李 歡 李 鵬 李 磊 范 松 鄭萬里

(寶雞石油機械有限責任公司；國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心)

0 引 言

海洋鉆井舉升系統具備起下鉆、安裝回收隔水管和水下設備等重要功能，其性能優(yōu)劣決定了整個海洋鉆探作業(yè)的能效[1]。按照驅動方式分，海洋鉆井舉升系統可分為絞車驅動和液缸驅動兩種形式。絞車驅動舉升系統由于其優(yōu)異的調速特性，已被絕大多數海洋鉆井平臺(鉆井船)采用[2]；液缸驅動舉升系統是最近20年來才逐漸發(fā)展成熟的技術，與絞車舉升系統相比，其在整體質量、重心控制以及甲板占用空間等方面具有明顯的優(yōu)勢，在新建深水和超深水鉆井平臺(鉆井船)上應用越來越多[3-4]。

全球絕大部分液缸舉升系統被NOV和Aker MH兩家公司所壟斷。其中，以Aker MH公司的RamRig技術最為突出，由于其主舉升液缸可實現能量回收和鉆柱補償功能，比NOV公司的液缸舉升方案省去了單獨配置的鉆柱補償裝置，所以集成度更高，優(yōu)勢明顯[5-6]。液缸舉升系統在國內的研制和應用進展相對較慢，僅寶雞石油機械有限責任公司的產品在“海洋地質十號”科考船上實現了應用，但其整體技術水平與國外成熟產品有較大差距[7-9]。為此，本文在分析國外成熟產品功能和技術參數的前提下，提出閉式液缸舉升系統的關鍵技術和液壓原理，并結合軟件仿真研究系統的性能，以期為后續(xù)產品的實船應用提供理論依據。

1 原理概述

閉式液缸舉升系統原理如圖1所示。

1—舉升液缸；2—閉式泵組；3—油路切換閥組；4—補油泵組；5—蓄能器流量控制閥組；6—氣瓶及調壓裝置；7—蓄能器；8—液缸控制閥組。

該系統由舉升液缸、滑輪組和繩系等組成，以閉式泵組為主液壓源，由于液缸塞腔與桿腔的面積不同，補油泵組為閉式液缸舉升系統提供額外的液壓源，還具有沖洗和散熱作用。油路切換閥組用于切換供油油路，這樣即使單個主泵失效也不影響整個舉升系統工作。液缸控制閥組用于控制工作液缸的數量，可實現工作液缸數量的任意切換，還可連通液缸的桿腔和塞腔，使液缸進入柱塞缸模式，在該模式下液缸可對下放勢能進行回收。蓄能器在液壓系統中起儲能作用，鉆柱補償時還可承擔鉆桿的重力。氣瓶增加了蓄能器的氣端容積，調壓裝置可對氣瓶內部壓力進行調節(jié)。蓄能器流量控制閥組是能量回收和釋放的關鍵裝置，其集成的比例調速閥用于控制蓄能器吸收和釋放能量的通流流量，進而實現該模式下的速度控制，比例溢流閥用于保證蓄能器充滿液壓油之后將多余的油液溢流回油箱。

2 關鍵技術研究

2.1 提升及下放流體控制技術

舉升系統對負載進行提升和下放時，利用閉式液壓泵為舉升液缸的塞腔和桿腔供油。由于液缸塞腔和桿腔的面積差，提升負載時，補油泵為液缸桿腔側油路補油，下放負載時，多余的油液通過液缸桿腔側的溢流閥流出。提升下放速度控制流程如圖2所示。

圖2 液缸速度控制流程圖Fig.2 Flow chart of cylinder speed control

采用內外雙重閉環(huán)控制實現液缸速度的精確調節(jié)，其中外環(huán)為液缸速度環(huán)，內環(huán)為斜盤擺角環(huán)。當控制系統檢測到司鉆人員的手柄速度信號后，將其與液缸實際速度求差，然后代入液缸速度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代入斜盤擺角PID控制器，使斜盤擺角即泵的輸出流量達到理論值，使提升速度與設定值保持一致。

2.2 能量回收和釋放流體控制技術

正常鉆進作業(yè)過程中，絕大部分工況為接鉆桿、隔水管以及套管，對于負載下放時的能量進行回收并在下一次提升時進行能量釋放，可明顯提高系統運行效率。能量回收時，主泵的供油切斷，液缸塞腔和桿腔連通進入柱塞缸模式，油路與蓄能器液端相連。負載下放時的能量利用蓄能器進行回收，當需要快速提升負載時，液缸進入雙作用模式，利用蓄能器和主泵同時提供的流量，實現速度的最快提升。能量回收和釋放的控制流程分別如圖3和圖4所示。

