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60 t钻柱升沉补偿装置的研制及应用
郑万里, 杨虎, 牟新明, 李欢, 王博芳, 张彩莹, 罗强     
宝鸡石油机械有限责任公司; 国家油气钻井装备工程技术研究中心
摘要: 针对"海洋地质十号"勘察船钻探系统液压举升式门式井架的结构特点,开发了60 t钻柱升沉补偿装置。该装置采用了倒立油缸直驱技术、双阀组安全控制技术及任意位置悬停技术等多项创新技术。对60 t钻柱升沉补偿装置进行了补偿载荷和静载荷试验,试验结果表明相关设计参数达到了预定设计要求。作为国产首台套投入海洋实战作业的补偿装置,成功完成了在水深100 m、钻探取样深度150 m的作业任务,满足了用户的勘察钻探需求。60 t钻柱升沉补偿装置的成功研制及应用使我国拥有了具有自主知识产权的钻柱升沉补偿装置,推动了我国深水勘探开发用钻井平台关键设备的国产化进程。
关键词: 钻柱升沉补偿装置    被动补偿    倒立油缸直驱    双阀组安全控制技术    
Development and Application of a 60 t Drilling String Motion Compensator
Zheng Wanli, Yang Hu, Mou Xinming, Li Huan, Wang Bofang, Zhang Caiying, Luo Qiang     
CNPC Baoji Oilfield Machinery Co., Ltd.; National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment
Abstract: A 60 t drill string motion compensator has been developed to adapt the structural characteristics of the hydraulic portal derrick of the drilling system in exploration vessel "Marine Geology No. 10". Several innovative technologies are applied in the compensator, including direct drive by inverted cylinder, safety control with double valve groups, and hanging at any position. Tests on the compensating load and static load on the 60 t drill string motion compensator have been conducted, and the results show that the design parameters meet expected design requirements. As the first domestic compensator, it has successfully completed the task of drilling 100 m underwater and sampling at 150 m, and met the client's exploration and drilling needs. The development and application of the 60 t drill string motion compensator marks that China has had a drill string motion compensator with independent intellectual property rights, and it has promoted the localization of key equipment for deepwater drilling platforms in China.
Keywords: drill string motion compensator    passive compensation    direct drive    double valve groups    

0 引言

随着我国石油工业向海洋发展,深水勘探开发用钻井平台关键设备的设计与建造已被提升到重要日程[1]。在海洋石油钻井作业时,海洋浮式平台在海浪作用下产生纵荡、横荡、升沉、纵摇、横摇和艏摇6个自由度的运动,其中升沉运动会使得整个钻井系统随浮式平台一起运动,导致钻头与井底之间的钻压发生变化,降低了钻井效率,增加了成本,影响钻井作业的顺利进行。在恶劣的海况下,钻头甚至会提离井底,引发钻井事故。同时,升沉运动也会影响水下设备安装的准确性,引起设备碰撞事故。因此,海洋浮式平台需要配备一套升沉补偿装置,用以消除平台升沉运动对钻井作业的不利影响[2-3]

目前,升沉补偿装置主要由NOV和MH两家外国公司垄断,国内主要是中国石油大学[4]和广东工业大学[5]等高校进行了理论性的基础研究。宝鸡石油机械有限责任公司自2009年开始对钻井平台和钻柱升沉补偿装置进行研究[6],先后开展了900 t天车钻柱升沉补偿装置、2 000 hp钻井补偿绞车和180 t游车钻柱升沉补偿装置等产品的研制[7]。2016年,宝鸡石油机械有限责任公司为客户研制开发了“海洋地质十号”勘察船钻探系统,60 t钻柱升沉补偿装置作为该勘察船钻探系统的关键设备,主要是针对该钻探系统的液压举升式及门式井架导轨的特点而研发。该补偿装置的研制及应用使我国拥有了具有自主知识产权的钻柱升沉补偿装置,推动了我国深水勘探开发用钻井平台关键设备的国产化进程。

