鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀及發(fā)展重點(diǎn)

熊云峰，陳章蘭

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引 言

海洋浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺在波浪的作用下，產(chǎn)生的升沉運(yùn)動將帶動鉆井架和鉆柱一起上下往復(fù)運(yùn)動。如果不安裝鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)來平抑這種運(yùn)動，就會造成鉆柱疲勞和井底鉆壓波動，嚴(yán)重影響鉆井安全性和效率，降低鉆頭和鉆桿壽命[1–3]。鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)已成為海洋鉆井安全生產(chǎn)必不可少的配置之一。

目前，浮式鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)基本上被歐美發(fā)達(dá)國家所壟斷，我國尚不具備獨(dú)立設(shè)計(jì)制造這種系統(tǒng)的能力，導(dǎo)致我國在用的這種系統(tǒng)基本上都是從國外引進(jìn)，不僅價(jià)格昂貴，而且在技術(shù)上還受制于人，已成為阻礙我國海上石油開采工業(yè)健康發(fā)展的瓶頸問題[1–3]。因此，對國內(nèi)海洋鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究現(xiàn)狀進(jìn)行認(rèn)真梳理、總結(jié)，進(jìn)而提出合理的研發(fā)重點(diǎn)，對提高我國鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造能力、推進(jìn)海洋鉆井主要裝備國產(chǎn)化具有重要意義。

1 補(bǔ)償型式分類及其比較分析

1.1 補(bǔ)償型式分類

目前，鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的常用分類方式主要有2種，一種是按動力供應(yīng)方式分為主動式（Active Heave Compensation，AHC）、被動式（Passive Heave Compensation，PHC）和半主動式（Semi-active Heave Compensation，SAHC）等 3 類升沉補(bǔ)償裝置[1–3]，另一種是按安裝位置和結(jié)構(gòu)形式分為伸縮鉆桿、天車型、游車型、絞車型及死繩等5類升沉補(bǔ)償裝置[1–3]。

1.2 補(bǔ)償型式的對比分析

1）AHC、PHC和SAHC三類補(bǔ)償型式的原理示意圖分別如圖1～圖3所示，其對比分析如表1所示[1–3]。

2）目前，伸縮鉆桿和死繩升沉補(bǔ)償裝置已極少應(yīng)用。游車型、天車型、絞車型升沉補(bǔ)償裝置的示意圖如圖4～圖5所示，其對比分析如表2所示[1–3]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國對鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究起步較晚，前些年發(fā)表的研究成果較少。近幾年來，國內(nèi)科研人員逐漸重視并開展了鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的科學(xué)研究，取得了不少研究成果。文獻(xiàn)[4–6]已對5年前國內(nèi)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析歸納，故本文僅對近5年來國內(nèi)游車型、天車型和絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀作全面梳理和總結(jié)。

表1 AHC，PHC與SAHC三種補(bǔ)償裝置的對比分析[1 – 3]Tab.1 The comparative analysis of AHC，PHC and SAHC

表2 游車型、天車型和絞車型三種補(bǔ)償裝置的對比分析Tab.2 The comparative analysis of heave compensation device

2.1 游車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究概況

2012年，黃崇軍[2]深入總結(jié)了游車型鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種基于齒輪齒條傳動的雙杠倒置的新型游車型鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)（其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示），并運(yùn)用AMESim軟件完成了該系統(tǒng)動態(tài)仿真分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

2013年，胡小東[7]深入分析了串聯(lián)式和并聯(lián)式的半主動式鉆柱升沉補(bǔ)償器的補(bǔ)償機(jī)理，提出一種以補(bǔ)償系統(tǒng)輸出壓力恒定為控制目標(biāo)的半主動式鉆柱升沉補(bǔ)償器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算思路，設(shè)計(jì)并通過仿真分析驗(yàn)證了以伺服閥組成補(bǔ)償回路的鉆柱升沉補(bǔ)償裝置模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的補(bǔ)償效果更好。姜浩[8]設(shè)計(jì)了一種新型的以變量泵、電液比例方向閥和氣液蓄能器來控制補(bǔ)償缸活塞桿運(yùn)動的半主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓和電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制策略和運(yùn)行規(guī)律分析、仿真與模擬試驗(yàn)研究等，驗(yàn)證了該系統(tǒng)補(bǔ)償效果良好。

2014年，陳武雄[9]運(yùn)用AMESim軟件分別對采用泵控、閥控和閥控-泵控3種控制策略的半主動式游車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，得出了閥控-泵控策略為最優(yōu)的結(jié)論；開展了WinCC-PLC控制系統(tǒng)及其與“工控機(jī)-采集卡”控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對比研究，試驗(yàn)結(jié)果證明“工控機(jī)-采集卡”控制系統(tǒng)的補(bǔ)償效果更好。

