鉆井鉆柱升沉補償系統國內研究現狀及發展重點

熊云峰，陳章蘭

(集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021)

0 引 言

海洋浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺在波浪的作用下，產生的升沉運動將帶動鉆井架和鉆柱一起上下往復運動。如果不安裝鉆柱升沉補償系統來平抑這種運動，就會造成鉆柱疲勞和井底鉆壓波動，嚴重影響鉆井安全性和效率，降低鉆頭和鉆桿壽命[1–3]。鉆柱升沉補償系統已成為海洋鉆井安全生產必不可少的配置之一。

目前，浮式鉆井鉆柱升沉補償系統基本上被歐美發達國家所壟斷，我國尚不具備獨立設計制造這種系統的能力，導致我國在用的這種系統基本上都是從國外引進，不僅價格昂貴，而且在技術上還受制于人，已成為阻礙我國海上石油開采工業健康發展的瓶頸問題[1–3]。因此，對國內海洋鉆井鉆柱升沉補償系統研究現狀進行認真梳理、總結，進而提出合理的研發重點，對提高我國鉆柱升沉補償系統的設計制造能力、推進海洋鉆井主要裝備國產化具有重要意義。

1 補償型式分類及其比較分析

1.1 補償型式分類

目前，鉆井鉆柱升沉補償裝置的常用分類方式主要有2種，一種是按動力供應方式分為主動式（Active Heave Compensation，AHC）、被動式（Passive Heave Compensation，PHC）和半主動式（Semi-active Heave Compensation，SAHC）等 3 類升沉補償裝置[1–3]，另一種是按安裝位置和結構形式分為伸縮鉆桿、天車型、游車型、絞車型及死繩等5類升沉補償裝置[1–3]。

1.2 補償型式的對比分析

1）AHC、PHC和SAHC三類補償型式的原理示意圖分別如圖1～圖3所示，其對比分析如表1所示[1–3]。

2）目前，伸縮鉆桿和死繩升沉補償裝置已極少應用。游車型、天車型、絞車型升沉補償裝置的示意圖如圖4～圖5所示，其對比分析如表2所示[1–3]。

2 國內研究現狀

我國對鉆井鉆柱升沉補償系統的研究起步較晚，前些年發表的研究成果較少。近幾年來，國內科研人員逐漸重視并開展了鉆井鉆柱升沉補償系統的科學研究，取得了不少研究成果。文獻[4–6]已對5年前國內鉆柱升沉補償系統的研究現狀進行分析歸納，故本文僅對近5年來國內游車型、天車型和絞車型升沉補償系統的研究現狀作全面梳理和總結。

表1 AHC，PHC與SAHC三種補償裝置的對比分析[1 – 3]Tab.1 The comparative analysis of AHC，PHC and SAHC

表2 游車型、天車型和絞車型三種補償裝置的對比分析Tab.2 The comparative analysis of heave compensation device

2.1 游車型升沉補償系統研究概況

2012年，黃崇軍[2]深入總結了游車型鉆柱升沉補償系統的優缺點，設計出了一種基于齒輪齒條傳動的雙杠倒置的新型游車型鉆柱升沉補償系統（其結構示意圖如圖7所示），并運用AMESim軟件完成了該系統動態仿真分析，驗證了該系統的可行性。

2013年，胡小東[7]深入分析了串聯式和并聯式的半主動式鉆柱升沉補償器的補償機理，提出一種以補償系統輸出壓力恒定為控制目標的半主動式鉆柱升沉補償器主要結構參數的計算思路，設計并通過仿真分析驗證了以伺服閥組成補償回路的鉆柱升沉補償裝置模擬試驗系統的補償效果更好。姜浩[8]設計了一種新型的以變量泵、電液比例方向閥和氣液蓄能器來控制補償缸活塞桿運動的半主動式鉆柱升沉補償系統，完成了系統的結構設計、液壓和電控系統設計、控制策略和運行規律分析、仿真與模擬試驗研究等，驗證了該系統補償效果良好。

2014年，陳武雄[9]運用AMESim軟件分別對采用泵控、閥控和閥控-泵控3種控制策略的半主動式游車型升沉補償系統進行仿真分析，得出了閥控-泵控策略為最優的結論；開展了WinCC-PLC控制系統及其與“工控機-采集卡”控制系統的實驗對比研究，試驗結果證明“工控機-采集卡”控制系統的補償效果更好。

