基于AMESim的钻柱补偿装置仿真及控制方法研究

2019-10-17雷静希欢2田亚铃

液压与气动 2019年10期

雷静希，李欢2，唐维，田亚铃，杨琪，曹舜

(1. 成都工业学院机械工程学院，四川成都 611730；2. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡 721002)

引言

受波浪的影响，海洋浮式钻井作业过程中，井底钻压将发生很大幅的变化，严重时有可能脱离井底。钻柱补偿装置的使用，可大幅降低钻压波动，保障海洋浮式钻井正常作业、提高工作效率，因此，钻柱补偿装置的补偿性能直接影响了海洋油气开发的成本[1]。钻柱补偿装置按照安装位置可分为游车、天车和死绳端3种类型，按照补偿方式可分为被动、主动和主被动联合补偿3种型式。

现阶段，在钻柱补偿装置的相关制造领域主要由国外公司所垄断，如NOV，Aker MH，Cameron等[2]，国内相关企业也在开展相关样机的研制工作[3-4]，但具有主动补偿功能的钻柱补偿装置还未有实船应用案例。在理论研究和提高补偿性能等方面，国内外学者做了大量的工作，张彦廷等[5-8]主要对钻柱补偿理论进行研究，并针对补偿性能提高做了大量的仿真工作；刘清友等[9-11]依托国家重点实验室，完成了新型游车补偿装置的原理样机的研制，在成本和性能上有一定优势。由于钻柱的惯性和船体的升沉运动，钻柱补偿装置属于大惯性时滞系统，加上泥浆的阻力和钻杆的弹性导致补偿性能无法进一步提高，国内学者在波浪和船体运动预测领域的研究表明，适当的波浪升沉预测对于提高补偿性能是可行的[12-13]。

本研究在前人的研究基础上，分析液缸直驱式游车钻柱补偿装置的工作原理、特点，利用AMESim软件进行模型建立，研究其补偿性能影响因子以及控制方法，并在控制算法中结合升沉预测和跟随，分析其对提升补偿性能的可行性，可为后续产品设计、性能优化及实船应用提供依据。

1 钻柱补偿装置仿真模型研究

1.1 钻柱补偿装置建模依据

钻柱补偿装置的工作原理类似“液气弹簧”，其主要由液缸、蓄能器和工作气瓶组三大部件组成。钻柱补偿装置在工作过程中，由下游车带动钻杆，上游车连接船体，由于船体的升沉运动和钻柱的惯性，上、下游车在“液气弹簧”的作用下进行补偿，从而使钻井过程中井底钻压保持一个相对恒定的状态。在研究钻柱补偿装置时，需将装置本体和其连接的钻杆作为一个整体进行研究，并进行系统动态性能和响应分析[5]，需进行跨领域、多软件联合仿真。本研究主要以定性分析为主，因此，在如下方面进行了适当的简化，并提出补偿装置建模依据：

(1) 研究动力学时，钻柱补偿装置液压缸中的液体以及工作气瓶中的气体看成是无重的，只考虑其刚度与阻尼；

(2) 正常钻进时，钻铤处于压缩状态，可将其看成是与地层相连的刚体；

(3) 忽略电气元件、传感器元件的电磁瞬变过程与延时特性；

(4) 忽略液压系统油液的泄漏；

(5) 只考虑井架-钢丝绳-钻柱弹性系统垂直方向的振动；假设钻铤、游车、天车、大钩等部件为刚性体。

1.2 钻柱负载的数学模型

1) 负载动力学方程

钻柱的受力和运动情况非常复杂，补偿装置的结构和受力示意图如图1所示。为便于模型搭建，在研究过程中对其进行一定的简化。将整个钻柱受拉部分简化为一个弹簧-质量-阻尼系统，将钻柱及大钩等固定设备的重量均集中在补偿装置下部架体中，如图2所示。根据瑞利法则，将弹性钻柱的相当质量简化为一集中质量Md。负载动力学方程如下所示：

