劉志桐，吳衛(wèi)周，趙鵬，杜永軍，鄭萬里，李歡

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721000）

補(bǔ)償系統(tǒng)是海洋油氣勘探開發(fā)的核心部件，主要用于鉆井作業(yè)中克服船體升沉對鉆柱上下位移的影響，維持井底鉆壓穩(wěn)定，提高鉆井效率。目前海洋平臺或船體的補(bǔ)償系統(tǒng)大體分為主動和被動式兩種，現(xiàn)有配套的鉆機(jī)多數(shù)以絞車起升下放為主，采用主動式補(bǔ)償系統(tǒng)一般價(jià)格高昂，系統(tǒng)復(fù)雜維護(hù)困難；而其采用的被動補(bǔ)償系統(tǒng)，由于多數(shù)使用多繩系的游車裝置或通過滑輪鋼絲繩帶動補(bǔ)償油缸，導(dǎo)致系統(tǒng)的補(bǔ)償精度不高，補(bǔ)償范圍受限。為此，設(shè)計(jì)和研發(fā)的DC40/60-Y型補(bǔ)償系統(tǒng)，配套在液缸式舉升鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)補(bǔ)償，該系統(tǒng)已在廣州地質(zhì)調(diào)查局的海洋地質(zhì)十號船中應(yīng)用，并達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 技術(shù)分析

結(jié)構(gòu)如圖1所示，補(bǔ)償裝置本體分為上下架體兩部分，補(bǔ)償油缸安裝和固定在上架體，下架體連接頂驅(qū)和鉆柱。上架體與鉆機(jī)舉升油缸提升鋼絲繩連接，在提升鋼絲繩的帶動下沿井架中的導(dǎo)軌上下運(yùn)動完成補(bǔ)償功能；補(bǔ)償油缸采用倒置方式，通過補(bǔ)償油缸有桿腔活塞伸縮實(shí)現(xiàn)鉆柱的波浪補(bǔ)償。鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)本體側(cè)面安裝有鎖緊油缸，通過遠(yuǎn)程操作鎖緊油缸活塞桿伸縮，驅(qū)動補(bǔ)償裝置完成插銷動作，將補(bǔ)償裝置本體與頂驅(qū)滑車機(jī)械連接為一個(gè)整體，從而關(guān)閉其補(bǔ)償功能，適應(yīng)最大提升載荷。

2 液氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 補(bǔ)償裝置本體結(jié)構(gòu)示意圖

DC40/60-Y型被動補(bǔ)償液氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由被動補(bǔ)償油缸、蓄能器、隔離閥組、高壓空壓機(jī)組、氣瓶組等組成?；钊叫钅芷饔糜诟艚^補(bǔ)償油缸中液壓介質(zhì)和工作氣瓶組中的壓縮空氣，與工作氣瓶組共同構(gòu)成液氣彈簧，承受補(bǔ)償裝置負(fù)載。高壓空壓機(jī)組采用一備一用方式為氣瓶組充氣，兩臺高壓空壓機(jī)單臺流量1500L/min，最大工作壓力均可以達(dá)到25MPa，空壓機(jī)組與備用氣瓶組相連，其輸出的高壓氣體儲存在備用氣瓶組中，空壓機(jī)組具有遠(yuǎn)程與本地兩種操作模式。通過主氣閥的開閉和增減氣壓控制，使補(bǔ)償載荷和被動補(bǔ)償油缸壓力平衡，增減壓和主氣閥控制柜內(nèi)部的電控閥門動作由低壓氣源供給。隔離閥組和防爆閥組為蓄能器和補(bǔ)償油缸之間提供保護(hù)，在升沉補(bǔ)償系統(tǒng)有顯著的負(fù)載消耗時(shí)，由于蓄能器原有的能量（氣壓），流量會加速流動，當(dāng)流速達(dá)到設(shè)定的關(guān)斷值時(shí)，隔離閥會快速關(guān)斷防止事故發(fā)生；被動液壓站的作用主要是在開始工作時(shí)為蓄能器、補(bǔ)償油缸和鎖緊油缸充油；補(bǔ)償系統(tǒng)開始時(shí)由高壓空壓機(jī)為氣瓶組充氣，當(dāng)高于補(bǔ)償載荷所需的額定預(yù)計(jì)壓力后停止；氣瓶組壓力主要由懸重傳感器實(shí)時(shí)測定的鉤載決定，當(dāng)補(bǔ)償功能使用時(shí)，蓄能器將自身壓力反饋至控制系統(tǒng)，并通過控制單元計(jì)算，控制氣瓶組、主氣閥等補(bǔ)償或釋放氣壓，系統(tǒng)整體可以達(dá)到自適應(yīng)檢查和調(diào)節(jié)目的。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)視整個(gè)補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)，包括補(bǔ)償載荷、氣動系統(tǒng)壓力、液壓系統(tǒng)壓力、補(bǔ)償油缸位置、油箱液位、鎖緊/解鎖指示等。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)提示設(shè)備操作人員。補(bǔ)償裝置電控系統(tǒng)主要包括安放于司鉆房內(nèi)的補(bǔ)償裝置操作箱、安放于船體電控間中的補(bǔ)償裝置控制柜以及安放于現(xiàn)場執(zhí)行器的傳感器（如補(bǔ)償油缸位移傳感器、鎖緊油缸接近開關(guān)、增減壓氣控制柜中的壓力傳感器）。

