第9章 钻井平台升沉补偿系统

浮式钻井平台天车升沉补偿系统联合仿真研究刘振东;张彦廷;陈帅;黄鲁蒙;许亮斌;牟新明【摘要】天车升沉补偿系统在浮式海洋钻井平台得到了广泛应用.为分析天车升沉补偿系统不同工作方式下的补偿效果,对其主要系统参数进行设计.利用AMESim仿真平台和ADMAS软件搭建了联合仿真模型,完成被动补偿方式及3种不同反馈信号(位移、速度和加速度)下半主动补偿方式的补偿效果仿真实验,以及气液转换器与被动补偿缸之间管线长度对补偿效果的影响分析.仿真结果表明:半主动补偿方式下速度反馈补偿效果最佳,加速度反馈稍差,位移反馈最次,但都远高于被动补偿方式;气液转换器与被动补偿缸之间管线越短补偿效果越高.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2018(000)009【总页数】6页(P74-79)【关键词】浮式钻井平台;天车升沉补偿;联合仿真;速度反馈【作者】刘振东;张彦廷;陈帅;黄鲁蒙;许亮斌;牟新明【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)石油工业训练中心,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中海油研究总院,北京100028;中国石油宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡721002【正文语种】中文【中图分类】TH137引言浮式钻井平台在深海作业时受海浪影响会产生升沉、艏摇和横摇等6个自由度方向上的运动[1-2]。

为克服平台升沉运动对钻进工作的影响，平台上必须配备一套钻柱升沉补偿系统[3-6]。

目前常用的钻柱升沉补偿系统种类较多，其中天车升沉补偿系统因具有占用甲板面积小、补偿率高、无需两条活动的高压油管等诸多优点得到了广泛应用[7]。

本研究采用ADAMS软件和AMESim仿真平台对天车升沉补偿系统的机械系统和液压驱动系统分别建模并进行联合仿真[8-10]，充分发挥各软件的技术优势，分析被动式和半主动式天车升沉补偿系统的工作效果，研究位移、速度和加速度3种不同反馈信号对补偿效果的影响，分析气液转换器与被动补偿缸之间的管线长度对补偿效果的影响，为设计实际的天车升沉补偿系统，提高补偿效率和控制精度提供依据。

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。

五、钻柱升沉补偿系统及原理
钻柱升沉补偿系统按照其安装位置可分为多种形式,其中以游车与大钩之间的升沉补偿装置应用最为广泛。

大钩的载荷不是直接作用在游车上,而是由补偿液缸来承受一部分。

钻柱升沉补偿系统如图所示,补偿缸缸体与游车连接,活塞杆顶端有滑轮,钢丝绳绕过滑轮,一端固定在补偿缸缸体上,一端悬挂大钩。

这种倍增程的安装方式可以缩短补偿油缸的行程,减小油缸长度。

补偿缸承受的载荷为大钩载荷和大钩质量的总和。

当钻井船随波浪做升沉运动时,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,整个钻杆柱质量为活塞下端的液体压力所支持,液体压力既可保持恒定又可调节。

这样就可以实现控制钻杆柱的拉力大小、调节井底钻压的目的[。

如图2 所示,正常钻井时大钩上的力平衡方程为
F - Gg - F a + N = 0 (1)
式中, F 为大钩拉力,N ; G 为钻柱质量, kg ; g 为重力加速度,m/ s2 ; F a 为钻柱惯性力,N , F a =Ga ,其中, a 为钻柱运动加速度,和平台的运动有关; N为钻压N。

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。

1.大钩补偿升沉系统( DRILL STRING COMPENSATOR，简称DSC)该钻柱升沉补偿系统是VETCO生产的MC400—20D型，其中含义为：20表示补偿器的活塞最大行程是20inch；400表示补偿器载荷是400KIPS；补偿器能够消除钻具的外界影响，并且在出现高扭矩、高泵压时，它能够手动或自动锁紧。

