徐 濤 劉清友

（1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 四川成都 610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500）

徐濤，劉清友.深水鉆井平臺被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：92-97.

由于深水油氣開發(fā)所屬環(huán)境的特殊性，使得鉆井平臺或鉆井船在外界波、浪、流的作用下產(chǎn)生升沉、縱蕩、橫蕩、平搖、橫搖和縱搖等6個(gè)自由度的復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)，其中升沉運(yùn)動(dòng)會引起井底鉆壓產(chǎn)生波動(dòng)，嚴(yán)重影響鉆井效率［1-2］。目前，為解決深水鉆井平臺的升沉補(bǔ)償問題，均采取增加升沉補(bǔ)償裝置對此類運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以保持井底鉆壓的穩(wěn)定，提高深水鉆井作業(yè)的效率和安全。

天車升沉補(bǔ)償裝置是現(xiàn)場應(yīng)用較早且技術(shù)可靠度較高的補(bǔ)償裝備。國外Burns等［3］最早提出了采用鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的天車升沉補(bǔ)償裝置；Foreman等［4］對天車升沉補(bǔ)償裝置的鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種將補(bǔ)償液壓缸和鋼絲繩導(dǎo)向輪相結(jié)合的新型補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；Groot等［5］采用鋼絲繩與滑輪組相配合的形式替代鋼絲繩搖臂，形成了一類新的天車升沉補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；Haao等［6］對天車升沉補(bǔ)償裝置在被動(dòng)補(bǔ)償和主動(dòng)補(bǔ)償過程中的摩擦問題進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦力會對井底鉆壓產(chǎn)生影響。國內(nèi)姜浩等［7］以電液比例方向閥和變量泵為控制對象，對升沉補(bǔ)償裝置中液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)控制，發(fā)現(xiàn)閥控和泵控方式因能耗和補(bǔ)償效果不同而適用于不同的工況條件；王海波 等［8］通過建立拖體被動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的非線性仿真模型，分析發(fā)現(xiàn)了蓄能器壓力和流量的非線性關(guān)系促使拖體產(chǎn)生“深度漂移”現(xiàn)象；張彥廷 等［9］通過建立鋼絲繩搖臂裝置的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)搖擺裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對天車運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力狀態(tài)和補(bǔ)償性能具有較大影響。

現(xiàn)有的天車升沉補(bǔ)償裝置鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)并不具備能量存儲和釋放的被動(dòng)補(bǔ)償功能，但鋼絲繩所懸掛鉆柱質(zhì)量有上百噸，在使用天車升沉補(bǔ)償裝置對鉆柱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償過程中，鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)部分具有大量可利用的能量，因此通過適當(dāng)改進(jìn)該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對被動(dòng)補(bǔ)償過程進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)、力學(xué)和能量分析，將搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的能量補(bǔ)償?shù)教燔嚿裂a(bǔ)償過程中，可提高用于升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的能量利用率，提高補(bǔ)償效率。本文通過新設(shè)計(jì)的液壓缸與蓄能器裝置的配合，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的被動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，達(dá)到了提高裝置能量利用率和補(bǔ)償效率的目的。

1 被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)投入使用的深水鉆井平臺天車升沉補(bǔ)償裝置如圖1所示，主要由補(bǔ)償液壓缸、浮動(dòng)天車、鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)和天車導(dǎo)軌等組成。其中，鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)主要用來減少鋼絲繩運(yùn)動(dòng)過程中的纏繞次數(shù)以提高疲勞壽命，主要通過兩搖臂撐桿配合導(dǎo)向輪（一端將鉆井鋼絲繩從絞車導(dǎo)入天車，另一端導(dǎo)入死繩固定器），運(yùn)動(dòng)過程中大量可利用的能量能夠通過被動(dòng)補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)用于天車升沉補(bǔ)償過程中。

圖1 深水鉆井平臺天車升沉補(bǔ)償裝置Fig.1 Crown-block heave compensation device of deep water drilling platform

