深水鉆井補(bǔ)償絞車的節(jié)能機(jī)理及解耦控制方案研究

張彥廷, 黃魯蒙, 陳國(guó)明, 任克忍, 殷曉康, 張 偉

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580; 2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西寶雞 721002; 3.石油工程地球物理華北分公司,河南鄭州 457000)

深水鉆井補(bǔ)償絞車的節(jié)能機(jī)理及解耦控制方案研究

張彥廷1, 黃魯蒙1, 陳國(guó)明1, 任克忍2, 殷曉康1, 張 偉3

(1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島 266580; 2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西寶雞 721002; 3.石油工程地球物理華北分公司,河南鄭州 457000)

為解決深水鉆井電動(dòng)補(bǔ)償絞車能耗過高、鋼絲繩磨損嚴(yán)重及運(yùn)動(dòng)耦合的技術(shù)問題,針對(duì)不同鉆井作業(yè)過程,分析電動(dòng)補(bǔ)償絞車的節(jié)能潛力,提出一套基于能量回收的新型液壓驅(qū)動(dòng)方案,可以對(duì)不同鉆井作業(yè)過程中的負(fù)載重力勢(shì)能及絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行回收與再利用;分析電動(dòng)補(bǔ)償絞車的運(yùn)動(dòng)耦合機(jī)理,進(jìn)而提出多套軟硬件解耦控制方案,可以實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)與自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)的解耦控制。設(shè)計(jì)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),研制一套原理樣機(jī)及其試驗(yàn)系統(tǒng),并針對(duì)不同海況與工況進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:新型液壓驅(qū)動(dòng)方案相對(duì)于電驅(qū)動(dòng)方案具有明顯的節(jié)能效果;絞車的大滾筒結(jié)構(gòu)提高了鋼絲繩的使用壽命;基于差動(dòng)行星傳動(dòng)與基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的兩種硬件解耦方案控制效果良好,滿足海洋浮式鉆井的性能要求。

深水鉆井; 絞車; 升沉補(bǔ)償; 送鉆; 能量回收

深水石油鉆井所采用的浮式鉆井裝置在風(fēng)浪等自然因素的作用下將產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng),從而帶動(dòng)鉆井裝備與鉆柱在垂直方向上進(jìn)行升沉運(yùn)動(dòng),影響鉆進(jìn)效率,增加鉆井成本,甚至造成安全事故[1]。浮式鉆井平臺(tái)或鉆井船上必須配備一套升沉補(bǔ)償裝置,用來穩(wěn)定井底鉆壓、減輕鉆機(jī)動(dòng)載荷[2-3]。升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是集機(jī)、電、氣、液、自動(dòng)控制、智能檢測(cè)為一體的復(fù)雜裝備。隨著設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)、控制、節(jié)能及檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步,升沉補(bǔ)償技術(shù)也得到了快速發(fā)展,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋鉆井、海洋采礦、海洋起重、水下安裝等各個(gè)方面,可以有效地提高海洋鉆井和海洋采礦的工作效率,提高海洋結(jié)構(gòu)吊裝、海洋貨物裝卸的平穩(wěn)性和安全性,因此成為海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在過去40年間對(duì)升沉補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的研究[4-9]。美國(guó)National Oilwell Varco公司最早突破了傳統(tǒng)液壓缸式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的概念[10],研發(fā)了電動(dòng)補(bǔ)償絞車[11-12],其后Cameron、AkerSolutions等公司也相繼將補(bǔ)償絞車產(chǎn)業(yè)化。電動(dòng)補(bǔ)償絞車將升沉補(bǔ)償功能集成到鉆井絞車上,節(jié)省了一套專用的液壓補(bǔ)償系統(tǒng),具有補(bǔ)償行程不再受液壓缸行程限制、平臺(tái)載荷與占用空間少、鉆井系統(tǒng)重心低、起下鉆速度快、維護(hù)成本低等特殊優(yōu)勢(shì)[13-14]。在深水鉆井平臺(tái)上,還可以同時(shí)配備兩臺(tái)補(bǔ)償絞車,進(jìn)一步提高了補(bǔ)償能力,增大了海洋鉆井作業(yè)窗口[15]。電動(dòng)補(bǔ)償絞車具有諸多的性能優(yōu)勢(shì),但也存在著電機(jī)功率及能耗過大、鉆井運(yùn)動(dòng)相互耦合、鋼絲繩磨損嚴(yán)重的缺點(diǎn)[16-17]。為了突破能耗和控制效果兩大技術(shù)瓶頸,筆者開展深水鉆井補(bǔ)償絞車的節(jié)能機(jī)理及解耦控制方案研究。

