半潜式海洋钻井平台恒钻压控制系统实验研究.pdf

第 4期 总第 1 7 9期 2 0 1 3年 8月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG AUT MAT1 0N NO． 4 Aug ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 O 1 3 O 4 0 1 3 6 0 2 半潜 式海洋钻井平 台恒钻压控制系统实验研 究 杨松 山，李仲 兰 东北石 油大 学 机械科学 与工程学院 ，黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘要 对 半潜式海洋钻井平 台在海浪作用下作升沉运 动时的受 力情况进 行 了实验 分析 。将 P L C作 为控制核 心，利用 由死绳拉力传感器 、步进 电机 、节流 闯、补偿 液缸 构成的恒钻压控制系统 ，实现 了对半潜式海洋钻 井平 台的恒钻压控制 。 关键 词 半潜 式钻 井平 台；恒钻压控 制系统 ；传感器 ；升沉补偿 ；P L C 中图分类号 T P 2 7 3 TE 9 5 文献标识码 A 0 引言 半潜式钻井平台在 波浪作用下 ， 除前后左右发生 摇 摆外 ， 还将 产 生上 下 升沉运 动 ， 这种 随波 浪周期 性上 下运动将 引起 钻 柱 和 隔水 管 系统 周期 性 的上 下运 动_ 1 ] 。钻柱周期性上下运动将使 大钩拉力增大或减 小 ， 直 接影 响 井底钻 压 的变 化 ； 井 底钻 压 的变化 不利 于 钻井 ， 而且 当钻 压降到一定 限度 时， 将使钻头脱 离井 底 ， 无法连续钻进 。隔水 管系统周期性上下运动将使 其失效或井 口装置脱离井底。半潜式钻井平台由于下 体都浸没在水 中， 其横摇与纵摇 的幅值都很小， 有较大 影响的是垂荡运动， 即上下升沉运动， 它是影响钻压变 化 的主要 因素[ 4 ] 。 1 实验 原理 在实验条件下 ， 利用液压站 包括液压泵 、 交流 电 机 、 油箱 、 溢流阀、 节流阀及换 向阀 和液压缸构成主动 式液压升沉补偿系统， 通过模拟海浪周期性上下升沉 运动， 由可编程控制器 P L C 对死绳拉力传感器检 测 出的信 号进行 采 集 及处 理 ， 利 用 处 理结 果 实 时 控 制 液 压缸进油与排油 。当无海 浪扰 动时钻具正常钻进 ， 死 绳拉力传感器信号保持在给定值 ， P L C控制补偿液压 缸停止进油与排油 ， 钻头保持在给 定位置上 ， 钻 压不 变 ； 当钻井平 台随海 浪上升 时， 钻头离开岩石 ， 钻具重 量完全作用在死绳拉力传感器上， 死绳拉力传感器信 号大于给定值 ， 钻头高于给定位置 ， 这 时 P L C会控制 液缸中的有杆腔出油、 无杆腔进油 ， 对钻头的上升运动 进行补偿 ， 使钻头保持在 给定位置 ， 维持钻压不变； 当 钻井平 台随海浪下降时， 钻头完全接触岩石 ， 钻具重量 部分作用在死绳拉力传感器上 ， 死绳拉力传感器信号 小于给定值 ， 钻头低 于给定位置 ， 这 时 P L C会控制液 缸 中的无杆腔出油、 有杆腔进油 ， 对钻头的下降运动进 行补偿 ， 使钻头保持在给定位置 ， 维持钻压不变 ； 通过 对液缸 有 杆腔 和无杆 腔 的进 油 、 排 油进 行控制 ， 从 而实 现了对半潜式钻井平台的升沉运动进行补偿 ， 保持钻 压恒定嘲。恒钻压控制系统实验原理如图 l 所示 。 三 及 轮 图 1恒 钻 压 控 制 系统 实验 原 理 2液缸 补偿 系统 液缸补偿系统主要由液压站 、 步进驱动系统、 联轴 器及 节流 阀组 成 。升沉 补偿控 制 主要是 根据 大钩 载荷 变化与给定平衡位置进行 比较， P L C获得控制信号控 制步进系统对补偿液压缸环油腔或 中油腔进行供油 ， 推动补偿缸活塞运动以补偿钻柱的升沉位移[ 6 ] 。液压 补 偿系统 如 图 2所 示 。 节流 阀 步进电机 联轴器 图 2 液压 补偿 系统 3 P L C控 制 系统 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 0 1 ；修回 日期 2 0 1 3 0 3 0 1 作者简介 杨松 山 1 9 5 8 一 ，男 ，黑 龙江海伦人 ，副教授 ，硕士 ，硕士生导师 ，主要从事机 电一体化及海洋石油钻采机械教学与研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4 期 杨松 山， 等 半潜 式海洋钻 井平 台恒钻压控制 系统 实验研究 P L C控制 系统 主要 由西 门子 S 7 2 0 0 、 步进 驱动 器 、 步进 电机组成。工作过程 如下 当按下启 动按钮 I O ． 0时， 绞车电机启动 ， 继 电器 MO ． 6自锁 ， QO ． 0置 位 ， 当接收到 I 2 ． 1的信号后 ， QO ． 0和 MO ． 6同时复 位 ， 电机停止转动 ， 时间继 电器开始计时 ； 时间继 电器 T 4 7接通后 ， Q0 ． 0 、 Q0 ． 2置位 ， 电机 反转 ， 当接 收到 I O 一 T4 ． ． ． ．_ _ J NO ． _一 I 2 ． 0的信号后 ， Q0 ． 0和 Q 0 ． 2复位 ， 电机停转 ， 之后计 时继电器开始工作 。以此来实现起下钻的 自动循环。 在正常钻进的过程 中， 拉力传感器时刻接收大钩载 荷 的变化 ， 并将其与给定值进行 比较 ， 通过 比较后差值 的 变化来选择子程序 。