高精度深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

李 鵬,樊春明,袁 亮,白蘭昌,李 歡,鄭萬(wàn)里

(1.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 寶雞71002; 2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721002; 3.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)是海洋深水油氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵裝備,主要用于克服波浪升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆采作業(yè)的影響[1]。我國(guó)深海資源開(kāi)發(fā)起步較晚,國(guó)內(nèi)公司于2009年開(kāi)始浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品研究。近年來(lái),國(guó)產(chǎn)浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,從研究階段,進(jìn)入到樣機(jī)研制階段,于2014年研制成功國(guó)內(nèi)首套游車(chē)補(bǔ)償系統(tǒng)。目前,淺海平臺(tái)(船)配套的被動(dòng)式游車(chē)補(bǔ)償已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。但上述應(yīng)用的產(chǎn)品,補(bǔ)償載荷較小,補(bǔ)償精度較低,無(wú)法滿(mǎn)足深水鉆井高精度補(bǔ)償?shù)囊?。目? 500 m水深以上的深海鉆探配套的補(bǔ)償系統(tǒng),尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

為適應(yīng)全球海域全天候作業(yè)要求的鉆井平臺(tái)/船配套,滿(mǎn)足3 000 m水深,12 000 m鉆深的深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)為目標(biāo),設(shè)計(jì)與舉升液缸方案相結(jié)合,最大載荷9 000 kN、補(bǔ)償載荷4 500 kN、補(bǔ)償精度90%的補(bǔ)償裝置。本補(bǔ)償系統(tǒng)配套的鉆探系統(tǒng),除去常規(guī)井架、天車(chē)、游車(chē)等裝置,采用舉升液缸進(jìn)行起下鉆,井架不承擔(dān)大鉤載荷,只承擔(dān)搖擺造成的偏載,同時(shí)起上下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向作用,大幅降低了鉆探系統(tǒng)的整體質(zhì)量和重心。

1 技術(shù)分析

補(bǔ)償類(lèi)型和機(jī)理對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)綜合性能影響大,與鉆機(jī)舉升方案匹配性亦不同,對(duì)鉆探設(shè)備總體配套、承載、空間占用、總體質(zhì)量及重心等方面均有影響。其內(nèi)部配置、布置及結(jié)構(gòu)等因素對(duì)系統(tǒng)配套、運(yùn)行成本、安全性、可靠性、噪音控制、系統(tǒng)熱損耗、維護(hù)難度等各方面各有優(yōu)劣。根據(jù)深水鉆探工況對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的綜合需求,綜合評(píng)估不同型式和機(jī)理的補(bǔ)償系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn),選擇適應(yīng)鉆井平臺(tái)/船作業(yè)要求的補(bǔ)償型式。

1.1 補(bǔ)償型式分析

浮式鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)具有多種形式,從結(jié)構(gòu)形式和安裝位置來(lái)看,可分為天車(chē)式補(bǔ)償、游車(chē)式補(bǔ)償、補(bǔ)償鉆井絞車(chē)、液缸式補(bǔ)償和伸縮鉆桿等[2],各有其優(yōu)缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外鉆井平臺(tái)/船配套產(chǎn)品主要以Aker MH、NOV、Cameron為主。

游車(chē)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)成功應(yīng)用較早,主要以NOV和Aker MH公司為代表,用于淺水鉆井或用于深水勘察船勘探取樣。天車(chē)式鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)在天車(chē)頂部加裝液缸擺臂機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償功能,主要以Aker MH公司為代表,天車(chē)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償載荷一般在3 000 kN以上,主要用于深海大噸位的鉆井平臺(tái)/船。鉆井升沉補(bǔ)償絞車(chē)主要以NOV公司為代表,目前市場(chǎng)上有以電機(jī)作為主動(dòng)力的主動(dòng)式補(bǔ)償絞車(chē)和以液壓泵加液壓馬達(dá)二次控制的主動(dòng)式補(bǔ)償絞車(chē),但由于消耗功率過(guò)大,應(yīng)用受到一定限制。

鋼絲繩式舉升液缸補(bǔ)償系統(tǒng)最早由Aker MH于20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出第一代Ramrig系統(tǒng),通過(guò)舉升液缸代替海洋鉆機(jī)提升系統(tǒng),使得鉆臺(tái)面的有效空間得到增大,并降低了整個(gè)鉆機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量和重心,尤其適合深水浮式鉆井系統(tǒng)[3]。鋼絲繩式舉升液缸補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)進(jìn)一步發(fā)展現(xiàn)在可分為集成式(舉升&補(bǔ)償)液缸補(bǔ)償和死繩端式液缸補(bǔ)償。其中,集成式(舉升&補(bǔ)償)液缸補(bǔ)償如圖1所示,以Aker MH公司的Ramrig鉆機(jī)為代表;死繩端式液缸補(bǔ)償如圖2所示,以NOV公司的Cylinder Rig鉆機(jī)為代表。

