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摘要

介绍了海洋钻井绞车补偿系统特点、补偿原理、动力配备、电机选型等。

升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。

升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。

该绞车除具备常规的提升下放功能外,还具有主动补偿功能,可解决浮式海洋平台升沉对钻井作业的影响;该方案可替代其他类型的专用升沉补偿装置,具有传动简单、钻井效率高等优点,可减轻整个平台的质量,减少占用空间,减小投资成本。

海洋钻井补偿绞车集绞车和补偿装置功能于一身,可广泛应用于浮式钻最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。

关键词：

钻井平台；升沉补偿；伺服电机；绞车天车

第一章概论

随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入,世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。

海洋钻井升沉补偿装置作为浮式平台钻井系统中的一个重要单元设备,其技术在欧美等发达国家的平台配套当中已相当成熟,而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术的研究开发方面处于空白状态。

为了使我国的海洋油气资源得到有效保护及尽早打破国外的技术垄断,深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻井升沉补偿装置已成为当前工程技术人员的当务之急,也是我国海洋石油装备技术不断振兴和走向成熟的必然要求。

我国南海和东海的广阔海域有着丰富的油气资源,初步估计南海的地质石油储量可达（200~300）×t。

但是南海的平均水深达1200m,已经远远超出了我国200m水深以内自主开发的极限,深水浮式钻井平台的设计开发势在必行。

钻柱升沉补偿系统作为浮式平台钻井系统的一个关键系统,其主要作用是阻隔船体在波浪作用下运动对钻柱的影响,减小钻柱和防喷器之间的磨损。

在钻井的过程中,它可以把井底的钻头定位在司钻设定的一个高度范围内,在其他操作中,能根据海洋平台运动补偿钻柱的运动使之保持在一定的位置。

常规钻柱升沉补偿装置一般采用液压装置,根据补偿装置的结构和安装位置分类,补偿系统主要有游车升沉补偿系统、天车升沉补偿系统、死绳（快绳）升沉补偿系统等几种形式,但是无论哪种形式的补偿系统,均具有庞大的体积和质量,对/寸土寸金0的浮式平台来说是非常不利的。

而具有补偿功能的绞车相对于上述几种补偿系统有着无法比拟的体积和质量的优势,将在浮式钻井平台有很好的应用前景。

本文针对海洋钻井绞车补偿系统进行技术分析。

第二章总体设计方案

海洋浮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升沉的运动将引起钻杆柱和隔水管系统周期性的上下运动。

钻杆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进,而且当钻压降到一定限度时,将使钻头脱离井底,无法持续钻进。

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。

因此,为了保证浮动钻井平台正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统,以减少钻杆柱和隔水管系统与海底的相对运动,并保持恒定的张力载荷。

通常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。

钻杆柱补偿根据安装位置和结构又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几种形式。

1伸缩钻杆升沉补偿

伸缩钻杆升沉补偿是在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆。

伸缩钻杆由内外管组成,伸缩行程一般为2m。

当钻井船上下升沉运动时,伸缩钻杆的内外管沿轴向做相对运动,因此只有伸缩钻杆以上钻杆柱随着船体做上下升沉运动,而伸缩钻杆以下部分不受钻井船升沉运动的影响,保证井底钻压恒定。

