一、石油鉆機的組成

1．石油鉆機的組成

目前，世界各國通用的常規鉆機是一套大型的綜合型機組，整套鉆機是由動力系統(為整套鉆機提供能量的設備)、傳動系統(為工作機組傳遞、輸送、分配能量的設備)、工作系統(按工藝的要求進行工作的設備)、控制系統(控制各系統、設備按工藝要求工作的設備)和輔助系統(協助主系統工作的設備)等若干系統和相應的設備所組成。

 

根據鉆井工藝中鉆井、洗井、起下鉆具各工序以及處理鉆井事故的要求及現代化技術水平的條件，整套石油鉆機必須具備下列八大系統設備，如圖2-1所示。

圖2-1 鉆機組成示意圖

1―人字架；2―天車；3―井架；4―游車；5―水龍頭提環；6―水龍頭；7―保險鏈；8―鵝頸管；9―立管；10―水龍帶；11―井架大腿；12―小鼠洞；13―鉆臺；14―腳架；15―轉盤傳動；16―填充鉆井液管；17―扶梯；18―坡板；19―底座；20―大鼠洞；21―水剎車；22―緩沖室；23―絞車底座；24―并車箱；25―發動機平臺；26―泵傳動；27―鉆井泵；28―鉆井液管線；29―鉆井液配置系統；30―供水管；31―吸入管；32―鉆井液池；33―固定鉆井液槍；34―連接軟管；35―空氣包；36―沉沙池；37―鉆井液槍；38―振動篩；39―動力機組；40―絞車傳動裝置；41―鉆井液槽；42―鉆井絞車；43―轉盤；44―井架橫梁；45―方鉆桿；46―斜撐；47―大鉤；48―二層平臺；49―游繩；50―鉆井液噴出口；51―井口裝置；52―防噴器；53―換向閘門

(1) 旋轉系統設備：為了旋轉鉆具破碎巖石，鉆機必須配備鉆盤、水龍頭等地面旋轉設備，以及方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、鉆頭等井下旋轉設備。

(2) 循環系統設備：為了隨時清除井底已破碎的巖屑和正常連續鉆進，鉆機必須配備有全套洗井液的循環設備。如鉆井泵、地面管匯、鉆井液和鉆井液槽等，有的鉆機還配備有鉆井液凈化設備、調配鉆井液設備。在渦輪鉆井中它還擔負給渦輪鉆具傳遞動力的任務。

(3) 起升系統設備：為了起下鉆具、更換鉆頭、控制鉆頭送進、下套管等，鉆機還必須配備一套起升系統設備，它主要由以下設備組成：主絞車、輔助絞車(或貓頭)、輔助剎車、游動系統(包括鋼絲繩、天車、游動滑車和大鉤)以及懸掛游動系統的井架組成。另外，還有起下鉆操作使用的工具及設備(吊環、吊卡、卡瓦、大鉗、立根移動機構等)。

(4) 動力驅動系統設備：為了使工作機獲得足夠的動力進行運轉，必須配備動力設備及其輔助設備，如柴油機及其供油設備，或交流、直流電動機及其供電、保護、控制設備等。

(5) 傳動系統設備：傳動設備的主要任務是聯接發動機與前三個工作機組，把發動機的能量傳遞并分配給各工作機。為了解決發動機與工作機二者之間存在的運動特性上的矛盾，要求傳動系統應包括減速、并車、倒車、變速機構等。根據能量傳遞形式與傳動所用的介質不同，傳動系統又可分為：機械傳動、液力傳動(渦輪傳動)、液壓傳動等。

(6) 控制系統設備：為了指揮各機組協調進行工作，在整套鉆機中還裝備各種控制設備，如機械控制設備(手柄、踏板、杠桿等)、氣動或液動控制設備(開關、調壓閥、工作缸等)、電控制設備(開關、變阻器、啟動器、繼電器等)以及集中控制臺和觀察記錄儀表等。

(7) 機底座：包括鉆臺底座、機房底座和鉆井泵底座等，車裝鉆機的底座就是汽車或拖車底盤。為了鉆機的安裝、運移方便，重型鉆機多采用整體安裝托運底座，即將動力、傳動機構和絞車等設備都安裝在一起進行托運。鉆臺上要裝井架和轉盤以及絞車的一部分或全部，鉆臺下要能容納井口裝置，所以底座需要一定的高度和面積。

(8)輔助設備：成套鉆機還必須具備供氣設備、供水設備、鉆鼠洞設備、井口防噴設備、輔助發電設備及輔助起重設備，在寒冷地區鉆進時還需要配備保溫設備。

 