2015年，康建偉[10]設(shè)計(jì)了一種新型的基于復(fù)合式液壓補(bǔ)償缸的半主動式游車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，并運(yùn)用AMESim軟件對該系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)仿真分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。姚樹新[11]綜合運(yùn)用負(fù)載敏感閥技術(shù)和壓力補(bǔ)償技術(shù)，提出了一種液壓串聯(lián)式半主動游車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，開展了液壓系統(tǒng)的參數(shù)匹配和補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真分析，證明在補(bǔ)償系統(tǒng)中合理利用負(fù)載敏感閥技術(shù)能夠提高補(bǔ)償效果。

2017年，田德寶等[12]基于PROFIBUS-DP方式，以S7-400PLC和ET200M作為主從站，構(gòu)建了1套半主動式鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的電液控制系統(tǒng)（見圖8），設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制軟件，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有很好的控制效果。鄢華林等[13]構(gòu)建了一種基于PDF（偽微分）算法的主動式波浪補(bǔ)償液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用Matlab/Simulink對模型進(jìn)行仿真分析，證明了將PDF算法引入電液控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)的控制效果明顯提高。

2.2 天車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究概況

2014年李俊等[14]基于氣液彈簧補(bǔ)償原理，設(shè)計(jì)了采用“傾斜雙缸-直立雙缸”結(jié)構(gòu)的天車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)的液壓仿真、參數(shù)計(jì)算、控制策略設(shè)計(jì)、能耗分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，取得了預(yù)期效果。

2015年，李志剛等[1]開展了天車升沉補(bǔ)償裝置總體方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、工作工況分析，通過理論計(jì)算與分析，驗(yàn)證了半主動式天車升沉補(bǔ)償裝置的可行性和可靠性。張萌等[15]研制了一種基于模糊PID控制器的主動式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)臺，運(yùn)用Matlab和LabVIEW軟件搭建了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，通過模擬實(shí)驗(yàn)表明補(bǔ)償裝置能夠補(bǔ)償高低不同頻率的升沉運(yùn)動，補(bǔ)償率都在70%以上。

2016年，余德泉等[16]開展了波浪載荷分析和海洋平臺應(yīng)研究，設(shè)計(jì)出了天車型半主動式波浪補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)功能圖，建立了深水鉆井波浪補(bǔ)償裝置的總技術(shù)指標(biāo)體系。徐濤[17]分析了深海鉆井平臺的升沉運(yùn)動機(jī)理以及升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種新型的采用齒輪齒條機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)和鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的天車升沉補(bǔ)償裝置（見圖9），開展了補(bǔ)償裝置總體方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用AMESim和Matlab軟件對“泵控-閥控”液壓系統(tǒng)和機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。趙斌等[18]提出了一種基于液壓補(bǔ)償油缸的天車型深水鉆機(jī)升沉補(bǔ)償裝置方案，對液壓補(bǔ)償缸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Ansys軟件對活塞桿、缸筒、端蓋等重要部件進(jìn)行了數(shù)值分析。

2.3 絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究概況

2013年，劉美英[19]提出了半主動式液壓絞車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并計(jì)算了補(bǔ)償絞車結(jié)構(gòu)參數(shù)和液壓傳動系統(tǒng)，完成了補(bǔ)償系統(tǒng)的功率配置、液壓馬達(dá)的選型和補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真分析等工作，表明該系統(tǒng)具有較好補(bǔ)償效果。

2014年，李仲蘭[3]提出了一種雙伺服電機(jī)驅(qū)動絞車的主動式恒鉆壓升沉補(bǔ)償方案，完成了補(bǔ)償系統(tǒng)的運(yùn)動分析以及海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、模擬實(shí)驗(yàn)裝置等的設(shè)計(jì)工作，并設(shè)計(jì)了一套基于PLC和PROFIBUS-DP的伺服電機(jī)驅(qū)動絞車的智能控制系統(tǒng)（見圖10），提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和可視性。

2015年，葛友明[20]設(shè)計(jì)了一種釆用直驅(qū)容積控制的液壓變量馬達(dá)驅(qū)動的絞車型升沉補(bǔ)償方案，通過蓄能器和液壓變壓器組成的能量回收機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對能量的回收和復(fù)用，運(yùn)用AMESim與Smulink軟件進(jìn)行了仿真分析。張彥廷等[21]根據(jù)對鉆井補(bǔ)償絞車系統(tǒng)的功率和能耗的計(jì)算結(jié)果，對半主動式補(bǔ)償絞車的電-液驅(qū)動方案與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，據(jù)此建立了一套優(yōu)化后的電液驅(qū)動的半主動式絞車補(bǔ)償系統(tǒng)方案，并通過原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案可行。王龍[22]基于恒張力原理，設(shè)計(jì)了一種依靠伺服電機(jī)提供動力的采用模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的主動式絞車型升沉補(bǔ)償裝置（見圖11），完成了絞車結(jié)構(gòu)、伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)計(jì)算工作、通過對模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的仿真分析，表明該裝置補(bǔ)償效果較好。

