海洋石油钻采装备与结构第九章 海洋浮动钻井船升沉补偿系统.docx

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海洋石油钻采装备与结构第九章海洋浮动钻井船升沉补偿系统

第九章海洋浮动钻井船升沉补偿系统

第一节海上浮动钻采装置的运动

1、运动分类

（1）直线运动：

纵荡（进退）surge:

沿x方向的直线运动。

横荡（横移）sway：

沿y方向的直线运动。

升沉heave:

沿z方向的直线运动。

（对钻井影响最大）

（2）旋转运动：

横摇roll:

绕x轴的转动。

纵摇pitch:

绕y轴的转动。

平摇yaw：

绕z轴的转动。

2、升沉运动对钻井作业的影响

1）引起井底钻压变化。

钻井时，钻头需要一定的压力才能破碎岩石，实现钻进。

如果用浮动钻井平台，大钩及井下钻柱会随平台做升沉运动，从而使钻压不稳，严重时会使钻头脱离井底，无法钻进。

2）引起大钩动载。

钻井时，大钩上挂着钻杆柱。

如果大钩随平台一起做升沉运动，大钩所受的载荷等于钻柱的静载和动载之和。

3）使钻井设备发生疲劳破坏。

在交变载荷的作用下，构件容易产生疲劳破坏。

4）引起井下器具的位置变动。

第二节海洋浮动钻井船的升沉补偿装置

深海钻井时，需采用半潜式钻井平台或钻井浮船。

它们在波浪作用下，将产生周期性升沉运动，并使钻柱上下往复运动。

因而造成井底钻压变化，影响钻进，甚至使钻头脱离井底，无法钻进，故必须采取钻柱升沉运动的补偿措施。

一、钻柱升沉措施的补偿措施

（一）增加伸缩钻杆

这种办法实在钻柱的钻铤上方加一根可伸缩的钻杆。

伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动，行程一般为2m。

当平台上下升沉运动时，伸缩钻杆的内管随伸缩钻杆以上的钻柱作轴向运动，而与伸缩钻杆外管相连的钻铤则基本不作升沉运动。

因而可保持钻压恒定，同时还可避免平台上升时提起钻铤，平台下沉时压弯钻柱。

1、伸缩钻杆的组成

目前应用的有全平衡式和部分平衡式两种。

图9—1全平衡式伸缩钻杆

伸缩钻杆工作时，在内管和下工具接头间的环形截面上作用有钻柱内的高压泥浆，因而产生张开力。

同时，从井筒中返回的泥浆作用在伸缩钻杆外以上部分受压，故必须采取措施平衡此张开力。

为此，在伸缩钻杆中间设的置一个密封的平衡压力缸，它和流经伸缩钻杆内孔的高压泥浆相通，并使高压泥浆在平衡缸中产生的轴向力和张开力平衡，所以叫全平衡式。

部分平衡式没有平衡压力缸，只是尽量减小内管心轴尾端的壁厚，从而减小它与工具接头间的环形截面积，实现部分地减小泥浆所产生张开力。

伸缩钻杆的扭矩是依靠均布在径向的传扭销来传递。

传扭销轴向安装，固定在传递套筒上，可沿内管心轴的凹槽上下滑动。

2、伸缩钻杆的缺点

（1）钻压不能调节。

钻井由钻铤的重量来定，不能随地层的不同调节钻压，不利于提高钻速。

（2）承载条件恶劣。

伸缩钻杆既要承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩，又要承受内、外管相对运动引起的交变载荷。

