一种钻机顶驱系统的制作方法

本发明属于石油开采领域，涉及石油钻机，具体涉及一种超深石油钻机顶驱系统。

背景技术：

石油钻机顶驱按照驱动方式，可分直流电驱动顶驱、交流变频电驱动顶驱和液压顶驱三种。相比液压顶驱，直流电驱动顶驱和交流变频电驱动顶驱的可靠性更高，维护要求更低。直流电驱动顶驱的尺寸和重量一般都非常庞大，交流电驱动顶驱的则相对小一些，而且，可以在完全扭矩条件下制动，以便提供更高的中间扭矩段数据和在所有的速度条件下提供更为精确的控制。在很大的转速和扭矩范围内，具有更为恒定的、可使用的动力，因而可使得钻井时金刚石钻头和pdc钻头更大限度地发挥作用。顶驱的主要技术指标包括钻井深度、工作效率、动力扭矩、功率、承载能力、传动效率、可靠性等。技术先进的顶驱钻井深度深、工作效率高、动力扭矩大、功率大、承载能力强、传动效率高、可靠性高。目前，全球技术最先进的超深井陆地石油钻机是12000米交流变频电驱动钻机。达到15000米超深井石油钻机的钻井深度，则对顶驱的性能要求更高。

技术实现要素：

为实现钻井深度达到15000米时钻机顶驱系统能够承受强载荷和大扭矩的能力的目的，本发明提供一种超深井石油钻机的顶驱系统。

本发明所采用的技术方案是：一种石油钻机顶驱系统，包括由连接架和连杆组成的连接梁，连接架顶端与起重系统相连接，连杆设于连接架下端与两提环铰接；连接梁下方设有动力减速系统、管子处理系统、背钳总成、及吊卡；

其中，动力减速系统，包括两电机和减速系统，两电机并列安装于减速系统上部提供动力；两提环下端连接减速系统；减速系统安装在导向滑车系统上，减速系统由双排行星减速系统与箱体式齿轮传动系统集成而成，通过控制减速系统中的动力输出主轴将扭矩传递给钻杆，驱动石油钻机钻杆旋转；

管子处理系统，包括回转头、ibop系统、平衡系统、两吊环，所述回转头设有回转头旋转锁紧装置，两吊环分别设有带动其倾斜的吊环倾斜装置；回转头位于减速系统底端与动力输出主轴同轴装配，两吊环位于回转头两侧，回转头底部连接ibop系统，且ibop系统与主轴同轴装配，回转头两端的下方分别固定所述的平衡系统，通过两平衡系统安装用于夹紧、放松钻杆的背钳总成，背钳总成中心的钻杆孔与ibop系统同轴；

所述背钳总成，包括中空的壳体，壳体的中心为所述的钻杆孔，两个v型钳口和驱动各自的背钳油缸连接后呈左右对称地安装于壳体腔体内，通过驱动两个v型钳口相向运动来抱合夹紧穿入钻杆孔中的钻杆，两个v型钳口下方的壳体上安装有用于扶正钻杆的扶正套；

两吊环的下端与吊卡两端对应相接，将吊卡悬挂在背钳总成壳体的下方。

进一步的，减速系统中的双排行星减速系统为两套并列布置的行星减速系统，箱体式齿轮传动系统包括两主动齿轮和一大齿轮；每套行星减速系统主要由4个行星轮、1个行星架、1个太阳轮和1个内齿圈组成；减速箱体内设置有竖直的主轴，主轴上安装有大齿轮，大齿轮下方的主轴上设有用于支撑主传动主轴的推力圆柱滚子轴承，两个主动齿轮并列布置在大齿轮左、右两边，并分别与大齿轮啮合，每一主动齿轮的上方为一太阳轮，该太阳轮安装于一行星架的中心孔中，其上部与所述的一电机相连，下部与主动齿轮连接，所述行星架和对应的主动齿轮同轴，每一套行星减速系统中的4个行星轮均布安装在行星架上围绕在对应的一太阳轮周围，同时与太阳轮和内齿圈啮合。

进一步的，回转头旋转锁紧装置包括马达、弧形板、小齿轮、大齿轮、弧形齿条、油缸；弧形板的一端与减速箱体相接，马达位于弧形板上方其输出端从弧形板穿过后与小齿轮相接；大齿轮位于弧形板下方与其一旁的小齿轮啮合，大齿轮位于回转头上方与回转头同轴安装，两者固定连接；大齿轮旁边设有与其可啮合的弧形齿条，该弧形齿条通过油缸驱动与大齿轮啮合锁紧回转头。

