浮式鉆井裝置鉆柱運動補償系統研究*

趙建亭 劉樹祥 (七〇八研究所 上海 200011)

晏紹枝 李浪清 (中海油田服務股份有限公司 河北 065201)

浮式鉆井裝置鉆柱運動補償系統研究*

趙建亭 劉樹祥 (七〇八研究所 上海 200011)

晏紹枝 李浪清 (中海油田服務股份有限公司 河北 065201)

浮式鉆井裝置;鉆柱;運動補償

針對浮式鉆井裝置的鉆柱運動補償問題,介紹了幾種解決方案,并對幾個方案的補償原理做了分析研究。對從事海洋鉆井工程的技術人員具有參考價值。

劉樹祥(1983.10-)男,漢族,江蘇連云港人,助理工程師,主要從事機械設計及研究工作。

晏紹枝(1971.03-)男,漢族,湖北羅田人,工程師,主要從事海洋鉆機管理工作。

李浪清(1967.06-)男,漢族,廣東梅縣人,工程師,主要從事海洋水下設備管理工作。

0 引 言

浮式鉆井裝置主要包括半潛式鉆井平臺、圓筒型鉆井平臺、鉆井船、鉆井駁及其他類型鉆井浮體等,對于浮在海面上的鉆井作業需要解決的一個共同的問題就是:浮體本身的運動升沉產生與海底的相對運動,而鉆柱作業需要相對海底靜止的問題。本文就此進行了初步的探討分析。

浮式鉆井裝置鉆井作業時,在波浪作用下,會產生周期性的上下升沉運動,使鉆柱隨之做上下運動,并造成井底鉆壓變化,甚至鉆頭脫離井底,無法鉆進。鉆柱運動補償系統主要是解決鉆柱的升沉補償問題,鉆柱運動補償系統能夠在浮式鉆井裝置升沉運動時保持井底鉆壓,并按巖石性質隨時調節鉆壓。

1 規范要求

對于鉆柱運動補償系統,船級社有關的規范要求比較少,目前可以參照的船級社規范是中國船級社的《鉆井裝置發證指南》、美國船級社(ABS)的《GUIDE FOR CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM》及挪威船級社(DNV)的《DRILLING PLANT》;對于補償系統內部細節的設計主要還是依據相關的機械行業規范及規則開展執行。

1.1 基本要求

浮式鉆井裝置的鉆柱運動補償系統主要功用是消除平臺上鉆柱的垂蕩運動,以便穩定鉆井壓力、平穩下放防噴器組和平緩下放套管。鉆柱運動補償系統設計時,液壓缸的設計既要考慮到內壓載荷,又要考慮到作為結構件所招致的載荷。系統應在補償器上設雙向限流措施以防止由于鋼絲繩斷裂、軟管破裂等情況下壓力流體的迅速流失;應考慮到在作業期間,在某些流體損失的情況下,仍能保證系統正常工作。

1.2 冗余要求

對于主動補償裝置,單一部件失效不應招致整個裝置失效,在正常和應急作業的情況下都應能保證整個系統的動力供應;對于主動和被動聯合的補償裝置,主動部分失效不應招致整個裝置失效。

2 升沉補償解決方案

對于浮式鉆井裝置鉆柱運動補償的問題從方法上概括起來有兩種解決方案:一是增加伸縮鉆桿,二是增設升沉補償裝置。增加伸縮鉆桿的辦法是在鉆桿柱的鉆鋌上方增加一根可伸縮的鉆桿,伸縮鉆桿由內、外管組成,沿軸線可做相對運動,行程一般為2m。當船體做上下升沉運動時,由于伸縮鉆桿的作用,只有伸縮鉆桿以上的鉆桿柱隨著做上下軸向運動,而伸縮鉆桿以下的鉆鋌則不受影響,使鉆壓維持一定,同時還避免平臺上升時提起鉆鋌、平臺下沉時壓彎鉆桿柱的情況。伸縮鉆桿存在鉆壓不能夠調節、承載條件惡劣、操作困難等許多問題,使用受到了限制,所以目前浮式鉆井裝置廣泛采用升沉補償裝置解決鉆柱運動補償問題。目前對于浮式鉆井裝置來說升沉補償裝置概括起來有四種解決方案。

