آشنایی با سیستم تاپ درایو (Top Drive)

پیشرفت و توسعه روز افزون علم حفاری خصوصاً استفاده هر چه بیشتر از موتورهای الکتریکی با راندمان بالا و وزن کمتر، ورود مدارهای پیشرفته برقی و الکترونیکی در پروسه­ های مکانیکی و معایب موجود در روش حفاری RT را می­توان از جمله دلایل اصلی ورود ماشین و پکیج محرک فوقانی (TD) به عرصه و صحنه حفاری دانست. مجموعه تاپ درایو محرک و چرخاننده رشته حفاری (Drillstring) است که بر روی دکل حفاری و در ارتفاع مناسب نصب می­شود. مکانیزم عملکرد در این پکیج کاملاً با روش حفاری RT متفاوت است بطوری که این دستگاه مانند یک دریل ستونی که موتور محرک آن در قسمت بالا بوده عمل نموده و از بالا نیروی قائم و حرکت دورانی را از طریق یک گیربکس بر رشته حفاری اعمال می­نماید. در حالی که در RT مجموعه محرک ثابت بوده و حرکت و گشتاور از طریق میز گردان، بوش کلی و Kelly به رشته حفاری منتقل می­شدند. این پکیج با قابلیت­های ویژه­ای که دارد به صورت اتوماتیک و با استفاده از نیروی هیدرولیکی توانایی بستن و باز کردن مته و ابزار برش، برداشتن لوله حفاری از محل مخصوص، هم مرکز کردن آن با محور دستگاه و بستن آن را دارد. بنابراین در این دستگاه­ها علاوه بر اینکه تا حد زیادی نقش اپراتور در حفاری حذف شده، زمان انجام فرآیند حفاری نیز کاهش یافته است. شکل (3) نمایی کلی از یک تاپ درایو را نشان می­دهد. در مقاله آشنایی با سیستم تاپ درایو (Top Drive) همراه با دریلینگ استور باشید.

تاریخچه کاربرد تاپ درایو در صنعت حفاری ایران

در حال حاضر در مجموع 47 دکل حفاری در صنعت حفاری ایران وجود دارد که 43 دکل، مربوط به دکل­های قابل استفاده در خشکی و 4 دکل نیز جزء دکل­های دریایی می­باشد.

هم اکنون 6 دستگاه حفاری مجهز به تاپ درایو در خدمت صنعت حفاری ایران می­باشد که تاپ درایوهای مذکور ساخت شرکت HYDRALIFT و جزء اولین تاپ درایوهایی است که در صنعت حفاری ایران استفاده شده­اند. همچنین تاکنون دو دستگاه تاپ درایو ساخت شرکت نروژی Maritime Hydraulic یکی به ظرفیت 500 تن و دیگری به ظرفیت 650 تن به شرکت ملی حفاری تحویل شده است.

دستگاه 500 تنی اخیراً بر روی یکی از دکل­های خشکی این شرکت نصب شده و در حالی کار می­باشد و دستگاه 650 تنی بر روی دکل دریایی ایران خزر نصب شده است.

با توجه به مزایای تکنیکی و سهولت و سرعت عملکرد تاپ درایو پیش­ بینی می­شود در آینده نه چندان دور تمامی دکل­های حفاری به این سیستم مجهز گردند.

شکل (3) تاپ درایو

اجزای تاپ درایو

قوای محرکه (Motor Drive)

عبارت است از مجموعه موتور و گیربکس و متعلقات آن که گشتاور اعمالی به مجموعه حفاری (Drillstring) را تأمین می­نماید. شکل (4) با توجه به اینکه ماهیت عملیات حفاری به نوعی است که گشتاور بالا و دور پائین نیاز می­باشد مجموعه موتور و گیربکس وظیفه تأمین این نیاز را بر عهده دارند. دور خروجی از گیربکس با توجه به برقی یا هیدرولیکی بودن (Top Drive (TD از 80 تا 230 دور در دقیقه و گشتاور انتقالی (با توجه به ظرفیت دستگاه) گاهی تا حدود 50 تا 60 هزار نیوتن متر هم می­رسد. انتقال چنین گشتاوری مستلزم دقت فوق­العاده در ساخت و مونتاژ موتور و گیربکس می­باشد.

