淺談半潛式平臺升沉補償系統(tǒng)原理及應用

1、實習轉正論文1.大鉤補償升沉系統(tǒng)( DRILL STRING COMPENSATOR，簡稱DSC) 該鉆柱升沉補償系統(tǒng)是VETCO生產(chǎn)的MC40020D型，其中含義為：20表示補償器的活塞最大行程是20inch；400表示補償器載荷是400KIPS；補償器能夠消除鉆具的外界影響，并且在出現(xiàn)高扭矩、高泵壓時，它能夠手動或自動鎖緊。補償器還可以用于電測、取心、固井和打撈，尤其適合于關井情況下的試壓和擠注水泥工作.能夠很好的防止鉆桿上下運動對防噴器膠心的磨損。維高補償器的液壓鎖緊閥可以在鎖銷長度范圍內(nèi)，任一位置選擇鎖緊。組成該系統(tǒng)在游車和大鉤之間，包括兩個圓柱型液缸，滑輪系統(tǒng)，提升鏈條，鏈條，主框架

2、，鎖緊桿和大鉤框架，鏈條的長度是活塞行程的兩倍。兩個圓柱型的缸體雖然是通過氣體連接在一起的，但是，它們在運動的時候卻是完全獨立的，互相不受影響。圓柱型缸體和大鉤框架用鏈條軟連接，其好處是兩個圓柱型的缸體的運動可以不是完全同步的。導入機車系統(tǒng)和大鉤框架的形狀也有利于兩個圓柱型的汽缸運動的同步性，同時也消除了鉆柱補償系統(tǒng)的運動部分和固定部分之間的干擾，使“硬件與軟件”之間在劇烈運動時得到緩沖。由于是通過鏈條連接的，它可以減少活塞的橫向移動，從而降低了活塞和液缸之間的磨損。1.1主框架主框架主要由固定補償塊，圓柱型液缸和鎖緊銷等部件組成，也是鉆柱升沉補償系統(tǒng)的主要部件。為了利于安裝和拆卸，主框架的部

3、件都用剪切銷釘和螺拴連接。當鉆柱升沉補償系統(tǒng)工作時，主框架的安全拉力為400KIPS，當將升沉補償系統(tǒng)鎖緊時，補償系統(tǒng)與大鉤、絞車為一體，此時大鉤拉力即為鉆機工作拉力。1.2大鉤框架大鉤框架在大鉤和鏈條之間，升沉補償系統(tǒng)的鏈條拉在大鉤的上面，形成一個矩形框架，假如兩個圓柱型液缸受力不均，則就會產(chǎn)生扭矩，大鉤框架就有向一方轉動的趨勢，但是大鉤載荷或自重可以阻止這種轉動趨勢。在鉆柱升沉補償系統(tǒng)工作的時候，大鉤框架的拉力為400kIPS，當鉆柱升沉補償系統(tǒng)鎖緊時，大鉤框架的拉力為1000KIPS。在某些特殊情況如：打撈、提抗磨補芯、回收套管送入工具等實際操作很困難時，就可把框架鎖緊利用海浪起伏力量來

4、解決此類難題，但前提必須是不損壞和在鉆機安全工作范圍內(nèi)。1.3圓柱型液缸兩個圓柱型液缸是升沉補償系統(tǒng)的主要裝置，該裝置能夠很好的承載和傳遞壓力，動力的來源是壓縮的空氣。圓柱型液缸中，活塞下面為體積壓縮性很小的硅油，它可以承受大鉤鉆具載荷；硅油具有良好的黏度和潤滑性，可以減少活塞與液缸壁的磨損以及緩沖活塞桿的運動速度。在3423PSI的壓力下，活塞最大工作拉力是400KIPS（18psi=1t）。圓柱型液缸的主要幾個特點是：（1）、超長的銅質軸承；（2）、兩個軸承之間超長的制動管提供了足夠的活動距離；（3）、活塞的上面和下面都有液墊來防止活塞和缸體之間的機械碰撞；（4）、活塞桿上面渡有金屬鉻，使

