顶部驱动钻井装置技术领域
本实用新型涉及钻井装置技术领域。
背景技术
目前，现有钻机一直沿用转盘式结构，由转盘驱动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻
井作业，随着钻井装备技术的不断发展，十九世纪八十年代，由美国研制出一种在井架空间
的上部直接驱动钻具、钻头实施钻井作业的顶部驱动式钻机(以下简称顶驱钻机或顶驱)。
顶驱钻机是当今石油钻井的重大前沿技术装备，已经成为深井、复杂井施工的必选装备之
一，在海外钻井工程的投标中，是否配备顶驱钻机成了能否中标的重要条件之一。当前，现
代顶驱钻机通过N级机械减速器，使顶驱钻机主轴直接驱动钻具、钻头实施钻井作业。上述
顶驱钻机通常采用定轴、单速、两级机械减速器，其主要技术缺憾在于：体积大，质量重；驱
动电机轴与钻机主轴非同心装配，从而使顶驱吊挂不平衡，需加配重与装复杂的液压平衡
装置。所以探索、解决顶驱传动技术是涉及全面提升动力性、降低电耗、提高钻机效率的关
键技术，也是钻井科研领域亟待解决的重大课题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题，是提供一种顶部驱动钻井装置，其采用顶部电机
直接驱动空心主轴，大大降低装置整体重量和体积，钻进效率高，节省钻井时间。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：
顶部驱动钻井装置，包括防喷总成，所述防喷总成下端与钻杆连接，其特征在于：
还包括动力总成和进水装置，所述动力总成包括交流变频电机，所述交流变频电机的外部
设有壳体，交流变频电机内部设有空心主轴，所述空心主轴与交流变频电机的转子连接，作
为动力输出轴，空心主轴的上、下端部与壳体间均设有密封结构；所述进水装置与空心主轴
的上部密封活动连接；所述防喷总成的上端与空心主轴的下端连接。
作为优选，所述壳体包括上壳体、电机外壳和下壳体，所述电机外壳位于交流变频
电机的定子的外部，电机外壳的上部与上壳体之间，及电机外壳的下部与下壳体之间通过
连接螺栓Ⅰ和连接螺栓Ⅱ紧固连接。
作为优选，还设有空心主轴的盘刹装置。
作为优选，所述盘刹装置包括刹车盘和一对刹车油缸，所述刹车盘通过轴套与主
轴连接，所述刹车油缸与刹车盘连接，通过刹车油缸对刹车盘施加正压力进而实现刹车功
能。
作为优选，所述进水装置包括鹅颈管总成、冲管总成、鹅颈管支架和总支架，所述
鹅颈管总成通过总支架安装在上壳体上部；所述鹅颈管总成的下部通过鹅颈管支架与上壳
体连接；所述冲管总成在总支架内部，所述鹅颈管总成的前端与冲管总成上端连接，冲管总
成下端与空心主轴的上端密封活动连接。
作为优选，还包括背钳总成，所述背钳总成包括背钳和扭力架，所述扭力架的上端
连接所述壳体的下端，下端连接所述背钳；所述背钳包括活塞、左壳体、右壳体和导向套，所
述左壳体和右壳体位于活塞的外部，所述导向套位于左壳体和右壳体的下部，将左壳体和
右壳体连接在一起，所述活塞内部连接卡瓦体，卡瓦体内部连接钳牙，所述右壳体的右部与
扭力架连接；在所述左壳体和右壳体上设有进出油口，来实现夹紧和松开钻杆。
作为优选，所述动力总成还包括吊环倾斜机构，所述吊环倾斜机构包括吊环和倾
斜油缸，倾斜油缸的上端与连接螺栓Ⅰ连接，下部通过U型螺栓与吊环连接，在工作中吊环提
升钻具，倾斜油缸的动作就可使钻具在一定角度范围内摆动。
作为优选，所述壳体的上部设有提环，在所述提环上设有一对平衡装置，所述平衡
装置包括油缸，所述油缸的下端通过U型螺栓与提环固定连接，上端与短接、接头、销轴、拉
环依次连接，拉环再悬挂在游动大钩上。
作为优选，所述防喷总成包括防松装置、促动装置、防喷油缸、保护接头和两个防
喷器，在所述主轴的下端依次连接两个防喷器和保护接头，在防喷器与主轴连接处、两个防
