秦如雷， 許本沖， 王嘉瑞

(中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

0 引言

受波浪起伏影響，浮式鉆井平臺在工作中，有橫搖、縱搖、升沉三個方向的震蕩運動。其中與鉆井關(guān)系最為密切的，是平臺的升沉運動。平臺的上下升沉會帶動鉆頭做相應(yīng)的運動，這就會使鉆頭與孔底不能保持穩(wěn)定的接觸，施加在鉆頭上的鉆壓不穩(wěn)定、不可控，鉆井質(zhì)量無法滿足技術(shù)要求。升沉幅度過大還會導(dǎo)致鉆頭及下部鉆具組合由于超壓而降低壽命。

歐美等技術(shù)發(fā)達國家已有少數(shù)公司能夠生產(chǎn)解決上述問題的核心裝備——鉆柱升沉補償系統(tǒng)。而我國由于工業(yè)，尤其在海工準備領(lǐng)域基礎(chǔ)條件薄弱，目前在該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。通過對常用的鉆柱升沉補償系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用分析，為工程技術(shù)人員選用或開發(fā)相關(guān)設(shè)備提供技術(shù)基礎(chǔ)。

國外鉆井公司曾開發(fā)過伸縮鉆桿來補償鉆柱升沉運動的行程，但是伸縮鉆桿密封與強度問題都使其使用效果差強人意。隨著海洋鉆井技術(shù)與裝備的進步，升沉補償系統(tǒng)取代了伸縮鉆桿，其結(jié)構(gòu)形式有天車式、游車式等多種形式，均是基于被動式和主動式2種基本原理開發(fā)。被動鉆柱升沉運動補償系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地解決了浮式鉆井平臺升沉運動引起的鉆井問題。但是被動補償系統(tǒng)屬于后發(fā)系統(tǒng)，補償響應(yīng)在波浪之后，補償精度受鉤載影響大，淺水或淺井使用時補償精度不高。20世紀90年代，鉆井裝備廠商研制出了主動升沉補償系統(tǒng)，這是一種基于電腦控制、液壓響應(yīng)的閉環(huán)補償系統(tǒng)，彌補了被動補償?shù)牟蛔?，補償精度大大提高。

1 升沉補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

鉆柱升沉補償系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)形式可分為天車式、游車式、死繩式、絞車式和主缸式，其結(jié)構(gòu)如圖1～5所示。每種補償系統(tǒng)的概況與特點見表1。

圖1天車補償
Fig.2Travelingblockcompensation
圖2游車補償
Fig.1Crowncompensation

圖3 死繩補償Fig.3 Dead rope compensation圖4 主缸補償Fig.4 Master cylinder compensation

圖5 絞車補償Fig.5 Winch compensation

2 被動補償系統(tǒng)

被動補償系統(tǒng)是一套用來使浮式鉆井平臺可以保持基本恒定鉆壓的設(shè)備。它可以看做是一個用來減少平臺升沉運動對施加在鉆頭上鉆壓影響的低剛性“彈簧系統(tǒng)”。該系統(tǒng)使用很多罐壓縮空氣來充當“彈簧”，而驅(qū)動彈簧的“負載”就是大鉤載荷。壓縮或釋放與被動補償油缸相連的蓄能器中的壓縮氣體，使油缸保持恒定的拉力，維持基本恒定的鉆頭位置和鉆壓。

表1 不同升沉補償系統(tǒng)簡介[1]Table 1 Introduction to different heave compensation systems[1]

被動補償系統(tǒng)主要由氣液蓄能器、補償油缸、高壓氣罐組成，原理如圖6所示。

圖6 被動補償系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of passive heave compensation system

被動升沉補償系統(tǒng)在鉆頭接觸孔底后開始起作用，所產(chǎn)生的力和運動用來平衡鉆井平臺升沉行程。如果鉆具懸吊著沒接觸孔底，那么被動補償系統(tǒng)將不產(chǎn)生作用；還需要指出的是，負載變動與行程變化是不存在正比例關(guān)系的。被動升沉補償系統(tǒng)通常都會有啟動載荷，這一載荷值為鉤載的8%～12%，如果鉤載變化量達到這一啟動載荷值，那么被動補償系統(tǒng)將會開始正常工作。在鉤載較輕的情況下，被動補償系統(tǒng)將不能精準響應(yīng)浮式鉆井平臺升沉運動[2-7]。

3 主動補償系統(tǒng)

在升沉補償系統(tǒng)中，“主動”一詞的含義是：可以實時響應(yīng)浮式鉆井平臺的升沉運動，在相當大的程度上保持鉆頭在孔底的穩(wěn)定。

目前常用的主動升沉補償系統(tǒng)都是基于同樣的工作原理開發(fā)，通過升沉運動傳感器(MRU)監(jiān)測浮式鉆井平臺所處海域的洋流運動情況，并將數(shù)據(jù)傳遞至控制單元，控制單元通過讀取傳輸過來的數(shù)據(jù)分析浪高、頻率等海浪特性，之后向液壓動力站發(fā)送指令，液壓泵根據(jù)指令調(diào)節(jié)到合適的流量驅(qū)動油缸，使大鉤在海浪下可以實時保持相對固定的位置。主動補償系統(tǒng)對波浪特性的協(xié)同程度可達80%～93%，鉤載補償精度偏差僅為1%～2%[8-15]。

主動補償系統(tǒng)可以在整個鉆井期間使鉆頭與孔底保持相對位置不變，其主要由以下5部分組成：

(1)補償油缸和蓄能缸；

(2)升沉運動傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統(tǒng)；

(5)液壓動力站。

主動升沉補償系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 主動升沉補償系統(tǒng)原理[15-16]Fig.7 Schematic diagram of active heave compensation system[15-16]

