深水鉆井平臺被動補償式鋼絲繩搖臂機構設計與分析＊

徐 濤 劉清友

（1.西南石油大學機電工程學院 四川成都 610500；2.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）

徐濤，劉清友.深水鉆井平臺被動補償式鋼絲繩搖臂機構設計與分析［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：92-97.

由于深水油氣開發所屬環境的特殊性，使得鉆井平臺或鉆井船在外界波、浪、流的作用下產生升沉、縱蕩、橫蕩、平搖、橫搖和縱搖等6個自由度的復雜空間運動，其中升沉運動會引起井底鉆壓產生波動，嚴重影響鉆井效率［1-2］。目前，為解決深水鉆井平臺的升沉補償問題，均采取增加升沉補償裝置對此類運動進行補償，以保持井底鉆壓的穩定，提高深水鉆井作業的效率和安全。

天車升沉補償裝置是現場應用較早且技術可靠度較高的補償裝備。國外Burns等［3］最早提出了采用鋼絲繩搖臂機構的天車升沉補償裝置；Foreman等［4］對天車升沉補償裝置的鋼絲繩搖臂機構進行改進，提出了一種將補償液壓缸和鋼絲繩導向輪相結合的新型補償機構；Groot等［5］采用鋼絲繩與滑輪組相配合的形式替代鋼絲繩搖臂，形成了一類新的天車升沉補償結構；Haao等［6］對天車升沉補償裝置在被動補償和主動補償過程中的摩擦問題進行了研究，發現摩擦力會對井底鉆壓產生影響。國內姜浩等［7］以電液比例方向閥和變量泵為控制對象，對升沉補償裝置中液壓缸活塞運動進行了實時控制，發現閥控和泵控方式因能耗和補償效果不同而適用于不同的工況條件；王海波 等［8］通過建立拖體被動升沉補償系統的非線性仿真模型，分析發現了蓄能器壓力和流量的非線性關系促使拖體產生“深度漂移”現象；張彥廷 等［9］通過建立鋼絲繩搖臂裝置的數學模型和系統動力學數值模擬，發現搖擺裝置的結構參數對天車運動規律、受力狀態和補償性能具有較大影響。

現有的天車升沉補償裝置鋼絲繩搖臂機構并不具備能量存儲和釋放的被動補償功能，但鋼絲繩所懸掛鉆柱質量有上百噸，在使用天車升沉補償裝置對鉆柱運動進行補償過程中，鋼絲繩搖臂機構部分具有大量可利用的能量，因此通過適當改進該機構的設計和對被動補償過程進行的運動、力學和能量分析，將搖臂機構運動過程中的能量補償到天車升沉補償過程中，可提高用于升沉補償運動的能量利用率，提高補償效率。本文通過新設計的液壓缸與蓄能器裝置的配合，實現了鋼絲繩搖臂機構的被動補償的功能，達到了提高裝置能量利用率和補償效率的目的。

1 被動補償式鋼絲繩搖臂機構設計

現投入使用的深水鉆井平臺天車升沉補償裝置如圖1所示，主要由補償液壓缸、浮動天車、鋼絲繩搖臂機構和天車導軌等組成。其中，鋼絲繩搖臂機構主要用來減少鋼絲繩運動過程中的纏繞次數以提高疲勞壽命，主要通過兩搖臂撐桿配合導向輪（一端將鉆井鋼絲繩從絞車導入天車，另一端導入死繩固定器），運動過程中大量可利用的能量能夠通過被動補償裝置的設計用于天車升沉補償過程中。

圖1 深水鉆井平臺天車升沉補償裝置Fig.1 Crown-block heave compensation device of deep water drilling platform

新設計的帶有被動補償功能的深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構示意圖見圖2，被動補償功能主要通過帶有蓄能器的液壓缸實現，液壓缸活塞桿與鋼絲繩搖臂機構中的搖臂撐桿1和撐桿2的移動鉸相連接，被動補償過程如下：絞車快繩繞過快繩導向輪和搖臂導向輪后進入天車和游車中進行纏繞，搖臂導向輪在保證鋼絲繩確定運動軌跡的情況下有助于減輕鋼絲繩在升沉補償運動過程中的磨損，搖臂撐桿1和搖臂撐桿2可繞移動鉸靈活轉動。

圖2 深水鉆井平臺被動補償式鋼絲繩搖臂機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of passive compensation wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

當深水鉆井平臺在外界環境載荷作用下產生向上的升沉運動時［10-11］，天車升沉補償裝置的浮動天車在外力驅動下在天車導軌內實現向下運動以進行位移補償，鋼絲繩搖臂機構的移動鉸向靠近井架的方向運動，由于鋼絲繩所懸掛的鉆柱質量較大，使其在搖臂運動過程中對搖臂導向輪產生較大壓力，通過移動鉸與導向輪相連的液壓缸活塞桿受壓力將收縮并對液壓缸中的液壓油進行壓縮，并利用蓄能器實現能量的儲存；當深水鉆井平臺產生向下的運動時，需要浮動天車向上運動進行運動補償，鋼絲繩搖臂機構的移動鉸隨之向遠離井架的方向運動，此時蓄能器釋放前一運動中儲存的能量推動活塞桿向外運動，通過搖臂導向輪帶動鋼絲繩所懸掛的鉆柱向上運動，減輕外界補償能量的供給。圖3為深水鉆井平臺被動補償式鋼絲繩搖臂機構三維模型，液壓缸與蓄能器的相互配合，實現了鋼絲繩搖臂機構在升沉補償運動過程中的能量儲存和釋放，使鋼絲繩搖臂機構具有被動補償的功能，能有效地提高能量利用率和運動補償效率。

