海洋钻井绞车补偿系统技术分析

王维旭,弓英明,赖笑辉,于兴军,黄治湖

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡721002) *

海洋钻井绞车补偿系统技术分析

王维旭,弓英明,赖笑辉,于兴军,黄治湖

(宝鸡石油机械有限责任公司,陕西宝鸡721002)*

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。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井平台。

钻井绞车;升沉补偿;技术分析

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)×108t[1]。但是南海的平均水深达1 200 m,已经远远超出了我国200 m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[2]。常规钻柱升沉补偿装置一般采用液压装置[3-4],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”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。

1 钻井绞车补偿系统

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绞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。

海洋波浪可用周期、幅度、波长3个参数描述。波浪对浮式钻井平台影响主要通过升沉、倾斜、晃动3种方式。升沉是竖直方向的,倾斜和摇晃是水平方向的运动,这3种方式的运动均对浮式平台的安全性造成影响,本系统主要解决竖直方向升沉运动的影响问题,其他2种由动力定位和锚链、减摇系统解决,本文不再赘述。

2 绞车补偿的原理

在绞车补偿控制系统中,绞车传动轴编码器及升沉加速度传感器分别将游车相对位置以及船体的升沉运动状态数据及时发送到可编程控制器(或工业计算机),控制器通过计算得到海底钻头相对井底由于平台升沉形成的绝对位置偏差,同时载荷传感器将钩载信息也发送给控制器,上述数据经过控制器处理后输出控制信号控制绞车电机的转速及转向,最终控制主动补偿绞车的提升和下放,达到主动升沉补偿的作用,本系统原理如图1。

图1 主动补偿绞车控制原理

游车位置/速度是靠传动轴编码器脉冲的累加来确定,升沉运动加速度传感器可安装在司钻室内(也可安装在平台),用于测量船体在风浪中的竖直运动信息。此外,本控制系统还可集成电子防碰系统,即:通过监测游车位置及运动速度,并根据系统的刹车系统力学模型(与刹车能力、钩载、游车位置和速度等有关)计算得到游车的理论刹车距离,通过该理论刹车距离与游车在本位置上可获得的实际刹车距离进行比较,如果司钻输入的绞车速度使理论刹车距离超过了可获得刹车距离,本控制系统会停止执行该命令,以避免游车与井架和钻台的碰撞,提高作业安全性;另外,控制系统可确保在下放钻杆时,避免钢丝绳的松弛,防止损坏钻杆及钻具。

主动补偿绞车控制系统应采用闭环的PID控制技术,图2为控制系统流程。PID控制中,P(比例)控制的反应快,稳定性好,是定值控制系统中最基本的控制作用;I(积分)控制帮助消除系统的余差;D(微分)对动态响应进行及早补偿。本系统设置了转速和电流2个调节器,把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再利用电流调节器的输出控制变频器装置,最终控制了绞车的转速,其中电流调节器作为内环,转速调节器为外环,进而获得较好的静、动态性能。

在对会计队伍进行职业教育培训过程中，培训单位既承担了培训工作，又承担了考核工作。个别培训单位为了在较短时间内完成整个培训计划，提高经济效益，重视报名数量，不重视参加数量，个别会计人员只报名不参加培训，同样可以通过考试，难以切实发挥继续教育培训应有的职能作用。此外，在进行会计人员继续教育培训过程中，教师一般采用灌输式教学模式，这种教学模式虽然简单直观，但因为将学员的思想禁锢在课堂，不能加强和教师的有效沟通，学员在学习过程中缺乏兴趣。

图2 控制系统流程

3 绞车功率的计算

主动补偿绞车就是在常规海洋钻井绞车的提升功能上增设一套运动补偿功能,但并不是简单的机械叠加,尤其是对绞车输入功率和相应各工况下的疲劳等均产生了很大变化,计算如下。

a) 由于波浪产生的钻柱升沉加速度[5]。

升沉位移为

升沉速度为

升沉加速度为

式中,xmax为浮式钻井平台的最大升沉位移;T为浮式钻井平台的升沉周期。

b) 升沉作用下,提升最大钻柱质量、钩速为零(相对于井底)时绞车的输入扭矩。

绞车输入扭矩为

式中,Z为钻井游动系统绳系;DP为绞车滚筒平均缠绳直径;QG为最大钻柱质量;GY为游吊系统质量。

c) 升沉作用下,提升最大钻柱质量、钩速为零(相对于井底)时,绞车为消耗升沉速度需要的输入转速。

绞车的输入转速为

式中,i为绞车减速箱减速比。

d) 绞车的输入功率[6]为

通过上述计算可知,在相同井深的工况下,具有补偿功能的海洋钻井绞车,其输入功率要远远大于没有补偿功能普通钻井绞车,也无法采用 SY/ T5532—1999《石油钻机用绞车》的标准进行补偿绞车的设计。

4 结语

升沉补偿系统作为海洋浮式平台的关键设备之一,在国内研制才刚刚起步,具有补偿功能的海洋钻井绞车的研制势在必行。本文根据钻井绞车和补偿系统的工作原理,提出了一种新型的绞车,并且该绞车已通过模拟试验验证,方案可行。该方案的运用可大大减轻浮式平台的质量,减少设备占用的空间。

[1] 廖谟圣.海洋石油开发[M].北京:中国石化出版社,2006.

[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,1980(3):20-32.

[3] 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,2009,38(3): 10-13.

[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,2010,39(4):1-4.

[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,1976,5(5):25-38.

[6] 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,1995.

Technical Analysis on Offshore Drilling Drawworks Heave Compensation System

WAN G Wei-xu,GON G Ying-ming,LAI Xiao-hui,YU Xing-jun,HUANG Zhi-hu
(Baoji Oilf ield Machinery Co.,Ltd.,Baoji721002,China)

The paper mainly presents the theme on offshore drawworks(DW)heave compensation system through the following aspects:system characteristic,working principle,power consume, motor selection,etc.The drawworks has the function of active heave compensation except the normal hoisting function and can eliminate the impact on drilling work when the floating platform move up and down.This DW can instead of the other heave compensation equipments.There are many predominances on the DW heave compensation system,such as simple driven device,outstanding efficiency,the small cubage,the less weight,the low cost,and so on.The function of drilling drawworks and heave compensation equipment are integrated to one unit,hence the offshore drilling drawworks can be widely used in the floating drilling platform.

drilling drawworks;heave compensation;technical analysis

1001-3482(2010)12-0018-03

TE923

A

2010-06-18

国家高技术研究发展计划(863计划)“深水半潜式钻井船设计与制造关键技术”项目(2006AA09A104)

王维旭(1978-),男,青海乐都人,工程师,硕士,主要从事石油机械研究与开发工作。