圖3 能量回收速度控制流程圖Fig.3 Flow chart of energy recovery speed control

圖4 能量釋放速度控制流程圖Fig.4 Flow chart of energy release speed control

如圖3所示，利用調速閥的節(jié)流控制實現液缸下放速度的調節(jié)，當系統檢測到手柄速度信號后，將其與液缸實際速度求差，并將其差值代入調速閥流量PID控制器，控制調速閥開度，使液缸的下放速度即負載速度與設定值保持一致。引入壓差PID參數修正，可有效減小蓄能器和液缸兩端的壓力差對控制穩(wěn)定性的影響。

同理，如圖4所示，利用調速閥的節(jié)流控制和泵的排量控制共同實現液缸提升速度的閉環(huán)調節(jié)。當控制系統檢測到手柄速度信號后，將其與液缸實際速度求差，系統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，然后將差值代入各自的調速閥及斜盤擺角PID控制器進行閉環(huán)運算，這樣可使蓄能器和主泵的輸出流量滿足設定值，液缸的提升速度即負載速度與設定值保持一致。與能量回收模式一致，蓄能器流量控制環(huán)節(jié)也應引入壓差PID參數修正。

2.3 鉆柱補償功能集成技術

舉升系統可在不依賴外部鉆柱補償裝置的前提下實現主動、被動和半主動等三種類型的鉆柱補償功能[10-13]。

主動鉆柱補償功能：將船舶的升沉速度信號作為輸入，通過調節(jié)閉式泵的擺角控制其輸出流量，實現液缸速度的閉環(huán)控制。井底鉆壓隨著手柄的設定值持續(xù)增大且在一定范圍內波動，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。鉆壓達到設定值后開始鉆進，隨著鉆頭的破巖，鉆壓逐漸降低，此時應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實現持續(xù)鉆進。

被動鉆柱補償功能：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，由于蓄能器和氣瓶的共同作用，液缸隨著船舶的升沉被動跟隨，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節(jié)液缸桿腔壓力，從而實現井底鉆壓的調節(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，且在一定范圍內波動。當鉆壓滿足要求時，手柄保持在當前位置，鉆頭破巖時應緩慢控制手柄，使鉆頭對井底保持穩(wěn)定的鉆壓，實現持續(xù)鉆進。

半主動鉆柱補償功能：結合了主動補償和被動補償的優(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連通，同時桿腔油路壓力溢流閥調整至最大值。由于蓄能器承擔絕大多數負載，半主動補償僅控制主泵低壓側的輸出流量，主動調節(jié)液缸桿腔的壓力，進而克服摩擦和負載慣性實現船舶運動的主動跟隨，達到鉆壓保持恒定的目的。與主動補償一樣，當需要鉆進時，井底鉆壓隨著手柄的角度設定值持續(xù)增大且在一定范圍內波動，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，手柄角度回到0。鉆頭破巖過程中應緩慢控制手柄，以維持穩(wěn)定的鉆壓持續(xù)鉆進。

3 仿真分析

在AMEsim平臺中搭建閉式液缸舉升系統仿真模型(見圖5)，結合實際作業(yè)工況對三項關鍵技術進行仿真分析。

圖5 閉式液缸舉升系統AMESim仿真模型Fig.5 AMESim simulation model of closed cylinder lifting system

為簡化模型，省去了泵擺角閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，并用節(jié)流閥來進行油路的關斷和速度控制。在正常提升下放、能量回收和釋放模式下，負載用質量塊代替。在鉆柱補償模式下，負載用鉆桿模型來模擬鉆桿的真實運動情況，鉆桿模型參考瑞利法則，考慮彈簧質量對固有頻率的影響，將彈性鉆柱總質量的作為等效質量作用在鉆柱的最底部。將鉆柱、頂驅和大鉤等游動部分設備的質量用一集中質量替代[14-16]。閉式液缸舉升系統仿真模型部分參數如表1所示。

