浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究.pdf

2 0 1 0年 第 3 9卷 第 4期 第 1页 石 油 矿 场 机 械 OI L F I E LD E QUI PME NT o o 文 章 编 号 1 001 - 3 4 82 2 0l 0 04 00 0 1 - 0 4 浮 式钻 井平 台升沉补偿 系统主动 力研 究 张彦廷 ， 刘振 东 ， 姜 浩 ， 武光斌 ， 张作龙 中国石油大学 机 电工程学 院， 山东 东营 2 5 7 0 6 1 摘 要 为 了提 高 浮式钻 井平 台升 沉补偿 系统 的补偿 效 率 ， 在被 动 补 偿 的基 础 上 增 设 主 动补 偿 系统 。 主动式补偿 系统中主动力是关键参数之一 ， 对 系统的综合性能有重要影响。建立了天车补偿 系统 数 学模 型 ， 基 于 S i mu l i n k软 件 系统 ， 对主 动 力 的影 响 因素 开展 研 究 。分析 了补偿 缸 支撑 载 荷 和储 能 器工作 容积 对主 动 力的影 响规 律 ， 为补偿 系统 的开发提 供 设计依 据 和技 术 支撑 。 关键 词 升 沉补偿 ； 主动 力 ； 储 能 器 ； 浮 式钻 井平 台 ； 天车 中图分类 号 T E 9 5 1 文献标 识 码 A S t u d y o n Ac t i v e Fo r c e o f Co m p e n s a t i o n S y s t e m f o r Fl o a t i ng Dr i l l i ng Pl a t f o r m ZHANG Ya h t i n g， L I U Z h e n d o n g， J I ANG Ha o， W U Gu a n g b i n， ZHANG Z u o l o n g C o l l e g e o J Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g。 Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m ， Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1， Ch i n a Abs t r a c t Fo r f l o a t i n g dr i l l i ng pl a t f o r m ，a n a c t i ve c o mpe n s a t or wa s e q u i pp e d i n a d di t i on t o pa s s i v e on e r e c e nt ye a r ，i n o r de r t o i m p r o v e c o mpe n s a t i ng e f f i c i e n c y ． The a c t i v e f o r c e i s on e of ke y pa r a me t e r s，a n d i s i mpo r t a n t o n o ve r a l l p e r f o r ma nc e f o r a c t i v e c ompe ns a t i n g s y s t e m．M a t h e ma t i c a l mod e l of c o m p e ns a t i n g s y s t e m f o r c r o wn b l oc k i s bu i l t t o e v a l ua t e t he i nf l u e n c e e l e me nt s o n a c t i v e f o r c e，ba s e d o n Si mul i n k s o f t wa r e ． The a na l y s i s p r o vi d e s i ns i ght o n e f f e c t l a ws o f l oa di n g s u pp or t e d by c o mpe n s a t i ng c y l i nd e r a n d wo r ki n g v o l u m e o f a c c umul a t or s ．The d e s i gn c r i t e r i a a n d t e c hn i c a l s u pp or t s a r e p r ov i d e d f or de ve l op m e nt of c o m p e ns a t i n g s y s t e m． Ke y wo r ds h e a v e c o mpe n s a t i o n； a c t i v e f o r c e； a c c u m u l a t o r； f l oa t i ng d r i l l i ng pl a t f o r m ； c r o wn bl o c k 浮式 钻井 平 台在波 浪作 用下 引起 的升 沉运 动通 过钻 柱传 递到 井底 ， 会 引起 钻头上 钻压 的变化 ， 从 而 影 响钻进 效率 ， 降低 钻头 和钻 杆使 用 寿命 ； 在恶 劣海 况下 甚 至会使 钻头脱 离井 底 ， 引起 操作 安全 隐 患 ， 使 钻井 无法 进行 而被 迫停 工 ， 增 加钻 井成 本 。