海洋閉式液缸舉升系統關鍵技術研究

李 歡，李 鵬，鄭萬里，范 松，付 俊

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞 721002)

作為海洋鉆探及水合物取芯的關鍵設備，海洋鉆井舉升系統其主要功能分為：提升和下放鉆桿并保障正常鉆井作業、提升和下放隔水管并確保建立完整的立管通道、下放和回收水下設備并確保鉆井和開采的安全可靠。通常，鉆井舉升系統的優劣決定了整個海洋鉆探作業的能效[1]。海洋鉆井舉升系統按照驅動類型分為絞車和液缸2種型式。絞車型式的鉆井舉升系統又可分為電機驅動絞車和液壓絞車2種類型。絞車型鉆井舉升系統(簡稱絞車舉升系統)主要由電驅動鉆井絞車、鋼絲繩、井架天車滑輪組、游車大鉤等組成[2]。由于其優異的可靠性和調速特性，絞車舉升系統被絕大多數海洋鉆井平臺(鉆井船)采用。小載荷需求時，通常由液壓絞車作為主鉆井絞車，替代占地面積較大的電驅動鉆井絞車。液缸型鉆井舉升系統(簡稱液缸舉升系統)主要由液缸、鋼絲繩、導向滑輪、游車大鉤等組成。其技術是近20 a來才逐漸成熟，比起絞車舉升系統有一系列優勢，在新建鉆井平臺(鉆井船)上被越來越多的采用[3-4]。

井架在液缸舉升系統中僅做穩定和防傾覆的作用，而傳統的絞車舉升系統由于其驅動部分安裝位置低，井架需承受舉升系統的全部載荷。因此，絞車舉升系統的井架在自身質量上比起液缸舉升系統存在明顯劣勢。另外絞車舉升系統的提升鋼絲繩通過井架頂部的滑輪組連接至載荷體，再加上天車、游車、死繩等補償裝置的加入，其整體重心比起液缸舉升系統更高。隨著海洋油氣開發逐漸朝深海進行，船舶設計之初就要求鉆井系統的重心盡可能低，以便于提高船舶整體的抗風浪特性。鉆探作業時還要求舉升系統的舉升載荷更高，以適應更深的作業需求，甲板占用面積小以擺放更多的輔助設備。因此，傳統的絞車舉升系統在深水或超深水鉆井平臺(鉆井船)上已逐漸失去市場。

現階段，成熟的液缸舉升系統主要供應商均為國外公司，例如NOV、Aker MH公司等，具備鉆井深度至12 000 m、最大載荷1 134 kN、集成能量回收和鉆柱補償等完善功能[5-6]。其中，以Aker MH公司的RamRig技術最為突出，由于其主舉升液缸可實現鉆柱補償功能，比起NOV公司的液缸舉升方案，省去了單獨配置的鉆柱補償裝置，集成度更高，優勢明顯。國內相關石油裝備企業和高校也開展了一系列樣機的試制，并取得了一定的實船應用[7-9]，其中以寶雞石油機械有限責任公司在“海洋地質十號”科考船上的應用最為成熟，但是其僅具備提升和下放功能，鉆柱補償裝置需單獨配備，且不具備能量回收功能，整個液缸舉升系統技術水平和國外產品有著明顯的差距。

本文分析了國外成熟液缸舉升系統的技術參數，提出了海洋液缸舉升系統關鍵技術并對其進行深入研究，研究結果可為后續產品的實船應用提供參考。

1 技術分析

NOV和AKER MH公司的某型號液缸舉升系統的關鍵技術參數如表1。

表1 國際主流公司液缸舉升系統技術參數

由表1中可以看出，兩家公司的液缸舉升系統在裝機功率、最大載荷及最大速度上基本一致。但是，由于游車、頂驅等載荷的不同，以及各家公司在元器件配置和參數調整的不同，導致了舉升系統在不同載荷下的正常模式和增壓模式的最大載荷和速度不盡相同。本文主要以AKER MH公司的液缸舉升系統作為研究對象，探討其關鍵技術。

