新型游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析

劉清友，唐 洋，黃崇軍，黎 偉

(1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；3．中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300)

新型游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析

劉清友1，唐 洋2，黃崇軍3，黎 偉2

(1．西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；2．西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500；3．中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院，四川 廣漢 618300)

鉆柱升沉補(bǔ)償裝置是海洋鉆井設(shè)備的重要組成部分，在鉆井作業(yè)中，可補(bǔ)償平臺的升沉運(yùn)動，在保證井底鉆壓穩(wěn)定的同時，保障了鉆井效率以及鉆頭和鉆桿的使用壽命，提高鉆井安全性。目前，我國鉆柱升沉補(bǔ)償裝置需要從國外進(jìn)口，且價格十分昂貴，因此，研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋鉆井平臺升沉補(bǔ)償裝置勢在必行。在國內(nèi)外升沉補(bǔ)償裝置相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并結(jié)合現(xiàn)用游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置在使用過程各種升沉補(bǔ)償方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了新型升沉補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案，優(yōu)選出齒輪齒條式作為升沉補(bǔ)償裝置的新型補(bǔ)償方式。對新型的齒輪齒條式補(bǔ)償裝置進(jìn)行運(yùn)動分析，為新型升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析提供參考。

海洋鉆井設(shè)備； 游車； 大鉤； 升沉補(bǔ)償； 裝置設(shè)計(jì)； 運(yùn)動分析

0 引 言

在海洋鉆井作業(yè)時，浮式鉆井平臺在波浪、海風(fēng)等作用下，會發(fā)生周期性的上下升沉運(yùn)動，這種周期性的升沉運(yùn)動會使鉆柱產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動，導(dǎo)致井底鉆壓發(fā)生變化，問題嚴(yán)重時會使井下鉆頭脫離井底，影響鉆進(jìn)效率，降低鉆頭和鉆桿使用壽命，造成鉆井安全隱患[1-2]。在海洋鉆井作業(yè)中，增設(shè)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是解決這一問題的主要方式。目前，我國鉆柱升沉補(bǔ)償裝置需要從國外進(jìn)口，且價格十分昂貴，因此，研發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋鉆井平臺用升沉補(bǔ)償裝置勢在必行。本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外升沉補(bǔ)償裝置相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)有鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用情況進(jìn)行分析，開展了以游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置為對象的新型升沉補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)。

1 游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置分析

1.1 現(xiàn)有游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置工作原理

圖1 被動式升沉補(bǔ)償裝置工作原理圖Fig.1 Operating principle of passive heave compensation device

目前使用的游車升沉補(bǔ)償裝置基本都是液壓式升沉補(bǔ)償裝置。按照其升沉補(bǔ)償?shù)膭恿μ峁┓绞娇梢苑譃槿N類型：被動式升沉補(bǔ)償(PHC)[3]、主動式升沉補(bǔ)償(AHC)[4]和半主動式升沉補(bǔ)償(SAHC)[5]下面對它們的工作原理進(jìn)行分析。

1.1.1 被動式升沉補(bǔ)償裝置

圖1為被動式升沉補(bǔ)償裝置的原理圖。被動式升沉補(bǔ)償裝置主要由滑輪、補(bǔ)償缸活塞、補(bǔ)償缸缸體、氣液蓄能器、蓄能器活塞、儲氣罐和管線等組成。大鉤載荷通過繞在動滑輪上的鋼絲繩將力作用到補(bǔ)償缸活塞上，活塞下端由液缸內(nèi)的液壓力支撐，補(bǔ)償液缸的工作腔與氣液蓄能器相通，通過調(diào)節(jié)儲氣罐中氣體壓力，即可調(diào)節(jié)蓄能器壓力和補(bǔ)償缸工作腔內(nèi)壓力，從而調(diào)節(jié)井底鉆壓。

