浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究

张彦廷,刘振东,姜 浩,武光斌,张作龙

(中国石油大学机电工程学院,山东东营257061)

·专题研究·

浮式钻井平台升沉补偿系统主动力研究

张彦廷,刘振东,姜 浩,武光斌,张作龙

(中国石油大学机电工程学院,山东东营257061)

为了提高浮式钻井平台升沉补偿系统的补偿效率,在被动补偿的基础上增设主动补偿系统。主动式补偿系统中主动力是关键参数之一,对系统的综合性能有重要影响。建立了天车补偿系统数学模型,基于Simulink软件系统,对主动力的影响因素开展研究。分析了补偿缸支撑载荷和储能器工作容积对主动力的影响规律,为补偿系统的开发提供设计依据和技术支撑。

升沉补偿;主动力;储能器;浮式钻井平台;天车

浮式钻井平台在波浪作用下引起的升沉运动通过钻柱传递到井底,会引起钻头上钻压的变化,从而影响钻进效率,降低钻头和钻杆使用寿命;在恶劣海况下甚至会使钻头脱离井底,引起操作安全隐患,使钻井无法进行而被迫停工,增加钻井成本。为此,浮式钻井平台需要设置升沉补偿系统,以减小平台升沉运动对钻柱的影响[1]。

钻柱升沉补偿系统通常采用液气装置驱动,按照其安装位置可分为天车补偿、游车补偿、死绳补偿、快绳补偿等几种形式[2-3]。本文针对天车补偿形式建立了动力学模型,在此模型的基础上,围绕主动力配置、补偿效果和储能器工作容积等关键技术参数进行了理论分析和计算,为补偿系统结构参数设计和元件的选取提供理论依据。

1 天车补偿原理

天车补偿的实质是在天车和井架之间用液气弹簧连接代替常规的刚性连接,从而吸收井架随平台上下升沉的运动,减小天车、游车、大钩和顶驱系统的运动幅度,将钻压的波动限制在钻井操作的允许范围内。

目前的天车升沉补偿产品有多种[4-5],综合各产品的特点,天车升沉补偿系统可以分为被动补偿和主动补偿2部分,其工作原理如图1。

图1 天车升沉补偿工作原理

被动补偿系统液压缸的缸筒置于天车台上,与井架铰接,铰链与船体保持无垂直运动状态。井台上的储能器通过钢管与补偿缸的油口连接,用以提供支撑天车、游车、大钩、顶驱以及钻柱等设备的主要动力。借助于储能器中气体的可压缩性吸收井架的部分升沉运动。

由于液压缸摩擦力和惯性的存在以及储能器压力的变化,导致被动补偿系统存在滞后现象,补偿效果有限。为提高系统的补偿效果,在被动补偿的基础上增设主动补偿系统。

主动补偿液压缸在液压泵驱动下提供额外的驱动力,以克服摩擦力和惯性力,补偿储能器支撑力的变化,提高系统的补偿效果。

2 数学理论模型

由图1建立坐标系,其中 x1为平台井架的绝对升沉位移,补偿缸和主动缸的缸体均固连在井架上并随之运动。

在波浪的作用下,平台的升沉运动可以简化为正弦运动,即

式中,xm1为平台升沉运动幅值,m;ω1为平台升沉运动角频率,s-1。

设 x2、v2和 a2分别为天车的绝对升沉位移、速度和加速度,主动缸活塞杆、补偿缸活塞杆、游车、天车、大钩和顶驱均以该参数运动。

假设平台静止时补偿缸和主动缸均处于中间位置,此时如果主动缸输出力为零,则所有运动部件的质量与补偿缸的支撑力相平衡。此状态作为动力学分析的初始状态。

补偿液压缸活塞相对于缸筒的位移为

此位移导致储能器中气体体积和压力的变化,进而引起补偿缸支撑力 Fc发生变化,即

式中,G0为初始状态下作用在补偿缸上的全部质量,N;A3为补偿缸无杆腔的全面积,m2;V0为补偿缸处于中间位置时储能器气体体积,m3。

忽略天车、游车、大钩、顶驱之间内部弹性变形的影响,此时的运动加速度为

式中,Fe为钻柱的弹性变形力,N,Fe=kdx2,其中, kd为钻柱当量刚度,N/m;f为钻柱变形过程中受到钻井液的摩擦力,N,f=cv2,其中,c为摩擦因数, Ns/m;Fa为主动补偿缸的推力,N;Mt为运动部件的总质量,kg,包括天车、游车、大钩、顶驱以及1/3钻柱质量。

3 数值计算分析

为了确定补偿系统所需主动力,基于Simulink计算模型,选取支撑载荷 G0=3 000 kN,通过修改系统反馈控制参数 Kp,得到主动力和补偿效率与Kp的关系曲线,如图 2。图中,补偿效率 e=1-,其中,Δx1max为平台的最大升沉位移,m,为天车的最大升沉位移,m;主动力比定义为,其中,Δf为主动力Fa的变化范围。

