雷靜希，李 歡2，唐 維，田亞鈴，楊 琪，曹 舜

(1. 成都工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 611730；2. 寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002)

引言

受波浪的影響，海洋浮式鉆井作業(yè)過程中，井底鉆壓將發(fā)生很大幅的變化，嚴(yán)重時(shí)有可能脫離井底。鉆柱補(bǔ)償裝置的使用，可大幅降低鉆壓波動，保障海洋浮式鉆井正常作業(yè)、提高工作效率，因此，鉆柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能直接影響了海洋油氣開發(fā)的成本[1]。鉆柱補(bǔ)償裝置按照安裝位置可分為游車、天車和死繩端3種類型，按照補(bǔ)償方式可分為被動、主動和主被動聯(lián)合補(bǔ)償3種型式。

現(xiàn)階段，在鉆柱補(bǔ)償裝置的相關(guān)制造領(lǐng)域主要由國外公司所壟斷，如NOV，Aker MH，Cameron等[2]，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也在開展相關(guān)樣機(jī)的研制工作[3-4]，但具有主動補(bǔ)償功能的鉆柱補(bǔ)償裝置還未有實(shí)船應(yīng)用案例。在理論研究和提高補(bǔ)償性能等方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的工作，張彥廷等[5-8]主要對鉆柱補(bǔ)償理論進(jìn)行研究，并針對補(bǔ)償性能提高做了大量的仿真工作；劉清友等[9-11]依托國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，完成了新型游車補(bǔ)償裝置的原理樣機(jī)的研制，在成本和性能上有一定優(yōu)勢。由于鉆柱的慣性和船體的升沉運(yùn)動，鉆柱補(bǔ)償裝置屬于大慣性時(shí)滯系統(tǒng)，加上泥漿的阻力和鉆桿的彈性導(dǎo)致補(bǔ)償性能無法進(jìn)一步提高，國內(nèi)學(xué)者在波浪和船體運(yùn)動預(yù)測領(lǐng)域的研究表明，適當(dāng)?shù)牟ɡ松令A(yù)測對于提高補(bǔ)償性能是可行的[12-13]。

本研究在前人的研究基礎(chǔ)上，分析液缸直驅(qū)式游車鉆柱補(bǔ)償裝置的工作原理、特點(diǎn)，利用AMESim軟件進(jìn)行模型建立，研究其補(bǔ)償性能影響因子以及控制方法，并在控制算法中結(jié)合升沉預(yù)測和跟隨，分析其對提升補(bǔ)償性能的可行性，可為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及實(shí)船應(yīng)用提供依據(jù)。

1 鉆柱補(bǔ)償裝置仿真模型研究

1.1 鉆柱補(bǔ)償裝置建模依據(jù)

鉆柱補(bǔ)償裝置的工作原理類似“液氣彈簧”，其主要由液缸、蓄能器和工作氣瓶組三大部件組成。鉆柱補(bǔ)償裝置在工作過程中，由下游車帶動鉆桿，上游車連接船體，由于船體的升沉運(yùn)動和鉆柱的慣性，上、下游車在“液氣彈簧”的作用下進(jìn)行補(bǔ)償，從而使鉆井過程中井底鉆壓保持一個(gè)相對恒定的狀態(tài)。在研究鉆柱補(bǔ)償裝置時(shí)，需將裝置本體和其連接的鉆桿作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，并進(jìn)行系統(tǒng)動態(tài)性能和響應(yīng)分析[5]，需進(jìn)行跨領(lǐng)域、多軟件聯(lián)合仿真。本研究主要以定性分析為主，因此，在如下方面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，并提出補(bǔ)償裝置建模依據(jù)：

(1) 研究動力學(xué)時(shí)，鉆柱補(bǔ)償裝置液壓缸中的液體以及工作氣瓶中的氣體看成是無重的，只考慮其剛度與阻尼；

(2) 正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆鋌處于壓縮狀態(tài)，可將其看成是與地層相連的剛體；

(3) 忽略電氣元件、傳感器元件的電磁瞬變過程與延時(shí)特性；

(4) 忽略液壓系統(tǒng)油液的泄漏；

(5) 只考慮井架-鋼絲繩-鉆柱彈性系統(tǒng)垂直方向的振動；假設(shè)鉆鋌、游車、天車、大鉤等部件為剛性體。

1.2 鉆柱負(fù)載的數(shù)學(xué)模型

1) 負(fù)載動力學(xué)方程

鉆柱的受力和運(yùn)動情況非常復(fù)雜，補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)和受力示意圖如圖1所示。為便于模型搭建，在研究過程中對其進(jìn)行一定的簡化。將整個(gè)鉆柱受拉部分簡化為一個(gè)彈簧-質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，將鉆柱及大鉤等固定設(shè)備的重量均集中在補(bǔ)償裝置下部架體中，如圖2所示。根據(jù)瑞利法則，將彈性鉆柱的相當(dāng)質(zhì)量簡化為一集中質(zhì)量Md。負(fù)載動力學(xué)方程如下所示：

