新型游車大鉤升沉補償裝置設計與運動分析

劉清友，唐 洋，黃崇軍，黎 偉

(1．西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2．西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；3．中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300)

新型游車大鉤升沉補償裝置設計與運動分析

劉清友1，唐 洋2，黃崇軍3，黎 偉2

(1．西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2．西南石油大學機電工程學院，四川 成都 610500；3．中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術研究院，四川 廣漢 618300)

鉆柱升沉補償裝置是海洋鉆井設備的重要組成部分，在鉆井作業中，可補償平臺的升沉運動，在保證井底鉆壓穩定的同時，保障了鉆井效率以及鉆頭和鉆桿的使用壽命，提高鉆井安全性。目前，我國鉆柱升沉補償裝置需要從國外進口，且價格十分昂貴，因此，研發具有我國自主知識產權的海洋鉆井平臺升沉補償裝置勢在必行。在國內外升沉補償裝置相關資料的基礎上，對現有鉆柱升沉補償裝置的結構、工作原理及應用情況進行分析，并結合現用游車大鉤升沉補償裝置在使用過程各種升沉補償方式的優缺點，提出了新型升沉補償裝置的設計方案，優選出齒輪齒條式作為升沉補償裝置的新型補償方式。對新型的齒輪齒條式補償裝置進行運動分析，為新型升沉補償裝置的結構設計和仿真分析提供參考。

海洋鉆井設備； 游車； 大鉤； 升沉補償； 裝置設計； 運動分析

0 引 言

在海洋鉆井作業時，浮式鉆井平臺在波浪、海風等作用下，會發生周期性的上下升沉運動，這種周期性的升沉運動會使鉆柱產生往復運動，導致井底鉆壓發生變化，問題嚴重時會使井下鉆頭脫離井底，影響鉆進效率，降低鉆頭和鉆桿使用壽命，造成鉆井安全隱患[1-2]。在海洋鉆井作業中，增設鉆柱升沉補償系統是解決這一問題的主要方式。目前，我國鉆柱升沉補償裝置需要從國外進口，且價格十分昂貴，因此，研發具有我國自主知識產權的海洋鉆井平臺用升沉補償裝置勢在必行。本文在廣泛調研國內外升沉補償裝置相關資料的基礎上，通過對現有鉆柱升沉補償裝置的結構、工作原理及應用情況進行分析，開展了以游車大鉤升沉補償裝置為對象的新型升沉補償裝置的設計。

1 游車大鉤升沉補償裝置分析

1.1 現有游車大鉤升沉補償裝置工作原理

圖1 被動式升沉補償裝置工作原理圖Fig.1 Operating principle of passive heave compensation device

目前使用的游車升沉補償裝置基本都是液壓式升沉補償裝置。按照其升沉補償的動力提供方式可以分為三種類型：被動式升沉補償(PHC)[3]、主動式升沉補償(AHC)[4]和半主動式升沉補償(SAHC)[5]下面對它們的工作原理進行分析。

1.1.1 被動式升沉補償裝置

圖1為被動式升沉補償裝置的原理圖。被動式升沉補償裝置主要由滑輪、補償缸活塞、補償缸缸體、氣液蓄能器、蓄能器活塞、儲氣罐和管線等組成。大鉤載荷通過繞在動滑輪上的鋼絲繩將力作用到補償缸活塞上，活塞下端由液缸內的液壓力支撐，補償液缸的工作腔與氣液蓄能器相通，通過調節儲氣罐中氣體壓力，即可調節蓄能器壓力和補償缸工作腔內壓力，從而調節井底鉆壓。

1.1.2 主動式升沉補償裝置

圖2為主動式升沉補償裝置的原理圖[6]。主動式升沉補償裝置是一個閉環反饋系統，當平臺或船體隨波浪上升(或下沉)時，安裝在活塞上的位移傳感器檢測出大鉤位移，再將大鉤位移與給定信號進行比較，比較得到的偏差信號輸入控制器，經控制器計算后輸出控制信號控制泵轉速和轉向，泵將補償缸無桿腔液體排出補償缸或向無桿腔供油，使補償缸的活塞桿下降(或上升)，從而使大鉤和鉆桿回到原來位置，補償大鉤因船體升沉產生的位移。

