浮式钻井钻柱升沉补偿概述.pdf

2 0 1 1年第 4 O卷 第 1 O 期 第 2 8页 石油 矿场 机械 0I L F I E LD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 1 0 0 0 2 8 0 5 浮式钻井钻柱升沉补偿概述 陈祖 波 。 吕 岩 ， 李 志刚 ， 高 杭 四川宏华石油设备有 限公 司 研发部 ， 成都 6 1 0 0 3 6 摘要 分 析 了各种 浮式钻 井钻 柱升 沉补偿 装 置的原 理 、 优 缺 点和 应 用情 况 ， 简述 了国 内外 对 海 洋平 台升沉补偿 系统的研 究现状 ， 并结合我 国现有资源和技 术对发展深水钻 井关键设备 的前景提 出了 展 望 。 关键 词 浮 式开采 平 台 ； 钻柱 ； 升 沉补偿 器 中图分 类号 T E 9 5 1 文 献标 识码 A Re v i e w o f Dr i l l S t r i ng He a v e Co m p e n s a t i o n S y s t e m s f o r Fl o a t i n g Dr i l l i ng Pl a t f o r m CH EN Zu b o， LV Ya n， LI Zhi ga n g， GAO H a n g RD De p a r t me n t ， Si c h u a n Ho n g h u a Pe t r o l e u m Eq u i p me n t C o． ， Lt d． ， Ch e n g d u 6 1 0 0 3 6， Ch i n a Abs t r a c t I n t h i s p a pe r， t h e pr i n c i p l e s， a pp l i c a t i o ns ， a d va n t a g e s a nd d i s a dv a n t a g e s o f a l l ki nd s o f dr i l l s t r i n g he a ve c o m p e n s a t i o n s y s t e ms f or f l o a t i ng d r i l l i ng p l a t f o r ms a r e c o m p a r e d， a nd t he n t h e p r e s e n t r e s e a r c h s i t u a t i o n o f h e a v e c o mp e n s a t i o n s y s t e ms f o r o f f s h o r e p l a t f o r ms a t h o me a n d a b r oa d i s br i e f l y i n t r o du c e d ． Fi na l l y， b a s e d o n t he c ur r e nt r e s ou r c e s a nd t e c hn o l o g i e s o f Chi n a， t h e p r os p e c t s f o r d e v e l o pi ng ke y e q u i pme n t s i n de e p wa t e r dr i l l i n g a r e de s c r i be d ． Ke y wo r d s f l oa t i n g pr o du c t i o n p l a l f o r m ； d r i l l s t e m ； he a v e c o m p e n s a t o r 海洋钻井使用的浮式钻井平 台在波浪的作用下 除 发 生前 后 左 右摇 摆 外 ， 还将 产 生周 期 性 的升 沉 运 动 ， 如图 1 。这种周期性的升沉运动会使钻柱产生往 复运动 ， 引起井底钻压变化， 甚至会使钻头脱离井底 ， 影响钻进效率， 降低钻头和钻杆使用寿命 ， 造成操作 安全 隐患 。在恶 劣气 候条 件 下甚 至导 致无 法 钻进 和 停工。为了减少停工期 ， 降低钻井成本 ， 必须对浮式 钻井平台钻柱升沉运动采取适当的补偿措施Ⅲ 1 ] 。 目前 ， 海洋浮式钻井升沉补偿技术基本都被欧 美 等发 达 国家垄 断 ， 我 国在该 技 术 的研发 方 面 尚很 薄弱 ， 已成为我国海洋石油装备必须要解决 的技术 瓶颈问题 。因此 ， 深入研究 和开发具有我国 自主知 识产权的海洋钻井平台用升沉补偿装置已成为当务 之急 ， 也是深海装备技术不断振兴、 走 向成熟的必然 要 求 。 