4 主被動一體式升沉補償系統(tǒng)

一體式升沉補償系統(tǒng)是結(jié)合主動式與被動式之間的復(fù)合系統(tǒng)，充分利用了兩者的優(yōu)勢。國內(nèi)學者的仿真研究結(jié)果表明，在同樣的控制目標下，一體式補償系統(tǒng)所需的能量比主動系統(tǒng)小，僅為主動式系統(tǒng)的10%；高壓氣瓶的體積為被動補償系統(tǒng)體積的40%，甚至更小[18-19]。

一體式升沉補償系統(tǒng)主要由6部分組成：

(1)高壓氣罐、蓄能器和驅(qū)動油缸；

(2)升沉運動傳感器；

(3)控制單元；

(4)操作系統(tǒng)；

(5)液壓動力站；

(6)補償平衡架。

一體式升沉補償系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 一體式升沉補償系統(tǒng)原理圖Fig.8 Schematic diagram of integral heave compensation system

一體式系統(tǒng)使用被動缸承載鉆柱大部分質(zhì)量，主動缸作為補充，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r響應(yīng)波浪帶來的升沉變化，同時克服被動油缸的摩阻和氣瓶內(nèi)氣體體積變化帶來的不穩(wěn)定[20-21]。

5 升沉補償系統(tǒng)使用實例

鉆柱升沉補償系統(tǒng)(主要是主動補償系統(tǒng))在海洋鉆井領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，不止于鉆井過程中使用。其他的工作諸如：BOP下放、取心作業(yè)、下套管和尾管懸掛工具、LMRP斷開與回接，均使用升沉補償系統(tǒng)來提高工作效率[8]。

5.1 石油鉆井試驗應(yīng)用[8]

為了量化評價已安裝到平臺上的主動補償系統(tǒng)使用價值，北海海域的一艘四代半潛平臺在最低工作氣象條件下安排了2回次各30 min的鉆井試驗，分別試驗打開與關(guān)閉主動補償?shù)男Ч?，通過錄井儀器記錄鉆井施工參數(shù)。試驗海況：風速30～35節(jié)，浪高3.9～5.4 m，平臺升沉量1.2～1.8 m。

試驗所在地的地層為泥巖，鉆具組合為?311 mm PDC鉆頭+螺桿馬達，試驗井深4200 m，試驗井深立管壓力29 MPa，螺桿馬達失速壓力30 MPa。根據(jù)設(shè)計，鉆壓需保持54～73 kN。

在關(guān)閉主動補償?shù)?4 min試驗里，錄井儀器記錄數(shù)據(jù)見表2。關(guān)閉補償系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計值如圖9所示。

表2 關(guān)閉主動補償數(shù)據(jù)Table 2 Data without active compensation

圖9 關(guān)閉補償系統(tǒng)統(tǒng)計值Fig.9 Data without active compensation

鉆壓平均為52.66 kN，鉆速為27.38 m/h。

通過記錄的數(shù)據(jù)可以看出，關(guān)閉補償系統(tǒng)時，鉆壓是一直波動變化的，變化量取決于平臺的升沉幅度。

在打開主動補償?shù)?4 min試驗里，錄井儀器記錄數(shù)據(jù)見表3。

表3 打開主動補償數(shù)據(jù)Table 3 Data with active compensation

使用補償系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計值如圖10所示。

鉆壓平均值56.11 kN，鉆速為38.96 m/h。

從以上記錄的數(shù)據(jù)可以看出，打開主動補償后，鉆速提升了11.6 m/h。

通過完整的對比2次試驗參數(shù)，沒有主動補償參與的鉆井過程中，如鉆壓一類的鉆井參數(shù)雖然連續(xù)，但是需要司鉆人為的不停地改變鉆壓。打開主動補償?shù)你@井工況下，平均鉆壓減小，鉆速加快，鉆頭和馬達都延長了使用壽命。雖然無法量化衡量節(jié)省的鉆頭和馬達數(shù)量到底有多少，但是在最低工作條件下，主動補償系統(tǒng)所提供的優(yōu)勢是不可比擬的。

圖10 使用補償系統(tǒng)統(tǒng)計值Fig.10 Statistics with compensation system

5.2 海洋取心鉆井應(yīng)用實例[8]

主動補償系統(tǒng)在海洋取心作業(yè)中也扮演著重要的角色，由于極高的巖心質(zhì)量依賴于作用于孔底恒定的鉆壓，因此主動補償系統(tǒng)功不可沒。

勘探區(qū)位于北海的石油公司，冬季作業(yè)時鉆井平臺升沉幅度在1.5 m，甚至更高，進行了6口井1300 m的取心作業(yè)，巖心采取率達96.3%。

在?216 mm井眼單組巖心最大長度80.5 m，在?311 mm井眼單組巖心最大長度50.2 m，平均巖心長度41 m。

6 結(jié)論

升沉補償系統(tǒng)作為海洋鉆井的核心裝備，不僅能夠提高鉆進效率，還能夠有效減少由于天氣帶來的停工，為成本高昂的海洋鉆井有效降低非必要的支出。我國正大力推進海洋強國戰(zhàn)略，未來搭載深沉補償系統(tǒng)的鉆井平臺和鉆井船將會成為主流，對于工程技術(shù)人員來說，掌握升沉補償系統(tǒng)原理，在使用該裝備或研發(fā)有自主知識產(chǎn)權(quán)的升沉補償系統(tǒng)中都將大有裨益。