圖1 集成式液缸補(bǔ)償

圖2 死繩端式液缸補(bǔ)償

天車(chē)式、游車(chē)式、絞車(chē)式、集成式及死繩端式補(bǔ)償類(lèi)型的參數(shù)性能對(duì)比表1所示。從對(duì)比結(jié)果可看出:對(duì)于4 500 kN補(bǔ)償載荷,游車(chē)式補(bǔ)償無(wú)法滿(mǎn)足安裝空間要求。對(duì)于大載荷來(lái)說(shuō),絞車(chē)式補(bǔ)償能耗要求過(guò)大,經(jīng)濟(jì)性太差。天車(chē)式補(bǔ)償由于安裝于井架頂部,不受空間限制,且為主被動(dòng)結(jié)合式,經(jīng)濟(jì)性較好,為目前傳統(tǒng)鉆機(jī)提升系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)呐涮资走x。

表1 不同補(bǔ)償類(lèi)型性能對(duì)比

集成式和死繩端式補(bǔ)償兩種方案,從質(zhì)量、重心和空間占用上具有明顯優(yōu)勢(shì),是目前大噸位補(bǔ)償系統(tǒng)最佳解決方案。

1.2 補(bǔ)償機(jī)理分析

從補(bǔ)償原理來(lái)看,可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式3種補(bǔ)償形式[4]。

圖3a為被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理圖。被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單,為早期海洋油氣鉆井作業(yè)的升沉補(bǔ)償裝置所采用。其相當(dāng)于一個(gè)大型液壓空氣彈簧,依靠海浪的舉升力和船自身的重力來(lái)壓縮和釋放蓄能器中的壓縮空氣,減小升沉幅度以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償[5-7]。當(dāng)鉆井平臺(tái)上升時(shí),蓄能器內(nèi)的氣體被壓縮以補(bǔ)償上升位移并儲(chǔ)存能量;當(dāng)鉆井平臺(tái)下沉?xí)r,蓄能器內(nèi)的氣體膨脹以補(bǔ)償下沉位移,蓄能器儲(chǔ)存的能量被釋放,被動(dòng)缸承擔(dān)整個(gè)鉆柱載荷[8-11]。

圖3 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖

圖3b為主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)工作原理圖。變量泵泵出液壓油經(jīng)比例伺服閥給主動(dòng)補(bǔ)償缸的兩端輸入液壓油,PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)液缸活塞位置傳感器和MRU信號(hào)值,經(jīng)計(jì)算后控制變量泵和比例伺服閥的開(kāi)度及方向。

半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)是綜合了被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)和主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的特點(diǎn)。圖3c為半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖。半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)即在被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的基礎(chǔ)上疊加主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)大鉤的補(bǔ)償過(guò)程[12]。半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)中氣液蓄能器發(fā)揮氣液彈簧作用承受大部分載荷,消減大部分大鉤升沉位移;雙向變量泵向主動(dòng)缸上腔或下腔供油,推動(dòng)主動(dòng)缸活塞運(yùn)動(dòng)克服其余諸如機(jī)械摩擦、氣體壓力波動(dòng)產(chǎn)生的附加載荷,進(jìn)一步提高整個(gè)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。

根據(jù)對(duì)比分析,為滿(mǎn)足全球水域大洋鉆探及海上油氣勘探作業(yè)需求,需4 500 kN補(bǔ)償載荷、90 % 補(bǔ)償精度的要求,實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償、調(diào)節(jié)鉆壓功能,同時(shí)系統(tǒng)能耗低,響應(yīng)速度快。對(duì)于4 500 kN補(bǔ)償載荷的要求,主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)能耗過(guò)高,經(jīng)濟(jì)性太差;對(duì)于90%補(bǔ)償精度、調(diào)節(jié)鉆壓功能及響應(yīng)速度快的要求,被動(dòng)式補(bǔ)償性能無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此,選擇半主動(dòng)式補(bǔ)償方式,無(wú)論從經(jīng)濟(jì)性和可行性都是最優(yōu)方案。

2 深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案

2.1 主要參數(shù)確定

1) 補(bǔ)償載荷。被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)承受最大鉆深時(shí)大部分補(bǔ)償載荷,因此,被動(dòng)補(bǔ)償載荷設(shè)為4 500 kN。主動(dòng)補(bǔ)償裝置作為輔助補(bǔ)償配套,主要用于需精確定位的工況,用以克服補(bǔ)償裝置機(jī)械摩擦、氣瓶組壓力波動(dòng)、補(bǔ)償裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)慣性力等附加作用力,提高裝置補(bǔ)償精度。

