劉清友，徐 濤

西南石油大學，四川 成都 610500

深海鉆井升沉補償裝置國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路*

劉清友，徐 濤

西南石油大學，四川 成都 610500

升沉補償裝置是對浮式鉆井平臺和鉆柱系統(tǒng)在海浪等自然載荷作用下做升沉運動時進行適當補償?shù)年P(guān)鍵設(shè)備，在深海石油鉆井開發(fā)過程中，該裝置能在浮式平臺遇到大風等惡劣環(huán)境作用時，有效減小上下振蕩運動對鉆井作業(yè)帶來的一系列影響，保證井底鉆壓的穩(wěn)定和鉆井系統(tǒng)整體工作過程的高效進行。通過大量文獻調(diào)研，分析了升沉補償裝置在中國的發(fā)展現(xiàn)狀和應用情況，結(jié)合升沉補償裝置在中國深海石油鉆井過程中的實際使用情況和研究現(xiàn)狀，利用多浮體理論和鉆井系統(tǒng)動力學特征提出對該裝置進一步深入研究的新思路和技術(shù)路線圖，對促進中國海洋石油裝備自主研究和發(fā)展具有十分重要的意義。

深海鉆井；升沉補償裝置；國內(nèi)；現(xiàn)狀分析；發(fā)展思路

劉清友，徐 濤．深海鉆井升沉補償裝置國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]．西南石油大學學報：自然科學版，2014，36（3）：1–8．

Liu Qingyou,Xu Tao．Domestic Status and Thoughts on the Development Ideas of Deepwater Drilling Heave Compensation System[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（3）：1–8．

引言

近年來，油氣開采方向開始逐漸從陸地轉(zhuǎn)向擁有豐富資源儲量的海洋，特別是向深海海域的快速進發(fā)，適用于深海鉆井作業(yè)的設(shè)備研發(fā)顯得尤為重要。海洋鉆井作業(yè)過程中使用的浮式鉆井平臺在風浪等自然因素的作用下會產(chǎn)生復雜的運動（如圖1所示），其中升沉運動對鉆井作業(yè)影響最大[1]。升沉運動是浮體相對于海平面的上下起伏的運動形式，當在平臺上進行鉆井作業(yè)、起吊作業(yè)或張緊作業(yè)時，會引起井架和大鉤懸掛的鉆柱系統(tǒng)產(chǎn)生Z方向上的升沉運動，導致大鉤的懸掛拉力產(chǎn)生較大波動，影響鉆頭作用在井底巖石的鉆壓，嚴重時可能導致鉆頭離開井底，從而大大降低鉆進的效率，并使鉆頭和鉆柱在周期性變化的載荷作用下的使用壽命降低，造成鉆井作業(yè)中途停止和增加鉆井成本。為了避免上述情況的出現(xiàn)，必須采取措施對浮式鉆井平臺的升沉運動進行相應的補償，升沉補償裝置由此產(chǎn)生和快速發(fā)展起來，并逐漸成為深海鉆井過程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一[24]。

圖1 浮式鉆井平臺運動示意圖Fig.1 The motion schematic diagram of floating drilling platform

1 升沉補償裝置的功能特點

浮式鉆井平臺在風浪作用下的升沉運動對深海鉆機正常鉆進具有很大影響，需要安裝特設(shè)的升沉補償裝置對該運動進行補償以保證鉆井工作的高效進行，該裝置主要具有以下功能特點[2]：

（1）保持井底鉆壓穩(wěn)定。在正常鉆井過程中，位于井底的鉆頭需要保持一定的壓力才能破碎井底巖石，實現(xiàn)鉆進。當浮式鉆井平臺受到風載（阻力和升力作用為主）、海流力（波浪存在會引起水質(zhì)點的速度變化，考慮海流和海浪的聯(lián)合作用）和波浪力（基于繞射理論的海洋大尺度結(jié)構(gòu)物計算原理）作用時，井架上的大鉤連同所懸掛的鉆柱會隨平臺一起做垂直于海平面的上下升沉運動，導致井底鉆壓難以保持穩(wěn)定，并可能在出現(xiàn)較大波動振幅時使鉆頭被提離井底，使鉆井工作不得不中途停止，影響工程正常進度。升沉補償裝置采用特定的儲能機構(gòu)或動力端提供額外補償能量，依據(jù)平臺和鉆柱升沉運動的幅度和規(guī)律，使鉆頭與井底巖石接觸面的壓力保持相對穩(wěn)定，補償因外界環(huán)境因素作用下的能量損耗，使鉆井過程能繼續(xù)順利進行。

