浅谈半潜式平台升沉补偿系统原理及应用

1.大钩补偿升沉系统( DRILL STRING COMPENSATOR，简称DSC)

该钻柱升沉补偿系统是VETCO生产的MC400—20D型，其中含义为：20表

示补偿器的活塞最大行程是20inch；400表示补偿器载荷是400KIPS；补偿器

能够消除钻具的外界影响，并且在出现高扭矩、高泵压时，它能够手动或自动

锁紧。补偿器还可以用于电测、取心、固井和打捞，尤其适合于关井情况下的

试压和挤注水泥工作.能够很好的防止钻杆上下运动对防喷器胶心的磨损。维高

补偿器的液压锁紧阀可以在锁销长度范围内，任一位置选择锁紧。

组成

该系统在游车和大钩之间，包括两个圆柱型液缸，滑轮系统，提升链条，链条，主框架，锁紧杆和大钩框架，链条的长度是活塞行程的两倍。两个圆柱型的缸体虽然是通过气体连接在一起的，但是，它们在运动的时候却是完全独立的，互相不受影响。圆柱型缸体和大钩框架用链条软连接，其好处是两个圆柱型的缸体的运动可以不是完全同步的。导入机车系统和大钩框架的形状也有利于两个圆柱型的汽缸运动的同步性，同时也消除了钻柱补偿系统的运动部分和固定部分之间的干扰，使“硬件与软件”之间在剧烈运动时得到缓冲。由于是通过链条连接的，它可以减少活塞的横向移动，从而降低了活塞和液缸之间的磨损。

1.1主框架

主框架主要由固定补偿块，圆柱型液缸和锁紧销等部件组成，也是钻柱升沉补偿系统的主要部件。为了利于安装和拆卸，主框架的部件都用剪切销钉和螺拴连接。当钻柱升沉补偿系统工作时，主框架的安全拉力为400KIPS，当将升沉补偿系统锁紧时，补偿系统与大钩、绞车为一体，此时大钩拉力即为钻机工作拉力。

1.2大钩框架

大钩框架在大钩和链条之间，升沉补偿系统的链条拉在大钩的上面，形成一个矩形框架，假如两个圆柱型液缸受力不均，则就会产生扭矩，大钩框架就有向一方转动的趋势，但是大钩载荷或自重可以阻止这种转动趋势。在钻柱升沉补偿系统工作的时候，大钩框架的拉力为400kIPS，当钻柱升沉补偿系统锁紧时，大钩框架的拉力为1000KIPS。在某些特殊情况如：打捞、提抗磨补芯、回收套管送入工具等实际操作很困难时，就可把框架锁紧利用海浪起伏力量来解决此类难题，但前提必须是不损坏和在钻机安全工作范围内。

1.3圆柱型液缸

两个圆柱型液缸是升沉补偿系统的主要装置，该装置能够很好的承载和传递压力，动力的来源是压缩的空气。圆柱型液缸中，活塞下面为体积压缩性很小的硅油，它可以承受大钩钻具载荷；硅油具有良好的黏度和润滑性，可以减

少活塞与液缸壁的磨损以及缓冲活塞杆的运动速度。在3423PSI的压力下，活塞最大工作拉力是400KIPS（18psi=1t）。

圆柱型液缸的主要几个特点是：

（1）、超长的铜质轴承；

（2）、两个轴承之间超长的制动管提供了足够的活动距离；

（3）、活塞的上面和下面都有液垫来防止活塞和缸体之间的机械碰撞；（4）、活塞杆上面渡有金属铬，使其表面的硬化度大大提高；

圆柱型液缸的内径是15inch，活塞杆的直径是11inch，活塞杆的直径相对较大的原因是：当活塞行程到最末端的时候，还能够提供最小体积的润滑油来保持润滑作用，为了减轻整个钻柱升沉补偿系统的自身重量，活塞杆被制成空心结构。

