(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川成都 613009)
隨著石油資源的消耗量持續(xù)上升,陸地以及淺水區(qū)域的石油產(chǎn)量已經(jīng)不能滿足人類(lèi)發(fā)展的需求,因此,人類(lèi)開(kāi)始向深海區(qū)域研究發(fā)展。在深海采油系統(tǒng)中,隔水管張緊系統(tǒng)是其重要的設(shè)備之一,當(dāng)出現(xiàn)船體升沉、漂移、浪涌等不可避免因素時(shí),隔水管張緊系統(tǒng)為隔水管提供恒定張力,以保證其安全工作。
目前,在深海鉆井作業(yè)中已有相關(guān)文獻(xiàn),文獻(xiàn)[1]闡述了液壓系統(tǒng)在石油鉆機(jī)上的應(yīng)用,研究了在遇到鉆井事故時(shí)保證人員和設(shè)備的安全的策略。文獻(xiàn)[2]研究了海洋鉆井天車(chē)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)隔離閥的動(dòng)態(tài)特性分析。文獻(xiàn)[3-4]闡明了隔水管對(duì)于浮式鉆井平臺(tái)的重要性, 指出其正確使用直接關(guān)系到整個(gè)鉆井作業(yè)的順利完成,甚至整個(gè)鉆井平臺(tái)的安全,得到在海洋鉆井過(guò)程中必須保證隔水管的安全性和穩(wěn)定性的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]研究了滑輪鋼絲繩式和直接液缸式2種典型隔水管張緊器。文獻(xiàn)[6]中提到隔水管張緊系統(tǒng)可以通過(guò)伸縮節(jié)為隔水管頂部提供垂向力,以控制隔水管的應(yīng)力和位移,并能在浮體作垂直和水平運(yùn)動(dòng)的情況下,使隔水管柱的張力基本保持恒定,不致使它出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等損壞。文獻(xiàn)[7-9]中提到深水鉆井中,底部隔水管總成與防噴器緊急脫離發(fā)生情況時(shí),隔水管會(huì)反沖,容易導(dǎo)致鉆井事故。文獻(xiàn)[10-12]中通過(guò)三維軟件建立隔水管張緊系統(tǒng)模型,并通過(guò)對(duì)張緊器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),表明設(shè)計(jì)的合理可行性。在文獻(xiàn)[13-15]中,一些學(xué)者認(rèn)為我國(guó)在深海或超深海的石油鉆采技術(shù)還不成熟,展開(kāi)了對(duì)深水鉆井設(shè)備中鉆井隔水管的研究,并用ABAQUS軟件對(duì)頂部張緊鉆井隔水管進(jìn)行了力的分析。在文獻(xiàn)[16]中,研究了液壓管線在機(jī)械液壓系統(tǒng)中對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的影響。 在文獻(xiàn)[17]中,研究了隔水管張緊系統(tǒng)在不同的海況條件下的工作性能,并建立了數(shù)學(xué)模型。
通過(guò)上述分析可知,隔水管張緊系統(tǒng)的性能好壞是保證深海鉆井平臺(tái)穩(wěn)定有效工作的前提。然而,在目前已有的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中,對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)的性能影響因素研究相對(duì)較少。本研究設(shè)計(jì)并建立了一種新的隔水管張緊系統(tǒng)模型,其中,液壓缸、蓄能器等都采用了氣液型,更能符合實(shí)際工作要求。 在此基礎(chǔ)上,研究了影響隔水管張緊系統(tǒng)性能的因素。本研究的研究成果對(duì)于提高深海鉆井平臺(tái)的工作效率具有積極的意義。