进一步的，吊环倾斜装置，包括支座、吊环倾斜油缸、连接支架、吊环套；支座和连接支架均安装在回转头上，吊环倾斜油缸固定安装在支座上，支架的上端与吊环倾斜油缸一端铰接，支架下端连接吊环套，吊环套套在吊环上带动其倾斜。

进一步的，还包括用以排泄泥浆的冲管总成，其通过框形支架固定于减速箱系统上部，支架框内底部为下密封盒，下密封盒上方设有与其相通的上密封盒，上密封盒顶端与支架框内顶端相接，主轴与下密封盒、ibop系统同轴，上密封盒上接有与其相通的鹅颈管，鹅颈管上端设有两管口，一管口与泥浆管连通，另一管口设有检测盖和堵头，泥浆管外端与泥浆泵连接。

进一步的，导向滑车系统，其包括车轮、箱体支架、支臂油缸、中间连杆、左、右支臂、箱体、及导轨；箱体支架的两侧对应安装车轮，车轮对应的卡装于两根导轨上，两个支臂油缸分别置于箱体支架前侧的左、右两边，两支臂油缸的一端与支架对应连接，两支臂油缸的另一端对应连接左、右支臂，减速系统中的减速箱体与箱体的前端连接，箱体与支架中间通过中间连杆连接，与支架两端通过及左、右两支臂连接。

本发明与现有技术相比优点在于：

1.本发明整个减速系统的结构十分紧凑，减小了整个减速系统的体积和重量，保证了钻井深度达15000米时系统承受强载荷和大扭矩的能力；

2.本发明采用交流变频电驱动顶驱，由两台功率为1000kw的电机同时工作，使总功率达到2000kw，保证了钻井深度达到15000米井下钻头需要的旋转动力；采用两台电机并列连接的方式，当一台电机出现故障时，用另一台电机即可将钻杆退出以便进行检修；

3.本发明采用双排行星齿轮系统和箱体式齿轮传动系统集成的减速系统，两套行星齿轮传动系统并列布置，箱体式齿轮传动系统中两个主动齿轮与大齿轮呈“一”字型布置，提高传动效率和可靠性，使运行平稳、振动小、噪声低；总传动比为10.5:1，其中，将5:1的传动比分配到行星齿轮传动系统，将2.1:1的传动比分配到箱体式齿轮传动系统。箱体式齿轮传动比比较小，主动齿轮和从动齿轮分度圆直径相差较小，从而减少主动齿轮的磨损，提高主动齿轮的寿命；行星齿轮传动系统的传动比比较大，充分利用行星齿轮传动平稳、效率高、体积小的结构优势，既保证了总传动比，又使整个减速系统的结构十分紧凑，有效减小了所需减速箱箱体的长、宽尺寸，从而减小了整个减速系统的体积和重量；采用推力圆柱滚子轴承支撑主传动轴，有效提高了主传动轴承受载荷和扭矩的能力,保证钻井深度达15000米时需要的性能要求；

4.采用可摆动导向滑车装置，利用导向滑车装置中的可摆动臂，对顶驱系统在工作和非工作状态时的位置进行调整，避免与送杆机发生干涉；通过导向滑车沿导轨滑动，来带动整个顶驱系统上升或下降；

5.采用背钳实现左、右两边钳口同时夹紧钻杆且夹紧力大小一致，防止钻杆丝扣损坏，以降低故障率；

6.采用管子处理系统、回转头旋转锁紧装置，使载荷分布均匀，安装、调整方便；对系统进行整体布局和零部件结构的优化，提高系统的可靠性和稳定性，减小系统的体积和重量，提高系统中电、油等能源的有效利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明图1的主视图；

