浮式钻井钻柱升沉补偿概述

2011年第4O卷第1O期第28页石油矿场机械0ILFIELDEQUIPMENT文章编号10013482201110002805浮式钻井钻柱升沉补偿概述陈祖波。吕岩，李志刚，高杭四川宏华石油设备有限公司研发部，成都610036摘要分析了各种浮式钻井钻柱升沉补偿装置的原理、优缺点和应用情况，简述了国内外对海洋平台升沉补偿系统的研究现状，并结合我国现有资源和技术对发展深水钻井关键设备的前景提出了展望。关键词浮式开采平台；钻柱；升沉补偿器中图分类号TE951文献标识码AREVIEWOFDRILLSTRINGHEAVECOMPENSATIONSYSTEMSFORFLOATINGDRILLINGPLATFORMCHENZUBO，LVYAN，LIZHIGANG，GAOHANGRDDEPARTMENT，SICHUANHONGHUAPETROLEUMEQUIPMENTCO，LTD，CHENGDU610036，CHINAABSTRACTINTHISPAPER，THEPRINCIPLES，APPLICATIONS，ADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFALLKINDSOFDRILLSTRINGHEAVECOMPENSATIONSYSTEMSFORFLOATINGDRILLINGPLATFORMSARECOMPARED，ANDTHENTHEPRESENTRESEARCHSITUATIONOFHEAVECOMPENSATIONSYSTEMSFOROFFSHOREPLATFORMSATHOMEANDABROADISBRIEFLYINTRODUCEDFINALLY，BASEDONTHECURRENTRESOURCESANDTECHNOLOGIESOFCHINA，THEPROSPECTSFORDEVELOPINGKEYEQUIPMENTSINDEEPWATERDRILLINGAREDESCRIBEDKEYWORDSFLOATINGPRODUCTIONPLALFORM；DRILLSTEM；HEAVECOMPENSATOR海洋钻井使用的浮式钻井平台在波浪的作用下除发生前后左右摇摆外，还将产生周期性的升沉运动，如图1。这种周期性的升沉运动会使钻柱产生往复运动，引起井底钻压变化，甚至会使钻头脱离井底，影响钻进效率，降低钻头和钻杆使用寿命，造成操作安全隐患。在恶劣气候条件下甚至导致无法钻进和停工。为了减少停工期，降低钻井成本，必须对浮式钻井平台钻柱升沉运动采取适当的补偿措施1。目前，海洋浮式钻井升沉补偿技术基本都被欧美等发达国家垄断，我国在该技术的研发方面尚很薄弱，已成为我国海洋石油装备必须要解决的技术瓶颈问题。因此，深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻井平台用升沉补偿装置已成为当务之急，也是深海装备技术不断振兴、走向成熟的必然要求。图1浮式钻井平台船体运动不意1钻柱升沉补偿型式及对比海洋浮式钻井平台升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿2个方面。当钻井船随波浪升沉时，安装钻柱升沉补偿系统能使钻柱尽可能地保持钻压不变，保证钻井系统工作的稳定性和可收稿日期20110408作者简介陈祖波1978一，男，四川I南充人，工程师，2001年毕业于西南石油学院设备工程与管理专业，主要从事石油钻机研发工作，EMAILCHZBOBOSOHUCOM。第4O卷第1O期陈祖波，等浮式钻井钻柱升沉补偿概述靠性。11按安装位置和结构的补偿型式根据安装位置和结构，钻杆柱补偿可分为伸缩钻杆升沉补偿、游车大钩升沉补偿、天车升沉补偿、快绳死绳升沉补偿和绞车升沉补偿等多种型式引。5种升沉补偿装置结构如图26。对5种型式升沉补偿装置的原理、优缺点及工程应用进行了对比分析，如表1。液缸活塞杆蓄能器动滑轮组定滑轮组图3死绳升沉补偿装置图2全平衡式伸缩钻杆结构图4游车大钩升沉补偿装置图5天车升沉补偿装置图6绞车升沉补偿装置3O石油矿场机械2011年1O月安装在钻杆柱中间的一段可以伸，钻一伸缩钻杆的内、外管沿轴向做相对运，一二二一，只在研究解决伸杆。；塞期不受钻井船升沉运动的影响，从而保、，L。证井底钻压达到恒定。一一”钩差篓PLC薹委撵控制阀液压站、控制系统、检测液体漏失严重；液体管一。游装要保持液缸结譬兰内液体压力不变，可实现大钩位置基钩有少许位移。、一本不变，保证井底钻压稳定，达到升。一一蚕板的面积及空间。一一，、，。天车天一器是一种气体量兰豢曼性胶管；摩擦小，。