李 鵬,樊春明,袁 亮,白蘭昌,李 歡,鄭萬里

(1.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司,陜西 寶雞71002; 2.寶雞石油機械有限責任公司,陜西 寶雞 721002; 3.中國石油川慶鉆探工程有限公司 新疆分公司,新疆 庫爾勒 841000)

浮式鉆井補償系統(tǒng)是海洋深水油氣資源開發(fā)的關鍵裝備,主要用于克服波浪升沉運動對鉆采作業(yè)的影響[1]。我國深海資源開發(fā)起步較晚,國內(nèi)公司于2009年開始浮式鉆井補償系統(tǒng)相關產(chǎn)品研究。近年來,國產(chǎn)浮式鉆井補償系統(tǒng)有了突飛猛進的發(fā)展,從研究階段,進入到樣機研制階段,于2014年研制成功國內(nèi)首套游車補償系統(tǒng)。目前,淺海平臺(船)配套的被動式游車補償已經(jīng)實現(xiàn)工程化應用。但上述應用的產(chǎn)品,補償載荷較小,補償精度較低,無法滿足深水鉆井高精度補償?shù)囊蟆Ｄ壳? 500 m水深以上的深海鉆探配套的補償系統(tǒng),尚未實現(xiàn)工程應用。

為適應全球海域全天候作業(yè)要求的鉆井平臺/船配套,滿足3 000 m水深,12 000 m鉆深的深水鉆井補償系統(tǒng)為目標,設計與舉升液缸方案相結合,最大載荷9 000 kN、補償載荷4 500 kN、補償精度90%的補償裝置。本補償系統(tǒng)配套的鉆探系統(tǒng),除去常規(guī)井架、天車、游車等裝置,采用舉升液缸進行起下鉆,井架不承擔大鉤載荷,只承擔搖擺造成的偏載,同時起上下運動導向作用,大幅降低了鉆探系統(tǒng)的整體質量和重心。

1 技術分析

補償類型和機理對補償系統(tǒng)綜合性能影響大,與鉆機舉升方案匹配性亦不同,對鉆探設備總體配套、承載、空間占用、總體質量及重心等方面均有影響。其內(nèi)部配置、布置及結構等因素對系統(tǒng)配套、運行成本、安全性、可靠性、噪音控制、系統(tǒng)熱損耗、維護難度等各方面各有優(yōu)劣。根據(jù)深水鉆探工況對補償系統(tǒng)的綜合需求,綜合評估不同型式和機理的補償系統(tǒng)優(yōu)缺點,選擇適應鉆井平臺/船作業(yè)要求的補償型式。

1.1 補償型式分析

浮式鉆井補償系統(tǒng)具有多種形式,從結構形式和安裝位置來看,可分為天車式補償、游車式補償、補償鉆井絞車、液缸式補償和伸縮鉆桿等[2],各有其優(yōu)缺點。國內(nèi)外鉆井平臺/船配套產(chǎn)品主要以Aker MH、NOV、Cameron為主。

游車式鉆柱升沉補償系統(tǒng)成功應用較早,主要以NOV和Aker MH公司為代表,用于淺水鉆井或用于深水勘察船勘探取樣。天車式鉆柱升沉補償系統(tǒng)通過在天車頂部加裝液缸擺臂機構實現(xiàn)補償功能,主要以Aker MH公司為代表,天車補償系統(tǒng)的補償載荷一般在3 000 kN以上,主要用于深海大噸位的鉆井平臺/船。鉆井升沉補償絞車主要以NOV公司為代表,目前市場上有以電機作為主動力的主動式補償絞車和以液壓泵加液壓馬達二次控制的主動式補償絞車,但由于消耗功率過大,應用受到一定限制。