2016年，洪永[23]基于液壓變壓器能量回收和DDVC（直驅(qū)容積控制）技術(shù)，提出了集成“移反饋補(bǔ)償-速度預(yù)測補(bǔ)償”為一體的改進(jìn)型控制方案（見圖12），建立了基于速度預(yù)測補(bǔ)償方案和“變轉(zhuǎn)速-變排量”的直驅(qū)泵控控制方案的絞車型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，并運(yùn)用AMESim軟件對補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)特性和補(bǔ)償精度均得到明顯改善。張彥廷等[24]根據(jù)相似原理研制了一套具有造波、加載、升沉補(bǔ)償與自動送鉆等試驗(yàn)功能的補(bǔ)償絞車原理樣機(jī)及其液壓試驗(yàn)系統(tǒng)，基于“工控機(jī)-采集卡”控制模式設(shè)計(jì)了電控系統(tǒng)，通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了補(bǔ)償絞車具有良好的控制效果和節(jié)能效果。

3 發(fā)展重點(diǎn)

雖然我國在鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究方面已經(jīng)取得了不少研究成果，但時(shí)至今日，我國尚不具備獨(dú)立設(shè)計(jì)制造這種系統(tǒng)的能力。因此，為了早日扭轉(zhuǎn)這種不利局面，加快推進(jìn)鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的國產(chǎn)化步伐，應(yīng)組織力量，重點(diǎn)開展以下研究：

1）在真實(shí)環(huán)境和工況下浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺的運(yùn)動規(guī)律

應(yīng)利用現(xiàn)代耐波性理論和建模技術(shù)建立由浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺、隔水管系統(tǒng)、鉆柱系統(tǒng)等組成的多體系統(tǒng)模型，開展在不同水深、風(fēng)浪波浪等級、洋流和使用不同類型鉆井裝備條件下的浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺的運(yùn)動規(guī)律、特別是升沉運(yùn)動特性（如波高、頻率等）的研究，準(zhǔn)確獲得波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)[4]。

2）在復(fù)雜海洋環(huán)境下的鉆頭運(yùn)動的變化規(guī)律

構(gòu)建在深海鉆井工況條件下的鉆井系統(tǒng)（鉆井-鉆柱-巖石系統(tǒng)）的動力學(xué)模型，對處于復(fù)雜海洋環(huán)境下的鉆井系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行研究，總結(jié)出引起鉆柱振動的一般規(guī)律；研究基于浮式鉆井平臺和深海鉆井系統(tǒng)動力學(xué)耦合作用下的升沉補(bǔ)償裝置的工作機(jī)理，找到引起浮式鉆井船/半潛式鉆井平臺波動和鉆柱振動引起井下鉆頭運(yùn)動的變化規(guī)律[4]。

3）鉆井鉆柱及波浪補(bǔ)償器耦合系統(tǒng)的響應(yīng)特性

建立鉆柱及波浪補(bǔ)償器耦合物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出耦合系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。分析在各諧波激勵(lì)作用下的時(shí)域響應(yīng)特性及各頻率諧波激勵(lì)時(shí)耦合鉆柱等剛體后發(fā)生的動力學(xué)特性的偏移作用[4]。以多諧波模擬非規(guī)則波作用下船體升沉激勵(lì)頻率的多值情況，獲得鉆柱及補(bǔ)償器耦合系統(tǒng)響應(yīng)特性，揭示多自由度動力學(xué)系統(tǒng)時(shí)域和頻域2個(gè)維度的補(bǔ)償機(jī)理。

4）鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的控制策略與技術(shù)

開展最優(yōu)控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制算法、魯棒控制等在升沉補(bǔ)償裝置中的應(yīng)用研究，尋找更為科學(xué)的控制策略；開展閥控-泵控液壓、液壓伺服、負(fù)載敏感、PLC控制技術(shù)等其它現(xiàn)代智能控制技術(shù)在升沉補(bǔ)償裝置的應(yīng)用研究，搭建更為高效的智能控制系統(tǒng)，提高補(bǔ)償系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力和補(bǔ)償效果。

5）鉆柱升沉補(bǔ)償裝置的虛擬樣機(jī)及仿真分析技術(shù)

加強(qiáng)升沉補(bǔ)償裝置的虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究，開展AMESim與Smulink等仿真軟件在升沉補(bǔ)償裝置研發(fā)中的應(yīng)用研究，找尋更為有效的虛擬樣機(jī)技術(shù)和仿真分析方法，為升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供可靠的理論依據(jù)和驗(yàn)證手段。

4 結(jié) 語

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是海洋浮式鉆井平臺必不可少的組成部分，是保證海洋鉆井安全高效作業(yè)的關(guān)鍵系統(tǒng)。響應(yīng)更快、精度更高、負(fù)載更大、成本更低是鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[6]。國內(nèi)相關(guān)科研人員應(yīng)緊跟世界科技發(fā)展潮流，充分借鑒已有的科研成果，加強(qiáng)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究，盡快設(shè)計(jì)建造出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，加快科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，切實(shí)提高我國海洋油氣勘探開采裝置的國產(chǎn)化水平。