平衡系统包含两个相同油缸及其附件，以及两个液压储能器和一个管汇及相关管线。油缸一端与整体水龙头相连，另一端或者与大钩耳环连接（如图）或者直接连到游车上。这两个液缸还与导向滑车总成马达支架内的液压储能器相通。储能器通过液压油补充能量并且保持一个预设的压力，其值由液压控制系统主管汇中的平衡回路预先设定。故这种装置又称为液气弹簧式平衡装置。

     该管汇是整个装置的动力源，也包括向操纵钻杆上卸扣装置扭矩扳手部分的液压阀提供动力。

第五节 顶部驱动钻井装置控制系统

     顶部驱动钻井装置的控制系统为司钻提供了一个控制台，通过控制台实现对顶部驱动钻井装置自身的控制。控制系统部件有：

1）     司钻仪表控制台；

2）     控制面板；

     3）动力回流。

     同转盘钻井一样，顶部驱动钻井装置由可控硅供电作业。控制面板含有程序控制器，用于逻辑和报警功能转换。建立程序控制器模拟必要的逻辑功能是安装可控硅装置的需要。

     司钻控制台和仪表由扭矩表、转速表、各种开关和指示灯组成。顶部驱动钻井装置可实行的基本控制功能是：

l）吊环倾斜；

2）远控内防喷器；

3）马达控制；

4）马达旋扣扭矩控制；

5）紧扣扭矩控制；

6）     转换开关。

钻进时的转速、扭矩和旋转方向由可控硅控制台控制。可控硅控制台装有下列情况指示灯；

1）     马达控制；

2）     远控内防喷器；

3）     马达风机。

第六节 钻杆、立根、套管处理装置

       顶部驱动钻井装置的使用带来一个新的矛盾，即井架内部可利用空间变小，使得大量钻杆的排放成为突出问题，直接影响到顶部驱动钻井装置效用的发挥。配合顶部驱动钻井装置的使用，高效，安全地处理各类管材钻具，它的工作量是不容忽视的。现在发展了一系列辅助装置，例如Varco公司的钻杆摆放装置（PRS）， 钻杆处理机（PHM），钻杆自动夹取、堆放装置（PLS），钻杆传输装置（PCS），钻杆铺放装置（PDM）等。它们与钻台设备诸如铁钻工等相配合，完成各类管状钻具、钢管等的搬移、堆放任务，可以xx实现自动钻井。

这里仅就自动钻杆排放装置Pipe   Racking   System（PRS）加以简略介绍。

例如PRS-5R型钻杆排放装置，高约47m．重6.12t。上导板可沿指梁处一横梁移动，两个强力交流驱动电动机，可驱动上、下机械臂围绕立柱转动，亦可上下移动。起升臂与上、下机械臂的配合动作，利用臂端的张合卡互可抱紧立根，将其从井的中心移开或上下移动，指梁平衡排放器则将立根排放整齐。该装置可由钻杆处理操作手单人远控操作，实现立根的排放。安全性好、效率高，这一点尤其受到腰缠安全带在二层台来回走动，经常拉动、堆放立根作业的井架工的欢迎。它的安装简单，维护费用低，操作方便，有利于钻杆的起下钻，是新一代的自动电驱钻杆排放装置的代表。