喷器连接处以及防喷器与保护接头连接处均装有所述的防松装置；上部的防喷器通过所述
促动装置与所述防喷油缸连接。
作为优选，所述促动装置包括拨叉、防喷拨动装置和防喷促动套，所述防喷促动套
套接在防喷器的外部，所述拨叉的一端与防喷促动套铰接，另一端与防喷油缸的上端铰接，
所述拨叉的中部通过拨叉支座与防喷油缸外部的壳体连接，拨叉与拨叉支座之间铰接。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：现有技术中的顶驱钻机还设有齿轮减
速，造成钻机整体体积大，质量重，且钻机效率低，噪音大，齿轮维修困难。本实用新型采用
交流变频电机直接驱动空心主轴转动，省去减速装置，减轻设备整体体积和重量，且定向钻
进、取心钻进效率高，可节省钻井时间20%～40%，保证了作业的安全性。
附图说明
图1为本实用新型一个实施例的结构示意图；
图2为图1中的动力总成部分的结构示意图；
图3为图2的左视图；
图4为图1的进水装置的结构示意图；
图5为图1的背钳总成的结构示意图；
图6为本实用新型的吊环倾斜机构的结构示意图；
图7为本实用新型的平衡装置的结构示意图；
图8为图1的防喷总成的结构示意图；
图9为图1的促动装置的结构示意图；
图10为图9的左视图；
图11为本实用新型的导轨的结构示意图；
各图号名称为：1—动力总成，1-1—吊环倾斜机构，1-1-1—倾斜油缸，1-1-2—吊
环，1-1-3—U型螺栓Ⅰ，1-2—连接螺栓Ⅰ，1-5—空心主轴，1-10—下壳体，1-11—连接螺栓
Ⅱ，1-14—油封盒，1-15—O形圈Ⅰ，1-16—油封Ⅰ，1-31—轴承Ⅰ，1-32—轴承盒Ⅰ，1-33—轴承
Ⅱ，1-36—轴承Ⅲ，1-38—轴承盒Ⅱ，1-41—密封盒，1-43—油封Ⅱ，1-45—交流变频电机，
1-46—胀套，1-48—轴承Ⅴ，1-51—销轴Ⅰ，1-53—刹车盘，1-54—螺栓，1-55—刹车油缸，1-
58—端盖，1-61—支撑端盖，1-62—油杯，1-66—提环，1-67—平衡装置，1-67-1—拉环，1-
67-2—销轴Ⅱ，1-67-6—接头，1-67-7—短接，1-67-8—别针Ⅰ，1-67-9—油缸，1-67-16—U
型螺栓Ⅱ，1-76—螺钉，1-77—齿形压板，1-78—编码器，1-79—对键，1-80—轴套，1-81—
端面键，1-82—油封Ⅲ，1-83—O形圈Ⅱ，1-84—上壳体，1-89—电机外壳，2—进水装置，2-
1—鹅颈管支架，2-2—鹅颈管总成，2-3—总支架，2-4—冲管总成，3—防喷总成，3-1—防松
装置，3-2—促动装置，3-2-1—拨叉，3-2-5—拨叉支座，3-2-6—防喷拨动装置，3-2-7—防
喷促动套，3-3—防喷油缸，3-4—防喷器，3-5—保护接头，4—背钳总成，4-1—背钳，4-5—
扭力架，4-9—销轴Ⅲ，4-1-1—活塞，4-1-2—左壳体，4-1-3—导向套，4-1-4—右壳体，4-1-
5—卡瓦体，4-1-6—钳牙，5—导轨总成，5-1—耳座总成，5-3—调节杆，5-14—导轨一，5-
15—导轨二，5-16—导轨三，5-17—矿用高强度圆环链，5-19—别针Ⅱ，5-20—导轨四。
具体实施方式
下面结合附图及一个实施例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1、图2所示，本实用新型包括防喷总成3，所述防喷总成3下端与钻杆连接，还
包括动力总成1和进水装置2，所述动力总成1包括交流变频电机1-45，所述交流变频电机1-
45的外部设有壳体，交流变频电机1-45内部设有空心主轴1-5，所述空心主轴1-5与交流变
频电机1-45的转子连接，作为动力输出轴，空心主轴1-5与交流变频电机1-45的转子通过胀
套1-46实现连接传动，从而驱动空心主轴1-5旋转，空心主轴1-5的上、下端部与壳体间均设
