技术讨论海洋钻井升沉补偿系统技术分析任克忍 沈大春 王定亚 肖 锐 李 鹏 南树歧(宝鸡石油机械有限责任公司)摘要 升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能提高钻井效率及安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。

升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿,分析了各种钻杆柱补偿形式和隔水管系统补偿的技术特点,同时探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势。

最后指出加大力度研发拥有自主知识产权的海洋浮式钻井平台升沉补偿系统,对我国进入海洋更深层次的勘探开发意义重大。

关键词 海洋钻井平台 升沉补偿系统 钻杆柱补偿 隔水管系统补偿 发展趋势0 引 言随着人们对海洋油气资源认识的不断提高及对海洋油气勘探开发工作的逐渐深入,世界范围内海洋石油钻采装备技术研究已进入一个崭新的历史阶段。

海洋钻井升沉补偿装置作为浮式平台钻井系统中的一个重要单元设备,其技术在欧美等发达国家的平台配套当中已相当成熟,而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术的研究开发方面处于空白状态。

为了使我国的海洋油气资源得到有效保护及尽早打破国外的技术垄断,深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻井升沉补偿装置已成为当前工程技术人员的当务之急,也是我国海洋石油装备技术不断振兴和走向成熟的必然要求。

1 升沉补偿系统结构及原理海洋浮式钻井平台在波浪作用下,除前后左右发生摇摆外,还将产生上下升沉运动。

这种随波浪周期性上下升沉的运动将引起钻杆柱和隔水管系统周期性的上下运动。

钻杆柱周期性上下运动将使大钩拉力增大或减小,直接影响井底钻压的变化。

井底钻压的变化不利于钻进,而且当钻压降到一定限度时,将使钻头脱离井底,无法持续钻进。

隔水管系统周期性上下运动将使其失效或井口装置脱离井底。

因此,为了保证浮动钻井平台正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统,以减少钻杆柱和隔水管系统与海底的相对运动,并保持恒定的张力载荷[1]。

通常海洋浮式钻井平台升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿2个方面。

钻杆柱补偿根据安装位置和结构又可分为伸缩钻杆升沉补偿、游车大钩升沉补偿、天车升沉补偿、快绳(死绳)升沉补偿和绞车升沉补偿等几种形式。

1 1 钻杆柱补偿1 1 1 伸缩钻杆升沉补偿伸缩钻杆升沉补偿是在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆。

伸缩钻杆由内外管组成,伸缩行程一般为2m。

当钻井船上下升沉运动时,伸缩钻杆的内外管沿轴向做相对运动,因此只有伸缩钻杆以上钻杆柱随着船体做上下升沉运动,而伸缩钻杆以下部分不受钻井船升沉运动的影响,保证井底钻压恒定。

由于这种升沉补偿方法存在诸多不足,所以只在研究解决升沉补偿问题的早期得到一些应用。

1 12 游车大钩升沉补偿游车大钩升沉补偿是在游车与大钩间装设的一种升沉补偿装置。

此类型的升沉补偿自1973年研制成功后,已多次应用于实际工程。

游车大钩升沉补偿主要由液缸、活塞、储能器、控制阀、液压站、PLC控制系统、检测装置、锁紧装置等部分组成。

较早的结构是将2个液缸上框架与游车相连接,活塞杆与固定在大钩上的下框架连接,可随钻井船升沉上下运动,如图1所示。

钻井船升沉上下运动时,只要保持液缸内液体压力不变,液缸会伸1252009年 第37卷 第9期石 油 机 械CH I NA PETROLEU M M ACH I NERY长或缩短,就可以实现大钩位置基本不变,保证井底钻压稳定,达到升沉补偿的目的。

在实际钻井中,可通过调节储能器中气体压力来改变液缸中的液体压力,达到调节钻头钻压的目的。

因此,只要控制好行程(常常把活塞杆放到全长的中间位置)压力,还可以实现自动送钻。

图1 游车大钩升沉补偿1 1 3 天车升沉补偿天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部,形成浮动天车。