2.1 升沉補償裝置概述

對于浮式鉆井裝置解決鉆柱運動的升沉補償裝置來說,主要分為被動型和主動型兩大類。所謂被動型,即在鉆井裝置受海浪或潮汐的作用上升時,靠鉆井裝置的舉升力將蓄能器內的氣體再度壓縮以儲存能量;在鉆井裝置下沉時,蓄能器釋放能量,以補償鉆柱升沉或張緊繩纜。即補償器和張緊器的工作能量來源于鉆進裝置的升沉,故其幾乎不消耗外部的能量。所謂主動型,即當鉆井裝置上浮時,用泵將工作液缸的液體抽出(或使液壓馬達倒轉);當鉆井裝置下沉時,用泵使工作液缸充油(或使液壓馬達正轉)以達到補償升沉或張緊鋼纜的目的。即其補償器或者張緊器的工作是依靠本身動力機的能源驅動工作的,消耗的能量較大。

被動型補償裝置主要有死繩或快繩恒張力補償、游車型補償、天車型補償、液缸升降補償等四種類型。死繩或快繩恒張力鉆柱運動補償裝置由于自身的缺點,故在目前用得不是很多;游車型鉆柱運動補償裝置和天車型鉆柱運動補償裝置存在于多數的浮式鉆井裝置上,屬于常用的鉆柱運動補償解決方案。

主動型補償裝置主要由主動補償液壓系統及主動補償絞車等兩種類型。主動補償液壓系統是一個位置控制系統,通常與被動補償組合成天車型鉆柱運動補償裝置;主動補償絞車是由美國NOV公司獨創設計。而液壓升降型鉆機(Ram rig)可以將起升系統與鉆柱運動補償系統合二為一,是歐洲Aker Solution公司的獨創集成設計。主動補償絞車及液壓升降型鉆機兩種新型的鉆柱運動補償解決方案具有較大的實用性。

升沉補償裝置的設計能力主要按補償與鎖緊兩種工況進行設計。補償工況是補償裝置起作用的工況,此時的大鉤實際載荷為鉆柱的載荷,跟鉆井深度(鉆柱類型及鉆柱長度)有關;鎖緊工況是補償裝置不起作用的工況,此時的大鉤載荷為實際的大鉤載荷,跟工作水深(隔水管長度)、水下防噴器組重量及鉆井深度有關。

2.2 死繩或快繩恒張力補償裝置

死繩就是天車和游車上所穿的鋼絲繩固定在井架底座的一端;快繩是絞車滾筒的一端。此恒張力補償系統的特點是通過調節這兩段鋼絲繩的直線長度來補償在波浪作用下游車與大鉤隨船體升沉的位移,從而保持和調節井底鉆壓。該裝置是將死繩或快繩通過一套恒張力滑輪系統固定在井架底座或纏繞在滾筒上。當平臺上升時,拉力上升,補償裝置就放松鋼絲繩,使拉力恒定;平臺下沉時,則相反。這樣,就使井下鉆具不隨升沉而上下移動,保持正常鉆井作業。調節儲能器內的壓力、推動活塞產生位移、帶動滑輪運動,依此調節鋼絲繩的拉力,進而可隨時調節鉆壓。此種裝置有一套電動自控系統傳遞鋼絲繩上的拉力變化和調節蓄能器內的壓力,比較復雜,而且對鋼絲繩的磨損也比較嚴重,故在浮式鉆井裝置上實際應用的不多。

2.3 游車型補償裝置

游車型鉆柱運動補償裝置結構組成如圖1所示。其安裝在游車與大鉤之間,上框架與游車相連,下框架與大鉤相連,上下框架通過鏈條繞過氣液缸的活塞桿頂部的鏈輪連接在一起。氣液缸的有桿腔一端充滿低壓液壓油,無桿腔充滿高壓壓縮空氣。有桿腔一端的液壓油通過調速閥接到氣液蓄能器,無桿腔的氣體通過氣體安全閥接到空氣瓶。調節空氣瓶內的壓力可以調整氣液缸內的壓力差。游車下的上框架和大鉤上的下框架可以通過鎖塊鎖緊成一體,使大鉤和游車一同起下。在起下鉆時不使用鉆柱運動補償裝置。