液缸舉升系統主要結構組成如圖1所示。井架為舉升系統中的導向滑輪組、頂驅提供導向，并為液缸提供側向支撐。鋼絲繩總成一端與鉆桿相連并繞過導向滑輪組與鉆臺面上的死繩端相連，液缸活塞桿帶動導向滑輪組上下運動。由于繩系的原因，液缸的載荷為鉆桿重力的2倍且速度為1/2。該設計不僅降低了液缸的運行速度，保障了液缸的壽命，還避免了主承載載荷路徑經過井架，使井架的輕量化設計成為可能。

1—井架；2—滑動導軌；3—導向滑輪組；4—舉升液缸；5—頂驅；6—鋼絲繩總成；7—鉆桿；8—死繩端；9—液缸安裝底座。

2 關鍵技術

液缸舉升系統應提供正常和增壓2種操作模式、具備能量回收和釋放、對工作液缸數量進行切換、集成鉆柱補償等功能，其液壓系統和控制邏輯的設計尤為關鍵。

2.1 提升與下放流體控制技術

正常模式下，采用閉式液壓系統進行舉升液缸的提升和下放。傳統的閉式液壓系統廣泛應用于工程機械，其傳動型式為閉式變量泵+馬達，利用閉式變量泵的無極調速特性實現馬達轉速的控制。在舉升系統中，由于液缸存在塞腔和桿腔的面積差，采用閉式系統進行控制時，應充分考慮系統的補油和沖洗。閉式液壓舉升系統原理如圖2所示。

1—電機；2—閉式液壓泵；3—沖洗閥；4—斜盤擺角比例閥；5—緊急切斷閥；6—斜盤角度傳感器；7—補油溢流閥。

泵站由5臺450 kW電機組成，分別帶動5臺排量為500 mL/r的閉式泵。設計有單獨的補油油路，其補油壓力通過溢流閥設定。閉式泵通過斜盤擺角比例閥控制輸出流量的大小及方向，并利用斜盤擺角傳感器實現泵排量的閉環控制。沖洗閥負責帶出回路中的熱油，起著降低液壓油溫度的作用。緊急情況下緊急切斷閥可實現泵的排量快速返回零位，切斷流量供應，確保系統的安全。泵站通過油路切換閥為舉升液缸和頂驅供油，油路切換閥原理如圖3所示。

1—舉升油路切換閥；2—頂驅油路切換閥；3—壓力調節閥；4—溢流閥。

考慮到為舉升液缸和頂驅供油，油路切換閥設置有舉升油路切換閥和頂驅油路切換閥，可對每條油路進行單獨關斷。供油油路通過單向閥與溢流閥相連，用于確保不超壓。對于舉升油路，如圖3所示，舉升液缸主要由B油路和A油路驅動，A油路為高壓側與液缸塞腔相連，B油路為低壓側與液缸桿腔相連，B油路連接有壓力調節閥，其壓力可在1.5～32 MPa間任意調節。當舉升系統提升載荷時，A油路流量明顯大于B油路油量，補油油路為B油路補油。當舉升系統下放載荷時，由于塞腔和桿腔的面積差，塞腔產生的多余液壓油將通過B油路的壓力調節閥回流至油箱。

控制閉式泵的排量，實現舉升系統的提升和下放載荷。由舉升液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、控制器等組成閉環控制系統，如圖4所示。

圖4 正常模式下液缸速度控制流程

采用內外雙重閉環控制實現液缸速度的精確調節，其中外環為液缸速度PID環，內環為斜盤擺角PID環。當控制系統檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，帶入液缸速度PID控制器進行運算之后輸出斜盤擺角理論值，并與斜盤擺角的實際值求差后帶入斜盤擺角PID控制器，進而使斜盤擺角即泵的輸出流量達到理論值，從而使液缸的提升速度即載荷速度與設定值保持一致。

