鉆井絞車升沉補償?shù)脑囼灱夹g(shù)方案

朱代興

上海振華重工（集團）股份有限公司，中國·上海 200125

1 引言

隨著海洋的深度開發(fā)已進(jìn)入重要時期，高端海洋鉆井石油裝備的研制顯得尤為重要。

在中、深海海域，海洋鉆井船在海浪作用下，船舶運動將呈現(xiàn)橫搖（Sway）、縱搖（Surge）、升沉（Heave）與橫傾（Pitch）、縱傾（Roll）、偏航（Yaw）等六自由度的運動姿態(tài)。那么鉆井船浮在波動的洋面上，除了前后作用搖擺外，還將產(chǎn)生上下升沉運動，而這種隨波浪周期性上下升沉的運動將引起鉆桿柱周期性的上下運動。鉆桿柱周期性上下運動將使大鉤拉力增大或減小，直接影響井底，無法持續(xù)鉆進(jìn)。因此，為了保證鉆井正常鉆進(jìn)，提高鉆井效率，就必須采用升沉補償系統(tǒng)，以減少鉆桿柱與海底的相對運動，并保持恒定的張力載荷以及恒定的位移。

在寸土寸金的鉆進(jìn)船上，具有補償功能的絞車相對于其他幾種補償系統(tǒng)：游車升沉補償系統(tǒng)，天車升沉補償系統(tǒng)，死繩升沉補償系統(tǒng)等具有體積和質(zhì)量上的巨大優(yōu)勢，有很好的應(yīng)用前景。

本試驗臺方案針對海洋鉆井絞車主動式補償系統(tǒng)進(jìn)行試驗論證。

2 試驗臺方案及各系統(tǒng)組成

2.1 試驗臺絞車傳動方案

試驗臺絞車傳動設(shè)備由減速箱，滾筒，游動系統(tǒng)等組成。

2.2 減速箱信息

速比6.289，2輸入軸1輸出軸，輸出軸兩側(cè)為滾筒及盤式制動器，單軸慣量取12kgm2，傳動效率0.96，單臺絞車配2套減速箱。

2.3 滾筒及鋼絲繩信息

滾筒直徑取第三層直徑1350.68mm，單層圈數(shù)39圈，轉(zhuǎn)動慣量取43000kgm2，絞車效率取0.97，鋼絲繩型號6*26WS-IWRC@50.8mm，線重量7.39lb/ft，額定拉力198st，快繩長度63.8m，死繩長64.4m，游繩平均長度62m。

2.4 游動系統(tǒng)信息

輪系由1快繩輪+6天車輪+7游車輪+1死繩輪組成，滑輪直徑68，單片轉(zhuǎn)動慣量72kgm2，輪系效率0.728@16繩。游動系統(tǒng)整體重量按100噸估算。

2.5 試驗臺信息

試驗臺由波浪模擬單元、驅(qū)動平臺、彈簧組件、承載平臺及起升組件構(gòu)成（如圖3所示）。波浪模擬單元連接驅(qū)動平臺，驅(qū)動平臺上安裝MRU讀取實際驅(qū)動平臺加速度，通過彈簧組件將運動傳遞至承載平臺及起升組件。MRU信號反饋至絞車控制系統(tǒng)，力求在恒速補償情況下保持承載與驅(qū)動平臺間的間距恒定，在恒壓補償情況下保持重量傳感器信號恒定。彈簧K值為77N/mm，彈簧根數(shù)為8根。試驗波形暫定2m/20s。

3 工作原理

絞車的主動式補償系統(tǒng)是通過鉆機絞車的動力系統(tǒng)來控制絞車電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，來拖到滾筒實現(xiàn)鋼絲繩的收放，通過天車的滑輪組帶動游車，最終實現(xiàn)升沉補償?shù)墓δ堋?/p>

系統(tǒng)工作中，船體的升沉運動由船體傳感器（MRU）檢測出船體的升沉量及升沉加速度，游車的相對位置由絞車滾筒上的傳動軸編碼器檢測，鋼絲繩上的載荷由載荷傳感器檢測，以上數(shù)據(jù)進(jìn)入到控制器經(jīng)過運算處理后發(fā)出控制信號來控制絞車電機，保證絞車滾筒的鋼絲繩不松、不亂繩，減少鉆桿柱與海底的相對運動，并保持恒定的張力載荷以及恒定的位移

3.1 控制系統(tǒng)組成

3.1.1 絞車電動機系統(tǒng)

電機采用四臺GE電機5GEB22，變頻器系統(tǒng)采用西門子S120變頻器，VFD變頻控制系統(tǒng)主要用來給鉆井絞車電機提供動力；通過對絞車提升系統(tǒng)的實際工況的深入研究，此系統(tǒng)采用公共直流母線技術(shù)，矢量的主從控制技術(shù)，電機的同步技術(shù)以及DRIVE-CLIQ技術(shù)，實現(xiàn)變頻器的BICO連接。其中DRIVE-CLIQ技術(shù)具有以下屬性：通過控制單元自動識別組件；所有組件具有統(tǒng)一的接口；可對組件進(jìn)行診斷和維護(hù)。

