（机械工程专业论文）半潜式平台dsc180钻杆补偿装置的分析研究及设计计算.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 半潜式平台d s c l 8 0 钻杆补偿装置的分析研究及设计计算 机械工程 王维旭( 签名) 徐建宁( 签名) 贾秉彦( 签名) 摘要 我国的南海和东海有广阔的海域，有着丰富的油气资源。随着国民经济快速增长， 石油需求快速增加，我国开发海洋能源也势在必行。众所周知，工欲善其事，必先利其 器。钻杆升沉补偿装置是半潜钻井平台的关键设备之一，本文根据据国内实际情况，研 究解决为深水勘查船配套的游车升沉补偿装置，使其国产化。 本文在分析国外各种升沉补偿装置的技术特点和发展趋势的基础上，研究了升沉补 偿装置的典型结构和基本工作原理，设计了d s c l 8 0 钻杆补偿装置的总体结构方案，包 括工作原理、结构布局、基本参数的确定等内容。 本文运用振动力学对在半潜平台上安装升沉补偿装置后对钻压的影响进行了详细 的计算。利用反证法，充分考虑了升沉补偿装置的液气弹簧、管路阻尼和泥浆对钻杆的 阻尼、钻杆刚度等对钻压影响比较大的参数，尽量使设计的钻杆补偿装置对钻压的影响 降至最低，满足钻进工艺的要求。 本文对关键部件进行了强度设计和有限元分析，保证了本设计的可靠性。作为一个 完整的设计，本设计最终目的是完成制造和试验，以确保设计的合理性。 通过本课题的详细研究，目的是实现国内在半潜钻井平台关键设备“零的突破， 以打破西方国家对该技术的垄断。从而结束了我国在半潜平台上长期依赖进口升沉补偿 装置的历史，加快了我国钻井装置国产化的进程。为拓宽企业市场、增加企业盈利点做 出了贡献。 关键词：半潜式平台补偿装置理论计算设计 论文类型：应用研究 ( 本研究得到国家8 6 3 计划项目资助) 英文摘要 s u b j e c t ： r 鲻e a r c ha n dc a l c u l a t ed s c l 8 0d “s t n gc o m p e n s a t o r o nt h es e m i s u b m e r s i b l ep i a t f o r m s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：、a n gw e i x u ( s i g n a t u r e ) i n s t 咖c t o r ：x uj i a n n i n g ( s i g n a t u r e ) j i ab i n g y a n ( s i g n a t u r e ) a bs t r a c t t h e r ea r ea b u n d a mo i l & g a sr e s o u r c e so fs o u t h & e a s tc h i n as e a f o rt h eq u i c k i n c r e a s e dn a t i o n a le c o n o m ya n dt h er e q u i r e m e n t so fo i l ，d e v e l o p i n gt h ed o m e s t i co f i s h o r e 即e 唱yi sn e c e s s 孤y - i ti sw e l lk n o w nt h a tg o o dt o o l s 锄dm e t h o di sn e c e s s 孤yf o rt h e m c c e s s 向le x 咖t i o no faj o b d r i l ls t r i n gc o m p e n s a t o ri so n eo ft h ek e ye q u i p m e m so f s e i i l i s u b m e r s i b l ep l a t f b 加a c c o r d i n gt 0t h ed o m e s t i cs i t u a t i o i l r e s e a r c h 锄dr e s o l v et h e t i i a v e l i n gb l o c kh e a v ec 0 m p e n s a t o r f o r t h ed e 印一w a t e rs u r v e ys h i p o nt h eb 舔i so fa n a l y z i n ga l ll 【i n d so fi m e 丌l a t i o n a lh e a v ec o m p e n s a t o r s ，a c c 0 r d i n gt o w h o t e c h n i c a lf e a t u r e s 锄dd e v e l o p i n gd i r e c t i l 3 i l ，r e s e a r c ht h et y p i c a ls t n j c t u r e 觚dw o 尥n g p r i n c i p l eo fh e a v ec o m p e n s a