图 1 浮 式 钻 井平 台船 体 运 动 不 意 1 钻 柱升沉补偿型式及 对比 海洋浮式钻井平台升沉补偿系统主要包括钻杆 柱补偿和隔水管系统补偿 2个方面。当钻井船随波 浪升沉时， 安装钻柱升沉补偿 系统能使钻柱 尽可能 地保持钻压不变 ， 保证钻井 系统工作 的稳定 性和可 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 - 0 8 作者 简介 陈祖波 1 9 7 8 一 ， 男 ， 四川 I 南充人 ， 工程师 ， 2 0 0 1年毕业于西南 石油学院设备工程与管理专业 ， 主要从 事石 油钻机 研发工作 ， E ma i l c h z b o b o s o h u ． c o m。 第 4 O卷第 1 O 期 陈祖波 ， 等 浮式钻井钻柱 升沉 补偿 概述 靠性。 1 ． 1 按安 装位 置和 结构 的补 偿 型式 根据安装位置和结构 ， 钻杆柱补偿可分为伸缩 钻杆升沉补偿、 游车大钩升沉补偿 、 天车升沉补偿、 快绳 死 绳 升 沉 补 偿 和 绞 车 升 沉 补 偿 等 多 种 型 式 引。5种升 沉补 偿装 置结 构 如 图 2 ～ 6 。对 5种 型式升沉补偿装置 的原理、 优缺点及工程应用进行 了对 比分 析 ， 如 表 1 。 液缸 活塞杆 蓄能器 动滑轮组 定滑轮组 图 3 死绳升沉补偿装置 图 2 全平衡式伸缩 钻杆 结构 图 4 游车大钩升沉补偿装置 图 5 天车升沉补偿装置 图 6 绞车升沉补偿装置 3 O 石油矿 场 机械 2 0 1 1 年 1 O月 安装在 钻 杆柱 中间 的一 段 可 以伸 ．⋯ ．⋯ ．， 钻 一 伸缩钻杆的内、外管沿轴向做相对运 ，⋯ ⋯ 一 二二．． ’⋯ ’ ．一， 只在研究解决 伸 杆 。 ； ． 塞 期 不受钻井船升沉运动的影响，从而保 、， ． ，’ l ⋯ 。 ．’。 证井底钻压达 到恒 定。 一 ～ ⋯ 一” ～ ’ ⋯钩 差篓 PLC 薹委 撵 控制阀液压站、 控制系统、检测 液体漏失严重；液体管 ． 一’．。。． ．‘ 游⋯ 装 要保持液缸 结 ’ 譬 兰 内液体压力不变，可实现大钩位置基 钩有少许位移。 ⋯． ’、一 ⋯ ⋯ 本 不变 ， 保 证 井底 钻压 稳 定 ， 达 到升 。 。 。 ⋯一 一～ 蚕 板 的 面 积 及 空 间 ～’ ⋯ ．。。 。 一 ’ ．一， ．、，．， ．’。 天车 天一 器是一种气体 量 兰 豢 曼 性 胶 管 ； 摩擦小， ． 。 。 二 。 。 二 1 ， ， 。 ． 。 。 ． ’ 。 ⋯ ～ 补偿精度高。 ． 。 几 ’ ⋯ 。 ⋯一 。 一一 ⋯～ 死 绳 绞 车 采用对 死绳 上 拉力 变 化 的传 感 器 和 电控制系统 ， 通过 调节蓄 能器 中气 压来改变死绳拉力 ， 再 通过 改变死 绳 拉力来调节和保持井底钻压 。 目前 用 于 平 台 对钢丝绳磨损较严重 。 的实例 较少 ， 应 用 范 围 不广 。 通过钻井绞 车的正 、 反转来 控制 和 可 以 省 去 升 沉 实现钢丝绳的恒 张力控 制 ， 实 现升 沉 运动补 偿 器 ， 增 大 同上 补偿功能 。 钻 台面空间 。 有 一 定 程 度 的 应 用 。 1 ． 2按 动力供 给方 式 的补偿 型式 浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置按动力供给方 式 分 为 被 动 式 P a s s i v e He a v e C o mp e n s a t i o n ， P HC ] 、主 动 式 Ac t i v e He a v e C o mp e n s a t i o n ， AHC _ 7 和 半 主 动 式 S e mi - a c t i v e He a v e C o mp e n s a t i o n ， S AHC l_ 8 _ 3种 。 1 ． 2 ． 1工作 原 理 1 主动补偿是由传感器测定船体与固定参照 问 的 升 沉 的 速 度 与 加 速 度 ， 并 由 运 动 控 制 单 元 MR U 处理后提供实时控制型号， 控制设备主动动 作来 实 现升沉 补偿 。控 制原 理如 图 7 。 给定位移 控制器 图 7 主动式升沉补偿 原理 2 被 动补偿 为气体 弹簧 系统 Ga s L o a d e d 第 4 O卷第 1 O期 陈祖波 ， 等 浮式钻井钻柱升沉补偿概 述 S p r i n g S y s t m ， 不需要输 入信号 ， 其 主要 液缸连接 气体蓄能器 ， 随着船体的升沉 ， 汽缸通过被动伸展和 收缩来实现升沉补偿 ， 是最初补偿装 置所用 的控制 方 法 。