隔水管張緊系統(tǒng)是海洋石油勘探開(kāi)發(fā)關(guān)鍵而又薄弱的環(huán)節(jié),是連接井口防噴器與鉆井平臺(tái)之間的重要通道,張緊器為隔水管頂部提供張緊力,并補(bǔ)償鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)隔水管系統(tǒng)的影響,控制隔水管系統(tǒng)的位移和應(yīng)力,并能在浮式平臺(tái)作垂直或水平運(yùn)動(dòng)時(shí),使隔水管的張力近似保持恒定。
液缸式張緊系統(tǒng)主要由液壓缸、蓄能器、反沖控制閥、控制撬、氣瓶、空壓機(jī)、注液機(jī)等結(jié)構(gòu)組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。液壓缸活塞缸端連接在鉆井平臺(tái)上,活塞桿端與伸縮節(jié)上的載荷環(huán)相連。海洋鉆井隔水管張緊系統(tǒng)的主要功能是為隔水管柱建立一個(gè)恒定的頂部張力,消除浮式平臺(tái)或鉆井船只相對(duì)隔水管的升沉運(yùn)動(dòng),從而保障隔水管系統(tǒng)的安全,其工作原理示意圖如圖2所示。
圖1 張緊裝置結(jié)構(gòu)圖
從圖2中可以看出,液缸式張緊系統(tǒng)工作時(shí),由液壓缸、蓄能器、工作氣瓶組組成一個(gè)“液氣彈簧”,并隨著浮式鉆井平臺(tái)在海浪或者潮汐等海況的影響下做升沉運(yùn)動(dòng),液壓缸則做上下移動(dòng)。以海平面為參照物,當(dāng)鉆井船向上運(yùn)動(dòng)時(shí),液壓缸缸體同樣向上運(yùn)動(dòng),使有桿端腔內(nèi)的液壓油被壓至油氣直接接觸式蓄能器。當(dāng)鉆井船向下運(yùn)動(dòng)時(shí),液壓缸缸體同樣向下運(yùn)動(dòng),液壓缸的有桿腔從蓄能器中吸入液壓油。蓄能器液壓油部和注液機(jī)連接,注液機(jī)為液缸和蓄能器提供工作介質(zhì)。圖示左邊液缸無(wú)桿端腔與低壓氮?dú)馄窟B接,右邊空氣控制撬和氣瓶組連接,備用氣瓶組下連接空壓機(jī),空壓機(jī)為備用氣瓶組補(bǔ)充干燥的高壓氣體??狗礇_閥(ARV)位于液缸和蓄能器之間,通過(guò)控制其節(jié)流口的開(kāi)度進(jìn)而控制張緊器液缸的速度。在正常鉆井作業(yè)中,隔水管張緊系統(tǒng)為隔水管提供所需的張緊力,一方面防止隔水管出現(xiàn)彎曲變形;另一方面在隔水管發(fā)生緊急脫離的情況下,防止隔水管反沖過(guò)程中與鉆井平臺(tái)或鉆井船發(fā)生碰撞,造成嚴(yán)重的損失。
圖2 隔水管張緊系統(tǒng)工作原理
由以上分析可知,張緊系統(tǒng)對(duì)鉆井作業(yè)的安全可靠運(yùn)行有極為重要的作用。然而,該系統(tǒng)由于組件多,建模復(fù)雜,海上環(huán)境惡劣,急需可靠的方法以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。目前已有的文獻(xiàn)在針對(duì)該系統(tǒng)建模時(shí)采用了簡(jiǎn)化,忽略了該系統(tǒng)運(yùn)行中諸多因素,不能全面的反映該系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程?;诖耍狙芯拷⒘艘环N新的系統(tǒng)仿真模型,特別建立了氣液型的液壓缸、蓄能器,在此基礎(chǔ)上研究了影響該系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵因素。
理想的氣體狀態(tài)是假定氣體分子不占有容積;氣體分子間也沒(méi)有相互作用力。 然而,實(shí)際氣體狀態(tài)下,該條件不能滿足。不同于文獻(xiàn)[18],采用理想氣體模型,本研究采用范德瓦爾斯方程描述實(shí)際氣體狀態(tài),該方程可以表示為:
(1)
由此得到在任意時(shí)刻低壓及高壓氮?dú)馄繗怏w壓力為:
(2)
(3)
式中,m1,m2為氮?dú)鈿怏w質(zhì)量;M1,M1為氮?dú)饽栙|(zhì)量; R為普適氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;a為度量分子間引力的參數(shù),氮?dú)獾腶值為1.390;b為每個(gè)分子平均占有的空間大小(即氣體的體積除以總分子數(shù)量),氮?dú)獾腷值為0.03913,Vgd為低壓氮?dú)馄康捏w積。
同時(shí),可以得到任意時(shí)刻的低壓氮?dú)馄康臍怏w以及高壓空氣瓶體積,分別為:
Vgd=Vgd0-Ap×xp
(4)
Vgg=Vgg0+Ar×xp
(5)
式中,Vgd0,Vgg0為低壓氮?dú)馄康臍怏w以及高壓空氣瓶的初始體積;Ap,Ar分別為液壓缸活塞無(wú)桿端及有桿端的面積;xp為液壓缸缸體相對(duì)于活塞的位移,方向取向上為正。
(6)
(7)
為防止隔水管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急解脫時(shí),活塞桿急劇回彈,一般會(huì)在高壓蓄能器與液壓缸之間的管線上安裝隔水管回彈控制閥。若隔水管系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急解脫,則減小回彈控制閥閥口開(kāi)度或關(guān)閉回彈控制閥,以控制工作液壓油流速。
假設(shè)液壓流體流經(jīng)回彈控制閥體時(shí)為紊流狀態(tài),紊流狀態(tài)下管線壓力損失公式可表示為:
(8)
式中,pvalue_drop表示回彈控制閥閥口的壓力損失;ζ表示回彈控制閥閥口的流阻系數(shù);ρ表示工作液壓油密度;V表示工作液壓油在回彈控制閥閥口的平均流速。
依據(jù)流量的連續(xù)性方程,可得回彈控制閥閥口流速為:
(9)
式中,Vp為液壓缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度;Ar為液壓缸有桿腔的橫截面積;A表示回彈控制閥閥口開(kāi)度。
將式(9)代入式(8)可得回彈控制閥閥體局部壓力損失,其表達(dá)式如下:
(10)
當(dāng)一段管線的截面不存在任何突變時(shí),可認(rèn)為該管線只存在沿程壓力損失。若忽略直接作用式張緊系統(tǒng)的管線突變截面,則可利用達(dá)西公式來(lái)直接計(jì)算張緊系統(tǒng)的沿程壓力損失:
(11)
式中,pway_drop為張緊系統(tǒng)的液壓管線的沿程壓力損失;d為張緊系統(tǒng)液壓管線平均內(nèi)徑;ξ為沿程阻力系數(shù);v為張緊系統(tǒng)液壓管線內(nèi)工作液壓油的平均流速。
張緊力和剛度是張緊系統(tǒng)的主要參數(shù),張緊力是由于液壓缸活塞兩段的壓力差產(chǎn)生的,忽略張緊系統(tǒng)液壓管線壓降等因素,得到張緊系統(tǒng)的張緊力的公式。
Ft=pggAr-pgdAr=
(12)
式(12)中張緊力Ft對(duì)xp進(jìn)行求導(dǎo),即得到張緊裝置剛度如式(13):
(13)
對(duì)上式進(jìn)行簡(jiǎn)化,以便更能清楚地看到張緊裝置的剛度隨著缸體移動(dòng)而產(chǎn)生變化。因?yàn)榈蛪旱獨(dú)馄恐械膲毫腕w積都遠(yuǎn)小于高壓空氣瓶,得到簡(jiǎn)化公式:
(14)
由建立的數(shù)學(xué)模型可得到如下結(jié)論,張緊系統(tǒng)剛度與液壓缸缸體的位移有關(guān),液壓缸缸體的位移越大,張緊系統(tǒng)的剛度越??;張緊系統(tǒng)剛度還與高壓空氣瓶的氣體積有關(guān),氣體體積越大,張緊系統(tǒng)剛度越小。張緊系統(tǒng)還與液壓管線有關(guān),液壓管線越長(zhǎng),直徑越小,沿程壓降越大。所以研究高壓空氣瓶體積與缸體位移以及液壓管線對(duì)液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的影響是非常必要的。