表1 閉式液缸舉升系統仿真參數Table 1 Simulation parameters of closed cylinder lifting system

3.1 提升及下放分析

下放和回收隔水管串、安裝和拆卸鉆柱是液缸舉升系統的主要功能。在圖5所示仿真模型的基礎上，將隔水管(質量850 t)和鉆桿(質量380 t)的負載數據分別帶入質量塊參數中，以圖6所示的手柄信號為輸入(正為提升，負為下放)，運動過程中不考慮海水的阻力，以質量塊的運動作為負載的運動，仿真得到隔水管串和鉆柱在提升和下放時的速度和位移情況，分別如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出：在手柄未給出信號時，負載處于高頻振動狀態(tài)，且振動速度逐漸變?。划斒直o定信號發(fā)生突變時，液缸速度曲線在振動一段時間之后達到手柄的設定值。這由液壓油的壓縮、舉升鋼絲繩的彈性以及負載的慣性導致。閉式液缸舉升系統及其速度控制算法可實現不同負載的提升和下降，其原理合理且速度控制精準穩(wěn)定。

圖6 提升和下放不同負載時速度跟隨情況Fig.6 Speed following when lifting and landing different loads

圖7 提升和下放不同負載時負載位移情況Fig.7 Load displacement when lifting and landing different loads

3.2 能量回收和釋放分析

在該模式下接隔水管和鉆柱的操作流程為：下放時開啟能量回收，舉升系統下放整個隔水管串或鉆柱至鉆臺面；提升時開啟能量釋放，舉升系統提升隔水管和鉆桿至一定高度，完成接單根作業(yè)；接隔水管時，為保證其最大載荷，采用3只液缸工作；接鉆桿時，為獲得最大工作速度，采用兩只液缸工作。隔水管單根帶浮力塊干質量為24.5 t，長度為22.86 m。4單根鉆柱總質量為1.46 t，長度為38.4 m。氣瓶預充7 MPa氮氣，以圖8所示的手柄信號為輸入，在第10 s進入柱塞缸模式，第16 s之后手柄開始給信號，分析負載位移和速度等情況，結果如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 能量回收和釋放工況下負載速度情況Fig.8 Load speed under energy recovery and release conditions

圖9 能量回收和釋放工況下負載位移情況Fig.9 Load displacement under energy recovery and release conditions

圖10 能量回收和釋放工況下蓄能器活塞位移情況Fig.10 Accumulator piston displacement under energy recovery and release conditions

從圖8～圖10可以看出：在下放隔水管串和鉆柱時，下放勢能一部分存儲在蓄能器中，提升時蓄能器能量釋放可提高提升速度，兩種操作模式下均可實現0.70 m/s的下放速度以及0.65 m/s的提升速度；隔水管操作的提升行程為25.7 m，鉆柱操作的提升行程為46 m，如果下放勢能使蓄能器存儲更多的能量，則釋放時提升的行程將會更長；由于單次下放后的有效提升行程均大于隔水管和鉆桿長度，比僅依靠泵供油進行提升，蓄能器的加入可大幅提高提升速度，故在該模式下可顯著提升接隔水管和鉆桿的作業(yè)效率。

3.3 鉆柱補償功能分析

考慮到鉆柱補償的載荷和速度需求，以兩只舉升液缸作為鉆柱補償的工作液缸。依據2.3節(jié)所述，采用速度閉環(huán)控制方式，對三種鉆柱補償形式進行仿真，分析其大鉤運動及鉆桿井底鉆壓情況，其中以鉆桿等效質量塊的運動作為大鉤運動，以等效質量塊底部彈簧作用力作為鉆桿井底鉆壓。利用手柄信號來進行鉆進和鉆壓的控制，手柄信號為無量綱數值，如圖11所示。

圖11 鉆柱補償模式手柄信號Fig.11 Handle signal in drill string compensation mode

3.3.1 主動鉆柱補償

設液缸舉升系統在0～25 s內對鉆柱不進行補償，25 s之后開啟主動補償功能，以手柄給定信號為控制依據，仿真得到大鉤位移及井底鉆壓情況，如圖12所示。由圖11和圖12可以看出：當系統未啟用補償時，大鉤位移和鉆壓波動非常大，負鉆壓表明鉆頭與井底發(fā)生脫離，該情況對鉆井十分不利；當主動補償在25 s開啟之后，大鉤位移和井底鉆壓的波動幅值明顯減小，且還會發(fā)生脫離；在50～100 s區(qū)間內，隨著手柄信號的持續(xù)給定，大鉤位移逐漸減小且伴隨著井底壓力逐漸升高；90 s之后，井底鉆壓為正值，可正常鉆進；100 s之后大鉤位移和井底壓力將在一個范圍內波動。