有密封结构；所述进水装置2与空心主轴1-5的上部密封活动连接；所述防喷总成3的上端与
空心主轴1-5的下端连接。
本实用新型的有益效果在于：本装置是用于取代传统钻井设备的新型钻井装置，
是把钻机动力部分由下部的转盘驱动移到钻机上部的交流变频电机1-45处，直接驱动钻具
旋转钻进。本装置是一种通过交流变频电机1-45直接驱动空心主轴1-5进行钻进的顶部驱
动钻井装置，它将大功率交流变频电动机集成设计于动力总成内部。整机采用模块化安装
（指各部分可分开安装后再进行各部分组件之间安装），大大减少了安装及维修时间，大大
降低装置整体重量和体积，且定向钻进、取心钻进效率高，可节省钻井时间20%～40%，保证
了作业的安全性。
进一步的，如图2所示，所述壳体包括上壳体1-84、电机外壳1-89和下壳体1-10，所
述电机外壳1-89位于交流变频电机1-45的定子的外部，电机外壳1-89的上部与上壳体1-84
之间及电机外壳1-89的下部与下壳体1-10之间通过两个连接螺栓Ⅰ1-2和两个连接螺栓Ⅱ
1-11紧固连接，上壳体1-84上端安装一个端盖1-58，端盖1-58中心处安装一个支撑端盖1-
61，在支撑端盖1-61上再进行安装一系列的密封装置，从而实现内部与外部的完全隔离的
效果，上壳体1-84下端安装油封1-82及O形圈Ⅱ1-83实现密封，安装轴承Ⅴ1-48来实现空心
主轴1-5的扶正定位及灵活转动的效果，下壳体1-10下端装有油封盒1-14，油封盒1-14内部
装有油封Ⅰ1-16及O形圈Ⅰ1-15来实现外界与下壳体1-10内腔完全隔开。轴承Ⅰ1-31安装于下
壳体1-10偏下方来实现空心主轴1-5的扶正定位及灵活转动的效果。下壳体1-10的中间内
腔中装有轴承Ⅱ1-33，其中轴承Ⅱ1-33为承重轴承安装在轴承盒Ⅰ1-32内，在轴承位损坏后
只需更换轴承盒Ⅰ1-32即可，避免造成过多的浪费，轴承Ⅱ1-33起到空心主轴1-5的扶正定
位及灵活转动的作用。下壳体1-10的上端安装轴承盒Ⅱ1-38，其内部安装轴承Ⅲ1-36同样
起到空心主轴1-5的扶正定位及灵活转动的作用。轴承盒Ⅱ1-38上安装密封盒1-41，密封盒
1-41内装有油封Ⅱ1-43来实现交流变频电机1-45的内腔和下壳体1-10内腔的完全分离。
上述结构设计合理、整体紧凑，保证了空心主轴1-5定位准确、定位灵活，带动钻杆
定向钻进、取心钻进效率高，便于拆卸、维修，且连接可靠，密封性好。
进一步的，如图2所示，在上壳体1-84的内腔中还设有空心主轴1-5的盘刹装置，起
到快速制动的作用，所述盘刹装置包括刹车盘1-53和一对刹车油缸1-55，所述刹车盘1-53
通过轴套1-80与空心主轴1-5连接，其中刹车盘1-53与轴套1-80通过螺栓1-54和端面键1-
81连接，轴套1-80再与主轴1-5通过对键1-79连接，从而使主轴1-5与刹车盘1-53连为一体，
轴套1-80上端与齿形压板1-77通过螺钉1-76连为一体，齿形压板1-77与编码器1-78的齿轮
啮合这样就能准确测出主轴1-5的转速，编码器1-78通过编码器支架固定在上壳体1-84上，
所述刹车油缸1-55与刹车盘1-53连接，通过刹车油缸1-55对刹车盘1-53施加正压力进而实
现刹车功能。
上述刹车装置实现了空心主轴1-5的快速制动，采用液压制动，刹车效果好，噪音
小，并且所述盘刹装置设有四组。每组刹车装置通过一对刹车油缸1-55对刹车盘1-53施加
正压力进而实现刹车功能。其施加的刹车力和油缸压力成正比。盘刹装置可提供30kN·m的
刹车制动力，盘刹装置的正常工作压力为10MPa。
进一步的，如图4所示，所述进水装置2包括鹅颈管总成2-2、冲管总成2-4、鹅颈管
支架2-1和总支架2-3，所述鹅颈管总成2-2通过总支架2-3安装在上壳体1-84上部；所述鹅
