李 歡，李 鵬，鄭萬里，范 松，付 俊

(1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

作為海洋鉆探及水合物取芯的關(guān)鍵設備，海洋鉆井舉升系統(tǒng)其主要功能分為：提升和下放鉆桿并保障正常鉆井作業(yè)、提升和下放隔水管并確保建立完整的立管通道、下放和回收水下設備并確保鉆井和開采的安全可靠。通常，鉆井舉升系統(tǒng)的優(yōu)劣決定了整個海洋鉆探作業(yè)的能效[1]。海洋鉆井舉升系統(tǒng)按照驅(qū)動類型分為絞車和液缸2種型式。絞車型式的鉆井舉升系統(tǒng)又可分為電機驅(qū)動絞車和液壓絞車2種類型。絞車型鉆井舉升系統(tǒng)(簡稱絞車舉升系統(tǒng))主要由電驅(qū)動鉆井絞車、鋼絲繩、井架天車滑輪組、游車大鉤等組成[2]。由于其優(yōu)異的可靠性和調(diào)速特性，絞車舉升系統(tǒng)被絕大多數(shù)海洋鉆井平臺(鉆井船)采用。小載荷需求時，通常由液壓絞車作為主鉆井絞車，替代占地面積較大的電驅(qū)動鉆井絞車。液缸型鉆井舉升系統(tǒng)(簡稱液缸舉升系統(tǒng))主要由液缸、鋼絲繩、導向滑輪、游車大鉤等組成。其技術(shù)是近20 a來才逐漸成熟，比起絞車舉升系統(tǒng)有一系列優(yōu)勢，在新建鉆井平臺(鉆井船)上被越來越多的采用[3-4]。

井架在液缸舉升系統(tǒng)中僅做穩(wěn)定和防傾覆的作用，而傳統(tǒng)的絞車舉升系統(tǒng)由于其驅(qū)動部分安裝位置低，井架需承受舉升系統(tǒng)的全部載荷。因此，絞車舉升系統(tǒng)的井架在自身質(zhì)量上比起液缸舉升系統(tǒng)存在明顯劣勢。另外絞車舉升系統(tǒng)的提升鋼絲繩通過井架頂部的滑輪組連接至載荷體，再加上天車、游車、死繩等補償裝置的加入，其整體重心比起液缸舉升系統(tǒng)更高。隨著海洋油氣開發(fā)逐漸朝深海進行，船舶設計之初就要求鉆井系統(tǒng)的重心盡可能低，以便于提高船舶整體的抗風浪特性。鉆探作業(yè)時還要求舉升系統(tǒng)的舉升載荷更高，以適應更深的作業(yè)需求，甲板占用面積小以擺放更多的輔助設備。因此，傳統(tǒng)的絞車舉升系統(tǒng)在深水或超深水鉆井平臺(鉆井船)上已逐漸失去市場。

現(xiàn)階段，成熟的液缸舉升系統(tǒng)主要供應商均為國外公司，例如NOV、Aker MH公司等，具備鉆井深度至12 000 m、最大載荷1 134 kN、集成能量回收和鉆柱補償?shù)韧晟乒δ躘5-6]。其中，以Aker MH公司的RamRig技術(shù)最為突出，由于其主舉升液缸可實現(xiàn)鉆柱補償功能，比起NOV公司的液缸舉升方案，省去了單獨配置的鉆柱補償裝置，集成度更高，優(yōu)勢明顯。國內(nèi)相關(guān)石油裝備企業(yè)和高校也開展了一系列樣機的試制，并取得了一定的實船應用[7-9]，其中以寶雞石油機械有限責任公司在“海洋地質(zhì)十號”科考船上的應用最為成熟，但是其僅具備提升和下放功能，鉆柱補償裝置需單獨配備，且不具備能量回收功能，整個液缸舉升系統(tǒng)技術(shù)水平和國外產(chǎn)品有著明顯的差距。

本文分析了國外成熟液缸舉升系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，提出了海洋液缸舉升系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)并對其進行深入研究，研究結(jié)果可為后續(xù)產(chǎn)品的實船應用提供參考。

1 技術(shù)分析

NOV和AKER MH公司的某型號液缸舉升系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 國際主流公司液缸舉升系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

由表1中可以看出，兩家公司的液缸舉升系統(tǒng)在裝機功率、最大載荷及最大速度上基本一致。但是，由于游車、頂驅(qū)等載荷的不同，以及各家公司在元器件配置和參數(shù)調(diào)整的不同，導致了舉升系統(tǒng)在不同載荷下的正常模式和增壓模式的最大載荷和速度不盡相同。本文主要以AKER MH公司的液缸舉升系統(tǒng)作為研究對象，探討其關(guān)鍵技術(shù)。