بر روی مجموعه TD تجهیزات لازم جهت کنترل دور موتور و گشتاور انتقالی پیش­ بینی شده است. همچنین، در نوع برقی این دستگاه­ها برای خنک کردن موتور از یک سیستم خنک کننده هوا استفاده شده است.

شکل (4) نمایی ساده از یک تاپ درایو به همراه قوای محرک

مفصل گردان (Swivel)

مفصل گردان یا سویول تکیه­گاهی جهت تحمل نیروهای محوری و وزن رشته حفاری است. در واقع با یاتاقان بندی موجود در این تکیه گاه نیروی وزن مجموعه توسط کابل و قرقره­ها به دکل منتقل شده و از آنجا تحت کنترل قرار می­گیرد. سویول معمولاً مجموعه­ای از یاتاقان­ های کف گرد و مخروطی به صورت توام، پوسته و اهرم­ بندی لازم جهت انتقال نیروی وزن به کابل و قرقره و نهایتاً دکل می­باشد. شکل (5)

در این قطعه علاوه بر تعبیه مسیر عبور گل حفاری، با استفاده از فنر شرایطی برای ضربه ­پذیری بهتر و تحمل در برابر شوک­های حفاری مهیا شده است.

دو نمای متفاوت از یک Swivel

در تاپ درایوهای جدید حد فاصل سویول و لوله حفاری قطعه­ای نصب می­شود که تمامی ارتعاشات و ضربات را جذب کرده و اجازه انتقال آن را به مجموعه موتور گیربکس نمی­دهد در شکل (6) نمایی از این مکانیزم نشان داده شده است.

شکل (7) یک نمونه طرح اولیه سویول به همراه موتور و گیربکس را نشان می­دهد.

شکل (7) مجموعه موتور و گیربکس همراه با مفصل گردان

محور خنثی کننده گشتاور معکوس (Torque Tube)

در تاپ درایو جهت مقاومت در برابر گشتاور مخالف اعمالی از سوی مته به دستگاه و هدایت آن در راستای قائم از یک راهنما به نام Torque Tube استفاده شده است. این محور راهنما که معمولاً مقطعی مستطیلی شکل دارد به شکل پروفیل بوده و با اتصال آن در چند نقطه دکل (Rig) گشتاور را به دکل منتقل می­کند. تاپ درایو بوسیله یک گاری و از طریق غلتک­هایی روی محور قائم Torque Tube حرکت دارد. با توجه به وجود لرزش­های حین حفاری، غلتک­های مورد نظر بواسطه وجود فنر انعطاف­ پذیری لازم را داشته و مانع از انتقال این نوسانات و ارتعاش­ها به تورک تیوب و نهایتاً دکل خواهند شد. معمولاً جهت سهولت نصب و مونتاژ، تورک تیوب را به صورت چند تکه و در قالب مدول­های متفاوت می­سازند. اتصالات این مدول­ها به یکدیگر از اهمیت بالایی برخوردار است. به لحاظ لقی ­ها و همچنین شل شدن احتمالی در حین حفاری معمولاً تورک تیوب را با بازوهای افقی که کاملاً در برابر چرخش مقاومت دارند در چند نقطه نسبت به دکل ثابت می­نمایند. حرکت تاپ درایوها دقیقاً در راستای محور قائم و در امتداد تورک تیوب می­باشد یکی از نکات قابل اهمیت جهت کاهش زمان راه­اندازی و نصب تاپ درایو سهولت نصب تورک تیوب است. در شکل (8) طرح یک تورک تیوب ساده که از پهلو حرکت قائم و عمودی تاپ درایو را کنترل می­کند به همراه راهنمای مربوط نشان داده شده است.