1.4链条

链条是升沉补偿系统中的一个重要的部件，主要特点是：

（1）、链条长度是活塞行程的两倍；

（2）、在圆柱型液缸和大钩的框架之间用链条联系消除了机械的硬联系，保持了整个系统的稳定性。

（3）、使圆柱型的液缸在运动的时候较为缓慢，避免了活塞给缸体的侧向载荷，延长了液缸的寿命。

（4）、钻柱的振动和摆动均被链条吸收，不会传到活塞和补偿液缸上避免产生共振。（5）、对活塞的同步运动要求较低；

（6）、避免水龙头、大钩摆动和转动对液缸工作的影响；

（7）、链条有调节的余地，避免了固定件之间的严格公差要求；

1.5锁紧系统

锁紧系统的工作动力也来自于气瓶内压缩的氮气，当锁紧系统工作时，大钩框架自动上升到主框架位置，两框架上矩形孔对准，矩形锁紧销插入锁紧孔，完成锁紧这一功能，从而将上下框架连接为一体，使整个升沉补偿系统失去作用。

2、钻柱升沉补偿系统的工作原理

钻柱升沉补偿系统主要是依靠液缸液压平衡、传递压力。在补偿器的储能器内为油气两相，油的体积始终保持不变，而通过改变气体体积使油相的受力发生变化，在整个过程中油气两相在始末受力都将自动恢复平衡。储能器气液受力平衡后，补偿器内液相与活塞受力随之也达到平衡。其基本原理图如下：

在生产作业过程中，油缸体与游车、钻机平台视为一体，活塞体和顶驱、钻具为一体。活塞体与液压平衡时，油缸体随船一起在潮差作用下上下运动，从而保证了钻具在正常工作时不往复运动。在液缸活塞的相对运动过程中可能会使液缸体内的油体积发生变化，从而引起储能器内氮气体积的变化，即ΔV

油

&ΔV

气，但因液缸体内容积相对气瓶很小，可以视ΔV

气

≈0，由气态方程

PV/T=K知K、T皆为常量，V又可视为不变则气体承受压力也不变化，即当气瓶压力不变、大钩承受载荷不变，无论液缸怎样运动，液缸体内的受力平衡不受影响。作业时如需增压、泻压，可通过不同压力的气瓶来实现。由于液相油具有流体一般的黏度和滞后性，传递压力时可起缓冲作用，既利于手动操作控制

也可避免钻具的损坏（压力调节时，压力表总是气相黑针先指向预定位置，液相红针间隔一段时间才和黑针重合）。补偿器在应用中需注意的是，不能超载或突然大吨位加载，否则会使补偿器严重损坏。

当平台在海浪或潮差作用下上升时，会带动井架、大绳、天车、游车、上框架和圆柱型液缸缸体一起向上运动。补偿系统储能器中气体的体积减少，则气压增大，气体将向储气罐中流动，减少气体的体积。如缸体内的油压变化很小基本保持不变，则作用在活塞上的力也很小，活塞基本保持不动。缸体向上运动的时候，链条相对向下运动，同时带动下框架和大钩向下运动。（这里选择的参照系是钻井船，所以大钩向下运动是相对钻井船而言，如果所选参照系是大地，则大钩下的钻具相对于大地是保持不动的。）

反之当平台下降时，带动井架、大绳、天车、游车、上框架和圆柱型液缸的缸体，一起向下运动，则液缸内硅油体积增大，承载力减小，此时储气罐中的氮气将向补偿系统的储能器中流动，使气液两相达到平衡。此时链条缩短，带动大钩相对钻井船向上运动，抵消掉平台下降的趋势。从而使整个钻具保持不动。

综上所述，在钻柱升沉补偿系统工作的过程中，相对于钻井船运动的部件是钻柱、大钩、和圆柱型汽缸的活塞，相对于井底而言，这些部件实际是不运动的。井架、大绳、天车、游车、上框架和圆柱型汽缸的缸体在整个工作的过程中相对于井底的往复运动，保证了钻具的平稳性和安全性。

根据连通器的原理，圆柱型液缸中液压油的压力，与补偿系统储能器中气压相等。在现场的实际操作中，根据钻具总重量和钻压的大小，调节储气瓶中气体的压力，就可以满足升沉补偿的需要，即通过调节储气瓶中气体压力的大小，从而调节所需钻压。故由升沉补偿装置，可以根据钻井目的、井身结构以及地层岩性调节钻压的大小，而且还可以利用补偿器液缸长度超过平台升沉距离长度，进行自行送钻。