DC40/60-Y型钻柱升沉补偿系统的研制与应用

刘志桐，吴卫周，赵鹏，杜永军，郑万里，李欢

（1.宝鸡石油机械有限责任公司；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡 721000）

补偿系统是海洋油气勘探开发的核心部件，主要用于钻井作业中克服船体升沉对钻柱上下位移的影响，维持井底钻压稳定，提高钻井效率。目前海洋平台或船体的补偿系统大体分为主动和被动式两种，现有配套的钻机多数以绞车起升下放为主，采用主动式补偿系统一般价格高昂，系统复杂维护困难；而其采用的被动补偿系统，由于多数使用多绳系的游车装置或通过滑轮钢丝绳带动补偿油缸，导致系统的补偿精度不高，补偿范围受限。为此，设计和研发的DC40/60-Y型补偿系统，配套在液缸式举升钻机实现钻井作业补偿，该系统已在广州地质调查局的海洋地质十号船中应用，并达到了预期的效果。

1 技术分析

结构如图1所示，补偿装置本体分为上下架体两部分，补偿油缸安装和固定在上架体，下架体连接顶驱和钻柱。上架体与钻机举升油缸提升钢丝绳连接，在提升钢丝绳的带动下沿井架中的导轨上下运动完成补偿功能；补偿油缸采用倒置方式，通过补偿油缸有杆腔活塞伸缩实现钻柱的波浪补偿。钻柱升沉补偿系统本体侧面安装有锁紧油缸，通过远程操作锁紧油缸活塞杆伸缩，驱动补偿装置完成插销动作，将补偿装置本体与顶驱滑车机械连接为一个整体，从而关闭其补偿功能，适应最大提升载荷。

2 液气系统设计

图1 补偿装置本体结构示意图

DC40/60-Y型被动补偿液气系统设计主要由被动补偿油缸、蓄能器、隔离阀组、高压空压机组、气瓶组等组成。活塞式蓄能器用于隔绝补偿油缸中液压介质和工作气瓶组中的压缩空气，与工作气瓶组共同构成液气弹簧，承受补偿装置负载。高压空压机组采用一备一用方式为气瓶组充气，两台高压空压机单台流量1500L/min，最大工作压力均可以达到25MPa，空压机组与备用气瓶组相连，其输出的高压气体储存在备用气瓶组中，空压机组具有远程与本地两种操作模式。通过主气阀的开闭和增减气压控制，使补偿载荷和被动补偿油缸压力平衡，增减压和主气阀控制柜内部的电控阀门动作由低压气源供给。隔离阀组和防爆阀组为蓄能器和补偿油缸之间提供保护，在升沉补偿系统有显著的负载消耗时，由于蓄能器原有的能量（气压），流量会加速流动，当流速达到设定的关断值时，隔离阀会快速关断防止事故发生；被动液压站的作用主要是在开始工作时为蓄能器、补偿油缸和锁紧油缸充油；补偿系统开始时由高压空压机为气瓶组充气，当高于补偿载荷所需的额定预计压力后停止；气瓶组压力主要由悬重传感器实时测定的钩载决定，当补偿功能使用时，蓄能器将自身压力反馈至控制系统，并通过控制单元计算，控制气瓶组、主气阀等补偿或释放气压，系统整体可以达到自适应检查和调节目的。

3 控制系统设计

钻柱升沉补偿系统电控系统负责监视整个补偿装置的运行状态，包括补偿载荷、气动系统压力、液压系统压力、补偿油缸位置、油箱液位、锁紧/解锁指示等。当系统出现异常时及时提示设备操作人员。补偿装置电控系统主要包括安放于司钻房内的补偿装置操作箱、安放于船体电控间中的补偿装置控制柜以及安放于现场执行器的传感器（如补偿油缸位移传感器、锁紧油缸接近开关、增减压气控制柜中的压力传感器）。

补偿装置电控系统主要部件包括：中央控制器、人机交互面板（HIM）、物理开关、指示灯等。安放于综合地质调查船电控间中的补偿装置控制柜中布置中央控制器，输入输出（IO）模块，各类中间继电器，安全隔离栅等电气元件，中央控制器根据输入模块采集的补偿装置现场执行器工作状态，依靠其内置的控制程序监视整个补偿装置的运行状态；同时完成补偿装置工作过程中工作气瓶组中工作气压的自动调节，实现钩重检查及补偿器自动调节。为方便司钻操作补偿装置，在司钻房内提供补偿装置操作箱，操作箱内嵌人机交互面板（HIM）用于图形化显示补偿装置现场执行器的工作状态，操作箱面板上安装操作补偿装置要求使用的物理按钮（诸如主气阀开/关、隔离阀开/关、解锁锁紧等操作按钮），同时安装声光报警指示，对危及补偿装置功能实现的危险工作状态进行声光报警，提醒操作者注意。

4 关键技术及创新点

4.1 直驱补偿

常规的海洋平台或船体配套的钻机多数以电控或液控绞车起升下放为主，很少直接使用主动式补偿系统，而其采用的被动补偿系统，多数会使用多绳系的游车装置或是通过导向绳索连接补偿油缸，导致系统的补偿精度不高，补偿范围受限。DC40/60-Y型补偿装置的补偿液缸连接架直接连接顶驱装置，可以将海浪升降的能量迅速储存和释放，能提高钻井作业效率和补偿反应速度。

4.2 补偿载荷自反馈动态调节

为维持一个稳定的钻压，满足钻井作业过程中出现的补偿变载（如钻深变化、钻具不同等），需要不断调节气瓶组工作压力。DC40/60-Y型补偿装置通过固定在井架的传压包将模拟信号放大转换后测定的钩载传输至补偿的控制系统，通过与蓄能器测定的压力值比较，并通过位置传感器检测蓄能器活塞位置是否处于中位，计算补偿所需额定压力的差值，自动控制增减压控制柜和主气阀控制柜中相应的电控阀，达到保持蓄能器压力稳定，平衡被动补偿油缸压力的目的。

5 结语

DC40/60-Y型钻柱升沉补偿系统采用分体式结构设计，被动式液气系统补偿模式，具有成本低易于维护和操作的特点，在提高补偿精度的同时也降低了补偿过程中的能量消耗，满足了设计和使用要求，目前该系统已经应用在广州地质调查局的海洋地质十号船钻探系统中，达到了预期的效果。

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