圖3 深水鉆井平臺被動補償式鋼絲繩搖臂機構三維模型Fig.3 3D model of passive compensation wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

2 鋼絲繩搖臂機構被動補償分析

2.1 運動分析

圖4為深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構運動示意圖。將鋼絲繩搖臂機構簡化為帶有被動補償液壓缸的偏置搖桿滑塊機構和滑塊的浮動天車在固定直軌道上做往復直線運動，搖臂撐桿1和搖臂撐桿2分別簡化為連桿和搖桿，液壓缸活塞桿與連桿移動端相連接。

圖4 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構運動示意圖Fig.4 Movement schematic diagram of wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

結合圖2和圖4，對具有被動補償功能的天車升沉補償裝置鋼絲繩搖臂機構進行運動分析。建立以搖臂撐桿1固定位移點O為原點的直角坐標系，搖臂撐桿1長度為P1，搖臂撐桿2長度為P2，帶有被動補償功能的液壓缸距兩坐標系的固定距離分別為S1和L1，撐桿1沿坐標原點做順時針運動，選取運動過程中的2個階段進行運動分析，撐桿1與橫坐標夾角為α1和α2，撐桿2與滑塊直軌道夾角為β1和β2，則位移補償運動過程中液壓缸被壓縮量Δq為

浮動天車的升沉補償位移L為

2.2 被動補償能量分析

鋼絲繩搖臂機構的被動補償能量主要來源于浮動天車在升沉運動補償過程中，通過鋼絲繩在搖臂導向輪上的收縮移動對液壓缸活塞桿產生壓力，使氣液蓄能器發生壓縮能量的存儲，同時可通過氣液蓄能器釋放所存儲的能量使液壓缸活塞桿推動鋼絲繩運動，對浮動天車的升沉運動進行被動補償。該機構在被動補償過程中由鋼絲繩、液壓缸活塞桿、液壓缸內液壓油和氣液蓄能器中氣體組成了一個完整的能量循環系統。為分析該機構在被動補償運動過程中的受力情況和流體流動情況，建立了鋼絲繩搖臂機構被動補償模型，如圖5所示。

設鋼絲繩通過搖臂導向輪作用到液壓缸活塞面上的載荷為F，液壓缸活塞質量和面積分別為mb和Ab，液壓缸無桿腔壓力、容積和管路壓力分別為PL、Vb和Pz，液壓缸通過管路流入氣液蓄能器的流量為qL，氣液蓄能器儲氣罐在被動補償過程中的壓力和活塞面積分別為Pz和Az，建立液壓缸中流體的流量模型［12］，則液壓缸內液壓油的連續性方程和活塞運動平衡方程分別為

式（3）、（4）中：vb為活塞運動速度PL為液壓缸無桿腔液體壓力，MPa；F為活塞桿載荷，N；λc為管路泄漏系數；c為缸內液壓油的粘性阻尼系數；K為油液體積彈性模量，MPa。

圖5 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構被動補償模型Fig.5 Passive compensation model of wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

方程中的粘性阻尼系數c和油液體積彈性模量K可由下式計算：

式（5）、（6）中：vg為液壓缸內的液體流速，m／s；γ為與壓力損失有關的速度指數，根據實驗數據取1.2；D為實驗系數；ΔV為油液體積改變量，m3；ΔP為與ΔV相對應的油液壓力改變量，MPa；V0為初始狀態油液體積，m3。

對于未混入空氣的礦物油型液壓油［13］，其體積彈性模量K一般依據經驗取值為700 MPa。

3 算例分析

在天車升沉補償裝置進行升沉補償過程中，鋼絲繩搖臂機構所受負載主要包括鉆柱、游車大鉤、頂驅和天車升沉補償裝置部件的質量。選取一口設計井，井深為6 000 m，鉆頭尺寸為215.9 mm，最大鉆壓為16 t，鉆井液浮力系數為0.808 9［14］，對天車升沉補償裝置的結構進行計算，求得天車總負載質量M為240 t。浮動天車有8個滑輪，其中有7個為負重滑輪，1個為運動輔助滑輪，由于鋼絲繩搖臂機構在浮動天車兩側對稱安裝，則浮動天車端鋼絲繩總受力

初始狀態時，浮動天車鋼絲繩與液壓缸活塞桿的夾角θ1=75°，搖臂撐桿2與滑塊直軌道夾角β1=84°，以搖臂導向輪為圓心O0，補償缸活塞桿支撐力F方向為Y0向的坐標系O0-X0Y0如圖6所示，快繩導向輪的鋼絲繩拉力為Fk，則力平衡方程為

