DC40/60-Y型鉆柱升沉補償系統的研制與應用

劉志桐，吳衛周，趙鵬，杜永軍，鄭萬里，李歡

（1.寶雞石油機械有限責任公司；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721000）

補償系統是海洋油氣勘探開發的核心部件，主要用于鉆井作業中克服船體升沉對鉆柱上下位移的影響，維持井底鉆壓穩定，提高鉆井效率。目前海洋平臺或船體的補償系統大體分為主動和被動式兩種，現有配套的鉆機多數以絞車起升下放為主，采用主動式補償系統一般價格高昂，系統復雜維護困難；而其采用的被動補償系統，由于多數使用多繩系的游車裝置或通過滑輪鋼絲繩帶動補償油缸，導致系統的補償精度不高，補償范圍受限。為此，設計和研發的DC40/60-Y型補償系統，配套在液缸式舉升鉆機實現鉆井作業補償，該系統已在廣州地質調查局的海洋地質十號船中應用，并達到了預期的效果。

1 技術分析

結構如圖1所示，補償裝置本體分為上下架體兩部分，補償油缸安裝和固定在上架體，下架體連接頂驅和鉆柱。上架體與鉆機舉升油缸提升鋼絲繩連接，在提升鋼絲繩的帶動下沿井架中的導軌上下運動完成補償功能；補償油缸采用倒置方式，通過補償油缸有桿腔活塞伸縮實現鉆柱的波浪補償。鉆柱升沉補償系統本體側面安裝有鎖緊油缸，通過遠程操作鎖緊油缸活塞桿伸縮，驅動補償裝置完成插銷動作，將補償裝置本體與頂驅滑車機械連接為一個整體，從而關閉其補償功能，適應最大提升載荷。

2 液氣系統設計

圖1 補償裝置本體結構示意圖

DC40/60-Y型被動補償液氣系統設計主要由被動補償油缸、蓄能器、隔離閥組、高壓空壓機組、氣瓶組等組成。活塞式蓄能器用于隔絕補償油缸中液壓介質和工作氣瓶組中的壓縮空氣，與工作氣瓶組共同構成液氣彈簧，承受補償裝置負載。高壓空壓機組采用一備一用方式為氣瓶組充氣，兩臺高壓空壓機單臺流量1500L/min，最大工作壓力均可以達到25MPa，空壓機組與備用氣瓶組相連，其輸出的高壓氣體儲存在備用氣瓶組中，空壓機組具有遠程與本地兩種操作模式。通過主氣閥的開閉和增減氣壓控制，使補償載荷和被動補償油缸壓力平衡，增減壓和主氣閥控制柜內部的電控閥門動作由低壓氣源供給。隔離閥組和防爆閥組為蓄能器和補償油缸之間提供保護，在升沉補償系統有顯著的負載消耗時，由于蓄能器原有的能量（氣壓），流量會加速流動，當流速達到設定的關斷值時，隔離閥會快速關斷防止事故發生；被動液壓站的作用主要是在開始工作時為蓄能器、補償油缸和鎖緊油缸充油；補償系統開始時由高壓空壓機為氣瓶組充氣，當高于補償載荷所需的額定預計壓力后停止；氣瓶組壓力主要由懸重傳感器實時測定的鉤載決定，當補償功能使用時，蓄能器將自身壓力反饋至控制系統，并通過控制單元計算，控制氣瓶組、主氣閥等補償或釋放氣壓，系統整體可以達到自適應檢查和調節目的。

3 控制系統設計

鉆柱升沉補償系統電控系統負責監視整個補償裝置的運行狀態，包括補償載荷、氣動系統壓力、液壓系統壓力、補償油缸位置、油箱液位、鎖緊/解鎖指示等。當系統出現異常時及時提示設備操作人員。補償裝置電控系統主要包括安放于司鉆房內的補償裝置操作箱、安放于船體電控間中的補償裝置控制柜以及安放于現場執行器的傳感器（如補償油缸位移傳感器、鎖緊油缸接近開關、增減壓氣控制柜中的壓力傳感器）。

補償裝置電控系統主要部件包括：中央控制器、人機交互面板（HIM）、物理開關、指示燈等。安放于綜合地質調查船電控間中的補償裝置控制柜中布置中央控制器，輸入輸出（IO）模塊，各類中間繼電器，安全隔離柵等電氣元件，中央控制器根據輸入模塊采集的補償裝置現場執行器工作狀態，依靠其內置的控制程序監視整個補償裝置的運行狀態；同時完成補償裝置工作過程中工作氣瓶組中工作氣壓的自動調節，實現鉤重檢查及補償器自動調節。為方便司鉆操作補償裝置，在司鉆房內提供補償裝置操作箱，操作箱內嵌人機交互面板（HIM）用于圖形化顯示補償裝置現場執行器的工作狀態，操作箱面板上安裝操作補償裝置要求使用的物理按鈕（諸如主氣閥開/關、隔離閥開/關、解鎖鎖緊等操作按鈕），同時安裝聲光報警指示，對危及補償裝置功能實現的危險工作狀態進行聲光報警，提醒操作者注意。

4 關鍵技術及創新點

4.1 直驅補償

常規的海洋平臺或船體配套的鉆機多數以電控或液控絞車起升下放為主，很少直接使用主動式補償系統，而其采用的被動補償系統，多數會使用多繩系的游車裝置或是通過導向繩索連接補償油缸，導致系統的補償精度不高，補償范圍受限。DC40/60-Y型補償裝置的補償液缸連接架直接連接頂驅裝置，可以將海浪升降的能量迅速儲存和釋放，能提高鉆井作業效率和補償反應速度。

4.2 補償載荷自反饋動態調節

為維持一個穩定的鉆壓，滿足鉆井作業過程中出現的補償變載（如鉆深變化、鉆具不同等），需要不斷調節氣瓶組工作壓力。DC40/60-Y型補償裝置通過固定在井架的傳壓包將模擬信號放大轉換后測定的鉤載傳輸至補償的控制系統，通過與蓄能器測定的壓力值比較，并通過位置傳感器檢測蓄能器活塞位置是否處于中位，計算補償所需額定壓力的差值，自動控制增減壓控制柜和主氣閥控制柜中相應的電控閥，達到保持蓄能器壓力穩定，平衡被動補償油缸壓力的目的。

5 結語

DC40/60-Y型鉆柱升沉補償系統采用分體式結構設計，被動式液氣系統補償模式，具有成本低易于維護和操作的特點，在提高補償精度的同時也降低了補償過程中的能量消耗，滿足了設計和使用要求，目前該系統已經應用在廣州地質調查局的海洋地質十號船鉆探系統中，達到了預期的效果。

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