2) 最大補(bǔ)償行程。根據(jù)南海浪高的主要分布規(guī)律,鉆采平臺(tái)/船應(yīng)滿(mǎn)足長(zhǎng)期作業(yè)要求,參考長(zhǎng)期在南海的藍(lán)鯨一號(hào)和海洋石油981平臺(tái)補(bǔ)償器行程,確定鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償行程為7.62 m。

3) 最大補(bǔ)償速度。南海海域在24.3 m/s風(fēng)速下,波浪周期T=12.1 s。平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的周期與波浪周期相同,升沉振幅為最大補(bǔ)償行程的一半3.81 m,實(shí)際平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:

速度v=1.977×cos0.519t(對(duì)位移求一階導(dǎo)數(shù))

補(bǔ)償缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與平臺(tái)一致,主動(dòng)缸與補(bǔ)償缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。由于補(bǔ)償采取增距式結(jié)構(gòu),補(bǔ)償缸速度實(shí)際為平臺(tái)速度的二分之一,因此補(bǔ)償缸最大補(bǔ)償速度為0.988 5 m /s。參考長(zhǎng)期在南海的藍(lán)鯨一號(hào)和海洋石油981平臺(tái)補(bǔ)償器能力,確定鉆柱補(bǔ)償系統(tǒng)最大補(bǔ)償速度為1.31 m/s。國(guó)內(nèi)外主要同級(jí)別補(bǔ)償產(chǎn)品性能參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比如表2。

表2 國(guó)內(nèi)外主要同級(jí)別補(bǔ)償產(chǎn)品對(duì)比

由表2可以看出,本文設(shè)計(jì)的死繩端液缸式補(bǔ)償系統(tǒng),基本性能參數(shù)達(dá)到了國(guó)際主流產(chǎn)品同等水平。

2.2 補(bǔ)償控制系統(tǒng)方案選擇

控制系統(tǒng)原理為:運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)采集船體升沉運(yùn)動(dòng)的參數(shù),并輸出給PLC控制系統(tǒng),PLC控制系統(tǒng)根據(jù)MRU提供的運(yùn)動(dòng)參數(shù),實(shí)時(shí)提取船體的升沉位移并與液缸位移傳感器輸出的液缸位移進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)船體的升沉運(yùn)動(dòng)位移和液缸位移的差值,控制伺服閥的開(kāi)啟度和液壓油的流向,給主動(dòng)缸供油,控制主動(dòng)補(bǔ)償液缸的移動(dòng)速度和方向,使液缸活塞的運(yùn)動(dòng)與船體的升沉運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)盡可能吻合,從而減小升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆頭鉆壓的影響,提升整體系統(tǒng)的補(bǔ)償效果[11-14]。

圖4為控制系統(tǒng)分布式采集控制結(jié)構(gòu)圖。分布式站點(diǎn)通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與PLC進(jìn)行通訊。司鉆房觸摸屏通過(guò)Ethernet的方式與PLC實(shí)時(shí)地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和指令傳遞。PLC采用冗余設(shè)計(jì),控制器熱備份,降低停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 系統(tǒng)分布式采集控制結(jié)構(gòu)圖

集中采集控制的方案特點(diǎn)是所有的信號(hào)經(jīng)過(guò)電纜直接接入控制柜,由于控制點(diǎn)數(shù)太多,一個(gè)機(jī)架不能安裝足夠數(shù)量的模塊,需要進(jìn)行機(jī)架擴(kuò)展。

兩種方案的對(duì)比如表3所示。由于該系統(tǒng)分別布置于平臺(tái)不同位置,距離較遠(yuǎn),采集信號(hào)點(diǎn)多,通過(guò)對(duì)比,電控系統(tǒng)采用分布式采集控制方案。

表3 控制系統(tǒng)方案對(duì)比表

2.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在確定主參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)和主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)配置計(jì)算及布置方案設(shè)計(jì)[15-16],進(jìn)行目標(biāo)鉆井平臺(tái)/船高精度深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)[15-16]。高精度深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

1) 采用半主動(dòng)死繩端式補(bǔ)償方案,被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)承擔(dān)大部分載荷,單獨(dú)開(kāi)啟補(bǔ)償精度為80%左右;主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)克服其余諸如機(jī)械摩擦、氣體壓力波動(dòng)產(chǎn)生的附加載荷,同時(shí)開(kāi)啟可達(dá)90%左右補(bǔ)償精度。