由于这种升沉补偿方法存在诸多不足,所以只在研究解决升沉补偿问题的早期得到一些应用。

2游车大钩升沉补偿

游车大钩升沉补偿是在游车与大钩间装设的一种升沉补偿装置。

此类型的升沉补偿自1973年研制成功后,已多次应用于实际工程。

游车大钩升沉补偿主要由液缸、活塞、储能器、控制阀、液压站、PLC控制系统、检测装置、锁紧装置等部分组成。

较早的结构是将2个液缸上框架与游车相连接,活塞杆与固定在大钩上的下框架连接,可随钻井船升沉上下运动,如图1所示。

钻井船升沉上下运动时,只要保持液缸内液体压力不变,液缸会伸长或缩短,就可以实现大钩位置基本不变,保证井底钻压稳定,达到升沉补偿的目的。

在实际钻井中,可通过调节储能器中气体压力来改变液缸中的液体压力,达到调节钻头钻压的目的。

因此,只要控制好行程（常常把活塞杆放到全长的中间位置）压力,还可以实现自动送钻。

3天车升沉补偿

天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部,形成浮动天车。

该类升沉补偿结构较为复杂,于1972年研制成功,并在钻井船上得到应用,效果良好。

天车升沉补偿主要由气缸总成、储气罐、液压站、控制系统、操作面板、电器设备/传感器、天车模块/摇摆臂和压力控制阀等组成。

当钻井船升沉运动时,天车模块在液缸的推动下沿轨道相对于井架做相反方向运动,张紧或放松钻井钢丝绳,实现升沉补偿功能;司钻通过甲板上的调节阀,控制系统压力,达到调节井底钻压的目的;另外,该补偿形式在天车上设有滑轮组锁紧装置,进行起下钻作业时,通过液压控制系统将滑轮组锁紧在井架顶部,使浮动天车能够承受钻井系统的最大额定载荷。

4.死绳（快绳）升沉补偿

死绳升沉补偿是在平台钻井系统钻井绳死绳段增加的一种升沉补偿装置。

该装置安装在井架侧面,结构较为简单,如图3所示。

死绳升沉补偿主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、储能器等组成。

死绳自天车引出后,先经过1个传感滑轮（测定拉力大小）,然后缠绕在定滑轮组及动滑轮组上,自定滑轮组引出,并固定到死绳固定器上。

动滑轮组在液缸推动下可在框架内移动,收紧或放松死绳,实现对死绳恒张力的控制,进而达到对钻井船升沉运动补偿的目的。

通过调节死绳上的张力可以实现对井底钻压的调整。

液缸行程直接影响补偿能力及效果。

5绞车升沉补偿

绞车升沉补偿实际上是通过钻井绞车的正反转来控制和实现钢丝绳的恒张力控制,实现沉补偿功能。

对于电驱动的钻井绞车,在原有绞车的基础上,增加升沉检测系统和PLC控制系统,根据检测系统检测到的船体运动信号,通过PLC控制电动机正反转,收紧或放松钢丝绳,实现恒张力控制,达到补偿的目的。

对于液压驱动的绞车,该类升沉补偿主要由绞车主体、液压站、冷却器、阀组、PLC控制系统等组成。

当船舶升沉时,启动绞车升沉补偿功能,利用PLC控制液压泵流量以及油源方向,驱动绞车马达工作,收紧或放松钢丝绳,满足升沉补偿需要。

钢丝绳张力由连续张力测试传感器测定,并输入PLC控制系统作为主动波浪补偿控制信号。

绞车补偿系统相对于其他形式主动补偿系统有许多不同之处,最主要的特点就是将车和钻柱补偿系统集成为一体。

采用绞车补偿系统的优势主要表现在以下4个方面:

a）快速响应。

b）补偿范围不受液缸长度的限制。

c）减少由于技术问题的停机时间。

d）减少了维护等工作,提高了钻井效率。

第三章井架

3.1井架种类的优选

目前，国内外常用的井架从结构上分为4种类型，即塔型架、A型架、K型架和桅架。

塔架在安装和搬迁时工作量打，高空作业危险，在陆地钻井趋于被淘汰；桅型架正面和侧面呈矩形的桁架架构，它常用于车装钻机；A型架优点是低位安装，整体起升，缺点是井架总体刚度差，整体稳定性差，制造成本高，移运时需要车辆多，井架维修难度大；K型井架能低位安装，整体起升，总体刚性好，移运时需要车辆少，便于维修。

对几种井架进行比较，选择K型井架。

3.2材料选择

井架基本构件常用的钢材主要是A3和16Mn，16Mn比A3的强度和许应力高得多，在承受同样载荷的情况下，可以采用较小的尺寸构件，这样就可以减小风阻，而且可以节省材料，减轻重量。