颈管总成2-2的下部通过鹅颈管支架2-1与上壳体1-84连接；所述冲管总成2-4在总支架2-3
内部，所述鹅颈管总成2-2的前端通过水龙带与冲管总成2-4上端连接，冲管总成2-4下端与
空心主轴1-5的上端密封活动连接。
进一步的，如图5所示，本装置还包括背钳总成4，所述背钳总成4包括背钳4-1和扭
力架4-5，所述扭力架4-5的上端连接所述壳体的下端即连接下壳体1-10的下端，下端连接
所述背钳4-1；所述背钳4-1包括活塞4-1-1、左壳体4-1-2、右壳体4-1-4和导向套4-1-3，所
述左壳体4-1-2和右壳体4-1-4位于活塞4-1-1的外部，所述导向套4-1-3位于左壳体4-1-2
和右壳体4-1-4的下部，将左壳体4-1-2和右壳体4-1-4连接在一起，所述活塞4-1-1内部连
接卡瓦体4-1-5，卡瓦体4-1-5内部连接钳牙4-1-6，所述右壳体4-1-4的右部与扭力架4-5连
接；在所述左壳体4-1-2和右壳体4-1-4上设有进出油口，来实现夹紧和松开钻杆。
普通的钻机在进行换钻杆作业时需要用动力钳卸开钻杆，放坐在卡瓦上，然后利
用辅助装置提取钻杆对正卡瓦中的钻杆再使用动力钳上紧，提取的钻杆另一端也需对正，
然后再用动力钳和主动钻杆连接。此过程中提取钻杆和钻杆对正都需人来进行辅助，工作
效率低危险性高。
本装置设置的背钳总成4在起下钻过程中上、卸扣更加方便、快捷、省力，导向套4-
1-3能够在上卸扣时使保护接头3-5与钻杆轴向对准的导向扶正。
进一步的，如图1、图6所示，所述动力总成1还包括吊环倾斜机构1-1，所述吊环倾
斜机构1-1包括吊环1-1-2和倾斜油缸1-1-1，倾斜油缸1-1-1的上端通过销轴与连接螺栓Ⅰ
1-2连接，连接后可灵活旋转，下端通过U型螺栓Ⅰ1-1-3与吊环1-1-2连接，在工作中吊环1-
1-2提升钻具，通过倾斜油缸1-1-1的伸长和缩短就可使钻具在一定角度范围内摆动，吊环
1-1-2的上部与下壳体1-10悬挂，下部与钻具的卡紧装置吊卡悬挂，从而吊环1-1-2的摆动
也就带动着钻具的摆动，方便作业使用。倾斜油缸1-1-1动作可推动吊环1-1-2完成前、后
倾，最大前倾能使吊卡抬离钻台面而不影响顶驱装置下行，最大后倾能带动至鼠洞或坡道
抓取单根或其他管柱。吊环符合API 8C标准的相关要求。
进一步的，如图1、图2、图7所示，所述壳体的上壳体1-84的上部设有提环1-66，所
有零部件整体由提环1-66提起承载。提环符合API 8C标准钩载的150吨，性能指标均符合
API安全提升载荷标准。提环1-66通过销轴Ⅰ1-51与上壳体1-84连接。销轴Ⅰ1-51一侧有挡板
和螺栓对销轴Ⅰ1-51进行定位，防止销轴Ⅰ1-51产生横向的攒动。销轴Ⅰ1-51侧面开有加油孔
可加注黄油，对销轴Ⅰ1-51和提环1-66的接触面进行润滑，保证提环1-66可沿销轴Ⅰ1-51轴
线旋转灵活；在所述提环1-66上设有一对平衡装置1-67，所述平衡装置1-67包括油缸1-67-
9，所述油缸1-67-9的下端通过U型螺栓1-67-16Ⅱ与提环1-66固定连接，上端与短接1-67-
7、接头1-67-6、销轴Ⅱ1-67-2、拉环1-67-1依次连接，拉环1-67-1再悬挂在游动大钩上。平
衡装置1-67的主要作用是防止上卸扣时螺纹的损坏，从而增加主轴的保护接头3-5和钻具
的使用寿命，降低损耗和钻井的成本。其次是在卸扣末了时帮助公扣接头从母扣接头中弹
出，不需要像传统钻机通过司钻控制上提大钩才能实现。其中“弹跳”功能描述：在上卸扣
时，油缸通过提环1-66上提顶驱，减小钻具丝扣之间的应力，降低丝扣的磨损程度；在卸扣
末了时，油缸1-67-9会有一个大于顶驱的力，在脱扣得瞬间平衡油缸1-67-9的负载减小，使
顶驱迅速上提，进而实现“弹跳”功能。