2．鉆機各主要部件的相互關系

整套鉆機除了地面設備外，還要有很多井下設備和部件，將這些設備部件按工藝要求安裝連接，才成為一套完整的鉆機。圖2-2所示是一臺轉盤旋轉鉆機各主要部件的相互關系圖。

圖2-2 轉盤鉆機的各系統和部件

以上便是適應鉆井工藝的要求而形成的鉆機各系統和部件，它們有機地結合成一整套鉆機，協調地完成生產任務。

二、鉆機的類型及特點

世界各國的各大石油公司、各鉆機制造廠家按照各自的特點，對石油鉆機的分類不盡相同。一般來說，可按以下方法對石油鉆機進行分類。

1．按鉆井方法分類

(1)沖擊鉆機：如鋼繩沖擊鉆機(也稱為頓鉆鉆機)、地面發動振動鉆機、爆炸鉆井鉆機、電火花鉆井鉆機。

(2)地面發動旋轉鉆機：如轉盤旋轉鉆機(也成為常規鉆機，是目前世界各國通用的鉆機)、頂部驅動水龍頭旋轉鉆機等。

(3)井底發動鉆機：如井底沖擊振動鉆具、井底旋轉鉆具(渦輪鉆具、螺桿鉆具、電動鉆具)。

2．按驅動鉆頭旋轉的動力來源分類

(1)轉盤驅動旋轉鉆機：也就是用轉盤驅動鉆具旋轉的常規鉆機。

(2)井底驅動旋轉鉆機：即轉盤旋轉鉆機加井底動力鉆具所組成的鉆機。

(3)頂部驅動旋轉鉆機：即轉盤旋轉鉆機加頂部驅動鉆井裝置所組成的鉆機。

3．按驅動設備類型分類

(1)柴油機驅動鉆機：以柴油機為動力通過機械傳動(柴油機驅動—機械傳動)或液力傳動(柴油機驅動—液力傳動)的鉆機。

(2)電驅動鉆機 ：電驅動鉆機又可分為直流電驅動鉆機和交流電驅動鉆機。直流電驅動鉆機是指工作機用直流電動機驅動。用柴油機或燃汽輪機帶動發電機供電，或從電力網供電。這種型式的鉆機適用于海上鉆井。

交流電驅動鉆機包括：交流發電機(或工業電網)—交流電動機驅動鉆機和正在發展中的交流變頻電驅動鉆機，即交流發電機—變頻調速器交流電動機驅動鉆機o

4．按工作機分組分類

(1)統一驅動鉆機：絞車、轉盤及鉆井泵三個工作機由統一動力機組驅動。統驅鉆機的功率利用率高，發動機有故障時可以互濟，但其傳動復雜，安裝調整費事，傳動效率低。

(2)單獨驅動鉆機：各工作機單獨選擇大小不同的發電機驅動。單驅鉆機多用于電驅動，其傳動簡單、安裝容易，但功率利用率低、設備笨重。

(3)分組驅動鉆機：動力的組合介于前兩者之間，將三個工作機分成兩組，絞車、轉盤兩個工作機由統一動力機驅動，鉆井泵由另一動力機組驅動。與單獨驅動鉆機相比，這種鉆機的功率利用率較高，傳動較簡單，還可將兩組工作機安裝在不同高度和分散的場地上。

5．按主傳動副類型分類

(1)V帶鉆機：V帶鉆機是指采用V形膠帶作為鉆機主傳動副，多臺柴油機并車、各工作機組及輔助設備的驅動及鉆井泵的傳動均采用V帶完成o

(2)鏈條鉆機：鏈條鉆機是指采用鏈條作為主傳動副，2～4臺柴油機用鏈條并車，統一驅動各工作機組，用V帶傳動驅動鉆井泵。

(3)齒輪鉆機：齒輪鉆機采用齒輪為主傳動副，配合萬向軸驅動絞車和轉盤，或采用圓錐齒輪—萬向軸并車驅動絞車、轉盤和鉆井泵。

6．按鉆井深度分類

• (1)淺井鉆機：鉆井深度在1500m以下。
• (2)中深井鉆機：鉆井深度為1500-3000m。
• (3)深井鉆機：鉆井深度為3000—5000m。
• (4)超深井鉆機：鉆井深度為5000-9000m。
• (5)特深井鉆機：鉆井深度在9000m以上。

7．按使用地區和用途分類

(1)陸地鉆機：也稱為常規鉆機，用于正常陸地勘探、鉆井。

(2)海洋鉆機：用于海上鉆井平臺。

(3)淺海鉆機：用于0~5m水深或沼澤地區鉆井。

(4)叢式井鉆機：用于在一個井場或平臺上鉆出若干口井。

(5)沙漠鉆機：用于在沙漠地區勘探、鉆井。

 

(6)直升機吊運鉆機：用于將鉆機吊運到偏遠的山地、叢林、島嶼或沙漠腹地等無地面公路，不適合地面行駛的油區鉆井。

(7)小井眼鉆機：用于鉆探井口直徑較小的油、氣井，井眼直徑為85．73mm，這種鉆機由于井場面積小、井眼小、鉆屑少，不需廢泥漿池，所需裝機功率低，因此，不僅可大幅度降低鉆井成本，而且安全、環保。

(8)柔桿鉆機：柔桿鉆機是一種新型的鉆探設備。它包括以環鏈牽引器為主體的地面設備、柔桿及儲存裝置、鉆探電機三大部分。這種鉆機是用電動機作為井底動力直接帶動鉆頭旋轉切削巖石和割取巖芯。用連續的柔性鉆桿(簡稱柔桿)代替普通的剛性鉆桿，由若干液壓夾持器組成的環鏈牽引器夾持柔桿實現連續起下鉆。

石油鉆機均具有如下明顯的特點：

• 第一，傳動效率低，機械化自動化程度低；
• 第二，鉆井操作是不連續的，其中輔助生產的起下作業耗費能量頗大；
• 第三，工作地區廣闊(平原、山地、沙漠、沼澤、海洋)，自然環境惡劣(風、沙、雨、雪)，野外流動作業，因此，要求鉆機有很強的適應地區、環境的能力和便捷的運移性能。