游車型鉆柱運動補償裝置的工作原理見圖2。當平臺上升時游車框架帶液壓缸也隨平臺上升,此時液壓缸內液體的壓力并沒有變化,對活塞的下推力也沒有變化。因此,大鉤不可能提著鉆具跟隨平臺一起上升,只能停留在原來的位置,也就是說,大鉤在空間的位置不受平臺上升的影響。不過這時液壓缸有桿腔的體積變大,氣液蓄能器內的液壓油進入液壓缸。蓄能器內氣體膨脹。當平臺下降時,情況正好相反,游車框架帶液壓缸體隨平臺下降,液壓缸內的液壓油排出,氣液蓄能器內氣體受到壓縮。所以為了保持鉆壓,只要保持氣液缸內氣體的壓力為一恒定值即可。為了調節鉆壓,只要調節氣液缸內氣體的壓力,改變氣液缸內的壓力差即可。為了實現自動鉆井,只要調節進入氣液缸內的氣體壓力,使氣液缸內的壓力差略小于整個鉆柱的懸重,并使氣液缸的活塞行程大于升沉位移。

游車型鉆柱運動補償裝置是一種被動型的補償裝置,不需要特制的井架、天車、游車和大鉤,只要把游車下的框架和大鉤上的框架分別裝上并連接起來就可以使用。游車型鉆柱運動補償裝置已經系列化、標準化,業主可以根據大鉤載荷情況直接選用標準的產品即可(如表1所示)。

2.4 天車型鉆柱運動補償裝置

天車型鉆柱運動補償裝置的特點是具有浮動天車,結構組成如圖3所示。天車裝在一個能浮動的框架內,有垂直軌道,天車可以通過滾輪在軌道內上下移動。天車上繞的鋼絲繩一端通過輔助滑輪纏到絞車滾筒上,另一端通過輔助滑輪固定到井架底座死繩固定器上。兩個輔助滑輪軸與天車滑輪軸有連桿連接,一同上下,所以鋼絲繩與滑輪間無相對運動,可以提高鋼絲繩壽命。

表1 典型游車型鉆柱運動補償裝置主要參數

圖3 天車型鉆柱運動補償裝置

天車型鉆柱運動補償裝置的工作原理是:當平臺上升時,天車相對于井架沿軌道向下運動,壓縮主氣缸內的氣體;平臺下沉時,主氣缸氣體膨脹推天車向上運動;起下鉆時,有鎖緊裝置將天車鎖住不隨起下鉆而上下運動;正常鉆進時,通過氣動調節閥,控制蓄能器內的壓力,以保持井底鉆壓或調節鉆壓。天車的位置有行程指示器,當天車位于最低點時,可放松滾筒的鋼絲繩使游車下放,繼續鉆進;當大鉤載荷突變時,液壓缸就支撐天車,使其緩慢移動,以保證安全。配有速度控制閥,當液壓缸的速度超過最大允許的工作速度的15%時,此閥關閉,從而限制了液壓缸伸縮的速度,以保證在鉆柱突然斷裂而蓄能器內充滿壓力油的情況下,天車型運動補償器的安全。

天車型鉆柱運動補償裝置為獨立的模塊化組件,可以直接安裝在井架的天車臺上,但此種裝置主要機構都在天車臺和井架上,所以,需要有強度大、結構復雜的特制井架。

天車型鉆柱運動補償系統由主動補償裝置與被動補償裝置組成。鉆柱運動補償器系統主要由補償裝置結構、液壓缸、導向滑輪、空氣閥箱、液壓泵站、高壓空氣瓶、高壓空壓機等組成。補償裝置結構、液壓缸、導向滑輪模塊設計布置于井架的頂部。液壓泵站是主動補償與被動補償兩個互相獨立的泵站。

被動補償裝置安裝在井架上部,兩組傾斜安裝的液缸的柱塞頂端直接與天車相連。天車通過滾輪在井架內垂直移動,在天車的回轉臂上裝有四個導向滑輪,快繩和死繩分別從天車上引出,穿過導向滑輪,將大鉤載荷先傳遞給天車。由于液缸的柱塞頂端與天車相連,天車將大鉤載荷傳遞給液缸的內的液體介質,大鉤載荷就被轉化為液體壓力實現被動補償功能。被動補償裝置典型系統圖參見圖4。

