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运动升沉补偿装置的设计和分析完成日期：指导教师签字：答辩小组成员签字：运动升沉补偿装置的设计和分析摘要升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一。
在进行深海钻井时, 钻机将会受波浪等作用而带动井下钻具上下运动, 因而无法控制钻压, 这样不但影响效率, 严重时还会损坏钻具。
升沉补偿装置可克服上述升沉运动的影响, 调整深海井底钻压, 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。
通过分析国内外升沉补偿技术原理及发展动态，在原理上提出并设计一种半主动升沉补偿装置，同时具有主动式补偿系统与半主动式补偿系统的优点，比传统升沉补偿装置相比具有补偿性能高、能耗低的优点；结构上采用采用游车与大钩之间装设的机械结构，进行具体的结构设计、校核、理论分析，并绘制出二维、三维零件图及装置整体装配图。
关键词：升沉补偿，主动式，被动式，半主动式，游车大钩式Design and analysis of Heave Compensation DeviceAbstractHeave compensation system is the key to Floating offshore platform.Rig will be driven by the wave functions cause down hole drill move up and down when deepwater drilling, it can’t guarantee a stable pressure.It not only influence efficiency, but also can damage drilling tools. Heave compensation system can overcome the influence of heave movement，adjusting the bottom-hole drilling pressure of the deep-sea.Enhance drilling efficiency and safety and prolong the service life of the drilling equipment.Keywords:Heave Compensation, active, passive, semi-active, compensator between travelling block and hook目录1绪论 (1)1.1课题背景及研究意义 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.2.1国外研究现状 (1)1.2.2国内研究现状 (2)2 升沉补偿装置的结构与补偿原理 (3)2.1升沉补偿装置的结构 (3)2.1.1游车与大钩间的升沉补偿装置 (3)2.1.2天车上装设的升沉补偿装置 (4)2.1.3死绳上装设的升沉补偿装置 (5)2.2升沉补偿装置的原理 (6)2.2.1被动式升沉补偿系统 (6)2.2.2主动式升沉补偿系统 (7)2.2.3半主动式升沉补偿系统 (7)3设计方案选择 (9)3.1机械结构方案的选择 (9)3.2补偿原理方案的选择 (10)4 半主动游车大钩式升沉补偿装置的设计 (11)4.1半主动游车大钩式升沉补偿系统原理 (11)4.2钻柱的参数 (12)4.3半主动游车大钩式升沉补偿系统设计参数选择及计算 (13)4.3.1设计参数的选取 (13)4.3.2补偿液压缸的设计计算 (14)4.3.3气能蓄液器缸的设计计算 (20)4.3.4气能蓄液器缸充气压力及高压所需气体体积的计算 (26)4.3.5主动液压缸的设计计算 (27)4.3.6钢丝绳的选用计算及固定方式 (33)4.3.7滑轮及滑轮组的计算设计、校核 (35)4.3.8液压系统的设计 (42)5 总结和体会 (46)参考文献 (48)致谢 (49)1绪论1.1课题背景及研究意义随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入, 世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。
海洋钻井隔水管张力器控制系统研究作者：李宇来源：《科学与财富》2018年第19期摘要：海洋钻井隔水管张力器是浮式钻井装置上的一种关键设备，用于提升隔水管、消除隔水管重力、为伸缩节提供结构性支持、保证隔水管的正常工作并消除浮式平台或钻井船相对于钻井隔水管的升沉运动。
其中，为提高张力器对波浪垂荡运动的及时性，张紧装置中的监控控制系统至关重要，对保持隔水管受恒定张力、张紧器的运动行程以及张紧能力有重要的影响。