1 技术分析 1.1 总体结构

60 t钻柱升沉补偿装置结构如图 1所示[8]。该装置采用被动补偿形式,基本功能包括补偿功能和锁紧功能。

1—滑轮总成;2—上支撑架;3—补偿油缸;4—锁紧油缸;5—防爆阀;6—下支撑架;7—导向小车;8—高压软管;9—隔离阀;10—蓄能器;11—主气阀;12—液压站;13—主气阀控制柜;14—增减压控制柜;15—工作气瓶组;16—备用气瓶组;17—空压机。 图 1 60 t钻柱升沉补偿装置结构示意图 Fig.1 Schematic diagram of the 60 t drill string motion compensator

补偿装置的锁紧油缸回缩,使得上支撑架和下支撑架脱开,在补偿油缸活塞缸的伸缩运动过程中,完成补偿装置的补偿功能;补偿装置锁紧油缸伸出,使得上支撑架和下支撑架连为一体,从而关闭补偿功能,完成补偿装置的锁紧功能,适应最大提升载荷。

1.2 工作原理

当勘察船随着海浪上升时,井架钢丝绳带动滑轮总成上升,上支撑架和补偿油缸缸筒也随之上升,由于下支撑架通过销轴与补偿油缸活塞杆连接,下支撑架会瞬间保持几乎不动。该过程相当于补偿油缸的活塞杆做伸出运动,补偿油缸中油液压入到蓄能器中积蓄能量。当勘察船随着海浪下降时,滑轮总成下沉,上支撑架和补偿油缸缸筒也随之下沉,下支撑架会瞬间保持几乎不动。该过程相当于补偿油缸的活塞杆做回缩运动,蓄能器中油液会压入到补偿油缸中,从而释放能量。在此过程中,通过调节气瓶压力来应对不同的补偿载荷。

1.3 主要技术参数

最大补偿载荷:400 kN;

最大静载荷:600 kN;

最大补偿行程:3 m;

最大补偿速度:1 m/s;

额定工作气压:21 MPa;

整机质量:7 t。

2 主要系统设计及关键技术 2.1 主要参数研究

60 t钻柱升沉补偿装置应用在“海洋地质十号”勘察船钻探系统上。该勘察船钻探系统是我国自主创新设计的首台油缸举升式全液压钻探系统,水深加钻深600 m,最大钻深400 m,有效载荷600 kN。根据600 m钻机最大钻柱质量18 t,考虑一定动载系数影响,设计补偿载荷为400 kN。查阅我国南海“大风”恶劣环境下的海况参数,利用动力学分析基本方法,形成了勘察船的升沉位移理论计算方法[9],如果波浪具有X方向的位移,则带动钻井船产生Y方向的位移。勘察船的升沉位移示意图如图 2所示。

图 2 勘察船的升沉位移示意图 Fig.2 Schematic diagram of the motion displacement of the "Marine Geology No.10"

假设勘察船集中质量为M,吃水线处平台与海水接触面积为A,在无波浪时,船体自重与浮力相等,因此在计算时不考虑勘察船的重力和初始浮力。由牛顿第二定律,可得勘察船升沉运动的基本方程(忽略船体与波浪相互运动的阻力),具体计算如式(1)所示。最终确定最大补偿行程为3 m,最大补偿速度为1 m/s。

(1)

式中:ρw为海水密度,kg/m3b为阻尼系数,(N·s)/m;g为重力加速度,取9.8 m/s2y为平台甲板在相对坐标系中的高度,m;x为水面在相对坐标系中的高度,m。

2.2 机械系统设计

根据“海洋地质十号”勘察船钻井系统构成特点,补偿装置与游车采用一体式结构,将传统意义上的游车(滑轮总成)左右对称布置,滑轮总成通过螺栓与补偿装置上支撑架连接。补偿系统采用油缸直接驱动形式,倒立布置,补偿油缸缸筒与上支撑架通过螺栓固定连接,补偿油缸活塞杆末端通过销轴与下支撑架连接。上支撑架、下支撑架分别通过螺栓和导向小车固定连接,使得整个补偿装置可以沿着井架导轨上下运动完成补偿功能。补偿装置上支撑架侧面安装有锁紧油缸,通过远程操作锁紧油缸活塞杆伸缩,驱动补偿装置完成插销锁紧功能,将补偿装置上支撑架和下支撑架连接为一个整体,从而关闭其补偿功能,切换到最大钩载工况。补偿装置中心留有通过取样钻杆的中心取样孔,用于勘察船取样操作。