三、地面旋轉設備

地面旋轉設備是旋轉鉆機的重要組成部分，其主要功用是旋轉鉆柱、鉆頭、破碎巖石、形成井眼。它主要包括轉盤、水龍頭和頂驅鉆井系統三大部分。

（一）轉盤

轉盤是旋轉鉆機的關鍵設備，也是鉆機的三大工作機之一。轉盤實質上是一個大功率的圓錐齒輪減速器。在鉆進過程中，轉盤的作用是把發動機的動力通過方瓦傳給方鉆桿、鉆桿、鉆鋌和鉆頭，驅動鉆頭旋轉，從而實現進尺，鉆出井眼。在起下鉆和下套管過程中，需要把管柱卡在轉盤上進行卸扣。因此，始終保持轉盤處于良好的工作狀態，是快速優質鉆井的必備條件之一。

1．鉆井工藝對轉盤的要求

(1)具有足夠大的扭矩和多擋的轉速。轉矩用于轉動鉆柱帶動鉆頭破碎巖石；高擋轉速用于快速鉆進，低擋轉速是為了滿足打撈、對扣、倒扣、造扣或磨銑落于井底的刮刀片、牙輪或其他物件等特殊作業的要求。

(2)具有足夠抗震、抗沖擊和抗鉆井液腐蝕的能力，尤其是上軸承應有足夠的強度和壽命，并要求其承載能力不小于鉆機的最大鉤載。

(3)能正、反轉，且具有可靠的制動機構。

(4)轉盤中心孔的直徑應能滿足通過最大號鉆頭。但也不能過大，否則會造成鉆盤體積過大和井口操作不便，一般在525~600mm之間。

(5)轉臺面直徑應根據中心孔直徑、操作是否方便及吊卡尺寸等因素確定，一般以~,1000mm左右為宜。

(6)在結構上應具有良好的密封、潤滑和散熱性能，以防止外界的泥漿、污物進入轉盤內部損壞主輔軸承。

2．轉盤的結構組成

圖2-3 ZP-700轉盤

1―殼體；2―大圓錐齒輪；3―主軸承；4―轉臺；5―大方瓦；6―大方瓦與方補心鎖緊機構；7―方補心；8―小圓錐齒輪；9―圓柱滾動軸承；10―套筒；11―快速軸（水平軸）12―雙列向心球面滾子軸承；13―輔助軸承；14―調節螺母。

圖2—3所示是我國深井鉆機中廣泛使用的ZP—275(in)轉盤，也稱為ZP—700型轉盤，它主要由水平軸總成、轉臺體總成、主輔軸承、密封及殼體等部分組成。

(1)水平軸總成：水平軸總成主要由鏈條驅動的動力輸入鏈輪或萬向軸驅動的連接法蘭、水平軸、小錐齒輪、軸承套和底座上的小油池組成。水平軸由兩副軸承支承，靠近小錐齒輪的軸承是向心短圓柱軸承，它只承受徑向力�？拷鼊恿�輸入端的軸承是雙列調心球面滾子軸承，它主要承受徑向力和不大的軸向力。在水平軸的另一端裝有雙排鏈輪或連接法蘭。小錐齒輪與水平軸裝好后，與兩個軸承一起裝入軸承套中，再將軸承套連同套內的各件一起裝入殼體。大、小錐齒輪之間的間隙可通過軸承套與殼體之間的調整墊片予以調節。

(2)轉臺總成：轉臺總成主要由轉臺迷宮圈、轉臺、固定在轉臺上的螺旋齒大錐齒輪、主軸承、輔軸承、下座圈、大方瓦和方補心等組成。轉臺體如同一根又粗又短的空心立軸，借助于主軸承座將螺旋齒大錐齒輪安裝在殼體上。轉臺迷宮圈(兩道環槽)裝在轉臺外緣上，與殼體上的兩道環槽形成動密封，防止鉆井液及污物進入轉臺并損壞主軸承。轉臺是一個鑄鋼件，其內孔上部為方形，以安裝方瓦，下部為圓形。

(3)主、輔軸承：主軸承起承載和承轉作用。靜止時，承受最重管柱重量；旋轉工作時，承受主要由方鉆桿下滑造成的軸向載荷及圓錐齒輪傳動所形成的徑向載荷。輔助軸承起徑向扶正和軸向防跳的作用。

(4)轉盤的制動機構在轉盤的上部裝有制動裝置，以控制轉臺的轉動方向。制動裝置由兩個操縱桿、左右掣子和轉臺外緣上的26個燕尾槽組成。當需要制動轉臺時，扳動操縱桿，將左右掣子之一插入轉臺26個燕尾槽的任意一個槽中，即實現轉盤制動。當掣子脫離燕尾槽時，轉臺即可自由轉動。

(5)殼體：殼體相當于轉盤的底座，它由鑄鋼件和板材焊接而成。殼體主要是作為主輔軸承及輸入軸總成的支撐，同時，也是潤滑錐齒輪和軸承的油池。其內腔對著小錐齒輪下方的殼體上形成半圓形大油池，用以潤滑主軸承，在水平軸下方的殼體上形成小油池，用以潤滑支撐水平軸的兩個軸承。

