浮式鉆井補(bǔ)償絞車方案設(shè)計(jì)和性能仿真

黃魯蒙, 張彥廷, 沈 蓉, 王麗君, 李悅江, 陳敬凱

(1.中國石油大學(xué)(華東)海洋物探及勘探設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266580; 2.蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司青島分公司,山東青島 266520)

石油資源的開發(fā)和利用正在從淺海走向深海,并向超深海發(fā)展[1-2]。半潛式平臺(tái)或浮船在海上進(jìn)行鉆井作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生周期性的升沉運(yùn)動(dòng),嚴(yán)重影響了鉆井作業(yè)效率和安全性[3],因此浮式平臺(tái)或船體上必須配有鉆柱升沉補(bǔ)償裝置。鉆柱補(bǔ)償裝置通過對海洋鉆機(jī)上的游動(dòng)系統(tǒng)和井下鉆具進(jìn)行控制,使其運(yùn)動(dòng)不再受到平臺(tái)和船體升沉運(yùn)動(dòng)的干擾[4-5]。國外海洋鉆井升沉補(bǔ)償技術(shù)的研究起步早,目前已經(jīng)開發(fā)出液壓缸補(bǔ)償和絞車補(bǔ)償兩種形式的產(chǎn)品[6]。傳統(tǒng)的游車大鉤和天車補(bǔ)償裝置均采用液壓缸補(bǔ)償方式,通過調(diào)整活塞桿和缸體的相對位置來達(dá)到運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償功能[7-8]。隨著設(shè)計(jì)及控制技術(shù)的不斷進(jìn)步,2000年以后,美國National Oilwell Varco公司最早突破傳統(tǒng)液壓缸式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的概念,在常規(guī)鉆機(jī)絞車的基礎(chǔ)上增加了升沉補(bǔ)償功能,研發(fā)了新型電動(dòng)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)[9-10],可取代專用的游車大鉤或天車液壓缸補(bǔ)償裝置。2007年以后,中國石油大學(xué)(華東)、寶雞石油機(jī)械有限公司、山東科瑞機(jī)械有限公司、西南石油大學(xué)等單位開展了不同形式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的研發(fā)[11-12],其中針對絞車補(bǔ)償系統(tǒng),目前寶石機(jī)械已研發(fā)一套1 000 hp電動(dòng)補(bǔ)償絞車工程樣機(jī),廠內(nèi)試驗(yàn)取得了良好的補(bǔ)償效果[13]。筆者基于單絞車補(bǔ)償系統(tǒng)提出一種雙絞車補(bǔ)償方案,對結(jié)構(gòu)參數(shù)和升沉補(bǔ)償能力進(jìn)行計(jì)算,提出升沉補(bǔ)償與自動(dòng)送鉆的聯(lián)合控制方案,并利用Simulation X軟件對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真研究。

1 雙絞車升沉補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

1.1 絞車升沉補(bǔ)償工作原理

圖1為海洋鉆機(jī)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)原理示意圖,絞車安裝在井架一側(cè),絞車滾筒與鉆井鋼絲繩的快繩端相連;可編程控制器根據(jù)絞車轉(zhuǎn)動(dòng)信號、平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)信號以及死繩拉力傳感器檢測到的井底鉆壓信號,控制絞車滾筒往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng),通過收放鋼絲繩實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償、自動(dòng)送鉆、起下鉆等海洋鉆井作業(yè)[14-15]。

1.2 雙絞車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)方案

在鉆井平臺(tái)上,通常僅配有一套絞車,絞車滾筒與鉆井鋼絲繩快繩端相連,而死繩端固定在井架上。為了提高海洋鉆井綜合性能,提出了一種雙絞車補(bǔ)償方案[16],如圖2所示,包括兩臺(tái)補(bǔ)償絞車,每臺(tái)絞車分別與快繩端和死繩端相連,可以單側(cè)驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)負(fù)載,也可以兩臺(tái)絞車同步運(yùn)行,此時(shí)游動(dòng)輪系運(yùn)動(dòng)和受力完全對稱,不再存在傳統(tǒng)意義上的“死繩端”。