2) 作業(yè)時(shí),浮動(dòng)架體和固定架體鎖銷(xiāo)打開(kāi),補(bǔ)償系統(tǒng)可承擔(dān)4 500 kN的負(fù)荷;移運(yùn)或處理事故時(shí),浮動(dòng)架體和固定架體鎖銷(xiāo)鎖緊,可以承擔(dān)最大9 000 kN的負(fù)荷。

3) 補(bǔ)償缸采用并列豎直布置方式,低位安裝,質(zhì)量減小,降低安裝和維護(hù)難度,節(jié)約空間,利于補(bǔ)償本體裝置的布置。

4) 補(bǔ)償缸活塞桿向上伸出,采用拉缸形式,降低壓桿屈曲,提高設(shè)備可靠性。

5) 被動(dòng)補(bǔ)償采用蓄能器加高壓氣瓶形成空氣彈簧,補(bǔ)償效果可靠,同時(shí)達(dá)到節(jié)能的效果。主動(dòng)補(bǔ)償形式采用并行等速缸調(diào)節(jié)升沉量和鉆壓,提高補(bǔ)償精度。

6) 控制系統(tǒng)采用冗余式PLC分布式站點(diǎn)控制,保證系統(tǒng)控制的可靠、靈活。主動(dòng)補(bǔ)償采用泵控和閥控并聯(lián)方式控制,提高效率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

3 深水鉆井補(bǔ)償系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目包括:最大補(bǔ)償載荷試驗(yàn)、額定靜載荷試驗(yàn)、補(bǔ)償功能試驗(yàn)。

最大補(bǔ)償載荷試驗(yàn)、額定靜載荷試驗(yàn)分別檢驗(yàn)補(bǔ)償工況和非補(bǔ)償工況最大承載強(qiáng)度。通過(guò)載荷測(cè)試應(yīng)力最大值、殘余變形與試驗(yàn)大綱要求數(shù)值比較,各組數(shù)據(jù)應(yīng)力最大值均小于265 MPa,殘余變形小于0.2%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)驗(yàn)證要求。試驗(yàn)完成后將產(chǎn)品解體,對(duì)主要承載件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),各承載件強(qiáng)度均符合設(shè)計(jì)要求。

補(bǔ)償功能試驗(yàn)的目的是通過(guò)海況模擬試驗(yàn),檢驗(yàn)被動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償載荷及主動(dòng)補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償位移精度。模擬平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)的正向試驗(yàn)方案較為直觀(guān),但運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)造價(jià)高昂,波浪模擬難度高,因此采用反向試驗(yàn)方案,即保證補(bǔ)償裝置不動(dòng),給定一個(gè)輸入的升沉位移信號(hào),控制活塞桿實(shí)時(shí)跟隨升沉信號(hào)運(yùn)動(dòng)[17],在預(yù)定正弦波激勵(lì)和額定補(bǔ)償載荷作用下,檢測(cè)活塞桿的運(yùn)動(dòng)和輸入位移信號(hào)的偏差,檢測(cè)補(bǔ)償精度,進(jìn)行控制策略評(píng)價(jià),驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性及安全可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明,在外部輸入三組不同特性(幅值和周期)人工模擬海浪的激勵(lì)下,配掛負(fù)載4 500 kN時(shí)最大位移偏差±544 mm(國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品為±533.4 mm～±1 143 mm),補(bǔ)償精度為92.86%,符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)分析對(duì)比游車(chē)式、天車(chē)式、絞車(chē)式、集成式和死繩端式補(bǔ)償方案,針對(duì)液缸舉升鉆機(jī),選擇死繩端液缸補(bǔ)償方案。

2) 對(duì)被動(dòng)式、主動(dòng)式和半主動(dòng)式補(bǔ)償三種補(bǔ)償形式的工作機(jī)理進(jìn)行分析對(duì)比,確定了半主動(dòng)式補(bǔ)償機(jī)理。

3) 根據(jù)全球海域全天候作業(yè)要求,確定了鉆柱補(bǔ)償行程、最大運(yùn)動(dòng)速度、最大的補(bǔ)償載荷、最大大鉤載荷、補(bǔ)償精度等主參數(shù)。

4) 進(jìn)行死繩端式液缸補(bǔ)償?shù)你@柱補(bǔ)償系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),鉆機(jī)系統(tǒng)提升和補(bǔ)償分離式設(shè)計(jì)。采用分布式采集控制策略,降低制造難度,減少系統(tǒng)干擾,提高控制精度。

5) 通過(guò)載荷和海況模擬試驗(yàn),驗(yàn)證了補(bǔ)償系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和控制方案的合理性和可靠性。