鋼絲繩式舉升液缸補償系統(tǒng)最早由Aker MH于20世紀80年代開發(fā)出第一代Ramrig系統(tǒng),通過舉升液缸代替海洋鉆機提升系統(tǒng),使得鉆臺面的有效空間得到增大,并降低了整個鉆機系統(tǒng)的質量和重心,尤其適合深水浮式鉆井系統(tǒng)[3]。鋼絲繩式舉升液缸補償系統(tǒng)通過進一步發(fā)展現(xiàn)在可分為集成式(舉升&補償)液缸補償和死繩端式液缸補償。其中,集成式(舉升&補償)液缸補償如圖1所示,以Aker MH公司的Ramrig鉆機為代表;死繩端式液缸補償如圖2所示,以NOV公司的Cylinder Rig鉆機為代表。

圖1 集成式液缸補償

圖2 死繩端式液缸補償

天車式、游車式、絞車式、集成式及死繩端式補償類型的參數(shù)性能對比表1所示。從對比結果可看出:對于4 500 kN補償載荷,游車式補償無法滿足安裝空間要求。對于大載荷來說,絞車式補償能耗要求過大,經(jīng)濟性太差。天車式補償由于安裝于井架頂部,不受空間限制,且為主被動結合式,經(jīng)濟性較好,為目前傳統(tǒng)鉆機提升系統(tǒng)補償?shù)呐涮资走x。

表1 不同補償類型性能對比

集成式和死繩端式補償兩種方案,從質量、重心和空間占用上具有明顯優(yōu)勢,是目前大噸位補償系統(tǒng)最佳解決方案。

1.2 補償機理分析

從補償原理來看,可分為被動式、主動式和半主動式3種補償形式[4]。

圖3a為被動升沉補償系統(tǒng)工作原理圖。被動補償系統(tǒng)工作原理簡單,為早期海洋油氣鉆井作業(yè)的升沉補償裝置所采用。其相當于一個大型液壓空氣彈簧,依靠海浪的舉升力和船自身的重力來壓縮和釋放蓄能器中的壓縮空氣,減小升沉幅度以實現(xiàn)補償[5-7]。當鉆井平臺上升時,蓄能器內(nèi)的氣體被壓縮以補償上升位移并儲存能量;當鉆井平臺下沉時,蓄能器內(nèi)的氣體膨脹以補償下沉位移,蓄能器儲存的能量被釋放,被動缸承擔整個鉆柱載荷[8-11]。

圖3 升沉補償系統(tǒng)原理圖

圖3b為主動升沉補償系統(tǒng)工作原理圖。變量泵泵出液壓油經(jīng)比例伺服閥給主動補償缸的兩端輸入液壓油,PLC控制系統(tǒng)實時檢測液缸活塞位置傳感器和MRU信號值,經(jīng)計算后控制變量泵和比例伺服閥的開度及方向。

半主動升沉補償系統(tǒng)是綜合了被動升沉補償系統(tǒng)和主動升沉補償系統(tǒng)的特點。圖3c為半主動升沉補償系統(tǒng)原理圖。半主動升沉補償系統(tǒng)即在被動升沉補償系統(tǒng)的基礎上疊加主動升沉補償系統(tǒng)協(xié)同工作實現(xiàn)對大鉤的補償過程[12]。半主動升沉補償系統(tǒng)中氣液蓄能器發(fā)揮氣液彈簧作用承受大部分載荷,消減大部分大鉤升沉位移;雙向變量泵向主動缸上腔或下腔供油,推動主動缸活塞運動克服其余諸如機械摩擦、氣體壓力波動產(chǎn)生的附加載荷,進一步提高整個升沉補償系統(tǒng)的補償效果。

根據(jù)對比分析,為滿足全球水域大洋鉆探及海上油氣勘探作業(yè)需求,需4 500 kN補償載荷、90 % 補償精度的要求,實現(xiàn)升沉補償、調(diào)節(jié)鉆壓功能,同時系統(tǒng)能耗低,響應速度快。對于4 500 kN補償載荷的要求,主動式補償系統(tǒng)能耗過高,經(jīng)濟性太差;對于90%補償精度、調(diào)節(jié)鉆壓功能及響應速度快的要求,被動式補償性能無法滿足要求。因此,選擇半主動式補償方式,無論從經(jīng)濟性和可行性都是最優(yōu)方案。

