基于AMESim的鉆柱補償裝置仿真及控制方法研究

雷靜希，李 歡2，唐 維，田亞鈴，楊 琪，曹 舜

(1. 成都工業(yè)學院 機械工程學院，四川 成都 611730；2. 寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002)

引言

受波浪的影響，海洋浮式鉆井作業(yè)過程中，井底鉆壓將發(fā)生很大幅的變化，嚴重時有可能脫離井底。鉆柱補償裝置的使用，可大幅降低鉆壓波動，保障海洋浮式鉆井正常作業(yè)、提高工作效率，因此，鉆柱補償裝置的補償性能直接影響了海洋油氣開發(fā)的成本[1]。鉆柱補償裝置按照安裝位置可分為游車、天車和死繩端3種類型，按照補償方式可分為被動、主動和主被動聯(lián)合補償3種型式。

現(xiàn)階段，在鉆柱補償裝置的相關制造領域主要由國外公司所壟斷，如NOV，Aker MH，Cameron等[2]，國內(nèi)相關企業(yè)也在開展相關樣機的研制工作[3-4]，但具有主動補償功能的鉆柱補償裝置還未有實船應用案例。在理論研究和提高補償性能等方面，國內(nèi)外學者做了大量的工作，張彥廷等[5-8]主要對鉆柱補償理論進行研究，并針對補償性能提高做了大量的仿真工作；劉清友等[9-11]依托國家重點實驗室，完成了新型游車補償裝置的原理樣機的研制，在成本和性能上有一定優(yōu)勢。由于鉆柱的慣性和船體的升沉運動，鉆柱補償裝置屬于大慣性時滯系統(tǒng)，加上泥漿的阻力和鉆桿的彈性導致補償性能無法進一步提高，國內(nèi)學者在波浪和船體運動預測領域的研究表明，適當?shù)牟ɡ松令A測對于提高補償性能是可行的[12-13]。

本研究在前人的研究基礎上，分析液缸直驅(qū)式游車鉆柱補償裝置的工作原理、特點，利用AMESim軟件進行模型建立，研究其補償性能影響因子以及控制方法，并在控制算法中結(jié)合升沉預測和跟隨，分析其對提升補償性能的可行性，可為后續(xù)產(chǎn)品設計、性能優(yōu)化及實船應用提供依據(jù)。

1 鉆柱補償裝置仿真模型研究

1.1 鉆柱補償裝置建模依據(jù)

鉆柱補償裝置的工作原理類似“液氣彈簧”，其主要由液缸、蓄能器和工作氣瓶組三大部件組成。鉆柱補償裝置在工作過程中，由下游車帶動鉆桿，上游車連接船體，由于船體的升沉運動和鉆柱的慣性，上、下游車在“液氣彈簧”的作用下進行補償，從而使鉆井過程中井底鉆壓保持一個相對恒定的狀態(tài)。在研究鉆柱補償裝置時，需將裝置本體和其連接的鉆桿作為一個整體進行研究，并進行系統(tǒng)動態(tài)性能和響應分析[5]，需進行跨領域、多軟件聯(lián)合仿真。本研究主要以定性分析為主，因此，在如下方面進行了適當?shù)暮喕⑻岢鲅a償裝置建模依據(jù)：

(1) 研究動力學時，鉆柱補償裝置液壓缸中的液體以及工作氣瓶中的氣體看成是無重的，只考慮其剛度與阻尼；

(2) 正常鉆進時，鉆鋌處于壓縮狀態(tài)，可將其看成是與地層相連的剛體；

(3) 忽略電氣元件、傳感器元件的電磁瞬變過程與延時特性；

(4) 忽略液壓系統(tǒng)油液的泄漏；

(5) 只考慮井架-鋼絲繩-鉆柱彈性系統(tǒng)垂直方向的振動；假設鉆鋌、游車、天車、大鉤等部件為剛性體。

1.2 鉆柱負載的數(shù)學模型

1) 負載動力學方程

鉆柱的受力和運動情況非常復雜，補償裝置的結(jié)構(gòu)和受力示意圖如圖1所示。為便于模型搭建，在研究過程中對其進行一定的簡化。將整個鉆柱受拉部分簡化為一個彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，將鉆柱及大鉤等固定設備的重量均集中在補償裝置下部架體中，如圖2所示。根據(jù)瑞利法則，將彈性鉆柱的相當質(zhì)量簡化為一集中質(zhì)量Md。負載動力學方程如下所示：

