钻井深沉补偿.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流钻井深沉补偿.精品文档.摘要海洋石油浮式钻采平台是海洋油气开发的重要装备,升沉补偿装置系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,对钻井效率和安全以及钻井设备的使用寿命起着决定作用。本篇文章对国内外海洋钻井管柱升沉补偿系统的技术现状做出介绍,对钻杆柱补偿和隔水管补偿装置结构和工作原理原理进行了详细研究,综合对比分析各升沉补偿装置的技术特点,最后探讨了我国升沉补偿系统的发展趋势,进而对我国海洋石油钻井升沉补偿系统的未来发展方向提出若干建议。关键词 海洋钻井;升沉补偿系统;钻杆柱补偿;隔水管系统补偿;发展趋势1. 升沉补偿系统简介海洋石油浮式平台钻井
2、系统是海洋油气开发的关键装备,我国海洋石油装备产业在海洋油气产业持续发展的带动下正处于高速发展的新时期1,2。在深水浮式钻井船或半潜式钻井平台作业中,其在海上处于漂浮状态。在风浪作用下,钻井平台作平移、摇摆、以及上下升沉运动。随波浪周期性上下升沉的运动将引起钻杆柱和隔水管系统周期性的上下运动。钻杆柱周期性上下运动将使大钩拉力增大或减小,直接影响井底钻压的变化。井底钻压的变化不利于钻进,而且当钻压降到一定限度时,将使钻头脱离井底,无法持续钻进。隔水管系统周期性上下运动将使其失效或井口装置脱离井底。为此,要保证正常钻进,提高钻井效率,就必须采用升沉补偿系统对升沉进行补偿,以减少钻杆柱和隔水管系统与
3、海底的相对运动,并保持恒定的张力载荷。升沉补偿系统作为海洋浮式钻井平台的关键设备之一,不仅能够减少等候天气的时间,提高钻井效率和安全性,而且能够延长钻井设备的使用寿命。海洋钻井升沉补偿装置作为浮式平台钻井系统中的一个重要单元设备,其技术在欧美等发达国家的平台配套当中已相当成熟,长期以来其技术一直被国外发达国家所垄断,如挪威Hydralift公司设计和生产的各种型式升沉补偿系统 5。而我国由于自身工业基础条件比较薄弱,加之起步晚,所以在该技术尤其是隔水管升沉补偿技术的研究开发方面处于起始阶段。为了使我国的海洋油气资源得到有效保护及尽早打破国外的技术垄断,深入研究和开发具有我国自主知识产权的海洋钻
4、井升沉补偿装置已成为当前工程技术人员的当务之急,也是我国海洋石油装备技术不断振兴和走向成熟的必然要求。2 海洋钻井管柱升沉补偿系统组成通常海洋浮式钻井平台升沉补偿系统主要包括钻杆柱补偿和隔水管系统补偿两个方面。钻杆柱补偿根据安装位置和结构又可分为伸缩钻杆升沉补偿、游车大钩升沉补偿、天车升沉补偿、快绳(死绳)升沉补偿和绞车升沉补偿等几种形式。根据补偿的动力源又可分为被动式升沉补偿、主动式升沉补偿、半主动式升沉补偿。如图1-1所示:图1-1 海洋钻井管柱升沉补偿系统组成2.1 伸缩钻杆升沉补偿装置在浮船钻井的初期阶段,普遍采用的补偿方法是在钻杆柱的钻链上部加一根伸缩钻杆。为了使钻头压力不受泥浆变化
5、的影响,后又发展了平衡式伸缩钻杆。当钻井平台上下升沉运动时,伸缩钻杆的内外管沿轴向做相对运动,因此只有伸缩钻杆以上钻杆柱随着船体做上下升沉运动,而伸缩钻杆以下钻链和钻头不受钻井平台升沉运动的影响,这样就可以保证井底钻压恒定。而在下放水下设备时也接上它,以免在“着陆”和连接时发生撞击。一般仲缩钻杆的伸缩行程为1.52m,规格尺寸与钻链相应、内外径均与同级钻链相近。该补偿作为世界上早期开发应用的一种补偿形式,其结构非常简单,不需要增加什么制造成本,只需在钻杆柱上增加一段可伸缩的钻杆便能够达到补偿的目的。但该补偿存在的最大问题是无法满足现代钻井工艺要求6。2.2 游车大钩升沉补偿装置游车大钩升沉补偿
6、是在游车与大钩间装设的一种升沉补偿装置。此类型的升沉补偿自1973年研制成功后,已多次应用于实际工程。游车大钩升沉补偿主要由液缸、活塞、储能器、控制阀、液压站、PLC控制系统、检测装置、锁紧装置等部分组成。此种补偿方法有两种类型。一种为活塞杆受拉的升沉补偿装置,以美国维高公司(vetco)产品为代表。将两个液缸上框架、液缸本体与游车相连接,活塞杆与固定在大钩上的下框架连接,可随钻井船升沉上下运动。其主体结构如图2-1所示。对活塞杆受拉的升沉补偿装置,当游动滑车随井架及船体上下升沉时,只是带动液缸的缸体上下周期地运动,只要保持液缸内液体压力不变,液缸中活塞和活塞杆、下横梁以及大钩基本保持不动,载
7、荷也基本上不受影响。(影响的大小是随气压的大小和气瓶的多少来决定的)在实际使用中,常常把活塞杆放到全长的中间位置。一般情况下波浪所引起的升沉只是活塞杆全长的1/61/5。因此,司钻只要调好行程、压力,还能实现自动送钻。另一种类型为活塞杆受压的升沉补偿装置。美国NL公司生产的产品最为典型。这种装置大钩与下支架连接,安装在活塞杆顶端的滑轮装置与上支架连接,上支架与缸体固定在一起,上支架与游动滑车相连。如图2-2所示。对活塞杆受压的升沉补偿装置,当游动滑车上下周期性运动时,活塞杆上下运动,而下支架、大钩却保持基本不动。由于是动滑轮,因此活塞杆的行程仅为钻井船升沉的一半。在实际钻井中,可通过调节储能器