（2）減少大鉤動載。鉆井過程中鉆桿柱連同循環(huán)泥漿的重量由大鉤承載，正常鉆進過程中大鉤受鉆柱的靜載荷作用，但平臺受到環(huán)境載荷作用時發(fā)生的升沉運動會使大鉤受到動載荷作用，增加大鉤的承載值。使用升沉補償裝置對平臺升沉運動進行補償后，可減小大鉤所受動載荷作用而維持鉆柱載荷穩(wěn)定，減輕大鉤所受的承載力并保持其安全可靠的工作狀態(tài)。

（3）防止井下器具的位置變動。浮式鉆井平臺不規(guī)律的升沉運動使鉆柱連同井下器具在井下的位置發(fā)生移動，影響井下工具工作性能。使用升沉補償裝置可使井下器具的位置保持在規(guī)定的井段范圍內(nèi)，避免因井下工具移動造成的井下事故。

（4）防止鉆井設(shè)備發(fā)生疲勞破壞。在交變動載荷作用下，浮式鉆井平臺上安裝的井架、大鉤以及其下所懸掛的鉆柱系統(tǒng)構(gòu)件容易發(fā)生疲勞破壞，升沉補償裝置能盡可能地減少交變載荷的產(chǎn)生，減少鉆井設(shè)備的疲勞失效機率。

2 中國升沉補償裝置的發(fā)展概況

中國的海洋國土面積約為300×104km2，包括渤海、南黃海、東海、北部灣、南海珠江口盆地、鶯歌海油氣盆地和臺灣海峽附近海域等7個大型高儲量可開發(fā)的含油氣盆地[5]（如圖2所示），根據(jù)2003年由國土資源部、國家發(fā)展和改革委員會和財政部3部門聯(lián)合組織的第三次全國油氣資源評價結(jié)果分析，中國海洋石油資源量為246×108t，天然氣資源量為15.79×1012m3，因此海洋石油的開發(fā)和發(fā)展對中國石油行業(yè)以及全國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義[6-7]。

圖2 中國海洋石油分布圖Fig.2 The distribution of China national offshore oil

由于中國對深海石油開發(fā)過程中所使用的相關(guān)設(shè)備研制時間起步較晚，導致相關(guān)核心技術(shù)與國外存在較大差距，在升沉補償裝置的研發(fā)方面也明顯晚于國外，當前國外鉆井和油服公司出于對自身核心技術(shù)和商業(yè)核心利益的保護，往往采用出售相關(guān)技術(shù)服務而不是產(chǎn)品的形式進行運營和開展相關(guān)商業(yè)活動，這為中國了解和掌握國外關(guān)于升沉補償裝置發(fā)展的先進技術(shù)設(shè)置了較大障礙。為了促進深海技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)一些高校和科研院所的研究人員克服基礎(chǔ)薄弱和技術(shù)資料短缺等困難，對升沉補償技術(shù)進行了深入研究，并取得一定成果。

中國石油大學方華燦教授在1976年對海洋鉆井船上安裝的升沉補償裝置（如圖3所示）具體結(jié)構(gòu)類型，工作原理和具體設(shè)計方法進行了深入討論，并對浮式鉆井船在鉆井工作過程中的升沉補償問題進行了理論分析[8]；1978年又對浮式鉆井船升沉補償問題的由來、各類裝置的作用特點“南海二號”半潛式平臺所使用升沉補償裝置（如圖4所示）存在的問題以及該類裝置所涉及的機械振動原理和大鉤位移的理論計算方法進行了分析研究，得到大鉤產(chǎn)生運動的具體原因和影響因素[9]。

圖3 浮式鉆井船升沉補償裝置布置圖Fig.3 The layout of heave compensation equipment in floating drilling ship

圖4 “南海二號”半潛式平臺的升沉補償裝置Fig.4 The heave compensation equipment of South China Sea II semi-submersible platform

1980年方教授對深海鉆井過程中涉及的測井、射孔等繩索作業(yè)時的升沉補償問題進行了探討，并對提高井下工具到達所工作井段的位置精度問題給出了解決方案和建議，還利用力電類比原理進行了升沉補償問題的電模擬試驗，尋求繩索作業(yè)時阻尼減震器的合理參數(shù)[10]。在1986年又采用線性分析法對半潛式鉆井平臺在規(guī)則波作用下的升沉運動進行研究，得到鉆井平臺升沉運動的力學模型（如圖5示），并編寫了相應的計算機程序，以“南海二號”為例進行計算后得到理論分析曲線和實驗測試分析曲線的對比結(jié)果[11]。

