2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心;
3. 西安宝美电气工业有限责任公司
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment;
3. Bomay Electric Industries Co., Ltd
0 引言
升沉补偿装置是海洋浮式钻井平台的关键设备[1],也是海洋油气装备高端产品之一。宝鸡石油机械有限责任公司依托国家科技重大项目,自2009年开展了“海洋深水作业升沉补偿技术”的研究,研发人员充分对比分析了主动式、被动式和主被动联合(半主动)式3种动力形式的升沉补偿装置在能耗和补偿效率等方面的优缺点[2-5],以及游车型、天车型、死绳型和绞车型等几种安装形式钻柱升沉补偿装置的适用性,将升沉补偿装置的工程样机定型为180 t主被动联合式游车型钻柱升沉补偿装置。为了验证该钻柱升沉补偿装置样机的设计准确性和安全性,关键是验证被动补偿气瓶压力变化与主动补偿的补偿位移精度,开展了钻柱升沉补偿装置补偿功能试验研究工作。试验成功将推进国内钻柱升沉补偿装置的研发进度。
1 技术分析 1.1 设计依据宝鸡石油机械有限责任公司研制的180 t钻柱升沉补偿装置为半主动游车升沉补偿方式,即主动补偿和被动补偿联合对负载运动进行补偿的方式,其原理简图见图 1。该装置主要由链轮、板式链条、上承载架、锁紧装置、下承载架、主动补偿缸、被动补偿缸、蓄能器、工作气罐、比例阀、比例泵、控制器和备用气罐等组成。
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图 1 180 t钻柱升沉补偿装置原理简图 Fig.1 The principle diagram of the 180 t drill string heave compensation device 1—链轮;2—板式链条;3—上承载架;4—锁紧装置;5—下承载架;6—主动补偿缸;7—被动补偿缸;8—蓄能器;9—截止阀;10—工作气罐;11—比例阀;12—比例泵;13—控制器;14—消声器;15—备用气罐。 |
180 t钻柱升沉补偿装置的被动缸上腔与大气相通,下腔通过高压软管与蓄能器的液端相连,蓄能器另一端的空气与一组容量较大的工作气罐相连,工作气罐的气压承载着钻柱重力。主动缸和被动缸的杆腔固定端及缸体固定端连接为一整体式框架,共同驱动链轮并带动链条及下支撑架作上、下升沉运动。锁紧装置固定在上支撑架的侧面,在起下钻或停钻时可用锁紧装置将上支撑架及下支撑架锁紧为一体,补偿器将不进行补偿工作。在正常工作时,锁紧装置解锁,工作气罐的气压支撑着钻柱系统的重力,其作用类似一个大型空气弹簧,依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的压缩空气,从而减小升沉幅度以实现补偿[6-7]。同时,根据实时检测到船体和补偿缸的升沉信号,计算二者的差值,并将该值反馈给系统,系统通过控制比例阀及比例泵来调整进入主动缸的流量,使活塞杆向钻柱实际运动相反的方向移动,最终保证钻柱和井底相对静止[8-9]。
180 t钻柱升沉补偿装置的主要技术参数:最大载荷1 800 kN,最大补偿载荷1 200 kN,最大补偿速度0.85 m/s,最大补偿行程4.5 m,被动系统的最大工作压力20 MPa,主动系统的最大工作压力35 MPa,总体质量约27 t,外形尺寸4 434 mm×2 778 mm×4 573 mm[9]。
1.2 总体方案设计钻柱升沉补偿装置补偿功能试验的目的是检测被动补偿在不同载荷下以及不同运动规律下的补偿性能,验证被动补偿气瓶压力变化及主动补偿的补偿位移精度。
补偿功能试验可以采用正向试验方法和逆向试验方法进行。采用正向试验方法时,完全模拟钻柱升沉补偿装置的实际工况,通过试验台模拟海洋平台的升沉运动,以检测钻柱升沉补偿装置提升负载的运动情况,该方法需要设计大型模拟平台和智能控制系统[10]。采用逆向试验方法时,将实际工况下钻柱升沉补偿装置的动静端状态互换,通过其电控系统控制器接收运动模拟信号发生器发出的正弦波位移信号,控制主动补偿比例阀来调节主动补偿缸的升沉运动,被动补偿系统和负载跟随进行升沉运动。该方法只需提供钻柱升沉补偿装置本体安装和提升设备,无需提供升沉运动的驱动力[11-12]。