1.1.2 主動式升沉補(bǔ)償裝置

圖2為主動式升沉補(bǔ)償裝置的原理圖[6]。主動式升沉補(bǔ)償裝置是一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)，當(dāng)平臺或船體隨波浪上升(或下沉)時，安裝在活塞上的位移傳感器檢測出大鉤位移，再將大鉤位移與給定信號進(jìn)行比較，比較得到的偏差信號輸入控制器，經(jīng)控制器計(jì)算后輸出控制信號控制泵轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，泵將補(bǔ)償缸無桿腔液體排出補(bǔ)償缸或向無桿腔供油，使補(bǔ)償缸的活塞桿下降(或上升)，從而使大鉤和鉆桿回到原來位置，補(bǔ)償大鉤因船體升沉產(chǎn)生的位移。

圖2 主動式升沉補(bǔ)償裝置工作原理圖Fig.2 Operating principle of active heave compensation device

圖3 半主動式升沉補(bǔ)償裝置工作原理圖Fig.3 Operating principle of semi-active heave compensation device

1.1.3 半主動式升沉補(bǔ)償裝置

圖3為半主動式升沉補(bǔ)償裝置的原理圖[2]。半主動式升沉補(bǔ)償裝置在被動式升沉補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，增加了一個由液壓泵驅(qū)動的主動缸，當(dāng)平臺或船體發(fā)生升沉?xí)r，蓄能器部分發(fā)揮被動補(bǔ)償作用；同時，平臺或船體發(fā)生升沉后，活塞上的位移傳感器測得活塞位移，與給定位移信號比較，得到的偏差信號輸入控制器，經(jīng)控制器計(jì)算后輸出控制信號，控制變量泵向主動缸的上油腔或下油腔供油，推動蓄能器活塞上下運(yùn)動，改變補(bǔ)償缸無桿腔液體壓力，從而帶動補(bǔ)償缸活塞桿運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)對大鉤的主動補(bǔ)償。

1.2 游車大鉤升沉補(bǔ)償方式對比分析

游車大鉤的三種升沉補(bǔ)償裝置對比如表1所示[6]。從表1中可以看出，半主動式升沉補(bǔ)償裝置擁有被動式系統(tǒng)和主動式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，綜合性能較好，在海洋鉆井中應(yīng)用最為廣泛。目前使用的半主動式升沉補(bǔ)償裝置均采用液壓系統(tǒng)，與機(jī)械系統(tǒng)相比仍存在以下不足：

(1) 主動部分液壓泵驅(qū)動的調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，驅(qū)動液壓缸直徑和行程都很大，制造精度要求較高，占地面積大，設(shè)備成本較高。

表1 鉆柱補(bǔ)償方式對比

(2) 增加一個驅(qū)動液壓缸，為防止泄漏，對系統(tǒng)的密封要求較高，從液壓泵到驅(qū)動液壓缸之間由于流阻引起了能量損耗。

(3) 泵在加壓時，壓力需要經(jīng)過一段時間才能傳遞到驅(qū)動缸，使活塞上下運(yùn)動，存在一定滯后性。

針對以上問題，本文在半主動式升沉補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，對游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到提高補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能、降低系統(tǒng)能耗的目的。

2 新型升沉補(bǔ)償裝置方案設(shè)計(jì)

綜合現(xiàn)有的鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)[7-9]，根據(jù)功能的需要對現(xiàn)有的全液壓式的升沉補(bǔ)償裝置的主動補(bǔ)償進(jìn)行改進(jìn)，將主動部分改為機(jī)械式方案。為控制活塞桿的直線運(yùn)動，必須選取一種機(jī)構(gòu)推動活塞上下運(yùn)動。根據(jù)機(jī)械原理知識，常用的能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)如表2所示。

根據(jù)實(shí)際工況和各種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)對比可知，齒輪齒條機(jī)構(gòu)更符合設(shè)計(jì)要求，故選用齒輪齒條式機(jī)構(gòu)作為傳動機(jī)構(gòu)。新型升沉補(bǔ)償裝置仍屬于半主動式升沉補(bǔ)償裝置，由被動補(bǔ)償和主動補(bǔ)償兩個部分組成。被動補(bǔ)償部分與半主動式升沉補(bǔ)償裝置相同，采用無桿腔和蓄能器相連；主動補(bǔ)償部分采用電機(jī)和齒輪齒條機(jī)構(gòu)控制活塞桿運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償。圖4所示為兩種齒輪齒條式升沉補(bǔ)償方案。

