主被動結合型鉆柱升沉補償裝置

賈俊梁，閆文輝，王維旭，孫江峰

·開發應用·

主被動結合型鉆柱升沉補償裝置

賈俊梁1，2，閆文輝1，王維旭2，3，孫江峰2，3

（1．西安石油大學機械工程學院，西安710065；2．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；3．國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）

介紹了一種主被動結合型鉆柱升沉補償裝置，重點對其主動補償部分的系統構成、工作原理、操作及控制原理進行了闡述。該系統通過對船體升沉及油缸位移的監測，利用P L C控制伺服閥的開口大小和流向，分別給主動補償油缸的上下腔體供油，提供合適的附加力，從而提高升沉補償的精度。該裝置既可在被動模式下作為被動補償器單獨使用，也可主被動結合使用，在減小能耗的基礎上提高補償精度，適用的海況范圍更廣。

升沉補償；鉆井；原理

近年來，隨著世界范圍內油氣資源消耗的遞增和陸地原油開采速度的加快，油氣的開采開始由陸地轉向海洋，特別是向深海水域延伸。在深海鉆井時，平臺或鉆井船在海浪的作用下，將產生周期性的升沉運動，并使鉆柱上下往復運動，從而造成井底鉆壓變化，甚至使鉆頭脫離井底影響鉆進，故必須采取鉆柱升沉運動的補償措施。

深海鉆井鉆柱升沉的補償措施根據安裝位置和結構，主要有伸縮鉆桿、游車大鉤、天車、快繩（死繩）和絞車升沉補償等幾種形式［1］。鉆柱升沉補償裝置通常采用液壓驅動方式，主要有被動式、主動式、被動＋主動式3種形式［2］。

被動式升沉補償系統相當于1個大型液氣彈簧，依靠海浪的舉升力和船自身的重力來壓縮和釋放蓄能器的壓縮空氣，來減小升沉幅度以實現補償［3］。被動補償的優點是：在運行期間幾乎不消耗能量。其缺點是：由于摩擦力和慣性的存在以及蓄能器壓力的變化，被動補償滯后較大，補償的性能較差；另外，系統補償性能的可調節性差，在被動系統完成后，除通過增減空氣瓶的數量來調節其補償性能外，沒有其他方式來調節。

主動升沉補償系統通過液壓泵連續地給主動補償缸的兩端輸入液壓油，主動補償缸承擔整個鉆柱的重力，通過檢測油缸活塞及船體的位移，通過P L C控制使油缸活塞的位移與浮式平臺的升沉盡可能協調一致。其優點是：系統的補償精度高，性能比較穩定，可通過P L C程序來調節其補償的性能；其缺點是：需要的能耗很高。由于所有的鉆柱重力由主動補償缸來承擔，在工作中其能量的消耗是非常大的，且由于油缸及能耗的限制，無法應用于大型鉆機系統。

為了在提高補償系統精度的同時降低系統能耗，本文在被動式鉆柱升沉補償裝置的基礎上，增設了主動補償系統，提出了一種游車型主被動結合的鉆柱升沉補償裝置。該裝置的被動補償系統部分的原理與被動式鉆柱升沉補償裝置氣液控制系統的原理［4］相同，本文將不再詳細描述。本文著重對該型鉆柱升沉補償裝置的主被動結合工作模式下的系統構成、工作原理、操作及控制進行介紹。

1　系統整體方案

該主被動結合型升沉補償裝置由被動補償系統和主動補償系統2個相輔相成而又各自獨立的系統構成，它既可以用被動補償系統單獨工作，也可以主被動補償系統結合工作。該裝置有被動和主被動結合2種工作模式。

1．1 被動工作模式

在被動工作模式下，主動補償系統不參與工作，僅被動補償系統工作。鉆柱載荷由被動補償缸承擔，主動補償缸隨動。

1．2 主被動結合工作模式

在該模式下，主動補償系統與被動補償系統結合一起參與工作，鉆柱載荷仍主要由被動補償缸承擔，主動補償缸僅提供主動附加力。利用主動油缸輸出的主動力抵消油缸摩擦力、鉆柱在鉆井液中摩擦力、液氣彈簧恢復力及慣性等相關因素的影響，使油缸的升沉與船體的升沉運動曲線盡可能吻合，可在提高系統補償精度的同時，降低系統的能耗。

該裝置在海況較好時用被動工作模式，可在節省能量消耗的同時穩定井底鉆壓，更經濟地鉆井；在海況較差及下放B O P等海底井口設備作業，需要更高的補償精度時，用主被動結合工作模式，以滿足現場作業的需要。

2　主動補償系統構成

主動補償系統由機械液壓部分和P L C控制部分組成。

2．1 機械液壓部分

主被動結合鉆柱升沉補償裝置的主動補償系統機械部分構成如圖1所示。

主動補償油缸和被動補償油缸各2個，均采用活塞桿向下布置，油缸體均安裝在上框架上。由于被動補償油缸為主承載缸，布置在補償器本體中間，主動補償油缸布置在兩側。游車與上框架作為一體。主、被動油缸的活塞與下框架相連，下框架下懸掛頂驅及鉆柱等。主被動的4個油缸的行程相同，并聯排列，共同承擔頂驅及鉆柱重力。在工作時，4個油缸的活塞位移一致。