8、中气体压力来改变液缸中的液体压力,达到调节钻头钻压的目的。因此,只要控制好行程(常常把活塞杆放到全长的中间位置)压力,还可以实现自动送钻。图2-1 游车大钩升降补偿装置图2-2 游车大钩升降补偿装置从目前使用情况来看,游车大钩升沉补偿装置多采用活塞杆受压的补偿装置,其根据补偿的动力源又可分为被动式升沉补偿、主动式升沉补偿、半主动式升沉补偿。(1) 被动式升沉补偿系统被动式升沉补偿系统原理如图2-68所示,该系统的补偿动力来源于船的升沉。当船上升时,蓄能器内的气体进一步被压缩以补偿上升位移并储存能量;当船下沉时,蓄能器内的气体膨胀以补偿下沉位移,蓄能器储存的能量被释放。由图2-6可以看出,被动式
9、升沉补偿系统相当于是一个空气或液压空气弹簧 ,依靠海浪的举升力和船自身的重力来压缩和释放蓄能器中的压缩空气,从而实现升沉补偿。 (2) 主动式升沉补偿系统图2-78为主动式升沉补偿系统原理,该系统是一套闭环反馈系统,依靠补偿系统本身的动力机的能源来工作(例如,液压泵),大钩作上下运动时,位移传感器输出的补偿缸活塞位移信号与给定的控制规律进行比较后获得的偏差信号传递给控制器。图2-7中的变量泵是双向变量泵,当船下沉时,控制器输出的控制信号为正,变量泵向补偿缸的下油腔输送液体,使活塞向上运动;当船上升时,控制器输出的控制信号为负,变量泵从补偿缸下油腔排出液体,从而使补偿缸活塞向下运动来补偿大钩位移
10、。(3) 半主动式升沉补偿系统被动式系统补偿精度低,补偿性能不稳定,滞后比较大;主动式升沉补偿系统能量消耗大,成本较高。为了适应浮式石油钻井的需要,弥补被动式和主动式升沉补偿系统的不足,便出现了如图2-88所示的主动和被动相结合的半主动式的气液钻柱升沉补偿系统。当船升沉时,气液蓄能器发挥气液弹簧作用抵消一部分升沉位移,同时控制器根据输入信号控制双向变量泵给主动缸上油腔或下油腔供油,推动主动缸活塞运动,带动补偿缸活塞运动补偿大钩的位移。图2-6被动式升沉补偿系统图 2-7 主动式升沉补偿系统图 2-8 半主动式升沉补偿系统被动式升沉补偿系统安全,操作容易,结构简单,基本不消耗能量,但补偿精度低,
11、要取得好的补偿效果需要比较大的蓄能器体积;主动式升沉补偿系统补偿精度高,抗干扰能力强,但是需要能耗大;半主动系统是介于主动和被动之间的复合系统,既拥有被动式的低能消耗的优点,同时有主动式高补偿精度的特点。游车大钩升沉补偿目前在实际油气勘探开发当中应用相对比较广泛。但是以下三个因素仍会对补偿效果造成影响:1工作缸中流体的摩擦影响。2机械摩擦的影响。3活塞下端气体体积压缩膨胀对压力的影响。2.3 天车升沉补偿装置天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部,形成浮动天车。该类升沉补偿结构较为复杂,于1972年研制成功,并在钻井船上得到应用,效果良好。目前,已在多型深水半潜式钻井平台上配置有天车升沉补
12、偿装置。2.3 天车升沉补偿装置天车升沉补偿是将升沉补偿装置安装在井架顶部,形成浮动天车。该类升沉补偿结构较为复杂,于1972年研制成功,并在钻井船上得到应用,效果良好。目前,已在多型深水半潜式钻井平台上配置有天车升沉补偿装置。天车升沉补偿主要组成,如图2-9所示。浮动天车可以通过滚轮在垂直轨道内相对移动。天车本身的滑轮结构与一般天车基本相同。但天车上多装有两个辅助滑轮,通过它分别将快绳和死绳引出。两个辅助滑轮的轴与天车滑轮轴之间连杆连接。这样做可以提高钢丝绳的寿命。当钻井船升沉运动时,天车模块在液缸的推动下沿轨道相对于井架做相反方向运动,张紧或放松钻井钢丝绳,实现升沉补偿功能;司钻通过甲板上
13、的调节阀,控制系统压力,达到调节井底钻压的目的;另外,该补偿形式在天车上设有滑轮组锁紧装置,进行起下钻作业时,通过液压控制系统将滑轮组锁紧在井架顶部,使浮动天车能够承受钻井系统的最大额定载荷。图2-9 天车升沉补偿装置天车补偿作为一种较新的升沉补偿形式,尽管存在结构复杂、体积大、造价高等不足,但由于其合理的布局方式和良好的工作性能使其应用更为广泛。2.4 死绳升沉补偿装置死绳升沉补偿是在平台钻井系统钻井绳死绳段增加的一种升沉补偿装置。该装置安装在井架侧面,结构较为简单。这种型式较前两种方式使用少,曾在钻井船上使用过。死绳升沉补偿主要由定滑轮组、动滑轮组、液缸、储能器、传感及电控制系统等组成。死
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