海洋隔水管张力器主要有钢丝绳式和液压缸直接式（DAT）2种，不同类型张紧装置的控制系统也有不同，滑轮钢丝绳技术比较成熟，适用于安装在半潜式钻井平台中钻井模块的四周，直接液缸式张紧器制造难度大，技术先进，全球仅有一两家公司具备制造能力，本文就两种张紧器的控制系统分别探讨其控制原理、控制方式、控制系统关键技术等问题。
关键词：隔水管；张紧系统；控制系统；监测响应海洋钻井隔水管张紧器的技术革新随着半潜式钻进平台的技术发展而发展的，隔水管张紧器国内研究还处于起步阶段，现有宝鸡石油机械有限公司、中国石油大学以及上海708研究所等单位研究，其设计和制造主要被NOV、CAMERCON、MH、CONTROL FLOW等西方少数公司掌握。
1滑轮钢丝绳隔水管张力器控制系统被动补偿式张紧器的控制系统是基于液缸下的控制模块，在对张紧器活塞运动数据进行现场信息监控收集条件下，通过对比钻井平台升沉运动，经过人机界面HMI和逻辑控制单元SLCU对其控制操作。
所采集的信号是由布置于抗反冲监控单元的位移传感器、线绳式位置传感器、气源监控单元的传感器以及钻井平台的升沉运动单元的速度位移传感器进行实时收集，然后在CPU的每个脉冲周期，由SLCU对张紧器活塞位置和升沉运动单元发出坐标询问信号，处理传递过来的信号，以判断系统的状态。
如图1所示，是张紧器的监测控制组成图。
被动式补偿隔水管中对张紧力的控制可以采用间接张力控制法，又称补偿控制，它通过对影响张力稳定的参数的调节补偿可能出现的张力变化，间接地保持张力稳定，即只给定张力设定值，不用检测器采集张力的实际值，对张力不形成闭环控制，而是通过对被控机即驱动电机的电流或励磁电流的控制来间接对张力进行恒定控制，从而使电动机力矩保持不变，保证被卷取产品的张力恒定。
海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿系统设计摘要：为了降低海洋钻井电动绞车补偿系统的能耗、实现升沉补偿运动与自动送钻运动的解耦控制，开展了补偿绞车的节能方法及控制策略研究。
针对系统大惯性、大负载的特点，提出一种基于混合动力与液压能量回收的新型液压绞车补偿系统，通过被动液压马达承担钻柱的部分静载荷，通过液压二次调节元件克服运动过程中的其余载荷，同时利用液压蓄能器实现对系统位能与动能的周期性回收与再利用。
关键词：海洋浮式；钻井平台；绞车升沉；补偿系统设计引言随着陆上石油资源的日渐枯竭，浅海石油开发也接近饱和，资源开发向深海进军已成必然趋势，提高国内海洋技术装备研发水平已是当务之急。
在海洋浮式钻井平台上就需要配备一套升沉补偿装置，用以减小平台升沉运动对钻井作业的不利影响。
这种升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的复杂装备，具有高技术、高投入、高风险等特点。
国外升沉补偿技术起步早，且长期以来一直垄断着该项技术。
而随着深海石油开发的深入进行，特别是在中国南海，升沉补偿系统的需求量会大幅度增加。
因此，研发具有中国自主知识产权的升沉补偿装备，具有重要的经济意义和战略意义。
1.绞车补偿的原理在绞车补偿控制系统中，绞车传动轴编码器及升沉加速度传感器分别将游车相对位置以及船体的升沉运动状态数据及时发送到可编程控制器(或工业计算机)，控制器通过计算得到海底钻头相对井底由于平台升沉形成的绝对位置偏差，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，本系统原理如图 1 。
图 1 主动补偿绞车控制原理游车位置/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(也可安装在平台)，用于测量船体在风浪中的竖直运动信息。
此外，本控制系统还可集成电子防碰系统，即:通过监测游车位置及运动速度，并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)计算得到游车的理论刹车距离，通过该理论刹车距离与游在本位置上可获得的实际刹车距离进行比较，如果司钻输入的绞车速度使理论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，控制系统可确保在下放钻杆时，避免钢丝绳的松弛，防止损坏钻杆及钻具。
海洋钻井升沉补偿系统技术分析_任克忍技术讨论海洋钻井升沉补偿系统技术分析任克忍沈大春王定亚肖锐李鹏南树歧(宝鸡石油机械有限责任公司)摘要升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。
升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。
最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。