新設(shè)計(jì)的帶有被動(dòng)補(bǔ)償功能的深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)示意圖見圖2，被動(dòng)補(bǔ)償功能主要通過帶有蓄能器的液壓缸實(shí)現(xiàn)，液壓缸活塞桿與鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)中的搖臂撐桿1和撐桿2的移動(dòng)鉸相連接，被動(dòng)補(bǔ)償過程如下：絞車快繩繞過快繩導(dǎo)向輪和搖臂導(dǎo)向輪后進(jìn)入天車和游車中進(jìn)行纏繞，搖臂導(dǎo)向輪在保證鋼絲繩確定運(yùn)動(dòng)軌跡的情況下有助于減輕鋼絲繩在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中的磨損，搖臂撐桿1和搖臂撐桿2可繞移動(dòng)鉸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 深水鉆井平臺被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of passive compensation wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

當(dāng)深水鉆井平臺在外界環(huán)境載荷作用下產(chǎn)生向上的升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)［10-11］，天車升沉補(bǔ)償裝置的浮動(dòng)天車在外力驅(qū)動(dòng)下在天車導(dǎo)軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)以進(jìn)行位移補(bǔ)償，鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的移動(dòng)鉸向靠近井架的方向運(yùn)動(dòng)，由于鋼絲繩所懸掛的鉆柱質(zhì)量較大，使其在搖臂運(yùn)動(dòng)過程中對搖臂導(dǎo)向輪產(chǎn)生較大壓力，通過移動(dòng)鉸與導(dǎo)向輪相連的液壓缸活塞桿受壓力將收縮并對液壓缸中的液壓油進(jìn)行壓縮，并利用蓄能器實(shí)現(xiàn)能量的儲存；當(dāng)深水鉆井平臺產(chǎn)生向下的運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要浮動(dòng)天車向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的移動(dòng)鉸隨之向遠(yuǎn)離井架的方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)蓄能器釋放前一運(yùn)動(dòng)中儲存的能量推動(dòng)活塞桿向外運(yùn)動(dòng)，通過搖臂導(dǎo)向輪帶動(dòng)鋼絲繩所懸掛的鉆柱向上運(yùn)動(dòng)，減輕外界補(bǔ)償能量的供給。圖3為深水鉆井平臺被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)三維模型，液壓缸與蓄能器的相互配合，實(shí)現(xiàn)了鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中的能量儲存和釋放，使鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)具有被動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，能有效地提高能量利用率和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償效率。

圖3 深水鉆井平臺被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)三維模型Fig.3 3D model of passive compensation wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

2 鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)被動(dòng)補(bǔ)償分析

2.1 運(yùn)動(dòng)分析

圖4為深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖。將鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)簡化為帶有被動(dòng)補(bǔ)償液壓缸的偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)和滑塊的浮動(dòng)天車在固定直軌道上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，搖臂撐桿1和搖臂撐桿2分別簡化為連桿和搖桿，液壓缸活塞桿與連桿移動(dòng)端相連接。

圖4 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Movement schematic diagram of wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

結(jié)合圖2和圖4，對具有被動(dòng)補(bǔ)償功能的天車升沉補(bǔ)償裝置鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。建立以搖臂撐桿1固定位移點(diǎn)O為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)系，搖臂撐桿1長度為P1，搖臂撐桿2長度為P2，帶有被動(dòng)補(bǔ)償功能的液壓缸距兩坐標(biāo)系的固定距離分別為S1和L1，撐桿1沿坐標(biāo)原點(diǎn)做順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，選取運(yùn)動(dòng)過程中的2個(gè)階段進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，撐桿1與橫坐標(biāo)夾角為α1和α2，撐桿2與滑塊直軌道夾角為β1和β2，則位移補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中液壓缸被壓縮量Δq為

浮動(dòng)天車的升沉補(bǔ)償位移L為

2.2 被動(dòng)補(bǔ)償能量分析

鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的被動(dòng)補(bǔ)償能量主要來源于浮動(dòng)天車在升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過程中，通過鋼絲繩在搖臂導(dǎo)向輪上的收縮移動(dòng)對液壓缸活塞桿產(chǎn)生壓力，使氣液蓄能器發(fā)生壓縮能量的存儲，同時(shí)可通過氣液蓄能器釋放所存儲的能量使液壓缸活塞桿推動(dòng)鋼絲繩運(yùn)動(dòng)，對浮動(dòng)天車的升沉運(yùn)動(dòng)進(jìn)行被動(dòng)補(bǔ)償。該機(jī)構(gòu)在被動(dòng)補(bǔ)償過程中由鋼絲繩、液壓缸活塞桿、液壓缸內(nèi)液壓油和氣液蓄能器中氣體組成了一個(gè)完整的能量循環(huán)系統(tǒng)。為分析該機(jī)構(gòu)在被動(dòng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況和流體流動(dòng)情況，建立了鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)被動(dòng)補(bǔ)償模型，如圖5所示。