图3为图1的x局部放大图；

图4为图1的y局部放大图；

图5为图1的减速系统的结构示意图；

图6为图1的导向滑车系统的结构示意图；

图7为图1的背钳总成的结构示意图；

图8为图7的a-a剖视图；

图中标记：

1.连接梁；1-1.连接架；1-2.连杆；2.动力减速系统；2-1.电机；2-2.减速系统；2-2-1.减速箱体；2-2-2.行星架；2-2-3.行星轮；2-2-4.内齿圈；2-2-5.太阳轮；2-2-6.主动齿轮；2-2-7.大齿轮；2-2-8.主轴；2-2-9.推力圆柱滚子轴承；2-3.管线及配件；3.冲管总成；3-1.鹅颈管；3-2.上密封盒；3-3.支架；3-4.泥浆管；3-5.下密封盒；4.管子处理系统；4-1.回转头旋转锁紧装置；4-1-1.马达；4-1-2.弧形板；4-1-3.小齿轮；4-1-4.大齿轮；4-1-5.弧形齿条；4-1-6.油缸；4-1-7.卡板；4-2.回转头；4-3.吊环倾斜装置；4-3-1.支座；4-3-2.吊环倾斜油缸；4-3-3.连接支架；4-3-4.吊环套；4-4.ibop系统；4-5.平衡系统；4-6.吊环；5.导向滑车系统；5-1.车轮；5-2.箱体支架；5-3.支臂油缸；5-4.中间连杆；5-5.左臂；5-6.右臂；5-7.箱体；5-8.导轨；6.提环；7.背钳总成；7-1.壳体；7-2.v型钳口；7-3.背钳油缸；7-4.扶正套；8.吊卡总成；8-1.吊卡；8-2.吊卡油缸。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1和图2所示，一种石油钻机顶驱系统，包括由连接架1-1和连杆1-2组成的连接梁1，连接架1-1顶端与起重系统相连接，连杆1-2设于连接架1-1前端与两提环6铰接；连接梁1下方设有动力减速系统2、冲管总成3、管子处理系统4、背钳总成7、及吊卡8；

其中，动力减速系统2主要包括两台电机2-1、一个减速系统2-2和管线及配件2-3，电机2-1为交流变频电驱动，单台功率1000kw，两台电机2-1通过螺栓并列安装于减速系统2-2的上部提供输出动力；两提环6下端连接减速系统2-2；减速系统2-2安装在用于导向整个顶驱系统上升和下降的导向滑车系统5上，减速系统2-2为双排行星减速系统与箱体式齿轮传动系统集成，通过控制减速系统2-2中的动力输出主轴2-2-8将扭矩传递给钻杆，驱动石油钻机钻杆旋转；

所述的述箱体式齿轮传动系统包括两主动齿轮2-2-6和一大齿轮2-2-7；双排行星减速系统为两套并列布置的行星减速系统，每套行星减速系统主要由4个行星轮2-2-3、1个行星架2-2-2、1个太阳轮2-2-5和1个内齿圈2-2-4组成，减速箱体内竖直设置有动力输出主轴2-2-8，该主轴2-2-8上固定安装有大齿轮2-2-7，大齿轮2-2-7下方的主轴2-2-8上安装有用于支撑该主传动主轴的推力圆柱滚子轴承2-2-9，两个主动齿轮2-2-6并列布置在大齿轮2-2-7左、右两边，并分别与大齿轮2-2-7啮合，每一主动齿轮2-2-6的上方为一太阳轮2-2-5，太阳轮2-2-5安装于行星架2-2-2的中心孔中，其上部与电机2-1对应相连，下部与其下方的主动齿轮2-2-6连接，所述行星架2-2-2和对应的主动齿轮2-2-6同轴，每一套行星减速系统中的4个行星轮2-2-3均布安装在行星架2-2-2上围绕在对应的一太阳轮2-2-5周围，同时与太阳轮2-2-5和内齿圈2-2-4啮合。

冲管总成3，用以在钻井过程中向钻孔里输送和排泄泥浆或水等冲洗液，其通过框形支架3-3固定于减速箱系统2-2上部，支架框内底部固定有下密封盒3-5，下密封盒3-5上方为与其通过连接管相通的上密封盒3-2，上密封盒3-2顶端与支架3-3框内顶端相接，主轴2-2-8与下密封盒3-5同轴相连，上密封盒3-2上接有与其相通的鹅颈管3-1，鹅颈管3-1上端的两管口一个与泥浆管3-4连接，另一个设置有检测盖，外用堵头堵住；检测时，拧开检测盖和堵头，检测计通过该管口，一直深入到井中进行检测；检测完毕后，装回检测盖和堵头，泥浆管3-4外端与泥浆泵连接。在常用的正循环钻探中﹐泥浆泵将地表冲洗介质-清水﹑泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下，依次通过冲管总成3及钻杆中心孔，直送钻头的底端，并循环冲洗液，实现冷却钻头、将切削下来的岩屑清除并输送到地表。