3．轉盤的使用及維護保養

(1)使用前的準備與檢查

轉盤在使用前應做如下準備工作：

• ①對于新轉盤應先在油池內加足工業齒輪潤滑油，油面應達到油標尺最高位置；
• ②對鎖緊裝置上的銷軸注入潤滑脂；
• ③在轉盤開動前，鎖緊裝置上的操縱桿或手柄應在不鎖緊位置，以防止轉盤啟動時損壞轉盤內的零部件，制動塊和銷子轉動應靈活，制動應可靠；
• ④檢查轉臺與方瓦、方瓦與補心是否鎖緊；
• ⑤檢查快速軸上的彈簧密封圈是否可靠；
• ⑥檢查轉盤油池和軸承溫度是否正常；
• ⑦檢查鏈輪是否有軸向位移，如果有，則用螺栓固緊軸端壓板，然后裝上轉盤鏈條護罩或萬向軸護罩，未裝上護罩前不得使其運轉；
• ⑧使轉盤平穩啟動，慢慢合上氣閥手柄或轉盤離合器，檢查轉臺是否跳動，并檢查圓錐齒輪的嚙合情況，檢查聲音是否正常，應無咬卡和撞擊噪聲。

(2)工作中的檢查

工作中需進行如下檢查：

• ①每班應檢查轉盤的固定情況，檢查是否平、正、穩和牢固；
• ②檢查運轉的聲音是否正常，動力輸入軸端的彈簧密封圈密封是否可靠；
• ③每班檢查油池內油面是否符合要求，必須以停車5mb后檢查的油位為準，檢查油的清潔情況，如油臟要及時換油，檢查油池和軸承溫度是否正常；
• ④嚴禁使用轉盤崩扣，防止損壞齒輪牙齒；
• ⑤鉆進和起下鉆過程中應避免猛憋、猛頓，以防因此而損壞零件；
• ⑥鉆臺和轉盤面要保持清潔，油標尺和黃油嘴要上緊；
• ⑦方補心不能高于大方瓦面3一，大方瓦與轉臺面要齊平；
• ⑧當轉盤承受較大沖擊載荷后(如卡鉆、頓鉆)應注意檢查運轉聲音有無異常；
• ⑨定期檢查輸入軸端的萬向軸連接法蘭(或鏈輪)是否有軸向竄動，如有，應擰緊軸端壓板螺釘；
• ⑩定期檢查下座圈的連接螺栓是否松動。

(3)潤滑的檢查

• ①錐齒輪副和所有軸承均采用飛濺潤滑，潤滑油每2個月更換1次，每周檢查1次油的清潔情況，油臟應隨時更換，換油時應使用輕質油徹底清洗油池，然后注入工業齒輪油潤滑；
• ②防跳軸承和鎖緊裝置銷軸應每周潤滑1次，用油槍注入鋰基潤滑脂。

（二）水龍頭

水龍頭是鉆機的旋轉系統設備，又起著循環鉆井液的作用。它懸掛在大鉤上，通過上部的鵝頸管與水龍帶相連，下部與方鉆桿連接。它一方面要導輸來自鉆井泵的高壓鉆井液，將其引入旋轉鉆井柱內注入井底洗井，另一方面還要承受井內鉆具的全部重量，懸掛鉆柱并保證鉆具自由旋轉。因此，水龍頭是旋轉鉆機中提升、旋轉、循環三大工作機中相交匯的關鍵設備，是連接旋轉系統、起升系統和循環系統的紐帶。

1．鉆井工藝對水龍頭的要求

(1)水龍頭的各承載件(如中心管、主軸承、提環、提環銷等)要有足夠的強度、剛度和壽命，并且要求連接可靠，其承載力應不小于鉆機的最大鉤載。

(2)鵝頸管、沖管(鉆井液管)、中心管內徑應使水力損失達到最低程度，并具有耐高壓、耐磨、防腐蝕的特性。管內鉆井液流速不應超過5-6m／s。

(3)水龍頭的外型應圓滑無尖角，尺寸大小適中，易于在井架內部空間通過o

(4)水龍頭上端與水龍帶連接處能適合水龍帶在鉆進過程中的伸縮彎曲。水龍頭下端有反扣的鉆具絲扣以便與方鉆桿上端反扣連接，并且要求連接可靠，能承受高壓，上、卸扣方便。

(5)有可靠的高壓鉆井液密封系統，且耐壓、耐磨、耐腐蝕和拆卸迅速、方便。能夠自動補償工作中密封件的磨損。

(6)水龍頭的易損件如沖管、沖管盤根、機油盤根等應耐磨，壽命長，且易于檢查、維修并便于更換。

2．水龍頭的代號

水龍頭的代號標識如下：

 

3. 水龍頭的結構組成

普通水龍頭的結構主要由“三管”、 “三(或四)軸承”、“四密封”組成。“三管”即鵝頸管、沖管、中心管； “三軸承”即主軸承、上扶正軸承、下扶正軸承，所謂四軸承結構，即除上述三軸承外，還有一個防跳軸承； “四密封”即上、下鉆井液密封和上、下機油密封。下面以較典型的SL—450水龍頭為例，介紹水龍頭的結構組成及特點。

 