2 深水鉆井補償系統(tǒng)集成設計方案

2.1 主要參數(shù)確定

1) 補償載荷。被動補償系統(tǒng)承受最大鉆深時大部分補償載荷,因此,被動補償載荷設為4 500 kN。主動補償裝置作為輔助補償配套,主要用于需精確定位的工況,用以克服補償裝置機械摩擦、氣瓶組壓力波動、補償裝置機械結構慣性力等附加作用力,提高裝置補償精度。

2) 最大補償行程。根據(jù)南海浪高的主要分布規(guī)律,鉆采平臺/船應滿足長期作業(yè)要求,參考長期在南海的藍鯨一號和海洋石油981平臺補償器行程,確定鉆柱補償系統(tǒng)補償行程為7.62 m。

3) 最大補償速度。南海海域在24.3 m/s風速下,波浪周期T=12.1 s。平臺升沉運動的周期與波浪周期相同,升沉振幅為最大補償行程的一半3.81 m,實際平臺的升沉運動規(guī)律為:

速度v=1.977×cos0.519t(對位移求一階導數(shù))

補償缸的運動規(guī)律與平臺一致,主動缸與補償缸運動規(guī)律相同。由于補償采取增距式結構,補償缸速度實際為平臺速度的二分之一,因此補償缸最大補償速度為0.988 5 m /s。參考長期在南海的藍鯨一號和海洋石油981平臺補償器能力,確定鉆柱補償系統(tǒng)最大補償速度為1.31 m/s。國內(nèi)外主要同級別補償產(chǎn)品性能參數(shù)進行了對比如表2。

表2 國內(nèi)外主要同級別補償產(chǎn)品對比

由表2可以看出,本文設計的死繩端液缸式補償系統(tǒng),基本性能參數(shù)達到了國際主流產(chǎn)品同等水平。

2.2 補償控制系統(tǒng)方案選擇

控制系統(tǒng)原理為:運動參考單元(MRU)采集船體升沉運動的參數(shù),并輸出給PLC控制系統(tǒng),PLC控制系統(tǒng)根據(jù)MRU提供的運動參數(shù),實時提取船體的升沉位移并與液缸位移傳感器輸出的液缸位移進行對比,根據(jù)船體的升沉運動位移和液缸位移的差值,控制伺服閥的開啟度和液壓油的流向,給主動缸供油,控制主動補償液缸的移動速度和方向,使液缸活塞的運動與船體的升沉運動曲線盡可能吻合,從而減小升沉運動對鉆頭鉆壓的影響,提升整體系統(tǒng)的補償效果[11-14]。

圖4為控制系統(tǒng)分布式采集控制結構圖。分布式站點通過Profibus-DP現(xiàn)場總線與PLC進行通訊。司鉆房觸摸屏通過Ethernet的方式與PLC實時地進行數(shù)據(jù)交換和指令傳遞。PLC采用冗余設計,控制器熱備份,降低停機風險。

圖4 系統(tǒng)分布式采集控制結構圖

集中采集控制的方案特點是所有的信號經(jīng)過電纜直接接入控制柜,由于控制點數(shù)太多,一個機架不能安裝足夠數(shù)量的模塊,需要進行機架擴展。

兩種方案的對比如表3所示。由于該系統(tǒng)分別布置于平臺不同位置,距離較遠,采集信號點多,通過對比,電控系統(tǒng)采用分布式采集控制方案。

表3 控制系統(tǒng)方案對比表

2.3 系統(tǒng)方案設計

在確定主參數(shù)的基礎上,結合被動補償系統(tǒng)和主動補償系統(tǒng)配置計算及布置方案設計[15-16],進行目標鉆井平臺/船高精度深水鉆井補償系統(tǒng)集成方案設計[15-16]。高精度深水鉆井補償系統(tǒng)集成設計方案如圖5所示。