表2 機(jī)構(gòu)方案選擇

圖4 鉆柱升沉補(bǔ)償裝置方案選擇Fig. 4 Schemes of the drill string heave compensation device

方案一：齒條固定在游車上，齒輪固定在與活塞固連的支撐板上，齒條不動。電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，齒輪和支撐板沿齒條上下運(yùn)動，帶動活塞上下運(yùn)動，進(jìn)行升沉補(bǔ)償。

方案二：齒條連接在下框架上，齒條下端接頂驅(qū)，齒輪和電機(jī)安裝在液缸下端的支架上。電機(jī)帶動齒輪轉(zhuǎn)動時，齒條上下運(yùn)動，進(jìn)行升沉補(bǔ)償。

對比兩種方案：方案一齒條安裝在倍增程端，齒條長度僅為補(bǔ)償距離的一半，結(jié)構(gòu)緊湊；而第二種方案，齒條安裝在下框架處，齒條長度與補(bǔ)償距離相等，尺寸較大，且穩(wěn)定性不好。經(jīng)比較，選擇方案一。

3 新型式升沉補(bǔ)償裝置的工作原理

圖5為齒輪齒條式升沉補(bǔ)償裝置原理圖。該新型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置在正常鉆進(jìn)時的工作原理如下：

圖5 新型齒輪齒條式升沉補(bǔ)償裝置工作原理Fig.5 Operating principle of the new rack-and-pinion heave compensation device

(1) 當(dāng)船體隨波浪上浮時，補(bǔ)償液壓缸、活塞以及連接在活塞上端的齒輪齒條機(jī)構(gòu)隨船上升。船體上升，大鉤載荷增加，作用在補(bǔ)償缸活塞上的力增大，補(bǔ)償液壓缸無桿腔的壓力增大，蓄能器中的氣體被壓縮，氣體壓力繼續(xù)增大；活塞處的位移傳感器將位移信號傳遞到控制器，控制器發(fā)出指令使變頻電機(jī)以一定角速度旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，活塞及活塞桿相對于缸體向下移動，大鉤向下運(yùn)動，從而使大鉤不隨船體上升。

(2) 當(dāng)船體隨波浪下沉?xí)r，補(bǔ)償液壓缸、活塞以及連接在活塞上端的齒輪齒條機(jī)構(gòu)隨船下降。同時，大鉤載荷減小，作用在補(bǔ)償液壓缸活塞桿上的力減小，補(bǔ)償液壓缸無桿腔壓力減小，蓄能器氣體膨脹，氣體壓力繼續(xù)減??；活塞處的位移傳感器將位移信號傳遞到控制器，控制器發(fā)出指令使變頻電機(jī)以一定角速度旋轉(zhuǎn)，帶動齒輪反向旋轉(zhuǎn)，齒條直線上升，活塞及活塞桿相對于缸體向上移動，大鉤向上運(yùn)動，從而使大鉤不隨船體下降。

新型鉆柱升沉補(bǔ)償裝置采用雙缸倒置系統(tǒng)位移補(bǔ)償。位移型升沉補(bǔ)償方案以負(fù)載的升沉位移作為主要控制信號，其首要目標(biāo)是使補(bǔ)償對象的升沉位移為零位。在補(bǔ)償過程中，當(dāng)負(fù)載受到一個較大的升沉位移擾動而偏離平衡位置時，通過補(bǔ)償裝置負(fù)載以盡可能快的速度回到平衡位置?，F(xiàn)有的幾種升沉補(bǔ)償裝置均是通過控制補(bǔ)償液壓缸來實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償，但新型的鉆柱升沉補(bǔ)償裝置采用變頻電機(jī)帶動齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對活塞桿的控制。這種方案保留了無桿腔的被動補(bǔ)償方式，同時采用變頻電機(jī)直接驅(qū)動齒條運(yùn)動實(shí)現(xiàn)主動補(bǔ)償，與純液壓的半主動式系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的反應(yīng)時間更短，省去很多管路連接，減小泄漏危險。