1 補(bǔ)償絞車節(jié)能機(jī)理及耦合機(jī)理分析

1.1 電動(dòng)補(bǔ)償絞車工作原理

絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的原理如圖1所示。PLC (programmable logic controller)控制器根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)的絞車轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)、運(yùn)動(dòng)參考單元檢測(cè)的平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)信號(hào)、井下鉆壓測(cè)量裝置檢測(cè)的井底鉆壓信號(hào),實(shí)時(shí)控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向,從而驅(qū)動(dòng)絞車完成升沉補(bǔ)償、自動(dòng)送鉆、起下鉆等海洋鉆井作業(yè)[14]。

圖1 絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of drawworks compensation system

電動(dòng)補(bǔ)償絞車的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。采用交流變頻矢量控制技術(shù),利用多臺(tái)大功率交流變頻電機(jī)通過齒輪減速器驅(qū)動(dòng)絞車滾筒。

圖2 電動(dòng)補(bǔ)償絞車結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of electrodynamics compensation drawworks

電動(dòng)補(bǔ)償絞車?yán)秒姍C(jī)克服海洋鉆井作業(yè)過程中的所有載荷,工作載荷與運(yùn)動(dòng)行程越大,則電機(jī)的功率及能耗越高。升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償載荷與補(bǔ)償行程較大,往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中還要克服絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性,因此電動(dòng)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的功率及能耗比常規(guī)鉆井絞車大很多,經(jīng)濟(jì)性較差[17]。

電動(dòng)補(bǔ)償絞車在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中,鉆井鋼絲繩上會(huì)產(chǎn)生頻繁的交變應(yīng)力,影響了鋼絲繩的使用壽命?？梢酝ㄟ^增大絞車滾筒和滑輪片直徑來減輕鋼絲繩的磨損,但同時(shí)會(huì)進(jìn)一步增大電機(jī)能耗。

綜上所述,電機(jī)功率及能耗過大的問題嚴(yán)重影響了電動(dòng)補(bǔ)償絞車的綜合性能,為解決該問題,首先對(duì)電動(dòng)補(bǔ)償絞車在不同海洋鉆井作業(yè)過程中的節(jié)能潛力進(jìn)行分析。

1.2 升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)節(jié)能潛力

在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中,電機(jī)用來承擔(dān)鉆柱的靜載荷與動(dòng)載荷,并克服絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性。

(1)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)負(fù)載的電機(jī)功率。假設(shè)鉆柱在空間中的絕對(duì)位置不變,則電機(jī)僅克服鉆柱靜載荷、傳動(dòng)過程中的阻尼與摩擦力。

平臺(tái)下降、提升鉆柱時(shí)的電機(jī)功率Plift_mot為

Plift_mot=Gvs/η1.

(1)

平臺(tái)上升、下放鉆柱時(shí)的電機(jī)功率Plowe_mot為

Plowe_mot=Gvsη1.

(2)

式中,G為鉆柱靜載荷,N;vs為平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)速度,m/s;η1為傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

節(jié)能潛力:平臺(tái)下降時(shí),電機(jī)提升鉆柱,將電能轉(zhuǎn)化為鉆柱負(fù)載的重力勢(shì)能;平臺(tái)上升時(shí),電機(jī)下放鉆柱,電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài),將負(fù)載重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為無(wú)用的熱能;因此,補(bǔ)償絞車可以對(duì)鉆柱下放過程的重力勢(shì)能進(jìn)行回收和存儲(chǔ),并在提升鉆柱時(shí)將其釋放出來。

(2)克服絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性的電機(jī)功率。在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中,電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),克服回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性的電機(jī)功率Piner_mot為

(3)

式中,I為傳動(dòng)系統(tǒng)向電機(jī)軸上的折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;θ為電機(jī)軸角位移,rad;t為時(shí)間,s。

節(jié)能潛力:電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車加速時(shí),將電能轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能;電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車減速時(shí),電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài),將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性動(dòng)能轉(zhuǎn)化為無(wú)用的熱能;因此,補(bǔ)償絞車可以對(duì)減速過程中的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性動(dòng)能進(jìn)行回收和存儲(chǔ),并在絞車加速時(shí)將其釋放出來。

1.3 自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)節(jié)能潛力

在自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)過程中,電機(jī)用來承擔(dān)鉆柱的靜載荷與動(dòng)載荷,并始終處于制動(dòng)狀態(tài)。假設(shè)井底鉆壓保持不變,每鉆進(jìn)一個(gè)立根,電機(jī)制動(dòng)產(chǎn)生的熱能Ebit_mot為

Ebit_mot=GHη1.