1一鵝頸管；2—上蓋；3一浮動沖管總成；4一泥漿傘；5—上輔助軸承；6—中心管；7一殼體；8—主軸承；9-密封墊；10—下輔助軸承；11ー下蓋；12一壓蓋；13一方鉆桿接頭;14一護絲；5一提環銷;16一緩沖器；7一提環

SL—450水龍頭的結構如圖2—4所示。該水龍頭包括固定部分、旋轉部分和密封部分。固定部分由外殼、上蓋、下蓋、鵝頸管、提環等組成；旋轉部分由中心管、接頭、主軸承、上扶正(防跳)軸承和下扶正軸承組成；密封部分由上、下鉆井液密封總成和上、下機油密封盤根裝置組成。

(1)固定部分

• ①提環是由合金鋼經鍛造再熱處理后加工而成，通過提環銷與外殼相連。
• ②外殼是一個中空的鑄鋼件，用螺栓分別與上、下蓋連接，構成潤滑和冷卻水龍頭主軸承和扶正軸承的密閉殼體和油池。外側面裝有3個防止吊環撞擊外殼的橡膠緩沖器
• ③上蓋是鑄鋼件。其上部加工成法蘭，用于安裝鵝頸管。其下部是圓形，用螺栓與殼體上部連接，構成殼體上蓋，在圓蓋中心孔處裝有扶正(防跳)軸承和兩個反向安裝的自封式u形上機油彈簧密封圈，以防殼體內部油液外漏和外界泥漿及其他臟物侵入殼體內部。圓蓋上有一個螺紋孔，用來添加油液和固定油標尺，油標尺的絲堵(呼吸器)上有一個折角通孔，用以排除殼體內熱氣，降低潤滑油溫度。
• ④鵝頸管是一個中空的合金鋼鑄件，在其下部的異型法蘭上加工有左螺紋，通過上鉆井液盤根壓蓋與沖管總成連接。
• ⑤下蓋是一個圓形鑄鋼件，用螺栓與殼體連接，在其中心孔處安裝下扶正軸承和3個自封式u形彈簧密封圈。下蓋上有兩個排油孔，用于更換殼體內的油液，排油孔的絲堵帶有磁性，用以吸附殼體內的金屬屑。

(2)旋轉部分

• ①中心管是用合金鋼鍛造并經熱處理后加工而成，它是水龍頭旋轉部分的重要承載部件。它不僅要在旋轉的情況下承受全部鉆柱的重量，而且其內孔還要承受高壓鉆井液壓力。中心管上端連接沖管總成，下端母扣與保護接頭連接，保護接頭再與方鉆桿上端連接。中心管上、下端螺紋均為左旋，以防止鉆進時松扣。
• ②主、輔軸承中的主軸承為圓錐滾子軸承，承載能力大，壽命長。下扶正軸承為短圓柱滾子抽承。上扶正(防跳)軸承是圓錐滾子軸承．它能同時承受較大的軸向力和徑向力，并兼有扶正和防跳雙重作用。下扶正軸承的作用是承受中心管轉動時的徑向擺動力．使中心管居中，保證密封效果。因此，上、下扶正軸承距離較遠時扶正效果較好。上扶正軸承在上機油盤根下，下扶正軸承在下機油盤根上，分別由上蓋和下蓋用螺栓壓緊。

(3)密封部分

密封部分由上、下鉆井液沖管盤根盒組件和上、下機油盤根盒組件四部分組成。

• ①上、下鉆井液沖管盤根盒組件

該水龍頭采用浮動式沖管結構和快速拆裝的u形液壓自封式沖管盤根盒總成。浮動式沖管盤根是將上、下沖管盤根裝于盤根盒中，構成上、下盤根盒組件。盤根分別套在沖管上、下端面處的外徑上，通過密封盒壓蓋分別與鵝頸管和中心管組裝為一體。上鉆井液密封盒組件由上密封盒壓蓋、上密封盒、上密封金屬壓套、u形自封式盤根、金屬襯墊、彈簧圈和。形密封圈組成。金屬壓套上有花鍵與沖管上部的花鍵

相匹配，保證沖管不能轉動，但能夠上、下竄動。彈簧圈用于將壓套、盤根及襯墊固定在沖管上及上盤根盒內。上盤根盒組件通過上盤根盒壓蓋上的左旋螺紋與鵝頸管上的異型法蘭連接。下鉆井液盤根盒組件由下鉆井液盤根盒壓蓋、盤根盒、4個u形白封式盤根、4個金屬隔環、1個下O形密封壓套、O形密封圈和在盤根盒上的1個黃油嘴組成。下密封盤根盒組件通過下盤根盒壓蓋上的左旋螺紋安裝在中心管上，因此下鉆井液盤根盒組件是旋轉的，而沖管不轉，為了減少盤根與沖管間的磨損，必須定期通過下盤根盒上的黃油嘴注入潤滑脂。盤根盒中的u形盤根要注意安裝方向，上盤根朝向鵝頸管，下盤根朝向中心管。盤根裝置

可快速拆卸，在鉆井過程中可隨時更換，更換時只需用16lb鐵錘敲擊盤根盒壓蓋上的凸臺，使其旋轉，將上、下盤根盒旋下，即可將整個裝置從上蓋一側取出，不需要拆卸鵝頸管和水龍帶。