(1)

式中，F(xiàn)h為提升裝置的提升力，N；Gs為補償裝置的靜載荷(包含鉆柱)，t；Kd為鉆柱的等效剛度，N/m；Xd為下游車的絕對位移，m；Cd為鉆柱在泥漿中的黏滯阻力系數(shù)，N/m·s-1。

1.上部架體 2.下部架體(包含頂驅(qū)、大鉤) 3.被動補償液缸 4.蓄能器 5.低壓氣瓶 6.主動補償液缸 7.鉆柱圖1 鉆柱補償裝置構(gòu)成及受力示意圖

圖2 鉆柱數(shù)學模型

2) 鉆柱等效剛度

等效剛度計算公式如下：

(2)

式中，L為鉆柱長度，取10000 m；E為鉆柱材料的彈性模量，取2.06×105MPa；A為鉆柱的橫截面積，按五寸半鉆桿(直徑139.7 mm)，取0.004277。

3) 泥漿粘滯阻力系數(shù)

由于鉆井液的黏性及壓力，鉆柱相對于鉆井液運動時，導致能量耗散。黏性阻力隨著鉆井液速度、密度的增大而增大；因此當鉆井液流速或密度較大時，該阻滯作用不能忽略。泥漿黏滯阻力系數(shù)計算公式如下：

(3)

式中，CN為摩擦系數(shù)，依據(jù)具體鉆井液的實驗數(shù)據(jù)決定，水基鉆井液的摩阻系數(shù)取0.1；C1為附加質(zhì)量系數(shù)，置于流體中的圓柱體取1；ρd為泥漿密度，取1200 kg/m3；D為鉆柱直徑，取0.1397 m；vd為泥漿流速，取0.3 m/s。

1.3 模型搭建

1) 模型參數(shù)

以南海某浮式鉆井平臺450 t主被動聯(lián)合型鉆柱補償裝置的參數(shù)帶入模型進行分析，其部分參數(shù)如表所示。

表1 450 t鉆柱補償裝置部分參數(shù)

2) 鉆柱補償裝置模型

采用位置反饋PID控制方式，控制的目的是使大鉤的位置維持在參考位置附近(大鉤參考位置由鉆壓和鉆深決定)，從而使井底的鉆壓保持恒定。位置反饋PID控制策略如圖3所示。

圖3 位置反饋控制方法

以正弦信號模擬船體升沉運動，依據(jù)模型參數(shù)和位置控制策略，建立裝置模型如圖4所示。

1.4 補償性能分析

1) 補償性能要求

對于深海鉆井作業(yè)，井底鉆壓波動是補償裝置補償性能的關鍵指標，鉆壓波動過大將導致鉆進過程時快時慢，嚴重時可能引起鉆頭脫離或猛烈撞擊井底，引起塌井、鉆頭損壞及其他事故，影響鉆井作業(yè)效率。故要求鉆柱補償裝置的補償性能應越高越好，相應的鉆壓波動應越小。但是，由于受到補償型式、鉆深、海況、配置等多方面因素制約，鉆壓波動不可能完全消除?，F(xiàn)對補償型式進行分析，研究主動補償開啟之后補償性能改善情況。

圖4 450 t鉆柱補償裝置AMESim模型

2) 補償型式分析

在鉆深10000 m的情況下開啟鉆柱補償裝置，鉆桿重量為380 t，考慮大鉤及頂驅(qū)質(zhì)量，鉆柱補償裝置的最大靜載荷Gs為450 t，相應的Md為126.6 t，Kd為88106.2，CN為19749 N·m·s-1。采用正弦信號模擬船體升沉運動，信號幅值為3.5 m，周期為12 s，鉆進所需的鉆壓要求達到200 kN。經(jīng)過不同壓力批處理運行可以得到系統(tǒng)初始壓力為20 MPa、大鉤參考位移為5 m，鉆壓在200 kN附近波動。

