钻井深沉补偿

1、摘要海洋石油浮式钻采平台是海洋油气开发的重要装备，升沉补偿装置系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一，对钻井效率和安全以及钻井设备的使用寿命起着决定作用。本篇文章对国内外海洋钻井管柱升沉补偿系统的技术现状做出介绍，对钻杆柱补偿和隔水管补偿装置结构和工作原理原理进行了详细研究，综合对比分析各升沉补偿装置的技术特点，最后探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势，进而对我国海洋石油钻井升沉补偿系统的未来发展方向提出若干建议。关键词 海洋钻井；升沉补偿系统；钻杆柱补偿；隔水管系统补偿；发展趋势1. 升沉补偿系统简介海洋石油浮式平台钻井系统是海洋油气开发的关键装备，我国海洋石油装备产业在海洋油气产业持续发展的带

2、动下正处于高速发展的新时期1,2。在深水浮式钻井船或半潜式钻井平台作业中，其在海上处于漂浮状态。在风浪作用下，钻井平台作平移、摇摆、以及上下升沉运动。随波浪周期性上下升沉的运动将引起钻杆柱和隔水管系统周期性的上下运动。钻杆柱周期性上下运动将使大钩拉力增大或减小，直接影响井底钻压的变化。井底钻压的变化不利于钻进，而且当钻压降到一定限度时，将使钻头脱离井底，无法持续钻进。隔水管系统周期性上下运动将使其失效或井口装置脱离井底。为此，要保证正常钻进，提高钻井效率，就必须采用升沉补偿系统对升沉进行补偿，以减少钻杆柱和隔水管系统与海底的相对运动，并保持恒定的张力载荷。升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键

3、设备之一，不仅能够减少等候天气的时间，提高钻井效率和安全性，而且能够延长钻井设备的使用寿命。海洋钻井升沉补偿装置作为浮式平台钻井系统中的一个重要单元设备，其技术在欧美等发达国家的平台配套当中已相当成熟，长期以来其技术一直被国外发达国家所垄断，如挪威Hydralift公司设计和生产的各种型式升沉补偿系统 5。而我国由于自身工业基础条件比较薄弱，加之起步晚，所以在该技术尤其是隔水管升沉补偿技术的研究开发方面处于起始阶段。为了使我国的海洋油气资源得到有效保护及尽早打破国外的技术垄断，深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻井升沉补偿装置已成为当前工程技术人员的当务之急，也是我国海洋石油装备技术不断

4、振兴和走向成熟的必然要求。2 海洋钻井管柱升沉补偿系统组成通常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两个方面。钻杆柱补偿根据安装位置和结构又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几种形式。根据补偿的动力源又可分为被动式升沉补偿、主动式升沉补偿、半主动式升沉补偿。如图1-1所示：图1-1 海洋钻井管柱升沉补偿系统组成2.1 伸缩钻杆升沉补偿装置在浮船钻井的初期阶段，普遍采用的补偿方法是在钻杆柱的钻链上部加一根伸缩钻杆。为了使钻头压力不受泥浆变化的影响，后又发展了平衡式伸缩钻杆。当钻井平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内外管

5、沿轴向做相对运动，因此只有伸缩钻杆以上钻杆柱随着船体做上下升沉运动，而伸缩钻杆以下钻链和钻头不受钻井平台升沉运动的影响，这样就可以保证井底钻压恒定。而在下放水下设备时也接上它，以免在“着陆”和连接时发生撞击。一般仲缩钻杆的伸缩行程为1.52m，规格尺寸与钻链相应、内外径均与同级钻链相近。该补偿作为世界上早期开发应用的一种补偿形式，其结构非常简单，不需要增加什么制造成本，只需在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆便能够达到补偿的目的。但该补偿存在的最大问题是无法满足现代钻井工艺要求6。2.2 游车大钩升沉补偿装置游车大钩升沉补偿是在游车与大钩间装设的一种升沉补偿装置。此类型的升沉补偿自1973年研制成功

6、后，已多次应用于实际工程。游车大钩升沉补偿主要由液缸、活塞、储能器、控制阀、液压站、PLC控制系统、检测装置、锁紧装置等部分组成。此种补偿方法有两种类型。一种为活塞杆受拉的升沉补偿装置，以美国维高公司（vetco）产品为代表。将两个液缸上框架、液缸本体与游车相连接，活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，可随钻井船升沉上下运动。其主体结构如图2-1所示。对活塞杆受拉的升沉补偿装置，当游动滑车随井架及船体上下升沉时，只是带动液缸的缸体上下周期地运动，只要保持液缸内液体压力不变，液缸中活塞和活塞杆、下横梁以及大钩基本保持不动，载荷也基本上不受影响。（影响的大小是随气压的大小和气瓶的多少来决定的）在实际使

