浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究*

赵建亭 刘树祥 (七〇八研究所 上海 200011)

晏绍枝 李浪清 (中海油田服务股份有限公司 河北 065201)

浮式钻井装置钻柱运动补偿系统研究*

赵建亭 刘树祥 (七〇八研究所 上海 200011)

晏绍枝 李浪清 (中海油田服务股份有限公司 河北 065201)

浮式钻井装置;钻柱;运动补偿

针对浮式钻井装置的钻柱运动补偿问题,介绍了几种解决方案,并对几个方案的补偿原理做了分析研究。对从事海洋钻井工程的技术人员具有参考价值。

刘树祥(1983.10-)男,汉族,江苏连云港人,助理工程师,主要从事机械设计及研究工作。

晏绍枝(1971.03-)男,汉族,湖北罗田人,工程师,主要从事海洋钻机管理工作。

李浪清(1967.06-)男,汉族,广东梅县人,工程师,主要从事海洋水下设备管理工作。

0 引 言

浮式钻井装置主要包括半潜式钻井平台、圆筒型钻井平台、钻井船、钻井驳及其他类型钻井浮体等,对于浮在海面上的钻井作业需要解决的一个共同的问题就是:浮体本身的运动升沉产生与海底的相对运动,而钻柱作业需要相对海底静止的问题。本文就此进行了初步的探讨分析。

浮式钻井装置钻井作业时,在波浪作用下,会产生周期性的上下升沉运动,使钻柱随之做上下运动,并造成井底钻压变化,甚至钻头脱离井底,无法钻进。钻柱运动补偿系统主要是解决钻柱的升沉补偿问题,钻柱运动补偿系统能够在浮式钻井装置升沉运动时保持井底钻压,并按岩石性质随时调节钻压。

1 规范要求

对于钻柱运动补偿系统,船级社有关的规范要求比较少,目前可以参照的船级社规范是中国船级社的《钻井装置发证指南》、美国船级社(ABS)的《GUIDE FOR CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM》及挪威船级社(DNV)的《DRILLING PLANT》;对于补偿系统内部细节的设计主要还是依据相关的机械行业规范及规则开展执行。

1.1 基本要求

浮式钻井装置的钻柱运动补偿系统主要功用是消除平台上钻柱的垂荡运动,以便稳定钻井压力、平稳下放防喷器组和平缓下放套管。钻柱运动补偿系统设计时,液压缸的设计既要考虑到内压载荷,又要考虑到作为结构件所招致的载荷。系统应在补偿器上设双向限流措施以防止由于钢丝绳断裂、软管破裂等情况下压力流体的迅速流失;应考虑到在作业期间,在某些流体损失的情况下,仍能保证系统正常工作。

1.2 冗余要求

对于主动补偿装置,单一部件失效不应招致整个装置失效,在正常和应急作业的情况下都应能保证整个系统的动力供应;对于主动和被动联合的补偿装置,主动部分失效不应招致整个装置失效。

2 升沉补偿解决方案

对于浮式钻井装置钻柱运动补偿的问题从方法上概括起来有两种解决方案:一是增加伸缩钻杆,二是增设升沉补偿装置。增加伸缩钻杆的办法是在钻杆柱的钻铤上方增加一根可伸缩的钻杆,伸缩钻杆由内、外管组成,沿轴线可做相对运动,行程一般为2m。当船体做上下升沉运动时,由于伸缩钻杆的作用,只有伸缩钻杆以上的钻杆柱随着做上下轴向运动,而伸缩钻杆以下的钻铤则不受影响,使钻压维持一定,同时还避免平台上升时提起钻铤、平台下沉时压弯钻杆柱的情况。伸缩钻杆存在钻压不能够调节、承载条件恶劣、操作困难等许多问题,使用受到了限制,所以目前浮式钻井装置广泛采用升沉补偿装置解决钻柱运动补偿问题。目前对于浮式钻井装置来说升沉补偿装置概括起来有四种解决方案。

