浮式平臺鉆柱升沉補償裝置性能及適應性分析

鄭萬里，楊 虎，樊春明，李 歡，王博芳

(1．寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2．中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002)

隨著國家海洋強國戰略的實施及“十四五”規劃的深入開展，深水油氣的勘探開發已變得越發重要。在進行深海鉆井作業時，鉆井平臺或鉆井船會隨著波浪進行縱蕩、橫蕩、升沉、縱搖、橫搖和艏搖6個自由度的運動。其中，升沉運動對平臺影響最大，使得鉆柱隨浮式鉆井平臺進行升沉運動，導致鉆頭與井底之間的鉆壓發生變化，降低鉆井效率，增加了成本，影響鉆井作業的順利進行。在BOP等水下設備安裝作業中，浮式平臺的升沉運動造成無法精確定位，安裝困難。鉆柱升沉補償裝置的作用就是對浮式平臺的升沉運動進行補償，使得深水鉆井作業得以順利進行[1-2]。

浮式平臺鉆柱升沉補償裝置有多種形式。按照補償裝置安裝位置分類，鉆柱升沉補償裝置可分為伸縮鉆桿型補償、絞車型補償、游車型補償、天車型補償和液缸補償5種形式[3]。按照其動力提供方式可分為主動式、被動式和半主動式3種形式[4-5]。浮式平臺用鉆井舉升系統分為絞車舉升和液壓缸舉升2種形式。絞車型補償、游車型補償、天車型補償形式適用于絞車舉升鉆井系統，液缸補償形式適用于液壓缸舉升鉆井系統。鉆柱升沉補償裝置的選型與舉升系統的形式相關，同時與鉆井系統各項參數的要求相關。在升沉補償裝置的選型過程中，需綜合考慮上述各項因素，進行適應性和匹配性分析。

1 鉆柱升沉補償裝置結構型式及特點

1.1 游車型鉆柱升沉補償裝置

游車型鉆柱升沉補償裝置是在游車與頂驅間裝設液缸，進行鉆柱升沉補償。游車鉆柱升沉補償裝置可分為增距式游車補償裝置和直驅式游車補償裝置。以直驅式游車補償裝置為例：

1) 當浮式平臺隨著海浪上升時，平臺帶動游車總成上升，上支撐架和補償油缸缸筒也隨之上升，由于下支撐架通過銷軸與補償油缸活塞桿連接，下支撐架會瞬間保持不動。該過程相當于補償油缸的活塞桿做伸出運動，補償油缸中油液壓入到蓄能器中積蓄能量。

2) 當平臺隨著海浪下降時，游車下沉，上支撐架和補償油缸缸筒也隨之下沉，下支撐架會瞬間保持不動。該過程相當于補償油缸的活塞桿做回縮運動，蓄能器中油液會壓入到補償油缸中，從而釋放能量。在此過程中，通過調節氣瓶壓力來適應不同的補償載荷。

游車鉆柱升沉補償裝置成功應用較早，并經歷了被動補償到半主動補償的發展過程，在海洋鉆井領域發揮了很大作用，常用于淺水鉆井或用于深水勘察船勘探取樣。產品主要以NOV公司和Aker MH公司產品為代表，如圖1～2所示。

圖1 NOV公司的增距式游車鉆柱升沉補償裝置

針對國外海洋升沉補償裝置價格昂貴的問題，寶雞石油機械有限責任公司(以下簡稱寶石機械公司)開發了180 t 浮式平臺升沉補償裝置[6-7]。該裝置以鏈條增距式結構為特點，減小了液缸的行程和運行速度，提高了使用壽命。采用速度反饋主被動聯合控制技術，并完成了靜載荷、動載荷以及主被動聯合補償等功能試驗。其中，主被動聯合補償試驗是以模擬的波浪信號為輸入，利用主動液壓系統驅動主動補償液缸進行負載跟隨試驗。試驗結果表明：180 t游車補償裝置最大靜載荷和動載荷均滿足設計要求，主動液缸驅動負載跟隨波浪信號效果良好，主動補償起到了提高補償精度的作用。圖3為寶石機械公司研制的180 t游車補償裝置。

