廖國敏，周　雄，徐　坤，何　濤

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

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海洋液壓鉆機(jī)研究綜述與展望

廖國敏，周雄，徐坤，何濤

(重慶科技學(xué)院，重慶 401331)

摘要：為了加快海上石油的開發(fā)進(jìn)程，需要設(shè)計(jì)與制造符合中國海洋環(huán)境的鉆機(jī)。液壓鉆機(jī)以其工作可靠性好、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，將成為我國海洋鉆機(jī)的發(fā)展方向之一。研究了海洋液壓鉆機(jī)的背景、液壓系統(tǒng)、發(fā)展和應(yīng)用，尤其是分析了液壓鉆機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，將極大地提升液壓鉆機(jī)在中國海洋石油平臺上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：海洋；液壓鉆機(jī)；液壓系統(tǒng)；發(fā)展；應(yīng)用

液壓鉆機(jī)是一種用油壓驅(qū)動和控制所有運(yùn)轉(zhuǎn)部件的鉆機(jī)，該鉆機(jī)鉆速較高，工作平穩(wěn)，操作方便安全，已實(shí)現(xiàn)自動化和儀表化，對高速小口徑鉆進(jìn)(如金剛石鉆進(jìn))和大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速的工程鉆進(jìn)都有很好的適應(yīng)性。全液壓鉆機(jī)現(xiàn)已在國際上得到廣泛使用。

在現(xiàn)有的石油鉆機(jī)中裝備了部分的液壓系統(tǒng)，例如歐陽志強(qiáng)等[1]發(fā)明的一種海洋鉆機(jī)液壓波浪補(bǔ)償系統(tǒng)，可對鉆頭部件的平衡進(jìn)行快速準(zhǔn)確的補(bǔ)償，且這種裝置結(jié)構(gòu)簡單，補(bǔ)償穩(wěn)定可靠，不受鉆探船晃動的影響，無安全隱患。全液壓鉆機(jī)不僅是在運(yùn)動補(bǔ)償裝置這一部分使用液壓系統(tǒng)，在頂驅(qū)控制、起下鉆控制等過程均是采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。液壓鉆機(jī)作為海洋石油鉆機(jī)的一類，以其工作可靠性好、穩(wěn)定性高、易于實(shí)現(xiàn)自動化和儀表化等特點(diǎn)，正成為中國新型鉆機(jī)的發(fā)展形式之一。

1研究背景

液壓傳動由于其傳動力量大，易于傳遞及配置，在工業(yè)及民用行業(yè)應(yīng)用廣泛。海上平臺上使用的鉆機(jī)要求具備傳遞功率大且設(shè)備體積小、能實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速、操作控制方便、柔性好、易實(shí)現(xiàn)自動化等特點(diǎn)，可選用液壓鉆機(jī)。

由于液壓鉆機(jī)一系列的特點(diǎn)，陸地液壓鉆機(jī)在國內(nèi)已開始投入使用。海洋石油液壓鉆機(jī)由于其特殊的海洋環(huán)境和高投資成本、維護(hù)成本等因素，目前還沒有應(yīng)用于海洋平臺上。所以，全液壓鉆機(jī)是未來海洋石油鉆機(jī)的發(fā)展方向之一。

2液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)

朱興等[2]在國產(chǎn)全液壓鉆機(jī)的研制與應(yīng)用中提到，液壓鉆機(jī)的整套控制主要由頂驅(qū)控制、起下鉆控制等其他控制部分組成，控制方式主要采用液壓控制。戴建平等[3]發(fā)明的一種全液壓鉆機(jī)聯(lián)動式液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主副雙聯(lián)液壓泵的聯(lián)合給油，執(zhí)行快進(jìn)和快退動作，提高了工作效率及鉆機(jī)作業(yè)的自動化程度，減少了油路數(shù)量，降低了能量損耗，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，提高了安全性。