t o r ，觚dd e s i g i lt h ep r 0 1 ) o s a jo fg e n e r a ls t m c t u r e ，i n c l u d i n g w o 尚n gp r i n c i p l e s t m c t u r e 猢g e m e n t ，p 盯a m e t e r s ，e t c a d o p tt h ev i b r a t i o nm e c h 加i c st oc a l c u l a t et h ee 髓c to fw e i g h to f b i t ( w o b ) p r o d u c e d b yh e a v ec o m p e n s a t o ro nt h e i i l i - s u b m e r s i b l ep l a t f o 册a c c o r d i n gt on e g a t i v ea p p r o a c l i ， t a k e 如1 1a d v a n t a g eo fm a j o rp m m e t e r st h a te 肫c tw o b ，叭c h 嬲l i q u i d - g a ss p r i n go ft h e h e a v ec o m p e n s a t o r p i p e l i n ed a m p ，d a m pf b rd r i l ls t i n gp r o d u c e db y 枷d ，r i g i d i t yo fd r i l l s t n 唱e t c t 0r e d u c et h e 哦c to fw o b t oai i l i n i 枷i l l ，m e e t i n gt h er e q u h m e n t so f d r i l l i n g t e c l l i l 0 1 0 9 y i n t e n s 时d e s i g i la n df i n i t ee l e m e ma l l a l y s i sh a v eb e e nd o n ef o rt h ek e yc o n l p o n e n t s ，t 0 锄r et h er e l i a b i l “y a sac o m p l e t e dd e s i g 玛t h ep u r p o s ei st oc o m p l e t ef a b r i c a t e 锄dt e 瓯t 0 朗s u r et h er a t i o n a l i t y t h ep u 叩o o fr e s e a r c h i n gt h et o p i ci st or e a l i z et h ek e ye q u i p m e n t so nt h e s e m i s u b m e r s i b l ep l a t f o mb r e a kt h r o u 曲疗o mz e r 0 ，锄db r e a kt h em o n o p o l yo fw e s t e m c o u n t 嘎t h e r e b y ，t h eh i s t o 巧o fr e l y i n go ni m p o r th e a v ec o m p e n s a t o r sv v i l lb eo v t h es t 印 o fd e v e l o p i n gd o m e s t i cd r i l l i i 培e q u i p m e n t sw i l lb ea c c e l e r a t e d c o n t r i b u t et oe x p 锄dm a d ( e t 觚di n 凹e a s ep r o f i t k e yw o r d s ：s e m i s u b m e n i b l ep l a t f b r m s ，h e a v ec o m p e n s a t i o n ，t h e o 他t i c a lc a l c u l a t i o n ， d e s i g n 7 i y p eo fe s s a y ：a p p l i e dr e s e a r c h ( t h er e s e a r c hh a sg o tt h ei m b u r s e m e r l to f8 6 3p l a np r o j e c t ) 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：醐：抄方。凸弦 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师繇鹎 日期：痧乡! 竺y 日期：夕堡韭尘乡 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 浩瀚的海洋，占去了地球表面积的三分之二以上。海底孕藏的石油资源约占地球石 油总资源的6 0 以上。