圖2 Aker MH公司直驅式游車鉆柱升沉補償裝置

圖3 寶石機械公司180 t游車鉆柱升沉補償裝置

2016年，寶石機械公司為客戶研制開發了“海洋地質十號”勘察船60 t鉆柱升沉補償裝置[8-9]。該補償裝置采用被動補償模式，具有倒立油缸直驅技術、雙閥組安全控制技術及任意位置懸停技術等多項關鍵創新技術。開展了60 t鉆柱升沉補償裝置補償載荷和靜載荷試驗研究，試驗結果表明相關設計參數達到了預定設計要求。作為國產首臺套投入海洋實戰作業的補償裝置，“海洋地質十號”船的鉆柱補償裝置自2018年初交付用戶以來，已累計完成10多個航次的地質調查及取樣任務，最大作業水深110 m，取樣長度120 m，鉆柱升沉補償裝置的壓力波動低于±10%，全面檢驗了我國自主研制的首臺套鉆柱升沉補償裝置的性能，有力保障了鉆壓穩定性、樣品的完整性和連續性。圖4為寶石機械公司研制的海洋地質十號船60 t游車補償裝置。

圖4 海洋地質十號船60 t游車鉆柱升沉補償裝置

1.2 天車型鉆柱升沉補償裝置

天車鉆柱升沉補償裝置位于井架頂端，不在井架內游動。補償精度要求不高時，只需要開啟被動補償。

1) 海洋平臺隨著海浪上升時，井架帶動支架總成和天車架上升，與天車架固連的被動補償油缸缸筒也隨之上升。由于浮動天車總成通過銷軸與被動補償油缸活塞桿連接，浮動天車總成由于慣性作用會短時間幾乎保持靜止狀態。該過程相當于被動補償油缸的活塞桿做回縮運動，被動補償油缸中油液進入到活塞式蓄能器中積蓄能量。

2) 當海洋平臺隨著海浪下降時，天車架下沉，被動補償油缸缸筒也隨之下沉，浮動天車總成由于慣性作用會短時間幾乎保持靜止狀態。該過程相當于被動補償油缸的活塞桿做伸出運動，活塞式蓄能器中油液被壓入到被動補償油缸中，從而釋放能量[10]。在此過程中，通過調節氣瓶壓力來應對不同的補償載荷。

補償精度要求較高時，被動補償和主動補償同時開啟，補償系統處于半主動狀態，此時，主動補償油缸通過特殊設計的主動缸支撐座垂直立在上連接架頂部，在主動補償控制柜中安裝有升沉傳感器，可以測量船體相對于海底的三維速度。在主動補償液缸上裝有位置傳感器。將上述2個測量數據輸入到計算機，計算機通過邏輯控制算法，向伺服閥發出控制指令，伺服閥動作，主動補償液壓站將液壓油注入到主動補償油缸的上端或下端，使活塞運動，通過活塞桿將拉力或推力施加在浮動天車總成上，維持其相對于海床的位置不變。

天車型鉆柱升沉補償裝置是繼游車型鉆柱升沉補償裝置之后發展起來的，主要以Aker MH、NOV公司天車補償裝置為代表，如圖5～6所示。天車補償裝置載荷大，且方便維護保養。在大載荷補償裝置中，天車鉆柱升沉補償裝置應用較為廣泛。

圖5 Aker MH公司的斜缸式天車鉆柱升沉補償裝置

寶石機械公司自2009年開始對天車鉆柱升沉補償裝置進行研究，先后承擔了國家863項目“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”、國家工信部“浮式鉆井補償裝置研制”等多個項目。寶石機械公司先后完成了900t天車補償裝置的設計及1∶3原理樣機的研制[11-12]，為后續進行大載荷天車補償裝置的國產化研制，攻占深水鉆井補償類設備市場打下堅實的基礎。圖7為寶石機械公司設計的900 t天車補償裝置。圖8為該型補償裝置1∶3原理樣機。

圖6 NOV公司直缸式天車鉆柱升沉補償裝置

圖7 寶石機械公司設計的900 t天車補償裝置結構

圖8 寶石機械公司900 t天車補償裝置1∶3原理樣機

1.3 鉆柱升沉補償絞車

鉆柱升沉補償絞車是繼游車型補償裝置、天車型補償裝置之后開發的鉆柱升沉補償產品，以NOV產品為代表。分為電動主動式補償絞車和液壓驅動補償絞車2種型式。鉆井升沉補償絞車具有構造簡單、支持系統較少、補償行程大和對井架無附加載荷等方面的優勢，其應用日趨廣泛。電動絞車補償裝置節省了1套專用的液壓補償裝置，具有補償行程不再受液壓缸行程限制、平臺載荷小與占用空間少、鉆井系統重心低、起下鉆速度快、維護成本低等優勢。但是，電機的功率及能耗過大，其要求配套的變頻器及其它單元也相應功率過大。液壓驅動的電液復合補償絞車，利用被動液壓馬達與鉆機靜載荷相平衡，其它載荷則由補償電機進行平衡，使其能耗減小。通過變頻調速技術來驅動大功率交流電機，從而實現升沉補償伺服控制，提高了補償精度。在深水鉆井平臺上，可同時配備2臺補償絞車。圖9～10為典型的NOV補償絞車。