海洋鉆機(jī)具有較多的特殊性，例如平臺上作業(yè)區(qū)域的局限性，平臺對載荷(海流等)的要求，水深增加使得相應(yīng)的設(shè)備隨之改變，抵御環(huán)境因素(例如腐蝕、溫度的急劇變化等)的不利影響，相應(yīng)的運(yùn)動補(bǔ)償裝置等其他各方面的特殊性。在綜合考慮上述因素的前提下，結(jié)合自動化、數(shù)字化、智能化等高新技術(shù)，研究適合國內(nèi)海洋環(huán)境的液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)。

3海洋石油液壓鉆機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用

3.1液缸升降型鉆機(jī)

3.2Ram Rig TM雙液缸升降型液壓鉆機(jī)

2005年，Eastern Drilling and Aker Drilling公司預(yù)定了3臺雙液缸升降型液壓鉆機(jī)。這3臺液缸升降型液壓鉆機(jī)都是用于水深3 048 m(10 000 ft)嚴(yán)酷環(huán)境下的第6代鉆機(jī)。Ram Rig TM已成功為BP、Chevron Txaco，Amerada Hess，Marathon Oil，Conoco and Shell等公司在西非、加拿大和埃及等國家和地區(qū)進(jìn)行海上石油鉆井作業(yè)。

3.3加拿大Tesco公司新型套管鉆井液壓鉆機(jī)

Michael Laurent等在套管鉆井的液壓鉆機(jī)中提到了整個液壓鉆機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和套管鉆井的裝備。在套管鉆井系統(tǒng)發(fā)展的同時，新1代液壓驅(qū)動和電腦控制的鉆機(jī)應(yīng)用而生，這就是新型套管鉆井的液壓鉆機(jī)。這種復(fù)合鉆機(jī)提高了工作可靠性、安全性和靈活性，同時也為套管鉆井提供了平臺。這種液壓鉆機(jī)鉆井井身質(zhì)量好，鉆井成本低。

3.4意大利SOILMEC S.P.A油水分公司新型石油鉆機(jī)

意大利 SOILMEC S.P.A 油水分公司研究開發(fā)了多種系列的石油鉆機(jī)。中型系列鉆機(jī)鉆井深度為1 800～4 000 m，修井深度為3 600～7 000 m，適用于鉆小井眼井，具有鉆井成本較低等優(yōu)點(diǎn)。輕型系列石油鉆機(jī)鉆井深度 300～1 000 m，修井深度600～1 800 m。鉆機(jī)采用全液壓驅(qū)動型式，所有部件采用同一液壓動力源，利用率高。

3.5意大利 Drillmec 公司全液壓提升型可移動式鉆機(jī)

意大利Drillmec鉆機(jī)是一種新式無絞車型液力提升鉆機(jī)，無須另配頂驅(qū)、自動化程度高、質(zhì)量輕。由于其最大驅(qū)動功率較小(僅1 133 kN)，目前較多的應(yīng)用于淺水鉆井[5]。

4海洋石油液壓鉆機(jī)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

4.1虛擬樣機(jī)技術(shù)

徐蕾[6]在淺談虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展時提出，國內(nèi)在虛擬樣機(jī)技術(shù)理論和實(shí)踐的深度方面的研究與國際水平還存在較大的差距，應(yīng)用范圍還不夠廣闊，還有很大的提升空間。

計(jì)算機(jī)技術(shù)帶動了各種仿真軟件的快速發(fā)展，海洋石油液壓鉆機(jī)本身就是一個非常龐大的系統(tǒng)工程，若是在鉆機(jī)的開發(fā)或改進(jìn)階段采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，不僅可以縮短研發(fā)周期，并且可以極大地提高時間利用率和經(jīng)濟(jì)效益，降低研發(fā)成本。首先建立鉆機(jī)三維模型，然后利用仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動及液壓系統(tǒng)仿真，通過施加不同的載荷對設(shè)計(jì)進(jìn)行性能驗(yàn)證；鉆機(jī)設(shè)計(jì)完成后，通過物理樣機(jī)的制造及井下工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明鉆機(jī)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，從實(shí)踐上驗(yàn)證了鉆機(jī)開發(fā)中采用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的可能性[7]。

4.2模塊化設(shè)計(jì)