補(bǔ)償裝置電控系統(tǒng)主要部件包括：中央控制器、人機(jī)交互面板（HIM）、物理開關(guān)、指示燈等。安放于綜合地質(zhì)調(diào)查船電控間中的補(bǔ)償裝置控制柜中布置中央控制器，輸入輸出（IO）模塊，各類中間繼電器，安全隔離柵等電氣元件，中央控制器根據(jù)輸入模塊采集的補(bǔ)償裝置現(xiàn)場執(zhí)行器工作狀態(tài)，依靠其內(nèi)置的控制程序監(jiān)視整個(gè)補(bǔ)償裝置的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)完成補(bǔ)償裝置工作過程中工作氣瓶組中工作氣壓的自動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鉤重檢查及補(bǔ)償器自動調(diào)節(jié)。為方便司鉆操作補(bǔ)償裝置，在司鉆房內(nèi)提供補(bǔ)償裝置操作箱，操作箱內(nèi)嵌人機(jī)交互面板（HIM）用于圖形化顯示補(bǔ)償裝置現(xiàn)場執(zhí)行器的工作狀態(tài)，操作箱面板上安裝操作補(bǔ)償裝置要求使用的物理按鈕（諸如主氣閥開/關(guān)、隔離閥開/關(guān)、解鎖鎖緊等操作按鈕），同時(shí)安裝聲光報(bào)警指示，對危及補(bǔ)償裝置功能實(shí)現(xiàn)的危險(xiǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒操作者注意。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

4.1 直驅(qū)補(bǔ)償

常規(guī)的海洋平臺或船體配套的鉆機(jī)多數(shù)以電控或液控絞車起升下放為主，很少直接使用主動式補(bǔ)償系統(tǒng)，而其采用的被動補(bǔ)償系統(tǒng)，多數(shù)會使用多繩系的游車裝置或是通過導(dǎo)向繩索連接補(bǔ)償油缸，導(dǎo)致系統(tǒng)的補(bǔ)償精度不高，補(bǔ)償范圍受限。DC40/60-Y型補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償液缸連接架直接連接頂驅(qū)裝置，可以將海浪升降的能量迅速儲存和釋放，能提高鉆井作業(yè)效率和補(bǔ)償反應(yīng)速度。

4.2 補(bǔ)償載荷自反饋動態(tài)調(diào)節(jié)

為維持一個(gè)穩(wěn)定的鉆壓，滿足鉆井作業(yè)過程中出現(xiàn)的補(bǔ)償變載（如鉆深變化、鉆具不同等），需要不斷調(diào)節(jié)氣瓶組工作壓力。DC40/60-Y型補(bǔ)償裝置通過固定在井架的傳壓包將模擬信號放大轉(zhuǎn)換后測定的鉤載傳輸至補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)，通過與蓄能器測定的壓力值比較，并通過位置傳感器檢測蓄能器活塞位置是否處于中位，計(jì)算補(bǔ)償所需額定壓力的差值，自動控制增減壓控制柜和主氣閥控制柜中相應(yīng)的電控閥，達(dá)到保持蓄能器壓力穩(wěn)定，平衡被動補(bǔ)償油缸壓力的目的。

5 結(jié)語

DC40/60-Y型鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，被動式液氣系統(tǒng)補(bǔ)償模式，具有成本低易于維護(hù)和操作的特點(diǎn)，在提高補(bǔ)償精度的同時(shí)也降低了補(bǔ)償過程中的能量消耗，滿足了設(shè)計(jì)和使用要求，目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在廣州地質(zhì)調(diào)查局的海洋地質(zhì)十號船鉆探系統(tǒng)中，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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