圖4 被動補償裝置典型系統圖

被動補償裝置最主要的作用是:通過保持整個鉆柱不隨船體的升沉而上下運動,從而保持井底鉆壓的相對恒定;被動型補償裝置補償器的補償量總會有一個滯后時間,同時液缸柱塞運動的時候,不可避免會產生一部分摩擦力和損耗,為了解決這些問題,采用主動與被動聯合使用,為天車提供一個相對于海底穩定的位置,盡可能減少主動補償天車的偏移量,使平臺在任何惡劣天氣條件下都能夠安全進行操作。

主動補償裝置通過油缸施加在天車上的力來克服在被動補償系統在執行過程中各個部分產生的摩擦力和被動補償系統做補償作用時產生的各種損耗。主動補償系統是一個位置控制系統,在系統控制柜中安裝有一個特殊的加速計(升沉傳感器),可以測量船體相對于海底的三維速度,同時在AHC的油缸處安裝有一個油缸位置傳感器,將這兩個量輸入計算機,通過一系列的計算,向伺服閥發出一個動作的命令,伺服閥動作,液壓泵站將液壓油注入到油缸中(活塞上方或活塞下方),使油缸的活塞運動,通過活塞柄將拉力或推力施加在天車上。主動補償和被動補償的聯合作用使天車在整個平臺相對于海底有上下4m的移動時,天車的最大位移控制在0.1～0.5m之內,在最大程度上保證了井底鉆壓的恒定。主動補償裝置典型系統圖參見圖5。目前,天車型鉆柱運動補償裝置的也已經系列化、標準化,業主可以根據大鉤載荷情況直接選用或者補充新的要求訂購即可(如表2所示)。

圖5 主動補償裝置典型系統圖

表2 典型天車型鉆柱運動補償裝置主要參數

2.5 主動補償絞車

隨著世界鉆井工業的發展,鉆井設備設計者們突破了傳統的鉆柱運動補償概念,將鉆柱補償功能通過絞車的控制來實現。主動補償絞車集成了控制和設計方面的最新技術,補償精度更高;使用主動補償絞車可以省去鉆柱運動補償器。此外,絞車剎車所產生的能量重新利用并反饋給鉆井電控系統,提高了鉆井效率。

主動補償絞車是鉆井工業領域獨創的設計,它重新確立了補償精度和工作范圍的標準,增大了鉆井平臺的操作范圍;它是浮式鉆井裝置鉆機的一項重要的革新。主動補償絞車除具有傳統絞車的提升功能外,還具有主動補償浮式鉆井裝置的升沉運動對鉆柱的影響的功能。一般來說,由于主動補償絞車具有補償的功能,對于同樣起升等級的絞車消耗的功率要高,大約為常規同級鉆井絞車的1.5倍以上。

主動補償絞車為新產生并且得到成功應用的鉆井絞車。雖然現在浮式鉆井裝置上也配置有傳統的鉆井絞車,但是主動補償鉆井絞車應該是當代浮式鉆井裝置鉆機設備配置的一個非常特殊的標志,她不失為新建浮式鉆井裝置中鉆機設備中鉆井絞車配置的最優選擇,其既解決了提升系統的功能,又解決了鉆柱運動補償的功能。

3 結 語

鉆柱運動補償系統是浮式鉆井裝置為保證鉆井作業順利進行所特有的且不可缺少一個系統,從最初的伸縮鉆桿補償方法,發展到現在正在浮式鉆井裝置上廣泛使用的天車型或游車型鉆柱運動補償裝置,經歷了一個逐步發展完善的過程。

剛剛興起的液壓升降型鉆機具有鉆柱運動補償裝置功能,而主動補償絞車自身可解決鉆柱運動補償問題;這些新型裝備的產生象征浮式鉆井裝置的鉆柱運動補償系統研發工作進入了一個新的時代。

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Heave Compensation System for the Drill String of Floating Drilling Unit

Zhao Jianting Liu Shuxiang Yan Shaozhi Li Langqing

floating drilling unit;drill string;heave compensation

This paper introduces several solutions for heave compensation for the drill string of floating drilling unit,analyses and studies their compensation principle.It has a reference value to the technicians in drilling engineering.

U674.38+1

A

1001-9855(2010)03-0001-05

2010-02-03

趙建亭(1978.10-)男,漢族,山東青州人,工程師,主要從事機械設計及研究工作。