海洋作为一个有巨大开发潜力的宝藏，将是我国石油发展战略的 一个重点。我国国民经济快速增长，石油需求快速增加，陆上和浅海油田增产潜力相对 较小，石油、天然气进口量逐年增大，石油供应对外依存度过大已经成为影响国家经济 安全运行的重要因素之一。我国的南海和东海有广阔的海域，有着丰富的油气资源。初 步估计南海的地质石油储量可达2 3 0 亿 3 0 0 亿吨。但是南海的平均水深达1 2 0 0 米，已经 远远超出了我国2 0 0 米水深以内自主开发的极限，深水钻井平台的设计开发势在必行，其 带动的经济收益和服务于国家能源战略的作用具备深远的意义。 1 1 升沉补偿装置概述 1 1 1 海洋钻井平台的分类 海洋平台类型众多，两种基本分类方法n 1 ： a 按运移性可分为两类： 固定式钻井平台； 移动式钻井平台( 坐底式钻井平台、自升式钻井平台、半潜式钻井平台、浮式钻井船 等) 。 b 按钻井方式分可分为： 浮动式( 浮式) 钻井用的平台：半潜式、浮船、张力腿式； 稳定式( 稳式) 钻井用的平台：固定、自升、坐底式。 而半潜式钻井平台是今后钻井平台发展最主要的类型。尤其是深水半潜式平台。 1 - 1 2 深水半潜式钻井平台( 船) 概述 半潜式钻井平台是类似于坐底式平台的一种移动式钻井装置。这种平台由上层平台、 立柱、下船体( 浮靴) 、锚泊系统等部分组成。上层平台提供作业场地以及生产和生活设 施；立柱连接上层平台和下船体，提供浮力，保证平台的浮性和稳性，立柱间由撑杆结 构互相连接；下船体( 浮靴) 能提供浮力，内设压载水舱，通过排水和灌水可将平台升 起或下沉：锚泊系统的作用是使钻井装置保持在井位上，有锚泊定位和动力定位两种方 式。钻井时，由于平台在风浪作用下产生升沉、摇摆、漂移等运动，影响钻井作业，因 此半潜式钻井平台在钻井作业采用升沉补偿装置、减摇设施和动力定位系统等多种措施 来保持平台在海面上的位置，方可进行钻井作业。半潜式钻井平台的主要优点是：工作 时吃水深，用锚泊定位稳定性好，能适应恶劣的海况条件；工作水深范围大：甲板面积 西安石油大学硕士学位论文 大，有利于钻井作业：移运灵活，移动性能好，尤其是自航的半潜式钻井平台这一特点 更为突出【lj 。由于半潜式钻井平台既能满足水深多变的要求，又能解决稳定性及移运问 题，因此它比其他钻井平台更有发展前景，尤其从海洋石油开发向更深、海况更恶劣的 海洋区域发展来看，建造半潜式平台应是主要的发展方向。我国现有唯一一艘自行设计 建造的“勘探三号 和从国外购进的“南海二号”“南海五号一“南海六号一等半潜式钻 台正用于海上作业。 自从1 9 6 1 年第一条半潜式钻井平台诞生以来【2 l ，到2 1 世纪初已成功研制出第六代半 潜式钻井平台，第六代平台具有以下特点： 作业水深达3 0 0 0 米，钻深达1 0 0 0 0 m ， 最大甲板可变载荷达9 0 0 0 吨 配置双井架( 主井架l ，0 0 0 短吨，副井架5 0 0 短吨) ， 采用水下防喷器组( b o p ) ，水下采油树 船体采用d p 3 动力定位 全自动化控制的钻井系统操作和甲板操作 1 1 3 半潜式钻井平台的运动描述 浮动式钻井船或半潜式钻井平台在海上处于漂浮状态，它与其周围的海水组成了具 有无穷多个自由度的流体力学体系，是很复杂的。我们对其运动进行简化，它在波浪下 所产生的运动，可以认为具有六个自由度的刚体来考虑1 8 】，如图1 1 所示。将其看成是具 有六个自由度的刚体是忽略了它与周围海水的联系关系，并忽略了它与海浪的动力联系 关系而简化成的。 这六个运动可以按下述描述运动情况进行分析。 a 进退：b 横移；c 升沉；d 横摇；e 纵摇；平摇 图卜1 半潜式钻井平台的运动状态图 2 第一章绪论 这六种运动中，平摇对浮船钻井影响很小，一般可以不予考虑。纵摇和横摇通常统 称为摇摆，它直接涉及到钻井船的摇摆性，将另行讨论。横移和进退属于水平移动，直 接影响到平台的定位问题，另行研究。本文将着重研究升沉运动队钻井质量的影响和升 沉补偿装置。 1 1 4 解决升沉措施 当在半潜平台( 或浮船) 上吊起重物、进行石油钻井或张紧固定于海底的物体( 如 钻井或采油隔水管等) 时，由于船受海浪或潮汐产生上、下升沉运动。由于波浪的起伏 是复杂周期性的，因而将引起井架及大钩上吊着的整个钻杆也作周期性的上下运动。将 使大钩上的拉力增加或减小，并影响井底的钻压的变化。钻压周期性的变化不利于钻进， 降低钻井质量及钻井效率，而且在严重情况下，将使钻头脱离井底，无法继续钻进。因 此，为了保证正常钻进，提高钻井生产率与质量，就必须研究解决半潜式平台升沉运动 的补偿问题。 目前最好的解决办法就是在钻井系统中安装升沉补偿装置。 1 1 5 升沉补偿装置 钻柱补偿装置( d s c ) 是目前在用的半潜平台中最为常用的一种升沉补偿系统。它安 装在游车和大钩之间。这种装置阻隔了船体的剧烈运动对钻柱的影响。它减小了钻柱和 防喷器之间的磨损。在钻井的过程中，钻柱补偿装置( d s c ) 可以把井底的钻头定位在司 钻设定的一个高度范围内。在其它操作中，补偿器能根据海洋平台运动补偿钻柱的运动 使之保持在一定的位置。