模塊化鉆機(jī)是指將鉆井裝置按模塊功能、便捷安裝的要求，分裝在不同的底座上，搬家移動時能快速分拆、分塊運(yùn)輸，到井位后通過簡單的安裝，即能實(shí)現(xiàn)鉆井功能的裝置。模塊鉆機(jī)包括鉆井設(shè)備模塊、鉆井支持模塊、動力模塊、生活模塊、散裝材料模塊等[8]。

海洋相比于陸地而言，是屬于非常特殊的環(huán)境。因此，海洋石油鉆井平臺對鉆機(jī)的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求。平臺的有限空間使得鉆機(jī)的設(shè)計(jì)更加緊湊和集成化程度更高，鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，易于拆卸與安裝，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。海洋鉆井受海洋環(huán)境的影響非常大，不同深度對應(yīng)的液壓鉆機(jī)模塊化程度的要求不同，并且全球油氣資源開采不斷地朝著深水發(fā)展，這就對鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，液壓鉆機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)需要朝著更加模塊化和集成化的方向發(fā)展以滿足深水油氣開采。國內(nèi)模塊化鉆機(jī)的研發(fā)時間較晚，因此液壓模塊化鉆機(jī)尤其是海洋石油液壓模塊化鉆機(jī)還需更高的模塊化設(shè)計(jì)程度。

4.3智能控制

“智能控制”術(shù)語第一次被引入是在1971年，它是人工智能和自動控制的交叉，這一理念后來被延伸為一門包含人工智能、運(yùn)籌學(xué)和自動控制的學(xué)科[9]。設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)的目的是當(dāng)它的組件被模糊定義時，無論是因?yàn)樵O(shè)計(jì)時間的不確定性，還是因?yàn)闀l(fā)生預(yù)想之外的變化，都能完成高層次的目標(biāo)[10]。液壓鉆機(jī)是一套非常復(fù)雜的系統(tǒng)，每一個子系統(tǒng)中都存在不確定的非線性對象，這就需要采用較為先進(jìn)的控制方法，智能控制就是這樣一種前端的控制方法；對于智能控制系統(tǒng)，任務(wù)的要求比較復(fù)雜。因此，智能控制方法旨在處理未定義的、復(fù)雜的、非線性的、隨時間變化的和隨機(jī)的過程[11]，要使用智能控制去處理傳統(tǒng)控制技術(shù)在復(fù)雜工程系統(tǒng)中不能有效起作用的場合[12]。

劉濤等[13]在智能控制系統(tǒng)綜述一文中提到：智能系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容是分級階梯智能控制系統(tǒng)、專家控制系統(tǒng)、等控制系統(tǒng)。由于國內(nèi)海洋環(huán)境的復(fù)雜性和海上平臺對人員的限制，要求液壓鉆機(jī)在設(shè)備、液壓系統(tǒng)等方面具有很高的制造、控制等技術(shù)。由于智能控制技術(shù)能夠處理不確定的或難定義的控制、非線性、隨機(jī)等過程，并且具有能和多種技術(shù)交叉融合等特點(diǎn)，將智能控制技術(shù)應(yīng)用于海洋液壓鉆機(jī)方面，不僅能夠減少人工操作，還能提高制造和控制精度，同時提高設(shè)備故障的自我辨別能力。

4.4液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)

液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)主要包括液壓系統(tǒng)動態(tài)性能仿真、液壓驅(qū)動性能仿真、液壓元件流場仿真等。液壓鉆機(jī)具有較復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，為縮短整個液壓鉆機(jī)的開發(fā)周期和降低成本，需對液壓系統(tǒng)動態(tài)性能進(jìn)行仿真。