二。二1，。补偿精度高。几。一。一一死绳绞车采用对死绳上拉力变化的传感器和电控制系统，通过调节蓄能器中气压来改变死绳拉力，再通过改变死绳拉力来调节和保持井底钻压。目前用于平台对钢丝绳磨损较严重。的实例较少，应用范围不广。通过钻井绞车的正、反转来控制和可以省去升沉实现钢丝绳的恒张力控制，实现升沉运动补偿器，增大同上补偿功能。钻台面空间。有一定程度的应用。12按动力供给方式的补偿型式浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置按动力供给方式分为被动式PASSIVEHEAVECOMPENSATION，PHC、主动式ACTIVEHEAVECOMPENSATION，AHC_7和半主动式SEMIACTIVEHEAVECOMPENSATION，SAHCL_8_3种。121工作原理1主动补偿是由传感器测定船体与固定参照问的升沉的速度与加速度，并由运动控制单元MRU处理后提供实时控制型号，控制设备主动动作来实现升沉补偿。控制原理如图7。给定位移控制器图7主动式升沉补偿原理2被动补偿为气体弹簧系统GASLOADED第4O卷第1O期陈祖波，等浮式钻井钻柱升沉补偿概述SPRINGSYSTM，不需要输入信号，其主要液缸连接气体蓄能器，随着船体的升沉，汽缸通过被动伸展和收缩来实现升沉补偿，是最初补偿装置所用的控制方法。控制原理如图8。图8被动式升沉补偿原理3半主动补偿是介于二者之间的复合系统，需要连续地输入能量，但所需能量没有主动系统的大。控制原理如图9。图9半主动式升沉补偿原理移122对比分析对3种不同钻柱补偿控制型式进行了比较分析，如表2。表2钻柱补偿型式对比由表12可知，目前的钻柱补偿以天车升沉补偿和游车大钩升沉补偿为主流，控制方式多为半主动式。天车升沉补偿和游车大钩补偿各有优势，可根据钻井平台种类、作业海况、钻井工艺、船东要求等因素选择最佳补偿方式。2国内外研究现状21国外升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的多学科高技术产品，具有高技术、高投入、高风险等特点，长期以来其技术一直被国外发达国家垄断。海洋作业升沉补偿系统的研究始于20世纪7O年代，早期的海洋钻井平台多采用气液被动型升沉补偿系统_1。后来，为提高升沉补偿效果，减少能耗，设计了多种主动控制式升沉补偿系统_L。但被动式和主动式升沉补偿各有缺点，为弥补其不足，发展了主动与被动相结合的半主动式气液钻柱升沉补偿系统L1。32石油矿场机械2011年10月浮式钻井需分别对钻柱和隔水套管进行升沉补偿。可提供2种升沉补偿设备的制造商主要有挪威的AKERMH公司，美国的NOV、C0NTROLFLOWINCVETCO、SHAFFER、CAMERON等公司。国外升沉补偿装置及主要制造商如表3。表3国外升沉补偿装置及主要制造商由表3可知，石油钻采设备的国际大公司，例如AKERMH、NOV、CONTROLFLOW、PMH都能够提供包括天车补偿在内的多种主、被动升沉补偿工具；绞车补偿只有NOV可供选择，AKERMH的产品正在试制中；死绳补偿比较少；NOV、CONTROLFLOW、PMH等能提供游动设备补偿，但AKERMH的游车补偿设备仅用于其双井架RAMRIG的主动补偿。22国内我国在升沉补偿系统方面的研究起步较晚。国内目前尚没有生产厂生产任何型式的升沉补偿系统正式产品，只有宝德股份公司提到已开发出海洋深水钻机绞车智能控制系统，是针对海洋钻井平台和钻井船的绞车升沉补偿系统，成为继美国NOV之后世界上第2家开发出该类产品的公司。随着我国石油勘探开发向海洋战略的转移，对升沉补偿系统的需求进一步提高。近几年，中国石油大学、广东工业大学、中南大学等高校和部分企业已就升沉补偿系统专项技术及产品展开了相关课题研究，并取得了很大进步1。由中国海洋石油总公司牵头的国家高技术研究发展计划863计划的海洋技术领域重大项目课题“深水半潜式钻井平台关键技术”将游车大钩升沉补偿系统作为研究子课题；宝鸡石油机械有限责任公司已于2008和2009年分别申请天车升沉补偿装置专利各1项。相信通过不断努力，必将逐步打破NOV、AKERKVAERNER、SHAFFER、CAMERON等几家国外制造公司的垄断局面。随着陆地石油资源的日趋枯竭，近年来，世界各国在海上开发石油、天然气已向深水、超深水发展，我国主要石油公司也已制定出深水钻井装备计划。未来1520A，将是我国海洋钻井市场实现快速发展的关键时期。