2.2 能量回收與釋放流體控制技術

在鉆井作業過程中，舉升系統絕大部分工況為接鉆桿、隔水管以及套管，存在對特定質量物體的重復提升和下放。對下放重力勢能的回收和對回收來的能量進行釋放對于節能減排具有重要意義。液缸舉升系統采用活塞式蓄能器、液缸控制閥組、蓄能器控制閥組、氮氣瓶組等實現系能量回收和釋放的功能。其原理如圖5～6所示。

1—液缸模式切換閥；2—能量回收開啟閥；3—插裝閥。

1—活塞式蓄能器；2—1#調速閥；3—2#調速閥；4—放油閥；5—補油閥；6—氮氣調壓閥；7—氮氣瓶組；8—比例溢流閥。

圖5所示的液缸控制閥組，其P1、P2口與油路切換閥組相連，A1-A6與液缸塞腔和桿腔相連。液缸模式切換閥用于控制油路插裝閥的關斷，可實現液缸從雙作用式至柱塞液缸式的遠程切換，當舉升液缸切換至柱塞缸后，插裝閥將導通液缸的桿腔和塞腔，并通過能量回收開啟閥使液缸與蓄能器液端連通。圖5的ACC1和ACC2口分別連接至圖6所示的2#調速閥的B口和1#調速閥的A口，蓄能器氣端連接至高壓氮氣瓶組，并通過高壓氮氣源為系統補氣。

由于調速閥的單向流量比例調節功能。當舉升液缸下放載荷需要進行能量回收時，舉升液缸進入柱塞缸模式，2#調速閥打開，通過調節節流口開度進行下放速度的控制，由于蓄能器內的預充壓力，一部分重力勢能將存儲在蓄能器中，多余的油液通過蓄能器側的比例溢流閥流出。當需要快速提升載荷時，舉升系統則進入增壓模式，此時液缸回到雙作用缸模式，通過調節1#調速閥的開度并配合主液壓泵實現載荷的快速提升。

能量回收模式下，舉升系統下放載荷，由液缸位移傳感器、比例調速閥、控制器等組成速度閉環控制系統，如圖7所示。

圖7 能量回收模式下液缸下放速度控制流程

利用調速閥的節流控制實現液缸下放速度的PID閉環調節，當控制系統檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，計算出液缸流進蓄能器的理論流量，帶入調速閥流量PID控制器，控制調速閥開度，使液缸的下放速度即載荷速度與設定值保持一致。這里引入PID參數修正的原因在于液缸和蓄能器端的壓力差不是固定的，蓄能器液端壓力會隨著液缸載荷的下降而升高，如不進行修正，會導致液缸的下放速度不穩定。在能量回收模式下，還應設置蓄能器活塞防碰、超壓卸荷等安全保護邏輯。

增壓模式下，舉升系統提升載荷。由液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、比例調速閥、控制器等組成速度閉環控制系統，控制蓄能器和主泵同時為舉升液缸提供液壓油，提升速度將大幅提高，其控制流程如圖8所示。

圖8 增壓模式下液缸提升速度控制流程

利用調速閥的節流控制和泵的排量控制共同實現液缸提升速度的PID閉環調節。進入增壓模式后，當控制系統檢測到司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，系統對提升所需的流量進行自動分配，并計算出蓄能器和主泵各自應供應的流量。然后，帶入各自的調速閥及斜盤擺角PID控制器進行閉環運算，使蓄能器和主泵的輸出流量滿足設定至，使液缸的提升速度即載荷速度與設定值保持一致。同能量回收模式一致，蓄能器流量的PID控制參數也應引入調速閥兩端壓差進行修正。在增壓模式下，還應設置蓄能器活塞防碰、液缸防超速等安全保護邏輯。

