GB/T 31049-2014 石油钻机顶部驱动钻井装置

ICS75.180.10

E92

中华人民共和国国彖标准

GB/T31049—2014

石油钻机顶部驱动钻井装置

Topdrivedrillingequipmentforoildrillingrig

2014-12-22发布2015-10-01实施

GB/T31049—2014

目次

前言m

i范围1

2规范性引用文件1

3术语和定义1

4产品分类及产品规格3

5功能要求3

6技术要求6

7制造要求14

8试验要求17

9检验规则19

10文件20

11标志、包装、运输与贮存21

附录A（资料性附录）顶驱下套管装置22

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GB/T31049—2014

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刖吕

本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。

本标准由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC96)提出并归口。

本标准负责起草单位：中国石油钻井工程技术研究院北京石油机械厂负责起草。

本标准参加起草单位：中国石油勘探开发研究院标准化研究所、中国石油勘探开发研究院采油采气

装备研究所、中国石油西部钻探工程有限公司克拉玛依钻井技术研究院、宝鸡石油机械有限责任公司、

中国石油长城钻探T程公司顶驱技术分公司、中国石油集团川庆钻探T程有限公司国际工程公司、中国

石油集团川庆钻探T程有限公司川东钻探公司、胜利油田孚瑞特石油装备有限责任公司.

本标准主要起草人:邹连阳、陕小平、范育昭、高圣平、杜德林、谢宏峰、沈泽俊、李力、高明、黄建国、

宋绍军、卢梁斌、陈士刚、张宏英。

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GB/T31049—2014

石油钻机顶部驱动钻井装置

1范围

本标准规定了石油钻机顶部驱动钻井装置的术语和定义、产品分类及产品规格、功能要求、技术要

求、制造要求、试验要求、检验规则、文件以及标志、包装、运输与贮存等。

本标准适用于石油钻机顶部驱动钻井装置的设计、制造和验收，顶驱下套管装置亦可参照执行。

2规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文

件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法(ISO6892-1：2009,MOD)

GB/T229—2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法(ISO148-1：2006,MOD)

GB/T231.1—2009金属材料布氏硬度试验第1部分:试验方法(ISO6506-1：2005,MOD)

GB/T3766—2001液压系统通用技术条件(eqvISO4413：1998)

GB4208—2008外壳防护等级(I代码)(IEC60529：2001,IDT)

GB/T6402—2008钢锻件超声检测方法(EN10228-3：1998,EN10228-4：1999,MOD)

GB/T7233.1—2009铸钢件超声检测第1部分:一般用途铸钢件(ISO4992-1：2006,MOD)

GB/T7935—2005液压元件通用技术条件

GB/T9444—2007铸钢件磁粉检测(ISO4986：1992,IDT)

GB/T15622—2005液压缸试验方法(ISO10100：2001,MOD)

GB/T19190—2013石油天然气T业钻井和采油提升设备(APISpec8C：2012,IDT)

SY/T6919—2012石油钻机和修井机涂装规

SY/T10041—2002石油设施电气设备安装一级一类和二类区域划分的推荐作法(idtAPI

RP500：1997)

ASTMA275/275M钢锻件磁粉检验标准试验方法(StandardPracticeforMagneticParticle

ExaminationofSteelForgings)