5、其表面的硬化度大大提高；圓柱型液缸的內(nèi)徑是15inch，活塞桿的直徑是11inch，活塞桿的直徑相對較大的原因是：當活塞行程到最末端的時候，還能夠提供最小體積的潤滑油來保持潤滑作用，為了減輕整個鉆柱升沉補償系統(tǒng)的自身重量，活塞桿被制成空心結構。1.4鏈條鏈條是升沉補償系統(tǒng)中的一個重要的部件，主要特點是：（1）、鏈條長度是活塞行程的兩倍；（2）、在圓柱型液缸和大鉤的框架之間用鏈條聯(lián)系消除了機械的硬聯(lián)系，保持了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）、使圓柱型的液缸在運動的時候較為緩慢，避免了活塞給缸體的側向載荷，延長了液缸的壽命。（4）、鉆柱的振動和擺動均被鏈條吸收，不會傳到活塞和補償液缸上避免產(chǎn)生共振。（5）

6、、對活塞的同步運動要求較低；（6）、避免水龍頭、大鉤擺動和轉動對液缸工作的影響；（7）、鏈條有調(diào)節(jié)的余地，避免了固定件之間的嚴格公差要求；1.5鎖緊系統(tǒng)鎖緊系統(tǒng)的工作動力也來自于氣瓶內(nèi)壓縮的氮氣，當鎖緊系統(tǒng)工作時，大鉤框架自動上升到主框架位置，兩框架上矩形孔對準，矩形鎖緊銷插入鎖緊孔，完成鎖緊這一功能，從而將上下框架連接為一體，使整個升沉補償系統(tǒng)失去作用。2、鉆柱升沉補償系統(tǒng)的工作原理鉆柱升沉補償系統(tǒng)主要是依靠液缸液壓平衡、傳遞壓力。在補償器的儲能器內(nèi)為油氣兩相，油的體積始終保持不變，而通過改變氣體體積使油相的受力發(fā)生變化，在整個過程中油氣兩相在始末受力都將自動恢復平衡。儲能器氣液受力平衡后，

7、補償器內(nèi)液相與活塞受力隨之也達到平衡。其基本原理圖如下：在生產(chǎn)作業(yè)過程中，油缸體與游車、鉆機平臺視為一體，活塞體和頂驅、鉆具為一體?；钊w與液壓平衡時，油缸體隨船一起在潮差作用下上下運動，從而保證了鉆具在正常工作時不往復運動。在液缸活塞的相對運動過程中可能會使液缸體內(nèi)的油體積發(fā)生變化，從而引起儲能器內(nèi)氮氣體積的變化，即V油&V氣，但因液缸體內(nèi)容積相對氣瓶很小，可以視V氣0，由氣態(tài)方程PV/T=K知K、T皆為常量，V又可視為不變則氣體承受壓力也不變化，即當氣瓶壓力不變、大鉤承受載荷不變，無論液缸怎樣運動，液缸體內(nèi)的受力平衡不受影響。作業(yè)時如需增壓、瀉壓，可通過不同壓力的氣瓶來實現(xiàn)。由于液

8、相油具有流體一般的黏度和滯后性，傳遞壓力時可起緩沖作用，既利于手動操作控制也可避免鉆具的損壞（壓力調(diào)節(jié)時，壓力表總是氣相黑針先指向預定位置，液相紅針間隔一段時間才和黑針重合）。補償器在應用中需注意的是，不能超載或突然大噸位加載，否則會使補償器嚴重損壞。當平臺在海浪或潮差作用下上升時，會帶動井架、大繩、天車、游車、上框架和圓柱型液缸缸體一起向上運動。補償系統(tǒng)儲能器中氣體的體積減少，則氣壓增大，氣體將向儲氣罐中流動，減少氣體的體積。如缸體內(nèi)的油壓變化很小基本保持不變，則作用在活塞上的力也很小，活塞基本保持不動。缸體向上運動的時候，鏈條相對向下運動，同時帶動下框架和大鉤向下運動。（這里選擇的參照系是