1) 采用半主動死繩端式補償方案,被動補償系統(tǒng)承擔大部分載荷,單獨開啟補償精度為80%左右;主動補償系統(tǒng)克服其余諸如機械摩擦、氣體壓力波動產(chǎn)生的附加載荷,同時開啟可達90%左右補償精度。

2) 作業(yè)時,浮動架體和固定架體鎖銷打開,補償系統(tǒng)可承擔4 500 kN的負荷;移運或處理事故時,浮動架體和固定架體鎖銷鎖緊,可以承擔最大9 000 kN的負荷。

3) 補償缸采用并列豎直布置方式,低位安裝,質量減小,降低安裝和維護難度,節(jié)約空間,利于補償本體裝置的布置。

4) 補償缸活塞桿向上伸出,采用拉缸形式,降低壓桿屈曲,提高設備可靠性。

5) 被動補償采用蓄能器加高壓氣瓶形成空氣彈簧,補償效果可靠,同時達到節(jié)能的效果。主動補償形式采用并行等速缸調(diào)節(jié)升沉量和鉆壓,提高補償精度。

6) 控制系統(tǒng)采用冗余式PLC分布式站點控制,保證系統(tǒng)控制的可靠、靈活。主動補償采用泵控和閥控并聯(lián)方式控制,提高效率和動態(tài)響應性能。

3 深水鉆井補償系統(tǒng)試驗驗證

驗證試驗項目包括:最大補償載荷試驗、額定靜載荷試驗、補償功能試驗。

最大補償載荷試驗、額定靜載荷試驗分別檢驗補償工況和非補償工況最大承載強度。通過載荷測試應力最大值、殘余變形與試驗大綱要求數(shù)值比較,各組數(shù)據(jù)應力最大值均小于265 MPa,殘余變形小于0.2%,滿足設計驗證要求。試驗完成后將產(chǎn)品解體,對主要承載件進行無損檢測,各承載件強度均符合設計要求。

補償功能試驗的目的是通過海況模擬試驗,檢驗被動補償?shù)难a償載荷及主動補償?shù)难a償位移精度。模擬平臺升沉運動的正向試驗方案較為直觀,但運動模擬平臺造價高昂,波浪模擬難度高,因此采用反向試驗方案,即保證補償裝置不動,給定一個輸入的升沉位移信號,控制活塞桿實時跟隨升沉信號運動[17],在預定正弦波激勵和額定補償載荷作用下,檢測活塞桿的運動和輸入位移信號的偏差,檢測補償精度,進行控制策略評價,驗證控制系統(tǒng)設計合理性及安全可靠性。試驗結果表明,在外部輸入三組不同特性(幅值和周期)人工模擬海浪的激勵下,配掛負載4 500 kN時最大位移偏差±544 mm(國外同類產(chǎn)品為±533.4 mm～±1 143 mm),補償精度為92.86%,符合設計要求。

4 結論

1) 根據(jù)分析對比游車式、天車式、絞車式、集成式和死繩端式補償方案,針對液缸舉升鉆機,選擇死繩端液缸補償方案。

2) 對被動式、主動式和半主動式補償三種補償形式的工作機理進行分析對比,確定了半主動式補償機理。

3) 根據(jù)全球海域全天候作業(yè)要求,確定了鉆柱補償行程、最大運動速度、最大的補償載荷、最大大鉤載荷、補償精度等主參數(shù)。

4) 進行死繩端式液缸補償?shù)你@柱補償系統(tǒng)集成設計開發(fā),鉆機系統(tǒng)提升和補償分離式設計。采用分布式采集控制策略,降低制造難度,減少系統(tǒng)干擾,提高控制精度。

5) 通過載荷和海況模擬試驗,驗證了補償系統(tǒng)總體設計和控制方案的合理性和可靠性。