控制 原理 如 图 8 。 图 8 被 动式 升沉补偿原理 3 半主动补偿是介 于二者之间的复合系统 ， 需要连续地输入能量 ， 但所需能量没有主动系统的 大 。控 制原 理如 图 9 。 图 9 半主动式升沉补偿原理 移 1 ． 2 ． 2对 比分 析 对 3种不 同钻柱补偿控制型式进行 了 比较分 析 ， 如 表 2 。 表 2钻柱补偿型式对 比 由表 1 ～2可知， 目前的钻柱补偿 以天车升沉补 偿和游车大钩升沉补偿为主流 ， 控制方式多为半 主 动式 ] 。天车升沉补偿和游车大钩补偿各有优势 ， 可根据钻井平台种类 、 作业海况 、 钻井工艺 、 船东要 求等因素选择最佳补偿方式 。 2国 内外研究现状 2 ． 1 国 外 升沉补偿系统是集机、 电、 气 、 液、 自动控制 、 智 能检测为一体 的多学科高技术产品 ， 具有高技术、 高 投入 、 高风险等特点 ， 长期以来其技术一直被国外发 达国家垄 断。海洋作业 升沉补偿 系统 的研究始 于 2 0世纪 7 O年代 ， 早期 的海洋钻井平 台多采用气液 被动型升沉补偿系统_ 1 。后来 ， 为提高升沉补偿效 果 ， 减少能耗 ， 设计 了多种主动控制式 升沉补偿 系 统_ l 。但被动式和主动式升沉补偿各有缺点 ， 为弥 补其不足 ， 发展了主动与被动相结合 的半主动式气 液 钻柱升 沉补 偿 系统l 1 。 3 2 石 油矿 场机 械 2 0 1 1年 1 0月 浮式 钻 井 需分 别 对 钻 柱 和 隔水 套 管 进 行 升 沉 补偿 。可提供 2种升沉补偿设备 的制造商 主要有 挪 威 的AKE R MH 公 司 ， 美 国 的 NO V、 C 0N TRoL FLOW I NC VE TCO 、 S HAFF ER、 CAM E R ON 等公 司 。 国外 升沉 补 偿 装 置 及 主 要 制 造 商 如 表 3 。 表 3 国外升沉补偿装置及主要 制造 商 由表 3可知 ， 石油钻采设备的国际大公司， 例如 AKE R MH、 NO V、 C ONT ROL F L O W 、 P MH 都 能 够提供包括天车补偿在内的多种主 、 被动升沉补偿 工具 ； 绞车补偿只有 NOV可供选择 ， AKE R MH 的 产 品 正 在 试 制 中 ； 死 绳 补 偿 比 较 少 ； NO V、 C ON T RO L F L OW、 P MH 等 能提供 游动 设备 补偿 ， 但 AKE R MH 的游车补偿设备仅用于其双井架 Ra m- R i g的主动补偿 。 2 ． 2 国 内 我国在升沉补偿系统方面的研究起步较晚。国 内 目前尚没有生产厂生产任何型式的升沉补偿 系统 正式 产 品 ， 只有宝 德 股份 公 司提 到 已开发 出海 洋 深 水钻 机绞 车智 能控 制 系统 ， 是 针 对 海洋 钻 井 平 台和 钻井 船 的绞 车 升 沉 补偿 系统 ， 成 为 继 美 国 NOV 之 后世 界上 第 2家开 发 出该类 产 品的公 司 。 随着 我 国石 油勘 探 开 发 向海 洋 战 略 的转 移 ， 对 升沉 补偿 系统 的需 求 进 一 步提 高 。 近几 年 ， 中 国石 油大学、 广东工业大学 、 中南大学等高校和部分企业 已就升沉补偿系统专项技术及产品展开了相关课题 研究， 并取得 了很大进步[ 1 ] 。由中国海洋石油总 公司牵头的国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 的 海洋技术领域重大项 目课题“ 深水半潜式钻井平 台 关键技术” 将游车大钩升沉补偿系统作为研究子课 题 ； 宝鸡 石油 机 械 有 限 责 任 公 司 已于 2 0 0 8和 2 0 0 9 年分别申请天车升沉补偿装置专利各 1 项 。相信通 过 不 断 努 力 ，必 将 逐 步 打 破NOV、AKE R KVAE R NE R、 S HAF F E R、 C AME R ON 等 几 家 国 外制造公司的垄断局面。 随着陆地石油资源的 日趋枯竭 ， 近年来 ， 世界各 国在 海上 开发 石油 、 天 然气 已 向深 水 、 超 深 水 发 展 ， 我 国主要 石油公 司也 已制 定 出 深水 钻 井 装 备 计 划 。 未来 1 5 ～2 0 a ， 将是我国海洋钻井市场实现快速发 展 的关键 时期 。