嚴(yán)小妮，梁順安，王福貴，惠曉英，何進(jìn)前

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002)①

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主動(dòng)補(bǔ)償絞車動(dòng)力學(xué)特性仿真

嚴(yán)小妮1，2，梁順安1，2，王福貴1，2，惠曉英1，2，何進(jìn)前1

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002)①

主動(dòng)補(bǔ)償絞車作為海洋浮式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一，不僅具備常規(guī)的提升下放功能，還具有主動(dòng)補(bǔ)償功能，可解決浮式海洋平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆井作業(yè)的影響，保持正常鉆進(jìn)。通過建立補(bǔ)償絞車分析模型，應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性分析，獲得了主動(dòng)補(bǔ)償絞車基于模擬海浪工況的反向試驗(yàn)參數(shù)，為提高補(bǔ)償系統(tǒng)的控制性能、改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供了重要的理論依據(jù)。

絞車；升沉補(bǔ)償器；浮式鉆井平臺(tái)；動(dòng)力學(xué)特性

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為海洋浮式鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備之一，不僅能提高鉆井效率及安全性，而且能夠延長(zhǎng)鉆井設(shè)備的使用壽命[1]。其主要克服了由波浪引起的平臺(tái)設(shè)備升沉運(yùn)動(dòng)而造成的危害。由于浮式鉆井補(bǔ)償技術(shù)具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，長(zhǎng)期被西方少數(shù)幾個(gè)國家所壟斷[2]。目前產(chǎn)業(yè)化的升沉補(bǔ)償裝置以游車式和天車式鉆柱升沉補(bǔ)償為主，基本采取液壓或液氣聯(lián)動(dòng)方式來提供補(bǔ)償動(dòng)力[3]，但這兩種方式都會(huì)帶來整個(gè)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較大，需要占用鉆井平臺(tái)上較大空間?；阢@井絞車的升沉補(bǔ)償技術(shù)是在常規(guī)鉆井系統(tǒng)的中基本不用增添額外大型裝置，即可實(shí)現(xiàn)鉆柱升沉補(bǔ)償?shù)男录夹g(shù)，可有效降低浮式鉆井平臺(tái)的建造和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。因此，開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的補(bǔ)償絞車具有重要意義。本文基于ADAMS軟件，對(duì)國內(nèi)自主開發(fā)的具有升沉補(bǔ)償功能的鉆井絞車進(jìn)行了海波動(dòng)力學(xué)仿真。

1 主動(dòng)補(bǔ)償絞車原理

主動(dòng)補(bǔ)償絞車提升系統(tǒng)如圖1所示。在主動(dòng)升沉補(bǔ)償絞車的控制系統(tǒng)[4]中(如圖2)，絞車傳動(dòng)軸編碼器和用于測(cè)量平臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)加速度傳感器分別將游車位置以及船體的升沉運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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)算可得到游車的實(shí)際位置，同時(shí)載荷傳感器將鉤載信息發(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(hào)，控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，以此最終控制主動(dòng)補(bǔ)償絞車的提升和下放，達(dá)到主動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

1—絞車；2—鋼絲繩；3—天車；4—大鉤；5—井架；6—鉆柱。

圖2 主動(dòng)補(bǔ)償絞車控制原理

2 參數(shù)確認(rèn)

參照勘察船(4000 m)在南海作業(yè)時(shí)的海況信息，一般最大風(fēng)力為7～8級(jí)，波高≤4 m；依據(jù)我國南海風(fēng)與波浪參數(shù)(如表1)可選取波高5.3 m，周期9.7 s的波浪。并根據(jù)波浪與平臺(tái)升沉關(guān)系可知船的升沉轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.5。由此得出船體升沉運(yùn)動(dòng)曲線為周期10 s、振幅1.35 m的正弦曲線，如圖3。其運(yùn)動(dòng)曲線方程為：

(1)

表1 我國南海風(fēng)與波浪關(guān)系

圖3 船體升沉運(yùn)動(dòng)曲線

3 ADAMS動(dòng)力學(xué)模型的建立及仿真

3.1 模型建立

補(bǔ)償絞車鋼絲繩建模如圖4所示，采用離散化建模[5-6]。補(bǔ)償絞車提升系統(tǒng)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖5所示。對(duì)鋼絲繩施加函數(shù)為正弦曲線的驅(qū)動(dòng)力，即輸入信號(hào)發(fā)生器給定的升沉位移信號(hào)，然后測(cè)量大鉤的位移曲線。模型將天車滑輪組簡(jiǎn)化為單滑輪，這樣可使得試驗(yàn)條件更簡(jiǎn)單直觀。