如图2所示,该类升沉补偿结构较为复杂,于1972年研制成功,并在钻井船上得到应用,效果良好。

天车升沉补偿主要由气缸总成、储气罐、液压站、控制系统、操作面板、电器设备/传感器、天车模块/摇摆臂和压力控制阀等组成。

当钻井船升沉运动时,天车模块在液缸的推动下沿轨道相对于井架做相反方向运动,张紧或放松钻井钢丝绳,实现升沉补偿功能;司钻通过甲板上的调节阀,控制系统压力,达到调节井底钻压的目的;另外,该补偿形式在天车上设有滑轮组锁紧装置,进行起下钻作业时,通过液压控制系统将滑轮组锁紧在井架顶部,使浮动天车能够承受钻井系统的最大额定载荷。

图2 天车升沉补偿1 1 4 死绳(快绳)升沉补偿死绳升沉补偿是在平台钻井系统钻井绳死绳段增加的一种升沉补偿装置。

该装置安装在井架侧面,结构较为简单,如图3所示。

死绳升沉补偿主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、储能器等组成。

死绳自天车引出后,先经过1个传感滑轮(测定拉力大小),然后缠绕在定滑轮组及动滑轮组上,自定滑轮组引出,并固定到死绳固定器上。

动滑轮组在液缸推动下可在框架内移动,收紧或放松死绳,实现对死绳恒张力的控制,进而达到对钻井船升沉运动补偿的目的。

通过调节死绳上的张力可以实现对井底钻压的调整。

液缸行程直接影响补偿能力及效果。

图3 死绳(快绳)升沉补偿1 液缸;2 活塞杆;3 储能器;4 动滑轮组;5 定滑轮组。

1 1 5 绞车升沉补偿绞车升沉补偿实际上是通过钻井绞车的正反转来控制和实现钢丝绳的恒张力控制,实现升沉补偿功能。

对于电驱动的钻井绞车,在原有绞车的基础上,增加升沉检测系统和PLC 控制系统,根据检测系统检测到的船体运动信号,通过PLC 控制电动机正反转,收紧或放松钢丝绳,实现恒张力控制,达到补偿的目的。

对于液压驱动的绞车,该类升沉补偿主要由绞车主体、液压站、冷却器、阀组、PLC 控制系统等组成。

当船舶升沉时,启动绞车升沉补偿功能,利用PLC 控制液压泵流量以及油源方向,驱动绞车马达工作,收紧或放松钢丝绳,满足升沉补偿需要。

钢丝绳张力由连续张力测试传感器测定,并输入PLC 控制系统作为主动波浪补偿控制信号。

1 2 隔水管系统补偿隔水管系统补偿主要由隔水管伸缩装置和隔水管张紧器组成。

伸缩装置克服波浪上下周期性的升沉补偿功能,以保持隔水管系统工作时的稳定性,张紧器对隔水管系统提供恒张力控制。

伸缩装置和张紧器相互配合使用,达到船舶在海洋作业环境下对隔水管系统升沉补偿的目的。

隔水管伸缩装置主要由可以相对滑移的内外筒、限制内外管相对移动的液压锁紧机构、防止钻井液漏出的密封机构、为张紧环和辅助管线提供安装连接的支撑机构及辅助机构等部件构成。

隔水管伸缩装置在船上吊装、BOP 安装送入或取出时,内管需要处于缩回位置和锁紧状态;隔水管处于工作状态时,必须通过锁紧机构对内外筒解锁,伸缩126 石 油 机 械2009年 第37卷 第9期装置内外管之间随海浪产生相对滑动,满足隔水管系统在海洋环境中的升沉补偿工作需要。

隔水管张紧器主要由主体、控制架、固定滑轮组、空气压力容器、主控制台、惯性控制系统、蓄能器液体补充系统等部件组成。

张紧器的主要作用是在钻井过程中对隔水管系统保持恒定的张力。

通过司钻控制室远程启动、设置、监控和关闭控制阀块,可以很好地调整压力和张力。

当平台上下运动时,张紧器张紧缸收缩或伸长。

当液缸伸长时,压缩空气将通过控制阀块进入压缩气罐;当液缸收缩时,压缩空气将沿相反方向通过控制阀块。

2 技术特点及发展趋势由于升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的多学科高技术产品,具有高技术、高投入、高风险等特点,长期以来其技术一直被国外发达国家所垄断。