2.1 升沉补偿装置概述

对于浮式钻井装置解决钻柱运动的升沉补偿装置来说,主要分为被动型和主动型两大类。所谓被动型,即在钻井装置受海浪或潮汐的作用上升时,靠钻井装置的举升力将蓄能器内的气体再度压缩以储存能量;在钻井装置下沉时,蓄能器释放能量,以补偿钻柱升沉或张紧绳缆。即补偿器和张紧器的工作能量来源于钻进装置的升沉,故其几乎不消耗外部的能量。所谓主动型,即当钻井装置上浮时,用泵将工作液缸的液体抽出(或使液压马达倒转);当钻井装置下沉时,用泵使工作液缸充油(或使液压马达正转)以达到补偿升沉或张紧钢缆的目的。即其补偿器或者张紧器的工作是依靠本身动力机的能源驱动工作的,消耗的能量较大。

被动型补偿装置主要有死绳或快绳恒张力补偿、游车型补偿、天车型补偿、液缸升降补偿等四种类型。死绳或快绳恒张力钻柱运动补偿装置由于自身的缺点,故在目前用得不是很多;游车型钻柱运动补偿装置和天车型钻柱运动补偿装置存在于多数的浮式钻井装置上,属于常用的钻柱运动补偿解决方案。

主动型补偿装置主要由主动补偿液压系统及主动补偿绞车等两种类型。主动补偿液压系统是一个位置控制系统,通常与被动补偿组合成天车型钻柱运动补偿装置;主动补偿绞车是由美国NOV公司独创设计。而液压升降型钻机(Ram rig)可以将起升系统与钻柱运动补偿系统合二为一,是欧洲Aker Solution公司的独创集成设计。主动补偿绞车及液压升降型钻机两种新型的钻柱运动补偿解决方案具有较大的实用性。

升沉补偿装置的设计能力主要按补偿与锁紧两种工况进行设计。补偿工况是补偿装置起作用的工况,此时的大钩实际载荷为钻柱的载荷,跟钻井深度(钻柱类型及钻柱长度)有关;锁紧工况是补偿装置不起作用的工况,此时的大钩载荷为实际的大钩载荷,跟工作水深(隔水管长度)、水下防喷器组重量及钻井深度有关。

2.2 死绳或快绳恒张力补偿装置

死绳就是天车和游车上所穿的钢丝绳固定在井架底座的一端;快绳是绞车滚筒的一端。此恒张力补偿系统的特点是通过调节这两段钢丝绳的直线长度来补偿在波浪作用下游车与大钩随船体升沉的位移,从而保持和调节井底钻压。该装置是将死绳或快绳通过一套恒张力滑轮系统固定在井架底座或缠绕在滚筒上。当平台上升时,拉力上升,补偿装置就放松钢丝绳,使拉力恒定;平台下沉时,则相反。这样,就使井下钻具不随升沉而上下移动,保持正常钻井作业。调节储能器内的压力、推动活塞产生位移、带动滑轮运动,依此调节钢丝绳的拉力,进而可随时调节钻压。此种装置有一套电动自控系统传递钢丝绳上的拉力变化和调节蓄能器内的压力,比较复杂,而且对钢丝绳的磨损也比较严重,故在浮式钻井装置上实际应用的不多。

2.3 游车型补偿装置

游车型钻柱运动补偿装置结构组成如图1所示。其安装在游车与大钩之间,上框架与游车相连,下框架与大钩相连,上下框架通过链条绕过气液缸的活塞杆顶部的链轮连接在一起。气液缸的有杆腔一端充满低压液压油,无杆腔充满高压压缩空气。有杆腔一端的液压油通过调速阀接到气液蓄能器,无杆腔的气体通过气体安全阀接到空气瓶。调节空气瓶内的压力可以调整气液缸内的压力差。游车下的上框架和大钩上的下框架可以通过锁块锁紧成一体,使大钩和游车一同起下。在起下钻时不使用钻柱运动补偿装置。

