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VARCOTDS-11SA顶驱培训教程编制：张文成•TDS-11SA顶驱的基本结构•TDS-11SA顶部驱动钻井装置主要包括下列主要总成及部件：1、水龙头—钻井电机总成；2、电机冷却系统；3、滑动架和导轨；4、管子处理器；5、液压控制系统；6、平衡系统；7、动力系统和控制系统。•1、水龙头－交流钻井电机总成•水龙头——钻井电机总成是顶部驱动装置的主体部件，主要由以下部件组成：钻井电机和制动器；齿轮传动箱（变速箱）；整体式水龙头•①钻井电机和制动器•TDS-11SA有两台400马力的交流钻井电机，对称垂直安装在箱体上的两边，为TDS-11SA提供动力。每一个电机有一个双端输出轴，输出轴下端安装驱动小齿轮，输出轴上端安装盘式刹车轮毂。交流钻井电机是开放式结构，意为着冷却风可以通过电机内部。它是专门为顶部驱动所设计的，电机内部有温度传感器、风道、轴承和安装斜齿轮和刹车轮毂的锥度输出轴。•每个电机顶部安装有一个液压盘式刹车，通过盘式刹车外盖可以很容易检查和维护盘刹。在定向作业中，盘式刹车还可以辅助钻柱定向。制动器由司钻控制台遥控控制。•②传动箱和水龙头总成•齿轮传动箱总成把由交流电机产生的动能传递到钻杆。传动箱和水龙头总成内部是一个单级双减速齿轮系统，从电机到主轴的减速比为10.5∶1。•传动箱和水龙头总成的箱体为传动齿轮和轴承提供了一个密封的润滑油池。轴承和齿轮由一个安装在箱体上的油泵强制润滑。一个低速液压马达驱动油泵，过滤后的润滑油通过主支撑轴承、扶正轴承、小齿轮和复合齿轮轴承及齿轮的齿面连续循环。油热交换是空冷式，传动箱上安装有油位指示器可监视油面高度。•不锈钢制成的提环固定安装在钻机大钩上。提环与箱体之间的装配由铜套接合，可以使用润滑脂润滑。•③整体式水龙头总成•整体式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，上部台阶做于主止推轴承上以支撑钻柱负荷。主轴和鹅颈管之间有一个标准冲管盘根总成，这样就可以使钻柱旋转。冲管盘根总成由电机罩体支撑并同齿轮箱相连，以支撑水平支撑。合金钢水龙头提环联结在本体上，可以相对于水龙头变速箱作垂直方向的短行程，构成一个整体平衡系统。•2、电机冷却系统系统•交流钻井电机冷却系统为风冷式。TDS-11SA的电机冷却系统为离心鼓风机，配备有两台安装在钻井电机顶部的5马力的交流电机。冷却系统经过制动器与电机的接合面吸进空气，经过刚性气道将空气排送到每台钻井电机顶部的风口。冷却空气然后通过开放型电机内部，最后从底部的百叶窗排出。•3、滑动架和导轨•顶部驱动装置通过安装在箱体上的滑动架沿着导轨上下垂直移动，完成钻井作业。•TDS-11SA通过安装在箱体上的滑动架沿着导轨上下垂直移动。导轨悬挂在天车架上并一直延伸到离钻台7英尺高。导轨与一个安装在井架下部离钻台10~15英尺高的扭矩反作用梁连接。•通过导轨平衡由传动箱驱动钻杆时产生的扭矩。导轨有四部分组成，须分断安装到天车上。导轨各部分之间通过销子连接，组装时在钻台上每次连接一部分，用TDS-11SA提升逐步与安装在天车架上的连接耳板连接。•4、管子处理器•管子处理器图5.3.4所示。它为顶部驱动装置提供了提放28m长立柱、并用钻井电机上卸立柱扣的能力。它由以下重要部分组成：①旋转吊环配接器；②背钳总成；③吊环倾斜装置；④内防喷阀；⑤吊卡吊环和钻杆吊卡。•上卸扣装置具有在井架任意高度卸扣。钻进时，钻杆上卸扣装置固定不动，不防碍钻柱的起下。钻井电机通过主轴、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，吊环配接器将提升载荷转移到主轴上。•①旋转吊环配接器•旋转吊环配接器在管子处理器的上部，是一个环形装置。在起升或吊环倾斜装置定位、管子处理器围绕钻杆旋转时，保证了液压或气路管汇的连通。同时，旋转吊环配接器也为吊环倾斜装置、扭矩背钳液缸、内防喷阀液缸提供了安装的位置。