7、用中，常常把活塞杆放到全长的中间位置。一般情况下波浪所引起的升沉只是活塞杆全长的1/61/5。因此，司钻只要调好行程、压力，还能实现自动送钻。另一种类型为活塞杆受压的升沉补偿装置。美国NL公司生产的产品最为典型。这种装置大钩与下支架连接，安装在活塞杆顶端的滑轮装置与上支架连接，上支架与缸体固定在一起，上支架与游动滑车相连。如图2-2所示。对活塞杆受压的升沉补偿装置，当游动滑车上下周期性运动时，活塞杆上下运动，而下支架、大钩却保持基本不动。由于是动滑轮，因此活塞杆的行程仅为钻井船升沉的一半。在实际钻井中，可通过调节储能器中气体压力来改变液缸中的液体压力，达到调节钻头钻压的目的。因此，只要控制好行

8、程（常常把活塞杆放到全长的中间位置）压力，还可以实现自动送钻。图2-1 游车大钩升降补偿装置图2-2 游车大钩升降补偿装置从目前使用情况来看，游车大钩升沉补偿装置多采用活塞杆受压的补偿装置，其根据补偿的动力源又可分为被动式升沉补偿、主动式升沉补偿、半主动式升沉补偿。(1) 被动式升沉补偿系统被动式升沉补偿系统原理如图2-68所示，该系统的补偿动力来源于船的升沉。当船上升时，蓄能器内的气体进一步被压缩以补偿上升位移并储存能量；当船下沉时，蓄能器内的气体膨胀以补偿下沉位移，蓄能器储存的能量被释放。由图2-6可以看出，被动式升沉补偿系统相当于是一个空气或液压空气弹簧 ，依靠海浪的举升力和船自身的重力

9、来压缩和释放蓄能器中的压缩空气，从而实现升沉补偿。 (2) 主动式升沉补偿系统图2-78为主动式升沉补偿系统原理，该系统是一套闭环反馈系统，依靠补偿系统本身的动力机的能源来工作（例如，液压泵），大钩作上下运动时，位移传感器输出的补偿缸活塞位移信号与给定的控制规律进行比较后获得的偏差信号传递给控制器。图2-7中的变量泵是双向变量泵，当船下沉时，控制器输出的控制信号为正，变量泵向补偿缸的下油腔输送液体，使活塞向上运动；当船上升时，控制器输出的控制信号为负，变量泵从补偿缸下油腔排出液体，从而使补偿缸活塞向下运动来补偿大钩位移。(3) 半主动式升沉补偿系统被动式系统补偿精度低，补偿性能不稳定，滞后比较

10、大；主动式升沉补偿系统能量消耗大，成本较高。为了适应浮式石油钻井的需要，弥补被动式和主动式升沉补偿系统的不足，便出现了如图2-88所示的主动和被动相结合的半主动式的气液钻柱升沉补偿系统。当船升沉时，气液蓄能器发挥气液弹簧作用抵消一部分升沉位移，同时控制器根据输入信号控制双向变量泵给主动缸上油腔或下油腔供油，推动主动缸活塞运动，带动补偿缸活塞运动补偿大钩的位移。图2-6被动式升沉补偿系统图 2-7 主动式升沉补偿系统图 2-8 半主动式升沉补偿系统被动式升沉补偿系统安全，操作容易，结构简单，基本不消耗能量，但补偿精度低，要取得好的补偿效果需要比较大的蓄能器体积；主动式升沉补偿系统补偿精度高，抗干

11、扰能力强，但是需要能耗大；半主动系统是介于主动和被动之间的复合系统，既拥有被动式的低能消耗的优点，同时有主动式高补偿精度的特点。游车大钩升沉补偿目前在实际油气勘探开发当中应用相对比较广泛。但是以下三个因素仍会对补偿效果造成影响：1工作缸中流体的摩擦影响。2机械摩擦的影响。3活塞下端气体体积压缩膨胀对压力的影响。2.3 天车升沉补偿装置天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部，形成浮动天车。该类升沉补偿结构较为复杂，于1972年研制成功，并在钻井船上得到应用，效果良好。目前，已在多型深水半潜式钻井平台上配置有天车升沉补偿装置。2.3 天车升沉补偿装置天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部，