(1)

式中，Fh为提升装置的提升力，N；Gs为补偿装置的静载荷(包含钻柱)，t；Kd为钻柱的等效刚度，N/m；Xd为下游车的绝对位移，m；Cd为钻柱在泥浆中的黏滞阻力系数，N/m·s-1。

1.上部架体 2.下部架体(包含顶驱、大钩) 3.被动补偿液缸 4.蓄能器 5.低压气瓶 6.主动补偿液缸 7.钻柱图1 钻柱补偿装置构成及受力示意图

图2 钻柱数学模型

2) 钻柱等效刚度

等效刚度计算公式如下：

(2)

式中，L为钻柱长度，取10000 m；E为钻柱材料的弹性模量，取2.06×105MPa；A为钻柱的横截面积，按五寸半钻杆(直径139.7 mm)，取0.004277。

3) 泥浆粘滞阻力系数

由于钻井液的黏性及压力，钻柱相对于钻井液运动时，导致能量耗散。黏性阻力随着钻井液速度、密度的增大而增大；因此当钻井液流速或密度较大时，该阻滞作用不能忽略。泥浆黏滞阻力系数计算公式如下：

(3)

式中，CN为摩擦系数，依据具体钻井液的实验数据决定，水基钻井液的摩阻系数取0.1；C1为附加质量系数，置于流体中的圆柱体取1；ρd为泥浆密度，取1200 kg/m3；D为钻柱直径，取0.1397 m；vd为泥浆流速，取0.3 m/s。

1.3 模型搭建

1) 模型参数

以南海某浮式钻井平台450 t主被动联合型钻柱补偿装置的参数带入模型进行分析，其部分参数如表所示。

表1 450 t钻柱补偿装置部分参数

2) 钻柱补偿装置模型

采用位置反馈PID控制方式，控制的目的是使大钩的位置维持在参考位置附近(大钩参考位置由钻压和钻深决定)，从而使井底的钻压保持恒定。位置反馈PID控制策略如图3所示。

图3 位置反馈控制方法

以正弦信号模拟船体升沉运动，依据模型参数和位置控制策略，建立装置模型如图4所示。

1.4 补偿性能分析

1) 补偿性能要求

对于深海钻井作业，井底钻压波动是补偿装置补偿性能的关键指标，钻压波动过大将导致钻进过程时快时慢，严重时可能引起钻头脱离或猛烈撞击井底，引起塌井、钻头损坏及其他事故，影响钻井作业效率。故要求钻柱补偿装置的补偿性能应越高越好，相应的钻压波动应越小。但是，由于受到补偿型式、钻深、海况、配置等多方面因素制约，钻压波动不可能完全消除。现对补偿型式进行分析，研究主动补偿开启之后补偿性能改善情况。

图4 450 t钻柱补偿装置AMESim模型

2) 补偿型式分析

在钻深10000 m的情况下开启钻柱补偿装置，钻杆重量为380 t，考虑大钩及顶驱质量，钻柱补偿装置的最大静载荷Gs为450 t，相应的Md为126.6 t，Kd为88106.2，CN为19749 N·m·s-1。采用正弦信号模拟船体升沉运动，信号幅值为3.5 m，周期为12 s，钻进所需的钻压要求达到200 kN。经过不同压力批处理运行可以得到系统初始压力为20 MPa、大钩参考位移为5 m，钻压在200 kN附近波动。

通过控制主动补偿开启和关闭来模拟被动补偿和主被动联合补偿两种补偿型式的井底钻压情况，如图5和表2所示，图中F为井底钻压，N。

图5 两种补偿型式钻压波动对比示意图

对比被动补偿和主被动联合补偿的钻压波动数据可知：采取主被动联合的型式可大幅改善补偿性能，在钻压波动要求较小的情况，需开启主动补偿功能。

表2 两种补偿型式钻压波动数据

2 性能影响因子分析

2.1 钻深影响分析

随着钻井深度的加深，钻柱的重量也随之加重。在升沉信号幅值为3.5 m，周期为12 s的海况下，取2000，4000，6000，8000 m 4组钻深，得到不同的模型参数。分别进行批处理得到钻压200 kN时主被动联合补偿的系统压力和大钩参考位置，如表3所示。