شکل 8

مکانیزم حمل ­کننده لوله (Pipe Handler)

در حالت معمولی و نرمال و در دستگاه­های Rotary Table بلند کردن لوله­ های حفاری خصوصاً اگر طول آن­ها زیاد باشد (چند عدد به یکدیگر متصل شده باشند) از حالت افقی به حالت کاملاً عمودی، هم مرکز کردن آن با محور دستگاه، نگه داشتن آن­ها به صورت ثابت و بستن آن­ها بر روی دستگاه و انجام این عملیات در سیکل معکوس علاوه بر آنکه مستلزم زمان و بالا رفتن ریسک خطر می­باشد به فضای قابل توجهی هم جهت انجام این فرآیند نیاز دارد. در حالی که در تاپ درایو این عملیات توسط مجموعه Pipe Handler انجام می­شود. این بخش از پکیج TD شامل قسمت­ هایی به شرح کلگی چرخان (Rotating Head)، نگهدارنده لوله (Link Hanger)، بازوهای حمل کننده لوله (Elevator Link) که به Link Tilt مجهز است، می­باشد. کلگی چرخان امکان چرخش حول محور قائم و Link Tilt امکان حرکت حول محور افقی را فراهم می­سازد.

شکل 9

نحوه عملکرد حمل کننده لوله

ابتدا لوله ­های حفاری بوسیله بازوهای حمل کننده یا بالا برنده (Elevator Link) که در قسمت پایین مجموعه حمل­کننده لوله (Pipe Handler) قرار دارد و حرکت دورانی خود را از کلگی چرخان (Rotating Head) می­گیرد از محل مخزن لوله ­ها (Mouse Hole) برداشته می­شود (حرکت حمل­ کننده یا بالا برنده لوله به طرفین توسط نیروی هیدرولیک و فشار روغن تأمین می­شود). شکل (9)

در مکانیزم­های حمل لوله معمولاً از یک حلقه که لقمه­ های سرامیکی در آن تعبیه شده استفاده می­شود. با جمع شدن حلقه حالت گیره ایجاد شده و لوله جابجا می­شود. سپس لوله در محلی که باید بر روی محور تاپ درایو محکم شود قرار می­گیرد یکی از مهم­ترین مسائل حمل لوله و قرار دادن آن در راستای حفاری ایجاد شرایط مناسب جهت بستن لوله­ ها به یکدیگر است که این موضوع با استفاده از مکانیزم­ های ساده مکانیکی که در اشکال 10 و 11 آمده انجام می­شود.

شکل 10

شکل 11

در تاپ درایو جهت اتصال دنده لوله ­های حفاری به یکدیگر از ابزاری با عنوان آچار واردکننده گشتاور (Torque Wrench) استفاده می­شود. (شکل 12) این آچار حرکت محوری لوله ­ها را برای باز و بسته شدن تأمین نموده، همچنین راستای لوله را مطابق با راستای حفاری قرار می­دهد. معمولاً عملکرد آن به صورت اتوماتیک بوده و برای یک محدوده وسیعی از ماشین­های حفاری استفاده می­شود Torque Wrench بین گیربکس و مکانیزم حمل لوله (Pipe Handler) قرار دارد. برای اتصال بهتر و ایجاد اصطکاک بیشتر در آچار همانطور که قبلاً عنوان شد از زائده­هایی از جنس سرامیک که از کیفیت بالایی برخوردار هستند استفاده می­شود.

شکل 12

از دیگر مزایای تورک رنچ اعمال نیروی چرخشی جهت بستن لوله­ ها به صورت کاملاً متقارن است در بعضی از انواع تاپ درایو جهت جلوگیری از اعمال نیروی اضافی تورک رنچ به لوله­ های حفاری از مکانیزمی استفاده شده است که کنترل کننده گشتاور وارد به لوله­ های حفاری در حین اتصال است. این موضوع علاوه بر کاهش زمان اتصال باعث طولانی­تر شدن عمر لوله­ ها خواهد شد.

شکل­های 13 و 14 مکانیزمی که لوله­ ها را به هم نزدیک کرده تا آماده پیچاندن شود را نشان می­دهد. شکل (15) نمایی از یک جک نگهدارنده و پیچاننده لوله را نشان می­دهد.

