半主動式恒鉆壓波浪補償系統(tǒng)的研究

王海飛，黨 罡，姚樹新，徐飛寧，褚博鋒

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

引 言

鉆井平臺隨著海浪的起伏上下振動，使平臺工作不穩(wěn)定，容易損壞鉆頭，這給海上油氣開發(fā)帶來很大困難。因此需要采用升沉補償系統(tǒng)補償波浪的升沉運動，減緩波浪振幅，使鉆頭不隨波浪上下運動。

目前，國外主要有美國的Varco公司、德國的博士力士樂公司和荷蘭IHC公司研究升沉補償設(shè)備，但是這些設(shè)備能量消耗大，僅適用于小功率場合。國內(nèi)，中國石油大學(xué)(華東)的方華燦[1-3]研究的海洋鉆井船升沉補償裝置，利用活塞桿與大鉤的柔性連接，對升沉裝置補償，該系統(tǒng)可實現(xiàn)鉆臺上下運動時，只是游動滑車帶動液壓缸運動，而大鉤可基本不動，減小下井管的往復(fù)運動，控制下放器具的懸重，但大鉤仍有振動位移，工作精度不理想。國防科技大學(xué)的徐小軍研究的絞車波浪補償系統(tǒng)通過絞車的正反轉(zhuǎn)帶動鋼絲繩張緊來補償波浪的運動，但其不能保證恒定的鉆壓[4]。傳統(tǒng)的波浪補償系統(tǒng)是伸縮鉆桿補償系統(tǒng)，伸縮鉆桿的內(nèi)外管沿軸向作相對運動,其鉆壓大小取決于伸縮鉆桿以下的鉆鋌部分重量，不能隨巖層的變化調(diào)節(jié)鉆壓，甚至使鉆頭脫離井底，對作業(yè)不利。為此，本文提出了液壓式波浪補償系統(tǒng)，通過伸縮鉆桿以上作升沉運動而以下部分不受升沉運動的影響來解決傳統(tǒng)井底鉆壓不恒定的問題，其主要包括主動式、被動式和半主動式。主動式升沉補償系統(tǒng)需要用外部能量支持每次載荷循環(huán)的功，能量消耗較大，需要的瞬時功率大，成本較高；被動式的補償動力來自船的升沉，依靠海浪舉升力和船自身重力來實現(xiàn)補償，但補償精度較差，補償性能不穩(wěn)定，滯后較大；一般的半主動式雖然彌補了主動式與被動式的缺點，但都是雙泵控制雙缸，其成本

較高，對鉆井平臺的先后順序響應(yīng)較差[5]。為此，本文提出了氣液蓄能器與雙作用液壓缸相結(jié)合的半主動式恒壓波浪補償系統(tǒng)，采用了一種能感受系統(tǒng)壓力與流量，且提供需要的流量和壓力的負(fù)載敏感技術(shù),其控制方式簡單，操作靈活，能耗較小，能自動調(diào)節(jié)壓力流量適應(yīng)各負(fù)載，彌補了兩補償缸動作不一致的缺點。

1 半主動波浪補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

半主動波浪補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由滑輪組、活塞桿、鋼絲繩、補償缸、大鉤及位移傳感器等組成。補償缸缸體與游車支架連接,活塞桿頂端裝有滑輪,鋼絲繩繞過滑輪,一端固定在游車支架上,另一端懸掛大鉤。這種倍增程的安裝方式可以縮短補償油缸的行程,減小油缸長度。補償缸無桿腔液體承受的載荷為大鉤載荷和大鉤質(zhì)量的總和。無桿腔液體壓力既可保持恒定也可調(diào)節(jié)，這樣就可以實現(xiàn)控制鉆桿柱力、調(diào)節(jié)井底鉆壓。半主動式波浪補償系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括液壓系統(tǒng)部分、控制部分和供氣部分[6]。

圖1 半主動波浪補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of semi-active heave compensation system

圖2 半主動波浪補償系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal structure diagram of semi-active heave compensation system

2 半主動波浪補償液壓系統(tǒng)

半主動波浪補償液壓系統(tǒng)原理如圖3所示。本系統(tǒng)由單變量泵產(chǎn)生的液壓能來驅(qū)動2個主動缸，當(dāng)液壓缸隨鉆井平臺上升時，氣液蓄能器內(nèi)的氣體進(jìn)一步被壓縮以補償一部分上升位移并儲存能量，當(dāng)蓄能器補償能力不夠時，控制器根據(jù)大鉤位移向負(fù)載敏感變量泵和電液比例閥輸入信號控制，電液比例閥左移，負(fù)載敏感變量泵給主動缸下腔供油，推動主動缸活塞運動，帶動補償缸活塞運動補償大鉤的位移，而大鉤位置則可基本保持不變。當(dāng)液壓缸隨平臺下降時，補償缸下腔的壓力減小，氣液蓄能器釋放其儲存的能量，補償一部分下降位移，同時電液比例閥右移，負(fù)載敏感變量泵給主動缸下腔供油。

圖3 半主動波浪補償液壓系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic system of semi-active heave compensation

氣液蓄能器的氣體一端與幾個充有氮氣的儲氣罐相連，使其體積基數(shù)比較大，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程(玻意耳定律)P1V1=P2V2可知，體積與氣體壓力成反比，因而這樣能提高補償裝置補償位移能力，調(diào)節(jié)充入儲氣罐的壓力即可調(diào)節(jié)鉆桿壓力，使鉆桿適用于不同的地質(zhì)需求。其中氣液蓄能器儲存能量占總液壓能的大部分，使系統(tǒng)節(jié)約了大部分資源，降低了成本。并且系統(tǒng)中設(shè)有防爆閥，安裝在補償缸前,防止管路破裂后補償油缸突然失壓，損傷鉆桿。