为 此 ， 浮 式钻 井平 台需要 设 置 升 沉 补 偿 系统 ， 以减 小平 台升 沉运动 对钻 柱 的影 响 J 。 钻 柱 升沉 补 偿 系 统通 常 采 用 液气 装 置 驱 动 ， 按 照其安装位置可分 为天车 补偿 、 游车 补偿、 死绳 补 偿 、 快绳补偿等几种形式 ] 。本文针对天车补偿形 式建 立 了动 力学 模 型 ， 在此 模 型 的基 础 上 ， 围绕 主动 力 配置 、 补偿 效果 和储 能 器 工 作 容 积等 关 键 技 术 参 数进 行 了理论 分 析 和计 算 ， 为 补偿 系统 结 构 参 数 设 计和元件的选取提供理论依据 。 1 天 车补偿原 理 天车 补偿 的实 质是 在 天车 和井 架之 间用 液气 弹 簧 连接 代替 常规 的 刚性 连 接 ， 从 而 吸 收 井 架 随平 台 上下升沉的运动 ， 减小天车、 游车、 大钩和顶驱系统 的运动 幅度 ， 将 钻 压 的 波动 限制 在 钻 井 操 作 的允 许 收 稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 1 基金项 目 国家 自然科学基金 5 0 8 7 5 2 6 2 ； 国家 高技术研 究发展计划 8 6 3 计划 2 0 0 8 AA0 9 Z 3 1 1 作者简介 张彦廷 1 9 6 8 ～ ， 男 ， 黑龙 江拜 泉人 ， 教授 ， 博士 ， 主要从 事石 油 机械 、 海 洋装 备和 流体传 动及控制 的教 学和科研 工作 ， E ma i l y t z h a n g 6 8 1 6 3 ． c o rn。 石 油 矿 场 机 械 2 O 1 O年 4月 范 围内 。 目前 的天车 升沉补 偿产 品有 多种 引， 综 合各 产 品的特 点 ， 天 车升 沉 补偿 系统 可 以分 为被 动补 偿 和 主动补 偿 2 部 分 ， 其 工作 原理 如 图 1 。 图 1 天 车 升 沉 补 偿 工 作 原 理 被 动 补偿 系 统 液压 缸 的 缸筒 置 于 天 车 台上 ， 与 井架 铰 接 ， 铰链 与船 体 保 持 无 垂 直运 动 状 态 。井 台 上 的储 能器通 过 钢管 与 补 偿 缸 的 油 口连 接 ， 用 以提 供 支撑 天车 、 游车 、 大钩 、 顶 驱 以及 钻 柱 等设 备 的主 要动力 。借助于储能器中气体的可压缩性吸收井架 的部 分 升沉运 动 。 由于液压 缸摩 擦力 和惯 性 的存在 以及储 能器 压 力 的变 化 ， 导 致被 动补偿 系统 存在 滞后 现象 ， 补偿 效 果有 限 。为提 高 系统 的补 偿 效果 ， 在被 动补 偿 的基 础上 增设 主动 补偿 系统 。 主 动补偿 液压 缸在 液压 泵驱 动下 提供额 外 的驱 动力 ， 以克服摩 擦 力和惯 性力 ， 补 偿储 能器 支撑力 的 变化 ， 提 高系 统 的补偿效 果 。 2 数学理论模型 由图 1 建立坐标系 ， 其中 为平台井架的绝对 升沉 位 移 ， 补偿 缸 和 主 动缸 的缸 体 均 固 连在 井 架 上 并 随之运 动 。 在 波 浪 的作 用下 ， 平 台 的升 沉运 动 可 以简 化 为 正 弦运 动 ， 即 z 1 s i n o 1 1 式中， z 为平 台升沉运动幅值， I n ； o 9 为平 台升沉运 动 角频率 ， s - 。 。 设 z 、 z 和 a z 分别 为天 车 的绝对 升 沉位 移 、 速 度 和加 速度 ， 主动缸 活塞 杆 、 补偿 缸 活塞杆 、 游 车 、 天 车 、 大钩 和顶驱 均 以该参 数运动 。 假设 平 台静止 时补偿 缸和 主动缸 均处 于 中间位 置 ， 此 时 如果 主动缸输 出力 为零 ， 则所 有运 动部件 的 质量 与补偿 缸 的支撑 力相 平衡 。此状 态作 为动力 学 分析 的初 始状 态 。 补偿液 压缸 活塞 相对 于缸筒 的位 移为 此位 移 导致 储 能 器 中气 体体 积 和 压力 的变化 ， 进 而 引起补偿 缸 支撑力 F 。 发生 变化 ， 即 F。 一 Go 3 H 式 中， G 。为 初 始 状 态 下 作 用 在 补 偿 缸 上 的 全 部 质 量 ， N； A。 为补偿 缸无 杆 腔 的全 面积 ， m ； V 。为 补偿 缸 处 于 中间位 置 时储能 器气体 体 积 ， m。 。 