圖1 海洋鉆機(jī)絞車補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.1 Winch compensation system of offshore drilling rig

圖2 雙絞車提升及補(bǔ)償系統(tǒng)Fig.2 Promoting and compensation system with dual-winch

雙絞車同步補(bǔ)償方案的優(yōu)點(diǎn):

(1)提高了傳動(dòng)效率。相對于傳統(tǒng)單絞車工作方案,雙絞車方案可以通過兩臺(tái)絞車同步收放鋼絲繩的快繩和死繩兩端,天車滑輪組中間的定滑輪片相對靜止、無轉(zhuǎn)動(dòng),因此每臺(tái)絞車僅需要克服一半滑輪片的摩阻,從而將游動(dòng)輪系的傳動(dòng)損失減少一半。

(2)實(shí)現(xiàn)了冗余功能,提高了鉆井安全性。兩臺(tái)絞車可以互為備用,當(dāng)一臺(tái)絞車出現(xiàn)故障時(shí),另一臺(tái)絞車仍可以正常運(yùn)行,完成鉆井相關(guān)作業(yè),從而減少了單臺(tái)絞車失效帶來的非作業(yè)時(shí)間,使補(bǔ)償絞車具備了冗余性。

(3)提高了鋼絲繩和滑輪片的使用壽命。當(dāng)提升或下放負(fù)載的速度相同時(shí),雙絞車工作模式下鋼絲繩運(yùn)動(dòng)速度僅為單絞車的一半,因此減輕了鋼絲繩和滑輪片的磨損。

1.3 基于雙滾筒補(bǔ)償絞車傳動(dòng)方案和參數(shù)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)雙絞車補(bǔ)償方案,提出了一種基于雙滾筒驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償絞車傳動(dòng)方案:在補(bǔ)償絞車上設(shè)置兩臺(tái)滾筒,利用鉆機(jī)天車上的導(dǎo)向滑輪將鉆井鋼絲繩的快繩端和死繩端分別連接到兩臺(tái)滾筒上,每臺(tái)滾筒利用多臺(tái)大功率交流電機(jī)經(jīng)過兩級齒輪減速后進(jìn)行單側(cè)驅(qū)動(dòng)(圖3),兩滾筒之間通過離合器連接,可以同步運(yùn)行,也可以獨(dú)立運(yùn)行。

圖3 單滾筒補(bǔ)償絞車結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of compensation winch with single drum

以額定載荷454 t、額定補(bǔ)償行程5 m、周期12 s作為性能指標(biāo)[17],設(shè)計(jì)了補(bǔ)償絞車、鉆機(jī)游動(dòng)輪系、井下鉆具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),具體參數(shù)如下:額定補(bǔ)償速度為1.3 m·s-1,最大鉆柱質(zhì)量為454 t,游動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量為80 t,鉆頭設(shè)定鉆壓為20 t,主滾筒尺寸Φ1 580 mm×1 650 mm,單側(cè)絞車向高速轉(zhuǎn)動(dòng)軸的總體折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為300 kg·m2,絞車減速器減速比為16.2,電機(jī)型號為5GEB 27,電機(jī)額定功率為8臺(tái)×1 100 kW,電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為11 000 N·m,游動(dòng)輪系的有效繩數(shù)為16、12、8、4,單位長度鋼絲繩剛度為1.6×106N·m-1,滑輪片傳動(dòng)效率為97%。

2 系統(tǒng)升沉補(bǔ)償能力的理論計(jì)算

2.1 絞車補(bǔ)償系統(tǒng)能量流分析和計(jì)算

分析了絞車的能量傳遞和消耗過程,在上提負(fù)載過程中主要由發(fā)電系統(tǒng)為絞車提供能量;在下放負(fù)載過程中主要由鉆機(jī)負(fù)載的重力勢能提供能量,基本不需要消耗電能,多余能量通過變頻單元和制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)化為熱能;因此僅需考慮提升負(fù)載工況。

