高精度深水钻井补偿系统集成设计.pdf

年 第 卷第期第 页石 油 矿 场 机 械O I LF I E L DE Q U I PME N T ,():文章编号:()高精度深水钻井补偿系统集成设计李鹏,樊春明,袁亮,白兰昌,李欢,郑万里,(中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司,陕西 宝鸡 ;宝鸡石油机械有限责任公司,陕西 宝鸡 ;中国石油川庆钻探工程有限公司 新疆分公司,新疆 库尔勒 )摘要:深水钻井补偿系统是海洋深水资源开发的关键装备.以最大补偿载荷 k N、补偿精度、适应全球海域全天候作业要求为目标,开展了补偿系统集成设计研究.分析五种补偿类型和三种补偿机理与钻探系统的适应性及对补偿系统综合性能的影响,选择适应钻采船作业要求的补偿型式.通过补偿系统整体配置计算,确定系统主要参数.对比分布式和集中式控制两种方案,最终确定分布式控制形式.通过布置方案和结构优化,以提高作业效率、降低作业成本、提高操作维护性为目标,形成高效作业的深水钻井补偿系统集成设计解决方案.最后通过试验验证了设计方案的合理性.关键词:深水钻井;补偿型式;补偿机理;半主动式补偿系统中图分类号:T E 文献标识码:Ad o i:/j i s s n I n t e g r a t i o nD e s i g no f t h eH i g hP r e c i s i o nC o m p e n s a t i o nS y s t e mf o rD e e p w a t e rD r i l l i n gL IP e n g,F ANC h u n m i n g,YUANL i a n g,B A IL a n c h a n g,L IH u a n,Z HE NG W a n l i,(CNP CN a t i o n a lE n g i n e e r i n gR e s e a r c hC e n t e rf o rO i l&G a sD r i l l i n gE q u i p m e n tC o,L t d,B a o j i ,C h i n a;B a o j iO i l f i e l dM a c h i n e r yC o,L t d,B a o j i ,C h i n a;X i n j i a n gB r a n c hC o m p a n y,CNP CC h a n g q i n gD r i l l i n gE n g i n e e r i n gC o,L t d,K o r l a ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ec o m p e n s a t i o ns y s t e mf o rd e e p w a t e rd r i l l i n g i s ak e ye q u i p m e n t f o r t h ed e v e l o p m e n to fd e e p w a t e r r e s o u r c e s i nt h eo c e a n T h ed e s i g no f t h ec o m p e n s a t i o ns y s t e ma n dc o n t r o l s y s t e mw a sc a r r i e do u t,t h em a x i m u mc o m p e n s a t i o n l o a do f,k Na n dt h ec o m p e n s a t i o np r e c i s i o no f p e r c e n tw e r eu s e df o r t h ea l l w e a t h e ro p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s i nt h eg l o b a l a r e a T h r o u g ht h eo v e r a l l c o n f i g u r a t i o nc a l c u l a t i o n,l a y o u tp l a n,a n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ft h ec o m p e n s a t i o ns y s t e m,t h e i n t e g r a t e dd