在 未来 5 a里 ， 中国海 洋 石 油 总 公 司将 投资 1 2 0 0亿 元 用 于 海 上 油 气 勘 探 和 开 发 、 海洋工程装备投资等 ； 中石油 、 中海油 、 中石化 3大 石油集团公司已展开海洋深水油气勘探开发装备的 研究工作 ； 中石油已完成第 6代半潜式钻井平 台的 概念设计 ， 宝鸡石油机械有 限责任公司也正在 配合 该平台进行配套深海钻井设备的开发研究工作 。 3 结语 升沉 补偿 装置 作 为海洋 浮式 钻井 平 台的关 键设 备之一 ， 未来具有向多样化发展 、 升沉补偿能力进一 步提高 、 升沉补偿精度进一步提高、 逐步打破国外垄 断格局等发展趋势 。加大力度研发拥有 自主知识产 权 的海洋钻井升沉补偿装置 ， 对深海油气勘探开发 具 有重 大 的意义 。 参考文献 E l i 方华灿． 海洋石 油钻采 设备 与结构 E M] ． 北京 石 油工 业出版社 ， 1 9 9 0 ． [ 2 ] 方华 灿． 海洋钻 井船升沉 补偿 装置 的设计 E J 7 ． 石油 矿 场机械 ， 1 9 7 6 ， 5 5 2 5 3 7 ． [ 3 ] 王维旭 ， 弓英 明， 赖笑辉 ， 等． 海洋钻井绞车补偿 系统技 术分析E J 3 ． 石油矿场机械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 1 2 1 8 2 0 ． 2 0 1 1年 第 4 O卷 第 1 o期 第 3 3页 石 油矿 场机 械 OI L F I ELD E QUI P MENT 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 1 1 O - 0 0 3 3 0 4 智能 自适应振动筛控制系统机理研究 朱 晓梅 ， 李责 ， 付林 ， 张 明洪。 ， 张万福 1 ． 河南石油勘探局 钻井工程公 司， 河南 南阳 4 7 3 1 3 2 ； 2 ． 西南石油大学 机 电工程学 院 ， 成都 6 1 0 5 0 0 摘要 结合流入 自适应振动筛的泥浆动态性 能参数的变化控 制信号 ， 叙述 了 自适应振动 筛控制理 论 。在 分析 研 究 自适 应控 制 系统 的核 心和 结构 的基 础上设 计 出 自适 应控 制 系统 。 关 键词 反 馈 ； 自适应 振 动 筛； 控制 系统 ； 结 构 中 图分 类 号 TE 9 2 6 ． 0 1 文献 标识 码 A Re s e a r c h O i l M e c ha ni s m o f t h e I n t e l l i g e n t Ad a p t i v e S h a l e S h a k e r ’ S Co n t r o l S y s t e m ZH U Xi a o m e i ， LI Be n ， FU Li n ， ZHANG M i ng h on g ， ZHANG W an f u 1 ． Dr i l l i n g En g i n e e r i n g C o mp a n y； H e n a nPe t r o l e u m Exp l o r a t i o n Bu r e a u， Na n y a n g 4 7 3 1 3 2， Ch i n a； 2 ． C o l l e ge o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， C h e n g du 6 1 0 5 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Ta k i ng t h e i nt r o du c t i on a b ou t t he a d a p t i v e c o nt r ol s y s t e m ’ S c o r e a nd t he s t r uc t ur e a s t h e u p h o l s t e r y ， d e t a i l s o f t h e a u t o a d a p t e d s h a k e r c o n t r o l s y s t e m’ S t h e o r e t i c a l d e s i g n wa s ma d e ， wi t h t he c h a ng i ng s i g na l o f t he mud dy na m i c p r o pe r t y pa r a me t e r f l owi ng i n t o t he a u t o 。