液缸舉升系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。井架為舉升系統(tǒng)中的導向滑輪組、頂驅(qū)提供導向，并為液缸提供側(cè)向支撐。鋼絲繩總成一端與鉆桿相連并繞過導向滑輪組與鉆臺面上的死繩端相連，液缸活塞桿帶動導向滑輪組上下運動。由于繩系的原因，液缸的載荷為鉆桿重力的2倍且速度為1/2。該設計不僅降低了液缸的運行速度，保障了液缸的壽命，還避免了主承載載荷路徑經(jīng)過井架，使井架的輕量化設計成為可能。

1—井架；2—滑動導軌；3—導向滑輪組；4—舉升液缸；5—頂驅(qū)；6—鋼絲繩總成；7—鉆桿；8—死繩端；9—液缸安裝底座。

2 關(guān)鍵技術(shù)

液缸舉升系統(tǒng)應提供正常和增壓2種操作模式、具備能量回收和釋放、對工作液缸數(shù)量進行切換、集成鉆柱補償?shù)裙δ?，其液壓系統(tǒng)和控制邏輯的設計尤為關(guān)鍵。

2.1 提升與下放流體控制技術(shù)

正常模式下，采用閉式液壓系統(tǒng)進行舉升液缸的提升和下放。傳統(tǒng)的閉式液壓系統(tǒng)廣泛應用于工程機械，其傳動型式為閉式變量泵+馬達，利用閉式變量泵的無極調(diào)速特性實現(xiàn)馬達轉(zhuǎn)速的控制。在舉升系統(tǒng)中，由于液缸存在塞腔和桿腔的面積差，采用閉式系統(tǒng)進行控制時，應充分考慮系統(tǒng)的補油和沖洗。閉式液壓舉升系統(tǒng)原理如圖2所示。

1—電機；2—閉式液壓泵；3—沖洗閥；4—斜盤擺角比例閥；5—緊急切斷閥；6—斜盤角度傳感器；7—補油溢流閥。

泵站由5臺450 kW電機組成，分別帶動5臺排量為500 mL/r的閉式泵。設計有單獨的補油油路，其補油壓力通過溢流閥設定。閉式泵通過斜盤擺角比例閥控制輸出流量的大小及方向，并利用斜盤擺角傳感器實現(xiàn)泵排量的閉環(huán)控制。沖洗閥負責帶出回路中的熱油，起著降低液壓油溫度的作用。緊急情況下緊急切斷閥可實現(xiàn)泵的排量快速返回零位，切斷流量供應，確保系統(tǒng)的安全。泵站通過油路切換閥為舉升液缸和頂驅(qū)供油，油路切換閥原理如圖3所示。

1—舉升油路切換閥；2—頂驅(qū)油路切換閥；3—壓力調(diào)節(jié)閥；4—溢流閥。

考慮到為舉升液缸和頂驅(qū)供油，油路切換閥設置有舉升油路切換閥和頂驅(qū)油路切換閥，可對每條油路進行單獨關(guān)斷。供油油路通過單向閥與溢流閥相連，用于確保不超壓。對于舉升油路，如圖3所示，舉升液缸主要由B油路和A油路驅(qū)動，A油路為高壓側(cè)與液缸塞腔相連，B油路為低壓側(cè)與液缸桿腔相連，B油路連接有壓力調(diào)節(jié)閥，其壓力可在1.5～32 MPa間任意調(diào)節(jié)。當舉升系統(tǒng)提升載荷時，A油路流量明顯大于B油路油量，補油油路為B油路補油。當舉升系統(tǒng)下放載荷時，由于塞腔和桿腔的面積差，塞腔產(chǎn)生的多余液壓油將通過B油路的壓力調(diào)節(jié)閥回流至油箱。

控制閉式泵的排量，實現(xiàn)舉升系統(tǒng)的提升和下放載荷。由舉升液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、控制器等組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 正常模式下液缸速度控制流程

采用內(nèi)外雙重閉環(huán)控制實現(xiàn)液缸速度的精確調(diào)節(jié)，其中外環(huán)為液缸速度PID環(huán)，內(nèi)環(huán)為斜盤擺角PID環(huán)。當控制系統(tǒng)檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，帶入液缸速度PID控制器進行運算之后輸出斜盤擺角理論值，并與斜盤擺角的實際值求差后帶入斜盤擺角PID控制器，進而使斜盤擺角即泵的輸出流量達到理論值，從而使液缸的提升速度即載荷速度與設定值保持一致。