12、形成浮动天车。该类升沉补偿结构较为复杂，于1972年研制成功，并在钻井船上得到应用，效果良好。目前，已在多型深水半潜式钻井平台上配置有天车升沉补偿装置。天车升沉补偿主要组成，如图2-9所示。浮动天车可以通过滚轮在垂直轨道内相对移动。天车本身的滑轮结构与一般天车基本相同。但天车上多装有两个辅助滑轮，通过它分别将快绳和死绳引出。两个辅助滑轮的轴与天车滑轮轴之间连杆连接。这样做可以提高钢丝绳的寿命。当钻井船升沉运动时，天车模块在液缸的推动下沿轨道相对于井架做相反方向运动，张紧或放松钻井钢丝绳，实现升沉补偿功能；司钻通过甲板上的调节阀，控制系统压力，达到调节井底钻压的目的；另外，该补偿形式在天车上设有

13、滑轮组锁紧装置，进行起下钻作业时，通过液压控制系统将滑轮组锁紧在井架顶部，使浮动天车能够承受钻井系统的最大额定载荷。图2-9 天车升沉补偿装置天车补偿作为一种较新的升沉补偿形式，尽管存在结构复杂、体积大、造价高等不足，但由于其合理的布局方式和良好的工作性能使其应用更为广泛。2.4 死绳升沉补偿装置死绳升沉补偿是在平台钻井系统钻井绳死绳段增加的一种升沉补偿装置。该装置安装在井架侧面，结构较为简单。这种型式较前两种方式使用少，曾在钻井船上使用过。死绳升沉补偿主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、储能器、传感及电控制系统等组成。死绳从天车引出后，先经过一个传感滑轮（测定拉力大小），然后缠绕在定滑轮组及动滑

14、轮组上，自定滑轮组引出，并固定到死绳固定器上。动滑轮与补偿液缸的活塞杆相连。如图2-10所示为两种死绳升沉补偿装置示意图。其中左侧装置为早期的装置，右侧为改进后的装置。这种装置通过调节游动系统上钢丝绳的有效长度来补偿在波浪作用下游动滑车与大钩随船体升沉的位移，从而实现保持和调节井底钻压的目的。这样可调节液缸系统的压力，推功活塞产生位移，带动动滑轮作往复运动，从而改变钢丝绳的有效长度，起到升沉补偿效果。这种方式的升沉补偿装置不占据井架上空间，维修和保养均在平台上，所以比较方便。但是它要装设一套可感应死绳或快绳上拉力变化的传感及电控制系统，调节储能器内的压力，使结构比较复杂，另外，频繁磨损也会降低

15、钢丝绳的使用寿命。在当前钻井平台实际应用较少，应用范围不广。2.5 绞车升沉补偿装置随着海洋油气钻探的发展，National-Oilwell Varco公司突破了传统的钻柱运动补偿概念，将钻柱补偿功能通过绞车的控制来实现，该公司研制了主动补偿绞车（AHD-Active Heave Drawwork）。绞车升沉补偿是在绞车上增加PLC控制系统和升沉检测系统，对钢丝绳张力及时感应，并控制绞车收紧或放松钢丝绳对升沉进行补偿。主动补偿绞车是浮式钻井装置钻机的一项重要的革新，除具有传统绞车的提升功能外，还具有主动补偿浮式钻井装置的升沉运动对钻柱的影响的功能10，其工作原理如图2-11。AHD钻井绞车为新

16、开发并且得到成功应用的钻井绞车。它既具有提升系统的功能，也具有钻柱运动补偿的功能。它不失为新建浮式钻井平台钻机设备中钻井绞车配置的较优的选择。图2-10 死绳升沉补偿装置图2-11 绞车升沉补偿装置工作原理简图2.6 液力井斜控制-减振-推进器补偿装置13为便于控制井眼轨道、延长钻具的使用寿命和简化钻进操作，李子丰教授于1997年提出了液力井斜控制-减振-推进器（图2-12）。液力井斜控制-减振-推进器具有井斜控制、减振和推进三大功能。通过调节钻压与泵压的关系,该钻具可实现伸出和缩进,从而调节稳定器之间和稳定器与钻头之间的距离,改变钻具组合的造斜特性,达到不起下钻就改变下部钻具造斜特性的目的。

17、此外,在钻进时,还可根据需要,通过该钻具的液力推进功能推动钻头钻进,而不必由地面连续送钻。在此过程中,钻头的纵向振动主要传递给钻井液,传递到上部钻具的纵向振动很小,具有良好的减振作用。图2-13 液力井斜控制-减震-推进器结构由上可知，液力井斜控制-减震-推进器在钻井平台升沉引起下部钻柱钻压变化时，可以通过内外筒相对运动来实现对升沉的补偿，因此，可以将液力井斜控制-减震-推进器装置作为海洋浮式钻井平台的升沉补偿装置使用。2.7 隔水管升沉补偿装置简介隔水管系统补偿主要由隔水管伸缩装置和隔水管张紧器组成5。如图2-14所示。伸缩装置克服波浪上下周期性的升沉补偿功能，以保持隔水管系统工作时的稳定性

