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浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究

2011-01-04 00:51劉衍聰張彥廷劉振東武光斌
關(guān)鍵詞:鉆柱半主動(dòng)浮式

姜 浩,劉衍聰,張彥廷,劉振東,武光斌

(1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266555;2.浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310058)

浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)研究

姜 浩1,2,劉衍聰1,張彥廷1,2,劉振東1,2,武光斌1,2

(1.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266555;2.浙江大學(xué)流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310058)

在前人研究基礎(chǔ)上提出一種半主動(dòng)浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償方案,將被動(dòng)補(bǔ)償能耗低和主動(dòng)補(bǔ)償精度高的特點(diǎn)有機(jī)結(jié)合在一起。建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,在仿真基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并搭建升沉補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行被動(dòng)、主動(dòng)和半主動(dòng)的升沉補(bǔ)償試驗(yàn)。結(jié)果表明,基于蓄能器的半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)收斂速度快,性能穩(wěn)定,補(bǔ)償效果較好,可以補(bǔ)償平臺(tái)97%的升沉運(yùn)動(dòng)。

浮式鉆井平臺(tái);鉆柱升沉補(bǔ)償;大鉤位移;半主動(dòng)控制;蓄能器;研究

隨著中國石油工業(yè)向海洋發(fā)展,深水勘探開發(fā)用的鉆井平臺(tái)關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計(jì)與建造已被提升到重要日程[1]。浮式鉆井平臺(tái)在波浪的作用下引起的升沉運(yùn)動(dòng)通過鉆柱傳遞到井下,并使鉆柱上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),引起鉆頭上鉆壓的變化,影響鉆進(jìn)效率,降低鉆具壽命;在惡劣海況下平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)會(huì)使鉆井無法正常進(jìn)行。因此,浮式鉆井平臺(tái)需要設(shè)置升沉補(bǔ)償系統(tǒng),用以減小平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)對(duì)鉆柱的影響[2]。國外對(duì)升沉補(bǔ)償裝置研究較早,著名生產(chǎn)廠家有National Oilwell Vacro、Dynacon 及 Aker等公司[3-4],在中國_,吳百海、劉少軍等[5-6]在海底采礦升沉補(bǔ)償裝置方面進(jìn)行了大量研究工作,取得了一系列研究成果。液壓式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)在海洋浮式鉆井平臺(tái)上應(yīng)用最為普遍,形式比較多[7]。升沉補(bǔ)償裝置按動(dòng)力供應(yīng)方式可分為被動(dòng)式(PHC)[8]和主動(dòng)式(AHC)[9]。被動(dòng)補(bǔ)償利用蓄能器來吸收能量,補(bǔ)償性能差,滯后較大,但幾乎不消耗能量;主動(dòng)補(bǔ)償需要連續(xù)輸入能量,系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、補(bǔ)償精度高、性能穩(wěn)定,但系統(tǒng)要求功率大,能耗較高。張彥廷等[10-12]設(shè)計(jì)一套基于游車的新型半主動(dòng)式升沉補(bǔ)償裝置(SAHC)?;谏鲜鲅芯?,筆者提出一種半主動(dòng)浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償方案,既保證系統(tǒng)能耗低,也保證系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。

1 SAHC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

升沉補(bǔ)償裝置可以近似理解為大型彈簧,用于減緩海浪造成的垂直運(yùn)動(dòng)。浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償系統(tǒng)模型和系統(tǒng)受力分析如圖1所示。

圖1 升沉補(bǔ)償系統(tǒng)模型及系統(tǒng)受力圖Fig.1 Schematic diagram of heave compensation system model and rod stress analysis

圖1中,pp為補(bǔ)償缸外缸無桿腔的壓力,MPa;Ap為補(bǔ)償缸外缸無桿腔的工作面積,m2;pa為補(bǔ)償缸內(nèi)缸壓力,MPa;pb為補(bǔ)償缸外缸有桿腔壓力,MPa;c1為液壓油黏性阻力系數(shù);F為活塞桿所受鏈條壓力,N;f為活塞受到的摩擦力,N。

半主動(dòng)升沉補(bǔ)償裝置原理如圖2所示。依靠蓄能器存儲(chǔ)部分能量,抵消一部分升沉位移,當(dāng)蓄能器補(bǔ)償能力不夠時(shí),控制系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償偏差,給補(bǔ)償液壓缸中腔或環(huán)腔供油,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)大鉤以補(bǔ)償鉆柱升沉的位移。這種補(bǔ)償方式下,系統(tǒng)所提供能量主要用于消除摩擦和提供部分補(bǔ)償能力。

圖2 半主動(dòng)補(bǔ)償原理圖Fig.2 Schematic diagram of semi-active compensation principle

