海洋鉆井鉆柱升沉補償系統分析

秦如雷， 許本沖， 王嘉瑞

(中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

受波浪起伏影響，浮式鉆井平臺在工作中，有橫搖、縱搖、升沉三個方向的震蕩運動。其中與鉆井關系最為密切的，是平臺的升沉運動。平臺的上下升沉會帶動鉆頭做相應的運動，這就會使鉆頭與孔底不能保持穩定的接觸，施加在鉆頭上的鉆壓不穩定、不可控，鉆井質量無法滿足技術要求。升沉幅度過大還會導致鉆頭及下部鉆具組合由于超壓而降低壽命。

歐美等技術發達國家已有少數公司能夠生產解決上述問題的核心裝備——鉆柱升沉補償系統。而我國由于工業，尤其在海工準備領域基礎條件薄弱，目前在該領域的研究尚處于起步階段。通過對常用的鉆柱升沉補償系統進行結構、原理及應用分析，為工程技術人員選用或開發相關設備提供技術基礎。

國外鉆井公司曾開發過伸縮鉆桿來補償鉆柱升沉運動的行程，但是伸縮鉆桿密封與強度問題都使其使用效果差強人意。隨著海洋鉆井技術與裝備的進步，升沉補償系統取代了伸縮鉆桿，其結構形式有天車式、游車式等多種形式，均是基于被動式和主動式2種基本原理開發。被動鉆柱升沉運動補償系統的出現極大地解決了浮式鉆井平臺升沉運動引起的鉆井問題。但是被動補償系統屬于后發系統，補償響應在波浪之后，補償精度受鉤載影響大，淺水或淺井使用時補償精度不高。20世紀90年代，鉆井裝備廠商研制出了主動升沉補償系統，這是一種基于電腦控制、液壓響應的閉環補償系統，彌補了被動補償的不足，補償精度大大提高。

1 升沉補償系統的結構形式

鉆柱升沉補償系統按結構形式可分為天車式、游車式、死繩式、絞車式和主缸式，其結構如圖1～5所示。每種補償系統的概況與特點見表1。

圖1天車補償
Fig.2Travelingblockcompensation
圖2游車補償
Fig.1Crowncompensation

圖3 死繩補償Fig.3 Dead rope compensation圖4 主缸補償Fig.4 Master cylinder compensation

圖5 絞車補償Fig.5 Winch compensation

2 被動補償系統

被動補償系統是一套用來使浮式鉆井平臺可以保持基本恒定鉆壓的設備。它可以看做是一個用來減少平臺升沉運動對施加在鉆頭上鉆壓影響的低剛性“彈簧系統”。該系統使用很多罐壓縮空氣來充當“彈簧”，而驅動彈簧的“負載”就是大鉤載荷。壓縮或釋放與被動補償油缸相連的蓄能器中的壓縮氣體，使油缸保持恒定的拉力，維持基本恒定的鉆頭位置和鉆壓。

表1 不同升沉補償系統簡介[1]Table 1 Introduction to different heave compensation systems[1]

被動補償系統主要由氣液蓄能器、補償油缸、高壓氣罐組成，原理如圖6所示。

圖6 被動補償系統原理圖Fig.6 Schematic diagram of passive heave compensation system

被動升沉補償系統在鉆頭接觸孔底后開始起作用，所產生的力和運動用來平衡鉆井平臺升沉行程。如果鉆具懸吊著沒接觸孔底，那么被動補償系統將不產生作用；還需要指出的是，負載變動與行程變化是不存在正比例關系的。被動升沉補償系統通常都會有啟動載荷，這一載荷值為鉤載的8%～12%，如果鉤載變化量達到這一啟動載荷值，那么被動補償系統將會開始正常工作。在鉤載較輕的情況下，被動補償系統將不能精準響應浮式鉆井平臺升沉運動[2-7]。

3 主動補償系統

在升沉補償系統中，“主動”一詞的含義是：可以實時響應浮式鉆井平臺的升沉運動，在相當大的程度上保持鉆頭在孔底的穩定。

目前常用的主動升沉補償系統都是基于同樣的工作原理開發，通過升沉運動傳感器(MRU)監測浮式鉆井平臺所處海域的洋流運動情況，并將數據傳遞至控制單元，控制單元通過讀取傳輸過來的數據分析浪高、頻率等海浪特性，之后向液壓動力站發送指令，液壓泵根據指令調節到合適的流量驅動油缸，使大鉤在海浪下可以實時保持相對固定的位置。主動補償系統對波浪特性的協同程度可達80%～93%，鉤載補償精度偏差僅為1%～2%[8-15]。