(4)

式中,H為當(dāng)前鉆井深度,m。

節(jié)能潛力:補(bǔ)償絞車可以對(duì)鉆柱下放過程中的負(fù)載重力勢(shì)能進(jìn)行回收和存儲(chǔ),并在提升大鉤、頂驅(qū)等鉆機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)時(shí)將其釋放出來。

1.4 起下鉆過程節(jié)能潛力

在下鉆過程中,可以對(duì)鉆柱負(fù)載的重力勢(shì)能進(jìn)行回收,并在提升鉆柱游動(dòng)系統(tǒng)時(shí)將其釋放出來。同理,在起鉆過程中,可以對(duì)游動(dòng)系統(tǒng)的重力勢(shì)能進(jìn)行回收,并在提升鉆柱時(shí)將其釋放出來。起鉆或下鉆一次,理論上可以節(jié)能Etrip_mot為

Etrip_mot=mghη1.

(5)

式中,m為游動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量,kg;h為立根高度,m。

1.5 補(bǔ)償絞車節(jié)能機(jī)理

絞車補(bǔ)償系統(tǒng)是一套典型的大慣性、大負(fù)載、周期性運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),在補(bǔ)償過程中,如果能夠?qū)⑵脚_(tái)被海浪舉升時(shí)釋放的大量能量以及絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行有效回收與再利用,將會(huì)大幅度降低系統(tǒng)的功率及能耗,同時(shí)提高系統(tǒng)的工作能力。此外,在送鉆與起下鉆作業(yè)中,鉆柱的部分重力勢(shì)能也可以進(jìn)行回收與再利用,會(huì)進(jìn)一步降低補(bǔ)償系統(tǒng)的能耗。

能量存儲(chǔ)型式有機(jī)械式儲(chǔ)能、電儲(chǔ)能、液壓儲(chǔ)能;其中液壓儲(chǔ)能方式的能量密度較小,但功率密度最大,循環(huán)效率高,設(shè)備成本低,且不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成化學(xué)污染,適用于頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

針對(duì)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn),提出了一套基于液壓能量回收技術(shù)的驅(qū)動(dòng)方案,通過對(duì)鉆柱負(fù)載的重力勢(shì)能與絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行回收與再利用,有效降低系統(tǒng)能耗,并且可以在不增加系統(tǒng)能耗的前提下,采用大滾筒結(jié)構(gòu),從而減輕了鉆井鋼絲繩的折彎效應(yīng),提高了鋼絲繩的使用壽命。

1.6 補(bǔ)償絞車運(yùn)動(dòng)耦合機(jī)理

在海洋浮式鉆井過程中,鉆機(jī)須同時(shí)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償與送鉆功能。對(duì)于傳統(tǒng)的游車大鉤和天車補(bǔ)償系統(tǒng)來說,通過控制專用補(bǔ)償液壓缸的行程實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng),通過控制常規(guī)鉆井絞車連續(xù)下放鉆柱實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng),因此對(duì)這兩種運(yùn)動(dòng)的控制是自然分開的。

海洋鉆井補(bǔ)償絞車雖然有利于簡(jiǎn)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu),但控制對(duì)象只有絞車,難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng);而且升沉補(bǔ)償過程和鉆進(jìn)過程的工作參數(shù)、控制策略相差比較懸殊,鉆壓檢測(cè)信號(hào)也存在明顯波動(dòng),使絞車升沉補(bǔ)償與自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)存在運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力上的相互耦合干涉。將兩套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起,互不干涉,是海洋鉆井補(bǔ)償絞車的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 補(bǔ)償絞車節(jié)能驅(qū)動(dòng)方案

2.1 基于能量回收的液壓驅(qū)動(dòng)方案

設(shè)計(jì)了一套基于能量回收的補(bǔ)償絞車液壓驅(qū)動(dòng)方案,利用多臺(tái)液壓二次調(diào)節(jié)元件與定量液壓馬達(dá)替換交流變頻電機(jī),共同驅(qū)動(dòng)絞車完成升沉補(bǔ)償、自動(dòng)送鉆、起下鉆等海洋鉆井作業(yè)。

補(bǔ)償絞車的液壓驅(qū)動(dòng)方案原理如圖3所示。包括恒壓變量泵、發(fā)動(dòng)機(jī)、溢流閥、減壓閥、電液伺服閥、控制液壓缸、傾角傳感器、二次調(diào)節(jié)元件、定量液壓馬達(dá)、隔離閥、失電保護(hù)閥、補(bǔ)油閥、雙活塞式蓄能器、高壓氮?dú)馄?、PLC 、絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器、運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU, motion reference unit)、井下鉆壓測(cè)量裝置。雙活塞式蓄能器與高壓氣瓶組成液壓蓄能器,液壓蓄能器與恒壓變量泵組成恒壓網(wǎng)絡(luò)。