在未来5A里，中国海洋石油总公司将投资1200亿元用于海上油气勘探和开发、海洋工程装备投资等；中石油、中海油、中石化3大石油集团公司已展开海洋深水油气勘探开发装备的研究工作；中石油已完成第6代半潜式钻井平台的概念设计，宝鸡石油机械有限责任公司也正在配合该平台进行配套深海钻井设备的开发研究工作。3结语升沉补偿装置作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一，未来具有向多样化发展、升沉补偿能力进一步提高、升沉补偿精度进一步提高、逐步打破国外垄断格局等发展趋势。加大力度研发拥有自主知识产权的海洋钻井升沉补偿装置，对深海油气勘探开发具有重大的意义。参考文献ELI方华灿海洋石油钻采设备与结构EM北京石油工业出版社，19902方华灿海洋钻井船升沉补偿装置的设计EJ7石油矿场机械，1976，5525373王维旭，弓英明，赖笑辉，等海洋钻井绞车补偿系统技术分析EJ3石油矿场机械，2010，391218202011年第4O卷第1O期第33页石油矿场机械OILFIELDEQUIPMENT文章编号1001348220111O003304智能自适应振动筛控制系统机理研究朱晓梅，李责，付林，张明洪。，张万福1河南石油勘探局钻井工程公司，河南南阳473132；2西南石油大学机电工程学院，成都610500摘要结合流入自适应振动筛的泥浆动态性能参数的变化控制信号，叙述了自适应振动筛控制理论。在分析研究自适应控制系统的核心和结构的基础上设计出自适应控制系统。关键词反馈；自适应振动筛；控制系统；结构中图分类号TE92601文献标识码ARESEARCHOILMECHANISMOFTHEINTELLIGENTADAPTIVESHALESHAKERSCONTROLSYSTEMZHUXIAOMEI，LIBEN，FULIN，ZHANGMINGHONG，ZHANGWANFU1DRILLINGENGINEERINGCOMPANY；HENANPETROLEUMEXPLORATIONBUREAU，NANYANG473132，CHINA；2COLLEGEOFMECHANICALANDELECTRICALENGINEERING，SOUTHWESTPETROLEUMUNIVERSITY，CHENGDU610500，CHINAABSTRACTTAKINGTHEINTRODUCTIONABOUTTHEADAPTIVECONTROLSYSTEMSCOREANDTHESTRUCTUREASTHEUPHOLSTERY，DETAILSOFTHEAUTOADAPTEDSHAKERCONTROLSYSTEMSTHEORETICALDESIGNWASMADE，WITHTHECHANGINGSIGNALOFTHEMUDDYNAMICPROPERTYPARAMETERFLOWINGINTOTHEAUTO。ADAPTEDSHAKER，ANDTHEADAPTIVECONTROLSYSTEMSDIAGRAMWASDESIGNEDKEYWORDSFEEDBACK；AUTOADAPTEDSHALESHAKER；CONTROLSYSTEM；STRUCTURE自适应控制是一种面向未来的技术，能使产品的经济性、安全性和舒适性获得最优化引，以获得竞争优势。钻井液振动筛作为现代钻井成套固控设备中必不可少的第1级筛分设备，其工作性能直接张彦廷，刘振东，姜浩，等浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究EJ石油矿场机械，2010，39414方华灿海洋钻井船升沉补偿装置工作理论的初步研究J华东石油学院学报，197835667FERYDHEAVECOMPENSATIONEBOLHTTPEVERYTHING2CORNTITLEHEAVE2520COMPENSATION2002一O4一O8UMESHAKORDEACTIVEHEAVECOMPENSATIONONDRILLSHIPSINIRREGULARWAVESJOCEANENGINEERING，1998，257541561LELANDRROBICHAUX，JANTHATLESKOGSEMIACTIVEHEAVECOMPENSATIONSYSTEMFORMARINEVESSELSUNITEDSTATES，0052O9302AP19930511白鹿，张彦廷，张作龙，等钻柱液压升沉补偿系统参数计算及比较分析J石油矿场机械，2009，3831O11121314151OL3方华灿海洋石油钻采设备理论基础M北京石油工业出版社，1984HANEYJD，CAREYDWLOWPOWERHIGHPERFORMANCEACTIVEHEAVECOMPE