当平台上抬时，补偿( 气) 油缸回缩，大钩相对于平台向下移 动，使得系统相对地球保持位置不变。补偿气缸活塞压缩空气从导管回储气器来维持预 设的张紧值。当钻机下降时，空气又从储气器膨胀至补偿气缸，这样补偿系统反过来工 作。这种装置是半潜式钻井平台( 钻井船) 钻井系统中必备的一种装置。 1 2 课题的目的、来源及研制背景 本课题研究成果将应用深水半潜式钻井平台，市场前景广阔。 我国已经成为世界第三大石油消费国和第二大石油净进口国，石油需求的增加以及 供给的不足给我国的经济发展带来了极大的压力。海洋作为一个有巨大开发潜力的宝藏， 将是我国石油发展战略的一个重点。南海深水油田的开发作为我国“十一五”能源发展 计划的重中之重。我国的南海有2 0 0 万平方公里的海域，有着丰富的油气资源。初步估计 南海的地质石油储量可达2 3 0 亿 3 0 0 亿吨。但是南海的平均水深达1 2 0 0 米，必须采用深 水半潜平台进行钻井作业，而半潜式平台钻井系统离不开钻杆补偿装置。因而其带动的 经济收益和服务于国家能源战略的作用具备深远的意义。 3 西安石油大学硕士学位论文 宝鸡石油机械有限责任公司作为中国最大的石油机械装备制造基地，近几年在大型 石油钻机等设备的研制上已取得了突飞猛进的发展，特别在海洋钻井装备的研发上走在 了国内同行的前列，在国际上也处于比较领先的地位。本项目针对科技部国家8 6 3 项目“南 海深水油气资源勘探开发关键技术和装备 项目中“深水半潜式钻井船设计与建造关键 技术 课题研究开发任务。同时也为中国石油集团海洋工程有限公司的深水半潜钻井平 台工程项目进行工程设计。项目得到国家科技部8 6 3 计划项目( 项目编号： 2 0 0 6 a a 0 9 a 1 0 4 ) 的科研资助。 根据国内实际情况，宝鸡石油机械有限责任公司承担了“中海油服深水勘查船钻井 系统的研发任务。本文着手研究为中海油田服务公司的深水勘查船项目配套的d s c l 8 0 游车补偿装置，使其国产化。 本课题的研制成功，实现了国内在半潜钻井平台关键设备“零”的突破。打破西方 国家对半潜平台关键设备的垄断，结束我国依赖进口国外升沉补偿装置来满足半潜平台 钻井的需要。 1 3 国内外的发展现状 升沉补偿装置的研制起源于欧美几个发达国家。目前有关半潜平台的升沉补偿装置 几乎全被挪威m h 公司和美国n o v 公司等垄断。m h 公司的天车补偿装置在国际上几乎是 “硬通货”。我国目前的几个半潜平台采用的游车补偿装置差不多全是n o v 公司或g e 公 司的产品。n o v 公司的还能够制造具有补偿功能的绞车。 目前解决半潜平台升沉的方法主要有增设游车补偿装置和天车补偿装置，目前新开 发的具有补偿功能的绞车也逐渐得到应用。另外一种就是用液压升降钻机( r a mr i g ) 代 替传统的钻机，同时也能够解决升沉补偿的问题。 游车补偿装置安装在游动滑车与大钩间，设有双液缸，缸体与游动滑车相连，活塞 与大钩相连，当船体或平台随波浪做升沉运动时，游动滑车液缸的缸体做周期性上下运 动，而活塞与大钩则基本保持不动。这时，整个钻杆柱重量为活塞下面的液体压力所支 持，液体的压力既可保持恒定，又可调节，因而既可实现控制钻杆柱的拉力大小，调节 井底钻压的目的。 天车补偿装置中包含天车，安装井架顶部。也是设有双液缸，液缸一端固定在支架 上，另一端固定在和上下活动的天车架上。当半潜平台随波浪做升沉运动时，该液缸的 缸体做周期性上下运动，而活塞与天车相对海床的位置则基本保持不动。它的工作原理 和游车补偿装置的样的，只是表现形式不一样，安装位置不一样。 概括起来，增设游车厌车升沉补偿装置共同的优点是： a 补偿波浪升沉运动，保持井底钻头钻压。 b 免去使用伸缩钻杆，改善操作及承载条件，提高钻井的功效。 4 第一章绪论 c 适应海底岩层的变化，自动调节钻压及自动送钻。 具有升沉补偿能力的绞车为适用于浮动装置和钻井船的新技术，它可由计算机控制 绞车来实现主动升沉补偿。 它利用经试验验证的硬件设定出进度、钢丝绳寿命和负载工作范围的新标准。可以 大大减轻重量，提高工作效率，以及强化操作者的控制。具有更加宽阔的操作窗口。而 且，在钻井期间和防喷器工作期间都可以获得实时的升沉补偿。 1 9 9 9 年以前，可以说国内在半潜平台配套的升沉补偿装置的研究几乎没有任何进展。 在国内自主研制的钻井平台如勘探三号半潜平台上配套的升沉补偿装置是进口美国的： 南海二号半潜平台是整体进口挪威的，1 9 7 9 年在国内进行了大修，升沉补偿装置由上海 大隆机器厂修理；中海油服的5 0 3 勘查船是进口日本的，至今已服役近3 0 年；其他半潜平 台采用的升沉补偿装置也全为进口产品。 1 9 9 9 年，广东工业大学申请国家自然科学基金项目着重研究太平洋的采矿方案，在 该项目中也进行了升沉补偿的理论研究，主要进行了补偿电液控制及信号采集方面的研 究【3 1 。 2 0 0 6 年，中国石油集团海洋工程公司和宝鸡石油机械有限责任公司、中国石油大学 等7 家单位合作共同申请国家8 6 3 计划项目“海洋技术一领域“南海深水油气资源勘探开 发关键技术和装备”项目中“深水半潜式钻井船设计与建造关键技术课题研究开发任 务。