进一步的，所述防喷总成3包括防松装置3-1、促动装置3-2、防喷油缸3-3、保护接
头3-5和两个（IBOP）防喷器3-4，在所述空心主轴1-5的下端依次连接两个（IBOP）防喷器3-4
和保护接头3-5，在（IBOP）防喷器3-4与空心主轴1-5连接处、两个（IBOP）防喷器3-4连接处
以及（IBOP）防喷器3-4与保护接头3-5连接处均装有所述的防松装置3-1，防止各连接处出
现松动而造成设备的损坏；上部的(IBOP)防喷器3-4通过所述促动装置3-2与所述防喷油缸
3-3连接，这样防喷油缸3-3上行(IBOP)防喷器3-4中的阀门打开，防喷油缸3-3下行(IBOP)
防喷器3-4中的阀门关闭，可实现远程开关控制；下部(IBOP)防喷器3-4中的阀门需要工人
根据需要手动的打开或关闭阀门。
(IBOP)防喷器3-4的作用是当井内压力高于钻柱内压力时，可以通过关闭(IBOP)
防喷器3-4切断钻柱内部通道，从而防止井涌或者井喷的发生。其中保护接头3-5是为了保
护(IBOP)防喷器3-4的连接螺纹不会因频繁起下钻柱造成丝扣磨损而增设的，同时也可通
过更换保护接头3-5规格来匹配不同型号钻柱的需要。
进一步的，所述促动装置3-2包括拨叉3-2-1、防喷拨动装置3-2-6和防喷促动套3-
2-7，所述防喷促动套3-2-7套接在(IBOP)防喷器3-4的外部，所述拨叉3-2-1的一端与防喷
促动套3-2-7铰接，另一端与防喷油缸3-3的上端铰接，所述拨叉3-2-1的中部通过拨叉支座
3-2-5与防喷油缸3-3外部的壳体连接，拨叉3-2-1与拨叉支座3-2-5之间铰接。
进一步的，本装置还包括导轨总成5和导向滑车，导轨总成5的主要作用是承受顶
驱工作时的反扭矩，所述导轨总成5位于所述上壳体1-84和下壳体1-10后部，导轨总成5最
上端与井架的天车底梁连接，导轨总成5下端与井架的反扭矩梁连接，使顶驱的工作扭矩直
接传递到井架下端，所述导向滑车穿入在导轨总成5中，随顶驱上下滑动，将扭矩传递到导
轨总成5上。
所述导轨总成5包括上下平行排列的导轨一5-14、导轨二5-15、导轨三5-16和导轨
四5-20及矿用高强度圆环链5-17，所述矿用高强度圆环链5-17穿在导轨一5-14、导轨二5-
15、导轨三5-16和导轨四5-20内部，所述导轨一5-14的一端设有耳座总成5-1，所述耳座总
成5-1焊接固定在天车架上，耳座总成5-1与导轨一5-14通过U型环及高强度圆环链5-17连
接，耳座总成5-1与高强度圆环链5-17之间还设有调节杆5-3，各个导轨之间由销轴及高强
度圆环链5-17连接为一个整体，导轨四5-20的下部由反扭矩架固定，反扭矩架的支座与井
架横梁连接固定，然后将反扭矩钳与导轨四5-20使用固定销连接，穿上别针Ⅱ5-19。
本实用新型单根钻进作业步骤为：
1、当前一根钻杆钻进完毕后，坐放卡瓦，停止泥浆泵钻井液循环，关闭顶驱遥控内
防喷器：使用背钳总成卸扣，上提顶驱至能够抓取鼠洞钻杆位置停止；
2、使用吊环倾斜机构前伸抓取鼠洞钻杆，扣卡闩；
3、缓慢上提顶驱，此时吊环倾斜机构处于“悬浮”状态，钻杆在重力作用下自动对
准井口；
4、缓慢下放顶驱，单根下端与井底钻柱对扣，使用井口动力钳连接单根与钻柱，继
续缓慢下放顶驱，单根上端进入顶驱背钳总成导向盖并与顶驱保护接头对扣，使用背钳总
成上扣；
5、缓慢上提顶驱，提升钻杆，取出卡瓦，开启顶驱遥控内防喷器，开泥浆泵钻井液
循环，顶驱交流变频电机给转速、扭矩继续钻进。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的
普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改
进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。