شکل 13

شکل 14

عملکرد تاپ درایو

در تاپ درایو مجموعه قوای محرکه که از موتور و گیربکس (Motor Drive) تشکیل شده است به همراه مفصل گردان بر روی گاید راهنما (Torque Tube) که نقش هدایت و حفظ راستای حرکت و تحمل نیروهای اعمال شده مخالف در حین حفاری را دارد نصب شده است. به این مجموعه مکانیزم حمل کننده لوله Pipe Handler و ابزار و بسته کردن لوله (Torque Wrench) اضافه می­شود. مکانیزم حفاری در تاپ درایو مطابق شرح ذیل انجام می­شود:

شکل 15

لوله ­های حفاری به میزان طول لازم به یکدیگر متصل شده (معمولاً 3 عدد لوله) و در محل مخصوص (Mouse Hole) قرار می­گیرند. تاپ درایو توسط حمل­کننده (Pipe Handler) لوله ­ها را از محل خود برداشته و به نقطه بالای دکل منتقل می­شود. لوله­ های حفاری توسط این سیستم به زیر دستگاه تاپ درایو رفته و توسط مکانیزم اتصال لوله ­ها به تاپ درایو متصل می­شود. پس از این مرحله با حرکت موتور و اعمال نیروی قائم عملیات حفاری شروع شده تا زمانی که تاپ درایو به پائین­ ترین نقطه ممکن برسد. در این مرحله موتور محرک متوقف می­شود و لوله ­ها که در داخل چاه قرار دارند توسط تجهیزات سرچاهی بر روی دهانه چاه محکم می­شوند سپس انتهای لوله توسط دستگاه باز می­شود و تاپ درایو مجدداً این سیکل را از مرحله برداشتن لوله آغاز می­کند. در این قسمت ابتدا لوله حفاری جدید از قسمت پایین به رشته حفاری موجود در داخل چاه متصل شده و بعد در قسمت بالا و مانند نوبت قبل به دستگاه تاپ درایو متصل می­شود. شکل­های (16) و (17) نحوه برداشتن لوله از مخزن لوله ­ها Mud Hole، بستن آن به دستگاه و محل حفاری توسط Top Drive را نشان می­دهد.

شکل (16) دستگاه تاپ درایو در حال برداشتن لوله

شکل (17) دستگاه تاپ درایو در حال حفاری

مزایای تاپ درایو

در این بخش بعضی از ویژگی­های تاپ درایو در مقایسه با روش Rotary table عنوان می­شود.

– کاهش زمان حفاری: از مزایای تاپ درایو حذف طول کلی (Kelly) در زمان حفاری است در واقع اپراتور توانایی تشکیل یک رشته حفاری با طول حداکثر را به طور پیوسته دارد. در طرح میز گردان همواره قسمتی از ارتفاع دکل توسط کلی اشغال می­شود که در طرح تاپ درایو دقیقاً به همان اندازه می­توان لوله حفاری استفاده نمود.

– برخورداری از دوران معکوس: با توجه به احتمال ایجاد موانع و مشکلاتی در حین حفاری در تاپ درایو به راحتی دور عکس قابل دستیابی است.

– ایمنی: با توجه به اینکه همواره جابجایی لوله ­ها به کمک مکانیزم­های حمل­کننده لوله انجام شده و حتی کنترل عملیات حفاری از راه دور مقدور می­باشد ایمنی اپراتور بیشتر است.

– تأمین نوع حفاری: امکان حفاری به صورت افقی و عمودی و تحت شرایط خاص به راحتی وجود دارد.

– کنترل اتصال و انفصال لوله ­ها: با توجه به استفاده از مکانیزم حمل و بستن لوله و فراهم شدن شرایط مناسب جهت حفظ راستای لوله­ ها در هنگام بسته شدن و همچنین با توجه به کنترل گشتاور در هنگام محکم کردن لوله­ ها عمر لوله حفاری بیشتر شده و زمان اتصال و انفصال کاهش پیدا می­کند.

– برقراری سریع­تر جریان پمپ: در تاپ درایو با توجه به کوتاهتر شدن زمان اتصال و انفصال برقراری جریان پمپ مربوط به گل حفاری سریع­تر صورت می­گیرد در نتیجه احتمال وقوع مشکلات مربوط به قطع گل حفاری به داخل چاه کمتر خواهد شد.

– افزایش عمق حفاری: به لحاظ شرایط و توانایی خاص در بعضی تاپ­درایوها دستیابی به بیشترین عمق مقدور می­باشد.

– کاهش هزینه­ها: سرعت بالاتر در عملیات حفاری و همچنین زمان کمتر هزینه عملیات حفاری را کاهش می­دهد.