圖2 主動式升沉補償裝置工作原理圖Fig.2 Operating principle of active heave compensation device

圖3 半主動式升沉補償裝置工作原理圖Fig.3 Operating principle of semi-active heave compensation device

1.1.3 半主動式升沉補償裝置

圖3為半主動式升沉補償裝置的原理圖[2]。半主動式升沉補償裝置在被動式升沉補償的基礎上，增加了一個由液壓泵驅動的主動缸，當平臺或船體發生升沉時，蓄能器部分發揮被動補償作用；同時，平臺或船體發生升沉后，活塞上的位移傳感器測得活塞位移，與給定位移信號比較，得到的偏差信號輸入控制器，經控制器計算后輸出控制信號，控制變量泵向主動缸的上油腔或下油腔供油，推動蓄能器活塞上下運動，改變補償缸無桿腔液體壓力，從而帶動補償缸活塞桿運動，實現對大鉤的主動補償。

1.2 游車大鉤升沉補償方式對比分析

游車大鉤的三種升沉補償裝置對比如表1所示[6]。從表1中可以看出，半主動式升沉補償裝置擁有被動式系統和主動式系統的優點，綜合性能較好，在海洋鉆井中應用最為廣泛。目前使用的半主動式升沉補償裝置均采用液壓系統，與機械系統相比仍存在以下不足：

(1) 主動部分液壓泵驅動的調壓系統結構復雜，驅動液壓缸直徑和行程都很大，制造精度要求較高，占地面積大，設備成本較高。

表1 鉆柱補償方式對比

(2) 增加一個驅動液壓缸，為防止泄漏，對系統的密封要求較高，從液壓泵到驅動液壓缸之間由于流阻引起了能量損耗。

(3) 泵在加壓時，壓力需要經過一段時間才能傳遞到驅動缸，使活塞上下運動，存在一定滯后性。

針對以上問題，本文在半主動式升沉補償裝置的基礎上，對游車大鉤升沉補償裝置的結構進行改進設計，以期達到提高補償裝置補償性能、降低系統能耗的目的。

2 新型升沉補償裝置方案設計

綜合現有的鉆柱升沉補償裝置的結構[7-9]，根據功能的需要對現有的全液壓式的升沉補償裝置的主動補償進行改進，將主動部分改為機械式方案。為控制活塞桿的直線運動，必須選取一種機構推動活塞上下運動。根據機械原理知識，常用的能夠實現直線運動的機構如表2所示。

根據實際工況和各種機構的特點對比可知，齒輪齒條機構更符合設計要求，故選用齒輪齒條式機構作為傳動機構。新型升沉補償裝置仍屬于半主動式升沉補償裝置，由被動補償和主動補償兩個部分組成。被動補償部分與半主動式升沉補償裝置相同，采用無桿腔和蓄能器相連；主動補償部分采用電機和齒輪齒條機構控制活塞桿運動，實現主動補償。圖4所示為兩種齒輪齒條式升沉補償方案。

表2 機構方案選擇

圖4 鉆柱升沉補償裝置方案選擇Fig. 4 Schemes of the drill string heave compensation device

方案一：齒條固定在游車上，齒輪固定在與活塞固連的支撐板上，齒條不動。電機帶動齒輪轉動時，齒輪和支撐板沿齒條上下運動，帶動活塞上下運動，進行升沉補償。

方案二：齒條連接在下框架上，齒條下端接頂驅，齒輪和電機安裝在液缸下端的支架上。電機帶動齒輪轉動時，齒條上下運動，進行升沉補償。

對比兩種方案：方案一齒條安裝在倍增程端，齒條長度僅為補償距離的一半，結構緊湊；而第二種方案，齒條安裝在下框架處，齒條長度與補償距離相等，尺寸較大，且穩定性不好。經比較，選擇方案一。

3 新型式升沉補償裝置的工作原理

圖5為齒輪齒條式升沉補償裝置原理圖。該新型鉆柱升沉補償裝置在正常鉆進時的工作原理如下：

圖5 新型齒輪齒條式升沉補償裝置工作原理Fig.5 Operating principle of the new rack-and-pinion heave compensation device