(1)

式中，F(xiàn)h為提升裝置的提升力，N；Gs為補(bǔ)償裝置的靜載荷(包含鉆柱)，t；Kd為鉆柱的等效剛度，N/m；Xd為下游車的絕對位移，m；Cd為鉆柱在泥漿中的黏滯阻力系數(shù)，N/m·s-1。

1.上部架體 2.下部架體(包含頂驅(qū)、大鉤) 3.被動補(bǔ)償液缸 4.蓄能器 5.低壓氣瓶 6.主動補(bǔ)償液缸 7.鉆柱圖1 鉆柱補(bǔ)償裝置構(gòu)成及受力示意圖

圖2 鉆柱數(shù)學(xué)模型

2) 鉆柱等效剛度

等效剛度計(jì)算公式如下：

(2)

式中，L為鉆柱長度，取10000 m；E為鉆柱材料的彈性模量，取2.06×105MPa；A為鉆柱的橫截面積，按五寸半鉆桿(直徑139.7 mm)，取0.004277。

3) 泥漿粘滯阻力系數(shù)

由于鉆井液的黏性及壓力，鉆柱相對于鉆井液運(yùn)動時(shí)，導(dǎo)致能量耗散。黏性阻力隨著鉆井液速度、密度的增大而增大；因此當(dāng)鉆井液流速或密度較大時(shí)，該阻滯作用不能忽略。泥漿黏滯阻力系數(shù)計(jì)算公式如下：

(3)

式中，CN為摩擦系數(shù)，依據(jù)具體鉆井液的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)決定，水基鉆井液的摩阻系數(shù)取0.1；C1為附加質(zhì)量系數(shù)，置于流體中的圓柱體取1；ρd為泥漿密度，取1200 kg/m3；D為鉆柱直徑，取0.1397 m；vd為泥漿流速，取0.3 m/s。

1.3 模型搭建

1) 模型參數(shù)

以南海某浮式鉆井平臺450 t主被動聯(lián)合型鉆柱補(bǔ)償裝置的參數(shù)帶入模型進(jìn)行分析，其部分參數(shù)如表所示。

表1 450 t鉆柱補(bǔ)償裝置部分參數(shù)

2) 鉆柱補(bǔ)償裝置模型

采用位置反饋PID控制方式，控制的目的是使大鉤的位置維持在參考位置附近(大鉤參考位置由鉆壓和鉆深決定)，從而使井底的鉆壓保持恒定。位置反饋PID控制策略如圖3所示。

圖3 位置反饋控制方法

以正弦信號模擬船體升沉運(yùn)動，依據(jù)模型參數(shù)和位置控制策略，建立裝置模型如圖4所示。

1.4 補(bǔ)償性能分析

1) 補(bǔ)償性能要求

對于深海鉆井作業(yè)，井底鉆壓波動是補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能的關(guān)鍵指標(biāo)，鉆壓波動過大將導(dǎo)致鉆進(jìn)過程時(shí)快時(shí)慢，嚴(yán)重時(shí)可能引起鉆頭脫離或猛烈撞擊井底，引起塌井、鉆頭損壞及其他事故，影響鉆井作業(yè)效率。故要求鉆柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能應(yīng)越高越好，相應(yīng)的鉆壓波動應(yīng)越小。但是，由于受到補(bǔ)償型式、鉆深、海況、配置等多方面因素制約，鉆壓波動不可能完全消除。現(xiàn)對補(bǔ)償型式進(jìn)行分析，研究主動補(bǔ)償開啟之后補(bǔ)償性能改善情況。

圖4 450 t鉆柱補(bǔ)償裝置AMESim模型

2) 補(bǔ)償型式分析

在鉆深10000 m的情況下開啟鉆柱補(bǔ)償裝置，鉆桿重量為380 t，考慮大鉤及頂驅(qū)質(zhì)量，鉆柱補(bǔ)償裝置的最大靜載荷Gs為450 t，相應(yīng)的Md為126.6 t，Kd為88106.2，CN為19749 N·m·s-1。采用正弦信號模擬船體升沉運(yùn)動，信號幅值為3.5 m，周期為12 s，鉆進(jìn)所需的鉆壓要求達(dá)到200 kN。經(jīng)過不同壓力批處理運(yùn)行可以得到系統(tǒng)初始壓力為20 MPa、大鉤參考位移為5 m，鉆壓在200 kN附近波動。