圖3 液壓動(dòng)力系統(tǒng)原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic power system

2.2 液壓驅(qū)動(dòng)方案的工作原理

在鉆進(jìn)過程中PLC根據(jù)絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)到的絞車軸角位移信號(hào)、運(yùn)動(dòng)參考單元檢測(cè)到的平臺(tái)升沉信號(hào)、井下鉆壓測(cè)量裝置檢測(cè)到的鉆壓信號(hào)、傾角傳感器檢測(cè)到的液壓二次調(diào)節(jié)元件斜盤角度信號(hào),向電液伺服閥發(fā)出控制信號(hào),通過調(diào)節(jié)控制液壓缸活塞桿的位置來控制液壓二次調(diào)節(jié)元件的斜盤傾角,實(shí)時(shí)改變二次調(diào)節(jié)元件的輸出扭矩,從而驅(qū)動(dòng)絞車實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償、送鉆等作業(yè)過程(圖3)。

在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中,蓄能器通過定量液壓馬達(dá)承擔(dān)鉆柱的部分靜載荷,并利用液氣彈簧特性對(duì)鉆柱重力勢(shì)能進(jìn)行周期性的存儲(chǔ)與釋放(平臺(tái)上升時(shí)存儲(chǔ)能量,平臺(tái)下降時(shí)釋放能量);液壓二次調(diào)節(jié)元件工作于恒壓網(wǎng)絡(luò)中,僅用于克服補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中的其余載荷,通過調(diào)節(jié)其斜盤傾角實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出功率、扭矩及轉(zhuǎn)速等變量的調(diào)節(jié),能夠無(wú)損耗地從恒壓網(wǎng)絡(luò)獲取能量,并利用蓄能器對(duì)絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行周期性存儲(chǔ)與釋放(絞車減速時(shí)存儲(chǔ)能量,絞車加速時(shí)釋放能量)。

在自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)過程中,鉆柱下放的重力勢(shì)能也轉(zhuǎn)化為液壓能存儲(chǔ)在蓄能器中,然后在接立根的過程中釋放出來,用于提升鉆機(jī)的游動(dòng)系統(tǒng)。在起下鉆運(yùn)動(dòng)過程中,液壓二次調(diào)節(jié)元件與定量液壓馬達(dá)共同舉升或下放鉆柱,并利用蓄能器對(duì)鉆柱或鉆機(jī)游動(dòng)系統(tǒng)的部分重力勢(shì)能與制動(dòng)能量進(jìn)行回收與再利用。

圖3中,雙活塞式蓄能器采用一個(gè)可滑動(dòng)的活塞組件將蓄能器分隔為四個(gè)腔室,氣腔與高壓氮?dú)馄肯噙B,液壓高壓腔與液壓低壓腔分別與液壓執(zhí)行元件的高壓腔、低壓腔相連,實(shí)現(xiàn)了容積耦合,從而提高了液壓執(zhí)行元件在泵工況時(shí)的吸油能力,減小了高低壓油腔的壓力波動(dòng),提高了蓄能器的儲(chǔ)能能力[18]。

隔離閥和失電保護(hù)閥安裝于雙活塞式蓄能器與液壓執(zhí)行元件之間。隔離閥具有壓力感應(yīng)功能,當(dāng)發(fā)生鉆柱脫斷、鋼絲繩斷裂或液壓軟管損壞等事故時(shí),隔離閥自動(dòng)關(guān)閉,切斷液壓執(zhí)行元件的高壓油源,實(shí)現(xiàn)失載保護(hù)功能。失電保護(hù)閥在正常工作狀態(tài)下處于接通狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)電力供應(yīng)突然停止時(shí),失電保護(hù)閥在彈簧的作用下復(fù)位,切斷液壓執(zhí)行元件的高壓油源,實(shí)現(xiàn)失電保護(hù)功能。

綜上所述,液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓容積調(diào)速方式,無(wú)溢流損失,并且可以對(duì)鉆柱的重力勢(shì)能及絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行回收與再利用,改善了發(fā)動(dòng)機(jī)—液壓系統(tǒng)—負(fù)載的功率匹配,可以有效降低補(bǔ)償絞車的能耗。

3 補(bǔ)償絞車的解耦控制方案

為了解決鉆井補(bǔ)償絞車運(yùn)動(dòng)耦合的問題,提出了基于恒鉆壓反饋控制、基于差動(dòng)行星傳動(dòng)、基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的軟硬件解耦控制方案。

3.1 基于鉆壓閉環(huán)的軟件解耦方案

升沉補(bǔ)償和自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)的控制策略雖然相差較大,但均以控制井底鉆壓穩(wěn)定為目的,因此可以直接以鉆壓作為反饋信號(hào)建立閉環(huán)系統(tǒng)。