升沉补偿装置作为半潜平台钻井系统的一个重要重要装置也列在开发计划中进行研 究。至此，为半潜平台配套的升沉补偿装置的研究也已经启动。根据项目分工，升沉补 偿装置主要由宝鸡石油机械有限责任公司和中国石油大学进行研究。 1 4 论文的内容和主要工作 本课题研究的内容及所做的主要工作有以下几点： a 对国内外升沉补偿装置的发展及技术趋势进行分析研究。 b 对升沉补偿装置的基本结构、工作原理及特点简要阐述，通过对国内外升沉补偿 装置的方案详细研究，确定了本课题的总体方案。 c 进行了d s c l 8 0 钻杆补偿装置的方案设计，确定了其基本参数及配套内容。 d 对加装升沉补偿装置后整个钻井系统对钻压的影响进行了理论分析，并对整个设 计参数进行修正，使其对钻压的影响将之可接受的范围。 e 在对关键零部件采用手工计算验证的同时采用自动化软件进行有限元分析，对手 工计算加以验证，同时对具体结构进行优化，使得各构件的结构和力学性能达到最佳优 化结构。 f 对本课题研究的结果进行总结。 5 西安石油大学硕士学位论文 第二章解决钻井平台升沉的措施 当在浮船上起吊重物、进行石油钻井或张紧固定于海底的物体( 如钻井或采油隔水 管等) 时，由于船受海浪或潮汐产生上、下升沉运动。由于波浪的起伏是复杂周期性的， 对半潜式钻井平台来说，将引起井架及大钩上吊着的整个钻杆也是作周期性的上下运动， 这将使大钩上的拉力增加或减小，并影响井底的钻压的变化。钻压周期性的变化不利于 钻进，降低钻井质量及钻井效率，严重情况时，将使钻头脱离井底，无法继续钻进。因 此，为了保证正常钻进，提高钻井生产率与质量，就必须合理解决对升沉运动的补偿问 题。解决对升沉运动的补偿的方法就是在钻井系统中安装升沉补偿装置。 2 1 升沉补偿装置的用途 升沉补偿装置的主要用途是解决钻井中因浮船在波浪和潮汐作用下产生的上下升沉 运动，造成钻柱也上下升沉运动使之不能进行正常钻进这一特殊的困难。用钻柱升沉补 偿装置不但可以补偿浮式钻井中钻柱的升沉运动，还可以保持和调节钻压，给海上钻井 的安全性和效率的提高，带来好处。其具体用途如下： a 使用开孔钻头进行开孔钻进 b 起吊送入、安装和回收海底b o p 、隔水管系 c 送入和回收送入工具 d 向孔内送入套管 e 测井 f 更换套管头和液压连接器之间的a x 密封圈 g 使用金刚石钻头进行取心钻进 h 打捞孔内落入物 i 当隔水管张紧器损坏后，可用它作为应急代用 j 孔内有钻杆时关闭b o p k 进行正常钻井( 此项时间最长) ：便于调节钻压、自动送钻、简化操作、延长钻 头使用寿命、提高钻速、避免或减少孔内事故。 2 。2 目前采取补偿装置主要有以下几种 2 2 1 增加伸缩钻杆 这种办法是在钻杆柱的钻铤上方加一根可以伸缩的钻杆。如图2 1 所示，伸缩钻杆由 内外管组成，内管可以沿轴向做相对运动，因而只有伸缩以上的钻杆柱随着做轴向运动。 于是，伸缩钻杆以下的钻铤部分既可不受升沉运动的影响，井底钻压也将不会因此而引 6 第二章解决钻井平台升沉的措施 起变化，同时还可以避免将钻铤提起或将钻杆柱压弯。 这种方法存在有如下缺点： a 钻压不能调节：增加伸缩钻杆后，钻压即为伸缩 钻杆以下的钻铤部分的重量所确定，这不能因岩层的变化 而调节钻压，因而使钻井生产率降低。 b 工作条件恶劣：伸缩钻杆既承受泥浆的高压，传 递钻杆的扭矩，又承受因外管周期性轴向运动所引起的交 变载荷，致使其密封件容易磨损且承载严重。 c 增加操作困难：当不压井钻井时，关防喷器后， 由于伸缩钻杆以上的钻杆柱随钻井船升沉不断作周期性 上下运动，致使防喷器的芯子反复摩擦，极易损坏，给操 作带来很大的困难。 由于存在上述缺点，近年来许多国家已在研制与使用 钻井船的升沉补偿装置，以取代增加伸缩钻杆的办法。 2 2 2 安装在游车与大钩之间的升沉补偿装置 - 图2 _ 1 伸缩钻杆示意图 这种办法是在钻机提升系统的部件中游车和大钩之间增设一套升沉补偿装置。钻井 船的升沉补偿装置一般均采用液压设备。游车补偿装置装设在游车和大钩之间，缸体与 游车相连，活塞与大钩相连，如图2 2 所示，当钻井船随波浪作升沉运动时，游车带动液 缸的缸体做周期性上下运动，而活塞与大钩则可基本保持不动。这时，整个钻杆柱重量 为活塞面的液体压力所支持。液体压力既可保持恒定，又可调节。因而可实现控制钻杆 柱的拉力大小，调节井底钻压的目的。此种类型的升沉补偿装置自1 9 7 3 年研制成功后， 已应用于生产，并取得效果。 图2 2 游车补偿装置图2 3 改进型游车补偿装置 7 西安石油大学硕士学位论文 如图2 2 所示游车与大钩间装设的升沉补偿装置基本上对钻井船的升沉运动可以进 行补偿，但还存在些问题。针对存在问题，该装置得到了不断改进的完善，如图2 3 所示，它将活塞杆与下框架直接相连的缸相连结改成了通过链传动的柔性连接。这样既 可克服了刚性连接带来的两个活塞杆的同步要求高，液缸承受侧向载荷严重，大钩摇摆 影响液缸等闯题。 a 结构组成如图2 4 所示。主要有以下几部分组成： 1 ) 液缸：两个液缸用上框架与游车相连结，可随钻井船升沉上下运动。 2 ) 活塞：两个液缸中的活塞通过活塞干预固定在大钩上的下框架连结，可随大钩在 液缸中上下运动。