表3 钻压200 kN时钻深-系统压力对应表

带入模型进行仿真得到不同钻深下的井底钻压变化如图6和表4所示。

图6 钻井深度对补偿性能的影响

序号钻井深度/m最大钻压/kN最小钻压/kN钻压波动/%12000343.080.46224000322.2125.04436000293.0151.43248000281.7165.826

分析表2和表4数据可以得知：在保障一定的钻井钻压的前提下，钻井深度的增加引起的系统静载、动载、阻尼等参数均发生变化，从而导致主被动联合补偿之后的钻压波动随着钻井深度的增加而减小。

2.2 海况影响分析

在10000 m钻井深度，20 MPa系统压力，分析不同海况下的钻柱补偿性能。取不同升沉信号的幅值和周期模拟4种逐渐恶劣的海况带入模型进行批处理，得到不同海况下的钻压波动情况如图7所示，相应的数据如表5所示。

图7 海况对补偿性能的影响

序号幅值(m)/周期(s)最大钻压/kN最小钻压/kN钻压波动/%10.5/4.5236.0219.0421/6243.9213.1731.5/8248.9207.4942.25/10257.4197.613

不同海况仿真分析结果表明，海况对于钻柱补偿装置的性能影响较大，随着海况的变差，钻压波动将逐渐增大。

2.3 气瓶组容积影响分析

钻柱补偿装置配备的气瓶组主要用于增大蓄能器的气端容积，通常以被动补偿预期压力波动为设计依据。对于主被动联合补偿的钻柱补偿装置来说，研究气瓶组容积对补偿性能的影响，对于优化系统配置有一定的实际意义。

根据1.4节所提供的模型参数，取5组气瓶组容积带入模型进行批处理，得到钻压情况如图8和表6所示。

分析表中数据可得：气瓶组容积对于主被动结合型式的钻柱补偿装置补偿性能的影响较小，在布局空间有限的情况下，可适当减小气瓶组的容积。

图8 气瓶组容积对补偿性能的影响图

序号气瓶组容积/L最大钻压/kN最小钻压/kN钻压波动/%116000279.2168.325219200277.4171.624324000278.2176.622428000278.1181.621532000277.8182.921

2.4 伺服阀前端蓄能器影响分析

由于主动补偿液压系统采用恒压变量泵+伺服阀的组合方式，恒压变量泵存在斜盘摆动时滞，伺服阀存在换向延时，管线油液存在压缩和膨胀，这些因素均将对系统供油能力带来直接影响进而降低补偿效果。理论分析可知在伺服阀前端的压力油口侧增加一套蓄能器可有效缓解液压系统的供油响应时间，改善系统供油条件。取25，50，100，150，200 L，5种规格的蓄能器，其余模型参数参考1.4节，将蓄能器参数带入模型进行批处理，得到的钻压情况如图9和表7所示。

图9 阀前蓄能器容积对补偿性能的影响

分析表7中数据可得：伺服阀前端蓄能器容积井底钻压波动有一定影响，但随着蓄能器容积的增大，对钻压波动的影响变小，对于本次仿真的系统，容积100 L的蓄能器为最优。

表7 阀前蓄能器容积-钻压波动数据

3 控制方法研究

3.1 3种控制方法对比分析

采用主被动联合补偿的型式可大幅度提高钻柱补偿装置的补偿能力，为尽可能提高补偿效果，探讨位置反馈、速度反馈和加速度反馈3种控制方法对提供补偿性能的影响。位置反馈控制方法如图3所示，速度控制方法如图10所示，加速度控制方法如图11所示，模型参数参考1.4节。得到3种补偿方式的井底钻压情况如图12和表8所示。