付久長等[14]分析仿真技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用中提到，液壓動態(tài)仿真技術(shù)已成為液壓系統(tǒng)和液壓元件設(shè)計(jì)與性能分析的必要方法?，F(xiàn)有的液壓動態(tài)仿真系統(tǒng)主要有法國的AMESim，適用于機(jī)械、液壓、氣動等領(lǐng)域，仿真范圍廣且不同領(lǐng)域模塊間可直接物理連接；瑞典的Hospan機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)采用特征方法處理；波音公司的EASY5涵蓋了液壓系統(tǒng)仿真的主要方面和具有卓越的代碼生成和求解器；德國的DSH plus具有液壓元件庫、建模簡單易學(xué)、仿真速度快等特點(diǎn)；英國的Bath/fp(HASP)是專門用于液壓與氣動系統(tǒng)的時域仿真分析軟件；以及荷蘭的20-sim系統(tǒng)。國內(nèi)開發(fā)的液壓仿真系統(tǒng)包括：浙江大學(xué)的SMUL-ZD，是一種面向物理模型的液壓系統(tǒng)仿真軟件包；上海交通大學(xué)的HY-CAD仿真軟件；大連理工大學(xué)的SIM液壓系統(tǒng)通用仿真軟件包。液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要結(jié)合多種仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合分析，根據(jù)軟件不同的特點(diǎn)應(yīng)用在液壓系統(tǒng)的不同階段，研發(fā)出符合國內(nèi)實(shí)際海域環(huán)境的液壓鉆機(jī)。

液壓驅(qū)動性能仿真技術(shù)主要有美國的ADAMS/Hydraulics，用戶可以在液壓元件設(shè)計(jì)中運(yùn)用設(shè)計(jì)研究(DS)、試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)及優(yōu)化設(shè)計(jì)(OPTIMIZE)等技術(shù)。

液壓元件流場仿真技術(shù)主要是FLUENT、ADINA。FLUENT軟件能推出多種優(yōu)化的物理模型，從而高效率地解決各個領(lǐng)域的復(fù)雜流動的計(jì)算問題[15]。液壓元件是非常精密的儀器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)液壓元件時，在理論設(shè)計(jì)方面完成后，需要對其內(nèi)部流場進(jìn)行仿真分析，使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)者能夠很清晰地觀察到液壓元件內(nèi)部流體的流動形態(tài)，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)；當(dāng)液壓元件結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到理想狀態(tài)時，可以通過快速改善結(jié)構(gòu)從而重新進(jìn)行分析。在仿真分析完成后，可以確定出較為完善的液壓元件結(jié)構(gòu)，然后對其進(jìn)行試驗(yàn)分析，既可縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，又能節(jié)約成本進(jìn)而提高效率。

在仿真技術(shù)中，還有一種應(yīng)用于液壓領(lǐng)域的可視化仿真技術(shù)?？梢暬抡婕夹g(shù)主要運(yùn)用于液壓產(chǎn)品的設(shè)計(jì)演示及液壓系統(tǒng)使用訓(xùn)練和維修訓(xùn)練。尤其是在設(shè)計(jì)液壓產(chǎn)品時，可視化仿真技術(shù)可以結(jié)合AutoCAD等建模軟件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)編程軟件(尤其是根據(jù)需要進(jìn)行二次開發(fā))以及圖像處理軟件等對液壓元件的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化，縮短液壓元件的開發(fā)周期和降低成本。上述的液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)具有各自的特點(diǎn)和適用范圍，應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)的不同設(shè)計(jì)階段使用不同的仿真技術(shù)。液壓鉆機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需根據(jù)液壓鉆機(jī)在不同階段的特點(diǎn)選用不同的仿真分析方法。例如，液壓元件的設(shè)計(jì)可以選擇美國的ADAMS/Hydraulics，液壓系統(tǒng)時域仿真分析可以選用的英國的Bath/fp(HASP)，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以選用波音公司EASY5、法國的AMESim等。在液壓鉆機(jī)的研發(fā)周期內(nèi)，使用各種仿真技術(shù)形成聯(lián)合仿真。

5我國海洋液壓鉆機(jī)的發(fā)展趨勢

5.1設(shè)備與技術(shù)方面

雖然國內(nèi)的制造業(yè)規(guī)模在國際上是居于領(lǐng)先地位，但依然存在制造業(yè)大而不強(qiáng)，自主創(chuàng)新能力弱，關(guān)鍵核心技術(shù)與高端裝備對外依存度高；資源能源利用效率低，環(huán)境問題較為突出；信息化水平不高，與工業(yè)化融合深度不夠；產(chǎn)業(yè)國際化程度不高等問題。為合理地解決上述問題，國內(nèi)提出“中國制造2025”規(guī)劃?！爸袊圃?025”被業(yè)界稱為中國版“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略?！肮I(yè)4.0”最重要的核心理念是智能制造，這也是“中國制造2025”中所不可缺少的內(nèi)容。