大钩载荷为活塞下面液体承受。 3 ) 储能器：储能器与液缸相通。储能器为活塞式储能器。其上端为液体通过软管通 入液缸：下端为气体通过管线与其缸相通。这样，液缸中液体压力也为储能器中气体压 力所决定。调节气体压力即可改变液体压力。 4 ) 主动控制阀：通过计算机控制主动控制阀能够主动为游车液缸提供必要的液压动 力源或释放压力。 5 ) 液压站系统：液压站为储能器提供液压动力源。 6 ) 计算机控制系统：可以控制主动控制阀，实现补偿系统的主动补偿功能。 7 ) 升沉检测装置：该装置检测船体的升沉运动，将检测数据传输到计算机控制系统。 8 ) 操作面板：显示各个系统工作状态，并可实现人工手动操作。 9 ) 缩紧装置：用以将上下两个框架缩紧成为一体，从而使游车与大钩连结在一起， 在起下钻时进行工作。 b 工作原理 圈2 q 游车补偿装置 第二章解决钻井平台升沉的措施 1 ) 正常钻井时，补偿装置的工作原理是： 保持井底钻压：液缸中液体压力一定即可。 调节钻头钻压：调节储能器中气体压力来改变液缸中的液体压力。 实现自动送进：调节液缸中液体压力，使液缸压力小于钻杆柱重量与钻头钻压之差， 而且液缸中活塞行程达于钻杆单根长度时，即可借助钻杆柱悬重自动进尺。 2 ) 绳索作业：当进行电测、试井等绳索作业时，一般另增加一根钢丝绳，其一端固 定在隔水管上，另一端先通过大钩上的滑轮在固定到井架底座上。这样，此绳上的拉力 即相当于钻杆柱的悬重。若是液缸中液体压力与传感器上的拉力相适应，调节好，便可 保持大钩位移在允许范围内，从而实现正常绳索作业。 c 存在问题 尽管结构得到了改进，但现用的升沉补偿装置仍存在一个突出问题就是大钩还有少 许位移，大钩只能做到基本不动，升沉运动只能基本上得到补偿。 工作缸中流体的摩擦影响：工作缸中充满的液体或气体无论是高压或低压均将对活 塞及活塞杆产生摩擦，对大钩运动有影响。 机械摩擦的影响：活塞杆与盘根的机械摩擦，与轴承的机械摩擦或链条与连轮间的 机械摩擦等均影响大钩的运动。 活塞下端气体体积压缩膨胀对压力的影响：因工作缸与储气罐相通，故活塞下端气 体的体积包括有储气罐的容积。这个容积的合理与否将直接影响着活塞上压力的改变， 关系着大钩的位移。 2 2 3 安装在天车上的升沉补偿装置 a 结构组成：如图2 5 所示，他主要由以下几部分组成。 图2 5 天车补偿装置 9 西安石油大学硕士学位论文 1 ) 浮动天车浮动天车可以通过滚轮在设置的轨道内相对移动。天车本身除具有 一般天车的滑轮结构外，多装有两个辅助滑轮。辅助滑轮的轴与天车滑轮的轴之间用连 杆连接。快绳及死绳分别通过两个辅助滑轮引出。这样，当天车沿垂直轨道相对移动时， 只是辅助滑轮轴动作，而通过辅助滑轮的钢丝绳与滑轮间无相对运动、从而提高钢丝绳 的寿命。 2 ) 主气缸是支持浮动天车用的，共四个，倾斜放置，由钻井船甲板上的压气机供 气。它相当于支持浮动天车的大型弹簧。 3 ) 液缸与天车直接连接，共两个，均垂直放置。它不起直接指使浮动天车的作用， 而只是当作液力缓冲的安全液缸，也用作克服大钩载荷的惯性影响。当由于大钩载荷的 惯性力引起位移时，可使浮动天车在液缸中液力影响下，做很小的移动。液缸由钻井船 甲板上的油泵供油。 4 ) 储能器安装在井架上，有管路与四个主气缸相通。通过储能器可以调节主气缸 中的气体压力。 其它如压气机、气压表、储能器的调节阀、液缸的调解法等均装在钻井船的甲板上。 b 工作原理 1 ) 升沉补偿：通过浮动天车实现。当钻井船上升时，天车相对井架沿轨道向下运 动，压缩主气缸中的气体。当钻井船下沉时，天车相对井架向上运动，主气缸中气体膨 胀。这样，主气缸相当于一个大弹簧，即可升沉补偿。 2 ) 控制钻压：司钻借助指重表观察井底钻压值，再根据底层变化，通过钻井船甲 板上的调节阀，控制自空气罐至主气缸的空气压力，可调节井底钻压到合适值，并保持 钻压。 3 ) 自动送迸：正常钻进时，司钻可借助天车行程指示器观察出天车下行的位移值。 当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上的钢丝绳，使游车下放，继续进尺。 4 ) 保证安全：当大钩载荷突然减少时，液缸可支持着钻杆柱重量，并使其减速， 防止事故。当主气缸严重漏气时，同样可靠液缸支持大钩载荷，保证安全。 5 ) 减小大钩载荷变化：增加两个垂直液缸，借助液缸中液体消除钻杆柱重量的惯 性对大钩载荷变化的影响。增设辅助滑轮；天车滑行轨道采用防磨轴承：液缸采用自动 润滑式密封，以减少摩擦，消除因摩擦带给大钩载荷的变化。采用倾斜放置的主气缸的 方案，利用力分解的基本原理，减小因活塞在气缸中位移而带给大钩载荷变化的影响。 6 ) 进行绳索作业：当进行测井、试井等绳索作业时，可增加一根钢丝绳。其一端 固定于海底隔水导管上；另一端自井架外边引至天车上，经过滑轮后通至钻台的滚筒上。 这样，即可放松或缠紧此钢丝绳来代替相当于大钩载荷的变化，以适应绳索作业时钻井 船的升沉。 7 ) 进行起下钻作业：设有锁紧装置。当起下钻工作时，可用其将浮动天车锁住， 使浮动天车不能起下钻柱而上下滑行。 