主动补偿绞车动力学特性仿真

严小妮，梁顺安，王福贵，惠晓英，何进前

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002)①

·设计计算·

主动补偿绞车动力学特性仿真

严小妮1，2，梁顺安1，2，王福贵1，2，惠晓英1，2，何进前1

(1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002)①

主动补偿绞车作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一，不仅具备常规的提升下放功能，还具有主动补偿功能，可解决浮式海洋平台升沉运动对钻井作业的影响，保持正常钻进。通过建立补偿绞车分析模型，应用ADAMS软件对补偿系统进行动力学特性分析，获得了主动补偿绞车基于模拟海浪工况的反向试验参数，为提高补偿系统的控制性能、改善系统设计等提供了重要的理论依据。

绞车；升沉补偿器；浮式钻井平台；动力学特性

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[1]。其主要克服了由波浪引起的平台设备升沉运动而造成的危害。由于浮式钻井补偿技术具有高技术、高风险的特点，长期被西方少数几个国家所垄断[2]。目前产业化的升沉补偿装置以游车式和天车式钻柱升沉补偿为主，基本采取液压或液气联动方式来提供补偿动力[3]，但这两种方式都会带来整个系统的体积和质量较大，需要占用钻井平台上较大空间。基于钻井绞车的升沉补偿技术是在常规钻井系统的中基本不用增添额外大型装置，即可实现钻柱升沉补偿的新技术，可有效降低浮式钻井平台的建造和运营费用。因此，开发自主知识产权的补偿绞车具有重要意义。本文基于ADAMS软件，对国内自主开发的具有升沉补偿功能的钻井绞车进行了海波动力学仿真。

1 主动补偿绞车原理

主动补偿绞车提升系统如图1所示。在主动升沉补偿绞车的控制系统[4]中(如图2)，绞车传动轴编码器和用于测量平台上下运动的平台加速度传感器分别将游车位置以及船体的升沉运动状态及时发送到可编程控制器 (或工业计算机)，控制器通过计算可得到游车的实际位置，同时载荷传感器将钩载信息发送给控制器，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，以此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。

1—绞车；2—钢丝绳；3—天车；4—大钩；5—井架；6—钻柱。

图2 主动补偿绞车控制原理

2 参数确认

参照勘察船(4000 m)在南海作业时的海况信息，一般最大风力为7～8级，波高≤4 m；依据我国南海风与波浪参数(如表1)可选取波高5.3 m，周期9.7 s的波浪。并根据波浪与平台升沉关系可知船的升沉转换系数为0.5。由此得出船体升沉运动曲线为周期10 s、振幅1.35 m的正弦曲线，如图3。其运动曲线方程为：

(1)

表1 我国南海风与波浪关系

图3 船体升沉运动曲线

3 ADAMS动力学模型的建立及仿真

3.1 模型建立

补偿绞车钢丝绳建模如图4所示，采用离散化建模[5-6]。补偿绞车提升系统ADAMS动力学仿真模型如图5所示。对钢丝绳施加函数为正弦曲线的驱动力，即输入信号发生器给定的升沉位移信号，然后测量大钩的位移曲线。模型将天车滑轮组简化为单滑轮，这样可使得试验条件更简单直观。

图4 钢丝绳模型示意

1—绞车；2—钢丝绳；3—天车；4—钩载。

运用ADAMS建立主动补偿绞车提升系统动力学仿真模型时做了如下假设：

1) 近似认为井架是刚性的。

2) 不考虑提升系统中轴的横向振动，只考虑扭转振动。

3) 钢丝绳与滑轮间不存在相对运动，不计摩擦。

在钻柱下放过程中，由于钻柱变为原动件，且滚筒前的传动部分与钻柱起升时不同，因此应另建立钻柱下放过程的动力学仿真模型。由于钻柱下放过程的绞车提升系统动力学仿真模型与钻柱提升时有许多相似之处，这里不再赘述。