管子处理系统4，包括回转头4-2、ibop系统4-4、平衡系统4-5、两吊环4-6，所述回转头4-2设有回转头旋转锁紧装置4-1，两吊环4-6分别设有带动其倾斜的吊环倾斜装置4-3；回转头4-2位于减速系统2-2底端与主轴2-2-8同轴装配，两吊环4-6安装在回转头4-2两侧，ibop系统4-4上部与回转头4-2底部连接，且ibop系统4-4与主轴2-2-8同轴装配，回转头4-2两端的下方分别固定所述的平衡系统4-5，通过两平衡系统4-5安装用于夹紧、放松钻杆的背钳总成7，背钳总成7中心的钻杆孔与ibop系统4-4同轴；

所述的回转头旋转锁紧装置4-1包括马达4-1-1、弧形板4-1-2、小齿轮4-1-3、大齿轮4-1-4、弧形齿条4-1-5、油缸4-1-6、卡板4-1-7，弧形板4-1-2与减速箱体2-2-1连接，马达4-1-1位于弧形板4-1-2之上在其输出端安装小齿轮4-1-3；大齿轮4-1-4位于弧形板4-1-2下方与回转头4-2同轴安装，通过螺栓连接，其与小齿轮4-1-3啮合，弧形齿条4-1-5一端与卡板4-1-7连接,弧形齿条4-1-5另一端与油缸4-1-6的活动端连接，油缸4-1-6的另一端与卡板4-1-7连接，卡板4-1-7安装在弧形板4-1-2上，油缸4-1-6驱动弧形齿条4-1-5旋转靠近大齿轮与大齿轮4-1-4啮合，锁紧回转头。

吊环倾斜装置4-3，其包括支座4-3-1、吊环倾斜油缸4-3-2、连接支架4-3-3、吊环套4-3-4；支座4-3-1和连接支架4-3-3均安装在所述的回转头4-2上，吊环倾斜油缸4-3-2的中部固定安装在支座4-3-1上，支架4-3-3的上端与吊环倾斜油缸4-3-2铰接，支架4-3-3下端连接吊环套4-3-4，吊环套4-3-4套在吊环4-6上带动其倾斜。

导向滑车系统5，位于动力减速系统2侧边，其包括车轮5-1、箱体支架5-2、支臂油缸5-3、中间连杆5-4、左、右支臂、箱体5-7、及两导轨5-8；箱体支架5-2位于两根导轨5-8中间，箱体支架的两侧5-2安装车轮5-1，车轮对应的卡装于两导轨5-8上，两个支臂油缸5-3分别置于箱体支架5-2前侧的左、右两边，两油缸的一端与箱体支架5-2对应连接，两个支臂油缸5-3分别置于支架5-2左、右两边，一端连接支架5-2，另一端分别连接左臂5-5、右臂5-6，减速系统2-2中的减速箱体2-2-1与所述箱体5-7的前端通过螺栓联接，箱体5-7与支架5-2中间通过中间连杆5-4连接，与箱体支架5-2两端通过左、右两支臂连接，起重系统带动整个顶驱系统沿导轨5-8上下移动，通过支臂油缸驱动带动箱体5-7摆动,带动动力减速系统2摆动，从而带动整个顶驱系统摆动,以调节工作状态和非工作状态时顶驱的位置。

所述背钳总成7，包括中空的壳体7-1，壳体7-1的中心为所述的钻杆孔，两个v型钳口7-2和驱动各自的背钳油缸7-3连接后呈左右对称地安装于壳体7-1腔体内，通过驱动两个v型钳口相向运动来抱合夹紧穿入钻杆孔中的钻杆，两个v型钳口下方的壳体7-1上安装有用于扶正钻杆的扶正套7-4。

背钳总成7中的背钳油缸7-3进油，推动v型钳口7-2向钻杆靠拢，直至夹紧钻杆；反之，背钳油缸7-3出油，带动v型钳口7-2松开钻杆。完成后，导向滑车系统5中的支臂油缸进油，推动左臂5-5、右臂5-6收缩，带动动力减速系统2摆动，从而带动整个系统向远离井眼的方向移动，从而避免与送杆机发生干涉，减少故障率，减小运行成本。

吊卡总成8：主要组成是吊卡8-1和吊卡油缸8-2，两吊环4-6的下端与吊卡8-1两端的连接柄分别对应相接，将吊卡8-1悬挂在背钳总成7壳体7-1的下方，两个吊卡油缸8-2对称安装于吊卡8-1的两侧。