关键词海洋钻井平台升沉补偿系统钻杆柱补偿隔水管系统补偿发展趋势0 引言随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入,世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。
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,而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术的研究开发方面处于空白状态。
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振兴和走向成熟的必然要求。
1 升沉补偿系统结构及原理海洋浮式钻井平台在波浪作用下,除前后左右发生摇摆外,还将产生上下升沉运动。
这种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。
因此,为了保证浮动钻井平台正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统,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[1]。
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2个方面。
关于海洋钻井绞车升沉补偿系统设计及控制策略探讨作者：李梦奇来源：《科学与信息化》2018年第21期摘要在海洋钻井平台中升沉补偿系统是其重要的设备，一方面能够提升钻井的安全性以及效率，另一方面也能够增加钻井设备使用的寿命。
本文阐释了海洋钻井绞车升沉补偿系统结构与原理，并且在此基础上，对海洋钻井绞车升沉补偿系统设计进行论述。
关键词海洋钻井绞车；升沉补偿系统；设计；控制策略；探讨由于人们对海洋油气相应资源的认知在不断地提升以及更加深入的研究海洋油气的勘探研发作用，国际范围中的海洋石油钻采装备相关技术的研究迈入了一个新的台阶，海洋钻井升沉补偿相应的装置是绞车升沉补偿系统的重要设施设备，其技术在发达国家中已经较为成熟，但是因为我国的工业基础条件较为薄弱，并且其起步比较晚，要想让我国海洋油气资源被全面的保护，对其进行深入的研究与开发变成了现阶段技术从业人员的重要任务，这也是我国海洋石油相关技术越来越成熟的要求。
1 海洋钻井绞车升沉补偿系统结构与原理海洋钻井在波浪的作用之下，除了产生摇摆，还会形成上下升沉的运动。
这样跟随波浪进行上下升沉的周期性运动会产生隔水管系统以及钻杆柱呈现上下运动的形式。
钻杆柱的上下运动会有效增加或者是减少大钩的拉力，会对井底钻压的改变产生最为直接的影响。
井底钻压的改变并不助于钻进，并且在钻压下降至相应限度的时候，把其钻头在井底中脱离，这样便没有办法进行钻进。
隔水管系统的上下运动会让其井口的装置在井底进行脱离。
所以要想有效保障海洋钻井的正常钻进，提升钻井的质量与效率，应该使用相应的升沉补偿系统，进而减少隔水管系统以及钻杆柱和海底之间产生的相对运动，并且维持着恒定性的张力，一般情况下，海洋钻井绞车升沉补偿系统主要包含隔水管系统的补偿以及钻杆柱补偿。
1.1 隔水管系统的补偿隔水管系统的补偿是由张紧器与伸缩装置所共同构成的，伸缩装置能够克服波浪升沉的补偿功能，进而保障隔水管系统能够稳定工作，张紧器可以提供恒张力的有效控制，其两者之间能够相互进行配合使用，实现船舶在行业作业过程中对隔水管系统进行升沉补偿。
万方数据万方数据万方数据海洋钻井绞车补偿系统技术分析作者：王维旭， 弓英明， 赖笑辉， 于兴军， 黄治湖， WANG Wei-xu， GONG Ying-ming， LAI Xiao-hui， YU Xing-jun， HUANG Zhi-hu作者单位：宝鸡石油机械有限责任公司,陕西,宝鸡,721002刊名：石油矿场机械英文刊名：OIL FIELD EQUIPMENT年，卷(期)：2010,39(12)被引用次数：2次1.廖谟圣海洋石油开发 20062.方华灿海洋钻井绳索作业时升沉补偿问题的研究 1980(03)3.白鹿;张彦廷;张作龙钻柱液压升沉补偿系统参数计算及比较分析[期刊论文]-石油矿场机械 2009(03)4.张彦廷;刘振东;姜浩浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究[期刊论文]-石油矿场机械 2010(04)5.方华灿海洋钻井船升沉补偿装置的设计 1976(05)6.陈如恒;沈家骏钻井机械的设计计算 19951.张彦廷.刘振东.姜浩.武光斌.张作龙浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究[期刊论文]-石油矿场机械2010,39(4)2.张敬.