2015年，康建偉[10]設計了一種新型的基于復合式液壓補償缸的半主動式游車型升沉補償系統，并運用AMESim軟件對該系統進行了動態仿真分析，驗證了該系統的可行性和實用性。姚樹新[11]綜合運用負載敏感閥技術和壓力補償技術，提出了一種液壓串聯式半主動游車型升沉補償系統，開展了液壓系統的參數匹配和補償系統的仿真分析，證明在補償系統中合理利用負載敏感閥技術能夠提高補償效果。

2017年，田德寶等[12]基于PROFIBUS-DP方式，以S7-400PLC和ET200M作為主從站，構建了1套半主動式鉆柱升沉補償裝置的電液控制系統（見圖8），設計了相應的控制軟件，并通過實驗驗證了該系統具有很好的控制效果。鄢華林等[13]構建了一種基于PDF（偽微分）算法的主動式波浪補償液壓伺服驅動系統的數學模型，并運用Matlab/Simulink對模型進行仿真分析，證明了將PDF算法引入電液控制系統后，系統的控制效果明顯提高。

2.2 天車型升沉補償系統研究概況

2014年李俊等[14]基于氣液彈簧補償原理，設計了采用“傾斜雙缸-直立雙缸”結構的天車型升沉補償系統，完成了系統的液壓仿真、參數計算、控制策略設計、能耗分析、結構設計，取得了預期效果。

2015年，李志剛等[1]開展了天車升沉補償裝置總體方案設計、結構拓撲設計、工作工況分析，通過理論計算與分析，驗證了半主動式天車升沉補償裝置的可行性和可靠性。張萌等[15]研制了一種基于模糊PID控制器的主動式鉆柱升沉補償系統模擬實驗臺，運用Matlab和LabVIEW軟件搭建了實時控制系統，通過模擬實驗表明補償裝置能夠補償高低不同頻率的升沉運動，補償率都在70%以上。

2016年，余德泉等[16]開展了波浪載荷分析和海洋平臺應研究，設計出了天車型半主動式波浪補償裝置的系統功能圖，建立了深水鉆井波浪補償裝置的總技術指標體系。徐濤[17]分析了深海鉆井平臺的升沉運動機理以及升沉補償裝置的補償機理，設計了一種新型的采用齒輪齒條機械驅動機構和鋼絲繩搖臂機構的天車升沉補償裝置（見圖9），開展了補償裝置總體方案及結構設計，并運用AMESim和Matlab軟件對“泵控-閥控”液壓系統和機械驅動機構進行了仿真分析。趙斌等[18]提出了一種基于液壓補償油缸的天車型深水鉆機升沉補償裝置方案，對液壓補償缸進行了設計，并運用Ansys軟件對活塞桿、缸筒、端蓋等重要部件進行了數值分析。

2.3 絞車型升沉補償系統研究概況

2013年，劉美英[19]提出了半主動式液壓絞車升沉補償系統，設計并計算了補償絞車結構參數和液壓傳動系統，完成了補償系統的功率配置、液壓馬達的選型和補償系統的仿真分析等工作，表明該系統具有較好補償效果。

2014年，李仲蘭[3]提出了一種雙伺服電機驅動絞車的主動式恒鉆壓升沉補償方案，完成了補償系統的運動分析以及海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、模擬實驗裝置等的設計工作，并設計了一套基于PLC和PROFIBUS-DP的伺服電機驅動絞車的智能控制系統（見圖10），提高了系統的穩定性、靈活性和可視性。

2015年，葛友明[20]設計了一種釆用直驅容積控制的液壓變量馬達驅動的絞車型升沉補償方案，通過蓄能器和液壓變壓器組成的能量回收機構實現了對能量的回收和復用，運用AMESim與Smulink軟件進行了仿真分析。張彥廷等[21]根據對鉆井補償絞車系統的功率和能耗的計算結果，對半主動式補償絞車的電-液驅動方案與關鍵結構參數進行了優化設計，據此建立了一套優化后的電液驅動的半主動式絞車補償系統方案，并通過原理樣機的實驗結果證明該方案可行。王龍[22]基于恒張力原理，設計了一種依靠伺服電機提供動力的采用模糊自適應PID控制系統的主動式絞車型升沉補償裝置（見圖11），完成了絞車結構、伺服系統、控制系統等的設計計算工作、通過對模糊自適應PID控制系統的仿真分析，表明該裝置補償效果較好。