忽 略天 车 、 游 车 、 大 钩 、 顶 驱之 间 内部 弹性 变 形 的影 响 ， 此时 的运 动加速 度为 a 2一 F -- G o - - F e -- f一 -- F． a 2 4 一 一 L 4 式 中 ， F 为 钻 柱 的弹 性变 形 力 ， N， F 一k d z ， 其 中 ， k a 为钻 柱 当 量 刚 度 ， N／ m； f为 钻 柱 变 形 过 程 中受 到钻井液的摩擦力 ， N， _ 厂 一C V ， 其中， C为摩擦因数 ， Ns ／ m； F 为 主 动补 偿 缸 的推 力 ， N； Mt 为 运 动部 件 的总质量 ， k g ， 包 括天 车 、 游 车 、 大钩 、 顶 驱 以及 1 ／ 3 钻柱 质量 。 3 数值计算分析 根据 理论 模型 ， 利用 S i mu l i n k系 统建 立 计算 模 型 ， 对升 沉补偿 系统 最大 主动力 进行 计算 和分析 。 3 ． 1 补 偿效 率 的影 响 在 被动 补 偿 的基 础 上增 设 主 动补 偿 系统 ， 利 用 主动 补偿 缸输 出 的主动力 抵 消摩擦 力和 气压变 化 的 影 响 ， 可 以有效 地 提 高 系 统 的补 偿 效 果 。主 动力 由 主 动补偿 液压 缸提 供 ， 其 大 小 直 接影 响主 动 补偿 液 压系统工作参数。 为 了确定 补 偿 系统 所 需 主 动力 ， 基 于 S i mu l i n k 计算 模 型 ， 选 取 支 撑 载荷 G。 一3 0 0 0 k N， 通 过 修 改 系统反馈控制参 数 K ， 得到 主动力和补偿效率与 K。 的关 系 曲 线 ， 如 图 2 。图 中 ， 补 偿 效 率 e 一 1 一 ／-． ． ．2 L 2 ma x ，其 中， z S x 为平 台 的最 大 升 沉 位 移， n l ， A x 。 为 天车 的最 大 升 沉位 移 ， m； 主 动 力 比定 义 为 i △， ／ G o ， 其 中 ， A f为主动力 F 的变化范 围 。 第 3 9 卷第 4 期 张彦廷 ， 等 浮式钻井平 台升沉 补偿 系统 主动力研究 ． ． 褂 耧 控制参数 图 2 主动力 和补偿效率与 K 的关 系 由图 2可 以 看 出 ， 随 着 反 馈 控 制参 数 K 的增 大 ， 补偿效率 e提高 ， 当K。 增大到 3 0 0时 ， 补偿效率 达 到 9 7 ． 4 ， 即当平 台升沉 位移 为 7 ． 6 2 m 时 ， 大钩 的升沉位 移仅 为 0 ． 1 9 8 r n ， 进 一 步 增 大 K ， 补 偿 效 率 提高有 限 ； 随着反 馈控 制 参 数 K 的 增 大 ， 主动 补 偿所 需 主动力 提高 ， 当 K。 增 大 到 3 0 0时 ， 主 动力 比 i f 接 近 0 ． 2 ， 即 当静 载为 3 0 0 0 k N时 ， 主 动力 的变 化 范 围为 6 0 0 k N， 进一 步增 大 K ， 系 统 所需 的主动 力 不再 增大 。 图 3为主 动力 与补偿 效率 之 间 的关 系 。不 同 的 设计 补偿效 率对 应着 不 同 的主动力 ， 补 偿效 率越 高 ， 所需 主动 力 就 越 大 。 由图 3 ， 可 以 根 据 补偿 系 统 的 目标 补偿效 果确 定 合 理 的 主动 力 配 置 ， 进 而 确 定 液 压 系统 的流量 、 压力 和主 动缸 直径 。 补偿效 军e 图 3 主动力 与补偿效率 的关 系 3 ． 2储 能器 容积 的影 响 由理论 模 型 可 知 ， 储 能器 中气 体 的体 积 在 工作 过程 中不 断地 发生 变 化 ， 必 将 引起 补 偿 缸支 撑 力 的 变化 ， 进而导致补偿效率降低 。因此增大储能器 的 容 积可 以在一 定程 度 上 减 小 支撑 力 的变 化 ， 提 高补 偿效率。但增大储能器容积的同时也会加大设备的 投 资 ， 增加 海 洋 钻井 成 本 ] 。储 能器 的容 积 对 主动 力也 会产 生影 响 。 基 于上 述数 值 计 算 模 型 ， 设 定 不 同的储 能 器 容 积 ， 改变补 偿缸 支撑 静载 荷 ， 得 到 了一组 主 动力 比变 化曲线， 如 图 4 ， 图中 、 ， 为储能器容积与补偿缸容 积 的 比值 。 ． 羞 支撑载荷G o ／ k N 图 4 主动力 比与支撑载荷 的关系 由图 4可见 ， 储 能 容积 一定 时 ， 所需 的 主动力 比 近似 为一 条 直线 ， 即主 动 力 与 支撑 载 荷 的 比近 似 为 定值 。因此 只要确 定 了储 能 器 的容 积 ， 就 可 以根 据 支撑 载荷 确定 所需 的主动力 。 在 给定 静 载 荷 的前 提 下 ， 改 变 储 能器 的容 积 可 以得 到主 动力 与容 积 的关 系 曲线 。图 5为静 载荷 为 3 0 0 0 k N时 主动力 比与储 能 器容 积 比的关 系 曲线 。 0 ． 0 ． ． 0 ． 