圖4為基于恒鉆壓反饋控制的軟件解耦方案。采用外環(huán)鉆壓閉環(huán)、內(nèi)環(huán)二次調(diào)節(jié)元件斜盤傾角閉環(huán)的雙層控制結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)絞車同時(shí)完成補(bǔ)償與送鉆運(yùn)動(dòng)。鉆壓控制器采用模糊算法[19],斜盤控制器采用PID(proportion-integral-derivative)算法。

圖4 基于恒鉆壓反饋控制的軟件解耦方案Fig.4 Software decoupling scheme based on constant drilling pressure feedback control

3.2 基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的硬件解耦方案

基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的補(bǔ)償絞車如圖5所示。將齒輪減速器替換為差動(dòng)行星齒輪減速器。差動(dòng)行星減速器具有雙動(dòng)力輸入、單輸出的特點(diǎn),外齒圈上布置的多根輸入軸與多臺(tái)定量液壓馬達(dá)、液壓二次調(diào)節(jié)元件相聯(lián)以實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng);太陽(yáng)輪輸入軸與送鉆液壓馬達(dá)相聯(lián)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng);行星架與絞車滾筒軸相聯(lián),驅(qū)動(dòng)絞車同時(shí)完成補(bǔ)償與送鉆運(yùn)動(dòng)。

圖5 基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的補(bǔ)償絞車Fig.5 Compensation drawworks based on differential planetary transmission

為提高運(yùn)動(dòng)控制精度,降低兩套控制系統(tǒng)之間的干擾程度,基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的補(bǔ)償絞車采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),如圖6所示。補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)采用外環(huán)大鉤位移閉環(huán)、內(nèi)環(huán)二次調(diào)節(jié)元件斜盤傾角閉環(huán)的雙層控制結(jié)構(gòu);自動(dòng)送鉆采用外環(huán)鉆壓閉環(huán)、內(nèi)環(huán)送鉆液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的雙層控制結(jié)構(gòu)。鉆壓控制器采用模糊算法,位移、斜盤及轉(zhuǎn)速控制器均采用PID算法。

圖6 基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的補(bǔ)償絞車控制結(jié)構(gòu)Fig.6 Control structure of compensation drawworks based on differential planetary transmission

3.3 基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的硬件解耦方案

基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的硬件解耦方案如圖7所示。

圖7 基于雙絞車的硬件解耦方案Fig.7 Hardware decoupling scheme based on dual drawworks

該方案利用鉆井鋼絲繩死繩、快繩兩個(gè)運(yùn)動(dòng)輸入端,在快繩端布置一臺(tái)補(bǔ)償絞車,完成升沉補(bǔ)償及起下鉆等功能;在死繩端布置一臺(tái)送鉆絞車,完成自動(dòng)送鉆、應(yīng)急起升井架及鉆柱等功能;從而實(shí)現(xiàn)了鉆井過程中升沉補(bǔ)償與自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)的解耦控制。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)深水浮式鉆井平臺(tái)的技術(shù)規(guī)格,以名義鉆井深度12 190 m、最大補(bǔ)償速度1.4 m/s為設(shè)計(jì)指標(biāo),設(shè)計(jì)計(jì)算了絞車補(bǔ)償系統(tǒng)及井下鉆具的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)[20-21]如下:最大補(bǔ)償載荷550 t,送鉆速度30 m/h,井底鉆壓20 t,允許的鉆壓波動(dòng)±10 kN,最大鉆柱質(zhì)量470 t,游動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量80 t,鉆柱的泥漿阻力系數(shù)16 116 N·s/m,主滾筒尺寸Φ2 000×2 082 mm,電機(jī)軸折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量800 kg·m2,絞車傳動(dòng)效率0.97,配備定量液壓馬達(dá)14臺(tái)×425 kW,配備液壓二次調(diào)節(jié)元件6臺(tái)×750 kW,配備恒壓變量泵6臺(tái)×640 kW,液壓執(zhí)行元件效率均為0.95,游動(dòng)系統(tǒng)繩數(shù)14根,鋼絲繩直徑52 mm,單位長(zhǎng)度鋼絲繩剛度1.6×106N/m,單個(gè)滑輪片傳動(dòng)效率0.99。

4.2 系統(tǒng)仿真

海洋鉆井絞車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、鉆機(jī)起升系統(tǒng)[22]。利用AMESim軟件建立了各個(gè)環(huán)節(jié)的模型,并進(jìn)行了仿真研究。

將浮式鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為正弦規(guī)律,并利用系統(tǒng)仿真模型針對(duì)不同升沉波形進(jìn)行測(cè)試。