圖12 主動鉆柱補償大鉤位移及井底鉆壓情況Fig.12 Hook displacement and downhole weight on bit in active drill string compensation

3.3.2 被動鉆柱補償

由蓄能器承擔鉆柱重力，利用桿腔端溢流閥調節(jié)壓力實現鉆柱補償，同時維持持續(xù)的鉆進且井底鉆壓可調。設蓄能器的預充壓力可以使鉆桿負載保持平衡且井底鉆壓為正，以手柄給定信號為控制依據，仿真得到大鉤位移及井底鉆壓情況，如圖13所示。

圖13 被動鉆柱補償井底鉆壓情況Fig.13 Downhole weight on bit in passive drill string compensation

由圖11和圖13可以看出：當手柄信號為0時，系統維持著液氣彈簧模式，大鉤位移和鉆壓波動非常大；在50～100 s區(qū)間內，隨著手柄信號的給定，大鉤位移將減小至2.5 m左右并繼續(xù)做正弦波動；在100 s之后手柄回0位，大鉤位移和井底壓力將恢復至初始情況。

3.3.3 半主動鉆柱補償

液缸舉升系統在0～25 s內使用被動補償，在25 s之后開啟半主動補償功能，以手柄給定信號為控制依據，仿真得到大鉤位移及井底鉆壓情況，如圖14所示。由圖11和圖14可以看出，當半主動補償功能關閉時，大鉤位移及鉆壓情況均與被動補償一致，在25 s開啟半主動補償之后，大鉤位移和井底鉆壓的波動幅值明顯減小，在50～100 s區(qū)間內，大鉤位移逐漸減小且伴隨著井底壓力逐漸升高，100 s之后大鉤位移和井底壓力將在一個范圍內波動。

圖14 半主動鉆柱補償大鉤位移及井底鉆壓情況Fig.14 Hook displacement and downhole weight on bit in semi-active drill string compensation

3.3.4 海況對三種補償功能的影響

選取船舶升沉運動振幅A=0.5、1.0、1.5和2.0 m對三種補償形式進行仿真分析。以井底鉆壓波動為補償功能適應性評價指標，得到海況對三種補償功能井底鉆壓波動的影響結果，如表2所示。

表2 海況對三種補償功能井底鉆壓波動的影響Table 2 Effect of sea state on fluctuation of downhole weight on bit in 3 compensation functions

由表2數據可知：在船舶升沉運動幅值為0.5 m的海況下，主動和半主動補償鉆柱的井底鉆壓波動比被動補償有明顯優(yōu)勢；隨著升沉運動幅值的增加，三種形式的鉆柱補償井底鉆壓波動均提高，其中被動補償的海況適應性最差，其在1.5 m升沉幅值時鉆壓波動就達到了90%，該情況是由于被動補償的固有屬性(氣瓶容積、管線阻力和摩擦等)導致其對慣性負載運動滯后性無法進行有效克服；主動鉆柱補償在1.0 m之后鉆壓波動急劇增大，其原因是船舶的升沉速度超過了舉升系統最大供給流量下的運動速度，無法進行有效地跟隨；半主動補償在最惡劣海況下井底鉆壓波動還能達到10.3%，且在所有海況下的井底鉆壓波動均優(yōu)于其余兩種形式的鉆柱補償，其海況適應性最佳。

4 結論和建議

(1)提出了一種新型閉式液缸舉升系統原理以及關鍵技術實施方法。仿真分析結果表明：閉式液缸舉升系統負載提升和下放平穩(wěn)、速度控制精度較高。隔水管和鉆柱作業(yè)時能量回收和釋放可有效的增加提升和下放速度，提高作業(yè)效率。閉式液缸舉升系統自身可實現三種形式的鉆柱補償。

(2)三種鉆柱補償功能對海況適應性不盡相同，應根據現場的具體情況(海況、能耗和氣瓶壓力等)來開啟不同的補償功能。對于較好的海況，采用主動補償和被動補償可實現鉆壓精度要求不高的穩(wěn)定鉆進。對于惡劣海況和高精度鉆井場合，必須使用半主動補償來確保井底鉆壓的穩(wěn)定。

(3)建議下一步開展閉式液缸舉升系統的國產化攻關和控制技術的深入研究，為后續(xù)的設計優(yōu)化和實船應用理論研究提供指導。