4 新型升沉補(bǔ)償裝置運(yùn)動分析

當(dāng)新型升沉補(bǔ)償裝置對大鉤位移進(jìn)行補(bǔ)償時，補(bǔ)償缸的缸體和活塞桿之間會發(fā)生相對運(yùn)動，齒輪和齒條之間也存在相對運(yùn)動?，F(xiàn)對新型升沉補(bǔ)償裝置的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行分析[10]。

圖6為新型升沉補(bǔ)償裝置總體布置示意圖。新型升沉補(bǔ)償裝置通過上框架與游車固定在一起，游車在鋼絲繩作用下上下運(yùn)動時，整個齒輪齒條式升沉補(bǔ)償裝置也隨之上下運(yùn)動；下框架由繞過活塞桿動滑輪的鏈條或鋼絲繩懸吊在上框架的下端，下框架下端接大鉤和鉆柱。蓄能器及儲氣罐等設(shè)備安放在甲板上。

圖6 新型升沉補(bǔ)償裝置總體布置示意圖Fig.6 Overall schematic layout of the new heave compensation device

在對升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行運(yùn)動分析時，涉及到的研究對象作如下簡化[11-12]：

(1) 井架、天車、鋼絲繩、游車上框架、補(bǔ)償缸缸體以及安裝在游車上框架上的齒條等都可以看作是與船體固連的剛性部件，運(yùn)動規(guī)律和船體升沉規(guī)律相同，將其簡化為質(zhì)量為M1的船體。

(2) 游車下框架、大鉤和鉆柱構(gòu)成的整體，將其簡化為質(zhì)量為M2的大鉤。

(3) 活塞桿、活塞桿上端動滑輪、齒輪支撐板及齒輪等組成的整體，將其簡化為質(zhì)量為Mh的活塞。

在進(jìn)行運(yùn)動分析時，參考系固連于地球，船體、大鉤和活塞的絕對位移分別為x1、x2和xh，規(guī)定當(dāng)船體處于無風(fēng)浪狀態(tài)時的平衡位置為位移零點(diǎn)，向上運(yùn)動為正，向下運(yùn)動為負(fù)。

船體升沉位移x1與海況和船體的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，通?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)方法得到船體的升沉位移x1與波高H的關(guān)系。假設(shè)海浪的波高為H，海浪的周期為T，升沉位移與波高的比值為μ，則平臺或船體的升沉運(yùn)動規(guī)律為

(1)

活塞的位移xh與升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能有關(guān)，位移方向與船體升沉位移x1相同，具有相同的周期，但活塞的運(yùn)動滯后于船體的升沉。由于大鉤仍然存在一定位移，所以活塞位移總是小于船體升沉位移。

大鉤位移x2是鉆柱經(jīng)過升沉補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后得到的響應(yīng)，其大小反映了補(bǔ)償效果的好壞。大鉤位移x2的值越小，系統(tǒng)的補(bǔ)償效果越好。通常經(jīng)過升沉補(bǔ)償裝置補(bǔ)償后，大鉤位移的幅值都會大幅度減小，這個位移作用在鉆柱的上端，成為驅(qū)動整個鉆柱運(yùn)動的激振源，從而引起井底鉆壓的變化。

船體升沉位移、大鉤位移和活塞位移三者之間的相對關(guān)系如圖7所示。

圖7 船體升沉、活塞和大鉤位移相對關(guān)系Fig.7 Displacement relationship among hull heave, pistons and hook

當(dāng)船體上升位移為x1時，活塞和大鉤位移也為x1，但由于升沉補(bǔ)償裝置的作用，使得活塞相對補(bǔ)償缸缸體向下運(yùn)動xb，因此活塞的相對補(bǔ)償缸體位移為

xb=x1-xh.