9、鉆井船，所以大鉤向下運動是相對鉆井船而言，如果所選參照系是大地，則大鉤下的鉆具相對于大地是保持不動的。）反之當平臺下降時，帶動井架、大繩、天車、游車、上框架和圓柱型液缸的缸體，一起向下運動，則液缸內(nèi)硅油體積增大，承載力減小，此時儲氣罐中的氮氣將向補償系統(tǒng)的儲能器中流動，使氣液兩相達到平衡。此時鏈條縮短，帶動大鉤相對鉆井船向上運動，抵消掉平臺下降的趨勢。從而使整個鉆具保持不動。綜上所述，在鉆柱升沉補償系統(tǒng)工作的過程中，相對于鉆井船運動的部件是鉆柱、大鉤、和圓柱型汽缸的活塞，相對于井底而言，這些部件實際是不運動的。井架、大繩、天車、游車、上框架和圓柱型汽缸的缸體在整個工作的過程中相對于井底的往復運

10、動，保證了鉆具的平穩(wěn)性和安全性。根據(jù)連通器的原理，圓柱型液缸中液壓油的壓力，與補償系統(tǒng)儲能器中氣壓相等。在現(xiàn)場的實際操作中，根據(jù)鉆具總重量和鉆壓的大小，調(diào)節(jié)儲氣瓶中氣體的壓力，就可以滿足升沉補償?shù)男枰?，即通過調(diào)節(jié)儲氣瓶中氣體壓力的大小，從而調(diào)節(jié)所需鉆壓。故由升沉補償裝置，可以根據(jù)鉆井目的、井身結構以及地層巖性調(diào)節(jié)鉆壓的大小，而且還可以利用補償器液缸長度超過平臺升沉距離長度，進行自行送鉆。3補償系統(tǒng)在張力器中的應用半潛式鉆井船上的升沉補償系統(tǒng)還被應用到以下幾個部分：隔水導管張力器，導向繩張力器，黃盒和蘭盒張力器。半潛式平臺作業(yè)水深基本都在百米以上，鑒與該種情況，井口也相應由傳統(tǒng)干式變?yōu)樗戮凇?/p>

11、為減小潮差和暗流對水下井口防噴器及導管的影響，使其作業(yè)能達到自升式平臺一樣的效果，利用簡單的升沉補償系統(tǒng)就可實現(xiàn)。水下井口的連接從下至上大致為：井口頭+連接器+防噴器組+球型接頭+隔水導管+伸縮節(jié)+球接頭+分流器。首先，我們應知道隔水管頂部和半潛式裝置之間的相對運動主要包括了下列各因素：（1）波浪引起的垂向船體運動；（2）由船體在水平方向的偏移以及水流對隔水管的影響；（3）船體吃水的變化；（4）海平面的變化；（5）運行和停止溫度之間的變化；（6）偶發(fā)事故。針對以上各原因，隔水導管補償系統(tǒng)主要解決兩個問題：（1）隔水導管與半潛平臺的相對運動，（2）如何有效的支撐隔水導管。為此，隔水導管與平臺之間

12、的相對運動必須減至最小，通常以下列措施來實現(xiàn)：（1）對船體外形進行優(yōu)化使波浪引起的運動最小。（2）設計系泊系統(tǒng)使船的水平漂移和隔水管的下降最少并使得平臺能夠偏移在一個范圍。（3）設計壓載系統(tǒng)以確保精確的控制平臺的工作吃水深度。（4）對船體的沉沒部分進行設計。同時也需要對剛性隔水管進行頂部拉伸以防止隔水管整個的彎曲，并限制隔水管橫向位移以減少隔水管干擾。然而在實際作業(yè)中，最有效和經(jīng)濟可行的措施就是：利用補償系統(tǒng)與球接頭來減少船體的垂向運動和水平左右橫移。例如勘探三號隔水管張力器型號為VETCORT8050，四根直徑1“的張力繩，每根可最大承載80kbl，總共可承受320KIPS的拉力，張力繩的最

