海洋液壓鉆機研究綜述與展望

廖國敏，周　雄，徐　坤，何　濤

(重慶科技學院，重慶 401331)

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海洋液壓鉆機研究綜述與展望

廖國敏，周雄，徐坤，何濤

(重慶科技學院，重慶 401331)

摘要：為了加快海上石油的開發進程，需要設計與制造符合中國海洋環境的鉆機。液壓鉆機以其工作可靠性好、穩定性高等特點，將成為我國海洋鉆機的發展方向之一。研究了海洋液壓鉆機的背景、液壓系統、發展和應用，尤其是分析了液壓鉆機的發展和應用，將極大地提升液壓鉆機在中國海洋石油平臺上的應用前景。

關鍵詞：海洋；液壓鉆機；液壓系統；發展；應用

液壓鉆機是一種用油壓驅動和控制所有運轉部件的鉆機，該鉆機鉆速較高，工作平穩，操作方便安全，已實現自動化和儀表化，對高速小口徑鉆進(如金剛石鉆進)和大轉矩、低轉速的工程鉆進都有很好的適應性。全液壓鉆機現已在國際上得到廣泛使用。

在現有的石油鉆機中裝備了部分的液壓系統，例如歐陽志強等[1]發明的一種海洋鉆機液壓波浪補償系統，可對鉆頭部件的平衡進行快速準確的補償，且這種裝置結構簡單，補償穩定可靠，不受鉆探船晃動的影響，無安全隱患。全液壓鉆機不僅是在運動補償裝置這一部分使用液壓系統，在頂驅控制、起下鉆控制等過程均是采用液壓系統進行控制。液壓鉆機作為海洋石油鉆機的一類，以其工作可靠性好、穩定性高、易于實現自動化和儀表化等特點，正成為中國新型鉆機的發展形式之一。

1研究背景

液壓傳動由于其傳動力量大，易于傳遞及配置，在工業及民用行業應用廣泛。海上平臺上使用的鉆機要求具備傳遞功率大且設備體積小、能實現大范圍調速、操作控制方便、柔性好、易實現自動化等特點，可選用液壓鉆機。

由于液壓鉆機一系列的特點，陸地液壓鉆機在國內已開始投入使用。海洋石油液壓鉆機由于其特殊的海洋環境和高投資成本、維護成本等因素，目前還沒有應用于海洋平臺上。所以，全液壓鉆機是未來海洋石油鉆機的發展方向之一。

2液壓鉆機的液壓系統

朱興等[2]在國產全液壓鉆機的研制與應用中提到，液壓鉆機的整套控制主要由頂驅控制、起下鉆控制等其他控制部分組成，控制方式主要采用液壓控制。戴建平等[3]發明的一種全液壓鉆機聯動式液壓系統，實現了主副雙聯液壓泵的聯合給油，執行快進和快退動作，提高了工作效率及鉆機作業的自動化程度，減少了油路數量，降低了能量損耗，并且結構簡單，操作方便，提高了安全性。

海洋鉆機具有較多的特殊性，例如平臺上作業區域的局限性，平臺對載荷(海流等)的要求，水深增加使得相應的設備隨之改變，抵御環境因素(例如腐蝕、溫度的急劇變化等)的不利影響，相應的運動補償裝置等其他各方面的特殊性。在綜合考慮上述因素的前提下，結合自動化、數字化、智能化等高新技術，研究適合國內海洋環境的液壓鉆機的液壓系統。

3海洋石油液壓鉆機的發展及應用

3.1液缸升降型鉆機

3.2Ram Rig TM雙液缸升降型液壓鉆機

2005年，Eastern Drilling and Aker Drilling公司預定了3臺雙液缸升降型液壓鉆機。這3臺液缸升降型液壓鉆機都是用于水深3 048 m(10 000 ft)嚴酷環境下的第6代鉆機。Ram Rig TM已成功為BP、Chevron Txaco，Amerada Hess，Marathon Oil，Conoco and Shell等公司在西非、加拿大和埃及等國家和地區進行海上石油鉆井作業。