在提升負(fù)載過程中,假設(shè)系統(tǒng)處于理想補(bǔ)償狀態(tài),鉆柱無動(dòng)載荷,則電機(jī)主要用來驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)靜載荷、驅(qū)動(dòng)絞車和游動(dòng)輪系往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)、克服傳動(dòng)摩阻。

(1)假設(shè)平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。

(1)

(2)

式中,x0為平臺(tái)升沉位移,m;H為平臺(tái)升沉幅值,m;T為平臺(tái)升沉周期,s;v0為平臺(tái)升沉速度,m/s。

(2)克服鉆機(jī)靜載荷與傳動(dòng)摩阻的電機(jī)功率。

(3)

式中,G為鉆機(jī)靜載荷,N;η為絞車與游動(dòng)輪系的總效率。

(3)驅(qū)動(dòng)絞車、滑輪片轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)功率。

(4)

(5)

式中,I為折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(按照能量守恒原則,將絞車傳動(dòng)系統(tǒng)與鉆機(jī)游動(dòng)輪系滑輪片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量全部折算到電機(jī)軸上),kg·m2;θ為電機(jī)軸的角位移,rad;Z為游動(dòng)輪系有效繩數(shù);i為減速器傳動(dòng)比。

2.2 絞車補(bǔ)償能力數(shù)據(jù)計(jì)算

基于功率計(jì)算公式和設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算得到補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中絞車電機(jī)克服所有負(fù)載所消耗的功率;然后在電機(jī)整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi),通過與電機(jī)額定功率進(jìn)行對比確定絞車額定補(bǔ)償能力。首先計(jì)算了補(bǔ)償周期為12 s時(shí),不同鉆井有效繩數(shù)下、雙絞車的補(bǔ)償能力曲線,如圖4所示。然后計(jì)算得到了鉆井有效繩數(shù)為12時(shí),不同升沉補(bǔ)償周期下、雙絞車的補(bǔ)償能力曲線,如圖5所示。圖4、5中,X軸為補(bǔ)償載荷,Y軸為絞車所能補(bǔ)償?shù)淖畲笊练怠?/p>

圖4 補(bǔ)償能力曲線(補(bǔ)償周期12 s)Fig.4 Variation rules of compensation capability (compensation period of 12 s)

絞車補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償載荷和補(bǔ)償幅度變化范圍很大,不再受到液壓缸行程的限制;絞車在不同鉆井工況下的補(bǔ)償能力較強(qiáng),鉆井作業(yè)窗口較寬,滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5 補(bǔ)償能力曲線(有效繩數(shù)12繩)Fig.5 Variation rules of compensation capability (number of effective ropes of 12)

分析絞車補(bǔ)償能力的變化規(guī)律,可以看出:

(1)補(bǔ)償能力受到鉆井有效繩數(shù)的影響。絞車補(bǔ)償系統(tǒng)可以通過改變有效繩數(shù)改變絞車和鉆柱負(fù)載之間的傳動(dòng)關(guān)系;根據(jù)補(bǔ)償能力數(shù)據(jù),針對不同鉆井工況制定相應(yīng)的游動(dòng)輪系變化規(guī)則,可提高絞車在不同工況下的補(bǔ)償能力和作業(yè)效率,并使電機(jī)始終在高效區(qū)運(yùn)行。為此提出了一套基于可變繩系的游動(dòng)輪系設(shè)計(jì)方案,可以靈活改變游動(dòng)輪系結(jié)構(gòu)[18]。