（3）不利于特殊作业。

当不压井钻井时关防喷器后，由于伸缩钻杆以上的钻柱随船体升沉做周期性上下运动，使防喷器的芯子反复摩擦，对于作业不利。

3、改善伸缩钻杆的措施

（1）为了密封管内外的泥浆以及平衡缸，伸缩钻杆配置有四组密封。

每组密封由主密封、挡圈、隔离环组成。

主密封材料系耐高温的合成橡胶，挡圈材料为玻璃纤维，隔离环由含尼龙纤维的橡胶制成，用以挡住硬的小颗粒。

（2）为了使伸缩钻杆的外圆不易磨损，在其顶部安装有防磨环，环外圆堆焊硬质合金。

（3）多节式伸缩钻杆一般采用螺纹连接。

（二）增设升沉补偿装置

这种办法是在浮动平台或钻井船的钻机部件中增设一套钻柱升沉补偿装置，以保持钻柱基本上不随平台升沉。

升沉补偿装置一般采用液压传动。

如在游动滑车与大钩间装设双液缸，缸体与游动滑车相连，如图9—2所示。

当平台升沉时，游动滑车带动液缸的缸体作周期性上下运动；而活塞与大钩则基本保持不动。

这时，整个钻柱的重量由活塞下面的液压所支承。

液体压力可保持恒定，也可根据需要调节，以控制钻柱拉力，随时调节井底钻压。

图9—2游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置

二、升沉补偿装置的结构类型与工作原理

（一）游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置

1.结构

1）液缸

两个液缸用上框架与游动滑车相连，随平台升沉而上下运动。

2）活塞

两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，大钩载荷由活塞下面的液压所支承。

3）储能器

储能器与液缸相通。

储能器中有活塞，其下端的液体通过软管与液缸相通；其上端的气体通过管线与储气罐相通。

这样，液缸中液体压力由储能器中气体压力所决定。

调节气体压力即可以改变液体压力。

4）锁紧装置

用以将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，进行起下钻工作。

图9—3钻井时装设升沉补偿装置后大钩处受力图

2.工作原理

1）正常钻井时：

大钩上悬挂的钻柱总重量Q，井底钻压W和补偿装置的液缸中的液压间的平衡关系式如下：

（1-1）

将代入式（1-1）中，则可得：

（1-2）

式中

—每米钻柱的重量，N/m；

L—钻柱的全长，m;

—补偿装置的液缸中的活塞面积。

从式（1-2）中可看出：

A为了保持钻压，只要保持液缸中的液体压力为一定值即可；而为了调节钻压，只要调节储能器中进气压力即可。

B为了实现自动送进，只要调节液缸中液体压力，使略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉位移即可。

2）绳索作业时：

图9—4绳索作业时大钩处受力分析图

当进行电测、试井等绳索作业时，因下入井内的器具很轻，升沉补偿装置不能发挥作用，故应另加一根传感绳，使绳底端固定在隔水管顶部，再通过大钩上悬挂的滑轮，将绳固定在井架底座上。

这样，传感绳作用在大钩上的拉力即相当于钻柱的悬重。

因此，仍可发挥升沉补偿装置的作用，在绳索作业时，进行运动补偿。

绳索作业时，送器具的工作绳，自绞车引出后，通过悬挂在大钩上的另一个滑轮，下入井内。

此滑轮与传感绳通过的滑轮保持一定距离，但都固定在同一杆件上。

由于钻井的升沉运动，因此传感绳的固定端及工作绳、绞车也随钻台上下运动。

这样，两绳在大钩处的滑轮上时松时紧，将引起两绳作用在大钩处的拉力时大时小。

但当升沉补偿装置液缸中的液压一定时，若传感绳松，拉力减小，则恒定的液压推动活塞上行，带动大钩上提，使传感绳又恢复拉紧。

而若传感绳拉力增大时，则由于恒定压力比传感绳的拉力小，于是活塞及大钩被拉下行，又可使传感绳放松。

这样，即可使传感绳及工作绳均对大钩保持张力，又可使升沉运动得到补偿，正常进行绳索作业。

（二）天车上装设的升沉补偿装置

图9—5天车上装设的升沉补偿装置

1.结构

如图1-16所示，天车升沉补偿装置主要由以下几部分组成：

（1）浮动天车

它通过滚轮在垂直轨道内移动。

天车本身除具有普通天车的滑轮外，另多装有两个辅助滑轮，辅助滑轮的轴与天车滑轮的轴之间用连杆连接。

快绳及死绳分别通过两个辅助滑轮引出。

这样，当天车沿着垂直轨道移动时，只是辅助滑轮轴动作，而通过辅助滑轮的钢丝绳与滑轮间无相对运动，可延长钢丝绳的寿命。

（2）主气缸

它是支持浮动天车用的，相当于大型弹簧，共四个，倾斜放置，由甲板上的压气机供气。

（3）液缸

共两个，垂直放置，由甲板上油泵供油。

它只作为液力缓冲用的安全液缸，以克服大钩载荷的惯性影响。

（4）储能器

它安装在井架上，有管路与四个主气缸相通，用以调节主气缸中的气体压力。

2.工作原理

（1）补偿升沉

由浮动天车来实现补偿。

当浮动平台上升或下降时井架沿轨道上下运动，主气缸中气体压缩或膨胀，相当于一个大弹簧，而天车及大钩基本上保持不动，于是升沉运动得以补偿。

（2）控制钻压

司钻利用甲板上的调压阀，控制自空气罐至主气缸系统的空气压力，使井底钻压调至合适值。

（3）自动送进

正常钻井时，将气缸中气压调节到略低于大钩上载荷，于是，浮动天车在大钩载荷带动下，沿轨道下行，实现自动进尺。

当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上钢丝绳，使浮动天车上行至最高点，然后再继续自动进尺。