如挪威H ydralift公司设计和生产的各种型式升沉补偿系统,2001年的资料显示,他们至少已出售了被动式升沉补偿装置上千套;各种规格的主动式升沉补偿装置近50套。

总结当前国际上已经开发应用的各类升沉补偿装置,可以得出各自的技术特点。

2 1 技术特点2 1 1 伸缩钻杆升沉补偿该补偿作为世界上早期开发应用的一种补偿形式,其结构非常简单,可以说不需要增加什么制造成本,只需在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆便能够达到补偿的目的。

但该补偿存在的最大问题是无法满足现代钻井工艺要求。

主要表现在: 补偿能力有限。

由于其伸缩行程一般为2m,无法满足深水升沉补偿要求,更无法满足下套管作业、取心、测井、试油等复杂的工艺操作要求。

钻压不能调节,钻井生产效率偏低。

增加伸缩钻杆后,钻压的变化会影响伸缩钻杆的伸缩,因此不能为适应岩层的变化而调节钻压,使得钻井生产率降低。

承载条件恶劣,容易卡死和损坏。

伸缩钻杆既承受钻井液的高压,传递钻杆柱的扭矩,又承受内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷,致使承载条件极为恶劣,容易卡死和损坏。

增加了关井操作难度。

由于伸缩钻杆以上的钻杆柱仍随船体上下运动,当水下防喷器闸板关闭时,钻杆柱就要与防喷器心子发生摩擦,极易损坏,增加了操作上的难度。

2 1 2 游车大钩升沉补偿该形式的补偿通过多年来不断的改进完善,目前在实际油气勘探开发当中应用相对比较广泛。

如图1所示,老式结构的游车大钩升沉补偿速度受制于液缸伸缩速度,而且钻杆、水龙头的摇摆致使液缸承受侧向载荷较为严重,从而对液缸的使用寿命带来了较大影响。

如图4所示,改进后的新型游车大钩升沉补偿,由于将活塞杆与下框架直接相连的刚性连接改成了通过链条或钢丝绳传动的柔性连接,不仅弥补了刚性连接带来的2根活塞杆的同步要求高、液缸承受侧向载荷大等不足,而且由于增加了动滑轮等,使得活塞的行程仅为船体升沉运动行程的12,使其性能得到了明显改善。

图4 新型游车大钩升沉补偿尽管如此,但改进后的游车大钩升沉补偿仍存在一个突出问题,即补偿效果不够理想,大钩还有少许位移。

究其原因主要有以下3个影响因素[2]: 工作缸中流体的摩擦影响,工作缸中充满的液体或气体无论是高压或低压均将对活塞及活塞杆产生摩擦,对大钩运动有影响; 机械摩擦的影响,活塞杆与盘根的机械摩擦,与轴承的机械摩擦或链条与链轮间的机械摩擦等均影响大钩运动; 活塞下端气体体积压缩膨胀对压力的影响,因工作缸与储罐相通,故活塞下端气体的体积包括储罐的容积,这个容积的合理与否将直接影响活塞压力的改变,关系着大钩的位移。

2 13 天车升沉补偿天车补偿作为一种较新的升沉补偿形式,尽管存在结构复杂、体积大、造价高等不足,但由于其合理的布局方式和良好的工作性能使其应用更为广泛。

天车升沉补偿具有以下技术特点: 增设辅助滑轮,天车滑行轨道采用防磨轴承; 液缸采用自动润滑式密封,以减少摩擦,消除因摩擦带给大钩的载荷变化; 采用倾斜放置主气缸的方案,利用力分解的基本原理,减小了因活塞在气缸中上下移动时带给大钩载荷变化的影响。

天车升沉补偿一方面具有占用钻井船甲板面积及空间小的优势(甲板上一般只安装压气机、油泵、调节控制阀组等),而且管线短、密封少、不1272009年 第37卷 第9期任克忍等:海洋钻井升沉补偿系统技术分析需高压柔性胶管、摩擦小。