2.3 液气系统设计

补偿油缸塞腔和油缸配备的小氮气瓶连通,有利于降低油缸缓冲,保持油缸内气体洁净度,油缸杆腔通过高压软管与蓄能器液端相连,蓄能器气端通过主气阀与工作气瓶连接,调节工作气瓶压力可以承载相应钻深的钻柱重力。补偿系统液压站用于向蓄能器补充由于泄漏而减少的油液量,同时作为升沉补偿装置锁紧油缸的油源。该液压站带有本地操作面板,方便调试、检修等非作业操作,同时具有远程操作功能。气动系统采用压缩空气作为传动介质,其供气方式采用空压机向备用气瓶供气,以方便工作气瓶压力调整,将备用气瓶气体向工作气瓶充气可以调高补偿系统工作压力,将工作气瓶气体排出可以调低补偿系统工作压力。液气系统原理如图 3所示。

图 3 60 t钻柱升沉补偿装置液气系统原理图 Fig.3 Schematic diagram of the hydraulic-pneumatic system of the 60 t drill string motion compensator

2.4 控制系统设计

钻柱升沉补偿系统电控系统负责监视整个装置的运行状态,包括系统工作压力和控制阀门开关状态等,当系统出现异常时及时提示设备操作人员。补偿装置电控系统包括控制器、接口模块、人机交互面板(HIM)和物理开关等,为方便司钻操作,可在司钻房内提供操作面板,操作面板能完成隔离阀开/关、隔离阀常开/常关、增加气压以及减小气压等操作。补偿装置电控系统提供补偿载荷、气动系统压力、液压系统压力、补偿油缸位置和油箱液位等监视值。控制系统原理如图 4所示。

图 4 60 t钻柱升沉补偿装置控制系统原理图 Fig.4 Schematic diagram of the control system of the 60 t drill string motion compensator

2.5 关键技术 2.5.1 倒立油缸直驱技术

钻柱补偿装置采用倒立油缸直驱式游车钻柱补偿方式,大型液压缸直接驱动补偿装置,相较于链轮链条增距式补偿技术,油缸直驱技术避免了链条的磨损,延长了补偿系统的寿命,且整个补偿装置质量更小,结构简单可靠,便于维护保养。

2.5.2 双阀组安全控制技术

钻柱升沉补偿装置的本体在补偿工况下在井架内上下游动,因此补偿装置需要使用高压液压软管。为防止高压软管破裂,补偿装置设计了防爆阀组安全保护装置,在软管破裂时,将油液锁死在补偿油缸中,避免软管破裂引发事故。

补偿装置工作过程中发生诸如钻柱断裂或钻头脱落等钻井事故,会导致补偿油缸突然失去载荷,由于空气的膨胀导致油缸急速退回,引发冲缸事故。为此,在液压系统中设计了隔离阀组。当出现上述事故时隔离阀组切断补偿油缸与活塞式蓄能器之间的油路,从而避免冲缸事故的发生。

2.5.3 任意位置悬停技术

由于在连接钻杆、钻井、起钻和卡钻等操作中均需要在任意位置保持钻杆悬停,钻柱升沉补偿装置设计了专用阀组,阀组开闭状态可以通过远程人工操作,实现钻柱补偿装置任意位置的悬停。通过远程操作阀组中的先导电磁阀,实现阀组主阀的开启或关闭,控制蓄能器与补偿油缸间油路的通断,从而可以将补偿装置在补偿行程范围内任意位置悬停,满足钻井作业需要。