圖4 鋼絲繩模型示意

1—絞車；2—鋼絲繩；3—天車；4—鉤載。

運(yùn)用ADAMS建立主動(dòng)補(bǔ)償絞車提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型時(shí)做了如下假設(shè)：

1) 近似認(rèn)為井架是剛性的。

2) 不考慮提升系統(tǒng)中軸的橫向振動(dòng)，只考慮扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

3) 鋼絲繩與滑輪間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不計(jì)摩擦。

在鉆柱下放過程中，由于鉆柱變?yōu)樵瓌?dòng)件，且滾筒前的傳動(dòng)部分與鉆柱起升時(shí)不同，因此應(yīng)另建立鉆柱下放過程的動(dòng)力學(xué)仿真模型。由于鉆柱下放過程的絞車提升系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型與鉆柱提升時(shí)有許多相似之處，這里不再贅述。

3.2 仿真分析

本文仿真分析的重點(diǎn)是進(jìn)行絞車補(bǔ)償功能的試驗(yàn)仿真，即補(bǔ)償絞車在平臺(tái)波浪海況下的補(bǔ)償性能。但采取將整個(gè)補(bǔ)償絞車施以波浪運(yùn)動(dòng)來檢測(cè)其補(bǔ)償功能的正向試驗(yàn)方法[7]投資大、受制約條件多，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，而反向試驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單[8]。反向試驗(yàn)方法即補(bǔ)償裝置不動(dòng)，輸入信號(hào)發(fā)生器給定升沉位移信號(hào)，控制系統(tǒng)控制交流變頻電機(jī)實(shí)時(shí)跟隨升沉補(bǔ)償信號(hào)運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)與輸入位移信號(hào)的偏差。如果偏差效果好，證明補(bǔ)償效果好。Aker MH公司的補(bǔ)償裝置在進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)，就是按反向試驗(yàn)方法進(jìn)行的測(cè)試。

按照式(1)，在輸入信號(hào)發(fā)生器中產(chǎn)生升沉位移信號(hào)，經(jīng)記錄載荷的運(yùn)動(dòng)情況，得到補(bǔ)償效果模擬曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，補(bǔ)償絞車大鉤位移檢測(cè)曲線與模擬曲線基本保持一致，而且差值曲線波動(dòng)值很小，給定信號(hào)與配重位移信號(hào)的偏差為85.2%～91.5%，反映出補(bǔ)償絞車的補(bǔ)償性能良好，補(bǔ)償精度較高。

圖6 主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償效果

4 結(jié)論

1) 通過模擬補(bǔ)償絞車反向試驗(yàn)的方法，應(yīng)用ADAMS對(duì)絞車的補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真分析。

2) 分析得到了主動(dòng)補(bǔ)償絞車的跟隨特性曲線，主動(dòng)補(bǔ)償性能良好，補(bǔ)償精度較高。

3) 為便于分析，本文在建立ADAMS模型時(shí)，簡(jiǎn)化了天車、游車等對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的影響，因此有待精確模型，進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4) 分析得出的數(shù)據(jù)有待與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以進(jìn)一步改進(jìn)模型，為提高系統(tǒng)的控制性能，改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)。

[1] 任克忍，沈大春，王定亞，等.海洋鉆井升沉補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)分析[J].石油機(jī)械，2009，37(9)：125-128.

[2] 劉清友，徐濤.深海鉆井升沉補(bǔ)償裝置國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，36(3)：1-8.

[3] 王定亞，南樹歧，張強(qiáng)，等.180 t浮式平臺(tái)升沉補(bǔ)償裝置開發(fā)與試驗(yàn)研究[J].石油機(jī)械，2016，44(7)：51-54.

[4] 王維旭，弓英明，賴笑輝，等.海洋鉆井絞車補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2010，39(12)：18-20.

[5] 晉民杰，劉華偉，裴培，等.基于ADAMS宏程序的礦井提升機(jī)鋼絲繩建模研究[J].礦山機(jī)械，2011，39(12)：46-49.

[6] 王德勝，孔德文，趙克利.機(jī)械式礦用挖掘機(jī)鋼絲繩在MSC Adams 中的建模方法[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2006(15)：364-366.

[7] 黃魯蒙，張彥廷，張磊，等.主動(dòng)式海洋鉆井升沉補(bǔ)償絞車設(shè)計(jì)與仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2013，30(11)：307-311.

[8] 黃萍，欒蘇，雷廣進(jìn)，等.用于鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置：中國，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

工業(yè)和信息化部聯(lián)裝〔2014〕504號(hào)“浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)研制”子項(xiàng)目 “1000hp鉆井升沉補(bǔ)償絞車研制”

嚴(yán)小妮(1980-)，女，陜西鳳翔人，工程師，現(xiàn)從事石油鉆井裝備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，E-mail：yxn2990@163.com。

TE951

A

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.005