海洋鉆井鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)分析

秦如雷， 許本沖， 王嘉瑞

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

受波浪起伏影響，浮式鉆井平臺(tái)在工作中，有橫搖、縱搖、升沉三個(gè)方向的震蕩運(yùn)動(dòng)。其中與鉆井關(guān)系最為密切的，是平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的上下升沉?xí)?dòng)鉆頭做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，這就會(huì)使鉆頭與孔底不能保持穩(wěn)定的接觸，施加在鉆頭上的鉆壓不穩(wěn)定、不可控，鉆井質(zhì)量無法滿足技術(shù)要求。升沉幅度過大還會(huì)導(dǎo)致鉆頭及下部鉆具組合由于超壓而降低壽命。

歐美等技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已有少數(shù)公司能夠生產(chǎn)解決上述問題的核心裝備——鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)。而我國(guó)由于工業(yè)，尤其在海工準(zhǔn)備領(lǐng)域基礎(chǔ)條件薄弱，目前在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。通過對(duì)常用的鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用分析，為工程技術(shù)人員選用或開發(fā)相關(guān)設(shè)備提供技術(shù)基礎(chǔ)。

國(guó)外鉆井公司曾開發(fā)過伸縮鉆桿來補(bǔ)償鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)的行程，但是伸縮鉆桿密封與強(qiáng)度問題都使其使用效果差強(qiáng)人意。隨著海洋鉆井技術(shù)與裝備的進(jìn)步，升沉補(bǔ)償系統(tǒng)取代了伸縮鉆桿，其結(jié)構(gòu)形式有天車式、游車式等多種形式，均是基于被動(dòng)式和主動(dòng)式2種基本原理開發(fā)。被動(dòng)鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地解決了浮式鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)引起的鉆井問題。但是被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)屬于后發(fā)系統(tǒng)，補(bǔ)償響應(yīng)在波浪之后，補(bǔ)償精度受鉤載影響大，淺水或淺井使用時(shí)補(bǔ)償精度不高。20世紀(jì)90年代，鉆井裝備廠商研制出了主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，這是一種基于電腦控制、液壓響應(yīng)的閉環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，彌補(bǔ)了被動(dòng)補(bǔ)償?shù)牟蛔?，補(bǔ)償精度大大提高。

1 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為天車式、游車式、死繩式、絞車式和主缸式，其結(jié)構(gòu)如圖1～5所示。每種補(bǔ)償系統(tǒng)的概況與特點(diǎn)見表1。

圖1天車補(bǔ)償
Fig.2Travelingblockcompensation
圖2游車補(bǔ)償
Fig.1Crowncompensation

圖3 死繩補(bǔ)償Fig.3 Dead rope compensation圖4 主缸補(bǔ)償Fig.4 Master cylinder compensation

圖5 絞車補(bǔ)償Fig.5 Winch compensation

2 被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)

被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)是一套用來使浮式鉆井平臺(tái)可以保持基本恒定鉆壓的設(shè)備。它可以看做是一個(gè)用來減少平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)施加在鉆頭上鉆壓影響的低剛性“彈簧系統(tǒng)”。該系統(tǒng)使用很多罐壓縮空氣來充當(dāng)“彈簧”，而驅(qū)動(dòng)彈簧的“負(fù)載”就是大鉤載荷。壓縮或釋放與被動(dòng)補(bǔ)償油缸相連的蓄能器中的壓縮氣體，使油缸保持恒定的拉力，維持基本恒定的鉆頭位置和鉆壓。

表1 不同升沉補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)介[1]Table 1 Introduction to different heave compensation systems[1]

被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)主要由氣液蓄能器、補(bǔ)償油缸、高壓氣罐組成，原理如圖6所示。

圖6 被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of passive heave compensation system

被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在鉆頭接觸孔底后開始起作用，所產(chǎn)生的力和運(yùn)動(dòng)用來平衡鉆井平臺(tái)升沉行程。如果鉆具懸吊著沒接觸孔底，那么被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)將不產(chǎn)生作用；還需要指出的是，負(fù)載變動(dòng)與行程變化是不存在正比例關(guān)系的。被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通常都會(huì)有啟動(dòng)載荷，這一載荷值為鉤載的8%～12%，如果鉤載變化量達(dá)到這一啟動(dòng)載荷值，那么被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)將會(huì)開始正常工作。在鉤載較輕的情況下，被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)將不能精準(zhǔn)響應(yīng)浮式鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)[2-7]。

3 主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)

在升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中，“主動(dòng)”一詞的含義是：可以實(shí)時(shí)響應(yīng)浮式鉆井平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)，在相當(dāng)大的程度上保持鉆頭在孔底的穩(wěn)定。

目前常用的主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)都是基于同樣的工作原理開發(fā)，通過升沉運(yùn)動(dòng)傳感器(MRU)監(jiān)測(cè)浮式鉆井平臺(tái)所處海域的洋流運(yùn)動(dòng)情況，并將數(shù)據(jù)傳遞至控制單元，控制單元通過讀取傳輸過來的數(shù)據(jù)分析浪高、頻率等海浪特性，之后向液壓動(dòng)力站發(fā)送指令，液壓泵根據(jù)指令調(diào)節(jié)到合適的流量驅(qū)動(dòng)油缸，使大鉤在海浪下可以實(shí)時(shí)保持相對(duì)固定的位置。主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)對(duì)波浪特性的協(xié)同程度可達(dá)80%～93%，鉤載補(bǔ)償精度偏差僅為1%～2%[8-15]。

主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)可以在整個(gè)鉆井期間使鉆頭與孔底保持相對(duì)位置不變，其主要由以下5部分組成：