圖9 NOV電動鉆柱升沉補償絞車

圖10 NOV液壓驅動鉆柱升沉補償絞車

2016年，寶石機械公司完成了735 kW主動式鉆井升沉補償絞車研制[13]，具有自主知識產權。如圖11所示。

圖11 寶石機械公司735 kW主動式鉆井升沉補償絞車

1.4 液缸型鉆柱升沉補償裝置

液缸式舉升鉆機是近年來開發的產品，主要在深水浮式鉆井系統中應用。由Aker MH提出Ramrig鉆機設計理念，用舉升液缸代替鉆井絞車系統。由于取消了鉆井絞車、天車及游吊系統，并取消了VFD房，井架不需承擔鉆井主載荷，簡化了鉆井系統，擴大了鉆臺面空間，降低了鉆探設備的質量，對質量要求敏感的浮式鉆井平臺具有明顯的優勢，成為深水鉆探系統發展趨勢。與舉升液缸方案配套的補償裝置，包括單獨液缸補償和舉升補償集成液缸2種方案。

單獨液缸補償裝置以D90半潛式平臺配套的補償裝置為代表，舉升液壓缸與補償液缸相互獨立，分開布置。舉升液壓缸位于中央，上端活塞桿端連接有滑輪，鉆井鋼絲繩通過滑輪，一端與頂驅連接，另一端與補償裝置的活塞桿端連接。補償裝置活塞端部固定于甲板上。舉升補償集成液缸系統以Ramrig鉆機為代表，舉升液壓缸與補償液缸一體式設計。

2 結構方案對比分析

以補償載荷為4 500 kN的鉆柱升沉補償裝置為例，在質量、重心、補償精度、補償載荷、補償行程、補償速度、系統能耗、空間占用、噪聲、經濟性、控制系統、可靠性及維護保養等方面，對5種類型鉆柱升沉補償的性能進行對比分析，如表1所示。

表1 4 500 kN鉆柱升沉補償裝置性能參數對比

由表1可看出，對于大載荷的絞車舉升鉆井系統，游車補償裝置由于尺寸過大，導致占用井架空間大，相應使起升載荷降低，應用不經濟。天車補償裝置和絞車補償裝置均滿足最大補償載荷4 500 kN的要求，但是由于絞車補償為主動補償，雖然能小幅增加補償精度，但其系統能耗為半主動補償裝置的11.4倍，大幅增加系統配套和運行成本。因此，天車補償裝置是傳統絞車提升鉆機配套鉆柱升沉補償裝置的首選。

單獨液缸補償和集成液缸補償2種方案，適用于液壓缸舉升的鉆井系統。這類鉆機具有常規鉆機所不具備的優點，除補償液缸與舉升液缸是否獨立外，其系統組成與配套基本一致。此2種方案均具有簡化鉆井系統、降低設備總體質量、空間占用小、降低設備的重心、降低噪聲、取消VFD房，減少系統熱損耗的優點。但是，由于舉升集成液缸方案中的補償液缸與舉升液缸高度集成，增加了設備的制造、控制及維護難度，設備的故障點增多，降低了可靠性。因此，單獨液缸補償裝置是液壓缸舉升鉆機配套鉆柱升沉補償裝置的首選。

與天車補償裝置相比，單獨液缸補償方案取消鉆井絞車、天車及游吊系統，井架不承擔鉆井主載荷，補償液缸低位安裝，大幅降低鉆機的總體質量和重心，并降低安裝維護難度。因此，單獨液缸補償方案為鉆柱升沉補償裝置的最優方案。

3 鉆柱升沉補償裝置的工作原理及分類

根據工作原理分類，鉆柱升沉補償裝置可分為被動式、主動式和半主動式3種,分別對其工作原理、適用條件進行分析。

3.1 被動式鉆柱升沉補償裝置

圖12為被動式鉆柱升沉補償裝置的工作原理圖[14]。被動式升沉補償裝置由于其工作原理簡單，早期應用于海洋油氣鉆井作業的升沉補償裝置均采用這種形式。整套被動升沉補償裝置可以簡化為在剛性的鉆井系統中加入的1個柔性單元，以克服浮式平臺升沉運動對鉆井作業的不利影響。該原理如同1只體積巨大的液氣彈簧。被動補償裝置的工作過程實質上就是氣液蓄能器儲能和釋能的過程，整個工作過程中不需要外界向系統輸入能量。被動補償裝置的能耗幾乎為零,但是補償精度較低，響應滯后，且無法調節鉆壓,主要適用于中等、大鉤載浮式平臺鉆井系統。