主動補償系統可以在整個鉆井期間使鉆頭與孔底保持相對位置不變，其主要由以下5部分組成：

(1)補償油缸和蓄能缸；

(2)升沉運動傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統；

(5)液壓動力站。

主動升沉補償系統原理如圖7所示。

圖7 主動升沉補償系統原理[15-16]Fig.7 Schematic diagram of active heave compensation system[15-16]

4 主被動一體式升沉補償系統

一體式升沉補償系統是結合主動式與被動式之間的復合系統，充分利用了兩者的優勢。國內學者的仿真研究結果表明，在同樣的控制目標下，一體式補償系統所需的能量比主動系統小，僅為主動式系統的10%；高壓氣瓶的體積為被動補償系統體積的40%，甚至更小[18-19]。

一體式升沉補償系統主要由6部分組成：

(1)高壓氣罐、蓄能器和驅動油缸；

(2)升沉運動傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統；

(5)液壓動力站；

(6)補償平衡架。

一體式升沉補償系統原理如圖8所示。

圖8 一體式升沉補償系統原理圖Fig.8 Schematic diagram of integral heave compensation system

一體式系統使用被動缸承載鉆柱大部分質量，主動缸作為補充，使系統能夠實時響應波浪帶來的升沉變化，同時克服被動油缸的摩阻和氣瓶內氣體體積變化帶來的不穩定[20-21]。

5 升沉補償系統使用實例

鉆柱升沉補償系統(主要是主動補償系統)在海洋鉆井領域應用廣泛，不止于鉆井過程中使用。其他的工作諸如：BOP下放、取心作業、下套管和尾管懸掛工具、LMRP斷開與回接，均使用升沉補償系統來提高工作效率[8]。

5.1 石油鉆井試驗應用[8]

為了量化評價已安裝到平臺上的主動補償系統使用價值，北海海域的一艘四代半潛平臺在最低工作氣象條件下安排了2回次各30 min的鉆井試驗，分別試驗打開與關閉主動補償的效果，通過錄井儀器記錄鉆井施工參數。試驗海況：風速30～35節，浪高3.9～5.4 m，平臺升沉量1.2～1.8 m。

試驗所在地的地層為泥巖，鉆具組合為?311 mm PDC鉆頭+螺桿馬達，試驗井深4200 m，試驗井深立管壓力29 MPa，螺桿馬達失速壓力30 MPa。根據設計，鉆壓需保持54～73 kN。

在關閉主動補償的34 min試驗里，錄井儀器記錄數據見表2。關閉補償系統數據統計值如圖9所示。

表2 關閉主動補償數據Table 2 Data without active compensation

圖9 關閉補償系統統計值Fig.9 Data without active compensation

鉆壓平均為52.66 kN，鉆速為27.38 m/h。

通過記錄的數據可以看出，關閉補償系統時，鉆壓是一直波動變化的，變化量取決于平臺的升沉幅度。

在打開主動補償的34 min試驗里，錄井儀器記錄數據見表3。

表3 打開主動補償數據Table 3 Data with active compensation

使用補償系統數據統計值如圖10所示。

鉆壓平均值56.11 kN，鉆速為38.96 m/h。

從以上記錄的數據可以看出，打開主動補償后，鉆速提升了11.6 m/h。

通過完整的對比2次試驗參數，沒有主動補償參與的鉆井過程中，如鉆壓一類的鉆井參數雖然連續，但是需要司鉆人為的不停地改變鉆壓。打開主動補償的鉆井工況下，平均鉆壓減小，鉆速加快，鉆頭和馬達都延長了使用壽命。雖然無法量化衡量節省的鉆頭和馬達數量到底有多少，但是在最低工作條件下，主動補償系統所提供的優勢是不可比擬的。

圖10 使用補償系統統計值Fig.10 Statistics with compensation system

5.2 海洋取心鉆井應用實例[8]

主動補償系統在海洋取心作業中也扮演著重要的角色，由于極高的巖心質量依賴于作用于孔底恒定的鉆壓，因此主動補償系統功不可沒。

勘探區位于北海的石油公司，冬季作業時鉆井平臺升沉幅度在1.5 m，甚至更高，進行了6口井1300 m的取心作業，巖心采取率達96.3%。

在?216 mm井眼單組巖心最大長度80.5 m，在?311 mm井眼單組巖心最大長度50.2 m，平均巖心長度41 m。

6 結論

升沉補償系統作為海洋鉆井的核心裝備，不僅能夠提高鉆進效率，還能夠有效減少由于天氣帶來的停工，為成本高昂的海洋鉆井有效降低非必要的支出。我國正大力推進海洋強國戰略，未來搭載深沉補償系統的鉆井平臺和鉆井船將會成為主流，對于工程技術人員來說，掌握升沉補償系統原理，在使用該裝備或研發有自主知識產權的升沉補償系統中都將大有裨益。