浮式钻井平台被动升沉补偿装置设计

进展 ［ ］ 液压气动与密封 ，０ ０ （ ） Ｊ． ２１ ，１ ．
２１ ０ １年第 １ Ｏ期
液压与 气动
５ １
缸 体倒 置 设 计 ， 活塞 杆 支 撑 钻 柱 ， 杆 腔 承受 大 钩 载 无 荷 。系统 设计 原理 如 图 １ 示 。 所
理论 ， 被动补 偿 系统进 行 简化 ， 对 得到 被动式 升沉 补偿 装置 Ａ Ｓｍ 仿 真 模 型 ， 图 ３所 示 ， 为 补 偿 液 压 ＭＥ ｉ 如 Ａ 缸 ， 表 大钩 的运 动 ， Ｂ代 ｃ模 拟 大 钩 动 载 ， Ｄ模 拟 钻 柱 动载 ， 模 拟模 拟 钻 井 深 度 １００ｍ， 柱 重 量 ３０ｔ 该 ００ 钻 ５
［ ］ 张胜三． １ 导弹发射 车起 竖机 构分析 ［ ］ 导 弹与航天 运载 Ｊ．
技 术 ，９ ６ （ ） １９ ， １ ．
［ ． Ｍ］ 杭州 ： 浙江大学出版社 ，０ ６ ２０ ．
［ ］ 权龙． ５ 工程机械多执行 器 电液控制 技术研究 现状 及最新
［ ］ 邵徉． 弹发射车起竖工况 力学特 性分析 ［ ］ 导 弹与航 ２ 导 Ｊ． 天运载技术 ，９ ５ （ ） １９ ，５ ．
通过 研究 钻井 平 台工 作状 态 和钻柱 钻进 时的工作
在船体升沉周期为 １ ， ５ｓ升沉高度为 ５４ｍ， ． 蓄能 器体积为 ２ ， ５ｍ 时 针对不同大钩载荷进行补偿仿真 ，
５ ２
液 压 与 气动
３０ ０ ｇ２ ０ ５
２１ ０ 第 １ １年 Ｏ期
发现 随着 钩 载 的增 加补 偿效 果变 差 ， 图 ６所示 。 如
暴 霎
－
ｔ ＜
５ 结论
图 ５ 大 钩 位 移 和 蓄 能 器 体 积 的关 系 曲 线
３． ５ ｄ ３
（ ）针 对浮式 钻 井 平 台 ， 出 了一 种 基 于 气 液 蓄 １ 提
能器 、 采用 补偿 缸倒 置设 计 、 钢丝 绳连 接 的被动 升沉 补 偿装 置 ， 析 了补偿 装 置受力 情况 ， 分 建立 了系统 的数 学 模型；
假设 压缩 空气 处在 绝 热条 件下 ， 略油液 的压缩 ， 忽 则 蓄能器 工作 压力 的变化 为 ：
』曲 卸 （
【 ：（
一
）一 （ ｐ 枷 １ ）
Ｘ）２ ， ／ １
蓑
萎
图 ４ 被 动 式 升 沉 补 偿 装 置 的 补 偿 效 果 曲线
式 中 ： 为 补偿 缸 活 塞 相 对 于 其 缸体 的位 移 ； 为 大 札 钩 的升沉 位移 ；。 为船 的升 沉位 移 ； 、 Ｐｔ ∞分别 为平 ； ｏ 衡 位置 时 蓄能器 的压 力 和体 积 。 设 补偿 缸 活塞 位 于缸 行 程 的一 半 时为 平 衡 位 置 ， 此 时 ， ＝０Ｐ ＝Ｐ∞， ％ ，。 ｂ＝ ｂ。 ｏ活塞相 对 缸体 向上 运 动 时 钆 ＞０ 此 时压缩 空 气膨 胀 ， 。降低 ； ， Ｐ 活塞 相对 缸 体 向下 运动 时 ＜０ 此 时压缩 空 气进 一步 被压 缩 ， ， Ｐ 高 。当 。增 ＝ 札一 ＝ Ｌ ２时 ， 取 得 最 大 值 ／ 卸 卸 。 。 据所 要求 的 卸 。 ， 可 以求 出蓄 能 器 储 气 根 一 就 一
减 小平 台升 沉 运 动 对 钻 柱 的影 响 Ｊ 国外 对 升 沉 补 。
２ 系统 整体 设计
２ １ 被 动 式升 沉补偿 装置 工作 原理 ．
被动 式升沉补 偿装 置相 当于一个 大型 液压 空气 弹 簧 ， 海浪 的举 升力和船 自身 的重力 来压 缩和 释放 蓄 依靠 能 器 中的压缩空 气 ， 来减小升沉 幅度 以实 现补偿 。 当钻 井平 台上升 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 ； 当钻 井 平 台下沉 时 ， 能器 内的气 蓄 体 膨胀 以补偿下 沉位移 ， 蓄能器储 存 的能 量被释放 。 为 了减 小被 动式 补偿装 置 的体 积 ， 用 双缸 系统 ， 采
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液 压 与 气动