معایب تاپ درایو

در تاپ درایو از آنجائیکه مسیرهای انتقال انرژی (برق، هیدرولیک) در طول دکل حرکت دارند آسیب­ پذیری آن­ها خصوصاً اگر در شرایط نامساعدی نگهداری شود قابل توجه می­باشد.

– با توجه به وزن قابل توجه کابل­ها و شلنگ­های گل حفاری پیش ­بینی تکیه­ گاه­های قوی و قابل اطمینان علاوه بر افزایش هزینه باعث سنگین ­تر شدن تجهیزات حفاری و نهایتاً دکل خواهد شد.

– با توجه به استفاده از سیستم­های هیدرولیک در پکیج­ های تاپ درایو، افت فشار ناگهانی در این سیستم ممکن است باعث اختلال در گرفتن و ثابت کردن لوله ­های حفاری شود. همچنین، معمولاً محیط استفاده از دستگاه­های TD خورنده است این موضوع می­تواند باعث کاهش ایمنی شیرهای هیدرولیک شود.

– از آنجا که استفاده از سیستم­ های هیدرولیک جهت برداشتن، نگه داشتن و بستن لوله ­ها از ضروریات این پکیج ­ها می­باشد خرابی و از کار افتادن عملکرد تاپ درایو را دچار مشکل و وقفه خواهد کرد.

– با توجه به اینکه تاپ درایو سیستم جدیدتری نسبت به روش­های جاری و مرسوم مانند Rotary Table می­باشد هزینه سرمایه­ گذاری اولیه در آن­ها بالاتر و حساسیت تعمیر و نگهداری نیز قابل توجه می­باشد.

تنوع تاپ درایو

– پکیج تاپ درایو با توجه به محل نصب و سیستم محرکه به شکل ذیل قابل تقسیم­بندی می­باشد.

تقسیم ­بندی بر حسب نوع نصب

تاپ درایو ثابت: در برخی از دکل­های حفاری دریایی گاید قائم تاپ درایو بصورت ثابت بر روی دکل نصب می­شود. در این حالت تاپ درایو به صورت یک جزء لاینفک دکل درآمده و به همراه دکل جابجا می­شود. بدیهی است از این روش در مواردی استفاده می­شود که قابلیت حمل دکل بدون دمونتاژ آن وجود دارد. تاپ درایوهای با ظرفیت بالا (بالاتر از 500 تن) معمولاً از این نوع هستند.

تاپ درایو متحرک: در نصب دکل­های خشکی که برای جایجایی، بایستی آن­ها را به قطعات مجزا تفکیک و توسط وسایلی همچون لکوموتیو یا ترن حمل نمود، نحوه اتصال تاپ درایو به دکل به گونه­ای است که در دمونتاژ دکل اختلالی ایجاد نمی­کند. همچنین تاپ درایو و اجزاء آن نیز قابلیت تفکیک و حمل با وسایط نقلیه را دارند. عموماً در این روش از تورک تیوب­های چند تکه برای نصب تاپ درایو استفاده می­شود. البته بدلیل مزایای خاص، از جمله قابلیت حمل آسان و زمان نصب کوتاه، تاپ درایوهای متحرک برای دکل­های حفاری دریایی نیز مطلوبیت دارند.

تقسیم ­بندی بر حسب نوع نیروی محرکه

به لحاظ نوع نیروی محرکه تاپ درایو به دو نوع برقی و هیدرولیکی تقسیم می­شوند.

شکل (18) نمایی از یک تاپ درایو هیدرولیکی را نشان می­دهد همانطور که در شکل مشاهده می­شود عامل اصلی حرکت چرخشی در این نوع دستگاه ­های هیدرو موتور می­باشد سایر اجزاء دیگر و عملکرد آن مانند Top Drive برقی می­باشد.

شکل (18) طرح یک تاپ درایو هیدرولیکی

تاپ درایوهای برقی خود به دو دسته AC و DC تقسیم می­شوند:

در نوع AC الکتروموتور با برق متناوب و در نوع DC با برق یکسو شده تغذیه می­شوند و بنابراین نوع الکتروموتور در این دو متفاوت خواهد بود.