3.3加拿大Tesco公司新型套管鉆井液壓鉆機

Michael Laurent等在套管鉆井的液壓鉆機中提到了整個液壓鉆機的設計特點和套管鉆井的裝備。在套管鉆井系統發展的同時，新1代液壓驅動和電腦控制的鉆機應用而生，這就是新型套管鉆井的液壓鉆機。這種復合鉆機提高了工作可靠性、安全性和靈活性，同時也為套管鉆井提供了平臺。這種液壓鉆機鉆井井身質量好，鉆井成本低。

3.4意大利SOILMEC S.P.A油水分公司新型石油鉆機

意大利 SOILMEC S.P.A 油水分公司研究開發了多種系列的石油鉆機。中型系列鉆機鉆井深度為1 800～4 000 m，修井深度為3 600～7 000 m，適用于鉆小井眼井，具有鉆井成本較低等優點。輕型系列石油鉆機鉆井深度 300～1 000 m，修井深度600～1 800 m。鉆機采用全液壓驅動型式，所有部件采用同一液壓動力源，利用率高。

3.5意大利 Drillmec 公司全液壓提升型可移動式鉆機

意大利Drillmec鉆機是一種新式無絞車型液力提升鉆機，無須另配頂驅、自動化程度高、質量輕。由于其最大驅動功率較小(僅1 133 kN)，目前較多的應用于淺水鉆井[5]。

4海洋石油液壓鉆機應用中的關鍵技術

4.1虛擬樣機技術

徐蕾[6]在淺談虛擬樣機技術的應用與發展時提出，國內在虛擬樣機技術理論和實踐的深度方面的研究與國際水平還存在較大的差距，應用范圍還不夠廣闊，還有很大的提升空間。

計算機技術帶動了各種仿真軟件的快速發展，海洋石油液壓鉆機本身就是一個非常龐大的系統工程，若是在鉆機的開發或改進階段采用虛擬樣機技術，不僅可以縮短研發周期，并且可以極大地提高時間利用率和經濟效益，降低研發成本。首先建立鉆機三維模型，然后利用仿真軟件進行運動及液壓系統仿真，通過施加不同的載荷對設計進行性能驗證；鉆機設計完成后，通過物理樣機的制造及井下工業性試驗，結果表明鉆機性能達到設計要求，從實踐上驗證了鉆機開發中采用虛擬樣機設計的可能性[7]。

4.2模塊化設計

模塊化鉆機是指將鉆井裝置按模塊功能、便捷安裝的要求，分裝在不同的底座上，搬家移動時能快速分拆、分塊運輸，到井位后通過簡單的安裝，即能實現鉆井功能的裝置。模塊鉆機包括鉆井設備模塊、鉆井支持模塊、動力模塊、生活模塊、散裝材料模塊等[8]。

海洋相比于陸地而言，是屬于非常特殊的環境。因此，海洋石油鉆井平臺對鉆機的設計提出了非常高的要求。平臺的有限空間使得鉆機的設計更加緊湊和集成化程度更高，鉆機的模塊化設計具有環境適應性強，易于拆卸與安裝，穩定性好等優點。海洋鉆井受海洋環境的影響非常大，不同深度對應的液壓鉆機模塊化程度的要求不同，并且全球油氣資源開采不斷地朝著深水發展，這就對鉆機的模塊化設計提出了更高的要求。隨著科學技術的不斷進步，液壓鉆機的模塊化設計需要朝著更加模塊化和集成化的方向發展以滿足深水油氣開采。國內模塊化鉆機的研發時間較晚，因此液壓模塊化鉆機尤其是海洋石油液壓模塊化鉆機還需更高的模塊化設計程度。

4.3智能控制

“智能控制”術語第一次被引入是在1971年，它是人工智能和自動控制的交叉，這一理念后來被延伸為一門包含人工智能、運籌學和自動控制的學科[9]。設計智能控制系統的目的是當它的組件被模糊定義時，無論是因為設計時間的不確定性，還是因為會發生預想之外的變化，都能完成高層次的目標[10]。液壓鉆機是一套非常復雜的系統，每一個子系統中都存在不確定的非線性對象，這就需要采用較為先進的控制方法，智能控制就是這樣一種前端的控制方法；對于智能控制系統，任務的要求比較復雜。因此，智能控制方法旨在處理未定義的、復雜的、非線性的、隨時間變化的和隨機的過程[11]，要使用智能控制去處理傳統控制技術在復雜工程系統中不能有效起作用的場合[12]。