2000年，濟南大學的馬汝建對裝有升沉補償系統(tǒng)的浮式鉆井平臺進行隨機動力學分析，應用譜分析方法求出了系統(tǒng)的動力響應規(guī)律，得到系統(tǒng)振動作用于大鉤、升沉補償裝置及井架上動載的計算公式[12]。2009年，寶雞石油機械有限公司的任克忍、沈大春等人總結(jié)了各種鉆桿柱補償形式和隔水管系統(tǒng)補償?shù)募夹g(shù)特點，指出中國升沉補償裝置的發(fā)展趨勢，即結(jié)構(gòu)形式要進一步改進完善，工作機理要由被動補償式、主動補償式的模式向半主動式發(fā)展，并為適應深海深水鉆井的使用要求，采用多種補償形式的靈活組合方式來提高補償能力[13]；2010年該公司的王維旭、弓英明等人針對常規(guī)升沉補償裝置具有體積、重量和占用平臺面積都較大的不利之處，提出了一種具有補償功能的鉆井絞車系統(tǒng)[14]（如圖6所示）。

圖5 浮式鉆井平臺升沉運動力學模型Fig.5 The heave movement mechanics model of floating drilling platform

圖6 絞車補償原理圖Fig.6 The schematic diagram of winch compensation

2011年，四川宏華石油設(shè)備有限公司的陳祖波、呂巖等人對浮式鉆井平臺的伸縮鉆桿、天車（如圖7所示）、游車大鉤（如圖8所示）、死繩和絞車這5種鉆柱升沉補償型式的原理、優(yōu)缺點和應用情況進行了深入對比和分析，并對該裝置在國內(nèi)外的使用研發(fā)情況進行了廣泛調(diào)研，結(jié)合中國實際國情和石油開發(fā)現(xiàn)狀指出今后該類裝備的發(fā)展前景展望[15-16]。

圖7 天車升沉補償裝置圖Fig.7 The diagram of crown heave compensation

圖8 游車升沉補償裝置圖Fig.8 The diagram of traveling block heave compensation

2011年，中國石油大學（華東）和浙江大學的姜浩、劉衍聰?shù)热嗽趪易匀豢茖W基金和高技術(shù)發(fā)展研究計劃的資助下，對被動式升沉補償裝置進行了系統(tǒng)的受力分析，利用負載和儲能器變化參量建立起AMESim仿真模型和相應的實驗裝置[17]；使用實驗方法對3種不同升沉補償方案在補償過程中的能耗大小和產(chǎn)生原因進行分析，得出在相同補償效果下半主動補償方式的能耗最低，具有推廣使用的價值[18]；在基于儲能器的條件下，提出一種擁有被動補償?shù)湍芎暮椭鲃友a償高精度特點的半主動浮式升沉補償裝置（如圖9所示），在通過仿真分析和使用實驗臺架開展室內(nèi)實驗后，得出所設(shè)計的裝置對升沉運動具有補償97%的良好效果[19]。

圖9 半主動式升沉補償裝置原理圖Fig.9 The schematic diagram of semi-active heave compensation system

2012年，姜浩等人又以電液比例方向閥和變量泵為控制對象對液壓缸活塞運動進行實時監(jiān)控，設(shè)計出一套浮式鉆井平臺主動式鉆柱升沉補償裝置（如圖10所示），經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，該裝置能耗較大，控制策略要求過高而導致補償效果較差[20]。

圖10 主動式升沉補償裝置原理圖Fig.10 The schematic diagram of active heave compensation system

2013年，黃魯蒙，張彥廷等人采用差動行星齒輪組合作為補償裝置的傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了升沉補償和自動送鉆的解耦控制，在過程中使用氣液轉(zhuǎn)化器來承載部分鉆柱靜載荷和主動補償電機克服其他載荷，能明顯減低能耗，取得較好的補償效果，并使系統(tǒng)裝置擁有一定的自主運行能力[21]。

3 升沉補償裝置研究新思路

3.1 研究新思路

目前從國內(nèi)相關(guān)科研院所對深海鉆井升沉補償系統(tǒng)的研究方向和現(xiàn)狀來看，大部分的研發(fā)重心局限在能夠?qū)@壓控制在某一范圍內(nèi)，并將響應更敏捷、能耗更低作為其設(shè)計指標，而未對引起海洋鉆井過程中由于鉆柱振動導致鉆壓波動時機理問題開展深入系統(tǒng)的研究工作，特別是在不同水深、風浪、洋流等外界自然環(huán)境因素作用下，引起浮式鉆井平臺和數(shù)千米鉆柱產(chǎn)生振動而導致鉆頭在井底的跳動現(xiàn)象發(fā)生，嚴重影響深海鉆井效率、降低鉆頭和鉆柱壽命的相關(guān)問題。