试验过程中主动和被动补偿系统需检测数据分别为被动缸塞腔压力和主动缸活塞位移,分析对比采用逆向试验方法和采用正向试验方法的试验效果。逆向试验时被动缸塞腔压力变化情况与正向试验一致,对测试精度无影响,而主动补偿缸由于主动动作存在机械效率影响,逆向试验时主动补偿系统压力比正向试验时高,但是对主动缸活塞位移无影响。
综合以上分析,采用逆向试验方法可满足该180 t钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验需求。逆向试验控制系统框图见图 2。通过试验台将原本随平台升沉运动的游车本体悬挂提升后保持静止状态,由运动模拟信号发生器发出正弦波位移信号即平台升沉信号,电控系统控制器接收该信号后控制主动补偿比例阀来驱动主动补偿缸进行升沉运动,使原本悬挂顶驱和钻具基本保持静止状态的游车下端及负载跟随进行升沉运动。同时,将负载端位移传感器检测到的负载端位移信号与运动模拟发生器发出的升沉运动位移信号进行对比,对比得出的最大差值即为系统主动补偿的控制精度。由电控系统控制器根据被动补偿缸在上、下极限位置时的压力差计算出被动补偿精度,即升沉运功上、下极限位置过程中被动补偿缸对负载提升力的变化值。
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图 2 逆向试验控制系统框图 Fig.2 Block diagram of the reverse test control system |
钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验台总体方案如图 3所示。
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图 3 补偿功能试验台总体方案 Fig.3 Overall scheme of the compensation function test stand 1—天车;2—钢丝绳;3—架体;4—游车;5—钻柱升沉补偿装置;6—模拟负载;7—底座;8—卷扬机;9—死绳固定器。 |
试验台主要由架体、提升系统、模拟加载系统和数据采集系统组成。其中,架体模拟钻机井架,用于安装钻柱升沉补偿装置和提供升沉运动空间;提升系统模拟钻机提升系统,用于提升和下放钻柱升沉补偿装置本体及负载;模拟加载系统模拟钻柱,用于为钻柱升沉补偿装置施加载荷;数据采集系统用于检测试验过程中关键试验数据,对试验数据进行后处理并生成试验报告。
2 试验部件设计 2.1 架体设计架体为补偿功能试验的关键部分,由底座和井架组成,用于安装钻柱升沉补偿装置,并为其提供升沉运动空间。底座用于安装井架、绞车和死绳固定器;井架安装于底座上,顶部安装天车用于悬挂钻柱升沉补偿装置。
井架为桁架结构,承受天车、游车和钻柱升沉补偿装置本体的重力及试验载荷,同时具有足够高度以满足钻柱升沉补偿装置安装、试验负载安装和升沉运动。同时,架体提供通向补偿装置游车本体的液压管路、阀件和电气元件的安装空间。井架有效高度30 m、长6 m、宽4 m,承载能力2 700 kN。
底座为钢结构平面拼装结构,用以安装井架、绞车、死绳固定器及钻柱升沉补偿装置部分零部件,提供试验操作场所和试验负载安装空间。底座承受补偿试验载荷和其上安装设备的重力载荷,并把这些载荷传递到地面和基础。
2.2 提升系统设计提升系统为补偿功能试验的关键部分,由卷扬机、天车、游车、钻井钢丝绳及动力和控制部分组成,用于悬挂、提升和下放钻柱升沉补偿装置本体及试验负载。
提升系统为了简化操作和控制采用液压动力,通过操作箱控制液压绞车旋转收放缠绕于液压绞车滚筒上的钢丝绳,钢丝绳绕过游车和天车组成的动、定滑轮组后固定于死绳固定器,从而实现提升和下放悬挂于游车上的钻柱升沉补偿装置本体部分。
根据最大钩载Qmax来确定提升系统的提升能力,最大钩载计算式为:
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(1) |
式中:Qmax为最大钩载,N;Q试为最大试验载荷,N;Fk为冲击载荷,N;Q补为钻柱升沉补偿装置本体重力,N。
动载荷系数计算式为:
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(2) |
式中:Kk为动载荷系数;v为冲击速度,m/s;E为弹性模量,GPa;A为横截面面积,mm2;g为重力加速度,m/s2;Q为冲击物重力,N;l为被冲击杆件长度,m。
最大冲击载荷出现在下行程终点。下行程终点处v=0,则动载荷系数Kk=1,冲击载荷为:
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(3) |
根据最大钩载和系统结构,最大快绳拉力为:
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(4) |
式中:Pmax为最大快绳拉力,N;η游为游动系统效率;Z为游动系统有效绳数。
经计算,提升系统配置42 t液压绞车,4×5绳系即可满足提升钻柱升沉补偿装置及负载的需求。
2.3 加载系统设计加载系统由2组三角架、承载托架以及多个配重块等组成,可满足施加最大试验载荷1 200 kN。试验时通过配重块组合的方式将相应试验载荷配重块放置于承载托架中,通过连接耳座等件与钻柱升沉补偿装置本体下端连接。
该试验方案中模拟负载的受力情况与实际工况有区别,实际工况升沉运动过程中钻杆柱由于补偿精度不足使钻杆柱受到的井底反作用力变化,引起钻杆柱内部张力发生变化。该模拟加载试验方案中,负载整体进行升沉运动会产生冲击载荷。
加载系统的承载托架设计为2层,上、下层吊梁和拉杆均可互换。试验中可根据试验载荷大小决定2层单独或是整体使用。该承载托架层与层间连接的4根拉杆采用对侧销轴异向连接的方式,以避免试验过程中4根拉杆同向摆动使配重块偏斜、脱落。承载托架每层底部设有配重块定位桩,配重块上设有定位孔和定位桩,可确保试验过程中配重限位可靠。
2.4 数据采集系统设计数据采集系统包括拉力传感器、位移传感器、液压压力传感器、气压压力传感器、数据采集仪、计算机和测试软件等。根据试验需要,在钻柱升沉补偿装置进行补偿功能试验时,测试内容主要包括负载拉力、负载位移、主动和被动补偿系统的液压压力、高压空气系统的气压压力。传感器采集的信号经过数据采集仪处理后在测试软件上进行实时显示,并可进行后处理及打印试验报告等操作。
3 现场试验2015年12月,在宝鸡石油机械有限责任公司国家油气钻井工程技术研究中心建造的补偿性能试验台开展了180 t钻柱升沉补偿装置的补偿性能试验。试验时将180 t钻柱升沉补偿装置安装于补偿性能试验台的井架内,在被动补偿液压缸完全缩回状态下,分别向承载托架中施加100、300、500、900和1 200 kN试验载荷,通过提升系统将升沉补偿装置本体及负载整体提升约500 mm,操作升沉补偿装置液气控制系统向蓄能器充气,使被动液压缸柱塞杆伸出举升试验负载,直至被动补偿液压缸柱塞杆伸出至中间位置达到平衡状态。向控制系统的运动模拟信号发生器分别按
(1) 提出的试验方案可以模拟进行钻柱升沉补偿装置的升沉运动,实现对主动和被动补偿精度的检测。采用试验井架及提升系统实现了对钻柱升沉补偿装置的支撑和整体提升,采用承载托架和配重组合的方式实现了多等级负载模拟试验,可以采用数据采集系统实现对负载端位移和载荷的检测与分析。
(2) 钻柱升沉补偿装置补偿功能试验采用逆向试验方法比采用正向试验方法极大地节约了能耗。正向试验方法因模拟平台的运动需要一整套加载动力装置及高精度控制系统,包括大型井架、大功率绞车和电控系统等,投资数额大且生产周期长。而逆向试验方法将仅需要部分动力用于提升和悬挂钻柱升沉补偿装置本体及负载,升沉运动的动力均来源于钻柱升沉补偿装置本身。
(3) 补偿功能试验台是集机、电一体化的试验检测装置,可反向模拟钻柱升沉补偿装置的使用工况,实现了钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验,试验设备保持较好的完整性,钻柱升沉补偿装置的性能指标均达到设计要求。
(4) 补偿功能试验方案采用的试验原理可用于开展具有主动补偿功能的天车型及游车型钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验研究。
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