劉濤等[13]在智能控制系統綜述一文中提到：智能系統的主要研究內容是分級階梯智能控制系統、專家控制系統、等控制系統。由于國內海洋環境的復雜性和海上平臺對人員的限制，要求液壓鉆機在設備、液壓系統等方面具有很高的制造、控制等技術。由于智能控制技術能夠處理不確定的或難定義的控制、非線性、隨機等過程，并且具有能和多種技術交叉融合等特點，將智能控制技術應用于海洋液壓鉆機方面，不僅能夠減少人工操作，還能提高制造和控制精度，同時提高設備故障的自我辨別能力。

4.4液壓系統仿真技術

液壓系統仿真技術主要包括液壓系統動態性能仿真、液壓驅動性能仿真、液壓元件流場仿真等。液壓鉆機具有較復雜的液壓系統，為縮短整個液壓鉆機的開發周期和降低成本，需對液壓系統動態性能進行仿真。

付久長等[14]分析仿真技術在液壓系統中的應用中提到，液壓動態仿真技術已成為液壓系統和液壓元件設計與性能分析的必要方法。現有的液壓動態仿真系統主要有法國的AMESim，適用于機械、液壓、氣動等領域，仿真范圍廣且不同領域模塊間可直接物理連接；瑞典的Hospan機械系統和液壓系統采用特征方法處理；波音公司的EASY5涵蓋了液壓系統仿真的主要方面和具有卓越的代碼生成和求解器；德國的DSH plus具有液壓元件庫、建模簡單易學、仿真速度快等特點；英國的Bath/fp(HASP)是專門用于液壓與氣動系統的時域仿真分析軟件；以及荷蘭的20-sim系統。國內開發的液壓仿真系統包括：浙江大學的SMUL-ZD，是一種面向物理模型的液壓系統仿真軟件包；上海交通大學的HY-CAD仿真軟件；大連理工大學的SIM液壓系統通用仿真軟件包。液壓鉆機的液壓系統較為復雜，需要結合多種仿真軟件進行聯合分析，根據軟件不同的特點應用在液壓系統的不同階段，研發出符合國內實際海域環境的液壓鉆機。

液壓驅動性能仿真技術主要有美國的ADAMS/Hydraulics，用戶可以在液壓元件設計中運用設計研究(DS)、試驗設計(DOE)及優化設計(OPTIMIZE)等技術。

液壓元件流場仿真技術主要是FLUENT、ADINA。FLUENT軟件能推出多種優化的物理模型，從而高效率地解決各個領域的復雜流動的計算問題[15]。液壓元件是非常精密的儀器，其內部結構也較為復雜。因此，在設計液壓元件時，在理論設計方面完成后，需要對其內部流場進行仿真分析，使得產品設計者能夠很清晰地觀察到液壓元件內部流體的流動形態，指導產品設計；當液壓元件結構沒有達到理想狀態時，可以通過快速改善結構從而重新進行分析。在仿真分析完成后，可以確定出較為完善的液壓元件結構，然后對其進行試驗分析，既可縮短產品的開發周期，又能節約成本進而提高效率。

在仿真技術中，還有一種應用于液壓領域的可視化仿真技術。可視化仿真技術主要運用于液壓產品的設計演示及液壓系統使用訓練和維修訓練。尤其是在設計液壓產品時，可視化仿真技術可以結合AutoCAD等建模軟件、計算機網絡編程軟件(尤其是根據需要進行二次開發)以及圖像處理軟件等對液壓元件的設計進行指導和優化，縮短液壓元件的開發周期和降低成本。上述的液壓系統仿真技術具有各自的特點和適用范圍，應根據液壓系統的不同設計階段使用不同的仿真技術。液壓鉆機的液壓系統設計較為復雜，需根據液壓鉆機在不同階段的特點選用不同的仿真分析方法。例如，液壓元件的設計可以選擇美國的ADAMS/Hydraulics，液壓系統時域仿真分析可以選用的英國的Bath/fp(HASP)，液壓系統的設計可以選用波音公司EASY5、法國的AMESim等。在液壓鉆機的研發周期內，使用各種仿真技術形成聯合仿真。