‘ a d a p t e d s ha ke r ， a nd t he a da pt i ve c on t r ol s y s t e m ’ S di a g r a m wa s de s i g ne d． Ke y wo r d s f e e d ba c k； a u t o a d a p t e d s ha l e s ha ke r； c on t r o l s y s t e m ； s t r u c t u r e 自适应控制是一种面向未来的技术 ， 能使产 品 的经济 性 、 安全 性 和 舒 适 性 获 得 最 优 化 引， 以获 得 竞争优势 。钻井液振动筛作为现代钻井成套 固控设 备中必不可少的第 1级筛分设备 ，其工作性能直接 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E J ] ． 石 油矿 场机 械 ， 2 0 1 0 ， 3 9 4 1 - 4 ． 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 ． F e r y D ． He a v e C o mp e n s a t i o n [ E B ／ O L ] ． h t t p ／ ／ e v e r y t h i n g 2 ．c o rn／ t i t l e ／ He a v e 2 5 2 0 c o mp e n s a t i o n ．2 0 0 2 一 O 4 一 O 8． Ume s h A Ko r d e．Ac t i v e He a v e Co mpe n s a t i on on Dr i l l S h i p s i n I r r e g u l a r Wa v e s [ J ] ． Oc e a n E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 ， 2 5 7 5 4 1 5 6 1 ． Le 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 H e a v e C o mp e n s a t i o n S y s t e m f o r M a r i n e Ve s s e l s Un i t e d S t a t e s ， 0 0 5 2 O 9 3 0 2 A[ P ] ． 1 9 9 3 0 5 1 1 ． 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 [ J ] ． 石 油矿 场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 3 [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] 1 O l 3． 方华灿 ． 海洋石油钻采设备理论基 础[ M] ． 北京 石油 工业 出版社 ， 1 9 8 4 ． Ha n e y J D， C a r e y D W ． Lo w P o we r ／ Hi g h P e r f o r m a n c e Ac t i v e h e a v e C o mp e n s a t i o n [ J ] ． S e a T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 4 3 7 2 3 3 1 ． 王维旭 ， 于兴 军 ， 贾 秉彦 ， 等． 被 动式 钻柱 升沉补 偿装 置气液 控制系统 的原理 [ J ] ． 石油 矿场 机械 ， 2 0 1 1 ， 4 0 2 30 33 ． 白 鹿． 钻柱液压升 沉补偿 系统研究 [ D] ． 东 营 中国 石油大学 ， 2 0 0 9 ． 肖体兵． 深 海 采 矿 装 置智 能升 沉 补 偿 系统 的研 究 [ D ] ． 广州 广东工业大学， 2 0 0 4 ． 倪 佳 ． 深海采矿被 动升沉补偿 系统参 数设 计与仿真 研究 [ D ] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 9 ． 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 2 0 作 者简 介 朱晓梅 1 9 8 2 一 ， 女 ， 山东 临沂人 ， 工程师 ， 硕 士 ， 2 0 0 9年毕业 于西南石 油大学 机械设计 及理论 专业 ， 主要从 事石 油机械设计理论 与方法的研究 ， E - ma i l z j g s j d k 2 0 1 0 1 6 3 ． c o rn。 ] ] ] ] 一一 ]