（4）防止事故

当大钩载荷突然减少或主气缸严重漏气时,可借助液缸支持着钻柱重量，并使其减速，以防止事故，保证安全。

（5）绳索作业

绳索作业时，可另加一根传感绳，使其一段固定在隔水导管上，另一端自井架外边引至浮动天车上，经滑轮后，再连到钻台的滚筒上。

这样，传感绳随钻台运动而放松或缠紧，浮动天车在恒定气压下随之相应地补偿运动，即可实现绳索作业时的升沉补偿。

（6）起下钻作业

起下钻时，用锁紧装置将浮动天车锁住，使浮动天车不随起下钻柱而上下滑行。

（三）死绳上装设的升沉补偿装置

1.结构

图9—6死绳上装设的升沉补偿装置

它主要由以下几部分组成：

（1）定滑轮组

死绳自天车引出后，先经过一个传感滑轮，将拉力大小变成电信号，传至指重表，再穿过定滑轮组及动滑轮，最后，死绳端自定滑轮组引出固定在死绳固定器上。

（2）动滑动组

它可以在框架内移动，其行程大小和死绳拉力有关。

动滑轮组的轴承座装在行车上，行车上下均有滚轮，滚轮沿上下工字梁轨道滑行。

动滑轮组前面为固定在行车上的半月牙形拨叉，拨叉另一端与液缸的活塞杆相连。

（3）液缸

液缸中有活塞，一端液体与低压储能器相通，另一端液体与高压储能器相通。

当死绳上拉力减少时，传感滑轮发出信号后，指令阀动作，活塞右端压力增加，推动活塞向左移动，将滑轮组上的钢丝绳拉紧，活塞左端液体流回低压储能器。

当死绳上拉力增加时，指令阀动作后，活塞右端液体压力减低，活塞向右移动，使死绳放松，直至达到恒定拉力，液体自活塞右端流回储能器。

（4）高压储能器

储能器由压气机供气，上部有安全阀，下部有放气阀。

（5）低压储能器

空气经滤清器，调节器沿管路进入低压储能器，其上部也有放气阀。

（6）控制台

控制台上有压力表、指重表、动滑轮组行程指示灯、压力控制器、压气机启动及停车机构等。

2.工作原理

借助调节储能器中气压来改变死绳拉力。

再通过死绳上拉力的改变来调节及保持井底钻压。

此外，还可通过液压推动活塞移动来调节钢丝绳的有效长度。

综合上述，死绳上装设的升沉补偿装置，由于需装设传感信号和传令等电控制系统，结构比较复杂，所以应用较少。

天车上装设的升沉补偿装置虽然占用甲板面积小，而且管线短，密封少，不需要高压胶管，有不少长处，但因需特制大尺寸井架及天车，故应用也不广泛。

目前应用较多的是在游动滑车与大钩间装设的升沉补降装置，它不需要特制井架及天车，游动滑车及大钩也是通用的。

但其缺点是液缸密封多，液压油漏失问题严重，管路长，摩擦损失大等，还有待进一步改进。

三、升沉补降装置的设备选择

（一）钻柱升沉补偿装置的选定

一般应根据生产要求，按照平台上配备的钻机的钻探能力来选定。

根据钻机的大钩载荷来选定补偿装置的钩载能力，另外，还需按照海况所需要补偿的升沉位移，选定补偿液缸的行程。

钻柱补偿装置的技术性能的基本参数是：

（1）补偿升沉时的大钩载荷；

（2）锁紧状态时的大钩载荷；

（3）液缸行程。

（二）储能器与储气罐的选定

1.液缸及储能器中液气弹簧刚度

若将液缸通至储能器中的液体及储能器中的气体，看成是无质量的弹簧，则由于储能器中液体对活塞的压力等于被压缩的气体的恢复力，故可得出弹簧刚度为：

（1-3）

式（1-3）中,

及

分别为储能器与储气罐的容积及压力，

为储能器中活塞的面积。

2.储能器及储气罐的容积

选定时，先根据工作需要，确定平均压力及活塞面积，再按照计算得出的弹簧刚度，即可依式（1-3）求得容积。

（1-3）

然后，再定出储气罐的数目、容积以及储能器的容积。

储气罐一般安放在接近井架的适当位置，可以水平或垂直放置，均放在撬座上。

罐上应有隔离阀，以便快速减少气体体积。

能器一般多采用活塞式结构，可水平或垂直安放。

直径常约为0.5m。

长度应根据上述计算来决定。

升沉频率高的小船要求储能器位置尽量靠近液缸。