2016年，洪永[23]基于液壓變壓器能量回收和DDVC（直驅容積控制）技術，提出了集成“移反饋補償-速度預測補償”為一體的改進型控制方案（見圖12），建立了基于速度預測補償方案和“變轉速-變排量”的直驅泵控控制方案的絞車型升沉補償系統，并運用AMESim軟件對補償系統進行了仿真模擬實驗分析，驗證了補償系統的響應特性和補償精度均得到明顯改善。張彥廷等[24]根據相似原理研制了一套具有造波、加載、升沉補償與自動送鉆等試驗功能的補償絞車原理樣機及其液壓試驗系統，基于“工控機-采集卡”控制模式設計了電控系統，通過模擬實驗驗證了補償絞車具有良好的控制效果和節能效果。

3 發展重點

雖然我國在鉆井鉆柱升沉補償系統的研究方面已經取得了不少研究成果，但時至今日，我國尚不具備獨立設計制造這種系統的能力。因此，為了早日扭轉這種不利局面，加快推進鉆井鉆柱升沉補償裝置的國產化步伐，應組織力量，重點開展以下研究：

1）在真實環境和工況下浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺的運動規律

應利用現代耐波性理論和建模技術建立由浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺、隔水管系統、鉆柱系統等組成的多體系統模型，開展在不同水深、風浪波浪等級、洋流和使用不同類型鉆井裝備條件下的浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺的運動規律、特別是升沉運動特性（如波高、頻率等）的研究，準確獲得波浪補償系統的輸入參數[4]。

2）在復雜海洋環境下的鉆頭運動的變化規律

構建在深海鉆井工況條件下的鉆井系統（鉆井-鉆柱-巖石系統）的動力學模型，對處于復雜海洋環境下的鉆井系統的動力學特性進行研究，總結出引起鉆柱振動的一般規律；研究基于浮式鉆井平臺和深海鉆井系統動力學耦合作用下的升沉補償裝置的工作機理，找到引起浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺波動和鉆柱振動引起井下鉆頭運動的變化規律[4]。

3）鉆井鉆柱及波浪補償器耦合系統的響應特性

建立鉆柱及波浪補償器耦合物理系統的數學模型，并推導出耦合系統的傳遞函數。分析在各諧波激勵作用下的時域響應特性及各頻率諧波激勵時耦合鉆柱等剛體后發生的動力學特性的偏移作用[4]。以多諧波模擬非規則波作用下船體升沉激勵頻率的多值情況，獲得鉆柱及補償器耦合系統響應特性，揭示多自由度動力學系統時域和頻域2個維度的補償機理。

4）鉆井鉆柱升沉補償裝置的控制策略與技術

開展最優控制、PID控制、神經網絡控制、自適應控制、模糊控制算法、魯棒控制等在升沉補償裝置中的應用研究，尋找更為科學的控制策略；開展閥控-泵控液壓、液壓伺服、負載敏感、PLC控制技術等其它現代智能控制技術在升沉補償裝置的應用研究，搭建更為高效的智能控制系統，提高補償系統的快速響應能力和補償效果。

5）鉆柱升沉補償裝置的虛擬樣機及仿真分析技術

加強升沉補償裝置的虛擬樣機技術的研究，開展AMESim與Smulink等仿真軟件在升沉補償裝置研發中的應用研究，找尋更為有效的虛擬樣機技術和仿真分析方法，為升沉補償系統的研究與開發提供可靠的理論依據和驗證手段。

4 結 語

鉆柱升沉補償系統是海洋浮式鉆井平臺必不可少的組成部分，是保證海洋鉆井安全高效作業的關鍵系統。響應更快、精度更高、負載更大、成本更低是鉆井鉆柱升沉補償系統的發展趨勢[6]。國內相關科研人員應緊跟世界科技發展潮流，充分借鑒已有的科研成果，加強鉆柱升沉補償系統的關鍵技術研究，盡快設計建造出擁有自主知識產權的鉆柱升沉補償系統，加快科技成果轉化及產業化，切實提高我國海洋油氣勘探開采裝置的國產化水平。