上下框架的鎖緊裝置用于補償油缸完全縮回時，將上下框架固定，補償系統不工作，常在起鉆及鉆井間歇期封存時使用。

兩位兩通電磁閥用于連通主動補償油缸的上、下缸體腔室。在僅被動補償系統工作時，兩位兩通電磁閥連通主動補償油缸的上、下缸體腔室，主動補償缸隨被動補償缸的上、下升沉運動，以免由于主動缸的腔體內阻而增加被動補償系統的摩阻力。當主被動系統結合工作時，兩位兩通電磁閥關閉，主動補償油缸的上、下腔體完全隔離，主動油缸提供1個附加作用力。兩位兩通電磁閥的關閉和接通由P L C控制。

伺服閥用于快速地同時向主動補償油缸的上或下缸體腔室通液壓油，從而使主動油缸伸出或縮回，其開啟方向和開啟度由P L C控制。

兩位兩通電磁閥和伺服閥組合在1個閥塊，安裝在補償器本體上，盡可能減小與主動油缸的距離，以便于減小由于液壓油流動而引起的延遲。由于伺服閥具有靈敏度高、動態性能好、響應速度快以及抗干擾能力強等特點，采用伺服閥可以提高液壓油流量控制的精度和系統響應速度。

主動補償液壓站主要由壓力表及系統壓力傳感器、電機、液壓泵、濾芯、油箱等部件組成，如圖1。主動補償液壓站和組合式閥塊通過管線、軟管連接，為主動補償油缸提供液壓動力。

圖1　主動補償系統機械部分原理

2.2 PLC控制部分

PL C控制系統主要由P L C控制、運動參考單元（M R U）、油缸位移傳感器及司鉆控制盤組成，控制系統如圖2所示。

運動參考單元（M R U）安裝在船體上，實時反饋船體升沉運動的參數信號至P L C控制。油缸位移傳感器安裝在主動補償缸上，實時反饋油缸活塞的位移參數信號至PL C。系統壓力傳感器安裝在液壓站上，反饋主動補償液壓系統的壓力信號至P L C。司鉆控制盤安裝在司鉆房內，便于司鉆進行操作。PL C控制系統收集運動參考單元（M R U）、油缸位移傳感器及系統壓力的信號，來通過分析、對比及邏輯判斷，實現控制液壓站電機的啟停、兩位兩通電磁閥的通斷及伺服閥的開啟方向和開啟度。伺服閥同時也實時反饋伺服閥的開啟方向和開啟度至P L C。

圖2　PLC控制系統

3　主被動結合補償工作原理

當船體在海洋中作業時，船體在波浪的作用下上下升沉運動。但由于液氣彈簧回復力及摩擦力的影響，被動油缸活塞的運動位移與船體的升沉有一定的差異，且具有一定的滯后性。在被動補償的基礎上增設主動補償系統，利用主動補償缸輸出的主動力抵消摩擦力和氣壓變化的影響，可有效地提高系統的補償效果［5］。主動補償油缸通過提供一定的附加主動力，可使油缸活塞的位移與船體的升沉更趨接近，時間上的滯后更小。當船體向上浮動時，被動補償油缸的活塞在慣性的作用下向下運動，主動油缸給1個向下的附加力，使活塞向下運動的位移增大，以與船體的升沉位移趨向一致；當船體向下浮動時，被動補償油缸的活塞在慣性的作用下向上運動，主動油缸給1個向上的附加力，使活塞向上運動的位移增大，以與船體的升沉位移趨向一致。通過主動油缸附加力的作用，可使鉆柱更好地與船體的升沉運動隔離，保持井底鉆壓的穩定。

4　操作及控制原理

主動補償的司鉆操作臺如圖3所示，主要包括系統壓力表顯示和液壓站急停、液壓站啟動和停止、主動缸補償啟動和停止的啟停按鈕。

當需要使用主被動結合補償功能時，先按液壓站啟動按鈕，啟動主動液壓站，液壓泵開始供油，但是由于伺服閥沒有動作，壓力油通過溢流閥返回油箱。然后再按主動補償啟動按鈕，主被動結合補償功能開啟。此時，P L C控制兩位兩通電磁閥關斷，主動補償油缸的上下油腔隔離。運動參考單元（M R U）采集船體升沉運動的參數并輸出給P L C控制系統。PL C控制系統根據M R U提供的運動參數，實時提取船體的升沉位移并與油缸的位移傳感器輸出的油缸位移進行對比，根據船體的升沉運動位移和油缸位移的差值，控制伺服閥的開啟度和液壓油的流向，給主動缸的上部油缸腔或下部油缸腔供油，控制主動補償油缸的移動速度和方向，使油缸活塞的運動與船體的升沉運動曲線盡可能吻合，從而減小整體補償裝置的下框架及其下部懸掛的頂驅、鉆柱相對于井底的相對移動，提升整體系統的補償效果。