e s i g ns o l u t i o no f t h ed e e ph o l ed r i l l i n gc o m p e n s a t i o ns y s t e mw a s f o r m e dt o i m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f t h e j o b,r e d u c e dt h ec o s to f t h e j o b,a n d i m p r o v e t h em a i n t e n a n c eo ft h eo p e r a t i o n T h et y p eo fc o m p e n s a t i o ns u i t a b l ef o rt h eo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ed r i l l i n gv e s s e lw a sd e t e r m i n e db ya n a l y z i n gt h ee f f e c t so ft h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ff i v ec o m p e n s a t i o nt y p e s,t h r e ec o m p e n s a t i o nm e c h a n i s m s,a n dt h e i ra d a p t a b i l i t yt ot h ed r i l l i n gs y s t e mT h em a i np a r a m e t e r so f t h ec o m p e n s a t i o ns y s t e mw e r ed e t e r m i n e dt h r o u g ht h eo v e r a l l c o n f i g u r a t i o nc a l c u l a t i o n T h ec o n t r o l s c h e m ew a sd e t e r m i n e db yc o m p a r i n gt h ed i s t r i b u t e dc o n t r o l s c h e m ea n dt h ec e n t r a l i z e dc o n t r o l s c h e m e T h r o u g ht h ea r r a n g e m e n t s c h e m ea n ds t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n,t h e i n t e g r a t e dd e s i g ns o l u t i o no f t h ed e e p w a t e rd r i l l i n gc o m p e n s a t i o ns y s t e mf o r t h e e f f i c i e n t o p e r a t i o nw a sf o r m e dw i t ht h eo b j e c t i v e so f i m p r o v i n go p e r a t i o ne f f i c i e n c y,r e d u c i n go p e r a t i o nc o s t,a n d 收稿日期:基金项目:国家工信部高技术船舶项目“天然气水合物钻采船工程开发”(工信部装函 号);中石油集团科研项目“适应南海天然气水合物的丛式多分支水平井组钻采技术和装置研究及试验”(D J ).作者简介:李鹏(),男,陕西咸阳人,高级工程师,现从事海洋油气钻采装备研发工作,E m a i l:l p c o m.i m p r o v i n go p e r a t i o n m a i n t a i n a b i l i t y T h er e a s o n a b l e n e s so ft h ed e s i g ns o l u t i o n w a sv e r i f i e dt h r o u g ht e s t s K e yw o r d s:e e p w a t e rd r i l l i n g;c o m p e n s a t i o nt y p e;c o m p e n s a t i o nm e c h a n i s m s;s e m i a c t i v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m浮式钻井补偿系统是海洋深水油气资源开发的关键装备,主要用于克服波浪升沉运动对钻采作业的影响.