(1) 當船體隨波浪上浮時，補償液壓缸、活塞以及連接在活塞上端的齒輪齒條機構隨船上升。船體上升，大鉤載荷增加，作用在補償缸活塞上的力增大，補償液壓缸無桿腔的壓力增大，蓄能器中的氣體被壓縮，氣體壓力繼續增大；活塞處的位移傳感器將位移信號傳遞到控制器，控制器發出指令使變頻電機以一定角速度旋轉，帶動齒輪旋轉，活塞及活塞桿相對于缸體向下移動，大鉤向下運動，從而使大鉤不隨船體上升。

(2) 當船體隨波浪下沉時，補償液壓缸、活塞以及連接在活塞上端的齒輪齒條機構隨船下降。同時，大鉤載荷減小，作用在補償液壓缸活塞桿上的力減小，補償液壓缸無桿腔壓力減小，蓄能器氣體膨脹，氣體壓力繼續減??；活塞處的位移傳感器將位移信號傳遞到控制器，控制器發出指令使變頻電機以一定角速度旋轉，帶動齒輪反向旋轉，齒條直線上升，活塞及活塞桿相對于缸體向上移動，大鉤向上運動，從而使大鉤不隨船體下降。

新型鉆柱升沉補償裝置采用雙缸倒置系統位移補償。位移型升沉補償方案以負載的升沉位移作為主要控制信號，其首要目標是使補償對象的升沉位移為零位。在補償過程中，當負載受到一個較大的升沉位移擾動而偏離平衡位置時，通過補償裝置負載以盡可能快的速度回到平衡位置。現有的幾種升沉補償裝置均是通過控制補償液壓缸來實現主動補償，但新型的鉆柱升沉補償裝置采用變頻電機帶動齒輪齒條機構實現對活塞桿的控制。這種方案保留了無桿腔的被動補償方式，同時采用變頻電機直接驅動齒條運動實現主動補償，與純液壓的半主動式系統相比，系統的反應時間更短，省去很多管路連接，減小泄漏危險。

4 新型升沉補償裝置運動分析

當新型升沉補償裝置對大鉤位移進行補償時，補償缸的缸體和活塞桿之間會發生相對運動，齒輪和齒條之間也存在相對運動?，F對新型升沉補償裝置的運動規律進行分析[10]。

圖6為新型升沉補償裝置總體布置示意圖。新型升沉補償裝置通過上框架與游車固定在一起，游車在鋼絲繩作用下上下運動時，整個齒輪齒條式升沉補償裝置也隨之上下運動；下框架由繞過活塞桿動滑輪的鏈條或鋼絲繩懸吊在上框架的下端，下框架下端接大鉤和鉆柱。蓄能器及儲氣罐等設備安放在甲板上。

圖6 新型升沉補償裝置總體布置示意圖Fig.6 Overall schematic layout of the new heave compensation device

在對升沉補償裝置進行運動分析時，涉及到的研究對象作如下簡化[11-12]：

(1) 井架、天車、鋼絲繩、游車上框架、補償缸缸體以及安裝在游車上框架上的齒條等都可以看作是與船體固連的剛性部件，運動規律和船體升沉規律相同，將其簡化為質量為M1的船體。

(2) 游車下框架、大鉤和鉆柱構成的整體，將其簡化為質量為M2的大鉤。

(3) 活塞桿、活塞桿上端動滑輪、齒輪支撐板及齒輪等組成的整體，將其簡化為質量為Mh的活塞。

在進行運動分析時，參考系固連于地球，船體、大鉤和活塞的絕對位移分別為x1、x2和xh，規定當船體處于無風浪狀態時的平衡位置為位移零點，向上運動為正，向下運動為負。

船體升沉位移x1與海況和船體的結構形式有關，通?？梢愿鶕嶒灧椒ǖ玫酱w的升沉位移x1與波高H的關系。假設海浪的波高為H，海浪的周期為T，升沉位移與波高的比值為μ，則平臺或船體的升沉運動規律為

(1)

活塞的位移xh與升沉補償裝置的補償性能有關，位移方向與船體升沉位移x1相同，具有相同的周期，但活塞的運動滯后于船體的升沉。由于大鉤仍然存在一定位移，所以活塞位移總是小于船體升沉位移。

大鉤位移x2是鉆柱經過升沉補償裝置補償后得到的響應，其大小反映了補償效果的好壞。大鉤位移x2的值越小，系統的補償效果越好。通常經過升沉補償裝置補償后，大鉤位移的幅值都會大幅度減小，這個位移作用在鉆柱的上端，成為驅動整個鉆柱運動的激振源，從而引起井底鉆壓的變化。

船體升沉位移、大鉤位移和活塞位移三者之間的相對關系如圖7所示。

圖7 船體升沉、活塞和大鉤位移相對關系Fig.7 Displacement relationship among hull heave, pistons and hook

當船體上升位移為x1時，活塞和大鉤位移也為x1，但由于升沉補償裝置的作用，使得活塞相對補償缸缸體向下運動xb，因此活塞的相對補償缸體位移為

xb=x1-xh.