4.2.1 補(bǔ)償與送鉆過程的解耦控制效果

補(bǔ)償載荷為550 t、平臺(tái)升沉周期為15 s、送鉆速度為30 m/h時(shí),不同升沉行程時(shí)的鉆壓波動(dòng)見圖8。

圖8 不同升沉行程時(shí)的鉆壓波動(dòng)量Fig.8 Variation of drill pressure under different heave displacement

仿真結(jié)果表明:由于鉆壓信號(hào)難以精確測(cè)量,并存在一定滯后,因此基于恒鉆壓反饋控制的軟件解耦方案效果很差,系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定?；诓顒?dòng)行星傳動(dòng)與基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的兩種硬件解耦方案控制效果較好,鉆壓波動(dòng)在±10 kN以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的解耦方案在運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力上實(shí)現(xiàn)了對(duì)補(bǔ)償與送鉆兩種運(yùn)動(dòng)的完全解耦,兩套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)之間互不干擾,控制精度較高。

基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的解耦方案雖然實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償與送鉆運(yùn)動(dòng)的解耦,但兩套控制系統(tǒng)在動(dòng)力上仍然存在一定耦合,即差動(dòng)行星減速器外齒圈上的補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)對(duì)太陽(yáng)輪上的送鉆運(yùn)動(dòng)存在一定干擾,因此控制精度略低于雙絞車解耦方案。

4.2.2 補(bǔ)償與送鉆過程的節(jié)能效果

圖9為補(bǔ)償載荷550 t、平臺(tái)升沉周期15 s、送鉆速度30 m/h時(shí),不同升沉行程時(shí)的補(bǔ)償系統(tǒng)單周期能耗。由圖9可見,液壓驅(qū)動(dòng)方案的能耗僅占純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案能耗的40.8 %～42.2 %。

圖9 不同升沉行程時(shí)的補(bǔ)償系統(tǒng)單周期能耗Fig.9 Single cycle energy consumption of compensation system under different heave displacement

平臺(tái)升沉周期15 s、升沉行程7 m、送鉆速度30 m/h時(shí),不同井深時(shí)的補(bǔ)償系統(tǒng)單周期能耗見圖10。由圖10可見,液壓驅(qū)動(dòng)方案的能耗僅占純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案能耗的39.3 %～42.2 %。

圖10 不同井深時(shí)的補(bǔ)償系統(tǒng)單周期能耗Fig.10 Single cycle energy consumption of compensation system under different well depth

仿真結(jié)果表明,在不同海況與鉆井工況下,補(bǔ)償絞車的新型液壓驅(qū)動(dòng)方案具有明顯的節(jié)能效果。

5 試 驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)系統(tǒng)原理

以載荷2.3t、升沉幅值0.8 m、升沉周期15 s、送鉆速度13.4 m/h為指標(biāo),研制了補(bǔ)償絞車原理樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)[23],如圖11所示。由圖11可見，試驗(yàn)系統(tǒng)包括升沉模擬/送鉆絞車、負(fù)載模擬系統(tǒng)、補(bǔ)償絞車原理樣機(jī),分別實(shí)現(xiàn)造波/送鉆、加載、補(bǔ)償?shù)仍囼?yàn)功能,可以針對(duì)不同海況、不同控制方案、不同驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

圖11 試驗(yàn)系統(tǒng)原理Fig.11 Schematic diagram of test system

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 補(bǔ)償與送鉆過程的解耦控制試驗(yàn)效果

圖12為載荷2.3 t、升沉周期15 s、采用硬件解耦控制方案時(shí),不同升沉幅值時(shí)的大鉤位移幅值。由圖12可見,解耦控制效果良好。

圖12 不同升沉幅值時(shí)的大鉤位移幅值Fig.12 Hook displacement amplitude under different heave amplitude

圖13為升沉幅值800 mm時(shí)的鉆壓波動(dòng)曲線。由圖13可見,在±110 N以內(nèi),基本滿足技術(shù)要求。

圖13 試驗(yàn)系統(tǒng)的鉆壓波動(dòng)量Fig.13 Variation of drill pressure of test system

由此可見,基于復(fù)合控制的軟件解耦方案控制效果很差,難以穩(wěn)定運(yùn)行;基于差動(dòng)行星傳動(dòng)與雙絞車驅(qū)動(dòng)的解耦方案控制效果良好,控制精度基本一致。

5.2.2 補(bǔ)償與送鉆過程的節(jié)能試驗(yàn)效果

圖14為載荷2.3 t、升沉周期15 s、采用硬件解耦控制方案時(shí),不同升沉幅值時(shí)的單周期補(bǔ)償能耗。由圖14可見,隨著幅值提高,液壓驅(qū)動(dòng)方案的能耗僅占純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方案能耗的54.8 %～62.6 %,節(jié)能效果明顯。