我国深海资源开发起步较晚,国内公司于 年开始浮式钻井补偿系统相关产品研究.近年来,国产浮式钻井补偿系统有了突飞猛进的发展,从研究阶段,进入到样机研制阶段,于 年研制成功国内首套游车补偿系统.目前,浅海平台(船)配套的被动式游车补偿已经实现工程化应用.但上述应用的产品,补偿载荷较小,补偿精度较低,无法满足深水钻井高精度补偿的要求.目前 m水深以上的深海钻探配套的补偿系统,尚未实现工程应用.为适应全球海域全天候作业要求的钻井平台/船配套,满足 m水深,m钻深的深水钻井补偿系统为目标,设计与举升液缸方案相结合,最大载荷 k N、补偿载荷 k N、补偿精度 的补偿装置.本补偿系统配套的钻探系统,除去常规井架、天车、游车等装置,采用举升液缸进行起下钻,井架不承担大钩载荷,只承担摇摆造成的偏载,同时起上下运动导向作用,大幅降低了钻探系统的整体质量和重心.技术分析补偿类型和机理对补偿系统综合性能影响大,与钻机举升方案匹配性亦不同,对钻探设备总体配套、承载、空间占用、总体质量及重心等方面均有影响.其内部配置、布置及结构等因素对系统配套、运行成本、安全性、可靠性、噪音控制、系统热损耗、维护难度等各方面各有优劣.根据深水钻探工况对补偿系统的综合需求,综合评估不同型式和机理的补偿系统优缺点,选择适应钻井平台/船作业要求的补偿型式.补偿型式分析浮式钻井补偿系统具有多种形式,从结构形式和安装位置来看,可分为天车式补偿、游车式补偿、补偿钻井绞车、液缸式补偿和伸缩钻杆等,各有其优缺点.国内外钻井平台/船配套产品主要以A k e rMH、NOV、C a m e r o n为主.游车式钻柱升沉补偿系统成功应用较早,主要以NOV和A k e rMH公司为代表,用于浅水钻井或用于深水勘察船勘探取样.天车式钻柱升沉补偿系统通过在天车顶部加装液缸摆臂机构实现补偿功能,主要以A k e rMH公司为代表,天车补偿系统的补偿载荷一般在 k N以上,主要用于深海大吨位的钻井平台/船.钻井升沉补偿绞车主要以NOV公司为代表,目前市场上有以电机作为主动力的主动式补偿绞车和以液压泵加液压马达二次控制的主动式补偿绞车,但由于消耗功率过大,应用受到一定限制.钢丝绳式举升液缸补偿系统最早由A k e rMH于 世纪 年代开发出第一代R a m r i g系统,通过举升液缸代替海洋钻机提升系统,使得钻台面的有效空间得到增大,并降低了整个钻机系统的质量和重心,尤其适合深水浮式钻井系统.钢丝绳式举升液缸补偿系统通过进一步发展现在可分为集成式(举升&补偿)液缸补偿和死绳端式液缸补偿.其中,集成式(举升&补偿)液缸补偿如图所示,以A k e rMH公司的R a m r i g钻机为代表;死绳端式液缸补偿如图所示,以NOV公司的C y l i n d e rR i g钻机为代表.图集成式液缸补偿第 卷第期李鹏,等:高精度深水钻井补偿系统集成设计 图死绳端式液缸补偿天车式、游车式、绞车式、集成式及死绳端式补偿类型的参数性能对比表所示.从对比结果可看出:对于 k N补偿载荷,游车式补偿无法满足安装空间要求.对于大载荷来说,绞车式补偿能耗要求过大,经济性太差.天车式补偿由于安装于井架顶部,不受空间限制,且为主被动结合式,经济性较好,为目前传统钻机提升系统补偿的配套首选.集成式和死绳端式补偿两种方案,从质量、重心和空间占用上具有明显优势,是目前大吨位补偿系统最佳解决方案.表不同补偿类型性能对比游车式天车式绞车式集成式死绳端式质量(本体)/t 质量(整体)/t (举升)重心高/m 补偿精度/补偿载荷/k N 补偿行程/m 补偿速度/(ms)空间占用高中中低低噪音高高高低低经济性好好差好好控制系统简单简单复杂复杂简单可靠性高高低低高维护保养方便困难方便困难方便 补偿机理分析从补偿原理来看,可分为被动式、主动式和半主动式种补偿形式.图 a为被动升沉补偿系统工作原理图.被动补偿系统工作原理简单,为早期海洋油气钻井作业的升沉补偿装置所采用.其相当于一个大型液压空气弹簧,依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的压缩空气,减小升沉幅度以实现补偿 .当钻井平台上升时,蓄能器内的气体被压缩以补偿上升位移并储存能量;当钻井平台下沉时,蓄能器内的气体膨胀以补偿下沉位移,蓄能器储存的能量被释放,被动缸承担整个钻柱载荷 .