墨 a 0． O． 2 4 6 8 1 O l 2 1 4 1 6 容积 比i ， 图 5静载荷 3 0 0 0 k N时主动力 与储 能器容积的关系 由图 5可见 ， 随着储 能器 容积 的增 大 ， 所需 的主 动力减小 ， 但随着储能器容积的进一步增大， 主动力 降低 变 缓 ， 二者之 间成近 似反 比关 系 。根 据 图 5 ， 可 以在储能器容积和提供的主动力方面寻求合理的参 数 组合 。 4 结 论 1 海 洋平 台升 沉补偿 系 统主 动力 配备受 多 方 面因素影响 。 2 增大主动力 配置能够提高补偿效果 ， 但达 到某一极限值后 ， 补偿效果 主要受控制参数和策略 的影 响 。 3 主 动力 的配 置基 于支 撑载荷 和储 能 器容 积 的大 小 。 4 系统 配备 的 主动 力 与 支 撑 载荷 成 正 比 ， 与 储能 器容 积成 反 比 。 2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 4期 第 4页 石 油 矿 场 机 械 OI L FI E LD E QUI P MENT 2 0 1 0 ， 3 9 4 4 ～8 文 章 编 号 1 0 0 1 - 3 4 82 2 01 0 0 4 0 0 04 05 油藏动态实时监测 与调控 张 凯 ， 姚 军 ， 刘均荣 ， 吴 明录 ， 闫 霞 中国石油大学 华东石油工程学 院， 山东 青岛 2 6 6 5 5 5 摘要 油 藏动 态 实时监测 与调控 是 智能化 油 田管理 的核 心 内容 之一 。该技 术 以节约 生产成 本 、 最大 化 油田 经济效 益为 目标 ， 将 油藏 实时监测 、 数据 分析 解释 、 油藏 数值模 拟 、 方案 实 时优化 与 生产调控 等 多项技 术 集成一 体 ， 为制 定油 田生产预 警 、 开发 方案调 整 、 增 产增 注等措 施提 供技 术 支撑 与保 障 ， 具有 广 阔的应 用前 景 。介 绍 了动 态监测 与控 制 系统 组成 和现 场应 用案例 。 关键 词 动 态监测 ； 智 能化 管理 ； 实时控 制 ； 应 用 中图分 类号 T E 9 3 8 ． 2 文 献标 识码 A Dy na m i c Re a l t i me M o n i t o r i n g a n d Co nt r o l o f Re s e r v o i r s Z HANG Ka i ， YAO J u n， I I U J u n r o n g， W U Mi n g l u ， YAN Xi a Co l l e g e o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g， Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m Hu a d o n g ， Qi n g d a o 2 6 6 5 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e f i r s t b o om o f r e s e a r c h a nd a p pl i c a t i o n o n e nh a nc e d o i l r e c o v e r y pr o mot e s t he pr o g r e s s a nd d e v e l o pme nt o f EOR t e c hn ol o g i e s i n t he 1 9 80 s ． A n d t he n i n t he 21 s t c e n t ur y，i n t e l l i g e nt o i l f i e l d ma n a ge m e nt ha s a l r e a d y l a u nc he d a s e c on d bo o m o f r e s e a r c h a nd a pp l i c a t i o n on e n h a n c e d o i l r e c o v e r y t e c h n o l o g y ．Dy n a mi c r e a l t i me mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l o f r e s e r v o i r s i s j u s t t h e o ne o f t he c o r e e l e me nt s o f i n t e l l i g e n t f i e l d m a na g e me n t ． The t e c hno l o gy a i mi ng a t p r o du c t i o n c os t s a v i n gs a nd e c on o m i c be ne