(2)

活塞桿倒置實現了倍增程，大鉤相對補償缸缸體向下運動2xb，則大鉤位移為

x2=x1-2xb=x1-2(x1-xh)=2xh-x1.

(3)

同理，當船體下降時，存在相同的運動關系。

對式(3)中的船體升沉位移、活塞位移和大鉤位移分別求一階導和二階導，則對應的速度和加速度關系為

(4)

(5)

由于齒條與游車上框架固連，因此齒條與船體升沉的運動規律完全相同。齒輪的動力是典型的平面運動，既存在與活塞運動規律相同的直線運動，又存在與齒條嚙合產生的轉動。假設齒輪半徑為r，與齒條間的傳動比為i，齒條長度為L，齒輪的平移運動的位移、速度和加速度與活塞的完全相同，轉動規律則需要由齒條的運動轉化得到。齒輪的角位移、角速度和角加速度計算公式分別為

(6)

(7)

(8)

同時，當船體發生升沉位移時，系統的輸入為船體的升沉位移。檢測系統檢測到船體發生升沉后，將信號傳給控制器，控制器通過計算將控制信號輸出，控制變頻電機工作，使齒輪以一定的轉速運轉，從而推動活塞以一定速度運動。根據活塞與大鉤間的關系可得到大鉤位移變化規律。

5 結 論

對被動式、主動式和半主動式游車大鉤升沉補償裝置的工作原理和特點進行了對比分析，發現半主動式升沉補償裝置綜合了被動式和主動式升沉補償裝置的優點，補償精度高，消耗能量低，同時在海洋鉆井中應用最為廣泛。針對目前液壓式升沉補償裝置存在的問題，結合已有的升沉補償裝置結構方案，提出一種新型的齒輪齒條式升沉補償裝置設計方案，并在此基礎上開展齒輪齒條式升沉補償裝置工作機理的研究，完成了新型升沉補償裝置鉆井工作時的運動學分析，確定了船體升沉、大鉤和活塞三者之間的運動關系，為齒輪齒條機構的設計選型提供了數據支撐，為新型升沉補償裝置的結構設計和仿真分析奠定了基礎。

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NewHeaveCompensationSystemDesignofSwimCarHook
andMotionAnalysis

LIU Qing-you1， TANG Yang2， HUANG Chong-jun3， LI Wei2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasGeologyandExploration,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China；2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China；3.Drilling&ProductionEngineeringResearchInstituteofChuanqingDrillingEngineeringCo.,Ltd.,CNPC,Guanghan,Sichuan618300,China)

The drill string heave compensation system is an important part of offshore drilling equipment. During the operation, it can compensate heave motion of the platform, ensure a stable bottom hole pressure while drilling, keep drilling efficiency, protect the life of the drill bit and drill pipe, and improve drilling safety. At present, the drill string heave compensator device needs to be imported, and the price is very expensive, so the development of heave compensation system for offshore drilling platforms with our own intellectual property is imperative. On the basis of heave compensation device-related information and analyses on the structure, working principle and application of the existing drill string heave compensation system, considering the advantages and disadvantages of different heave compensation methods in practical operations, the new design scheme is proposed for heave compensation device. The rack-and-pinion scheme is selected for the new heave compensation device after comparison. Motion analysis on the rack-and-pinion device provides a reference for the structural design and simulation analysis of new heave compensation systems.

offshore drilling equipment; swim car; hook; heave compensation; equipment design; motion analysis

P742；TE92

A

2095-7297(2014)01-0070-06

2014-02-25

國家自然科學基金(51274171)

劉清友(1965—)，男，教授，博士生導師，主要從事油氣裝備設計與仿真研究。