补偿器还可以用于电测、取心、固井和打捞，尤其适合于关井情况下的试压和挤注水泥工作.能够很好的防止钻杆上下运动对防喷器胶心的磨损。

维高补偿器的液压锁紧阀可以在锁销长度范围内，任一位置选择锁紧。

组成该系统在游车和大钩之间，包括两个圆柱型液缸，滑轮系统，提升链条，链条，主框架，锁紧杆和大钩框架，链条的长度是活塞行程的两倍。

两个圆柱型的缸体虽然是通过气体连接在一起的，但是，它们在运动的时候却是完全独立的，互相不受影响。

圆柱型缸体和大钩框架用链条软连接，其好处是两个圆柱型的缸体的运动可以不是完全同步的。

导入机车系统和大钩框架的形状也有利于两个圆柱型的汽缸运动的同步性，同时也消除了钻柱补偿系统的运动部分和固定部分之间的干扰，使“硬件与软件”之间在剧烈运动时得到缓冲。

由于是通过链条连接的，它可以减少活塞的横向移动，从而降低了活塞和液缸之间的磨损。

1.1主框架主框架主要由固定补偿块，圆柱型液缸和锁紧销等部件组成，也是钻柱升沉补偿系统的主要部件。

为了利于安装和拆卸，主框架的部件都用剪切销钉和螺拴连接。

当钻柱升沉补偿系统工作时，主框架的安全拉力为400KIPS，当将升沉补偿系统锁紧时，补偿系统与大钩、绞车为一体，此时大钩拉力即为钻机工作拉力。

1.2大钩框架大钩框架在大钩和链条之间，升沉补偿系统的链条拉在大钩的上面，形成一个矩形框架，假如两个圆柱型液缸受力不均，则就会产生扭矩，大钩框架就有向一方转动的趋势，但是大钩载荷或自重可以阻止这种转动趋势。

在钻柱升沉补偿系统工作的时候，大钩框架的拉力为400kIPS，当钻柱升沉补偿系统锁紧时，大钩框架的拉力为1000KIPS。

海洋浮式钻井天车升沉补偿实验教学平台研制张彦廷;刘振东;陈帅;王康;黄鲁蒙;刘明宇【摘要】针对海洋浮式钻井升沉补偿实验教学的需要,研制了一套天车升沉补偿实验教学平台.该教学平台由升沉模拟系统、负载模拟系统、升沉补偿系统三部分组成,分别实现升沉运动模拟、钻机负载模拟和升沉补偿的功能.该平台电控系统采用西门子PLC为下位机,上位机采用WinCC组态人机交互界面,两者采用TCP/IP协议进行通信,达到实时监测和控制的要求.采用该平台进行综合实验,学生可以重点掌握天车升沉补偿装置的工作原理与控制方式,提高学生机电结合的动手和工程实践能力.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2019(036)004【总页数】5页(P20-24)【关键词】海洋浮式钻井;天车升沉补偿;实验教学平台;电控系统【作者】张彦廷;刘振东;陈帅;王康;黄鲁蒙;刘明宇【作者单位】中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)石油工业训练中心,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛266580;中国石油大学(华东)机电工程学院,山东青岛 266580【正文语种】中文【中图分类】G642.423;TE952深海油气开采依靠浮式钻井装置,海浪的不规则运动使钻井平台产生六自由度运动,升沉补偿装置可以消除波浪升沉运动对钻柱的影响,控制井底钻压稳定在允许范围内,其性能直接影响到海洋石油的开采效率[1]。

天车升沉补偿因具有占用甲板面积小、所需液压管线短和钢丝绳寿命不受影响的优点,在浮式钻井船或半潜式钻井平台上得到广泛应用[2-3]。

升沉补偿装置是石油高校机械工程专业的高年级本科生应重点了解的一种海洋石油装备,目前多数学生对升沉补偿装置的认识仅停留在理论层面,缺乏感性认识和实际的动手操作训练[4-8]。

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。