通過控制主動補(bǔ)償開啟和關(guān)閉來模擬被動補(bǔ)償和主被動聯(lián)合補(bǔ)償兩種補(bǔ)償型式的井底鉆壓情況，如圖5和表2所示，圖中F為井底鉆壓，N。

圖5 兩種補(bǔ)償型式鉆壓波動對比示意圖

對比被動補(bǔ)償和主被動聯(lián)合補(bǔ)償?shù)你@壓波動數(shù)據(jù)可知：采取主被動聯(lián)合的型式可大幅改善補(bǔ)償性能，在鉆壓波動要求較小的情況，需開啟主動補(bǔ)償功能。

表2 兩種補(bǔ)償型式鉆壓波動數(shù)據(jù)

2 性能影響因子分析

2.1 鉆深影響分析

隨著鉆井深度的加深，鉆柱的重量也隨之加重。在升沉信號幅值為3.5 m，周期為12 s的海況下，取2000，4000，6000，8000 m 4組鉆深，得到不同的模型參數(shù)。分別進(jìn)行批處理得到鉆壓200 kN時(shí)主被動聯(lián)合補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)壓力和大鉤參考位置，如表3所示。

表3 鉆壓200 kN時(shí)鉆深-系統(tǒng)壓力對應(yīng)表

帶入模型進(jìn)行仿真得到不同鉆深下的井底鉆壓變化如圖6和表4所示。

圖6 鉆井深度對補(bǔ)償性能的影響

序號鉆井深度/m最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%12000343.080.46224000322.2125.04436000293.0151.43248000281.7165.826

分析表2和表4數(shù)據(jù)可以得知：在保障一定的鉆井鉆壓的前提下，鉆井深度的增加引起的系統(tǒng)靜載、動載、阻尼等參數(shù)均發(fā)生變化，從而導(dǎo)致主被動聯(lián)合補(bǔ)償之后的鉆壓波動隨著鉆井深度的增加而減小。

2.2 海況影響分析

在10000 m鉆井深度，20 MPa系統(tǒng)壓力，分析不同海況下的鉆柱補(bǔ)償性能。取不同升沉信號的幅值和周期模擬4種逐漸惡劣的海況帶入模型進(jìn)行批處理，得到不同海況下的鉆壓波動情況如圖7所示，相應(yīng)的數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 海況對補(bǔ)償性能的影響

序號幅值(m)/周期(s)最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%10.5/4.5236.0219.0421/6243.9213.1731.5/8248.9207.4942.25/10257.4197.613

不同海況仿真分析結(jié)果表明，海況對于鉆柱補(bǔ)償裝置的性能影響較大，隨著海況的變差，鉆壓波動將逐漸增大。

2.3 氣瓶組容積影響分析

鉆柱補(bǔ)償裝置配備的氣瓶組主要用于增大蓄能器的氣端容積，通常以被動補(bǔ)償預(yù)期壓力波動為設(shè)計(jì)依據(jù)。對于主被動聯(lián)合補(bǔ)償?shù)你@柱補(bǔ)償裝置來說，研究氣瓶組容積對補(bǔ)償性能的影響，對于優(yōu)化系統(tǒng)配置有一定的實(shí)際意義。

根據(jù)1.4節(jié)所提供的模型參數(shù)，取5組氣瓶組容積帶入模型進(jìn)行批處理，得到鉆壓情況如圖8和表6所示。

分析表中數(shù)據(jù)可得：氣瓶組容積對于主被動結(jié)合型式的鉆柱補(bǔ)償裝置補(bǔ)償性能的影響較小，在布局空間有限的情況下，可適當(dāng)減小氣瓶組的容積。

圖8 氣瓶組容積對補(bǔ)償性能的影響圖

序號氣瓶組容積/L最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%116000279.2168.325219200277.4171.624324000278.2176.622428000278.1181.621532000277.8182.921

2.4 伺服閥前端蓄能器影響分析

由于主動補(bǔ)償液壓系統(tǒng)采用恒壓變量泵+伺服閥的組合方式，恒壓變量泵存在斜盤擺動時(shí)滯，伺服閥存在換向延時(shí)，管線油液存在壓縮和膨脹，這些因素均將對系統(tǒng)供油能力帶來直接影響進(jìn)而降低補(bǔ)償效果。理論分析可知在伺服閥前端的壓力油口側(cè)增加一套蓄能器可有效緩解液壓系統(tǒng)的供油響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)供油條件。取25，50，100，150，200 L，5種規(guī)格的蓄能器，其余模型參數(shù)參考1.4節(jié)，將蓄能器參數(shù)帶入模型進(jìn)行批處理，得到的鉆壓情況如圖9和表7所示。