圖14 不同升沉幅值時(shí)的單周期能耗Fig.14 Single cycle energy consumption under different heave amplitude

6 結(jié) 論

(1)利用定量液壓馬達(dá)與液壓二次調(diào)節(jié)元件共同驅(qū)動(dòng)絞車,系統(tǒng)傳動(dòng)效率較高,并且可以在不同海洋鉆井作業(yè)過程中對(duì)鉆柱負(fù)載的重力勢(shì)能與絞車回轉(zhuǎn)系統(tǒng)的慣性動(dòng)能進(jìn)行回收與再利用,從而有效地降低系統(tǒng)能耗。

(2)通過改進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與機(jī)械傳動(dòng)方式,提出的基于鉆壓閉環(huán)的軟件解耦方案、基于差動(dòng)行星傳動(dòng)的硬件解耦方案、基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的硬件解耦方案實(shí)現(xiàn)了升沉補(bǔ)償與自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)的解耦控制。

(3)新型液壓驅(qū)動(dòng)方案相對(duì)于電驅(qū)動(dòng)方案的節(jié)能效果明顯;基于差動(dòng)行星傳動(dòng)與雙絞車驅(qū)動(dòng)的硬件解耦方案控制效果良好;其中,基于雙絞車驅(qū)動(dòng)的解耦方案在運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力上實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種鉆井運(yùn)動(dòng)的完全解耦,控制精度更高。

[1] BAKER R J. Improved heave compensation[R]. SPE/IADC 21961, 1991.

[2] WOODACRE J K, BAUER R J, IRANI R A. A review of vertical motion heave compensation systems[J]. Ocean Engineering, 2015,104:140-154.

[3] KORDE U A. Active heave compensation on drilling-ships in irregular waves[J]. Ocean Engineering, 1998,25(7):541-561.

[4] BUTLER B. Heave compensation[R]. SPE 4330-MS, 2012.

[5] EI-HAWARY F. Compensation for source heave by use of a Kalman filter[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1982,7(2):89-96.

[6] KIDERS E. At-sea handling and motion compensation: Proceedings of the OCEANS83[C]. San Francisco: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 1983.

[7] ROBICHAUX L R, HATLESKOG J T. Semi-active heave compensation system for marine vessels: 5209302 A[P]. 1993-05-11.

[8] DO K D, PAN J. Nonlinear control of an active heave compensation system[J]. Ocean Engineering, 2008,35(5):558-571.

[9] KüCHLER S, MAHL T, NEUPERT J, et al. Active control for an offshore crane using prediction of the vessels motion[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2011,16(2):297-309.

[10] 姜浩,劉衍聰,張彥廷,等.浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,35(6):122-126. JIANG Hao, LIU Yancong, ZHANG Yanting, et al. Research on drill string heave compensation system for floating drilling platform[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2011,35(6):122-126.

[11] National Oilwell Varco Limited Company. AHD Drawworks[EB/OL]. [2014-10-17].http://www.nov.com/segments/rig_systems/offshore/hoisting/drawworks/AHD_drawworks/AHD_drawworks.aspx.

[12] PennWell Corporation. Active heave drilling drawworks system goes to work[EB/OL]. [1999-04-01].http://www.offshore-mag.com/articles/print/volume-59/issue-4/news/general-interest/active-heave-drilling-drawworks-system-goes-to-work.html.

[13] KYLLINGSTAD A. Method and apparatus for active heave compensation: 20100057279 A1[P]. 2010-03-04.

[14] 黃魯蒙,張彥廷,劉美英,等.海洋浮式鉆井平臺(tái)絞車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油學(xué)報(bào),2013,34(3):569-573. HUANG Lumeng, ZHANG Yanting, LIU Meiying, et al. Design for a drawworks heave compensation system of floating drilling platform[J]. Acta Petrolei Sinica, 2013,34(3):569-573.

[15] FIVELSTAD O, VERHOEF R, OGG J, et al. Dual active heave drilling drawworks: from concept to operational life[R]. SPE 168019, 2014.

[16] KYLLINGSTAD A. Dual drawworks provide operational redundancy and reduce cut and slip costs[R]. SPE 79826, 2003.

[17] 張彥廷,黃魯蒙,孟德超,等.海洋鉆機(jī)補(bǔ)償絞車能耗計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試[J].石油學(xué)報(bào),2015,36(5):620-625. ZHANG Yanting, HUANG Lumeng, MENG Dechao, et al. Energy consumption calculation and experimental test for heave compensation drawworks of offshore rig[J]. Acta Petrolei Sinica, 2015,36(5):620-625.