圖12 被動式鉆柱升沉補償裝置的工作原理

3.2 主動式鉆柱升沉補償裝置

被動升沉補償裝置對浮式鉆井平臺升沉運動的消減效果比較有限。在進行測井或下放管具等作業時，由于需要嚴格控制大鉤的升沉位移量，被動升沉補償裝置不能完全滿足作業工況的要求。在被動升沉補償裝置的基礎上形成了主動升沉補償裝置[15]。圖13為主動升沉補償裝置工作原理圖。主動升沉補償裝置是由檢測裝置檢測浮式鉆井平臺相對固定參照物的位移方向及位移量，并傳輸到控制系統。控制系統根據采集的裝置狀態數據，通過液氣驅動系統控制補償缸活塞桿伸出或縮回[16]，驅動機械系統實時補償浮式鉆井平臺升沉位移，以此保持大鉤與固定參照物的空間位置關系，實現人為主動干預的動態補償過程。主動補償裝置反應靈敏，補償精度高，但是能耗大，適合小功率鉆機，對尺寸有一定要求。

圖13 主動式鉆柱升沉補償裝置的工作原理

3.3 半主動式鉆柱升沉補償裝置

被動升沉補償裝置和主動升沉補償裝置均存在一定的局限性。半主動升沉補償裝置是在被動升沉補償裝置的基礎上添加主動升沉補償裝置，被動升沉補償裝置承擔整個鉆柱等負載，而主動補償裝置則實現對大鉤的升沉補償[17]。圖14為半主動升沉補償裝置原理圖。主動補償首先通過運動參考單元(MRU)檢測浮式平臺相對海底的運動方向及運動量，并將檢測信號傳輸到控制系統中。控制系統根據該信號控制補償裝置控制閥，從而實現補償裝置對浮式平臺升沉運動的主動補償。被動補償沒有檢測裝置，根據船體的升沉運動，補償裝置直接推動活塞運動，從而減少鉆桿柱的相對運動，達到補償目的。半主動式補償，兼具主動補償裝置和被動補償裝置，既具有被動式補償消耗動力小，又具有主動補償精度高、適應深水平臺鉆井系統要求，為目前補償裝置的主力補償形式。

圖14 半主動式鉆柱升沉補償裝置工作原理

4 鉆柱升沉補償裝置的適用性分析

以補償載荷4 500 kN、補償精度90%的單獨液缸補償裝置為例，3種類型鉆柱升沉補償裝置的性能參數如表2所示。由于要求的補償載荷大，補償精度高，響應速度快，海況條件適應性強。根據上述補償裝置工作原理分析，需要配置半主動升沉補償裝置，降低系統能耗和裝機功率，提高補償精度和響應速度，以適應不同海況和作業要求。

由表2知，被動式補償系統幾乎不消耗能量，系統構成簡單，但是其補償精度低，不滿足90 %補償精度的要求。主動式補償系統的補償精度高，但是系統能耗過高，僅適應小補償載荷、高精度的補償裝置。半主動式補償系統兼具前兩者的優點，系統能耗適中，同時滿足補償載荷和補償精度的要求，并可在普通作業時關閉主動補償功能，在連接井口裝置等需要高精度補償作業時再開啟主動補償裝置，以降低系統能耗。

表2 4 500 kN單獨液缸型鉆柱升沉補償裝置的性能參數對比

因此，為滿足4 500 kN補償載荷、90 %補償精度的要求，選擇半主動式鉆柱升沉補償裝置。

5 結論

1) 分析了鉆柱升沉補償裝置的結構類型和特點。

2) 以最大補償載荷4 500 kN、補償精度90%的鉆柱升沉補償裝置為例，對比分析了各種鉆柱升沉補償裝置的性能參數，以及工程適應性。

3) 對于傳統絞車提升鉆機系統，天車型補償裝置為配套首選；對于液壓缸舉升鉆機系統，單獨液缸型補償裝置為首選。單獨液缸型補償裝置與天車型補償裝置比較，前者具有簡化鉆井系統，減輕設備質量，降低設備重心等優點。因此，單獨液缸型補償裝置為5種補償裝置中的最優結構方案。

4) 要求補償載荷4 500 kN、補償精度90%的鉆機系統，應配套半主動型鉆柱升沉補償裝置。