P L C控制 系统接线 图及控制 主 程序 如 图 3 和 图 4 所 示 。 图 3 P L C控 制系统接线 图 C a 网络 1 下 钻过程 b网络 2 延 时1 O s T4 __ J ’ c 网络3 起钻 e 网络5 采集 位置信 号 。‘ Ho A C 8O g 网络7 位置信号比较， 当位置差变大时，调用子程序 1 d 网络 4 延 B i l O s 。‘ H0 ．A黜C O 船 f 网络6 位置信号比较， 当位置差变 小时 ，调用子程 序0 s , M0 ． ．0．A C O ． 1 S B R 一 2 l H 卜 f h 网络8 位置信号比较， 当位置差值为0 时，调用子程序2 4结 束语 由步进电机、 节流阀组成的升沉补偿控制系统， 采 用了死绳拉力传感器、 步进 系统 、 P L C控制调节补偿 液缸 的进油 与排 油 ， 去掉 了液 压 比例 阀及液 压伺 服 阀 ， 是一种全新概念的升沉补偿装置。通过实验得知 ， 大 钩的动态响应能够稳定在要求 的变化 范围内， 在理论 上能够满足钻井工艺的要求 。 参考文献 [ 1 ] 廖漠圣． 海 洋石油开发 [ M] ． 北京 中国石化 出版社， 2 006 ． [ 2 ] 方华灿． 海洋钻 井绳 索作业 时升沉 补偿 问题 的研究 [ J ] ． 华东石油学院学报 ， 1 9 8 0 3 2 0 - 3 2 ． [ 3 ] 白鹿。 张彦廷， 张作龙． 钻柱液压升沉补偿系统参数计算 及 比较分析[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 1 0 1 3 ． [ 4 ] 张彦廷 ， 刘振东 ， 姜浩 。 等． 浮式 钻井平 台升沉 补偿系统 主 动力研究[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 i - 4 ． [ 5 ] 方华灿． 海洋钻井船升沉补偿装置的设计[ J ] ． 石油矿场 机 械 ， 1 9 7 6 ， 5 5 2 5 3 8 ． [ 6 3 陈如恒 ． 沈家骏． 钻井机械的设计计算[ M] ． 北京 石油工 业出版社 。 1 9 9 5 ． 图 4 P L C控制主程序 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n Co ns t a nt Dr i l l i ng Pr e s s u r e Co n t r o l S y s t e m o f S e m i S u b m e r s i b l e Dr i l l i n g Pl a t f o r m YANG S o ng - s ha n．LI Zh on g - l a n S c h o o l o f Me c ha n i c a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，No r t he a s t Pe t r o l e um Un i v e r s i t y，Da q i n g 1 63 3 1 8，Ch i n a Ab s t r a c t I n t h e l a b o r a t o r y c o n d i t i o n s ，t h e h e a v e mo t i o n o f s e mi- s u b me r s i b l e p l a t f o r m d u e t O s e a wa v e i s a n a l y z e d ．Ta k e n PL C a s t h e c o n t r o l c o r e ，t h r o u g h t h e c o n s t a n t d r i l l i n g p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m wh i c h c o n s i s t s o f d e a d l i n e t e n s i o n s e n s o r ，s t e p mo t o r ，t h r o t t l e v a l v e 。t h e c o mp e n s a t i n g l i q u i d c y l i n d e r ，t h e c o n s t a n t d r i l l i n g p r e s s u r e c o n t r o l o n t h e s e mi s u b me r s i b l e d r i l l i n g p l a t f o r m i s r e a l i z e d ． Ke y wo r d s s e mi- s u b me r s i b l e p l a t f o r m ；c o n s t a n t d r i l l i n g p r e s s u r e c o n t r o l s y s t e m ；s e n s o r ；h e a v e c o mp e n s a t i o n ；P LC T r T 呈 ] 『譬 l 軎 l V ， 一 一0 一 一 一肌 恩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m