13、大行程為50ft。兩個單向性球接頭，最大偏差角度+/-10。為了減輕張力器負載，通常在部分隔水管上安裝隔水管浮力塊，承受著萬能防噴器連接器以上全部隔水管重量。在整個過程當中，隔水管張力裝置將作為一個執(zhí)行者來實現(xiàn)萬向節(jié)的功能。因半潛平臺防噴器組在水下，故它的操作是通過座在防噴器組兩旁的藍黃控制盒來開關各防噴器，且地面控制是按流入油量體積來確定防噴器是否徹底打開或關閉。防噴器的藍黃控制盒是兩套獨立的控制系統(tǒng)，一套使用時、另一套備用，兩套系統(tǒng)在正確插入密封后，通過梭閥實現(xiàn)控制液換向。因此工作中每個液壓孔處都有至少一個梭閥，與它相連的連根膠管束，每根膠管束中有幾十根3/16“和1”膠管，1“膠管是用來

14、從地面輸送控制液的，3/16”細管束用來發(fā)送信號指令，該液由油和水按照1：100的比例配制，用完后自動排海。此信號液可通過藍黃盒兩條不同路徑到達同一個梭閥，在井下發(fā)生井涌、井噴時的關井，或阻流管匯的放噴、反循環(huán)壓井以及套管試壓等井下作業(yè)時，都需要防噴器精確快捷的開關。并且在緊急情況或避臺時用張力器將上部隔水管與井口及時脫開，待安全后再回接，能有效控制水下井口連接器、事故安全閥。因此藍黃盒插入頭必須安全、穩(wěn)妥牢固的座在防噴器上，使每個液壓孔與梭閥對齊不能有絲毫偏差，以防止壓力不夠，信號指令失效（輸入和返回信號壓力都是1500psi）。這就必須利用張力器，這個“剛性彈簧“來盡量消除暗流、潮差對插入

15、頭的干擾，由此保證了防噴器控制的可靠性。浮式平臺的井口因在水下，所以無論是導管進入井眼還是鉆頭重新入井，以及將來下入防噴器而導向，則必須用導向基盤來完成。當一口井一開結束要下入表層套管時，應把系好導向繩的導向基盤鎖死在套管頭上，與套管一起送到位。在下放時應防止導向繩旋轉打扭，用水下ROV觀察基盤水平儀水銀是否居中、基盤艏向是否與平臺艏向一致和導向繩情況。以上各項都是確保鉆井作業(yè)能正常進行的前提，然而要使基盤在調(diào)整到標準后不受海洋環(huán)境的干擾，就必須使用導向繩張力器。導向繩張力器同樣是利用升沉補償原理來改變潮汐對基盤的縱橫搖晃。導向繩張力器還可以用來最后棄井時回收井口頭。下圖即為連有張力器的水下基

16、盤：4、關于鉆桿升沉補償系統(tǒng)工作的一些認識4.1該系統(tǒng)是一個滯后效應的補償系統(tǒng)只有當鉆井船在外界因素作用下-升沉運動發(fā)生后，才會使升沉補償器工作，進而達到升沉補償?shù)哪康模裂a償運動不可能與鉆井船的升沉運動進行同步補償。4.2補償系統(tǒng)工作載荷的限度該鉆柱升沉補償系統(tǒng)工作時安全載荷為400KIPS，在深井和大斜度井的鉆進中，或在處理井下事故時，井下鉆具的重量有可能超過400KIPS。此時，應將上下框架鎖死，使鉆柱升沉補償系統(tǒng)失去作用，以防止超載而拉壞升沉補償系統(tǒng)。（鎖緊后的補償系統(tǒng)與自升式游動系統(tǒng)工作機理基本相同。）4.3補償系統(tǒng)補償距離的限度該鉆柱升沉補償系統(tǒng)的最大活塞行程是20FEET，即該系統(tǒng)的最大補償距離為20FEET，假如風浪較大或作業(yè)水深超過鉆柱升沉補償系統(tǒng)的工作范圍，則無法進行正常鉆進作業(yè)。4.4關于鉆柱升沉補償器動力氣瓶的認識在鉆柱升沉補償系統(tǒng)工作時，現(xiàn)場常常根據(jù)作業(yè)的需要來調(diào)節(jié)動力氣瓶的個數(shù)，像勘