18、，张紧器对隔水管系统提供恒张力控制。伸缩装置和张紧器相互配合使用，达到船舶在海洋作业环境下对隔水管系统升沉补偿的目的。图2-14 隔水管升沉补偿装置隔水管伸缩装置（图2-15）在隔水管升沉补偿系统中通过自身内外筒的相对移动，对钻井平台的升沉运动进行补偿，防止隔水管受轴向挤压损坏及脱离井底，避免井底装置损坏。伸缩装置冲程长度取决于钻井船的要求，一般为1520m（4565ft）。在环境相对温和的浅水区域，13.716m（45ft）的冲程长度已经足够。在环境恶劣的深水区域，冲程长度要求达到19.812m（65ft）。隔水管张紧器（图2-16）主要由主体、控制架、固定滑轮组、空气压力容器、主控制台、惯

19、性控制系统、蓄能器液体补充系统等部件组成。当平台上下运动时，张紧器张紧缸收缩或伸长。平台上升时，液缸伸长，压缩空气将通过控制阀块进人压缩气罐，钢丝绳放松或活塞杆伸出；平台下沉时，液缸收缩，压缩空气将沿相反方向通过控制阀块，钢丝绳收紧或活塞杆缩进。由此来实现对隔水管系统恒张力控制，满足升沉补偿需要。张紧器的行程应该在15.21m（50ft）以上。图2-15 隔水管伸缩装置图2-16 隔水管张紧器隔水管补偿装置补偿精度好，补偿行程大。目前，深水和超深水钻井依然采用钻井液循环系统，由隔水管伸缩装置和张紧器联合作用实现隔水管的升沉补偿功能，是对其安全性和可靠性的重要保障。3 升沉补偿系统总发展趋势5钻

20、杆柱补偿和隔水管系统补偿不仅在结构形式上逐步发展完善，而且随着控制技术的不断发展，在工作机理上由被动补偿式、主动补偿式向半主动式发展，补偿能力、速度和精度进一步提高。具体表现为：1适应超深水要求，升沉补偿能力将进一步提高；2多种形式组合使用，向多样化发展，进一步提高补偿效果；3升沉补偿精度进一步提高，补偿速度不断加快；4国内升沉补偿技术发展迅速，将逐步打破国外垄断。结论1. 海洋钻井管柱升沉补偿系统包括钻杆柱升沉补偿和隔水管升沉补偿。它能补偿钻杆柱和隔水管系统随波浪周期性上下升沉的运动引起周期性的上下运动。对钻杆柱升沉补偿将消除钻杆柱周期性上下运动，维持大钩拉力恒定，保证稳定钻进；对隔水管升沉

21、补偿将避免隔水管系统周期性上下运动引起的隔水管失效或井口装置脱离井底，保证安全钻井；2. 钻杆柱升沉补偿装置又分为伸缩钻杆补偿、游车大钩补偿、天车补偿、死绳补偿、绞车补偿等。伸缩钻杆补偿由于不能符合现代海洋钻井工艺的要求已逐渐推出应用；死绳补偿由于结构复杂、对钢丝绳的磨损严重应用不广；而游车大钩补偿及天车补偿由于补偿性能突出，补偿能力强，现场应用逐渐广泛，有较好的发展前景；绞车补偿由于兼有绞车提升功能与升沉补偿功能，液压主动补偿功能的绞车也将逐渐代替传统钻井绞车，成为海洋钻井升沉补偿重要设备。3. 如果将液力井斜控制-减振-推进器装置用于井下钻柱升沉补偿，可在钻进的同时同时实现升沉补偿、井斜控

22、制、减振和推进，保持稳定钻进，与其他类型钻杆柱升沉补偿装置配合使用，将起到更好的补偿效果；4. 随着的钻杆柱升沉补偿系统的发展，不仅要在结构形式上逐步努力发展完善，而且随着控制技术的不断发展，还要在在工作机理上注重由被动补偿式、主动补偿式向半主动式发展。致力于补偿系统补偿能力、速度和精度的不断提高。多种形式装置组合使用，向多样化发展，进一步提高补偿效果；参考文献1 窦玉玲. 海上钻井发展综述与展望J. 海洋石油, 2006, 26(2): 64-67.2 朱江. 海洋钻井设备综述J. 中国海上油气(工程), 2006, 12(6): 44-46.3 周珊. 海上钻井装置的发展历程J. 石油科技

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