第9章 钻井平台升沉补偿系统

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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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，全平衡式伸 缩钻杆的结构如图1-12所示。
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Hale Waihona Puke 钻井平台升沉补偿系统第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 从式（1-2）中可看出： （1）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。 （2）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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。 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。 多节式伸缩钻杆一般采用螺纹连接。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 绳索作业时， 大钩处受力情况如 图1-15所示。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （二）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：
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2 PL AP + W + (−Q) = 0
将代入式（1-1）中，则可得：
(1-1)
qL − W PL = 2 AP
(1-2）
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
qL − W PL = 2 AP
式中
（1-2）
q —每米钻柱的重量，N/m；
L —钻柱的全长，m;
m AP —补偿装置的液缸中的活塞面积， 。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 2.工作原理 如图1-17所示，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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
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。
第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （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。
海洋浮动钻井船升沉补偿系统
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第一节 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 2.伸缩钻杆存在的问题 （1）钻压不能调节。 增加伸缩钻杆后，钻压大小取决于伸缩钻杆以下的钻 铤部分重量。因而不能随岩层的变化调节钻压。 （2）承载条件恶劣。 伸缩钻杆即承受泥浆的高压，传递钻柱的扭矩；又承 受因内外管周期性轴向运动所引起的交变载荷，承载 条件十分恶劣。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
图1-13b为我国 “南海2号”半 潜式钻井平台上 的新型补偿装置 。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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：
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （三）死绳上装设的升沉补偿装置 1.结构 如图1-17所示，它主要由以下几部分组成：
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （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。 正由于存在这些缺点，近年来许多国家正在研制和采 用升沉补偿装置。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 （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1-13所 示。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置
正常钻进时大钩处的受 力情况如图1-14所示。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 2）绳索作业时：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。
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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 如图1-13a所示， 它主要有以下几 部分：
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第一节 海洋浮动钻井船的升沉补偿装置 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。