當需要停止主被動結合補償時，需先按主動補償停止按鈕，主被動結合補償功能關閉。此時，P L C控制兩位兩通電磁閥接通，主動補償油缸的上下油腔接通，主動補償油缸處于隨動狀態。然后再按液壓站停止按鈕，關閉液壓泵，液壓站完全停止，系統回到被動補償系統工作狀態。

圖3　主動補償的司鉆操作臺

5　主動系統附加力估算

鑒于影響被動系統補償精度的幾個因素，主動力需要克服被動系統液氣彈簧的恢復力、油缸活塞的摩擦力及鉆桿在鉆井液內的摩擦力的影響，故主動系統附加力可由下式粗略估算，即Fa＝Fp＋f1＋f2（1）式中：Fa為主動系統附加力；Fp為液氣彈簧的恢復力；f1為油缸活塞的摩擦力；f2為鉆桿在鉆井液內的摩擦力，由于在主被動結合補償模式中，鉆桿在鉆井液中運動很小，且該摩擦力對補償精度是有益的，其數值對主動力的估算無負面影響，故可忽略不計。

設鉆井船對地球的升沉位移為X1、鉆柱對鉆井船的位移為X2，即補償油缸活塞的位移。增加主動補償系統的主要目的就是為了盡可能使X2與X1相等。若增加主動力，使油缸的位移與船體的升沉相同，則液氣彈簧的恢復力為

式中：Kp為被動系統液氣彈簧系數［6］，As為被動補償缸的有桿腔面積；p0為被動補償氣罐壓力；V0為氣罐體積。

由于主動和被動補償油缸并聯，主被動油缸的活塞位移相同。X1可由運動參考單元（M R U）測量給出，X2可由油缸位移傳感器測量給出。則油缸活塞的摩擦力為［6］

式中：c為活塞與液缸之間的摩擦因數；h為密封的有效高度；D為被動補償液缸內徑。

將式（2）～（3）代入式（1），即可估算出主動系統所需的附加力。

6　結論

1） 該裝置是在被動式鉆柱升沉補償裝置氣液控制系統原理的基礎上，增加了主動補償系統而形成的，其所需的能量僅約為純主動式補償系統的10%，補償精度與純主動式補償系統相當，鉆壓誤差可控制在±2．5%。

2） 該裝置采用主＋被動補償系統組合方式，控制簡易高效，可擴展到其他型式的補償裝置中使用。

3） 該裝置即可在被動模式下作為被動補償器單獨使用，也可在現場作業需要時，用主被動結合模式工作，作業者可根據現場情況靈活使用。

［1］ 任克忍，沈大春，王定亞，等．海洋鉆井升沉補償系統技術分析［J］．石油機械，2009，37（9）：125-128．

［2］ 白鹿，張彥廷，張作龍，等．鉆柱液壓升沉補償系統參數計算及比較分析［J］．石油礦場機械，2009，38（3）：10-13．

［3］ 姜浩，劉衍聰，張彥廷，等．浮式鉆井平臺被動升沉補償裝置設計［J］．液壓與氣動，2011（10）：50-54．

［4］ 王維旭，于興軍，賈秉彥，等．被動式鉆柱升沉補償裝置氣液控制系統的原理［J］．石油礦場機械，2011，40（2）：30-33．

［5］ 張彥廷，劉振東，姜浩，等．浮式鉆井平臺升沉補償系統主動力研究［J］．石油礦場機械，2010，39（4）：1-4．

［6］ 方華燦．海洋鉆井船升沉補償裝置的設計［J］．石油礦場機械，1976（5）：25-38．

Active and Passive Com bination Drill String Heave Com pensation Device

JIA Junliang1，2，YANWenhui1，WANGWeixu2，3，SUN Jiangfeng2，3
（1.College of M echanical Engineering，Xi’an Shiyou Uniuersity，Xi’an710065，China；2.Baoji Oilfield M achinery Co.，Ltd.，Baoji721002，China；3.N ational Oil&Gas Drilling Equip ment Engineering Research Center，Baoji721002，China）

O ne kind of active and passive co m bination drill string co m pensation device is introduced，mainly its system constitution，operation and control principle．Through m onitoring the hull heave and oil cylinder displacement，P L C system was used to control servo valve open angle and flow direction supply hydraulic pressure oilto the upper or botto m cha m ber of active co m pensation cylinder，the system can provide appropriate additionalforce，so as to im prove the precision of the heave co m pensation．T his device can w ork in passive m ode as a passive co m pensator alone，also can w ork in active and passive co m bination m ode，improving the precision of the heave compensation on the basis of reducing energy consu me，and can be appl ied in extended weather windows．

heave co m pensation；drilling；theory

T E951

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．013

1001-3482（2015）01-0052-04

2014-07-11

國家高技術研究發展計劃（863計劃）“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”（2012 A A09 A203）

賈俊梁（1981-），男，山西運城人，工程師，碩士研究生，主要從事海洋石油裝備技術研究，E-mail：jiajunliang2013 ＠163．co m。