2.3 鉆柱補償功能集成技術

由于波浪帶動鉆井平臺(鉆井船)做升沉運動，海洋鉆井過程中的井底鉆壓波動極不穩定，海洋鉆井舉升系統配備了鉆柱補償裝置來保障海洋鉆井的順利進行。通常，鉆柱補償裝置采用液缸、蓄能器和氣瓶組組成“液-氣彈簧”，利用氣體的可壓縮性實現井底鉆壓的相對恒定。按照功能劃分，鉆柱補償裝置分為主動型、被動型和半主動型3種類型[10-16]。由于海洋閉式液壓舉升系統的自身特性，可以在不增加額外的鉆柱補償裝置下實現3種型式鉆柱補償的功能。

1) 主動鉆柱補償功能。適用于較好的海況，以船舶的升沉速度信號為輸入，通過調節閉式泵的擺角控制其輸出流量，實現液缸速度的閉環控制。井底鉆壓隨著手柄的設定值持續增大且維持在一定范圍內波動，同時由于鉆桿的彈性壓縮，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度。鉆壓到達設定值后開始鉆進，隨著鉆頭的破巖，鉆壓逐漸降低，應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩定的鉆壓，實現持續鉆進的目的。由于泵的總供應流量有限，隨著海況的逐漸惡劣，泵的輸出流量將導致液缸無法很好的跟隨波浪，井底鉆壓波動將變大，補償效果將變差。

2) 被動鉆柱補償功能。適用于任意海況，液缸塞腔與蓄能器液端直接連接，主泵為液缸桿腔提供補油，由于蓄能器、氣瓶的共同作用，液缸隨著船舶的升沉運動進行被動跟隨，井底鉆壓保持相對恒定。當需要鉆進時，利用主泵全排量為液缸桿腔油路供油，通過司鉆手柄控制桿腔油路上的溢流閥調節液缸桿腔壓力從而實現井底鉆壓的調節，同時液缸也回縮至特定位置，井底鉆壓由手柄角度直接決定，且持在一定范圍內波動。當鉆壓滿足要求時，手柄保持在當前位置，隨鉆頭的破巖應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩定的鉆壓，實現持續鉆進的目的。該模式的補償性能主要由氣瓶容積、管路損失以及載荷的慣性決定，補償過程中需要開啟主泵，但是主泵的壓力較低、能耗較小，適用于補償精度要求不高、節能的場合。該模式最大的優點在于能耗相對較小。

3) 半主動鉆柱補償功能。適用于任意海況，結合了主動和被動補償的優點，在被動補償功能開啟的前提下，液缸桿腔與主泵的低壓側連通，同時桿腔油路壓力溢流閥調整至最大值。由于蓄能器承擔絕大多數載荷，半主動補償僅控制主泵低壓側的輸出流量，主動調節液缸桿腔的壓力，進而克服摩擦和載荷慣性實現船舶運動的主動跟隨，達到鉆壓保持恒定的目的。同主動補償一樣，當需要鉆進時，井底鉆壓隨著手柄的角度設定值持續增大且維持在一定范圍內波動，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度，直到鉆壓滿足鉆頭破巖需求時，手柄角度回0。隨著鉆頭的破巖應緩慢控制手柄，維持穩定的鉆壓持續鉆進。該模式補償精度較高，海況適應性較好。

3 結論

1) 圍繞國外液缸型鉆井舉升系統的功能和參數，提出了一種閉式液缸舉升系統的實現思路，在滿足正常提升下放功能的同時，還能實現下放勢能的回收和利用。集成了鉆柱補償功能，整體技術方案具有一定的先進性。

2) 研究了閉式液缸舉升系統的提升和下放、能量回收和釋放、鉆柱補償功能集成3項關鍵技術，并提出相應的液壓原理和控制思路，使產品的國產化設計開發成為了可能。

3) 建議下一步開展對閉式液缸舉升系統的仿真分析，結合不同的工況分析其能量利用效率以及鉆柱補償的精度，為后續的設計優化和實船應用提供理論指導。