图 b为主动升沉补偿系统工作原理图.变量泵泵出液压油经比例伺服阀给主动补偿缸的两端输入液压油,P L C控制系统实时检测液缸活塞位置传感器和MRU信号值,经计算后控制变量泵和比例伺服阀的开度及方向.半主动升沉补偿系统是综合了被动升沉补偿系统和主动升沉补偿系统的特点.图 c为半主动升沉补偿系统原理图.半主动升沉补偿系统即在被动升沉补偿系统的基础上叠加主动升沉补偿系统协同工作实现对大钩的补偿过程.半主动升沉补偿系统中气液蓄能器发挥气液弹簧作用承受大部分载荷,消减大部分大钩升沉位移;双向变量泵向主动缸上腔或下腔供油,推动主动缸活塞运动克服其余诸如机械摩擦、气体压力波动产生的附加载荷,进一步石 油 矿 场 机 械 年 月 提高整个升沉补偿系统的补偿效果.图升沉补偿系统原理图根据对比分析,为满足全球水域大洋钻探及海上油气勘探作业需求,需 k N补偿载荷、补偿精度的要求,实现升沉补偿、调节钻压功能,同时系统能耗低,响应速度快.对于 k N补偿载荷的要求,主动式补偿系统能耗过高,经济性太差;对于 补偿精度、调节钻压功能及响应速度快的要求,被动式补偿性能无法满足要求.因此,选择半主动式补偿方式,无论从经济性和可行性都是最优方案.深水钻井补偿系统集成设计方案 主要参数确定)补偿载荷.被动补偿系统承受最大钻深时大部分补偿载荷,因此,被动补偿载荷设为 k N.主动补偿装置作为辅助补偿配套,主要用于需精确定位的工况,用以克服补偿装置机械摩擦、气瓶组压力波动、补偿装置机械结构惯性力等附加作用力,提高装置补偿精度.)最大补偿行程.根据南海浪高的主要分布规律,钻采平台/船应满足长期作业要求,参考长期在南海的蓝鲸一号和海洋石油 平台补偿器行程,确定钻柱补偿系统补偿行程为 m.)最大补偿速度.南海海域在 m/s风速下,波浪周期T s.平台升沉运动的周期与波浪周期相同,升沉振幅为最大补偿行程的一半 m,实际平台的升沉运动规律为:位移S s i n Tt s i n t速度v c o s t(对位移求一阶导数)补偿缸的运动规律与平台一致,主动缸与补偿缸运动规律相同.由于补偿采取增距式结构,补偿缸速度实际为平台速度的二分之一,因此补偿缸最大补偿速度为 m/s.参考长期在南海的蓝鲸一号和海洋石油 平台补偿器能力,确定钻柱补偿系统最大补偿速度为 m/s.国内外主要同级别补偿产品性能参数进行了对比如表.表国内外主要同级别补偿产品对比项目地球号(日本)N OV(液缸式)MH(R a m r i g)本方案类型天车补偿死绳端补偿集成液缸补偿死绳端补偿形式半主动半主动半主动半主动被动补偿载荷/k N 主动补偿载荷/k N 补偿行程/m 补偿速度/(ms)额定静载荷/k N 气瓶体积/m 第 卷第期李鹏,等:高精度深水钻井补偿系统集成设计 由表可以看出,本文设计的死绳端液缸式补偿系统,基本性能参数达到了国际主流产品同等水平.补偿控制系统方案选择控制系统原理为:运动参考单元(MRU)采集船体升沉运动的参数,并输出给P L C控制系统,P L C控制系统根据MRU提供的运动参数,实时提取船体的升沉位移并与液缸位移传感器输出的液缸位移进行对比,根据船体的升沉运动位移和液缸位移的差值,控制伺服阀的开启度和液压油的流向,给主动缸供油,控制主动补偿液缸的移动速度和方向,使液缸活塞的运动与船体的升沉运动曲线尽可能吻合,从而减小升沉运动对钻头钻压的影响,提升整体系统的补偿效果 .图为控制系统分布式采集控制结构图.分布式站点通过P r o f i b u s D P现场总线与P L C进行通讯.司钻房触摸屏通过E t h e r n e t的方式与P L C实时地进行数据交换和指令传递.P L C采用冗余设计,控制器热备份,降低停机风险.集中采集控制的方案特点是所有的信号经过电缆直接接入控制柜,由于控制点数太多,一个机架不能安装足够数量的模块,需要进行机架扩展.图系统分布式采集控制结构图两种方案的对比如表所示.由于该系统分别布置于平台不同位置,距离较远,采集信号点多,通过对比,电控系统采用分布式采集控制方案.表控制系统方案对比表方案优点缺点集中采集控制全部信号低位安装,便于检查;各信号独立走线,不会交叉影响.需要扩展机架;不利于功能扩展;电缆多,布线复杂;故障检测、维护麻烦.分布采集控制电缆规格少、电缆用量少、布线方便;总线通讯干扰少;故障检测、维护方便;功能扩展容易实现.井架站点的维护不方便;风险集中(总线故障会导致该总线所有信号故障).石 油 矿 场 机 械 年 月 系统方案设计在确定主参数的基础上,结合被动补偿系统和主动补偿系统配置计算及布置方案设计 ,进行目标钻井平台/船高精度深水钻井补偿系统集成方案设计 .