本研究根據(jù)南海某實(shí)際平臺(tái)隔水管鉆井工程項(xiàng)目,該平臺(tái)氣液原理圖如圖3所示,相應(yīng)參數(shù)如表1所示。 通過(guò)分析液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的工作原理, 以及隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)和液氣原理圖, 建立了相應(yīng)模型。并以建立的數(shù)學(xué)模型為理論依據(jù),在AMESim軟件中建立隔水管張緊系統(tǒng)模型,并為每個(gè)元件選擇合適的子模型,通過(guò)分析不同海浪,不同液壓管線等條件下隔水管張緊系統(tǒng)高壓氣瓶的壓力變化,對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)開(kāi)展研究。本研究在AMESim環(huán)境中所建立的隔水管張緊系統(tǒng)如圖4所示。
表1 隔水管張緊系統(tǒng)主要參數(shù)
圖3 隔水管張緊系統(tǒng)液氣原理圖
圖4 AMESim隔水管張緊系統(tǒng)模型
在實(shí)際海況中,海浪是不可避免的,是影響隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù),不同海浪的高度對(duì)張緊系統(tǒng)的性能有很大的影響。在AMESim環(huán)境中運(yùn)行模型,設(shè)置浪高分別為1, 2, 3, 4, 5 m,得到了高壓氣瓶的壓力變化曲線。仿真結(jié)果如表2及圖5所示。
表2 不同浪高時(shí)壓力狀況
由此可以得出結(jié)論:海浪對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)的影響很大,海浪越大,隔水管張緊系統(tǒng)中高壓氣瓶的壓力波動(dòng)越大。根據(jù)與理論壓力波動(dòng)值正負(fù)25%左右對(duì)比,仿真出結(jié)果與理論值存在偏差,造成這種情況的原因是隔水管張緊系統(tǒng)在工作過(guò)程中,海浪越大,液壓油流過(guò)液壓管線的流速就越大,通過(guò)管道的沿程壓力損失越大,所以海浪越高,壓力波動(dòng)越大。當(dāng)海浪過(guò)大時(shí),會(huì)造成隔水管串與水下設(shè)備發(fā)生碰撞,這時(shí)可切斷隔水管串和水下設(shè)備的連接,使隔水管底部總成(LMRP)從水下防井噴裝置(BOP)上脫離。隔水管柱中存儲(chǔ)的能量將會(huì)迅速釋放,隔水管柱將在短時(shí)間內(nèi)向上產(chǎn)生位移,這時(shí)就需要抗反沖控制閥來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)流口的開(kāi)度,控制張緊器液缸的速度,避免隔水管與鉆井平臺(tái)、鉆井船發(fā)生碰撞。
圖5 不同浪高時(shí)高壓氣瓶壓力變化
液體在管線中流動(dòng),沿程會(huì)產(chǎn)生壓力損失,所以液壓管線的長(zhǎng)度粗細(xì)都將直接影響隔水管張緊系統(tǒng)的工作性能與效率,下表3為液壓管線參數(shù),第一組是沒(méi)有考慮到沿程壓降等因素計(jì)算出的液壓管線參數(shù),其余組為對(duì)照組,將參數(shù)輸入隔水管張緊系統(tǒng)模型,探究隔水管張緊系統(tǒng)在一個(gè)波浪周期為12 s,浪高為2 m的情況下壓力波動(dòng)以及隔水管柱的位移波動(dòng)情況。得到仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出液壓管線不是造成壓力波動(dòng)的主要原因,但從隔水管柱的位移波動(dòng)情況來(lái)看,液壓管線參數(shù)的改變會(huì)造成隔水管柱產(chǎn)生位移波動(dòng),在不同液壓管線參數(shù)條件下,隔水管柱位移對(duì)比情況如圖7~圖10所示。