圖9 閥前蓄能器容積對補(bǔ)償性能的影響

分析表7中數(shù)據(jù)可得：伺服閥前端蓄能器容積井底鉆壓波動有一定影響，但隨著蓄能器容積的增大，對鉆壓波動的影響變小，對于本次仿真的系統(tǒng)，容積100 L的蓄能器為最優(yōu)。

表7 閥前蓄能器容積-鉆壓波動數(shù)據(jù)

3 控制方法研究

3.1 3種控制方法對比分析

采用主被動聯(lián)合補(bǔ)償?shù)男褪娇纱蠓忍岣咩@柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償能力，為盡可能提高補(bǔ)償效果，探討位置反饋、速度反饋和加速度反饋3種控制方法對提供補(bǔ)償性能的影響。位置反饋控制方法如圖3所示，速度控制方法如圖10所示，加速度控制方法如圖11所示，模型參數(shù)參考1.4節(jié)。得到3種補(bǔ)償方式的井底鉆壓情況如圖12和表8所示。

圖10 速度反饋控制方法

圖11 加速度反饋控制方法

圖12 3種控制方法對補(bǔ)償性能的影響

序號控制方法最大鉆壓/kN最小鉆壓/kN鉆壓波動/%1位置反饋278.2176.6222速度反饋282.6168.0253加速度反饋226.1141.823

分析趨勢和數(shù)據(jù)，可以得知：在相同海況和鉆深的前提下，3種控制方法補(bǔ)償性能接近，其中位置反饋控制鉆壓波動最小，速度反饋控制鉆壓波動最大。分析3種控制方法主動補(bǔ)償能耗，如圖13所示(圖中P為主動補(bǔ)償液壓站輸出功率，kW)。

圖13 3種控制方法主動補(bǔ)償能耗示意圖

分析圖中數(shù)據(jù)可以得知：位置反饋控制和加速度反饋控制能耗接近，速度反饋控制能耗最小，該結(jié)論也與補(bǔ)償性能的趨勢接近。

3.2 升沉預(yù)測與跟隨對控制性能的影響

控制系統(tǒng)采集船體升沉運(yùn)動信號進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算，通過預(yù)測得到船體下一個(gè)時(shí)刻的升沉運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行控制叫做升沉預(yù)測，同理，采集船體上一個(gè)時(shí)刻的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制叫做升沉跟隨。

模型參數(shù)參考1.4節(jié)，現(xiàn)對反饋進(jìn)控制系統(tǒng)的平臺升沉信號進(jìn)行偏移，以-30°、-15°、0°、15°和30°，5個(gè)相位差值模擬升沉信號的滯后和超前情況，將滯后或超前的升沉信號帶入模型進(jìn)行仿真得到3種控制方式的鉆壓波動情況和數(shù)據(jù)，如圖14～圖16和表9所示。

圖14 升沉信號對位置反饋控制的影響

圖15 升沉信號對速度反饋控制的影響

圖16 升沉信號對加速度反饋控制的影響

序號升沉信號相位差/(°)位置反饋/%速度反饋/%加速度反饋/%1-305288632-1528512930222523415123435530256851

分析數(shù)據(jù)可得：采取升沉預(yù)測和跟隨的方法對于提高速度反饋和加速度反饋型控制的補(bǔ)償性能不可行，反而會減弱補(bǔ)償性能；升沉預(yù)測對于位置反饋型鉆柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能有一定的改善，且在升沉預(yù)測相位差為15°左右時(shí)本套系統(tǒng)的補(bǔ)償性能改善最佳。

4 結(jié)論

(1) 穩(wěn)定的鉆壓是鉆柱補(bǔ)償性能設(shè)計(jì)的前提，采用主被動聯(lián)合補(bǔ)償控制可大幅度降低鉆壓波動，對于海洋鉆井的提速、增效有較大的益處；

(2) 鉆井深度和海況對鉆柱補(bǔ)償裝置的性能影響較大，隨著鉆深的增加，補(bǔ)償性能逐漸提高，海況越差補(bǔ)償性能降低明顯；適當(dāng)減小氣瓶組的容積并不影響補(bǔ)償能；

(3) 位置反饋、速度反饋和加速度反饋3種控制方法的補(bǔ)償性能相近，位置反饋控制方法由于游車參考位移計(jì)算較為繁瑣，控制相對困難，而速度反饋控制方法能耗最高。

(4) 在伺服閥前增加蓄能器、在位置反饋型控制算法中加入升沉預(yù)測功能，可在一定程度上提高鉆柱補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能。