朱代興

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，中國(guó)·上海 200125

1 引言

隨著海洋的深度開發(fā)已進(jìn)入重要時(shí)期，高端海洋鉆井石油裝備的研制顯得尤為重要。

在中、深海海域，海洋鉆井船在海浪作用下，船舶運(yùn)動(dòng)將呈現(xiàn)橫搖（Sway）、縱搖（Surge）、升沉（Heave）與橫傾（Pitch）、縱傾（Roll）、偏航（Yaw）等六自由度的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。那么鉆井船浮在波動(dòng)的洋面上，除了前后作用搖擺外，還將產(chǎn)生上下升沉運(yùn)動(dòng)，而這種隨波浪周期性上下升沉的運(yùn)動(dòng)將引起鉆桿柱周期性的上下運(yùn)動(dòng)。鉆桿柱周期性上下運(yùn)動(dòng)將使大鉤拉力增大或減小，直接影響井底，無法持續(xù)鉆進(jìn)。因此，為了保證鉆井正常鉆進(jìn)，提高鉆井效率，就必須采用升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，以減少鉆桿柱與海底的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并保持恒定的張力載荷以及恒定的位移。

在寸土寸金的鉆進(jìn)船上，具有補(bǔ)償功能的絞車相對(duì)于其他幾種補(bǔ)償系統(tǒng)：游車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，天車升沉補(bǔ)償系統(tǒng)，死繩升沉補(bǔ)償系統(tǒng)等具有體積和質(zhì)量上的巨大優(yōu)勢(shì)，有很好的應(yīng)用前景。

本試驗(yàn)臺(tái)方案針對(duì)海洋鉆井絞車主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)論證。

2 試驗(yàn)臺(tái)方案及各系統(tǒng)組成

2.1 試驗(yàn)臺(tái)絞車傳動(dòng)方案

試驗(yàn)臺(tái)絞車傳動(dòng)設(shè)備由減速箱，滾筒，游動(dòng)系統(tǒng)等組成。

2.2 減速箱信息

速比6.289，2輸入軸1輸出軸，輸出軸兩側(cè)為滾筒及盤式制動(dòng)器，單軸慣量取12kgm2，傳動(dòng)效率0.96，單臺(tái)絞車配2套減速箱。

2.3 滾筒及鋼絲繩信息

滾筒直徑取第三層直徑1350.68mm，單層圈數(shù)39圈，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取43000kgm2，絞車效率取0.97，鋼絲繩型號(hào)6*26WS-IWRC@50.8mm，線重量7.39lb/ft，額定拉力198st，快繩長(zhǎng)度63.8m，死繩長(zhǎng)64.4m，游繩平均長(zhǎng)度62m。

2.4 游動(dòng)系統(tǒng)信息

輪系由1快繩輪+6天車輪+7游車輪+1死繩輪組成，滑輪直徑68，單片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量72kgm2，輪系效率0.728@16繩。游動(dòng)系統(tǒng)整體重量按100噸估算。

2.5 試驗(yàn)臺(tái)信息

試驗(yàn)臺(tái)由波浪模擬單元、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、彈簧組件、承載平臺(tái)及起升組件構(gòu)成（如圖3所示）。波浪模擬單元連接驅(qū)動(dòng)平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上安裝MRU讀取實(shí)際驅(qū)動(dòng)平臺(tái)加速度，通過彈簧組件將運(yùn)動(dòng)傳遞至承載平臺(tái)及起升組件。MRU信號(hào)反饋至絞車控制系統(tǒng)，力求在恒速補(bǔ)償情況下保持承載與驅(qū)動(dòng)平臺(tái)間的間距恒定，在恒壓補(bǔ)償情況下保持重量傳感器信號(hào)恒定。彈簧K值為77N/mm，彈簧根數(shù)為8根。試驗(yàn)波形暫定2m/20s。

3 工作原理

絞車的主動(dòng)式補(bǔ)償系統(tǒng)是通過鉆機(jī)絞車的動(dòng)力系統(tǒng)來控制絞車電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，來拖到滾筒實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的收放，通過天車的滑輪組帶動(dòng)游車，最終實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

系統(tǒng)工作中，船體的升沉運(yùn)動(dòng)由船體傳感器（MRU）檢測(cè)出船體的升沉量及升沉加速度，游車的相對(duì)位置由絞車滾筒上的傳動(dòng)軸編碼器檢測(cè)，鋼絲繩上的載荷由載荷傳感器檢測(cè)，以上數(shù)據(jù)進(jìn)入到控制器經(jīng)過運(yùn)算處理后發(fā)出控制信號(hào)來控制絞車電機(jī)，保證絞車滾筒的鋼絲繩不松、不亂繩，減少鉆桿柱與海底的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并保持恒定的張力載荷以及恒定的位移

3.1 控制系統(tǒng)組成

3.1.1 絞車電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)采用四臺(tái)GE電機(jī)5GEB22，變頻器系統(tǒng)采用西門子S120變頻器，VFD變頻控制系統(tǒng)主要用來給鉆井絞車電機(jī)提供動(dòng)力；通過對(duì)絞車提升系統(tǒng)的實(shí)際工況的深入研究，此系統(tǒng)采用公共直流母線技術(shù)，矢量的主從控制技術(shù)，電機(jī)的同步技術(shù)以及DRIVE-CLIQ技術(shù)，實(shí)現(xiàn)變頻器的BICO連接。其中DRIVE-CLIQ技術(shù)具有以下屬性：通過控制單元自動(dòng)識(shí)別組件；所有組件具有統(tǒng)一的接口；可對(duì)組件進(jìn)行診斷和維護(hù)。