樊岩松.戴克文.狄丽莉JC70DB型海洋绞车[期刊论文]-石油矿场机械2008,37(7)3.袁宏.杨波.李德成.许广清海洋水下机器人系缆绞车驱动电动机的研制[期刊论文]-沈阳工业大学学报2001,4(4)4.杨文林.张竺英.张艾群.YANG Wen-lin.ZHANG Zhu-ying.ZHANG Ai-qun水下机器人主动升沉补偿系统研究[期刊论文]-海洋工程2007,25(3)5.喻开安.李志刚.徐祥娟.张宏.曾鸣.YU Kai-an.LI Zhi-gang.XU Xiang-juan.ZHANG Hong.ZENG Ming用于深水海管铺设的储缆绞车设计研究[期刊论文]-石油矿场机械2010,39(11)6.翟庆光.聂杰.康岳伟.ZHAI Qing-guang.NIE Jie.KANG Yue-wei深海取样绞车牵引卷筒上钢缆张力分析[期刊论文]-海洋技术2008,27(2)7.徐良波.于文峰.XU Liang-bo.YU Wen-feng水下绞车及其在海洋内波现场测量系统的应用[期刊论文]-舰船科学技术2009,31(11)8.高加索.范吉祥.刘文娟.GAO Jia-suo.FAN Ji-xiang.LIU Wen-juan绞车滚筒乱绳原因分析及解决方法[期刊论文]-石油矿场机械2010,39(2)9.翟庆光.聂杰.康岳伟.ZHAI Qing-guang.NIE Jie.KANG Yue-wei深海调查绞车牵引机构和储缆机构分离技术系统分析[期刊论文]-海洋技术2008,27(4)10.张晓军.戴克文.徐鹏.ZHANG Xiao-jun.DAI Ke-wen.XU Peng海洋平台9 000 m钻井模块绞车的研制[期刊论文]-石油矿场机械2009,38(3)1.陈祖波.吕岩.李志刚.高杭浮式钻井钻柱升沉补偿概述[期刊论文]-石油矿场机械 2011(10)2.王维旭.周天明.于兴军.张鹏浮式钻井平台升沉运动分析[期刊论文]-石油矿场机械 2011(9)本文链接：/Periodical_sykcjx201012006.aspx。
海洋石油钻井机械及工具现代技术要点发布时间：2021-07-21T15:32:22.510Z 来源：《工程管理前沿》2021年3月第9期作者：孟祥南董建喜[导读] 近些年，我国海洋石油事业取得了非常大的成就，这极大的土洞了海1孟祥南 2董建喜1身份证号：12010719881228****2身份证号：12022119890214****摘要：近些年，我国海洋石油事业取得了非常大的成就，这极大的土洞了海洋石油钻井机械以及工具的发展，对于钻井机械以及工具的性能也提出了更好的要求。
我们相信，在之后的发展过程中，随着相关技术的进一步应用，我国海洋钻井机械设备的性能将会进一步提升，推动我国海洋石油行业的高速发展。
关键词：海洋石油；钻井平台；现代化伴随着科技发展，我国海洋石油事业也取得的巨大的发展，使用的机械设备以及工具也在不断的发展，但是因为我国发展的时间较短，而且受科技水平的限制，和发达国家还有一定的差距，发展空间还很大，所以这也要求我国不断加强建设自身的专业技能，提高我国海洋石油开采的效率，促进我国石油行业的健康发展。
1海洋石油钻井机械及工具的应用现状石油是非常重要的一种能源，近几年随着我国科学技术的发展以及在石油行业中的应用，海洋石油的钻井机械获得了较好的发展，开采设备的性能以及产油效率也获得大幅提升，然而，和很多发达国家比较，我国海洋石油钻井机械设备依然存在很多不足，特别是设备的恶劣环境适应性能还需要进行提升。
目前，我国海洋钻井机械研发行业已经提升对恶劣环境下石油开采设备研发的重视。
相比于陆地油田来讲，海洋油田不但储量更大，而且受到的制约更小，所以海洋石油钻井机械设备的研发必然会成为各个国家之间竞争的一个目标，谁拥有了更加高深的海洋石油钻井器械设备，那么就占据了海洋石油开采的“高地”，对于海洋石油产业的持续发展具有重要意义。
2海洋石油钻井工具技术介绍海洋石油钻井涉及到的设备种类非常多，比如稳定器、减震器、动力钻等，在这些设备中，钻头的选择是非常关键，，根据其构造的不同，可以将其划分成镶牙型以及铣齿型。
技术讨论海洋钻井升沉补偿系统技术分析任克忍 沈大春 王定亚 肖 锐 李 鹏 南树歧(宝鸡石油机械有限责任公司)摘要 升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。
升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。
最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。
关键词 海洋钻井平台 升沉补偿系统 钻杆柱补偿 隔水管系统补偿 发展趋势0 引 言随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入,世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。