1 0 第二章解决钻井平台升沉的措施 2 2 4 死绳或快绳恒张力升沉补偿装置 a 结构组成 如图2 6 所示，它主要有以下几部分组成。 图2 - 6 恒张力升沉补偿装置 1 ) 定滑轮组：滑轮轴座在轴承上固定不动。死绳自天车引出后，先经过一个传感 滑轮，并将拉力大小传至指重表：然后，死绳缠绕在定滑轮组及动滑轮组上：最后，死 绳端自定滑轮组引出，到死绳固定器固定。 2 ) 动滑轮组：它可在框架内移动，其行程大小直接影响死绳上的拉力的变化。动 滑轮组的轴承装在行车上，行车装有滚轮，滚轮沿轨道滑行。动滑轮组前面为固定在行 车上的半月牙形拨叉所包围，拨叉另一端与液缸的活塞杆相连。 3 ) 液缸：液缸一端液体与低压储能器相通，活塞另一端的液体与高压储能器相通。 当钢丝绳上拉力减少时，滑轮传感器发出讯号后，指令阀动作，液缸中活塞右端压力增 加，推动活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉紧，活塞左端液体留回低压储能器。当 死绳上拉力增加时，指令阀动作后，活塞右端液体压力降低，活塞向右移动，使丝绳放 松，直至达到恒定拉力，液体自活塞右端流回储能器。 4 ) 高压储能器：储能器中自压气机供气。储能器上有安全阀，下部有放气阀。 5 ) 低压储能器：空气进入后，先经滤清器、调节器等沿管路进入低压储能器。同 样上部有安全阀( 比高压储能器压力低一倍) ，下部有放气阀。 西安石油大学硕士学位论文 6 ) 控制台：控制台上有压力表、指重表、动滑轮组行程指示灯、压力控制器、压 气机启动及停车机构等。 b 工作原理 1 ) 调节井底钻压：通过调节死绳上的拉力来实现。可保持井底钻压恒定。 2 ) 调节死绳拉力：通过调节液气压力容器中气压的高低来实现。 3 ) 调节钢丝绳有效长度：通过液压推动活塞，带动活塞杆及动滑轮组来实现。 2 2 5 增设升沉补偿装置的优点 不论是在游车与大钩之间装设升沉补偿装置、在天车上装设升沉补偿装置还是在死 绳或快绳上增设恒张力升沉补偿装置。它们都有一个共同点，就是都采用液气动方案， 都有液缸或气缸以及储能器。这些液动气动装置在外力作用下产生液、气的运动，类似 于液气弹簧。这种方式结构比较简单，使用比较方便。概括起来有以下几个优点： a 补偿波浪升沉运动，保持井底钻头钻压。升沉运动引起钻杆柱周期性的上提、 下放，使钻头的钻牙周期性的变化，不利钻井，甚至严重到无法钻井。 b 控制下井射孔、测井的准确位置。测井时的测井仪、完井时的射孔器、取岩心 时的井壁取心器等下入井内的准确度要求在井眼中的位置很准确，不受升沉运动的影响。 c 减小下井钻柱往复运动。下钻杆柱或套管柱入井时，升沉运动带来的往复运动 不断摩擦井壁，有时还摩擦访喷器的胶芯，对钻井和设备非常不利，必须设法消除。 d 及时控制下放器具悬重。下放水下防喷器组坐在套管头上或下放套管悬挂器坐 在套管头上，重量在几百吨以上，由于升沉影响，极易损害设备。因此，需要运用升沉 补偿装置，消除升沉影响，及时控制下放器具的悬重，极轻的缓缓就位。 e 免去使用伸缩钻杆，改善操作及承载条件，提高钻井的功效。 f 适应海底岩层的变化，自动调节钻压及自动送钻。 2 2 6 使用具有升沉补偿能力的绞车 本控制系统中，绞车传动轴编码器及升沉加速度( g ) 传感器分别将游车位置以及船体 的升沉运动状态及时发送可编程控制器( 或工业计算机) ，控制器通过计算得到游车的实际 位置，同时载荷传感器将钩载信息也发送给控制器，上述数据经过控制器处理后输出控制 信号控制绞车电机的转速及转向，最终控制主动补偿绞车的提升和下放，达到主动升沉补 偿的作用，本系统原理图见图2 7 。 游车位置速度是靠传动轴编码器脉冲的累加来确定，升沉运动加速度传感器可安 装在司钻室内，用于测量船体在风浪中的竖直运动信息，以便平衡游车的运动。此外， 本控制系统还集成一套电子防碰系统，即：通过监测游车位置及运动速度，根据系统的 刹车系统力学模型( 与刹车能力、钩载、游车位置和速度等有关) ，计算得到游车的实际 第二章解决钻井平台升沉的措施 刹车距离，通过该实际刹车距离与可获得的刹车距离进行比较，如果司钻输入的绞车速 度使刹车距离超过了可获得刹车距离，本控制系统会停止执行该命令，以避免游车与井 架和钻台的碰撞，提高作业安全性：另外，控制系统应确保在下放钻杆时，避免钢丝绳 的松弛，防止损坏钻杆及钻具。 掌芎声游鍪荸鼍墅ii鐾彦审二三 车速计算机p 亟乎呕囹置，苫 i f 翱钜一一桀印孵 升沉加 逮度 l 茎型至i 钻台 一 海平 升沉加速度 钻柱 面 图2 _ 7 主动补偿绞车控制原理图 主动补偿绞车控制系统应采用双闭环系统，因为普通的单闭环控制系统，虽然可以 保证系统在稳定条件下实现转速无静差，并且具有一定的动态品质，但对于系统有快速 起动、制动要求时，单闭环控制系统则很难达到上述要求。图2 8 为控制系统方框图，本 系统设置了两个调节器，分别为转速和电流，把转速调节器的输出作为电流调节器的输 入，再利用电流调节器的输出控制晶闸管触发装置，最终控制了绞车的转速，其中电流 调节器在里面为内环，转速调节器为外环，从而构成了转速、电流双闭环调速系统，为 了获得好的静、动态性能，两个调节器均应采用p i 调节器。 