四臺(tái)電機(jī)采用主從控制，需要調(diào)節(jié)變頻器的相關(guān)參數(shù)與電機(jī)參數(shù)相對(duì)應(yīng)，其部分參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)連接滾筒，滾筒傳動(dòng)軸兩端安裝有編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)游車位置和速度傳給絞車控制系統(tǒng)。

3.1.2 控制器系統(tǒng)

控制器系統(tǒng)采用PLC（含MRU信號(hào)處理器）和變頻器相結(jié)合，PLC與MRU信號(hào)處理器采用TCP/IP協(xié)議通訊，整個(gè)控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)控制技術(shù)、工業(yè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)界面HMI、中央控制單元、遠(yuǎn)程I/O從站等組成，來實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車補(bǔ)償控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制，對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)及監(jiān)控，對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化控制，及動(dòng)作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的連鎖、保護(hù)設(shè)置，故障診斷等數(shù)字可視化管理控制系統(tǒng)。

載荷傳感器采集鋼絲繩上拉力變化傳給PLC，PLC采用PID算法運(yùn)算，來對(duì)鉆井絞車在恒壓模式下的波浪補(bǔ)償控制。船體位置傳感器（MRU）采集試驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳給MRU信號(hào)處理器，由MRU信號(hào)處理器分析出平臺(tái)升沉的波形數(shù)據(jù)打包發(fā)給PLC，PLC接受到數(shù)據(jù)，采用PID算法運(yùn)算，來對(duì)鉆井絞車在恒速模式下的波浪補(bǔ)償控制。

3.1.3 海浪模擬裝置

此裝置采用一套液壓系統(tǒng)來模擬海浪，最大浪高為2000mm，周期14秒。由于此方案的液壓系統(tǒng)為油缸直接驅(qū)動(dòng)型式，所以油缸行程為2000mm。

油缸的使用噸位為30T，最小噸位5T，最大承重 力70T。

控制閥塊采用了高頻伺服閥進(jìn)行流量控制，同時(shí)考慮到各種工況下的控制需求，保證在負(fù)載意外丟失或者增加的情況下，保證系統(tǒng)安全。

3.2 控制原理分析

絞車工作在自動(dòng)送鉆模式下，當(dāng)在波浪影響下，需要啟動(dòng)波浪補(bǔ)償模式。

在觸摸屏上選擇自動(dòng)模式，發(fā)出自動(dòng)送鉆命令給絞車系統(tǒng)。可以選擇兩種模式，即恒壓模式和恒速模式。

3.2.1 恒壓模式

當(dāng)鉆井船（此為試驗(yàn)平臺(tái)）在海浪影響下（此由波浪模擬裝置模擬）向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭與井底巖石的接觸壓力減小，載荷傳感器的拉力增大，PLC采集此時(shí)的載荷信號(hào)，游車位置和速度信號(hào)，試驗(yàn)平臺(tái)的升沉方向和加速度（此由MRU信號(hào)處理器處理），PLC進(jìn)行PID運(yùn)算后發(fā)出指令控制絞車電機(jī)正轉(zhuǎn)與速度，游車位移向下，補(bǔ)償由海浪引起的試驗(yàn)平臺(tái)的上移，使井底鉆壓保持不變。此時(shí)需要對(duì)鉆進(jìn)速度進(jìn)行限定，防止在鉆進(jìn)過程中遇到較軟的地質(zhì)層時(shí)，鉆頭失速。

當(dāng)鉆井船（此為試驗(yàn)平臺(tái)）在海浪影響下（此由波浪模擬裝置模擬）向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭與井底巖石的接觸壓力加大，載荷傳感器的拉力減小，PLC采集此時(shí)的載荷信號(hào)，游車位置和速度信號(hào)，試驗(yàn)平臺(tái)的升沉方向和加速度（此由MRU信號(hào)處理器處理）PLC，PLC進(jìn)行PID運(yùn)算后發(fā)出指令控制絞車電機(jī)反轉(zhuǎn)與速度，游車位移向上，補(bǔ)償由海浪引起的鉆井船的下移，使井底鉆壓保持不變。

3.2.2 恒速模式

鉆井模式處于恒速模式時(shí)，游車速度為恒速下放，此時(shí)鉆井船在海浪影響下（此為試驗(yàn)平臺(tái)），游車的速度發(fā)生變化，那么此時(shí)PLC接收到MRU采集到波浪的加速度和速度信息（此由波浪模擬裝置模擬），進(jìn)行PID運(yùn)算發(fā)出補(bǔ)償速度，疊加在恒速命令上，來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和加減速，來抵消波浪對(duì)速度的影響。此時(shí)需要對(duì)鉆井壓力進(jìn)行限定。

4 結(jié)語

論文基于海洋鉆井船舶鉆井絞車的升沉補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)。由于海洋鉆井的復(fù)雜性，此補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方案的研究對(duì)于鉆井補(bǔ)償絞車在實(shí)際應(yīng)用中提供了良好的開端和條件，很好的實(shí)際指導(dǎo)意義；為研究智能化的鉆井設(shè)備提供了很好的試驗(yàn)參數(shù)。