表3 液壓管線參數(shù)
M為碳鋼無(wú)縫鋼管; N為不銹鋼無(wú)縫鋼管。
圖6 不同液壓管線高壓氣瓶壓力比較結(jié)果
圖7 一組與二組隔水管柱位移波動(dòng)比較結(jié)果
圖8 一組與三組隔水管柱位移波動(dòng)比較結(jié)果
圖9 一組與四組組隔水管柱位移波動(dòng)比較
由上圖可以看出液壓管線的長(zhǎng)度、直徑可以影響隔水管柱的穩(wěn)定性,如圖7所示,液缸-蓄能器管線長(zhǎng)度由25 m變成50 m,隔水管的位移波動(dòng)變小,趨于穩(wěn)定速度更快; 如圖8所示液缸-蓄能器管線直徑由200 mm
圖10 一組與五組隔水管柱位移波動(dòng)比較
變成100 mm,隔水管的位移波動(dòng)明顯變小,更快時(shí)間趨于穩(wěn)定,造成這種情況的原因是液壓管線直徑和長(zhǎng)度是影響沿程壓降的直接因素,沿程壓力損失變大,到達(dá)隔水管的壓力就變小,所以位移波動(dòng)變小。如圖9所示,蓄能器-空氣控制撬管線長(zhǎng)度由15 m變成30 m,隔水管的位移波動(dòng)變大,趨于穩(wěn)定速度更慢;圖10中,蓄能器-空氣控制撬管線直徑由130 mm變成260 mm,隔水管的位移波動(dòng)明顯變大,更慢趨于穩(wěn)定速度,原因是高壓氣瓶的輸出壓力增大,隔水管壓力增大,所以隔水管位移波動(dòng)增大。
高壓空氣瓶是組成隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,選擇合適的高壓氣瓶體積是保證隔水管張緊系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提。本研究在不同的高壓氣瓶體積的條件下,驗(yàn)證了隔水管張緊系統(tǒng)的壓力波動(dòng)情況。具體參數(shù)如下表4所示,第一組是根據(jù)高壓空氣瓶容積變化為液缸排出液體的體積,計(jì)算出的高壓空氣瓶體積的理論值,其余組為對(duì)照組,將參數(shù)輸入隔水管張緊系統(tǒng)模型中,設(shè)定隔水管張緊系統(tǒng)在一個(gè)波浪周期是12 s,浪高為2 m。改變高壓氣瓶體積參數(shù),得到不同高壓氣瓶體積的條件下,高壓氣瓶體積對(duì)隔水管張緊系統(tǒng)性能的影響,如表5以及圖11所示。
表4 液壓管線基本參數(shù)
表5 不同高壓氣瓶體積壓力表
圖11 不同條件下高壓氣瓶壓力比較
仿真結(jié)果表明,氣瓶體積對(duì)壓力的影響很大,高壓氣瓶體積減越小,壓力波動(dòng)越大;高壓氣瓶體積越大,壓力波動(dòng)越小,隔水管張緊系統(tǒng)性能越穩(wěn)定。
在深海鉆井隔水管張緊系統(tǒng)工作時(shí),氣瓶充氣時(shí)間是決定張緊系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作的關(guān)鍵參數(shù)??諌簷C(jī)在電機(jī)作用下工作,空壓機(jī)為備用氣瓶組充氣,當(dāng)備用氣瓶組達(dá)到工作壓力后,計(jì)算的備用氣瓶組工作壓力為31 MPa,備用氣瓶組為工作氣瓶充氣,工作氣瓶壓力由0上升到工作壓力11.2 MPa。在AMESim環(huán)境中建立氣瓶充、放氣模型如圖12、圖13所示,空壓機(jī)以及電機(jī)參數(shù)如表6所示。仿真得到空壓機(jī)為備用氣瓶組充氣到工作壓力時(shí)需要的時(shí)間,結(jié)果如圖14所示;工作氣瓶充氣、放氣時(shí)間曲線,如圖15、圖16所示。