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,而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术的研究开发方面处于空白状态。
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振兴和走向成熟的必然要求。
1 升沉补偿系统结构及原理海洋浮式钻井平台在波浪作用下,除前后左右发生摇摆外,还将产生上下升沉运动。
这种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。
因此,为了保证浮动钻井平台正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统,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[1]。
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2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。
1 1 钻杆柱补偿1 1 1 伸缩钻杆升沉补偿伸缩钻杆升沉补偿是在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆。
伸缩钻杆由内外管组成,伸缩行程一般为2m。
当钻井船上下升沉运动时,伸缩钻杆的内外管沿轴向做相对运动,因此只有伸缩钻杆以上钻杆柱随着船体做上下升沉运动,而伸缩钻杆以下部分不受钻井船升沉运动的影响,保证井底钻压恒定。
由于这种升沉补偿方法存在诸多不足,所以只在研究解决升沉补偿问题的早期得到一些应用。
1 12 游车大钩升沉补偿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。
较早的结构是将2个液缸上框架与游车相连接,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,如图1所示。
钻井船升沉上下运动时,只要保持液缸内液体压力不变,液缸会伸1252009年 第37卷 第9期石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY长或缩短,就可以实现大钩位置基本不变,保证井底钻压稳定,达到升沉补偿的目的。
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1 游车大钩升沉补偿1 1 3 天车升沉补偿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。
如图2所示,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。
天车升沉补偿主要由气缸总成、储气罐、液压站、控制系统、操作面板、电器设备/传感器、天车模块/摇摆臂和压力控制阀等组成。
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 天车升沉补偿1 1 4 死绳(快绳)升沉补偿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,如图3所示。
死绳升沉补偿主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、储能器等组成。
死绳自天车引出后,先经过1个传感滑轮(测定拉力大小),然后缠绕在定滑轮组及动滑轮组上,自定滑轮组引出,并固定到死绳固定器上。
动滑轮组在液缸推动下可在框架内移动,收紧或放松死绳,实现对死绳恒张力的控制,进而达到对钻井船升沉运动补偿的目的。
通过调节死绳上的张力可以实现对井底钻压的调整。
液缸行程直接影响补偿能力及效果。
图3 死绳(快绳)升沉补偿1 液缸;2 活塞杆;3 储能器;4 动滑轮组;5 定滑轮组。
1 1 5 绞车升沉补偿绞车升沉补偿实际上是通过钻井绞车的正反转来控制和实现钢丝绳的恒张力控制,实现升沉补偿功能。
对于电驱动的钻井绞车,在原有绞车的基础上,增加升沉检测系统和PLC 控制系统,根据检测系统检测到的船体运动信号,通过PLC 控制电动机正反转,收紧或放松钢丝绳,实现恒张力控制,达到补偿的目的。
对于液压驱动的绞车,该类升沉补偿主要由绞车主体、液压站、冷却器、阀组、PLC 控制系统等组成。
当船舶升沉时,启动绞车升沉补偿功能,利用PLC 控制液压泵流量以及油源方向,驱动绞车马达工作,收紧或放松钢丝绳,满足升沉补偿需要。
钢丝绳张力由连续张力测试传感器测定,并输入PLC 控制系统作为主动波浪补偿控制信号。