3 试验及应用情况

60 t钻柱升沉补偿装置试验的主要目的是验证补偿装置设计的合理性及补偿原理的可靠性,补偿装置补偿载荷和最大静载等设计参数是否达到了设计要求,其操作控制和通信等性能是否方便、安全、可靠,产品制造质量是否符合图纸及有关文件、技术标准的要求。

在完成各种测试的基础上,2017年1月,宝鸡石油机械有限责任公司对60 t钻柱升沉补偿装置开展了补偿载荷试验和静载荷试验等厂内试验,并通过了CCS认证。2017年至今,60 t钻柱升沉补偿装置在南海进行了补偿装置补偿功能海试及海上勘察钻探作业应用。

3.1 补偿载荷试验

将补偿装置安放于钻柱升沉补偿装置专用载荷试验工装上[10],解锁补偿装置上、下支撑架,补偿油缸活塞杆伸出100 mm左右,通过液压站供油将补偿油缸活塞杆缩回实现加载,按试验大纲要求逐级加压,每级压力保持3 min,观察补偿油缸与下支撑架销轴耳板处,若无变形则继续加载,直至补偿油缸压力所对应的补偿载荷为400 kN,并保持5 min,加载试验时检测并记录各贴片点的应力值。补偿载荷试验主要是验证补偿设备及其构件的功能未在最大补偿载荷的工况下而削弱。试验结果表明拉伸应力值在合理区间,卸载后解体,目检补偿油缸支撑座、筋板、下支撑架与补偿油缸销轴连接部位附近钢板无变形或压痕。

3.2 静载荷试验

在井架上开展补偿载荷试验时,锁紧补偿装置。按照API 8C规定要求,设计安全系数S=3,补偿装置下支撑架逐级施加到F3=F4=0.5×0.8S×600 kN=720 kN拉力载荷,并保持5 min,加载试验时检测并记录各贴片点的应力值,然后慢慢卸载至0,经过2 h后,读取各点的残余应变值。试验结果表明,60 t钻柱升沉补偿装置满足静载要求。静载荷试验加载示意图如图 5所示。

图 5 静载荷试验加载示意图 Fig.5 Schematic diagram of loading in the static load test

3.3 应用情况

2018年10月,“海洋地质十号”勘察船在南海100 m水深处进行全程钻探取样作业,并对其配套的地质钻探系统60 t钻柱升沉补偿装置补偿功能进行海洋实际作业的全面检验。60 t钻柱升沉补偿装置顺利完成了在水深100 m、钻探取样深度150 m的作业任务。

这是补偿装置用户4次海试中第1次钻探取样超过100 m,同时也是我国自主研制的首台套钻井升沉补偿系统投入海洋实战作业。

4 结论及建议

(1) 60 t钻柱升沉补偿装置采用补偿装置与游车一体式结构,被动补偿模式,同时应用了倒立油缸直驱技术、双阀组安全控制技术及任意位置悬停技术等多项创新技术。

(2) 该补偿装置在厂内及船厂均完成了补偿载荷试验和静载荷试验,试验结果表明相关设计参数达到了预定的设计要求。

(3) 补偿装置完成了在水深100 m、钻探取样深度150 m的作业任务,作为国内首台套投入海洋实战作业的升沉补偿装置,满足了用户的勘察钻探需求。

(4) 补偿装置是一个融合了机、电、液多学科、多领域技术的复杂系统,配套设备多,建议后续进行大吨位补偿装置的研制,为攻占深水补偿类市场打下坚实的基础。

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郑万里, 杨虎, 牟新明, 李欢, 王博芳, 张彩莹, 罗强
Zheng Wanli, Yang Hu, Mou Xinming, Li Huan, Wang Bofang, Zhang Caiying, Luo Qiang.
60 t钻柱升沉补偿装置的研制及应用
Development and Application of a 60 t Drilling String Motion Compensator
石油机械, 2020, 48(1): 58-63
China Petroleum Machinery, 2020, 48(1): 58-63.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2020.01.009

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收稿日期: 2019-07-13

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