5我國海洋液壓鉆機的發展趨勢

5.1設備與技術方面

雖然國內的制造業規模在國際上是居于領先地位，但依然存在制造業大而不強，自主創新能力弱，關鍵核心技術與高端裝備對外依存度高；資源能源利用效率低，環境問題較為突出；信息化水平不高，與工業化融合深度不夠；產業國際化程度不高等問題。為合理地解決上述問題，國內提出“中國制造2025”規劃。“中國制造2025”被業界稱為中國版“工業4.0”戰略。“工業4.0”最重要的核心理念是智能制造，這也是“中國制造2025”中所不可缺少的內容。

液壓鉆機是海上能源開發的重要設備，需根據國家提出的“中國制造2025”規劃，使得信息化水平大幅提升，兩化(工業化和信息化)融合更加緊密，并掌握一批關鍵核心技術；高效利用“互聯網+”技術，使互聯網與鉆機行業進行深度融合，創造新的發展生態，從而開發出適合國內海洋環境的，并且具有國際高水平的液壓鉆機。

5.2完善相應的制度標準

國內的相關制度標準體系不完善，需要建立合理的設計、管理等方面的標準，促進國內海上能源的開發進程。“工業4.0”技術中也提出了實現技術標準化和參考標準的參考體系，這說明建立健全各種標準體制對我國的制造業意義重大。

6結論

1)液壓鉆機以其傳遞功率大、穩定性高、運動補償性好、易于實現自動控制等特點而成為新型鉆機的發展形式之一。國內正積極研究和設計液壓鉆機，目前液壓鉆機已在陸地上使用較廣，未來將應用在國內海洋石油平臺上。

2)液壓鉆機的頂驅控制、起下鉆控制等過程均是利用液壓系統進行控制，可以較好地實現模塊化、自動化、集成化和智能化。

3)國外的液壓鉆機，例如挪威MH公司的Ramrig液缸升降型鉆機、加拿大Tesco公司新型套管鉆井的液壓鉆機、意大利SOILMEC S.P.A油氣分公司新型石油鉆機、意大利 Drillmec 公司全液壓提升型可移動式鉆機，都已經在海上投入使用，并且具有各自的適用場合和特點。國內需要結合自身海洋環境特點，在借鑒國外先進技術的同時，加快海洋石油液壓鉆機的設計和應用進程。

4)在液壓鉆機的應用中，需要一些關鍵性的技術，例如虛擬樣機技術、智能控制技術、液壓系統仿真技術等，使得液壓鉆機能適應不同的復雜環境。

5)對于國內復雜的海域環境，需深入結合“中國制造2025”規劃，研究和設計符合海洋環境變化的液壓鉆機，推動國家能源行業的可持續發展。

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Study Review and Prospect of Offshore Hydraulic Drilling Rig

LIAO Guomin，ZHOU Xiong，XU Kun，HE Tao

(ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331，China)

Abstract：In order to explore offshore oil as soon as possible，there is a necessity to design and manufacture the rig，which can confirm to our marine environment.Hydraulic drilling rig is becoming one of China’s national offshore rigs，due to the characters of high reliability，high stability and others.Studying the background，hydraulic system，development and application of offshore hydraulic drilling rig，especially the development and application of hydraulic drilling rig will improve the application prospect of hydraulic drilling rig in China’s offshore oil platform.

Keywords：offshore；hydraulic drilling rig；hydraulic system；development；application

中圖分類號：TE951

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.004

作者簡介：廖國敏(1991-)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事石油機械裝備相關的研究，E-mail：lihui29421@163.com。

收稿日期：2015-10-23

文章編號：1001-3482(2016)04-0012-04