(2)補(bǔ)償能力受到鋼絲繩松弛現(xiàn)象影響。在輕載工況下,絞車補(bǔ)償能力較強(qiáng),比如有效繩數(shù)為4時(shí)的最大補(bǔ)償行程甚至達(dá)到二三十米,超過了平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的范圍;但實(shí)際上,當(dāng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)幅度過大時(shí),鉆井鋼絲繩收放線速度和線加速度較大,理論上會(huì)造成鋼絲繩內(nèi)部張力反彈,產(chǎn)生“鳥籠”現(xiàn)象,導(dǎo)致鋼絲繩變形和損傷,因此輕載工況的升沉補(bǔ)償幅度實(shí)際也不能太大。

以有效繩數(shù)8繩、補(bǔ)償周期12 s時(shí)為例,圖6為不同負(fù)載時(shí)的補(bǔ)償能力曲線,圖中虛線段為根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果對輕載工況補(bǔ)償能力的修正曲線,其變化規(guī)律與NOV公司公開的產(chǎn)品資料類似[19]。

圖6 補(bǔ)償能力修正曲線Fig.6 Correction curve of compensation capability

(3)補(bǔ)償能力受到電機(jī)過載能力的影響。以上補(bǔ)償能力曲線是基于電機(jī)的額定連續(xù)工作狀態(tài)計(jì)算而來;而實(shí)際電機(jī)在斷續(xù)工作狀態(tài)下還具有較大的過載能力,美國GE電機(jī)過載系數(shù)達(dá)到140%。補(bǔ)償絞車可以在特殊的惡劣海況下維持運(yùn)行一段時(shí)間,直到海況恢復(fù)平穩(wěn);否則如果海況持續(xù)惡劣,則只能在絞車額定補(bǔ)償能力范圍內(nèi)對當(dāng)前海況進(jìn)行部分補(bǔ)償,或者直接關(guān)閉補(bǔ)償系統(tǒng)。

3 運(yùn)動(dòng)控制策略

3.1 補(bǔ)償與送鉆的聯(lián)合控制方案

提出一種聯(lián)合控制方案,如圖7所示:采用外環(huán)升沉位移和井底鉆壓閉環(huán)、內(nèi)環(huán)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)的串級結(jié)構(gòu),外環(huán)采用位移控制,根據(jù)鉆壓信號計(jì)算送鉆進(jìn)尺量,將送鉆進(jìn)尺信號xb與升沉位移信號xh疊加,然后以疊加信號作為絞車的給定信號xset,以滾筒實(shí)際補(bǔ)償線位移xd作為反饋信號(將滾筒角位移信號轉(zhuǎn)換為大鉤線位移信號),以兩者的偏差xe輸入控制器,經(jīng)過位移控制器運(yùn)算,輸出信號f控制電機(jī)的速度(頻率),同時(shí)實(shí)現(xiàn)對兩種運(yùn)動(dòng)的同步跟蹤。

圖7 鉆井運(yùn)動(dòng)聯(lián)合控制方案Fig.7 Combined control scheme of drilling movement

3.2 外環(huán)控制器

(1)位移閉環(huán)。外環(huán)位移控制器選擇常規(guī)PID作為控制算法,為了提高系統(tǒng)快速性,防止引入干擾,以比例控制為主,取較小的積分和微分環(huán)節(jié)。

(2)鉆壓閉環(huán)。外環(huán)鉆壓控制器采用前饋+分段PI反饋控制的方法,前饋是指根據(jù)鉆壓-鉆速經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,預(yù)先給定送鉆速度作為前饋信號;然后再利用鉆壓閉環(huán),通過PI控制器得到反饋控制信號;兩部分信號疊加后積分成送鉆進(jìn)尺信號,進(jìn)而利用絞車位移閉環(huán)實(shí)現(xiàn)送鉆。

4 系統(tǒng)仿真

4.1 基于Simulation X的動(dòng)力學(xué)仿真模型

Simulation X軟件是國外海洋工程領(lǐng)域常用的仿真平臺(tái)之一[20],如圖8所示,利用Simulation X建立了系統(tǒng)仿真模型,從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性及控制效果的仿真。