使用时，起重系统通过连接梁1带动整个顶驱系统上升或下降。动力减速系统2为井下钻头提供旋转动力，通过主轴2-2-8将扭矩传递给钻杆，驱动钻杆旋转。冲管总成3用以排泄泥浆。导向滑车系统5实现顶驱系统上升和下降过程中的导向，并带动连接梁1、动力减速系统2、冲管总成3、管子处理系统4、背钳总成7、吊卡总成8和提环6整体左右摆动，以适应钻机不同的工作状态。管子处理系统4实现上、卸扣功能，并平衡系统的反扭矩。背钳总成7夹紧、放松钻杆，用于完成上、卸扣作业，以及更换保护接头和内防喷器。当接钻杆时，导向滑车系统5中的支臂油缸5-3出油，带动左臂5-5、右臂5-6伸开，带动动力减速系统2摆动，从而带动整个系统向井眼移动。吊卡总成8用于钻杆、油管和套管等管材的取用，对井眼进行起出或下入钻具及油管、套管的作业。提环6实现动力减速系统2与连接梁1的连接，从而实现整个顶驱系统与连接梁1的连接。

工作时，两台功率为1000kw电机2-1同时运转，使总功率达到2000kw，保证了钻井深度达到15000米井下钻头需要的功率和扭矩。两电机2-1驱动减速系统2-2中的两太阳轮2-2-5转动，太阳轮2-2-5带动与之啮合的行星轮2-2-3旋转，从而带动行星架2-2-2旋转，行星架2-2-2带动主动齿轮2-2-6旋转，主动齿轮2-2-6带动大齿轮2-2-7旋转，大齿轮2-2-7带动主轴2-2-8旋转。减速系统总传动比为10.5:1，其中，行星齿轮传动系统传动比为5:1，箱体式齿轮传动系统的传动比为2.1:1，提高了减速系统的传动效率和可靠性，使运行平稳、振动小、噪声低，同时，使整个减速系统的结构十分紧凑，有效减小了所需减速箱箱体的长、宽尺寸，从而减小了整个减速系统的体积和重量。推力圆柱滚子轴承2-2-9与主轴同轴，安装在减速箱体2-2-1内，支承主轴2-2-8，保证了钻井深度达15000米时系统承受强载荷和大扭矩的能力。主轴2-2-8带动ibop系统4-4旋转，ibop系统4-4带动钻杆旋转，钻头钻进。刹车时，电机2-1停止运转，同理，钻杆停止旋转，钻头停止钻进。当两台电机中有一台发生故障时，另一台电机反转，同理，钻杆反向旋转，钻头退出，以便维修缩短非工作时间，即提高了工作效率。

回转头旋转锁紧装置4-1实现回转头4-2的旋转与锁紧，回转头旋转时，马达4-1-1驱动小齿轮4-1-3旋转，小齿轮4-1-3带动与之啮合的大齿轮4-1-4旋转，从而带动与大齿轮4-1-4固定连接的回转头4-2旋转；锁紧时，油缸4-1-6进油，推动与之连接的弧形齿条4-1-5向大齿轮4-1-4靠拢，直至啮合、锁紧，大齿轮4-1-4停止旋转，从而实现与大齿轮4-1-4固定连接的回转头4-2停止旋转。平衡系统4-5是通过其内部安装的油缸进出油对上卸扣起伸缩作用，防止上卸扣时螺纹的损坏；在卸扣时可帮助公扣接头从母扣接头中弹出，类似于减震冲程。

吊卡总成8工作时，通过吊环倾斜装置4-3实现吊环4-6前、后倾斜：两个吊环倾斜油缸4-3-2同时进油，分别推动与之铰接的连接支架4-3-3向前摆动，带动与其端部连接的吊环套4-3-4一起摆动，吊环套4-3-4对套在里面的吊环4-6施加推力作用，使吊环4-6向前倾斜，从而带动悬挂在吊环4-6下端的吊卡8-1向前摆动，直至目标位置；同理，两个吊环倾斜油缸4-3-2同时出油，吊卡8-1向后摆动，直至目标位置；马达4-1-1驱动回转头4-2旋转，回转头4-2带动连接在其两侧的吊环4-6旋转，从而带动悬挂在吊环4-6上的吊卡8-1旋转，吊卡油缸8-2进油，推动吊卡8-1合拢，夹紧钻杆；反之，吊卡油缸8-2出油，带动吊卡8-1打开，松开钻杆。