游车型钻柱运动补偿装置的工作原理见图2。当平台上升时游车框架带液压缸也随平台上升,此时液压缸内液体的压力并没有变化,对活塞的下推力也没有变化。因此,大钩不可能提着钻具跟随平台一起上升,只能停留在原来的位置,也就是说,大钩在空间的位置不受平台上升的影响。不过这时液压缸有杆腔的体积变大,气液蓄能器内的液压油进入液压缸。蓄能器内气体膨胀。当平台下降时,情况正好相反,游车框架带液压缸体随平台下降,液压缸内的液压油排出,气液蓄能器内气体受到压缩。所以为了保持钻压,只要保持气液缸内气体的压力为一恒定值即可。为了调节钻压,只要调节气液缸内气体的压力,改变气液缸内的压力差即可。为了实现自动钻井,只要调节进入气液缸内的气体压力,使气液缸内的压力差略小于整个钻柱的悬重,并使气液缸的活塞行程大于升沉位移。

游车型钻柱运动补偿装置是一种被动型的补偿装置,不需要特制的井架、天车、游车和大钩,只要把游车下的框架和大钩上的框架分别装上并连接起来就可以使用。游车型钻柱运动补偿装置已经系列化、标准化,业主可以根据大钩载荷情况直接选用标准的产品即可(如表1所示)。

2.4 天车型钻柱运动补偿装置

天车型钻柱运动补偿装置的特点是具有浮动天车,结构组成如图3所示。天车装在一个能浮动的框架内,有垂直轨道,天车可以通过滚轮在轨道内上下移动。天车上绕的钢丝绳一端通过辅助滑轮缠到绞车滚筒上,另一端通过辅助滑轮固定到井架底座死绳固定器上。两个辅助滑轮轴与天车滑轮轴有连杆连接,一同上下,所以钢丝绳与滑轮间无相对运动,可以提高钢丝绳寿命。

表1 典型游车型钻柱运动补偿装置主要参数

图3 天车型钻柱运动补偿装置

天车型钻柱运动补偿装置的工作原理是:当平台上升时,天车相对于井架沿轨道向下运动,压缩主气缸内的气体;平台下沉时,主气缸气体膨胀推天车向上运动;起下钻时,有锁紧装置将天车锁住不随起下钻而上下运动;正常钻进时,通过气动调节阀,控制蓄能器内的压力,以保持井底钻压或调节钻压。天车的位置有行程指示器,当天车位于最低点时,可放松滚筒的钢丝绳使游车下放,继续钻进;当大钩载荷突变时,液压缸就支撑天车,使其缓慢移动,以保证安全。配有速度控制阀,当液压缸的速度超过最大允许的工作速度的15%时,此阀关闭,从而限制了液压缸伸缩的速度,以保证在钻柱突然断裂而蓄能器内充满压力油的情况下,天车型运动补偿器的安全。

天车型钻柱运动补偿装置为独立的模块化组件,可以直接安装在井架的天车台上,但此种装置主要机构都在天车台和井架上,所以,需要有强度大、结构复杂的特制井架。

天车型钻柱运动补偿系统由主动补偿装置与被动补偿装置组成。钻柱运动补偿器系统主要由补偿装置结构、液压缸、导向滑轮、空气阀箱、液压泵站、高压空气瓶、高压空压机等组成。补偿装置结构、液压缸、导向滑轮模块设计布置于井架的顶部。液压泵站是主动补偿与被动补偿两个互相独立的泵站。

被动补偿装置安装在井架上部,两组倾斜安装的液缸的柱塞顶端直接与天车相连。天车通过滚轮在井架内垂直移动,在天车的回转臂上装有四个导向滑轮,快绳和死绳分别从天车上引出,穿过导向滑轮,将大钩载荷先传递给天车。由于液缸的柱塞顶端与天车相连,天车将大钩载荷传递给液缸的内的液体介质,大钩载荷就被转化为液体压力实现被动补偿功能。被动补偿装置典型系统图参见图4。

图4 被动补偿装置典型系统图

被动补偿装置最主要的作用是:通过保持整个钻柱不随船体的升沉而上下运动,从而保持井底钻压的相对恒定;被动型补偿装置补偿器的补偿量总会有一个滞后时间,同时液缸柱塞运动的时候,不可避免会产生一部分摩擦力和损耗,为了解决这些问题,采用主动与被动联合使用,为天车提供一个相对于海底稳定的位置,尽可能减少主动补偿天车的偏移量,使平台在任何恶劣天气条件下都能够安全进行操作。