2 系統(tǒng)仿真

針對(duì)海洋10 km井深的鉆柱結(jié)構(gòu)對(duì)半主動(dòng)升沉補(bǔ)償裝置進(jìn)行研究,系統(tǒng)仿真模型由變量泵仿真模型、比例方向閥仿真模型、氣液轉(zhuǎn)換器及工作氣瓶仿真模型、活塞桿動(dòng)力學(xué)仿真模型、升沉補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)載仿真模型和各管路的仿真模型等子系統(tǒng)組成,計(jì)算得知鉆柱的最大質(zhì)量約為298.98 t,查閱相關(guān)資料得知大鉤質(zhì)量約26 t,頂驅(qū)質(zhì)量約15 t,設(shè)計(jì)的升沉補(bǔ)償裝置約 50 t,則大鉤靜載約為 350 t[13-14]。針對(duì)7級(jí)海況(平均波高7.62 m,平均周期12 s)進(jìn)行仿真分析,鉆柱的當(dāng)量剛性取66.366 kN/m,鉆柱在鉆井液中的黏性阻力系數(shù)取1.1,液缸內(nèi)液體的黏性阻力系數(shù)取1.639 kN·s/m,液壓介質(zhì)的體積彈性模量取0.7 GPa。

2.1 補(bǔ)償液壓缸數(shù)學(xué)模型

式中,Mp為活塞桿及鏈輪組的質(zhì)量,kg。

2.2 液壓缸與管路之間數(shù)學(xué)模型

內(nèi)缸與比例閥間管路流量方程為

外缸有桿腔與比例閥間管路流量方程為

式中,qa、qb分別為比例閥閥口A、B的流量,L/min;Va為液壓缸與比例換向閥間管路的容積,L;K為液壓油的體積彈性模量,MPa。

2.3 氣液轉(zhuǎn)換器及工作氣瓶數(shù)學(xué)模型

氣液轉(zhuǎn)換器及工作氣瓶數(shù)學(xué)模型為

式中,F(xiàn)c為液壓缸無桿腔中液壓油對(duì)活塞的推力,N;Apxp為液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)引起的工作氣瓶氣體體積變化,L;V0為工作氣瓶體積,L。

2.4 比例方向閥壓力-流量方程

比例方向閥壓力-流量方程為

式中,QPA為比例閥從P口到A口的流量,L/min;QBO為比例閥從B口到O口的流量,L/min;QPB為閥從P口到B口的流量,L/min;QAO為閥從A口到O口的流量,L/min;pvp為比例閥P口壓力,MPa;Cd為閥口的流量系數(shù),取值為0.8;w為閥口的面積梯度;xv為閥芯位移,mm。

2.5 變量泵數(shù)學(xué)模型

變量泵數(shù)學(xué)模型為

變量泵與比例閥間管路流量方程為溢流閥流量方程為

式中,qvp為泵的實(shí)際流量,L/min;n為轉(zhuǎn)速,r/min;D為排量,L/r;qp為流入管路的流量,L/min;Vg為變量泵到比例閥間管路的容積,L;qrv為通過溢流閥的流量,L/min。

仿真模型以上述方程為依據(jù)建立,如圖3所示。其中鉆井平臺(tái)的升沉振幅為3.81 m,升沉周期為12 s,工作氣瓶體積為12 m3,大鉤載荷為350 t。

圖3 復(fù)合缸式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)仿真模型Fig.3 Simulation model of composite cylinder-type heave compensation system

半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的仿真補(bǔ)償效果如圖4所示。大鉤位移穩(wěn)定后在-0.015~0.015 m變化。所設(shè)計(jì)的SAHC系統(tǒng)穩(wěn)定,收斂速度快,完全滿足鉆井工藝要求。

圖4 半主動(dòng)式升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償效果Fig.4 Compensation effect diagram of semi-active heave compensation system

3 試驗(yàn)研究

根據(jù)相似原理建立的升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)高5 m,寬2.1 m,長2.15 m,可實(shí)現(xiàn)升沉高度2 m,補(bǔ)償高度2 m。

圖5 試驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖Fig.5 Schematic diagram of experimental system

3.1 鉆柱升沉補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)組成及功能

在浮式鉆井平臺(tái)鉆柱升沉補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行鉆井平臺(tái)升沉模擬、鉆柱負(fù)載模擬和升沉補(bǔ)償控制等試驗(yàn)。

鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)模擬由定量泵輸出高壓液壓油進(jìn)入電液比例換向閥入口,在控制信號(hào)的作用下,分別在不同時(shí)刻供給升沉缸有桿腔和無桿腔動(dòng)力油,驅(qū)動(dòng)活塞桿和負(fù)載實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)。

鉆柱負(fù)載模擬是將蓄能器的壓力作用于負(fù)載模擬缸的有桿腔,產(chǎn)生一定的力來模擬實(shí)際升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)載作用力,蓄能器壓力變化可以模擬大鉤運(yùn)動(dòng)引起鉆柱長度的變化,對(duì)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)載。