設(shè)鋼絲繩通過搖臂導(dǎo)向輪作用到液壓缸活塞面上的載荷為F，液壓缸活塞質(zhì)量和面積分別為mb和Ab，液壓缸無桿腔壓力、容積和管路壓力分別為PL、Vb和Pz，液壓缸通過管路流入氣液蓄能器的流量為qL，氣液蓄能器儲氣罐在被動(dòng)補(bǔ)償過程中的壓力和活塞面積分別為Pz和Az，建立液壓缸中流體的流量模型［12］，則液壓缸內(nèi)液壓油的連續(xù)性方程和活塞運(yùn)動(dòng)平衡方程分別為

式（3）、（4）中：vb為活塞運(yùn)動(dòng)速度PL為液壓缸無桿腔液體壓力，MPa；F為活塞桿載荷，N；λc為管路泄漏系數(shù)；c為缸內(nèi)液壓油的粘性阻尼系數(shù)；K為油液體積彈性模量，MPa。

圖5 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)被動(dòng)補(bǔ)償模型Fig.5 Passive compensation model of wire rope rocker mechanism of deep water drilling platform

方程中的粘性阻尼系數(shù)c和油液體積彈性模量K可由下式計(jì)算：

式（5）、（6）中：vg為液壓缸內(nèi)的液體流速，m／s；γ為與壓力損失有關(guān)的速度指數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取1.2；D為實(shí)驗(yàn)系數(shù)；ΔV為油液體積改變量，m3；ΔP為與ΔV相對應(yīng)的油液壓力改變量，MPa；V0為初始狀態(tài)油液體積，m3。

對于未混入空氣的礦物油型液壓油［13］，其體積彈性模量K一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值為700 MPa。

3 算例分析

在天車升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行升沉補(bǔ)償過程中，鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)所受負(fù)載主要包括鉆柱、游車大鉤、頂驅(qū)和天車升沉補(bǔ)償裝置部件的質(zhì)量。選取一口設(shè)計(jì)井，井深為6 000 m，鉆頭尺寸為215.9 mm，最大鉆壓為16 t，鉆井液浮力系數(shù)為0.808 9［14］，對天車升沉補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，求得天車總負(fù)載質(zhì)量M為240 t。浮動(dòng)天車有8個(gè)滑輪，其中有7個(gè)為負(fù)重滑輪，1個(gè)為運(yùn)動(dòng)輔助滑輪，由于鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)在浮動(dòng)天車兩側(cè)對稱安裝，則浮動(dòng)天車端鋼絲繩總受力

初始狀態(tài)時(shí)，浮動(dòng)天車鋼絲繩與液壓缸活塞桿的夾角θ1=75°，搖臂撐桿2與滑塊直軌道夾角β1=84°，以搖臂導(dǎo)向輪為圓心O0，補(bǔ)償缸活塞桿支撐力F方向?yàn)閅0向的坐標(biāo)系O0-X0Y0如圖6所示，快繩導(dǎo)向輪的鋼絲繩拉力為Fk，則力平衡方程為

初始狀態(tài)中搖臂撐桿1的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α1=57°，代入式（7）和式（8）中求得快繩導(dǎo)向輪的鋼絲繩拉力Fk=242.52 k N，補(bǔ)償缸活塞桿的初始壓力F=223.71 k N。

圖6 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)補(bǔ)償缸初始狀態(tài)受力分析Fig.6 Analysis of compensation cylinder initial state force of deep water drilling platform

為降低鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)被動(dòng)補(bǔ)償部分中氣液蓄能器壓縮空氣的工作壓力，依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選定被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)中單作用活塞式液壓缸內(nèi)徑D=200 mm。由式（4）液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)平衡方程可得，鋼絲繩通過搖臂導(dǎo)向輪作用在液壓缸活塞的載荷與液壓缸下端無桿腔中液壓力相互平衡，則氣液蓄能器的初始工作壓力PLo為