根据理论模型,利用Simulink系统建立计算模型,对升沉补偿系统最大主动力进行计算和分析。

3.1 补偿效率的影响

在被动补偿的基础上增设主动补偿系统,利用主动补偿缸输出的主动力抵消摩擦力和气压变化的影响,可以有效地提高系统的补偿效果。主动力由主动补偿液压缸提供,其大小直接影响主动补偿液压系统工作参数。

图2 主动力和补偿效率与 Kp的关系

由图2可以看出,随着反馈控制参数 Kp的增大,补偿效率e提高,当 Kp增大到300时,补偿效率达到97.4%,即当平台升沉位移为7.62 m时,大钩的升沉位移仅为0.198 m,进一步增大 Kp,补偿效率提高有限;随着反馈控制参数 Kp的增大,主动补偿所需主动力提高,当 Kp增大到300时,主动力比if接近0.2,即当静载为3 000 kN时,主动力的变化范围为600 kN,进一步增大 Kp,系统所需的主动力不再增大。

图3为主动力与补偿效率之间的关系。不同的设计补偿效率对应着不同的主动力,补偿效率越高,所需主动力就越大。由图3,可以根据补偿系统的目标补偿效果确定合理的主动力配置,进而确定液压系统的流量、压力和主动缸直径。

图3 主动力与补偿效率的关系

3.2 储能器容积的影响

由理论模型可知,储能器中气体的体积在工作过程中不断地发生变化,必将引起补偿缸支撑力的变化,进而导致补偿效率降低。因此增大储能器的容积可以在一定程度上减小支撑力的变化,提高补偿效率。但增大储能器容积的同时也会加大设备的投资,增加海洋钻井成本[5]。储能器的容积对主动力也会产生影响。

基于上述数值计算模型,设定不同的储能器容积,改变补偿缸支撑静载荷,得到了一组主动力比变化曲线,如图4,图中 iV为储能器容积与补偿缸容积的比值。

图4 主动力比与支撑载荷的关系

由图4可见,储能容积一定时,所需的主动力比近似为一条直线,即主动力与支撑载荷的比近似为定值。因此只要确定了储能器的容积,就可以根据支撑载荷确定所需的主动力。

在给定静载荷的前提下,改变储能器的容积可以得到主动力与容积的关系曲线。图5为静载荷为3 000 kN时主动力比与储能器容积比的关系曲线。

图5 静载荷3 000 kN时主动力与储能器容积的关系

由图5可见,随着储能器容积的增大,所需的主动力减小,但随着储能器容积的进一步增大,主动力降低变缓,二者之间成近似反比关系。根据图5,可以在储能器容积和提供的主动力方面寻求合理的参数组合。

4 结论

1) 海洋平台升沉补偿系统主动力配备受多方面因素影响。

2) 增大主动力配置能够提高补偿效果,但达到某一极限值后,补偿效果主要受控制参数和策略的影响。

3) 主动力的配置基于支撑载荷和储能器容积的大小。

4) 系统配备的主动力与支撑载荷成正比,与储能器容积成反比。

[1] 方华灿.海洋石油钻采装备与结构[M].北京:石油工业出版社,1990.

[2] 方华灿.海洋钻井船升沉补偿装置工作理论的初步研究[J].华东石油学院学报,1978(3):56-67.

[3] Leland R Robichaux,JanT Hatleskog.Semi-active Heave compensation system for Marine Vessels:United States,5209302[P].1993-05-11.

[4] Compensators and tensioners[EB/OL].http://www. kersolutions.com/ NR/rdonlyres/E633E7FF-D2EC-459E-94D8-FF29EE7601DE/19117/Compansatorsandtensioners.pdf.

[5] Crown mounted compensators[EB/OL].http:// www.nov. com/Drilling/Motion_Compensation/ Crown_Mounted_Compensators_(CMCs).aspx.

[6] 白 鹿,张彦廷,张作龙,等.钻柱液压升沉补偿系统参数计算及比较分析[J].石油矿场机械,2009,38(3): 10-13.

Study on Active Force of Compensation System for Floating Drilling Platform

ZHANG Yan-ting,LIU Zhen-dong,J IAN G Hao,WU Guang-bin,ZHAN G Zuo-long
(College of Mechanical and Electrical Engineering,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

For floating drilling platform,an active compensator was equipped in addition to passive one recent year,in order to improve compensating efficiency.The active force is one of key parameters,and is important on overall performance for active compensating system.Mathematical model of compensating system for crown block is built to evaluate the influence elements on active force,based on Simulink software.The analysis provides insight on effect laws of loading supported by compensating cylinder and working volume of accumulators.The design criteria and technical supports are provided for development of compensating system.

heave compensation;active force;accumulator;floating drilling platform;crown block

1001-3482(2010)04-0001-04

TE951

A

2009-12-11

国家自然科学基金(50875262);国家高技术研究发展计划(863计划)(2008AA09Z311)

张彦廷(1968-),男,黑龙江拜泉人,教授,博士,主要从事石油机械、海洋装备和流体传动及控制的教学和科研工作,E-mail:ytzhang68@163.com。