图2 - 8 双闭环控制方框图 1 3 西安石油大学硕士学位论文 在半潜钻井平台上使用具有补偿能力的绞车，具有以下优点： a 提高起下钻速度，节省下隔水管和b o p 的时间 b 减轻井架内重量 c 延长钢丝绳寿命 d 减少维护保养 e 提高钻井作业的安全性 f 延长钻头寿命 g 增强了刹车能力 2 2 7 使用液压升降钻机( r a mr i g ) 1 9 9 6 年7 月研制的无井架系统，无绞车的液压升降钻机( 勋nr i g ) ，采用液缸自动送 钻和提升钻具以及用顶驱旋转钻具。该液缸通过计算机控制不但可实现提升钻具，还可 以实现钻具的升沉补偿。如图2 9 所示。 滑轮天车粱 图2 - 9 液压升降钻机( r a mri g ) 示意图 液压升降钻机( 勋n 堍) 缺点： a 衄飚井架绞车、游动系统、补偿装置使用液压缸代替，井架前后方向抗风 能力差； b 咖飚井架提升系统采用液缸升降，一旦液压缸出现故障( 如密封损坏) 将 造成较长时间的停工； c 从维护方面看，i 1 井架采用液缸升降，每三年需要更换密封，而更换密 封不仅工作量大，而且液压油对环境有污染： 1 4 第二章解决钻井平台升沉的措施 2 3 被动补偿装置和主动补偿装置 升沉补偿装置主要分为被动型与主动型两大类。 所谓被动型，即在船受海浪或潮汐作用上升时，靠船的举升力将储能器的气体再度 压缩以储存能量。当船受海浪或潮汐作用下沉时，储能器释放能量，以补偿升沉或张紧 绳缆，即补偿器和张紧器工作的能量来源于船的升沉，故其几乎不消耗动力。 但是在等温条件下，即气体的压缩和膨胀是缓慢发生的( 有足够的散热时间) ，则 n - l ，故鼻k = 足k ，若在船上使用补偿装置，并视为等温条件，则其理论动作特性曲线 如图所示，简言之，当气体容积被压缩小一倍，则气体的压力增加一倍，故容积与压力 是反比关系。从图可知，在补偿时，为了减少由于行程变化而引起的补偿力变化的误差， 必须增大储能器气体部分的容积( 并联若干气罐) 。但这不可避免的导致设备的庞大。 被动补偿装置的工作原理如图2 1 0 ，负荷变化误差( 钻压变化) ，当并联的气罐越多， 补偿装置工作压力越高，则负荷变化误差越小，其钻压误差通常为3 一5 。 储气瓶 钻柱 游车 补偿缸 图2 1 0 被动型钻柱运动补偿器工作原理示意图 所谓的主动型，即当船上浮时，多余的油液通过溢流阀流回油箱( 用泵将工作液缸 的液体抽出或使液压马达倒转，并排入下腔或被压出的液量补充至下腔，使动器活塞增 加向上推力，以平衡油气储能器被压缩后气体增加的压力，从而使补偿装置液缸内的被 压液体压力不至明显增大) ；当船下沉时，用变量泵自动使工作液缸充油( 或使液马达正 转) 以保持液缸的压力不变，达到补偿升沉或张紧入海绳缆的目的。即其补偿器或张紧 器的工作是靠本身动力机的能源驱动工作的，消耗能量较大，目前多用于小功率的补偿 装置中，或作为被动补偿装置的补充。 主动补偿装置的工作原理如图2 n ，负荷变化误差( 钻压变化) ，主动型的钻压误 差可降为0 5 或更小，主动型的储气罐容积环可以比被动型减少6 0 左右。由图可知， 1 5 西安石油大学硕士学位论文 主动性负荷变化误差越小，则所消耗的功率越大，并增加了维护保养费用。 储气瓶 变压发送器 缸 图2 - ”主动型钻柱运动补偿器工作原理示意图 近年来为减少负荷变化误差，钻杆补偿装置往往采用被动型与主动型相结合的方式。 单纯的主动型补偿装置仅用于小功率的场合。 2 。4 影响升沉补偿效果的因素 现行各种升沉补偿装置存在的一个突出问题是补偿效果不理想，经补偿后，大钩仍 有少许位移，升沉运动只能基本得到补偿。影响升沉补偿效果，使大钩产生位移的因素 主要有以下三个： a 水力因素 这主要是指补偿液缸中流体的摩擦的影响。补偿工作缸中充满液压或气体无论是高 压或低压均将对活塞及活塞杆产生摩擦，因而对大钩有影响。 b 机械摩擦 活塞杆与盘根间的机械摩擦，链条与链轮间以及轴承的机械摩擦等均影响大钩的运 动。 c 气体体积变化的影响 对于刚性连结式的游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置，储能器的活塞上端的气 体，随升沉运动，因液缸中液体的排入及流出而发生体积的减小或增加，引起气体压力 的变化，致使补偿装置液缸中液体压力不稳定，影响了大钩的运动。 对于柔性连结，因工作缸与储气罐相通，于是随升沉运动，气体体积的减少或增加 直接影响着作用于活塞上的压力变化，以致产生大钩的位移。 1 6 第二章解决钻井平台升沉的措施 按照波意耳定律的基本原理， p y ：= p ： 显见气体体积的变化及指数n 均将引起压力的变化，使大钩产生少许的位移。 总之，上述三个因素对大钩上力的变化的影响是不容忽略的。例如大钩上钻杆柱的 悬重为1 2 0 吨，钻压为2 4 吨，若上述三项因素影响大钩力的变化为6 ，则有7 2 吨的 力的变化，将使钻压产生3 0 的变化，这将对钻井质量及生产率有很大的影响。因此， 必须进一步研究，找出这些影响的数值的定量关系，寻求减小这些影响，改进升沉补偿 效果的途径。 2 5 基本参数 根据生产要求，确定钻井深度；按照钻机的钻探能力，配备好钻机之后