王維旭,弓英明,賴笑輝,于興軍,黃治湖

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西寶雞721002) *

海洋鉆井絞車補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)分析

王維旭,弓英明,賴笑輝,于興軍,黃治湖

(寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西寶雞721002)*

介紹了海洋鉆井絞車補(bǔ)償系統(tǒng)特點(diǎn)、補(bǔ)償原理、動(dòng)力配備、電機(jī)選型等。該絞車除具備常規(guī)的提升下放功能外,還具有主動(dòng)補(bǔ)償功能,可解決浮式海洋平臺升沉對鉆井作業(yè)的影響;該方案可替代其他類型的專用升沉補(bǔ)償裝置,具有傳動(dòng)簡單、鉆井效率高等優(yōu)點(diǎn),可減輕整個(gè)平臺的質(zhì)量,減少占用空間,減小投資成本。海洋鉆井補(bǔ)償絞車集絞車和補(bǔ)償裝置功能于一身,可廣泛應(yīng)用于浮式鉆井平臺。

鉆井絞車;升沉補(bǔ)償;技術(shù)分析

我國南海和東海的廣闊海域有著豐富的油氣資源,初步估計(jì)南海的地質(zhì)石油儲量可達(dá)(200～300)×108t[1]。但是南海的平均水深達(dá)1 200 m,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我國200 m水深以內(nèi)自主開發(fā)的極限,深水浮式鉆井平臺的設(shè)計(jì)開發(fā)勢在必行。鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為浮式平臺鉆井系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng),其主要作用是阻隔船體在波浪作用下運(yùn)動(dòng)對鉆柱的影響,減小鉆柱和防噴器之間的磨損。在鉆井的過程中,它可以把井底的鉆頭定位在司鉆設(shè)定的一個(gè)高度范圍內(nèi),在其他操作中,能根據(jù)海洋平臺運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償鉆柱的運(yùn)動(dòng)使之保持在一定的位置[2]。常規(guī)鉆柱升沉補(bǔ)償裝置一般采用液壓裝置[3-4],根據(jù)補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)和安裝位置分類,補(bǔ)償系統(tǒng)主要有游車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、天車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)、死繩(快繩)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)等幾種形式,但是無論哪種形式的補(bǔ)償系統(tǒng),均具有龐大的體積和質(zhì)量,對“寸土寸金”的浮式平臺來說是非常不利的。而具有補(bǔ)償功能的絞車相對于上述幾種補(bǔ)償系統(tǒng)有著無法比擬的體積和質(zhì)量的優(yōu)勢,將在浮式鉆井平臺有很好的應(yīng)用前景。本文針對海洋鉆井絞車補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析。

1 鉆井絞車補(bǔ)償系統(tǒng)

絞車補(bǔ)償系統(tǒng)相對于其他形式主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)有許多不同之處,最主要的特點(diǎn)就是將絞車和鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)集成為一體。采用絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

a) 快速響應(yīng)。

b) 補(bǔ)償范圍不受液缸長度的限制。

c) 減少由于技術(shù)問題的停機(jī)時(shí)間。

d) 減少了維護(hù)等工作,提高了鉆井效率。

海洋波浪可用周期、幅度、波長3個(gè)參數(shù)描述。波浪對浮式鉆井平臺影響主要通過升沉、傾斜、晃動(dòng)3種方式。升沉是豎直方向的,傾斜和搖晃是水平方向的運(yùn)動(dòng),這3種方式的運(yùn)動(dòng)均對浮式平臺的安全性造成影響,本系統(tǒng)主要解決豎直方向升沉運(yùn)動(dòng)的影響問題,其他2種由動(dòng)力定位和錨鏈、減搖系統(tǒng)解決,本文不再贅述。

2 絞車補(bǔ)償?shù)脑?/h2>

在絞車補(bǔ)償控制系統(tǒng)中,絞車傳動(dòng)軸編碼器及升沉加速度傳感器分別將游車相對位置以及船體的升沉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到可編程控制器(或工業(yè)計(jì)算機(jī)),控制器通過計(jì)算得到海底鉆頭相對井底由于平臺升沉形成的絕對位置偏差,同時(shí)載荷傳感器將鉤載信息也發(fā)送給控制器,上述數(shù)據(jù)經(jīng)過控制器處理后輸出控制信號控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向,最終控制主動(dòng)補(bǔ)償絞車的提升和下放,達(dá)到主動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)淖饔?本系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 主動(dòng)補(bǔ)償絞車控制原理

游車位置/速度是靠傳動(dòng)軸編碼器脈沖的累加來確定,升沉運(yùn)動(dòng)加速度傳感器可安裝在司鉆室內(nèi)(也可安裝在平臺),用于測量船體在風(fēng)浪中的豎直運(yùn)動(dòng)信息。此外,本控制系統(tǒng)還可集成電子防碰系統(tǒng),即:通過監(jiān)測游車位置及運(yùn)動(dòng)速度,并根據(jù)系統(tǒng)的剎車系統(tǒng)力學(xué)模型(與剎車能力、鉤載、游車位置和速度等有關(guān))計(jì)算得到游車的理論剎車距離,通過該理論剎車距離與游車在本位置上可獲得的實(shí)際剎車距離進(jìn)行比較,如果司鉆輸入的絞車速度使理論剎車距離超過了可獲得剎車距離,本控制系統(tǒng)會停止執(zhí)行該命令,以避免游車與井架和鉆臺的碰撞,提高作業(yè)安全性;另外,控制系統(tǒng)可確保在下放鉆桿時(shí),避免鋼絲繩的松弛,防止損壞鉆桿及鉆具。