圖12 氣瓶充氣模型
圖13 氣瓶放氣模型
電機(jī)轉(zhuǎn)速/r·min-1電機(jī)額定功率/kW空壓機(jī)排量/m3·h-11770 55 149
圖14 備用氣瓶組充氣過(guò)程
圖15 工作氣瓶組充氣過(guò)程
圖16 工作氣瓶組放氣過(guò)程
從圖14~圖16可得出氣瓶充、放氣時(shí)間,如表7所示。
表7 氣瓶充、放氣時(shí)間分析
對(duì)可靠性和安全性的要求,首先是對(duì)作業(yè)時(shí)間的要求,作業(yè)之前需要提前充氣,整個(gè)氣瓶都沒(méi)有氣體的話充氣時(shí)間太長(zhǎng),影響隔水管張緊系統(tǒng)的工作效率;其次,在氣瓶充放氣過(guò)程中,氣瓶會(huì)產(chǎn)生溫度變化,備用氣瓶與工作氣瓶在充氣過(guò)程中,溫度升高,工作氣瓶在放氣過(guò)程中,溫度降低,如圖17~圖19所示。溫度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)造成人員傷亡,所以研究氣瓶充、放氣過(guò)程是保證了隔水管張緊系統(tǒng)安全性的重要前提。
圖17 備用氣瓶充氣過(guò)程溫度變化
圖18 工作氣瓶組充氣過(guò)程溫度變化
圖19 工作氣瓶放氣過(guò)程溫度變化
研究液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的性能影響因子,基于AMESim環(huán)境進(jìn)行模型仿真分析,得到在不同影響因素下的響應(yīng)。
(1) 本研究根據(jù)實(shí)際氣體狀態(tài),液壓管線壓降,系統(tǒng)張緊力和剛度建立數(shù)學(xué)模型,通過(guò)數(shù)學(xué)模型,得到影響液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的因素;
(2) 根據(jù)實(shí)際工作平臺(tái),采用氣液型蓄能器以及液壓缸液缸式隔水管張緊系統(tǒng),在AMESim分析軟件中建立液缸式隔水管張緊系統(tǒng)仿真模型,得到海浪高度是影響隔水管張緊系統(tǒng)壓力波動(dòng)的主要因素。海浪越高,液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的壓力波動(dòng)越大,隔水管張緊系統(tǒng)工作越不穩(wěn)定,當(dāng)海浪過(guò)大時(shí),系統(tǒng)中抗反沖控制閥就發(fā)揮了其重要中作用;
(3) 由于液體在管線中流動(dòng),會(huì)產(chǎn)生沿程壓力損失,在AMESim分析軟件中仿真模型,得到液壓管線對(duì)液缸式隔水管張緊系統(tǒng)的影響,所以在實(shí)際工作中選擇合適的液壓管線,能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作,減少成本,提高工作效率;
(4) 研究了不同高壓氣瓶體積對(duì)張緊系統(tǒng)張緊力穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明,高壓氣瓶體積越大,高壓氣瓶體積越大,壓力波動(dòng)越小,隔水管張緊系統(tǒng)性能越穩(wěn)定;
(5) 在AMESim環(huán)境中建立氣瓶充、放氣模型,得到了氣瓶充放氣時(shí)間以及溫度變化,提高了其工作效率,確保隔水管張緊系統(tǒng)在實(shí)際深海運(yùn)行中可靠穩(wěn)定,保證了隔水管張緊系統(tǒng)工作的安全性;
(6) 本研究建立的模型和張緊系統(tǒng)工作原理一致,通過(guò)仿真模型驗(yàn)證了液缸式張緊系統(tǒng)的影響因子,對(duì)張緊系統(tǒng)性能的研究提供理論依據(jù),具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。