•旋转吊环配接器内有许多沟槽与钻杆主轴上的径向孔相互对应，允许管子处理器和主轴旋转时液压油路的畅通。主轴上端的径向通道与液压或气路阀板上的每一个孔相连，主轴下端的径向孔由旋转管汇内的密封槽密封，依次与连接管子处理器的各个启动器的管线相对应。•旋转吊环配接器的旋转齿轮上有24个孔，由一个液压驱动马达驱动可以任意方向旋转。当旋转到指定位置时有一个止动装置固定。司钻台上的一个电磁阀控制旋转吊环配接器的液压马达。•②背钳总成•悬挂在旋转吊环配接器上的扭矩作用架支撑着扭矩背钳。它在保护短节的下轴节的底部，由一对钻杆引鞋和夹紧液缸组成，在钻柱与保护短节连接时用于夹紧钻柱接头。背钳本体安装在扭矩作用架上，在钻杆上卸扣时可以上下移动并平衡上卸扣时产生的扭矩。•③双向吊环倾斜装置•双向吊环倾斜装置由通过销子连接与旋转吊环配接器上的液缸活塞杆和通过一套耳板用销子连接的液缸缸体组成。操作司钻台上的开关给液缸加压，伸长活塞杆使吊卡到鼠洞和放下位置。浮动使吊卡回到井口中心位置。液缸装置上的锁销限制吊卡移动到井架工位置，拖动拦绳松开门锁吊卡可以移动到鼠洞位置。•止动动装置限制了吊卡只能移动到井架工的位置，而此位置是可调节的。操纵止动装置可以将吊卡移动到小鼠洞的位置。司钻控制台上有一个3挡开关操纵吊环倾斜装置。通过两个液缸的换向，吊卡可以朝相反的方向充分延伸，这样就具有钻进到钻台面的能力。•④内防喷器（IBOP）•管子处理器中的内防喷器的控制阀是一个球形、全尺寸、内部通的安全阀。在下部第二个手动阀可以辅助进行井控。两个球阀的直径均为6-7/8英寸。•从司钻台上一个电磁阀控制一个液缸和曲柄遥控上部的内防喷器的打开和关闭。一个滑套随着球阀旋转上下移动驱动轴上球阀每一边的小曲柄。液缸通过一个不能旋转的启动环带动滑套。液缸安装在扭矩反作用架上。•下部特有的防喷阀与上部的球阀类型相同，除了它必须由一个扳手手动打开和关闭。两个球阀在钻杆中且在TDS-11SA连接钻杆时可以使用。在卸去扭矩背钳后使用大钳可以从上防喷器阀上拆去下防喷器阀。•在断开下防喷阀后起升TDS-11SA，有足够的空间安装合适的短节和阀件用于井控操作。使用钻井大钳从TDS-11SA上防喷器阀上拆去下防喷器阀后，下防喷器阀仍与钻杆连接用于井控过程。在系统中有一个过度短节连接钻杆到下防喷阀上。•⑤钻杆吊卡•钻杆吊卡悬挂在安装在旋转吊环配接器上的长孔吊环上。吊环倾斜装置摆动吊卡可以提起钻杆。•5、平衡系统•平衡系统包括两个连接提环和大钩的液缸。当系统启动时，两个液缸支撑了TDS-11SA的大部分重量。在上卸扣时由于支撑了钻杆的大部分重量从而保护了工具的螺纹不被损坏。•TDS-11SA的一个特有的性能称为立柱上调，在司钻台上的一个开关可以改变平衡液缸从平衡条件到立柱上调的操作模式。立柱上调的特性使液缸承受上卸扣时钻杆的大部分重量，液缸提升梨形环离开大钩，减少作用在螺纹上的压力避免损坏。这两个液缸与一个位于主箱体上的液动-气动蓄能器连接。在钻机安装时可以用一个手动阀伸长液缸活塞杆。蓄能器充有液体并保持在液压回路中控制面板预先设置的压力。液压阀板控制着到TDS-11SA的所有的液压压力。•（二）技术参数•①交流钻井电机•功率：800HP（2×400HP）•额定转速：2400rpm•②变频器•类型：西门子（800HP600VAC）•③电机制动系统•类型：液压钳式盘刹•刹车扭矩：30000ft·lb•④电机冷却系统•方式：强制风冷•功率：5马力（3kW）交流电机（2件）•转速：3600rpm•电压、频率、相位：575V、60Hz、3φ•满负荷电流：5.5A•罩体：防爆式1级接地•环境温度：40℃•风量：每个电机1400立方英寸/分钟•⑤齿轮箱•类型：单级双减速齿轮系统•传动比：10.5∶1减速•⑥齿轮箱润滑•类型：强制润滑•储油池容量：15加仑•⑦液压系统•功率：10马力，1800rpm，交流电机•储油池容量：25加仑•⑧系统技术参数•重量：12.3T•高度：17.8英尺（5.82米）•电源要求：700千伏安575－600V50/60Hz•功率：800马力•连续扭矩：37500（800hp）英尺.