• ②上、下機油密封裝置

其上部機油盤根組件包括2個u形橡膠密封圈和橡膠傘；它的功用是防止油池內機油從中心管溢出和鉆井液及臟物進入殼體內部。機油盤根和橡膠傘都轉在蓋內，由上蓋法蘭壓緊，只承受低壓。下部機油盤根組件包括3個U形自封式橡膠密紂圈和石棉板，用下蓋壓緊，其作用是在中心管旋轉時密封油池下端防止漏油，只承受低壓。此外，在多處需要密封的兩個連接件之間均裝有。形密封圈，以保證密封。

除了普通水龍頭，還有兩用水龍頭。與普通水龍頭相比，兩用水龍頭只是多了一個風馬達。風馬達通過變速箱驅動中心管快速轉動，完成在接單根作業時快速上扣動作。風馬達氣原來自鉆機氣控制系統，可以滿足接單根時上扣的需要。

（三） 頂部驅動鉆井系統

頂部驅動鉆井系統是取代轉盤鉆進的新型石油鉆井系統，英文縮寫為TDS(Top Driv-edrilingSystem)。頂驅鉆井系統自20世紀80年代問世以來發展迅速，尤其在深井鉆機和海洋鉆機中獲得了廣泛應用。頂驅鉆井系統現在已發展到最先進的一體化頂部驅動鉆井系統，該系統顯著提高了鉆井作業的能力和效率，并已成為鉆井行業的標準產品。通常，人們把配備了頂驅鉆井系統的鉆機稱為頂驅鉆機，考慮到頂驅鉆井系統的主要功用是鉆井水龍頭和鉆井馬達功用的組合，故將其列為鉆機的旋轉系統設備。

1、頂驅鉆井系統的特點

頂驅鉆井系統是一套安裝于井架內部空間，由游車懸持的頂部驅動鉆井裝置。常規水龍頭與鉆井馬達相結合，并配備一種結構新穎的鉆桿上卸扣裝置，從井架空間上部直接旋轉鉆柱，并沿井架內專用導軌向下送進，可完成旋轉鉆進、倒劃眼、循環鉆井液、接鉆桿(單根、立根)、下套管和上卸管柱絲扣等各種鉆井操作。與轉盤—方鉆桿旋轉鉆井法相比較，頂驅鉆井系統具有以下主要特點：

• (1)節省接單根時間

頂部驅動鉆井裝置不使用方鉆桿，直接采用立根(28m)鉆進而不受方鉆桿長度限制，避免了鉆進9m左右接單根的麻煩，節省了近2／3的接單根時間，從而提高了鉆井效率。

• (2)減少鉆井事故

起下鉆時，頂部驅動鉆井裝置具有使用28m立柱倒劃眼的能力，可在不增加起鉆時間的前提下，順利地循環和旋轉將鉆具提出井眼。在定向鉆井過程中，可以大幅度地減少起鉆總時間。使用頂部驅動鉆井裝置下鉆時，可在數秒內接好鉆柱，立刻劃眼，從而減少了卡鉆的危險。系統具有遙控內部防噴器，鉆進或起鉆中如有井涌跡象，可在數秒內完成旋扣和緊扣，恢復循環，并安全可靠地控制鉆柱內壓力。

• (3)提高鉆定向井速度

頂驅系統以28m立根鉆水平井、叢式井、斜井時，不僅節省鉆柱連接時間，而且減少了測量次數，容易控制井底馬達的造斜方位，明顯提高了鉆井效率。

• (4)減輕勞動強度

頂驅系統配備了鉆桿上卸扣裝置，實現了鉆桿上卸扣操作機械化，接單根時只需要打背鉗，減少了接單根鉆井的頻繁常規操作，既節省時間，又大大減輕了操作工人的勞動強度，鉆桿上卸扣裝置總成上的傾斜裝置可以使吊環、吊卡向下擺至鼠洞，大大降低了人身事故的發生機率。

• (5)設備安全

頂部驅動鉆井裝置采用馬達旋轉上扣，上扣平穩，并可從扭矩表上觀察上扣扭矩，避免上扣扭矩過盈或不足。鉆井最大扭矩的設定，使鉆井中出現蹩鉆扭矩超過設定范圍時馬達會自動停止旋轉，待調整鉆井參數后再正常鉆進，避免設備超負荷長時間運轉。

• (6)提高取芯質量

系統以28m立根進行取芯鉆進，改善了取芯條件，提高了取芯收獲率，減少了巖芯污染，提高了巖芯質量。

2、頂驅鉆井系統的結構

頂驅鉆井系統主要包括：鉆井馬達—水龍頭總成、鉆桿上下卸扣裝置、導軌—導向滑車總成、平衡系統、冷卻系統、控制系統和附屬設備等，如圖2-5所示。

 

2.1．鉆井馬達—水龍頭總成

(1)鉆井馬達 鉆井馬達是頂驅鉆井系統的動力源，根據馬達的類型可將頂驅分為液馬達頂驅、AC—SCR—DC頂驅和AC-VF-AC變頻頂驅。圖2-5所示為Varco公司生產的TDS—11SA型頂驅系統(AC—SCR—DC驅動)，馬達上裝有雙頭電樞軸和垂直止推軸承。氣剎車用于馬達的慣性剎車，承受鉆柱扭矩，并有利于定向鉆井的定向工作。氣剎車由一個遠控電磁閥控制，其氣源來自于鉆機氣控制系統。