主動(dòng)補(bǔ)償絞車控制系統(tǒng)應(yīng)采用閉環(huán)的PID控制技術(shù),圖2為控制系統(tǒng)流程。PID控制中,P(比例)控制的反應(yīng)快,穩(wěn)定性好,是定值控制系統(tǒng)中最基本的控制作用;I(積分)控制幫助消除系統(tǒng)的余差;D(微分)對動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行及早補(bǔ)償。本系統(tǒng)設(shè)置了轉(zhuǎn)速和電流2個(gè)調(diào)節(jié)器,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再利用電流調(diào)節(jié)器的輸出控制變頻器裝置,最終控制了絞車的轉(zhuǎn)速,其中電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為外環(huán),進(jìn)而獲得較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。

在對會計(jì)隊(duì)伍進(jìn)行職業(yè)教育培訓(xùn)過程中，培訓(xùn)單位既承擔(dān)了培訓(xùn)工作，又承擔(dān)了考核工作。個(gè)別培訓(xùn)單位為了在較短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)培訓(xùn)計(jì)劃，提高經(jīng)濟(jì)效益，重視報(bào)名數(shù)量，不重視參加數(shù)量，個(gè)別會計(jì)人員只報(bào)名不參加培訓(xùn)，同樣可以通過考試，難以切實(shí)發(fā)揮繼續(xù)教育培訓(xùn)應(yīng)有的職能作用。此外，在進(jìn)行會計(jì)人員繼續(xù)教育培訓(xùn)過程中，教師一般采用灌輸式教學(xué)模式，這種教學(xué)模式雖然簡單直觀，但因?yàn)閷W(xué)員的思想禁錮在課堂，不能加強(qiáng)和教師的有效溝通，學(xué)員在學(xué)習(xí)過程中缺乏興趣。

圖2 控制系統(tǒng)流程

3 絞車功率的計(jì)算

主動(dòng)補(bǔ)償絞車就是在常規(guī)海洋鉆井絞車的提升功能上增設(shè)一套運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能,但并不是簡單的機(jī)械疊加,尤其是對絞車輸入功率和相應(yīng)各工況下的疲勞等均產(chǎn)生了很大變化,計(jì)算如下。

a) 由于波浪產(chǎn)生的鉆柱升沉加速度[5]。

升沉位移為

升沉速度為

升沉加速度為

式中,xmax為浮式鉆井平臺的最大升沉位移;T為浮式鉆井平臺的升沉周期。

b) 升沉作用下,提升最大鉆柱質(zhì)量、鉤速為零(相對于井底)時(shí)絞車的輸入扭矩。

絞車輸入扭矩為

式中,Z為鉆井游動(dòng)系統(tǒng)繩系;DP為絞車滾筒平均纏繩直徑;QG為最大鉆柱質(zhì)量;GY為游吊系統(tǒng)質(zhì)量。

c) 升沉作用下,提升最大鉆柱質(zhì)量、鉤速為零(相對于井底)時(shí),絞車為消耗升沉速度需要的輸入轉(zhuǎn)速。

絞車的輸入轉(zhuǎn)速為

式中,i為絞車減速箱減速比。

d) 絞車的輸入功率[6]為

通過上述計(jì)算可知,在相同井深的工況下,具有補(bǔ)償功能的海洋鉆井絞車,其輸入功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒有補(bǔ)償功能普通鉆井絞車,也無法采用 SY/ T5532—1999《石油鉆機(jī)用絞車》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)償絞車的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為海洋浮式平臺的關(guān)鍵設(shè)備之一,在國內(nèi)研制才剛剛起步,具有補(bǔ)償功能的海洋鉆井絞車的研制勢在必行。本文根據(jù)鉆井絞車和補(bǔ)償系統(tǒng)的工作原理,提出了一種新型的絞車,并且該絞車已通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證,方案可行。該方案的運(yùn)用可大大減輕浮式平臺的質(zhì)量,減少設(shè)備占用的空間。

[1] 廖謨圣.海洋石油開發(fā)[M].北京:中國石化出版社,2006.

[2] 方華燦.海洋鉆井繩索作業(yè)時(shí)升沉補(bǔ)償問題的研究[J].華東石油學(xué)院學(xué)報(bào),1980(3):20-32.

[3] 白 鹿,張彥廷,張作龍,等.鉆柱液壓升沉補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及比較分析[J].石油礦場機(jī)械,2009,38(3): 10-13.

[4] 張彥廷,劉振東,姜 浩,等.浮式鉆井平臺升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主動(dòng)力研究[J].石油礦場機(jī)械,2010,39(4):1-4.

[5] 方華燦.海洋鉆井船升沉補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)[J].石油礦場機(jī)械,1976,5(5):25-38.

[6] 陳如恒,沈家駿.鉆井機(jī)械的設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京:石油工業(yè)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

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“深水半潛式鉆井船設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目(2006AA09A104)

王維旭(1978-),男,青海樂都人,工程師,碩士,主要從事石油機(jī)械研究與開發(fā)工作。