磅•瞬间扭矩：50000英尺.磅•提升能力：500吨•二．顶部驱动钻井系统的控制系统•（一）电气控制系统•1、控制系统组成•控制系统分为以下三个主要部分：VARCO控制台（简写VDC），VARCO控制房（简写VEH），各类电缆TDS-11SA控制系统关系图•①控制台•TDS-9S控制台壳体是用300系列不锈钢制成的，配备油密式开关和指示灯，能满足在危险环境下的使用要求。•在司钻控制台上配备有以下仪表：•调速手轮，该手轮类似于可控硅（SCR）系统中的控制手轮，用于调节主马达转速。•钻井扭矩限制电位计，该电位计同样类似于可控硅系统的电位计，用于设定主马达输出的钻井扭矩值。•上扣扭矩限制电位计，用于限定最大上扣扭矩。•1）各种开关和按钮，功能如下：•a.钻井、旋扣、扭矩模式选择•b.吊环倾斜机构•c.主马达刹车•d.动力旋转头•e.背钳•f.遥控防喷阀（IBOP）•g.钻柱正转/反转选择•h.紧急停车•2）各种指示灯，功能如下：•a.低油压指示•b.主马达过热指示•c.冷却风机故障指示•d.“自动复位”指示•e.上部IBOP阀关闭指示•f.刹车制动指示•g.变频传动故障指示•②控制房•在TDS-11SA控制房中包括TDS-11SA控制系统（简写VCP）和变频器（VFI）两部分，控制房内的基本操作步骤：•1）进入变频房后，先打开空调，温度调节在华氏55~60度之间。•2）先按VCP右下角的整个控制柜的电源开关，然后依次按下VCP中部靠左手边的主PLC和伺服PLC以及电瓶等的电源开关。•3）合上主变频器（VFI）的空气开关。•4）把主变频器（VFI）的编码器的参数设定好后，按编码控制面板上的开始按钮，主变频器（VFI）开始工作。•5）设定好辅助变频器的参数后，按编码控制面板上的开始按钮，辅助变频器开始工作。•6）其关闭过程与开启过程正好相反•注意：当编码器中的各种参数设定好后，请不要随意调整，如果出现故障，请把编码器的控制开关打到“BYPASS”位置•2、VARCO控制系统（VCP）•VARCO控制系统包括以下部分•①系统连锁“可编程逻辑控制器（简写PLC）”•②动力旋转头逻辑控制器（简写PLC）•③断路器•④电磁阀和控制台的24V直流供电电路•⑤油泵和鼓风机马达启动器•⑥220V~120V交流整流器•VCP是顶驱的控制中心，VCP和变频器（VFI）之间的传输信号仅有两个模拟信号（转速和扭矩参数）和三个输入控制信号（传动系统设置、传动系统运行和反转）。系统报警和连锁功能对变频器不产生影响。通过TDS-11SA的编程工具可以对控制功能进行更改。•控制系统（VCP）接收来自司钻控制台的指令，并将这一指令信号传输给逻辑控制器（PLC）进行处理，然后由PLC对冷却马达、刹车、IBOP和传感元件进行控制。PLC通过对传感器状态进行审核，来实现连锁功能，防止司钻因错误操作造成事故。当PLC发现司钻指令错误时，会向司钻发出报警提示。•3、变频器（VFI）•用于TDS-9S的变频器由以下部分组成•A、整流器和电容柜部分•B、矢量控制部分•C、逆变器部分•整流器和电容柜部分将三相交流电变为直流，并将直流电存储在电容器中。•矢量控制部分监测钻井马达的运行情况，接受司钻控制台的调速手轮和扭矩限制的指令，同时控制整个电力单元的启动。•逆变器部分采用PWM（脉冲宽度调制）方式将直流电改变为模拟交流电。•在控制台上采用调速手轮控制交流马达转速。调速手轮可以改变马达的电源频率和电压。由于钻井马达的转速是同电源频率成正比的，利用这一特性，实现了对马达转速的控制（例如20Hz对应马达转速600RPM，那么40Hz对应马达转速120RPM）。同时供给马达的电压也会随着频率改变，每赫兹对应的电压变化值是一个定量。•（二）液压控制系统•液压系统完全安装于顶驱之上，无需地面设备。电机马达为10HP，1800RPM，交流，驱动两台液压泵及整个液压系统。其中一台为定量泵，驱动润