16Mn抗大气腐蚀的能力比较高，可以在低温条件下工作。

可焊性能好，在井架设计中，我们选用16Mn材料。

3.3井架截面材料

目前在用井架的主腿截面用以下几种：

3.3.1圆筒式

钢管井架的截面具有几何形状对称，各向稳定性相等，在截面积相等的条件下，其惯性半径最大，承载能力大，不足是管式井架制造复杂，重量大。

3.3.2角钢式

可分为单角钢和双角钢两种，前者多用于A型井架，其截面不对称，各向稳定性不等，承载有偏心，双角刚式，拆装工作量大，制造复杂，不易腐蚀。

3.3.3工字钢式

工字钢井架，这种井架承载能力大，不足之处是工字钢腹板方向弱，尤其在起升时产生的挠度大，是最危险工况，杆件允许的长细比小，因此腹杆布置密集，井架重量大。

因此，为了增加井架的稳定性和承载能力，使井架重量减轻，我们选用16Mn钢板冷弯压型并带有加强筋的矩形管，组焊成箱形结构（如图1）作为主腿截面，压型后提高了板材的屈服强度（根据实验，A3钢可由2400kg/c㎡提高到达2800kg/c㎡）。

3.4井架结构设计

井架设计高度45m，分为四段，每段10.85m，井架段与段连接接头长300mm，上段有一处下连接接头,中上段、中下段分别有上下两处连接接头,下段有上连接接头一处和下底脚（250mm）,因此各段围成的桁架尺寸为10m,如何确定受压弦杆的长度和如何布置腹杆,按常规有两种选择:

（1）将10m长的桁架分为四个空格,

受压杆长度为10/4=215m

（2）将10m长的桁架分为六个空格

受压杆长度为10/6=11667m。

为了更科学地说明哪种方案更为合理,我们应用材料力学中的压杆稳定柔度λ值,λ=L/r（L为压杆长,r为截面的最小惯性半径）,在260mm

方向r=9,在130mm方向r=5147,对于上述两种桁架结构,λ1=250cm/5147=4517,λ2=16617cm/5147=3015,16Mn材料临界应力和柔度曲线图,,为小柔度压杆,应按强度问题计算;CD段λ>102为大柔度压杆;60≤λ≤102时,为中等柔度压杆。

（1）和

（2）两种结构中的λ1、λ2的值都小于60,都属于小柔度压杆,属于强度破坏型桁架,

（1）

（2）两种结构的受压弦杆是等强度的,因此我们选择

（1）桁架结构,

（2）结构腹杆过于密集,重量大,不经济。

受压弦杆尺寸确定后,我们选择图3布置方案,后背面选用菱形加斜拉管的结构形式,侧面选择双斜杆结构,整段可以拆成两个片架。

这种结构整体稳定性、刚性好。

3.5稳定性分析

为了更准确地说明问题，将K型井架与目前使用最广泛的工字钢型井架从刚度.强度及稳定性等方面进行分析。

（1）由于所选工字钢和方箱型的截面积相同，二者的抗拉刚度相同，故井架的纵向的刚度相同。

（2）方箱型井架前后方向的纵横刚度比工字钢井架高2%左右，这是因为井架的前后纵向刚度不近近取决于大腿本身的抗弯刚度，而主要取决于与井架侧面由大腿.横杆.斜杆.所形成的框架的刚度。

（3）方箱钢井架左右横向刚度和扭转刚度比工字钢井架高37.36%和31.29%，可见，方箱型比工字钢有良好的抗弯和扭矩性能。

3.6强度分析

从强度的角度考虑，井架大腿的应力主要是由轴向力引起的，而两种大腿型式的截面积相等；前开口井架的前大腿承受的扭矩与主要是绕Z轴的弯矩，而两种大腿型式的绕Z轴的弯矩差别不大，两种大腿型式井架的就、应力较接近。

3.7稳定性分析

井架主体和前大腿的总体稳定计算模型

可分为变截面空腹组合杆和支承于弹性介质上的压杆,弹性介质的弹性常数取决于井架侧面和背面的横杆形成的框架对前大腿横向位移的约束作用。

根据总体稳定的实用计算法,可把它们简化成稳定等效的两端铰支的单一实体杆,井架主体和前大腿总体稳定的分析，折算应力工字钢主体稳定93.28，前大腿稳定139.72