f i t m a x i mi z a t i on i nt e gr a t e s s e ve r a l a d v a nc e d t e c hn o l o g i e s s u c h a s r e a l t i m e r e s e r v o i r mo ni t o r i n g，d a t a a na l y s i s a nd i nt e r pr e t a t i on，r e s e r v oi r nume r i c a l s i mul a t i on， r e a l t i me pl a n op t i mi z a t i on a n d pr o d uc t i o n c o n t r ol pr o g r a m s e t c ． I t p r o v i d e s a s t r on g t e c hn i c a l s u p p o r t a n d g u a r a n t e e f o r p r o d u c t i o n e a r l y wa r n i n g，d e v e l o p me n t p l a n a d j u s t me n t ，s t i mu l a t i o n s a n d o t he r m e a s ur e s d e s i gn，a n d ha s br o a d a p pl i c a t i on p r os pe c t s ． Ke y wo r ds dy na m i c mo ni t or i n g； i n t e l l i g e n t m a n a g e me n t ； r e a l t i m e c o nt r o l ；a pp l i c a t i o n 参 考 文 献 [ 1 ] [ 3 ] 方华 灿． 海洋石 油钻采装 备 与结构 [ M] ． 北京 石 油工 业 出 版社 ， 1 9 9 0 ． 方华灿 ． 海洋钻 井船升沉 补偿装 置工作理 论的初 步研 究[ J ] ． 华 东石油学院学报 ， 1 9 7 8 3 5 6 6 7 ． L e l a n d R Ro b i c h a u x， J a n T Ha t l e s k o g ．S e mi a c t i v e He a ve c ompe ns a t i on s ys t e m f o r M a r i n e Ve s s e l s Uni t e d S t a t e s ，5 2 0 9 3 0 2 E P 2 ． 1 9 9 3 0 5 1 1 ． C o mp e n s a t o r s a n d t e n s i o n e r s [ E B ／ 0 I ] ．h t t p ／ ／ w ww ． k e r s o l u t i o n s ． c o rn／ NR／ r d o n l y r e s ／ E6 3 3 E7 FF D2 E C一 4 5 9 E 9 4 D8 F F2 9 E E7 6 0 1 DE／ 1 9 1 1 7 ／ C o mp a n s a t o r s a nd t e ns i o ne r s ．p df ． E 5 ] C r o w n mo u n t e d c o mp e n s a t o r s[ E B ／ OL] ．h t t p ／ ／ [ 6 ] www． n O V ． c o rn／ Dr i l l i n g ／ Mo t i o n C o mp e n s a t i o n ／ Cr own M o un t e d Co m pe n s a t or s ～ CM Cs ．a s px． 白 鹿 ， 张彦廷 ， 张作龙 ， 等． 钻柱液压升沉补偿 系统参 数计算及 比较分 析 E J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 1 0 1 3 ． 收 稿 日期 2 0 0 9 1 0 2 6 基 金项 目 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 2 O O 8 Z X O 5 0 2 4 0 0 4 ； 中 国 石 油 大 学 华 东 自 主 创 新 科 研 计 划 项 目 资 助 0 9 C X0 5 0 0 7 A ； 国家建设 高水平大学公 派留学生项 目资助 2 0 0 7 1 0 4 0 3 9 作 者简介 张凯 1 9 8 0 一 ， 男 ， 1 1 9 1 蓬安人 ， 讲师 ， 博 士 ， 从事采油工艺及 油气 田开 发理论与 优化控制 工程方 面的研究 ， E ma i l r e s e r v o i r s 1 6 3 ． c o rn。