2.2 能量回收與釋放流體控制技術(shù)

在鉆井作業(yè)過程中，舉升系統(tǒng)絕大部分工況為接鉆桿、隔水管以及套管，存在對特定質(zhì)量物體的重復提升和下放。對下放重力勢能的回收和對回收來的能量進行釋放對于節(jié)能減排具有重要意義。液缸舉升系統(tǒng)采用活塞式蓄能器、液缸控制閥組、蓄能器控制閥組、氮氣瓶組等實現(xiàn)系能量回收和釋放的功能。其原理如圖5～6所示。

1—液缸模式切換閥；2—能量回收開啟閥；3—插裝閥。

1—活塞式蓄能器；2—1#調(diào)速閥；3—2#調(diào)速閥；4—放油閥；5—補油閥；6—氮氣調(diào)壓閥；7—氮氣瓶組；8—比例溢流閥。

圖5所示的液缸控制閥組，其P1、P2口與油路切換閥組相連，A1-A6與液缸塞腔和桿腔相連。液缸模式切換閥用于控制油路插裝閥的關(guān)斷，可實現(xiàn)液缸從雙作用式至柱塞液缸式的遠程切換，當舉升液缸切換至柱塞缸后，插裝閥將導通液缸的桿腔和塞腔，并通過能量回收開啟閥使液缸與蓄能器液端連通。圖5的ACC1和ACC2口分別連接至圖6所示的2#調(diào)速閥的B口和1#調(diào)速閥的A口，蓄能器氣端連接至高壓氮氣瓶組，并通過高壓氮氣源為系統(tǒng)補氣。

由于調(diào)速閥的單向流量比例調(diào)節(jié)功能。當舉升液缸下放載荷需要進行能量回收時，舉升液缸進入柱塞缸模式，2#調(diào)速閥打開，通過調(diào)節(jié)節(jié)流口開度進行下放速度的控制，由于蓄能器內(nèi)的預充壓力，一部分重力勢能將存儲在蓄能器中，多余的油液通過蓄能器側(cè)的比例溢流閥流出。當需要快速提升載荷時，舉升系統(tǒng)則進入增壓模式，此時液缸回到雙作用缸模式，通過調(diào)節(jié)1#調(diào)速閥的開度并配合主液壓泵實現(xiàn)載荷的快速提升。

能量回收模式下，舉升系統(tǒng)下放載荷，由液缸位移傳感器、比例調(diào)速閥、控制器等組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 能量回收模式下液缸下放速度控制流程

利用調(diào)速閥的節(jié)流控制實現(xiàn)液缸下放速度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，當控制系統(tǒng)檢測司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，計算出液缸流進蓄能器的理論流量，帶入調(diào)速閥流量PID控制器，控制調(diào)速閥開度，使液缸的下放速度即載荷速度與設定值保持一致。這里引入PID參數(shù)修正的原因在于液缸和蓄能器端的壓力差不是固定的，蓄能器液端壓力會隨著液缸載荷的下降而升高，如不進行修正，會導致液缸的下放速度不穩(wěn)定。在能量回收模式下，還應設置蓄能器活塞防碰、超壓卸荷等安全保護邏輯。

增壓模式下，舉升系統(tǒng)提升載荷。由液缸位移傳感器、斜盤擺角傳感器、比例調(diào)速閥、控制器等組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制蓄能器和主泵同時為舉升液缸提供液壓油，提升速度將大幅提高，其控制流程如圖8所示。

圖8 增壓模式下液缸提升速度控制流程

利用調(diào)速閥的節(jié)流控制和泵的排量控制共同實現(xiàn)液缸提升速度的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)。進入增壓模式后，當控制系統(tǒng)檢測到司鉆人員的手柄速度信號后，與液缸實際速度求差，系統(tǒng)對提升所需的流量進行自動分配，并計算出蓄能器和主泵各自應供應的流量。然后，帶入各自的調(diào)速閥及斜盤擺角PID控制器進行閉環(huán)運算，使蓄能器和主泵的輸出流量滿足設定至，使液缸的提升速度即載荷速度與設定值保持一致。同能量回收模式一致，蓄能器流量的PID控制參數(shù)也應引入調(diào)速閥兩端壓差進行修正。在增壓模式下，還應設置蓄能器活塞防碰、液缸防超速等安全保護邏輯。

2.3 鉆柱補償功能集成技術(shù)