مزایای استفاده از نیروی محرکه AC

– بهره­برداری بهتر از توان موتور (Variable Ferquncy Drive (VFD در دورها و گشتاورهای مختلف

– تأمین بیشترین گشتاور با دور صفر یا به عبارتی گشتاور راه­اندازی بالاتر

– کنترل کامل گردش معکوس

– آماده به کار بودن موتور در هر لحظه

– هزینه تعمیر و نگهداری کمتر

– سادگی سیستم خنک­ کنندگی موتور به دلیل عدم نیاز به جرقه­ گیر و تصفیه کننده هوا

– کاهش اختلالات هارمونیکی در VFD

مزایای استفاده از نیروی محرک DC (با فرض اینکه در اغلب دکل­های موجود سیستم برق dc وجود دارد)

– سرمایه­ گذاری کمتر

– تکنولوژی مطمئن

– آموزش کمتر

معایب استفاده از نیروی محرک AC

1- میزان سرمایه­ گذاری بیشتر (در دراز مدت بعلت کاهش هزینه تعمیر و نگهداری جبران خواهد شد)

2- نیاز به آموزش

معایب استفاده از نیروی محرک DC

1- حجم، وزن و قیمت بالاتر موتور DC

2- هزینه تعمیر و نگهداری بیشتر

3- عدم دسترسی به بیشترین گشتاور در سرعت صفر

4- کاهش قابلیت کنترل در زمان حفاری

5- تکنولوژی قدیمی

سازندگان معتبر تاپ درایو در جهان

سازندگان جهانی تاپ درایو را از نظر جغرافیایی می­توان به دو دسته تقسیم نمود:

– سازندگان آمریکایی

– سازندگان اروپایی

از سازندگان آمریکایی می­توان به TESCO و OIL WELL NATIONAL و CANRIG و VRACO و DRECO اشاره نمود.

از جمله سازندگان معتبر اروپایی شرکت­های MH و HYDRALIFT و SOILMEC می­باشند.

ضمناً در قاره آسیا جدیداً کشور چین در ساخت تاپ درایو وارد شده است که اطلاعات دقیقی از سازندگان آن کشور در دسترس نمی­باشد.

4- در این بخش جهت آشنایی بیشتر مشخصات فنی یک دستگاه تاپ درایو نمونه مدل (1250 AC – 681 شرکت CANRIG) ارائه می­گردد.

ظرفیت حمل بار دستگاه در حالت استاتیک	500 tons                  454 Tonnes
نوع موتور	AC
قدرت خروجی بصورت پیوسته بصورت متناوب	1 150 HP                   860 Kw 1 400 HP                1 040 Kw
نسبت دور	6.808:1
گشتاور خروجی پیوسته	51 400 ft-lb (69 700 Nm) @ 120 RPM
گشتاور خروجی متناوب	72 200 ft-lb (97 800 Nm) @ 120 RPM
گشتاور در ماکزیمم دور	18 000 ft-lb (24 400 Nm) @ 270 RPM
گشتاور ترمزی	52 300 ft-lb              70 900 Nm
ماکزیمم گشتاور موتور	61 200 ft-lb              83 000 Nm
ماکزیمم گشتاور انتقالی توسط دستگاه	90 000 ft-lb             122 000 Nm
میزان چرخش بازوهای حمل­کننده	بدون محدودیت و قابل کنترل از راه دور
تعداد وضعیت ثابت بازوهای حمل­کننده	418 وضعیت و قابل کنترل از راه دور
مشخصات بلوئر سیستم خنک کن موتور تاپ درایو	15 HP, 2 800 scfm (11 Kw , 80 m3 /min)
مشخصات پمپ سیستم روغن­کاری	2 HP , 4 GPM      (1.5 Kw , 15 l/min)
مشخصات سیستم هیدرولیک	12 GPM                45 l/min 2 350 PSI              16 200 KPa دارای سیستم کنترل جبران فشار
موتور الکتریکی ماکزیمم جریان پیوسته ماکزیمم جریان متناوب ماکزیمم ولتاژ فرکانس	GE B20 AC Moror 1 060 Amps 1 470 Amps 575    VAC 0 – 140 Hz
وزن	29 000 lb                      13 200 Kg