主动补偿装置通过油缸施加在天车上的力来克服在被动补偿系统在执行过程中各个部分产生的摩擦力和被动补偿系统做补偿作用时产生的各种损耗。主动补偿系统是一个位置控制系统,在系统控制柜中安装有一个特殊的加速计(升沉传感器),可以测量船体相对于海底的三维速度,同时在AHC的油缸处安装有一个油缸位置传感器,将这两个量输入计算机,通过一系列的计算,向伺服阀发出一个动作的命令,伺服阀动作,液压泵站将液压油注入到油缸中(活塞上方或活塞下方),使油缸的活塞运动,通过活塞柄将拉力或推力施加在天车上。主动补偿和被动补偿的联合作用使天车在整个平台相对于海底有上下4m的移动时,天车的最大位移控制在0.1～0.5m之内,在最大程度上保证了井底钻压的恒定。主动补偿装置典型系统图参见图5。目前,天车型钻柱运动补偿装置的也已经系列化、标准化,业主可以根据大钩载荷情况直接选用或者补充新的要求订购即可(如表2所示)。

图5 主动补偿装置典型系统图

表2 典型天车型钻柱运动补偿装置主要参数

2.5 主动补偿绞车

随着世界钻井工业的发展,钻井设备设计者们突破了传统的钻柱运动补偿概念,将钻柱补偿功能通过绞车的控制来实现。主动补偿绞车集成了控制和设计方面的最新技术,补偿精度更高;使用主动补偿绞车可以省去钻柱运动补偿器。此外,绞车刹车所产生的能量重新利用并反馈给钻井电控系统,提高了钻井效率。

主动补偿绞车是钻井工业领域独创的设计,它重新确立了补偿精度和工作范围的标准,增大了钻井平台的操作范围;它是浮式钻井装置钻机的一项重要的革新。主动补偿绞车除具有传统绞车的提升功能外,还具有主动补偿浮式钻井装置的升沉运动对钻柱的影响的功能。一般来说,由于主动补偿绞车具有补偿的功能,对于同样起升等级的绞车消耗的功率要高,大约为常规同级钻井绞车的1.5倍以上。

主动补偿绞车为新产生并且得到成功应用的钻井绞车。虽然现在浮式钻井装置上也配置有传统的钻井绞车,但是主动补偿钻井绞车应该是当代浮式钻井装置钻机设备配置的一个非常特殊的标志,她不失为新建浮式钻井装置中钻机设备中钻井绞车配置的最优选择,其既解决了提升系统的功能,又解决了钻柱运动补偿的功能。

3 结 语

钻柱运动补偿系统是浮式钻井装置为保证钻井作业顺利进行所特有的且不可缺少一个系统,从最初的伸缩钻杆补偿方法,发展到现在正在浮式钻井装置上广泛使用的天车型或游车型钻柱运动补偿装置,经历了一个逐步发展完善的过程。

刚刚兴起的液压升降型钻机具有钻柱运动补偿装置功能,而主动补偿绞车自身可解决钻柱运动补偿问题;这些新型装备的产生象征浮式钻井装置的钻柱运动补偿系统研发工作进入了一个新的时代。

[1] 安国亭,卢佩琼编著.海洋石油开发工艺与设备[M].天津大学出版社.

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Heave Compensation System for the Drill String of Floating Drilling Unit

Zhao Jianting Liu Shuxiang Yan Shaozhi Li Langqing

floating drilling unit;drill string;heave compensation

This paper introduces several solutions for heave compensation for the drill string of floating drilling unit,analyses and studies their compensation principle.It has a reference value to the technicians in drilling engineering.

U674.38+1

A

1001-9855(2010)03-0001-05

2010-02-03

赵建亭(1978.10-)男,汉族,山东青州人,工程师,主要从事机械设计及研究工作。