深海油氣資源開發(fā)的核心裝備是浮式鉆井平臺，而升沉補償裝置又是確保浮式鉆井平臺正常鉆井的關(guān)鍵設(shè)備。針對升沉補償裝置面對的深海復雜自然環(huán)境和鉆井過程中鉆柱振動的問題，提出一種升沉補償系統(tǒng)裝置研究的新思路。該研究方法是通過建立起一套包括隔水管、浮式鉆井平臺和鉆井設(shè)備在內(nèi)的多浮體系統(tǒng)模型，開展在不同水深、風浪等級、洋流和使用不同類型鉆井裝備條件下導致的浮式鉆井平臺升沉振動規(guī)律問題研究；建立起基于深海鉆井工況條件下的鉆井系統(tǒng)動力學模型[22-23]，研究基于復雜海洋環(huán)境下深海鉆井系統(tǒng)的動力學特性，找到引起鉆柱振動的相關(guān)規(guī)律；通過將浮式鉆井平臺和深海鉆井系統(tǒng)動力學進行耦合研究，探討升沉補償裝置的工作機理，找到引起深海浮式鉆井平臺波動和鉆柱振動導致井下鉆頭運動的變化規(guī)律[24]。依據(jù)新的研究思路可建立起深海鉆井升沉補償系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計準則，實現(xiàn)不同工況條件下深海鉆井升沉補償系統(tǒng)工作性能的機理研究，并結(jié)合相關(guān)理論成果利用試驗臺架開展廣泛的室內(nèi)實驗研究，為研制出滿足中國深海鉆井要求的升沉補償裝置提供理論依據(jù)。

3.2 技術(shù)路線圖

由于目前國內(nèi)尚未開展結(jié)合鉆柱動力學相關(guān)理論對深海鉆井升沉補償裝置進行具體的研究工作，因此，依據(jù)新思路并結(jié)合中國南海深水區(qū)域的實際工況對其進行深入研究，具有一定的針對性和實際指導意義[25]，具體技術(shù)路線如圖11所示。

圖11 技術(shù)路線圖Fig.11 The technology road map

4 結(jié) 論

（1）升沉補償裝置是浮式鉆井平臺為保證深海鉆井作業(yè)過程順利進行的關(guān)鍵設(shè)備，通過對該裝置在國內(nèi)近年的發(fā)展情況調(diào)研可知，從升沉補償裝置相關(guān)理論的提出，到對被動、半主動和主動型式補償機理的研究，再發(fā)展到目前浮式鉆井平臺上廣泛使用的天車型或游車型補償裝置，經(jīng)歷了一個從無到有并逐步發(fā)展完善的過程。

（2）結(jié)合中國深海鉆井過程中對升沉補償裝置的研究和應用的實際情況，提出利用多浮體理論和鉆井系統(tǒng)動力學特性，研究在復雜海洋環(huán)境作用下的升沉補償運動規(guī)律，為完善升沉補償系統(tǒng)的設(shè)計準則和提高深海鉆井效率和安全建立起一套新的研究思路和方法。

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編輯：張云云

編輯部網(wǎng)址：http：//zk.swpuxb.com

Domestic Status and Thoughts on the Development Ideas of Deepwater Drilling Heave Compensation System

Liu Qingyou,Xu Tao
Southwest Petroleum University，Chengdu，Sichuan 610500，China

Heave compensation system is the key equipment of the floating drilling platforms and the drill string which has the appropriate compensation for doing heave motion at times of waves and other natural loading，in the process of developing deepsea oil drilling.The device can effectively reduce a series of impact that oscillating up and down movement has on drilling，ensuring the stability and safety of the overall process of drilling system and the stability of the downhole drilling pressure. Through the extensive literature survey，analysis of the situation of the development and application of heave compensation system in our country was made.Combined with application and research status of the heave compensation device in our country，and by using the theory of multiple floating body and drilling dynamics characteristics，we put forward new ideas on further in-depth study and the technology roadmap of the device，to promote China′s offshore oil equipment independent research and development.

deepwater drilling；heave compensation device；domestic；situation analysis；development ideas

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.12.07.01.html

劉清友，1965年生，男，漢族，重慶開縣人，長江學者特聘教授，博士生導師，主要從事油氣裝備設(shè)計與仿真研究及相關(guān)工作。E-mail：liuqy66@aliyun.com

徐濤，1989年生，男，漢族，四川閬中人，碩士研究生，主要從事海洋油氣裝備設(shè)計與仿真分析等研究。E-mail：xutaoswpu@163.com

10.11885/j.issn.1674-5086.2013.12.07.01

1674-5086（2014）03-0001-08

TE95

A

2013–12–07 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡出版時間：

時間：2014–05–21

國家自然科學基金“基于鉆井系統(tǒng)動力學的深海鉆井升沉補償系統(tǒng)機理研究”（51274171）。