[18] DORR W, BALTES H, KLOFT P. Dual piston accumulator: 8,746,287 B2[P]. 2014-06-10.

[19] 郭芙琴,華鵬濤.參數(shù)自適應(yīng)模糊控制的自動(dòng)送鉆技術(shù)研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,34(6):153-160. GUO Fuqin, HUA Pengtao. Research of auto-drilling technology based on parametersself-adjusting fuzzy Control [J]. Journal of Southwest Petroleum University(Science & Technology Edition), 2012,34(6):153-160.

[20] Fujian Huisman Steel Manufacturing Limited Company. Vessel designs: huisman product brochure[EB/OL]. [2013-09-04].http://www.huisman-cn.com/Cms_data/contents/huisman/folders/magazines/～contents/6G72BYS KRZ8PSM7D/brochure-vessel-design-2013-1.pdf.

[21] 柯珂,管志川,王志遠(yuǎn),等.修正設(shè)計(jì)系統(tǒng)的套管層次與下入深度設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,40(2):76-81. KE Ke, GUANG Zhichuan, WANG Zhiyuan, et al. An improved casing design method and its application in deepwater drilling[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science), 2016,40(2):76-81.

[22] HUANG Lumeng, ZHANG Yanting, ZHANG Lei, et al. Semi-active drilling drawworks heave compensation system[J]. Petroleum Exploration and Development,2013,40(5):665-670.

[23] 張彥廷,黃魯蒙,孫選建,等.半主動(dòng)式補(bǔ)償絞車的液壓試驗(yàn)系統(tǒng)[J].液壓與氣動(dòng),2016(4):38-44. ZHANG Yanting, HUANG Lumeng, SUN Xuanjian, et al. Hydraulic experimental system for semi-active heave compensation drawworks[J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics, 2016(4):38-44.

(編輯 沈玉英)

Study on energy-saving mechanism and decoupling control scheme of compensation drawworks for deepwater drilling

ZHANG Yanting1, HUANG Lumeng1, CHEN Guoming1, REN Keren2, YIN Xiaokang1, ZHANG Wei3

(1.CentreforOffshoreEngineeringandSafetyTechnologyinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.StateResearchCenterforPetroleumDrillingEquipmentEngineeringTechnology,Baoji721002,China;3.NorthChinaBranchofSinopecGeophysicalCompany,Zhengzhou457000,China)

In order to solve the technical problems of electrodynamic compensation drawworks for deepwater drilling including high energy consumption, serious wear of wire rope and motion coupling, a new type of hydraulic power system based on energy recovery is putforward according to the analysis on energy-saving potential of electrodynamic compensation drawworks under different processes of offshore drilling operations. The hydraulic power system can recover and reuse the gravitational potential energy and inertial kinetic energy of system in the process of different drilling operations. The software and hardwaredecoupling control schemes which can realize the decoupling control of heave compensation movement and automatic bit feed movement are putforward according to the analysis on motion coupling mechanism of electrodynamic compensation drawworks. Then, the key structural parameters of the drawworks compensation system are calculated, and the principle prototype of compensation drawworks and the test system are developed. Simulation and experimental studies on the compensation drawworks are carried out under different sea conditions and working states. The results show that the new type of hydraulic power system has significant energy saving effect compared with the electrodynamic compensation drawworks. The service life of wire rope is increased by using the drawworks drum with large diameter. Moreover, the control effect of hardware decoupling schemes based on the differential planetary transmission and dual drawworks is good, which can meet the performance requirements of the offshore floating drilling.

deepwater drilling; drawworks; heave compensation; bit feed; energy recovery

2016-11-12

工業(yè)和信息化部海洋工程裝備項(xiàng)目(聯(lián)裝 [2014]504號(hào))；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2016M592269)；青島市博士后項(xiàng)目(2015253)；中國(guó)石油大學(xué)引進(jìn)人才(博士)基金項(xiàng)目(YJ201601048)

張彥廷(1968-)，男，教授，博士,博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榱黧w傳動(dòng)及控制工程。E-mail：ytzhang@upc.edu.cn。

黃魯蒙(1986-)，男，講師，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ筱@井裝備。E-mail：huang@upc.edu.cn。

1673-5005(2017)04-0124-08

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.04.016

TE 851

A

張彥廷,黃魯蒙,陳國(guó)明,等. 深水鉆井補(bǔ)償絞車的節(jié)能機(jī)理及解耦控制方案研究[J]. 中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2017,41(4):124-131.

ZHANG Yanting, HUANG Lumeng, CHEN Guoming, et al. Study on energy-saving mechanism and decoupling control scheme of compensation drawworks for deepwater drilling [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2017,41(4):124-131.