升沉補(bǔ)償控制主要是控制系統(tǒng)根據(jù)大鉤位移與給定平衡位置進(jìn)行比較,獲得控制信號(hào)以控制電液比例換向閥對(duì)補(bǔ)償液壓缸環(huán)油腔或中油腔進(jìn)行供油,推動(dòng)補(bǔ)償缸活塞運(yùn)動(dòng)以補(bǔ)償鉆柱升沉的位移。

3.2 半主動(dòng)補(bǔ)償控制器及比例閥死區(qū)補(bǔ)償

半主動(dòng)升沉補(bǔ)償控制器是一個(gè)雙閉環(huán)(速度環(huán)和位移環(huán))負(fù)反饋控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)原理如圖6(v0為升沉模擬缸的速度,yi,vi分別為升沉補(bǔ)償模擬缸期望的位移和速度,y,v為其實(shí)際位移和速度)所示。電液比例方向閥控制電壓u為控制器輸出,表示u0、uy、uv在綜合器里分別乘以一定的加權(quán)系數(shù)后相加之和。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of SAHC control system

由于電液比例換向閥存在死區(qū),為了減小閥芯位移死區(qū)對(duì)動(dòng)力機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響,提高控制精度,要對(duì)比例閥的閥芯位移進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償[15]。盡管放大器在控制電壓零點(diǎn)處存在100 mA先導(dǎo)電流,但仍然無法正常驅(qū)動(dòng)閥芯。通過試驗(yàn)獲得電液比例換向閥死區(qū)控制電壓,當(dāng)控制電壓小于死區(qū)電壓時(shí),采用死區(qū)PI控制,保證控制電壓并防止閥芯動(dòng)作發(fā)生振蕩。

3.3 半主動(dòng)補(bǔ)償試驗(yàn)效果分析

在補(bǔ)償缸蓄能器體積為63 L,氣囊工作壓力為5.75 MPa,負(fù)載缸蓄能器體積40 L,氣囊工作壓力為2.75 MPa時(shí),進(jìn)行半主動(dòng)補(bǔ)償試驗(yàn)。圖7、8所示為幅值在600 mm升沉運(yùn)動(dòng)下升沉曲線和大鉤位移曲線。圖9為在不同方式下大鉤偏離平衡位置曲線。

圖7 600 mm幅值下的升沉和補(bǔ)償曲線Fig.7 Curves of heave and compensation at 600 mm amplitude

圖8 600 mm幅值下大鉤位移曲線Fig.8 Hook displacement curves at 600 mm amplitude

從圖9可以看出,半主動(dòng)式升沉補(bǔ)償效果較好,在升沉運(yùn)動(dòng)峰谷值達(dá)到1600 mm時(shí),其補(bǔ)償誤差可控制在25 mm之內(nèi),其補(bǔ)償率(大鉤位移/升沉幅值)在升沉幅值800 mm下可達(dá)97%。

圖9 不同升沉幅值下大鉤位移曲線Fig.9 Hook displacement curves at different amplitudes

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的基于蓄能器的半主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)收斂速度快,性能穩(wěn)定。

(2)設(shè)計(jì)并建立的升沉補(bǔ)償試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了鉆井平臺(tái)升沉運(yùn)動(dòng)模擬和鉆柱靜載、動(dòng)載的模擬。

(3)在幅值200~800 mm進(jìn)行升沉補(bǔ)償控制試驗(yàn),半主動(dòng)方式升沉補(bǔ)償效果較好,可以補(bǔ)償平臺(tái)97%的升沉運(yùn)動(dòng)。

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Research on drill string heave compensation system for floating drilling platform

JIANG Hao1,2,LIU Yan-cong1,ZHANG Yan-ting1,2,LIU Zhen-dong1,2,WU Guang-bin1,2

(1.College of Electromechanical Engineering in China University of Petroleum,Qingdao266555,China;2.State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control in Zhejiang University,Hangzhou310058,China)

For floating drilling platform,a new type of semi-active drill string heave compensation system was designed,assembling the advantages of passive and active compensator into one whole.A mathematical model was built,and with the result of simulation,the heave compensation test bed was built.A great number of experiments for passive,active and semi-active heave compensation indicate that the semi-active heave compensation system is of fast convergence,stable performance and more effective in compensation effect.The system can compensate for 97%of the heave motion.

floating drilling platform;drill string heave compensation;hook displacement;semi-active control;accumulator;research

TE 951

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.06.020

1673-5005(2011)06-0122-05

2011-03-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50875262);國家高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2008AA09Z311);流體傳動(dòng)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(GZKF-201025)

姜浩(1977-),男(漢族),黑龍江哈爾濱人,博士研究生,主要從事計(jì)算機(jī)測(cè)控、機(jī)電液控制領(lǐng)域研究。

(編輯 沈玉英)

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