液壓鉆機(jī)是海上能源開發(fā)的重要設(shè)備，需根據(jù)國家提出的“中國制造2025”規(guī)劃，使得信息化水平大幅提升，兩化(工業(yè)化和信息化)融合更加緊密，并掌握一批關(guān)鍵核心技術(shù)；高效利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，使互聯(lián)網(wǎng)與鉆機(jī)行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)，從而開發(fā)出適合國內(nèi)海洋環(huán)境的，并且具有國際高水平的液壓鉆機(jī)。

5.2完善相應(yīng)的制度標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)的相關(guān)制度標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，需要建立合理的設(shè)計(jì)、管理等方面的標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)國內(nèi)海上能源的開發(fā)進(jìn)程。“工業(yè)4.0”技術(shù)中也提出了實(shí)現(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和參考標(biāo)準(zhǔn)的參考體系，這說明建立健全各種標(biāo)準(zhǔn)體制對我國的制造業(yè)意義重大。

6結(jié)論

1)液壓鉆機(jī)以其傳遞功率大、穩(wěn)定性高、運(yùn)動補(bǔ)償性好、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn)而成為新型鉆機(jī)的發(fā)展形式之一。國內(nèi)正積極研究和設(shè)計(jì)液壓鉆機(jī)，目前液壓鉆機(jī)已在陸地上使用較廣，未來將應(yīng)用在國內(nèi)海洋石油平臺上。

2)液壓鉆機(jī)的頂驅(qū)控制、起下鉆控制等過程均是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以較好地實(shí)現(xiàn)模塊化、自動化、集成化和智能化。

3)國外的液壓鉆機(jī)，例如挪威MH公司的Ramrig液缸升降型鉆機(jī)、加拿大Tesco公司新型套管鉆井的液壓鉆機(jī)、意大利SOILMEC S.P.A油氣分公司新型石油鉆機(jī)、意大利 Drillmec 公司全液壓提升型可移動式鉆機(jī)，都已經(jīng)在海上投入使用，并且具有各自的適用場合和特點(diǎn)。國內(nèi)需要結(jié)合自身海洋環(huán)境特點(diǎn)，在借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時，加快海洋石油液壓鉆機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)程。

4)在液壓鉆機(jī)的應(yīng)用中，需要一些關(guān)鍵性的技術(shù)，例如虛擬樣機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、液壓系統(tǒng)仿真技術(shù)等，使得液壓鉆機(jī)能適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境。

5)對于國內(nèi)復(fù)雜的海域環(huán)境，需深入結(jié)合“中國制造2025”規(guī)劃，研究和設(shè)計(jì)符合海洋環(huán)境變化的液壓鉆機(jī)，推動國家能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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Study Review and Prospect of Offshore Hydraulic Drilling Rig

LIAO Guomin，ZHOU Xiong，XU Kun，HE Tao

(ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331，China)

Abstract：In order to explore offshore oil as soon as possible，there is a necessity to design and manufacture the rig，which can confirm to our marine environment.Hydraulic drilling rig is becoming one of China’s national offshore rigs，due to the characters of high reliability，high stability and others.Studying the background，hydraulic system，development and application of offshore hydraulic drilling rig，especially the development and application of hydraulic drilling rig will improve the application prospect of hydraulic drilling rig in China’s offshore oil platform.

Keywords：offshore；hydraulic drilling rig；hydraulic system；development；application

中圖分類號：TE951

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.004

作者簡介：廖國敏(1991-)，女，重慶人，碩士研究生，主要從事石油機(jī)械裝備相關(guān)的研究，E-mail：lihui29421@163.com。

收稿日期：2015-10-23

文章編號：1001-3482(2016)04-0012-04