1 2 隔水管系统补偿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。
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,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。
隔水管伸缩装置主要由可以相对滑移的内外筒、限制内外管相对移动的液压锁紧机构、防止钻井液漏出的密封机构、为张紧环和辅助管线提供安装连接的支撑机构及辅助机构等部件构成。
隔水管伸缩装置在船上吊装、BOP 安装送入或取出时,内管需要处于缩回位置和锁紧状态;隔水管处于工作状态时,必须通过锁紧机构对内外筒解锁,伸缩126 石 油 机 械2009年 第37卷 第9期装置内外管之间随海浪产生相对滑动,满足隔水管系统在海洋环境中的升沉补偿工作需要。
隔水管张紧器主要由主体、控制架、固定滑轮组、空气压力容器、主控制台、惯性控制系统、蓄能器液体补充系统等部件组成。
张紧器的主要作用是在钻井过程中对隔水管系统保持恒定的张力。
通过司钻控制室远程启动、设置、监控和关闭控制阀块,可以很好地调整压力和张力。
当平台上下运动时,张紧器张紧缸收缩或伸长。
当液缸伸长时,压缩空气将通过控制阀块进入压缩气罐;当液缸收缩时,压缩空气将沿相反方向通过控制阀块。
2 技术特点及发展趋势由于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所垄断。
如挪威H ydralift公司设计和生产的各种型式升沉补偿系统,2001年的资料显示,他们至少已出售了被动式升沉补偿装置上千套;各种规格的主动式升沉补偿装置近50套。
总结当前国际上已经开发应用的各类升沉补偿装置,可以得出各自的技术特点。
2 1 技术特点2 1 1 伸缩钻杆升沉补偿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,可以说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。
主要表现在: 补偿能力有限。
由于其伸缩行程一般为2m,无法满足深水升沉补偿要求,更无法满足下套管作业、取心、测井、试油等复杂的工艺操作要求。
钻压不能调节,钻井生产效率偏低。
增加伸缩钻杆后,钻压的变化会影响伸缩钻杆的伸缩,因此不能为适应岩层的变化而调节钻压,使得钻井生产率降低。
承载条件恶劣,容易卡死和损坏。
伸缩钻杆既承受钻井液的高压,传递钻杆柱的扭矩,又承受内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷,致使承载条件极为恶劣,容易卡死和损坏。
增加了关井操作难度。
由于伸缩钻杆以上的钻杆柱仍随船体上下运动,当水下防喷器闸板关闭时,钻杆柱就要与防喷器心子发生摩擦,极易损坏,增加了操作上的难度。
2 1 2 游车大钩升沉补偿该形式的补偿通过多年来不断的改进完善,目前在实际油气勘探开发当中应用相对比较广泛。
如图1所示,老式结构的游车大钩升沉补偿速度受制于液缸伸缩速度,而且钻杆、水龙头的摇摆致使液缸承受侧向载荷较为严重,从而对液缸的使用寿命带来了较大影响。
如图4所示,改进后的新型游车大钩升沉补偿,由于将活塞杆与下框架直接相连的刚性连接改成了通过链条或钢丝绳传动的柔性连接,不仅弥补了刚性连接带来的2根活塞杆的同步要求高、液缸承受侧向载荷大等不足,而且由于增加了动滑轮等,使得活塞的行程仅为船体升沉运动行程的12,使其性能得到了明显改善。
图4 新型游车大钩升沉补偿尽管如此,但改进后的游车大钩升沉补偿仍存在一个突出问题,即补偿效果不够理想,大钩还有少许位移。
究其原因主要有以下3个影响因素[2]: 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链轮间的机械摩擦等均影响大钩运动; 活塞下端气体体积压缩膨胀对压力的影响,因工作缸与储罐相通,故活塞下端气体的体积包括储罐的容积,这个容积的合理与否将直接影响活塞压力的改变,关系着大钩的位移。
2 13 天车升沉补偿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。
天车升沉补偿具有以下技术特点: 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的载荷变化; 采用倾斜放置主气缸的方案,利用力分解的基本原理,减小了因活塞在气缸中上下移动时带给大钩载荷变化的影响。
天车升沉补偿一方面具有占用钻井船甲板面积及空间小的优势(甲板上一般只安装压气机、油泵、调节控制阀组等),而且管线短、密封少、不1272009年 第37卷 第9期任克忍等:海洋钻井升沉补偿系统技术分析需高压柔性胶管、摩擦小。