四臺電機采用主從控制，需要調(diào)節(jié)變頻器的相關(guān)參數(shù)與電機參數(shù)相對應(yīng)，其部分參數(shù)如表1所示。

表1 電機參數(shù)

電機通過減速機構(gòu)連接滾筒，滾筒傳動軸兩端安裝有編碼器實時檢測游車位置和速度傳給絞車控制系統(tǒng)。

3.1.2 控制器系統(tǒng)

控制器系統(tǒng)采用PLC（含MRU信號處理器）和變頻器相結(jié)合，PLC與MRU信號處理器采用TCP/IP協(xié)議通訊，整個控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)、工業(yè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機界面HMI、中央控制單元、遠(yuǎn)程I/O從站等組成，來實現(xiàn)對絞車補償控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲及監(jiān)控，對單個設(shè)備進(jìn)行自動化控制，及動作狀態(tài)的實時監(jiān)控。實現(xiàn)設(shè)備間的連鎖、保護(hù)設(shè)置，故障診斷等數(shù)字可視化管理控制系統(tǒng)。

載荷傳感器采集鋼絲繩上拉力變化傳給PLC，PLC采用PID算法運算，來對鉆井絞車在恒壓模式下的波浪補償控制。船體位置傳感器（MRU）采集試驗平臺的數(shù)據(jù)傳給MRU信號處理器，由MRU信號處理器分析出平臺升沉的波形數(shù)據(jù)打包發(fā)給PLC，PLC接受到數(shù)據(jù)，采用PID算法運算，來對鉆井絞車在恒速模式下的波浪補償控制。

3.1.3 海浪模擬裝置

此裝置采用一套液壓系統(tǒng)來模擬海浪，最大浪高為2000mm，周期14秒。由于此方案的液壓系統(tǒng)為油缸直接驅(qū)動型式，所以油缸行程為2000mm。

油缸的使用噸位為30T，最小噸位5T，最大承重 力70T。

控制閥塊采用了高頻伺服閥進(jìn)行流量控制，同時考慮到各種工況下的控制需求，保證在負(fù)載意外丟失或者增加的情況下，保證系統(tǒng)安全。

3.2 控制原理分析

絞車工作在自動送鉆模式下，當(dāng)在波浪影響下，需要啟動波浪補償模式。

在觸摸屏上選擇自動模式，發(fā)出自動送鉆命令給絞車系統(tǒng)。可以選擇兩種模式，即恒壓模式和恒速模式。

3.2.1 恒壓模式

當(dāng)鉆井船（此為試驗平臺）在海浪影響下（此由波浪模擬裝置模擬）向上運動時，鉆頭與井底巖石的接觸壓力減小，載荷傳感器的拉力增大，PLC采集此時的載荷信號，游車位置和速度信號，試驗平臺的升沉方向和加速度（此由MRU信號處理器處理），PLC進(jìn)行PID運算后發(fā)出指令控制絞車電機正轉(zhuǎn)與速度，游車位移向下，補償由海浪引起的試驗平臺的上移，使井底鉆壓保持不變。此時需要對鉆進(jìn)速度進(jìn)行限定，防止在鉆進(jìn)過程中遇到較軟的地質(zhì)層時，鉆頭失速。

當(dāng)鉆井船（此為試驗平臺）在海浪影響下（此由波浪模擬裝置模擬）向下運動時，鉆頭與井底巖石的接觸壓力加大，載荷傳感器的拉力減小，PLC采集此時的載荷信號，游車位置和速度信號，試驗平臺的升沉方向和加速度（此由MRU信號處理器處理）PLC，PLC進(jìn)行PID運算后發(fā)出指令控制絞車電機反轉(zhuǎn)與速度，游車位移向上，補償由海浪引起的鉆井船的下移，使井底鉆壓保持不變。

3.2.2 恒速模式

鉆井模式處于恒速模式時，游車速度為恒速下放，此時鉆井船在海浪影響下（此為試驗平臺），游車的速度發(fā)生變化，那么此時PLC接收到MRU采集到波浪的加速度和速度信息（此由波浪模擬裝置模擬），進(jìn)行PID運算發(fā)出補償速度，疊加在恒速命令上，來控制電機正反轉(zhuǎn)和加減速，來抵消波浪對速度的影響。此時需要對鉆井壓力進(jìn)行限定。

4 結(jié)語

論文基于海洋鉆井船舶鉆井絞車的升沉補償方案設(shè)計。由于海洋鉆井的復(fù)雜性，此補償試驗臺系統(tǒng)方案的研究對于鉆井補償絞車在實際應(yīng)用中提供了良好的開端和條件，很好的實際指導(dǎo)意義；為研究智能化的鉆井設(shè)備提供了很好的試驗參數(shù)。