(2)齒輪箱總成 TDS—11SA型頂部驅動鉆井裝置的單速變速箱主要由大齒齒輪、小齒齒輪、箱體、主軸和鉆井馬達等部件組成。變速箱是一個單速齒輪減速裝置，水龍頭主止推軸承裝在齒輪箱內，主軸由主止椎軸承支撐，主軸通過一個錐形襯套連接大齒輪，并支撐鉆桿上卸扣裝置。通過3~4hp的馬達驅動潤滑油泵，潤滑油通過主止推軸承、上軸承，再經齒輪間隙、水冷或風冷的熱交換器連續循環，并對齒輪進行強制潤滑。油泵、油熱交換器和油濾清器安裝在傳動箱外殼上。

(3)整體水龍頭 水龍頭主止推軸承位于大齒圈上方的變速箱內部。主軸的上部臺階座落在主止推軸承上，用以支承鉆柱的負荷。水龍頭密封總成裝在鉆井馬達上方，由標準沖管、組合盤根、聯管螺母組成。聯管螺母使密封總成作為一個整體運動，使水龍頭密封總成能夠承受42MPa的工作壓力。盤根盒為快速裝卸式，與普通水龍頭相同，只要松開上、下壓緊盤根帽，即可快速拆裝、更換沖管和盤根。

(4)鉆井馬達冷卻系統 鉆井馬達冷卻系統為風冷，馬達的冷卻是借助于鼓風機和空氣進氣管道來實現的，鼓風機由一臺20hp、3450r／rain的防爆交流電動機驅動。

2.2．鉆桿上卸扣裝置

頂驅鉆井系統將鉆井馬達和鉆井水龍頭組合在一起，除了具有轉盤和常規水龍頭的功能以外，更重要的是它配備了一套結構新穎的鉆桿上卸扣裝置，從而實現了鉆柱連接、上卸扣操作的機械化及自動化，使鉆機旋轉系統設備煥然一新。

鉆桿上卸扣裝置由扭矩扳手、內防噴器啟動器、吊環連接器、吊環傾斜機構、旋轉頭總成籌組成，典型的鉆桿上卸扣裝置的結構如圖2-6所示。

 

(1)扭矩扳手

扭矩扳手作為卸扣之用，通過吊架將其懸掛于旋轉頭上。扭矩扳手位于內防噴器下部的保護接頭一側，兩個液缸連接在扭矩管和下鉗頭之間，下鉗頭延伸至保護接頭外螺紋下方。鉗頭的夾緊活塞用來夾持與保護接頭相連接的鉆桿內螺紋。扭矩管內的母花鍵同上部內防噴器下方的公花鍵相嚙合，為液缸提供反扭矩。卸扣時，啟動扭矩扳手，便使其自動上升并與內防噴器上的花鍵相嚙合，在得到程序控制壓力后，夾緊液缸開始動作，夾緊活塞的夾持爪夾住鉆桿的母接頭。當液缸中的液體壓力上升至夾緊壓力時，另一程序閥自動開啟，并將壓力傳給和扭矩臂相連的兩個扭矩液缸(沖扣液缸)使保護接及上軸旋轉 25°，完成沖扣動作。再啟動鉆井馬達旋扣，完成卸扣操作，鉆桿上卸扣裝置另有兩個緩沖液缸，類似大鉤彈簧，可提供螺紋補償行程125mm。整個作業由司鉆按動控制臺上的電按鈕便可自動完成。

扭矩管升降機構有兩擋，使用一擋，夾緊裝置可以升起，直到能夾住保護接頭為止，從而可根據需要上緊和卸開保護接頭。換用二擋則可以卸開下防噴器或調節接頭。用手動閥控制上卸扣旋轉方向。

(2)內防噴器和啟動器

 

如圖2—7所示，內防噴器由帶花鍵的遠控上部內防噴器和手動下部內防噴器組成，屬于全尺寸、內開口、球形安全閥式的井控內防噴系統。上、下內防噴器形式相同，接在鉆柱中，可隨時將頂部驅動鉆井裝置同鉆柱相連起來使用。內防噴器還有一個功用：即當上卸扣時，扭矩扳手同遠控上部內防噴器的花鍵相嚙合即可傳遞扭矩。在井控作業時，可以將下部內防噴器卸開留在鉆柱當中。頂部驅動鉆井裝置還可以用一個中間轉換接頭，將鉆柱和下部內防噴器連接起來。

在扭矩扳手架上安裝有兩個雙作用液缸，液缸的動作由司鉆通過控制臺上的電開關和電磁閥來控制。液缸推動位于上部內防噴器—側的圓環。同液缸相連接的啟動手柄與圓環相嚙合，可以遠控開啟或關閉上部內防噴器。

(3)吊環連接器

吊環和鉆桿吊卡 吊環連接器通過吊環將下部吊卡與主軸相連，主軸穿過齒輪箱殼體，齒輪箱殼體又同整體水龍頭相接。吊環連接器額定負荷650t，可配350-650t提升能力的標準吊環。一般鉆井配用3．35m、350t的吊環和中開鉆桿吊卡，留出一定的空隙裝固井水泥頭，固井時要用4．57m長吊環。吊環配對使用，以保持最佳平衡效果。