鉆井平臺工作海域的海浪運(yùn)動(dòng)規(guī)律視為正弦波運(yùn)動(dòng)，浮式鉆井平臺在海浪波流力作用下的升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律是與海浪運(yùn)動(dòng)相似但幅值不同的正弦波運(yùn)動(dòng)。當(dāng)波浪周期為5～15 s時(shí)，平臺升沉運(yùn)動(dòng)位移與波高的比值μ小于0.5，假設(shè)7級海況條件下的海浪波高H=8 m，海浪的運(yùn)動(dòng)周期T=12 s，平臺升沉位移與波高的比值μ=0.5，則鉆井平臺的升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律為

由式（9）可得，鉆井平臺隨海浪的升沉運(yùn)動(dòng)幅值為2 000 mm，升沉運(yùn)動(dòng)周期為12 s?，F(xiàn)天車升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償位移L=4 000 mm，圖4所示的鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)中搖臂撐桿1的長度P1=8 278 mm，搖臂撐桿2的長度P2=4 579 mm，液壓缸距兩坐標(biāo)系的固定距離分別為S1=5 497 mm和L1=1 420 mm，搖臂撐桿1轉(zhuǎn)動(dòng)角度α1=57°和α2=44°，則由式（1）代入計(jì)算數(shù)據(jù)可得液壓缸被壓縮量Δq=q1-q2=1 256 mm。

在天車升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中，隨著鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)，被動(dòng)補(bǔ)償裝置中的液壓缸通過氣液蓄能器活塞使蓄氣瓶內(nèi)空氣膨脹或壓縮，從而進(jìn)行被動(dòng)補(bǔ)償能量的釋放或儲存。假設(shè)蓄氣瓶內(nèi)壓縮空氣是在等溫和忽略油液壓縮的條件下，同時(shí)依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊選定FGXQ1-40／20型儲氣瓶總?cè)莘eVz=800 L，HXQ-E40Z型活塞式氣液蓄能器活塞直徑Dz=200 mm，則鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)在天車升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中被動(dòng)儲存的蓄氣瓶壓力Q為

使用AMESim系統(tǒng)仿真平臺簡化出被動(dòng)式升沉補(bǔ)償裝置的仿真模型如圖7所示，其中A部分表示補(bǔ)償缸模型，B部分表示大鉤動(dòng)載輸出，C部分表示大鉤位移和速度激勵(lì)信號，D部分表示鉆柱模型，鉆井平臺隨海浪產(chǎn)生的升沉運(yùn)動(dòng)規(guī)律由式（9）確定。

圖7 深水鉆井平臺升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of heave compensation system of deep water drilling platform

圖8 深水鉆井平臺鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)升沉補(bǔ)償效果對比Fig.8 Effect of heave compensation contrast of deep water drilling platform

天車升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效果如圖8所示，圖中3條曲線分別為平臺升沉運(yùn)動(dòng)曲線、天車升沉補(bǔ)償裝置對平臺運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償后的大鉤位移曲線和帶有被動(dòng)式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的天車升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的大鉤位移曲線。從圖8可知，帶有被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的天車升沉補(bǔ)償裝置比僅有天車升沉補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償效率提高約25%，使升沉補(bǔ)償效果有較大增加，有助于減小平臺升沉運(yùn)動(dòng)對大鉤位移造成的影響。同時(shí)，帶有被動(dòng)補(bǔ)償式鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的天車升沉補(bǔ)償裝置使大鉤位移變化趨勢有所減緩，可減輕井底鉆頭因平臺升沉運(yùn)動(dòng)造成的沖擊程度，有助于提高井底鉆壓穩(wěn)定和鉆頭使用壽命。

4 結(jié)束語

鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)作為深水鉆井平臺天車升沉補(bǔ)償裝置的組成部分，在升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過程中可減少鋼絲繩的纏繞次數(shù)和磨損，提高使用壽命。通過新設(shè)計(jì)的液壓缸與蓄能器裝置的配合，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的被動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?，達(dá)到了提高裝置能量利用率和補(bǔ)償效率的目的。通過對鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，得到了被動(dòng)補(bǔ)償液壓缸活塞桿在升沉補(bǔ)償過程中的伸縮規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)天車升沉補(bǔ)償位移與鋼絲繩兩搖臂撐桿的長度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)聯(lián)；通過對鋼絲繩搖臂機(jī)構(gòu)被動(dòng)補(bǔ)償模型的建立和分析，得到了補(bǔ)償液壓缸內(nèi)液體流量模型和活塞的力平衡方程。工程算例分析表明，運(yùn)用該機(jī)構(gòu)能有效提高升沉補(bǔ)償效率和增加補(bǔ)償過程中的能量利用率。

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