仿真時(shí)間設(shè)置:Start-0 s,Stop-200 s。

求解器選擇:Fixed Step Solver (External Solver)。

仿真步長設(shè)置:dtMin 0.000 8 s。

圖8 基于Simulation X的雙絞車補(bǔ)償系統(tǒng)模型Fig.8 Model of compensation system with dual-winch based on Simulation X

4.2 控制性能仿真利用

Simulation X動(dòng)力學(xué)模型開展仿真研究,選擇額定設(shè)計(jì)工況作為仿真工況。首先選擇行程5 m、周期12 s的正弦波模擬平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng),作為仿真模型的輸入激勵(lì)信號,通過試湊法整定合適的位移控制器參數(shù),控制絞車對該升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償;然后以設(shè)定鉆壓20 t作為仿真模型輸入激勵(lì)信號,整定合適的鉆壓控制器參數(shù),控制絞車同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)。

圖9為平臺(tái)和游車大鉤的升沉運(yùn)動(dòng)曲線,為了模擬不同鉆井過程,將仿真設(shè)置為4個(gè)階段。

(1)升沉補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定運(yùn)行階段(0～30 s)。位移控制器比例增益設(shè)置為50,可以看出補(bǔ)償功能穩(wěn)定運(yùn)行后,游車大鉤的運(yùn)動(dòng)幅度較小,相對于平臺(tái)升沉的位移補(bǔ)償率超過93%,精度較高。

(2)鉆頭接觸井底前階段(30～50 s)。升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定后,開始準(zhǔn)備鉆進(jìn),送鉆開始前鉆頭與井底之間存在一段距離,模型中設(shè)置鉆頭與井底距離1 m,然后以180 m/h速度手動(dòng)或自動(dòng)下放鉆柱,當(dāng)鉆頭開始接觸井底時(shí)停止。

(3)自動(dòng)送鉆階段(50～200 s)。設(shè)定鉆壓為20 t、鉆壓控制器比例增益為50,啟動(dòng)自動(dòng)送鉆,由于比例增益較大,送鉆速度較快,鉆柱快速下放使鉆頭很快加載到設(shè)定鉆壓;送鉆運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后,井底鉆壓在設(shè)定鉆壓附近波動(dòng),此時(shí)將鉆壓控制器比例增益下降到30,在不影響送鉆性能的前提下,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。由圖9中可以看出,鉆柱大約以35 m/h的速度持續(xù)送進(jìn),實(shí)現(xiàn)了升沉補(bǔ)償與自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)的同步穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9 升沉位移變化曲線Fig.9 Variation rules of heave displacement

圖10為自動(dòng)送鉆過程中的鉆壓階躍響應(yīng)曲線。圖中綠色曲線為設(shè)定鉆壓20 t的階躍信號,可以看出階躍響應(yīng)動(dòng)態(tài)性能良好,鉆壓穩(wěn)定在24 kN內(nèi),波動(dòng)率為12%。

圖10 鉆壓階躍響應(yīng)曲線Fig.10 Step response of WOB

5 結(jié) 論

(1)提出的新型雙絞車補(bǔ)償方案中,設(shè)計(jì)了雙滾筒絞車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu),兩臺(tái)滾筒可同步運(yùn)行,此時(shí)游動(dòng)輪系運(yùn)動(dòng)和受力完全對稱,相對于單絞車方案,具有傳動(dòng)效率高、安全冗余、鋼絲繩和滑輪片使用壽命長等特殊優(yōu)勢。

(2)對絞車補(bǔ)償能力進(jìn)行了定量評價(jià),絞車補(bǔ)償系統(tǒng)在不同鉆井工況下的補(bǔ)償能力較強(qiáng),鉆井作業(yè)窗口較寬,滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

(3)雙絞車補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償與送鉆運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合控制,補(bǔ)償率可達(dá)93%,送鉆過程運(yùn)行平穩(wěn),滿足海洋浮式鉆井要求。