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浮 式 钻 井 平 台被 动 升 沉 补偿 装 置设 计
姜 浩 ， 刘衍聪 ，张彦廷 ， 刘振东 ，白 鹿 －
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ａ ｓｖ ｅ ｖ ｏ ｅ ｓ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ｆ ｒ ｓ ａ ｃ ｆｐ ｓ ｉｅ ｈ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｎ ａｉ ｙ ｔ ｍ ｏ ｏ ｌ ｔｄ ｉ ｉ ｇ ｐ ａｆ ｒ ｆ ａ ｒｌ ｎ ｌｔｏ ｍ ｏ ｌ
ＪＡＮＧ Ｈａ ，Ｌ Ｕ Ｙａ ．ｏ ｇ ，Ｚ Ｉ ｏ Ｉ ｎ ｔ ｎ ＨＡＮＧ Ｙａ ．ｎ ，Ｌ Ｕ Ｚ ｅ ．ｏ ｇ ，Ｂ ｕ ， ｎｔ ｇ ｉ Ｉ ｈ ｎｄｎ ＡＩＬ
（． １ 中国石油大学 （ 华东 ）机电工程学院 ，山东 东营
２ ７６ ； ５ ０ １
究生， 主要 从 事计 算 机 测 控 、 电液控 制 领 域 的科 研 和教 学 机
工作。
改善 被动 装置 补偿 效果 、 究 补偿 性 能 具 有 重要 指 导 研
［ ］ 姚 晓光 ， ３ 郭晓 松 ， 永保 ， 导弹起 竖 过程 的载 荷研 究 冯 等． 参考文献 ： ［ ］ 兵工学报 ，０ ８ （ ） Ｊ． ２０ ，６ ． ［ ］ 吴 根 茂 ， 秀 敏 ， 庆 丰 ， 新 编 实 用 电液 比例 技 术 ４ 邱 王 等．
行仿真。从仿真曲线图 ５可以看出随着蓄能器体积的 增大， 大钩 的位 移减 小 ； 大蓄 能器 储气 罐 体 积可 以 改 增 善补偿效果 ， 但是蓄能器体积增大与大钩位移之间呈一
罐的容积 ∞， 即：
≥而 ＝ 一Ｘｒ ｂ ￣Ａ （） ２
ｐｂ △ ｇ ａ ｓ Ｏ ｐｂ ｘ ｍ
２ 浙 江大学 流体传动及控制 国家重点实验室 ，浙江 杭州 ．
３０ ５ wenku.baidu.com １０ ８
摘
要： 设计 了浮 式钻 井平 台被动 式升 沉补 偿装 置 ， 行 了系统 的 受力分 析 ， 进 建立 了 Ａ Ｓｍ 仿 真模 型 ， ＭＥ ｉ
研 究 了 负载和 蓄 能器体 积 变化 对补 偿 效 果 的影 响 。仿 真 结 果表 明被 动 式 升 沉 补偿 装 置 具 有 一 定 的补 偿 效
钻 进状 态 。
图 １ 被 动 式 升 沉 补 偿 装 置 原 理 图
２ ２ 被 动 式升 沉补偿 装 置数 学建模 ．
被 动式 升沉 补偿 装 置 在 升 沉 补 偿 过程 中 ， 过 蓄 通 能 器 的 自由活塞 使气 瓶 组 内 的空 气 膨 胀 或 压缩 ， 变 改
气瓶组内气体的容积 ， 从而会使 蓄能器的压力 ｐ 发生 变 化 ， 图 ２所示 。 如
升沉 补偿 装置 的 系统结 构 、 偿效 果 和响应 特性 ， 于 补 对
基金项 目： 国家 自然科学 基金 （０ ７ ２ ２ ； ５ ８ ５６ ） 国家高技 术发 展
研究计 划（ ６ ） ８３ 资助项 目（ ０ ８ Ａ ９ ３ １ ； ２ ０ Ａ ０ Ｚ １ ） 流体传 动及控制 国
家重点实验室开放基金资助项 目（ Ｚ Ｆ２ １２ ） Ｇ Ｋ －００ ５ 作者 简介 ： 姜浩 （９ ７ ） 男 ， １７ 一 ， 黑龙江 哈尔滨 人 ， 师 ， 士研 讲 博
收稿 日期 ：０ １０ －８ ２ １－４０
偿 装置 研究 较早 ， 著名 生 产厂家 有 多公 司 ＩＪ我 国学 ４， 者 吴百 海 、 刘少 军等 在 海 底采 矿 升 沉 补 偿装 置 方 面 进 行 了大量研 究工 作 ， 得 了一 系列研 究 成果 Ｊ王 庆 取 ， 丰对拖 体 升沉 补偿装 置进 行 了建模 和仿 真 。 钻柱 升沉 补偿装 置 一 般 均 采 用 液 气驱 动 ， 动 补 被 偿 方 式具有 一 定 的补 偿效 果 ， 需要 蓄能器 体 积较 大 ， 但 其 补偿 动 力来 源于钻 井 平 台的升沉 ， 乎不 消耗 能量 ， 几 故 仍 被广 泛采 用 。因此 通过设 计 、 仿真 、 实验 研究 被动