由于波浪帶動鉆井平臺(鉆井船)做升沉運動，海洋鉆井過程中的井底鉆壓波動極不穩(wěn)定，海洋鉆井舉升系統(tǒng)配備了鉆柱補償裝置來保障海洋鉆井的順利進行。通常，鉆柱補償裝置采用液缸、蓄能器和氣瓶組組成“液-氣彈簧”，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)井底鉆壓的相對恒定。按照功能劃分，鉆柱補償裝置分為主動型、被動型和半主動型3種類型[10-16]。由于海洋閉式液壓舉升系統(tǒng)的自身特性，可以在不增加額外的鉆柱補償裝置下實現(xiàn)3種型式鉆柱補償?shù)墓δ堋?/p>

1) 主動鉆柱補償功能。適用于較好的海況，以船舶的升沉速度信號為輸入，通過調(diào)節(jié)閉式泵的擺角控制其輸出流量，實現(xiàn)液缸速度的閉環(huán)控制。井底鉆壓隨著手柄的設定值持續(xù)增大且維持在一定范圍內(nèi)波動，同時由于鉆桿的彈性壓縮，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度。鉆壓到達設定值后開始鉆進，隨著鉆頭的破巖，鉆壓逐漸降低，應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實現(xiàn)持續(xù)鉆進的目的。由于泵的總供應流量有限，隨著海況的逐漸惡劣，泵的輸出流量將導致液缸無法很好的跟隨波浪，井底鉆壓波動將變大，補償效果將變差。

2) 被動鉆柱補償功能。適用于任意海況，液缸塞腔與蓄能器液端直接連接，主泵為液缸桿腔提供補油，由于蓄能器、氣瓶的共同作用，液缸隨著船舶的升沉運動進行被動跟隨，井底鉆壓保持相對恒定。當需要鉆進時，利用主泵全排量為液缸桿腔油路供油，通過司鉆手柄控制桿腔油路上的溢流閥調(diào)節(jié)液缸桿腔壓力從而實現(xiàn)井底鉆壓的調(diào)節(jié)，同時液缸也回縮至特定位置，井底鉆壓由手柄角度直接決定，且持在一定范圍內(nèi)波動。當鉆壓滿足要求時，手柄保持在當前位置，隨鉆頭的破巖應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實現(xiàn)持續(xù)鉆進的目的。該模式的補償性能主要由氣瓶容積、管路損失以及載荷的慣性決定，補償過程中需要開啟主泵，但是主泵的壓力較低、能耗較小，適用于補償精度要求不高、節(jié)能的場合。該模式最大的優(yōu)點在于能耗相對較小。

3) 半主動鉆柱補償功能。適用于任意海況，結(jié)合了主動和被動補償?shù)膬?yōu)點，在被動補償功能開啟的前提下，液缸桿腔與主泵的低壓側(cè)連通，同時桿腔油路壓力溢流閥調(diào)整至最大值。由于蓄能器承擔絕大多數(shù)載荷，半主動補償僅控制主泵低壓側(cè)的輸出流量，主動調(diào)節(jié)液缸桿腔的壓力，進而克服摩擦和載荷慣性實現(xiàn)船舶運動的主動跟隨，達到鉆壓保持恒定的目的。同主動補償一樣，當需要鉆進時，井底鉆壓隨著手柄的角度設定值持續(xù)增大且維持在一定范圍內(nèi)波動，液缸也將逐漸回縮，手柄角度僅用于控制鉆壓增大的速度，直到鉆壓滿足鉆頭破巖需求時，手柄角度回0。隨著鉆頭的破巖應緩慢控制手柄，維持穩(wěn)定的鉆壓持續(xù)鉆進。該模式補償精度較高，海況適應性較好。

3 結(jié)論

1) 圍繞國外液缸型鉆井舉升系統(tǒng)的功能和參數(shù)，提出了一種閉式液缸舉升系統(tǒng)的實現(xiàn)思路，在滿足正常提升下放功能的同時，還能實現(xiàn)下放勢能的回收和利用。集成了鉆柱補償功能，整體技術(shù)方案具有一定的先進性。

2) 研究了閉式液缸舉升系統(tǒng)的提升和下放、能量回收和釋放、鉆柱補償功能集成3項關(guān)鍵技術(shù)，并提出相應的液壓原理和控制思路，使產(chǎn)品的國產(chǎn)化設計開發(fā)成為了可能。

3) 建議下一步開展對閉式液缸舉升系統(tǒng)的仿真分析，結(jié)合不同的工況分析其能量利用效率以及鉆柱補償?shù)木龋瑸楹罄m(xù)的設計優(yōu)化和實船應用提供理論指導。