(1)補(bǔ)償油缸和蓄能缸；

(2)升沉運(yùn)動(dòng)傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統(tǒng)；

(5)液壓動(dòng)力站。

主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理[15-16]Fig.7 Schematic diagram of active heave compensation system[15-16]

4 主被動(dòng)一體式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)

一體式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是結(jié)合主動(dòng)式與被動(dòng)式之間的復(fù)合系統(tǒng)，充分利用了兩者的優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者的仿真研究結(jié)果表明，在同樣的控制目標(biāo)下，一體式補(bǔ)償系統(tǒng)所需的能量比主動(dòng)系統(tǒng)小，僅為主動(dòng)式系統(tǒng)的10%；高壓氣瓶的體積為被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)體積的40%，甚至更小[18-19]。

一體式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要由6部分組成：

(1)高壓氣罐、蓄能器和驅(qū)動(dòng)油缸；

(2)升沉運(yùn)動(dòng)傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統(tǒng)；

(5)液壓動(dòng)力站；

(6)補(bǔ)償平衡架。

一體式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 一體式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of integral heave compensation system

一體式系統(tǒng)使用被動(dòng)缸承載鉆柱大部分質(zhì)量，主動(dòng)缸作為補(bǔ)充，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)波浪帶來的升沉變化，同時(shí)克服被動(dòng)油缸的摩阻和氣瓶?jī)?nèi)氣體體積變化帶來的不穩(wěn)定[20-21]。

5 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)使用實(shí)例

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)(主要是主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng))在海洋鉆井領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不止于鉆井過程中使用。其他的工作諸如：BOP下放、取心作業(yè)、下套管和尾管懸掛工具、LMRP斷開與回接，均使用升沉補(bǔ)償系統(tǒng)來提高工作效率[8]。

5.1 石油鉆井試驗(yàn)應(yīng)用[8]

為了量化評(píng)價(jià)已安裝到平臺(tái)上的主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)使用價(jià)值，北海海域的一艘四代半潛平臺(tái)在最低工作氣象條件下安排了2回次各30 min的鉆井試驗(yàn)，分別試驗(yàn)打開與關(guān)閉主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，通過錄井儀器記錄鉆井施工參數(shù)。試驗(yàn)海況：風(fēng)速30～35節(jié)，浪高3.9～5.4 m，平臺(tái)升沉量1.2～1.8 m。

試驗(yàn)所在地的地層為泥巖，鉆具組合為?311 mm PDC鉆頭+螺桿馬達(dá)，試驗(yàn)井深4200 m，試驗(yàn)井深立管壓力29 MPa，螺桿馬達(dá)失速壓力30 MPa。根據(jù)設(shè)計(jì)，鉆壓需保持54～73 kN。

在關(guān)閉主動(dòng)補(bǔ)償?shù)?4 min試驗(yàn)里，錄井儀器記錄數(shù)據(jù)見表2。關(guān)閉補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值如圖9所示。

表2 關(guān)閉主動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)Table 2 Data without active compensation

圖9 關(guān)閉補(bǔ)償系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)值Fig.9 Data without active compensation

鉆壓平均為52.66 kN，鉆速為27.38 m/h。

通過記錄的數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)閉補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，鉆壓是一直波動(dòng)變化的，變化量取決于平臺(tái)的升沉幅度。

在打開主動(dòng)補(bǔ)償?shù)?4 min試驗(yàn)里，錄井儀器記錄數(shù)據(jù)見表3。

表3 打開主動(dòng)補(bǔ)償數(shù)據(jù)Table 3 Data with active compensation

使用補(bǔ)償系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值如圖10所示。

鉆壓平均值56.11 kN，鉆速為38.96 m/h。

從以上記錄的數(shù)據(jù)可以看出，打開主動(dòng)補(bǔ)償后，鉆速提升了11.6 m/h。

通過完整的對(duì)比2次試驗(yàn)參數(shù)，沒有主動(dòng)補(bǔ)償參與的鉆井過程中，如鉆壓一類的鉆井參數(shù)雖然連續(xù)，但是需要司鉆人為的不停地改變鉆壓。打開主動(dòng)補(bǔ)償?shù)你@井工況下，平均鉆壓減小，鉆速加快，鉆頭和馬達(dá)都延長(zhǎng)了使用壽命。雖然無法量化衡量節(jié)省的鉆頭和馬達(dá)數(shù)量到底有多少，但是在最低工作條件下，主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)所提供的優(yōu)勢(shì)是不可比擬的。

圖10 使用補(bǔ)償系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)值Fig.10 Statistics with compensation system

5.2 海洋取心鉆井應(yīng)用實(shí)例[8]

主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)在海洋取心作業(yè)中也扮演著重要的角色，由于極高的巖心質(zhì)量依賴于作用于孔底恒定的鉆壓，因此主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)功不可沒。

勘探區(qū)位于北海的石油公司，冬季作業(yè)時(shí)鉆井平臺(tái)升沉幅度在1.5 m，甚至更高，進(jìn)行了6口井1300 m的取心作業(yè)，巖心采取率達(dá)96.3%。

在?216 mm井眼單組巖心最大長(zhǎng)度80.5 m，在?311 mm井眼單組巖心最大長(zhǎng)度50.2 m，平均巖心長(zhǎng)度41 m。

6 結(jié)論

升沉補(bǔ)償系統(tǒng)作為海洋鉆井的核心裝備，不僅能夠提高鉆進(jìn)效率，還能夠有效減少由于天氣帶來的停工，為成本高昂的海洋鉆井有效降低非必要的支出。我國(guó)正大力推進(jìn)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，未來搭載深沉補(bǔ)償系統(tǒng)的鉆井平臺(tái)和鉆井船將會(huì)成為主流，對(duì)于工程技術(shù)人員來說，掌握升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理，在使用該裝備或研發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中都將大有裨益。