通過控制主動補償開啟和關閉來模擬被動補償和主被動聯(lián)合補償兩種補償型式的井底鉆壓情況，如圖5和表2所示，圖中F為井底鉆壓，N。

圖5 兩種補償型式鉆壓波動對比示意圖

對比被動補償和主被動聯(lián)合補償?shù)你@壓波動數(shù)據(jù)可知：采取主被動聯(lián)合的型式可大幅改善補償性能，在鉆壓波動要求較小的情況，需開啟主動補償功能。

表2 兩種補償型式鉆壓波動數(shù)據(jù)

2 性能影響因子分析

2.1 鉆深影響分析

隨著鉆井深度的加深，鉆柱的重量也隨之加重。在升沉信號幅值為3.5 m，周期為12 s的海況下，取2000，4000，6000，8000 m 4組鉆深，得到不同的模型參數(shù)。分別進行批處理得到鉆壓200 kN時主被動聯(lián)合補償?shù)南到y(tǒng)壓力和大鉤參考位置，如表3所示。

表3 鉆壓200 kN時鉆深-系統(tǒng)壓力對應表

帶入模型進行仿真得到不同鉆深下的井底鉆壓變化如圖6和表4所示。

圖6 鉆井深度對補償性能的影響

序號鉆井深度/m最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%12000343.080.46224000322.2125.04436000293.0151.43248000281.7165.826

分析表2和表4數(shù)據(jù)可以得知：在保障一定的鉆井鉆壓的前提下，鉆井深度的增加引起的系統(tǒng)靜載、動載、阻尼等參數(shù)均發(fā)生變化，從而導致主被動聯(lián)合補償之后的鉆壓波動隨著鉆井深度的增加而減小。

2.2 海況影響分析

在10000 m鉆井深度，20 MPa系統(tǒng)壓力，分析不同海況下的鉆柱補償性能。取不同升沉信號的幅值和周期模擬4種逐漸惡劣的海況帶入模型進行批處理，得到不同海況下的鉆壓波動情況如圖7所示，相應的數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 海況對補償性能的影響

序號幅值(m)/周期(s)最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%10.5/4.5236.0219.0421/6243.9213.1731.5/8248.9207.4942.25/10257.4197.613

不同海況仿真分析結(jié)果表明，海況對于鉆柱補償裝置的性能影響較大，隨著海況的變差，鉆壓波動將逐漸增大。

2.3 氣瓶組容積影響分析

鉆柱補償裝置配備的氣瓶組主要用于增大蓄能器的氣端容積，通常以被動補償預期壓力波動為設計依據(jù)。對于主被動聯(lián)合補償?shù)你@柱補償裝置來說，研究氣瓶組容積對補償性能的影響，對于優(yōu)化系統(tǒng)配置有一定的實際意義。

根據(jù)1.4節(jié)所提供的模型參數(shù)，取5組氣瓶組容積帶入模型進行批處理，得到鉆壓情況如圖8和表6所示。

分析表中數(shù)據(jù)可得：氣瓶組容積對于主被動結(jié)合型式的鉆柱補償裝置補償性能的影響較小，在布局空間有限的情況下，可適當減小氣瓶組的容積。

圖8 氣瓶組容積對補償性能的影響圖

序號氣瓶組容積/L最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%116000279.2168.325219200277.4171.624324000278.2176.622428000278.1181.621532000277.8182.921

2.4 伺服閥前端蓄能器影響分析

由于主動補償液壓系統(tǒng)采用恒壓變量泵+伺服閥的組合方式，恒壓變量泵存在斜盤擺動時滯，伺服閥存在換向延時，管線油液存在壓縮和膨脹，這些因素均將對系統(tǒng)供油能力帶來直接影響進而降低補償效果。理論分析可知在伺服閥前端的壓力油口側(cè)增加一套蓄能器可有效緩解液壓系統(tǒng)的供油響應時間，改善系統(tǒng)供油條件。取25，50，100，150，200 L，5種規(guī)格的蓄能器，其余模型參數(shù)參考1.4節(jié)，將蓄能器參數(shù)帶入模型進行批處理，得到的鉆壓情況如圖9和表7所示。