初始狀態中搖臂撐桿1的轉動角度α1=57°，代入式（7）和式（8）中求得快繩導向輪的鋼絲繩拉力Fk=242.52 k N，補償缸活塞桿的初始壓力F=223.71 k N。

圖6 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構補償缸初始狀態受力分析Fig.6 Analysis of compensation cylinder initial state force of deep water drilling platform

為降低鋼絲繩搖臂機構被動補償部分中氣液蓄能器壓縮空氣的工作壓力，依據機械設計手冊選定被動補償系統中單作用活塞式液壓缸內徑D=200 mm。由式（4）液壓缸活塞運動平衡方程可得，鋼絲繩通過搖臂導向輪作用在液壓缸活塞的載荷與液壓缸下端無桿腔中液壓力相互平衡，則氣液蓄能器的初始工作壓力PLo為

鉆井平臺工作海域的海浪運動規律視為正弦波運動，浮式鉆井平臺在海浪波流力作用下的升沉運動規律是與海浪運動相似但幅值不同的正弦波運動。當波浪周期為5～15 s時，平臺升沉運動位移與波高的比值μ小于0.5，假設7級海況條件下的海浪波高H=8 m，海浪的運動周期T=12 s，平臺升沉位移與波高的比值μ=0.5，則鉆井平臺的升沉運動規律為

由式（9）可得，鉆井平臺隨海浪的升沉運動幅值為2 000 mm，升沉運動周期為12 s。現天車升沉補償裝置的補償位移L=4 000 mm，圖4所示的鋼絲繩搖臂機構中搖臂撐桿1的長度P1=8 278 mm，搖臂撐桿2的長度P2=4 579 mm，液壓缸距兩坐標系的固定距離分別為S1=5 497 mm和L1=1 420 mm，搖臂撐桿1轉動角度α1=57°和α2=44°，則由式（1）代入計算數據可得液壓缸被壓縮量Δq=q1-q2=1 256 mm。

在天車升沉補償運動過程中，隨著鋼絲繩搖臂機構的擺動，被動補償裝置中的液壓缸通過氣液蓄能器活塞使蓄氣瓶內空氣膨脹或壓縮，從而進行被動補償能量的釋放或儲存。假設蓄氣瓶內壓縮空氣是在等溫和忽略油液壓縮的條件下，同時依據機械設計手冊選定FGXQ1-40／20型儲氣瓶總容積Vz=800 L，HXQ-E40Z型活塞式氣液蓄能器活塞直徑Dz=200 mm，則鋼絲繩搖臂機構在天車升沉補償運動過程中被動儲存的蓄氣瓶壓力Q為

使用AMESim系統仿真平臺簡化出被動式升沉補償裝置的仿真模型如圖7所示，其中A部分表示補償缸模型，B部分表示大鉤動載輸出，C部分表示大鉤位移和速度激勵信號，D部分表示鉆柱模型，鉆井平臺隨海浪產生的升沉運動規律由式（9）確定。

圖7 深水鉆井平臺升沉補償系統仿真模型Fig.7 Simulation model of heave compensation system of deep water drilling platform

圖8 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機構升沉補償效果對比Fig.8 Effect of heave compensation contrast of deep water drilling platform

天車升沉補償裝置的補償效果如圖8所示，圖中3條曲線分別為平臺升沉運動曲線、天車升沉補償裝置對平臺運動進行補償后的大鉤位移曲線和帶有被動式鋼絲繩搖臂機構的天車升沉補償裝置進行運動補償后的大鉤位移曲線。從圖8可知，帶有被動補償式鋼絲繩搖臂機構的天車升沉補償裝置比僅有天車升沉補償裝置的補償效率提高約25%，使升沉補償效果有較大增加，有助于減小平臺升沉運動對大鉤位移造成的影響。同時，帶有被動補償式鋼絲繩搖臂機構的天車升沉補償裝置使大鉤位移變化趨勢有所減緩，可減輕井底鉆頭因平臺升沉運動造成的沖擊程度，有助于提高井底鉆壓穩定和鉆頭使用壽命。

4 結束語

鋼絲繩搖臂機構作為深水鉆井平臺天車升沉補償裝置的組成部分，在升沉補償運動過程中可減少鋼絲繩的纏繞次數和磨損，提高使用壽命。通過新設計的液壓缸與蓄能器裝置的配合，實現鋼絲繩搖臂機構的被動補償的功能，達到了提高裝置能量利用率和補償效率的目的。通過對鋼絲繩搖臂機構的運動分析，得到了被動補償液壓缸活塞桿在升沉補償過程中的伸縮規律，并發現浮動天車升沉補償位移與鋼絲繩兩搖臂撐桿的長度和轉動角度相關聯；通過對鋼絲繩搖臂機構被動補償模型的建立和分析，得到了補償液壓缸內液體流量模型和活塞的力平衡方程。工程算例分析表明，運用該機構能有效提高升沉補償效率和增加補償過程中的能量利用率。

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