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第一章 概 述 近20年来，顶部驱动钻井装TDS（TOP DRIVE SYSTEM）显著提高了钻井作业的能力和效率。并已成为石油钻井行业的标准产品。目前在世界上不少国家的大、中型钻机上，将它用于打中深井（井深L= 2000～4500 m）、深井（井深 L=4500～6000 m）超深井（井深L＝6000～9000 m）的日益增多。该产品自20世纪80年代初开始研制，到现在已发展为最先进的整体顶部驱动钻井装置IDS （INTEGRATED TOP DRIVE SYSTEM）。全世界目前已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆地使用，充分显示了它的强大生命力。 应当说，从世界钻井机械的发展趋势上看，为适应钻井自动化的进步需求，顶部驱动钻井装置和井下钻头加压装置，必将成为21世纪世界钻井机械发展的重要方向，它符合新世纪钻井自动化的历史潮流。目前我国赴国外工作的钻井队，如果钻机上安装了顶部驱动钻井装置，投标竞争中将优先中标，可见顶部驱动钻井装置已到了非用不可的地步。 第一节 顶部驱动钻井装置的发展历程 一、什么是顶部驱动钻井装置 顶部驱动钻井装置是美国、法国、挪威近20年来相继研制成功、正在推广应用的一种顶部驱动钻井系统。它可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，接立根，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，参见图1-1。该图表明顶部驱动钻井装置主要由三个部分组成：导向滑车总成、水龙头-钻井马达总成和钻杆上卸扣装置总成。 该系统是当前钻井设备自动化发展更新的突出阶段成果之一。钻井实践表明：这种系统可节省钻井时间20% ～30%，并可预防卡钻事故的发生，用于钻斜井，钻高难度的定向井时经济效果尤为显著。 二、历史性的新跨跃 20世纪初，美国人首先应用旋转钻井法钻油井获得成功，常规钻机由转盘带动方钻杆进行钻进，较顿钻是历史的飞跃。据统计，在美国有63%的石油井是用旋转钻井法打成功的，转盘钻井方式立下了历史性的巨大功劳。但在延续近百年的钻盘钻井方式中，它也有两个突出的矛盾未能得到有效解决。其一，由于起下钻不能及时实现循环旋转功能，遇上复杂地层，或是岩屑沉淀，往往造成卡钻。卡钻成了长期困扰钻井工人的问题。我国近千台钻机，每年因卡钻造成的损失难以计数。其二，由于常规钻机在钻进中依靠转盘推动方钻杆旋转送进，方钻杆的长度限制了钻进深度，故每次只能接单根，因而费工、效率低，劳动强度大。而所谓的顶部驱动，则是把钻机动力部分由下边的转盘移到钻机上部水龙头处，直接驱动钻具旋转钻进。由于取消了方钻杆，无论在钻进过程中，还是起下钻过程中，钻柱可以保持旋转以及循环钻井液。因而，由于各种原因引起的通卡遇阻事故均可以得到及时有效的处理。同时，可以进行立根钻进，大大提高了钻速，平均提高钻井时效25％左右。国外于1982年采用顶部驱动钻井装置第一次成功地钻了一口井斜32度、井深2981m的定向井，之后，迅速发展，不仅在海洋及深井、定向井采用，而且在2000m钻机上也开始大批应用，全世界陆续已有上千台顶部驱动钻井装置在海上和陆上使用，显示了势不可挡的强劲势头。生产顶部驱动钻井装置的厂商也由当初的美国、挪威扩展到法国、加拿大等4个国家的7家公司。之后，中国、英国也加人到顶部驱动装置的生产行列，人类实现了钻机自动化进程的阶段性跨越。 总之，顶部驱动钻井装置是当今石油钻井中的前沿技术与装备，是近代钻井装备的三大技术成果之一，另两项技术成果为交直流变频电驱动系统（AC-SCR-DC电驱动）和井下钻头增压系统。 三、顶部驱动钻井装置研制过程 1、钻井自动化进程推动了顶部驱动钻井法的诞生 首先让我们简单回顾一下中国和世界石油钻井业的发展概况。 众所周知，我国是世界上钻井发展得很早的一个国家，有史料可考的，公元前250年，中国人即用手工凿井。北宋中期，在四川用简单顿钻冲击打气井，钻到160 m。宋人沈括在其名著《梦溪笔谈》一书中，介绍了陕西延长地区的“脂水”，第一次命名它为“石油”，并预言“此物后必大行于世”。1907年，我国使用日本钻机在延长地区（今延长油矿）打出中国大陆第一口油井，井深81 m ，“见旺油”，这就是著名的“延一井”。我国陆上石油的近代工业化开采实际开始于此。新中国成立后，我国石油、天然气工业有了巨大的进步，从1957年太原矿山机器厂制造了国产第一台 1200 m轻型钻机开始，旋转钻机逐渐得到了普遍的应用。现在我国已经成为世界第五大产油国。 就世界油气钻探历史而言，顿钻、旋转钻、冲击回转钻进，称为近代油气钻探的三大重点技术。世界公认的的第一口油井，是美国人1859年用顿钻法钻成功的。大约1900年转盘钻井法在美国开始出现，钻井工艺得以革新，出现了伟大的转