提升負荷通過吊環連接器、承載箍和吊環傳給主軸。在沒有提升負荷的條件下，主軸可在吊環連接器內轉動。吊環連接器可根據起下鉆作業的需要隨旋轉頭轉動。與常規吊卡相比，該吊卡在連接吊環處較寬，且吊環長，這樣可避免鉆進時同其他設備相碰。

(4)吊環傾斜器

吊環傾斜裝置上的吊環傾斜臂位于吊環連接器的前部，由空氣彈簧啟動，鉆桿上卸扣裝置上的1．7m長吊環在吊環傾斜裝置啟動gS的作用下可輕松擺動，提放小鼠洞內的鉆桿。啟動器由電磁閥控制。該裝置的中停機構便于井架工排放鉆具作業。吊環傾斜裝置的主要功用是：①吊鼠洞中的單根；②接立根時，不需井架工在二層臺上將大鉤拉靠到二層臺上。

若行程為1．3m的吊環傾斜裝置不能滿足使用要求，則可使用行程為2．9m的長行程吊環傾斜裝置。有些國產吊環傾斜器通過液缸控制操作，吊環可前傾30，后擺60。

(5)旋轉頭總成

 

頂驅鉆井裝置旋轉頭如圖2—8所示。：當鉆桿L知扣裝詈在起鉆中隨鉆柱部件旋轉時，能始終保持液路、氣路的連通。在固定法蘭體內部鉆有許多油氣通道，一端接軟管口，另一端通往法蘭，向下延伸到圓柱部分的下表面。在旋轉滑塊的表面部分有許多密封槽，槽內也有許多流道，密封槽與接口靠這些流道相通。當旋轉滑塊位于固定法蘭的支承面上，密封槽與孔眼相對接時，滑塊和法蘭不論是旋轉還是在任意固定位置，都始終會有油氣通過。旋轉頭可自由旋轉和定位。當旋轉頭鎖定在24個刻度中任意刻度位置時，則通過凸輪頂桿和自動返回液缸對凸輪的作用，使旋轉頭自動返回到預定位置。

2.3．導軌—導向滑車總成

導軌—導向滑車總成由導軌和導向滑車框架組成。導軌裝在井架內部，通過導向滑車或滑架對頂驅鉆井裝置起導向作用，鉆井時承受反扭矩。20世紀80年代頂驅系統多為雙導軌，90年代改為單異軌，單異軌頂驅系統結構更加輕便。導向滑車上裝有導向輪，可沿導軌上、下運動，游車固定在其中。當鉆井馬達處于排放立根位置上時，導向滑車則可作為馬達的支撐梁。

2.4．平衡系統

 

平衡系統又稱為液氣彈簧式平衡裝置，平衡系統總成如圖2—9所示。平衡系統有兩個作用：一是防止上卸接頭時損壞螺紋：二是在卸扣時，可幫助外螺紋接頭從內螺紋接頭中彈出。這就為頂驅鉆井裝置提供了一個類似于大鉤的1520皿的減震沖程。因頂驅系統太重，大鉤彈簧的彈性力對頂驅鉆井系統起了緩沖作用，所以，頂驅鉆井系統不安裝大鉤。平衡系統包括兩個相同油缸及其附件，以及兩個液壓儲能器和一個管匯及相關管線。油缸一端與棺體水龍頭相連，另一端或與大鉤耳環連接，或直接連到游車上。這兩個液缸還與導向滑車總成馬達支架內的液壓儲能器相通。儲能器通過液壓油補充能量并保持一個預設的壓力，其壓力值由液壓控制系統主管匯中的平衡回路預先設定。

平衡系統的活塞桿上端與游車連接，油缸下端與水龍頭連接。油缸上腔始終通高壓油，下腔抽缸產生的向上拉力作用在水龍頭上，一直提著水龍頭。兩個相同的油缸產生的向上拉力的合力要比頂驅鉆井裝置和立根的自重大一些，當上、卸螺紋完成時，蓄能器排放出壓力，供給油缸工作。隨著蓄能器內的油液逐漸放出，油壓會逐漸降低，油缸的拉力也就逐漸減少。當油缸的拉力小于頂驅鉆井裝置和立根本身重量(忽略導軌的摩擦力)時，上提過程由加速變為減速，最后停止上移。當提起整個鉆柱時，鉆柱和頂驅鉆井裝置的重量大于油缸向上的拉力，油缸被拉下來，缸內油液被排出，大部分返回蓄能器儲存。

2.5．控制系統

頂驅鉆井裝置的控制系統主要由司鉆儀表控制臺、控制面板、動力回流等組成�？刂葡到y相當于為司鉆提供了一個控制臺，通過這個控制臺實現對頂驅鉆井裝置自身的控制。司鉆儀表控制臺由扭矩表、轉速表、各種開關和指示燈組成。頂驅鉆井裝置可實現的基本控制功能為：吊環傾斜、遠控內防噴器、馬達控制、馬達旋扣扭矩控制、緊扣扭矩控制、轉換開關等。

鉆井時的轉速、扭矩和旋轉方向由可控硅控制臺控制�？煽毓杩刂婆_裝有馬

達控制指示燈、遠控內防噴器指示燈和馬達鼓風機指示燈。