沉小 ， 但是并不能将大钩的位移控制在较小的范围内， 补偿 能 力有 限 。并且补 偿后 的大 钩位 移经 过平 衡 位置
图 ２ 被 动 式 升 沉 补 偿 装 置 受 力 分 析 图
的时刻 比船体升沉 经过平衡位 置 的时刻滞后 ， 明系统 说 的补偿 存在滞后 ， 变大钩载荷 ， 改 补偿效果也 发生变化 。
（ ）在正 常钻 进 、 ２ 负载 变化 、 蓄能 器体 积变 化 的状
０
况 下 ， 用 Ａ Ｓｍ软 件进行 了仿 真研 究 ， 采 ＭＥ ｉ 结果 表 明被 动 补偿装 置具 有一 定 的 补偿 效 果 ， 补 偿 效 果 与 大 钩 其 载荷 、 能器 体积相 关 ； 蓄
图 ６ 不 同大 钩 载 荷 的大 钩 最 大 位 移
果 ， 系统蓄 能 器体 积较 大 ， 偿存 在 滞后现 象。采 用相似 原 理 建立 了 实验 装 置 ， 行 了不 同升 沉幅 值 的 实 但 补 进 验研究 ， 实验数据和仿真曲线符合较好 ， 表明该模拟实验台设计合理 ， 建立的仿真模型准确。
关键 词 ： 浮式钻 井 平 台 ； 柱 升沉补 偿 ； 钻 大钩 位移 ； 能器 蓄
３ ２ 蓄 能 器体 积 变化补 偿 效果 曲线 ．
对 于被动 式升 沉 补偿 装 置 ， 蓄能 器 的体 积是 影 响 补偿 效果 的重 要 参 数 。模 型 中分 别 取 不 同船 体 升 沉 时， 蓄能器体 积 为 １ ｌ、５１ 、０ｍ 、５Ｉ 、０ｍ。 ０ｒ １ １ ２ ２ Ｉ ３ 进 ｆ １ Ｔ ’
（ ）根据 相似 原 理 建立 了升 沉 补 偿 实 验 台 ， 不 ３ 在 同升沉 幅值下 进行 了实 验研 究 ， 验 效 果 与 仿 真 曲线 试 符合 较好 ， 明建立 的仿 真模 型是 准确 的 ， 说 试验 台搭 建 是合 理 的 ， 为下一 步深 入研 究 提供理 论 和实验 基 础 。 可
下降的曲线。当蓄能器体积增大到一定值时 ， 通过增大 蓄能器储气罐容积来减小大钩位移变化的效果降低 ， 并
且随着蓄能器的体积增大， 补偿滞后现象越来越明显。
３ ３ 大钩 栽荷 变化补 偿 效果 曲线 ．
可以看出， 如果要求的 △ 越小 ， ｐ 则 ∞的值越 大。 ３ 被动 式升 沉补 偿装 置仿 真模 型
图 ３ 被 动 式 升 沉 补 偿 装 置 仿 真 模 型
３ １ 被 动补 偿仿 真 曲线 ．
在 平 台升沉 高度 ５４ｍ， 期 １ ， 能器体 积 ２ ． 周 ５ｓ蓄 ５
ｍ
。 等参数下进行仿真。图４为被动式补偿效果 曲线 ，
从 图 中可 以看 出 ， 经过 补偿 后 ， 大钩 的位移 比船 体 的升
中 图分 类 号 ： Ｐ ７ 文献标 识码 ： 文 章编 号 ：０ ０４ ５ （０ １ １ －０ ００ Ｔ２１ Ｂ １０ －８ ８ ２ １ ）００ ５ －３
１ 概 述
意义。
随着我 国石 油工 业 向海 洋 发展 ， 深水 勘 探 开 发 用 钻井 平 台关 键 设 备 的设 计 与 建 造 已被 提 升 到重 要 日 程 ］ 。浮式钻 井 平 台 在 波 浪 作 用 下 引 起 的升 沉 运 动 使 得钻 柱产 生 上 下 往 复 运 动 ， 引起 钻 压 变 化 ， 响 钻 影 井 。因此 ， 浮式 钻井平 台需 要安 装 升沉补 偿装 置 ， 以 用
参考文献 ：
随井 深 的增加 大 钩 载荷 增 加 ， 载 的变 化 量也 增 动
加， 但是蓄能器 的体积不变 ， 因而造成补偿 效果 降低 。 当蓄 能器 体积 增加 时 ， 偿 效 果 得 到 改 善 。随着 井 深 补
的增 加 ， 偿过 程 中 出现 的滞 后现 象也 越来 越 明显 。 补