3.2 仿真分析

本文仿真分析的重点是进行绞车补偿功能的试验仿真，即补偿绞车在平台波浪海况下的补偿性能。但采取将整个补偿绞车施以波浪运动来检测其补偿功能的正向试验方法[7]投资大、受制约条件多，实现起来比较困难，而反向试验方法实现起来相对简单[8]。反向试验方法即补偿装置不动，输入信号发生器给定升沉位移信号，控制系统控制交流变频电机实时跟随升沉补偿信号运动，检测负载的运动与输入位移信号的偏差。如果偏差效果好，证明补偿效果好。Aker MH公司的补偿装置在进行功能试验时，就是按反向试验方法进行的测试。

按照式(1)，在输入信号发生器中产生升沉位移信号，经记录载荷的运动情况，得到补偿效果模拟曲线，如图6所示。

由图6可以看出，补偿绞车大钩位移检测曲线与模拟曲线基本保持一致，而且差值曲线波动值很小，给定信号与配重位移信号的偏差为85.2%～91.5%，反映出补偿绞车的补偿性能良好，补偿精度较高。

图6 主动补偿系统补偿效果

4 结论

1) 通过模拟补偿绞车反向试验的方法，应用ADAMS对绞车的补偿性能进行仿真分析。

2) 分析得到了主动补偿绞车的跟随特性曲线，主动补偿性能良好，补偿精度较高。

3) 为便于分析，本文在建立ADAMS模型时，简化了天车、游车等对补偿系统的影响，因此有待精确模型，进行进一步分析。

4) 分析得出的数据有待与试验数据进行比较，以进一步改进模型，为提高系统的控制性能，改善系统设计等提供理论依据。

[1] 任克忍，沈大春，王定亚，等.海洋钻井升沉补偿系统技术分析[J].石油机械，2009，37(9)：125-128.

[2] 刘清友，徐涛.深海钻井升沉补偿装置国内现状及发展思路[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2014，36(3)：1-8.

[3] 王定亚，南树歧，张强，等.180 t浮式平台升沉补偿装置开发与试验研究[J].石油机械，2016，44(7)：51-54.

[4] 王维旭，弓英明，赖笑辉，等.海洋钻井绞车补偿系统技术分析[J].石油矿场机械，2010，39(12)：18-20.

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[6] 王德胜，孔德文，赵克利.机械式矿用挖掘机钢丝绳在MSC Adams 中的建模方法[J].计算机辅助工程，2006(15)：364-366.

[7] 黄鲁蒙，张彦廷，张磊，等.主动式海洋钻井升沉补偿绞车设计与仿真研究[J].计算机仿真，2013，30(11)：307-311.

[8] 黄萍，栾苏，雷广进，等.用于钻柱升沉补偿系统的试验装置：中国，CN201420084034.9[P].2014-08-27.

Analysis of Dynamics Characteristic for Active Heave Compensation Drawworks

YAN Xiaoni1，2，LIANG Shunan1，2，WANG Fugui1，2，HUI Xiaoying1，2，HE Jinqian1

(1.Baoji Oilfield Machinery Co.，Ltd.，Baoji 721002，China；2NationalOilandGasDrillingEquipmentResearchCenter，Baoji721002，China)

Active compensation drawworks as one of the key equipment of marine floating drilling platform，not only have regular drawworks lifting down function，also has the function of active compensation，can solve the floating offshore platform heave movement influence on drilling operation，maintain the normal drilling.By compensation drawworks analysis model is established，applying ADAMS software to compensate the drawworks dynamic characteristics analysis，won the drilling drawworks heave compensation.Based on the simulation of the working condition of the waves reverse test parameters，to improve the system design and provides an important basis.

drawworks；heave compensator；floating drill platform；dynamics characteristic

1001-3482(2016)12-0019-03

2016-06-28

工业和信息化部联装〔2014〕504号“浮式钻井补偿系统研制”子项目 “1000hp钻井升沉补偿绞车研制”

严小妮(1980-)，女，陕西凤翔人，工程师，现从事石油钻井装备技术标准化研究工作，E-mail：yxn2990@163.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.005