圖9 閥前蓄能器容積對補償性能的影響

分析表7中數(shù)據(jù)可得：伺服閥前端蓄能器容積井底鉆壓波動有一定影響，但隨著蓄能器容積的增大，對鉆壓波動的影響變小，對于本次仿真的系統(tǒng)，容積100 L的蓄能器為最優(yōu)。

表7 閥前蓄能器容積-鉆壓波動數(shù)據(jù)

3 控制方法研究

3.1 3種控制方法對比分析

采用主被動聯(lián)合補償?shù)男褪娇纱蠓忍岣咩@柱補償裝置的補償能力，為盡可能提高補償效果，探討位置反饋、速度反饋和加速度反饋3種控制方法對提供補償性能的影響。位置反饋控制方法如圖3所示，速度控制方法如圖10所示，加速度控制方法如圖11所示，模型參數(shù)參考1.4節(jié)。得到3種補償方式的井底鉆壓情況如圖12和表8所示。

圖10 速度反饋控制方法

圖11 加速度反饋控制方法

圖12 3種控制方法對補償性能的影響

序號控制方法最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%1位置反饋278.2176.6222速度反饋282.6168.0253加速度反饋226.1141.823

分析趨勢和數(shù)據(jù)，可以得知：在相同海況和鉆深的前提下，3種控制方法補償性能接近，其中位置反饋控制鉆壓波動最小，速度反饋控制鉆壓波動最大。分析3種控制方法主動補償能耗，如圖13所示(圖中P為主動補償液壓站輸出功率，kW)。

圖13 3種控制方法主動補償能耗示意圖

分析圖中數(shù)據(jù)可以得知：位置反饋控制和加速度反饋控制能耗接近，速度反饋控制能耗最小，該結(jié)論也與補償性能的趨勢接近。

3.2 升沉預測與跟隨對控制性能的影響

控制系統(tǒng)采集船體升沉運動信號進行閉環(huán)運算，通過預測得到船體下一個時刻的升沉運動參數(shù)進行控制叫做升沉預測，同理，采集船體上一個時刻的運行參數(shù)進行控制叫做升沉跟隨。

模型參數(shù)參考1.4節(jié)，現(xiàn)對反饋進控制系統(tǒng)的平臺升沉信號進行偏移，以-30°、-15°、0°、15°和30°，5個相位差值模擬升沉信號的滯后和超前情況，將滯后或超前的升沉信號帶入模型進行仿真得到3種控制方式的鉆壓波動情況和數(shù)據(jù)，如圖14～圖16和表9所示。

圖14 升沉信號對位置反饋控制的影響

圖15 升沉信號對速度反饋控制的影響

圖16 升沉信號對加速度反饋控制的影響

序號升沉信號相位差/(°)位置反饋/%速度反饋/%加速度反饋/%1-305288632-1528512930222523415123435530256851

分析數(shù)據(jù)可得：采取升沉預測和跟隨的方法對于提高速度反饋和加速度反饋型控制的補償性能不可行，反而會減弱補償性能；升沉預測對于位置反饋型鉆柱補償裝置的補償性能有一定的改善，且在升沉預測相位差為15°左右時本套系統(tǒng)的補償性能改善最佳。

4 結(jié)論

(1) 穩(wěn)定的鉆壓是鉆柱補償性能設計的前提，采用主被動聯(lián)合補償控制可大幅度降低鉆壓波動，對于海洋鉆井的提速、增效有較大的益處；

(2) 鉆井深度和海況對鉆柱補償裝置的性能影響較大，隨著鉆深的增加，補償性能逐漸提高，海況越差補償性能降低明顯；適當減小氣瓶組的容積并不影響補償能；

(3) 位置反饋、速度反饋和加速度反饋3種控制方法的補償性能相近，位置反饋控制方法由于游車參考位移計算較為繁瑣，控制相對困難，而速度反饋控制方法能耗最高。

(4) 在伺服閥前增加蓄能器、在位置反饋型控制算法中加入升沉預測功能，可在一定程度上提高鉆柱補償裝置的補償性能。