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

顶部驱动装置topdrivedrillingsystem

石油钻机用驱动装置，由动力水龙头和管子处理装置等组成，能驱动钻柱旋转并具有旋紧或松开钻

柱接头的功能，可以沿导轨上下移动(也可前移)，完成钻井作业(也可在小鼠洞作业)的装置。简称“顶

驱装置”或“顶驱”。

3.2

电驱动顶驱electrictopdrivesystem

由交流或直流电动机提供主动力的顶驱装置。

1

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3.3

液压驱动顶驱hydraulictopdrivesystem

由液压马达提供主动力的顶驱装置。

3.4

动力水龙头powerswivel

承受提升载荷，为钻井时旋转钻柱（钻井液从其中通过）、旋紧或松开钻柱接头提供旋转动力的

部件。

3.5

管子处理装置pipehandlerdevice

可以抓放钻杆、为旋紧或松开保护接头与钻柱接头之间的连接螺纹提供夹紧力，可实现吊环前、后

倾斜和旋转等功能的装置。

3.6

导轨与滑车guiderailandcarriage

导轨：顶驱在钻机井架内能沿其上下移动，并保持顶骡旋转轴线相对井架固定位置的部件。

滑车:顶驱上与导轨相连的部件。

导轨与滑车能承受反扭矩。

3.7

旋转头rotatinghead

管子处理装置中由动力驱动绕主轴旋转的总成。

3.8

背钳backuptong

管子处理装置中.用以夹紧钻柱接头的总成，使得主轴施加扭矩时可以旋紧或松开顶驱保护接头与

钻柱之间的连接螺纹。

3.9

内防喷器（IBOP）innerblowoutpreventer

通过关闭钻柱内部通道防止井涌或者井喷时钻井液从钻柱通道喷出的装置。

3.10

顶驱下套管作业topdrivecasingrunning

以顶驱（动力水龙头）为源动力，替代常规套管钳进行下套管作业的工艺方法。顶驱下套管作业工

艺具有实时灌注、循环泥浆，提升下放、旋转套管柱的特点。

3.11

顶驱下套管装置topdrivecasingrunningsystem

连接于顶驱（动力水龙头）主轴，由提升总成、驱动总成、卡瓦夹持总成、密封及导向总成组成的用于

下套管的机械装置，主要功能是实现套管柱的旋转和提升。根据作用方式，顶驱下套管装置分为内卡式

和外卡式。

3.12

内卡式顶驱下套管装置internalgrippingtopdrivecasingrunningsystem

卡瓦夹持总成作用于套管本体内壁的下套管装置。

3.13

外卡式顶驱下套管装置externalgrippingtopdrivecasingrunningsystem

卡瓦夹持总成作用于套管本体外圆的下套管装置。

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3.14

保护接头saversub

将顶驱主通道下部和钻柱连接起来的转换接头。

3.15

主承载件primary-load-carryingcomponent

承受主要载荷的构件。顶驱主承载件一般包括提环、减速箱体、旋转头和主轴等，

3.16

额定载荷designload

规定的施加给设备的最大T作载荷，包括静载荷和动载荷。

4产品分类及产品规格

4.1产品分类

顶骡按驱动主轴旋转的动力源型式，可分为电驱动顶驱和液压驱动顶驱。电驱动顶驱又分为直流

电动机骡动顶骡和交流变频电动机驱动顶驱。

4.2产品规格

顶骡产品的规格按钻机名义钻深和额定载荷来划分，主要参数宜符合表1的规定。

表1产品规格及主要参数

钻井液循环通道

钻机名义钻深“额定载荷连续钻井扭矩旋松螺纹扭矩钻井液通道宜径

T.作压力

mkNkN•mkN•mmm

MPa

20001350$15>286434.5

30001800$20>356434.5

40002250$25>457534.5

50003150$35>557534.5

70004500$50>757534.5/52

90006750$65>10575/8952

120009000$85>1358952/69

8钻机名义钻深是在使用114mm(4%in)钻杆情况下的钻井深度。

5功能要求

5.1概述

产品应具有相应的功能，产品部件和整机安装完成后均应进行试验以评定其功能是否达到设计

要求。

5.2产品功能描述

顶驱是一种石油钻机用驱动装置，能从井架空间上部直接骡动钻柱并沿专用导轨向下送进,应完成

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旋转钻进、提供钻井液循环通道，旋紧或松开钻柱螺纹和倒划眼等多种钻井操作。还应配有内防喷器