高精度深水钻井补偿系统集成设计方案如图所示.图高精度深水钻井补偿系统集成设计方案)采用半主动死绳端式补偿方案,被动补偿系统承担大部分载荷,单独开启补偿精度为 左右;主动补偿系统克服其余诸如机械摩擦、气体压力波动产生的附加载荷,同时开启可达 左右补偿精度.)作业时,浮动架体和固定架体锁销打开,补偿系统可承担 k N的负荷;移运或处理事故时,浮动架体和固定架体锁销锁紧,可以承担最大 k N的负荷.)补偿缸采用并列竖直布置方式,低位安装,质量减小,降低安装和维护难度,节约空间,利于补偿本体装置的布置.)补偿缸活塞杆向上伸出,采用拉缸形式,降低压杆屈曲,提高设备可靠性.)被动补偿采用蓄能器加高压气瓶形成空气弹簧,补偿效果可靠,同时达到节能的效果.主动补偿形式采用并行等速缸调节升沉量和钻压,提高补偿精度.)控制系统采用冗余式P L C分布式站点控制,保证系统控制的可靠、灵活.主动补偿采用泵控和阀控并联方式控制,提高效率和动态响应性能.深水钻井补偿系统试验验证验证试验项目包括:最大补偿载荷试验、额定静载荷试验、补偿功能试验.最大补偿载荷试验、额定静载荷试验分别检验补偿工况和非补偿工况最大承载强度.通过载荷测试应力最大值、残余变形与试验大纲要求数值比较,各组数据应力最大值均小于 MP a,残余变形小于,满足设计验证要求.试验完成后将产品解体,对主要承载件进行无损检测,各承载件强度均符合设计要求.第 卷第期李鹏,等:高精度深水钻井补偿系统集成设计 补偿功能试验的目的是通过海况模拟试验,检验被动补偿的补偿载荷及主动补偿的补偿位移精度.模拟平台升沉运动的正向试验方案较为直观,但运动模拟平台造价高昂,波浪模拟难度高,因此采用反向试验方案,即保证补偿装置不动,给定一个输入的升沉位移信号,控制活塞杆实时跟随升沉信号运动,在预定正弦波激励和额定补偿载荷作用下,检测活塞杆的运动和输入位移信号的偏差,检测补偿精度,进行控制策略评价,验证控制系统设计合理性及安全可靠性.试验结果表明,在外部输入三组不同特性(幅值和周期)人工模拟海浪的激励下,配挂负载 k N时最大位移偏差 mm(国外同类产品为 mm mm),补偿精度为 ,符合设计要求.结论)根据分析对比游车式、天车式、绞车式、集成式和死绳端式补偿方案,针对液缸举升钻机,选择死绳端液缸补偿方案.)对被动式、主动式和半主动式补偿三种补偿形式的工作机理进行分析对比,确定了半主动式补偿机理.)根据全球海域全天候作业要求,确定了钻柱补偿行程、最大运动速度、最大的补偿载荷、最大大钩载荷、补偿精度等主参数.)进行死绳端式液缸补偿的钻柱补偿系统集成设计开发,钻机系统提升和补偿分离式设计.采用分布式采集控制策略,降低制造难度,减少系统干扰,提高控制精度.)通过载荷和海况模拟试验,验证了补偿系统总体设计和控制方案的合理性和可靠性.参考文献:王安义,张志伟,赵鹏,等大洋勘探船钻探系统总体方案设计J造船技术,():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,():郑万里,杨虎,樊春明,等浮式平台钻柱升沉补偿装置性能 及 适 应 性 分 析 J石 油 矿 场 机 械,():方华灿海洋石油钻采装备与结构M北京:石油工业出版社,王志勇,谌志新,徐志强深水勘察装置波浪补偿系统设计J中国工程机械学报,():王健,丁勇大型绞吸船桥架波浪补偿系统应用研究J船舶,():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,():姜浩,刘衍聪,张彦廷,等浮式钻井平台被动升沉补偿装置设计J液压与气动,():姜浩,刘衍聪,张彦廷,等浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统能耗分析J液压与气动,():姜浩,刘衍聪,张彦廷,等浮式钻井平台钻柱升沉补偿系统研究J中国石油大学学报:自然科学版,():牟新明,李鹏,郑万里,等增距式半主动天车型升沉补偿装置的设计研究J机械工程师,():L e l a n dR R o b i c h a u x,J a nT H a t l e s k o g S e m i a c t i v eH e a v eC o m p e n s a t i o nS y s t e mf o rM a r i n eV e s s e l s:U n i t e dS t a t e s,AP 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