(2)

活塞桿倒置實(shí)現(xiàn)了倍增程，大鉤相對補(bǔ)償缸缸體向下運(yùn)動2xb，則大鉤位移為

x2=x1-2xb=x1-2(x1-xh)=2xh-x1.

(3)

同理，當(dāng)船體下降時，存在相同的運(yùn)動關(guān)系。

對式(3)中的船體升沉位移、活塞位移和大鉤位移分別求一階導(dǎo)和二階導(dǎo)，則對應(yīng)的速度和加速度關(guān)系為

(4)

(5)

由于齒條與游車上框架固連，因此齒條與船體升沉的運(yùn)動規(guī)律完全相同。齒輪的動力是典型的平面運(yùn)動，既存在與活塞運(yùn)動規(guī)律相同的直線運(yùn)動，又存在與齒條嚙合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動。假設(shè)齒輪半徑為r，與齒條間的傳動比為i，齒條長度為L，齒輪的平移運(yùn)動的位移、速度和加速度與活塞的完全相同，轉(zhuǎn)動規(guī)律則需要由齒條的運(yùn)動轉(zhuǎn)化得到。齒輪的角位移、角速度和角加速度計(jì)算公式分別為

(6)

(7)

(8)

同時，當(dāng)船體發(fā)生升沉位移時，系統(tǒng)的輸入為船體的升沉位移。檢測系統(tǒng)檢測到船體發(fā)生升沉后，將信號傳給控制器，控制器通過計(jì)算將控制信號輸出，控制變頻電機(jī)工作，使齒輪以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動活塞以一定速度運(yùn)動。根據(jù)活塞與大鉤間的關(guān)系可得到大鉤位移變化規(guī)律。

5 結(jié) 論

對被動式、主動式和半主動式游車大鉤升沉補(bǔ)償裝置的工作原理和特點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)半主動式升沉補(bǔ)償裝置綜合了被動式和主動式升沉補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)，補(bǔ)償精度高，消耗能量低，同時在海洋鉆井中應(yīng)用最為廣泛。針對目前液壓式升沉補(bǔ)償裝置存在的問題，結(jié)合已有的升沉補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)方案，提出一種新型的齒輪齒條式升沉補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上開展齒輪齒條式升沉補(bǔ)償裝置工作機(jī)理的研究，完成了新型升沉補(bǔ)償裝置鉆井工作時的運(yùn)動學(xué)分析，確定了船體升沉、大鉤和活塞三者之間的運(yùn)動關(guān)系，為齒輪齒條機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型提供了數(shù)據(jù)支撐，為新型升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析奠定了基礎(chǔ)。

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NewHeaveCompensationSystemDesignofSwimCarHook
andMotionAnalysis

LIU Qing-you1， TANG Yang2， HUANG Chong-jun3， LI Wei2

(1.StateKeyLaboratoryofOilandGasGeologyandExploration,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China；2.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China；3.Drilling&ProductionEngineeringResearchInstituteofChuanqingDrillingEngineeringCo.,Ltd.,CNPC,Guanghan,Sichuan618300,China)

The drill string heave compensation system is an important part of offshore drilling equipment. During the operation, it can compensate heave motion of the platform, ensure a stable bottom hole pressure while drilling, keep drilling efficiency, protect the life of the drill bit and drill pipe, and improve drilling safety. At present, the drill string heave compensator device needs to be imported, and the price is very expensive, so the development of heave compensation system for offshore drilling platforms with our own intellectual property is imperative. On the basis of heave compensation device-related information and analyses on the structure, working principle and application of the existing drill string heave compensation system, considering the advantages and disadvantages of different heave compensation methods in practical operations, the new design scheme is proposed for heave compensation device. The rack-and-pinion scheme is selected for the new heave compensation device after comparison. Motion analysis on the rack-and-pinion device provides a reference for the structural design and simulation analysis of new heave compensation systems.

offshore drilling equipment; swim car; hook; heave compensation; equipment design; motion analysis

P742；TE92

A

2095-7297(2014)01-0070-06

2014-02-25

國家自然科學(xué)基金(51274171)

劉清友(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事油氣裝備設(shè)計(jì)與仿真研究。