装置和平衡机构等辅助装置。

5.3部件功能描述

5.3.1动力水龙头

动力水龙头在钻井作业时为钻柱旋转钻进和旋紧或松开钻柱螺纹提供旋转动力，是钻井动力的来

源，同时用来承受起下钻载荷、钻井载荷以及钻井扭矩。主要包括动力设备（电动机或液压马达）、提环、

鹅颈管、冲管总成、主轴和减速箱总成等零部件（见图1）。

图1动力水龙头结构示例

5.3.1.1提环

顶驱通过提环与钻机提升系统的大钩或游车连接。

5.3.1.2动力设备

使用电动机或液压马达，为旋转钻柱提供动力。

5.3.1.3鹅颈管和冲管总成

冲管总成上端与鹅颈管相连，下端与顶驱主轴相连，形成了钻井液的循环通道，同时，实现了对主轴

的旋转密封。

5.3.1.4减速箱总成

动力设备的动力通过减速箱传动装置传递给主轴，带动钻柱旋转。

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减速箱总成应能承受相应的载荷。

减速箱主轴的下部与内防喷器、钻柱相连接，上部与冲管总成、鹅颈管相连接，形成钻井液循环

通道。

5.3.2管子处理装置

管子处理装置是为起下钻作业服务的，包括旋转头、吊环倾斜机构、内防喷器及控制装置、防松装

置、背钳和保护接头等（见图2）。

图2管子处理装置结构示例

5.3.2.1旋转头

旋转头两侧应有吊耳用于连接吊环及吊卡，其功能是使吊环、吊卡绕主轴正反360°自由旋转（或只

旋转一定的角度），去小鼠洞抓取单根或对准二层台的立根，或转至某一位置，不影响顶骡本体钻进。

5.3.2.2吊环倾斜机构

吊环倾斜机构应能实现吊环的前倾、后倾，并具有可以浮动功能。前倾可伸向小鼠洞或二层台抓放

钻柱，最大后倾时应能使吊卡抬离钻台面保证顶驱充分钻进。

5.3.2.3内防喷器

内防喷器连接在主轴与保护接头之间，可以通过关闭内防喷器阻断钻柱内部通道，从而防止井涌或

井喷时钻井液通过钻柱内部通道喷涌至钻台面。

5.3.2.4防松装置

顶骡主轴与内防喷器、保护接头之间应具有防松装置，以保证它们之间的螺纹连接不会因为钻进和

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旋紧或松开钻柱接头的操作而旋紧或松开。

5.3.2.5背钳

背钳可以夹持钻柱接头完成钻柱旋紧或松开作业，也可以夹持内防喷器和保护接头完成拆装作业，

应具有适宜的夹持范围以适应不同规格的钻柱。

5.3.2.6保护接头

钻井过程中频繁起下钻柱，为了保护内防喷器的连接螺纹，在内防喷器下部安装有保护接头（亦称

转换接头）。

5.3.3平衡机构

平衡机构是在旋紧或松开钻柱螺纹时平衡顶驱装置本体（或顶驱装置本体与一个立根）的重量，保

护螺纹在旋紧或松开钻柱螺纹过程中不至于磨损。平衡机构还应具有缓冲功能，减小冲击载荷对提环

的影响。

5.3.4导轨和滑车

导轨与滑车的作用是使顶驱沿钻机井架上下移动，在钻井作业中保持在相对于井架的正确位置，并

承受反扭矩。

滑车的设计、设计验证试验、材料要求、质量控制和标志按GB/T19190-2013中9.17规定执行。

5.3.5液压传动和控制系统

5.3.5.1液压传动和控制系统按其功能，可分为主液压传动和控制系统、辅助液压传动和控制系统。

5.3.5.2顶骡装置本体重量的平衡、旋紧或松开钻柱螺纹时背钳的夹紧与松开、吊环的前倾与后倾、旋

转头回转与锁紧、内防喷器的打开与关闭、主电机的制动与松开等功能都由辅助液压传动控制系统

实现。

5.3.5.3对于液压驱动的顶驱，除上述功能要求以外，由主液压传动控制系统提供主轴旋转的动力。

5.3.6电气传动和控制

对于电驱动顶驱，电气传动与控制的核心部分分为驱动和控制两部分，驱动部分包括驱动装置、动

力装置及连接附件,而控制部分包括配电系统、PLC控制系统及连接附件。

5.3.7操作台

顶驱应配有司钻操作台，具有钻井所需要的基本操作功能.实现对顶驱的转速、扭矩、操作模式及

钻井工况的控制。

需要时，可以在二层台上配置辅助操作台，用于在二层台操作旋转头和吊环倾斜机构。

6技术要求

6.1设计准则

6.1.1顶驱装置零、部件的设计、制造和试验应能达到预期的目的，应操作简便、安全可靠。

6.1.2海洋环境用顶驱应满足耐腐蚀、防盐雾、隔爆阻燃的要求。

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6.1.3低温环境用顶骡的材料应满足所处低温环境下的性能要求、液压和电气系统应能在所处低温环

境下可靠工作。

6.2强度分析

6.2.1概述

强度分析通常应以弹性理论为基础。然而在适当场合，也可按GB/T19190-2013中4.3.5的规定

采用极限强度（塑性）分析，也可采用和有限元法一起分析的方法。

所有可以影响设计的力均应予以考虑。对于所考虑的每个横截面，应采用力的作用位置与方向的

最不利的组合方式。

6.2.2等效应力

根据芬•米塞斯-亨克（Vonmises-Hencky）理论、由额定载荷引起的名义等效应力，不应超过由

式⑴计算的最大允许应力值由式（1）计算：

式中：

Rm*——最大允许应力，单位为兆帕（MPa）；

Rei最小屈服强度，单位为兆帕（MPa）；

g——设计安全系数（见6.2.3）。

6.2.3主承载件设计安全系数

设计安全系数等于所用材料规定的最小屈服强度与最大许用应力之比.

主承载件设计安全系数见表2。

表2主承载件设计安全系数

额定载荷唤

设计安全系数ns

kN

1350〜45003.00—[0・75(Pmax—1350)/3150]

>45002.25

6.2.4剪切强度

剪切屈服强度与抗拉屈服强度之比应为0.58。

6.3连接型式与尺寸

6.3.1提环尺寸

如果需要使用提环,其连接尺寸应符合表3的规定，提环与大钩的连接尺寸见图3。

对于与游车直接连接的提环，其连接尺寸应符合表4的规定，提环与游车的连接尺寸见图4。

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图3提环与大钩的连接

表3提环与大钩的连接尺寸

提环与大钩接触表面的半径其他连接尺寸（推荐）

钻机名义钻深额定载荷mmmm