本文采用負(fù)載敏感變量泵與壓力補償閥配合使用，補償閥對2個主動缸工作回路進(jìn)行補償，可以實現(xiàn)單泵驅(qū)動多個執(zhí)行元件的獨立調(diào)整，各執(zhí)行元件不受其他執(zhí)行元件的干擾，這樣兩補償缸互不影響，彌補了波浪經(jīng)過兩補償缸動作的先后順序，節(jié)約一個變量泵[7-9]。

3 半主動波浪補償?shù)臄?shù)學(xué)建模

3.1 負(fù)載敏感變量泵的數(shù)學(xué)模型

負(fù)載敏感泵由負(fù)載敏感閥、控制油缸和變量泵組成，正常工作時，主泵出口壓力為pp，液壓系統(tǒng)負(fù)載壓力為pL，反饋到敏感閥口，主泵輸出流量為Qp，作用在敏感閥上的壓差Δp=pp-pL，pp作用在敏感閥閥芯左端，pL與預(yù)設(shè)彈簧壓力共同作用在閥芯的右端。當(dāng)敏感閥閥芯受力平衡時，主泵保持一個穩(wěn)定的排量。如果工作負(fù)載發(fā)生變化，敏感閥閥芯右移，變量缸右端壓力增大，使泵斜盤角度變小，從而減小泵的輸出流量，保持Δp為定值[10]。

負(fù)載敏感泵有3種狀態(tài),即一般工作狀態(tài)、保壓工作狀態(tài)和空運轉(zhuǎn)狀態(tài),此處僅對一般工作狀態(tài)時，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

負(fù)載敏感變量閥的壓力流量特性方程為

q1=kq1x1+kc1(pL-p)。

(1)

式中：q1為變量閥的流量；kq1為變量閥的流量增益系數(shù)；x1為變量閥芯位移；kc1為變量閥流量-壓力系數(shù)；p為變量閥壓力。

變量閥閥芯運動微分方程為

(2)

式中：A1為變量閥閥芯控制面積；m1為變量閥閥芯與彈簧的質(zhì)量；K1為變量閥中的彈簧剛度；F0為變量閥中彈簧的預(yù)壓力。

變量閥-變量油缸流量連續(xù)方程為

(3)

式中：A2為變量缸有彈簧腔活塞有效作用面積；x2為變量缸中活塞的位移；C1為變量油缸控制腔泄露系數(shù)；V1為變量油缸控制腔有效容積；βe為有效體積彈性模量。

泵斜盤與變量缸活塞作為整體研究，其運動方程為

(4)

式中：A3為變量缸大腔活塞有效作用面積；m2為變量缸活塞與彈簧的質(zhì)量；K2為變量油缸中的彈簧剛度。

變量泵敏感腔流量連續(xù)方程為

(5)

式中：qp為主泵的輸出流量；Vp為變量閥敏感腔容積。

變量泵工作時流量連續(xù)方程為

(6)

式中：np為泵的轉(zhuǎn)速；Vp1為泵的全排量；x2max為變量缸全行程；Vs為系統(tǒng)控制容積。

根據(jù)以上各個環(huán)節(jié)的方程，由式(1)—(6)，經(jīng)拉氏變換后，可得到負(fù)載敏感變量泵的傳遞函數(shù)方框圖(圖4)。

圖4 負(fù)載敏感變量泵的傳遞函數(shù)方框圖Fig.4 Transfer function block diagram of load-sensing variable pump

3.2 活塞式蓄能器和補償缸的數(shù)學(xué)模型

活塞式蓄能器活塞上的力平衡方程為

(7)

式中:px為活塞式蓄能器的下腔壓力；Asp為蓄能器活塞的有效面積；mp為蓄能器活塞和活塞桿的質(zhì)量；xp為主動缸活塞位移；B1為蓄能器活塞的黏性阻尼系數(shù)；psp為蓄能器活塞上腔(儲氣罐氣體)壓力；FL為主動缸活塞外負(fù)載。

活塞式蓄能器流量連續(xù)性方程為

(8)

補償缸輸入油液連續(xù)性方程為

(9)

式中：Am為補償缸活塞的橫截面積；xm為補償缸活塞位移；λm為補償缸的泄露系數(shù)；Vm為缸的容腔體積。

補償缸活塞運動平衡方程為

(10)

式中：mm為補償缸活塞與活塞桿的質(zhì)量；B2為補償缸活塞黏性阻尼系數(shù)；F2為補償缸活塞桿負(fù)載。

根據(jù)以上各個環(huán)節(jié)的方程，由式(7)—(10)，經(jīng)拉氏變換后，可得到活塞式蓄能器和補償缸的傳遞函數(shù)方框圖(圖5)[11-14]。

圖5 活塞式蓄能器和主動缸的傳遞函數(shù)方框圖Fig.5 Transfer function block diagram of piston accumulator and active cylinder

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4.1 半主動波浪補償?shù)男Ч?/h3>

設(shè)波浪運動軌跡為正弦波，波浪周期為12 s，波浪的最大振幅2.3 m，當(dāng)蓄能器氣體體積15 m3，儲氣罐沖入氣體壓力12 MPa，大鉤載荷分別為350 t和380 t時的位移補償效果如圖6所示，被動式補償效果如圖7所示，大鉤載荷在380 t時蓄能器無桿腔的氣體壓力變化如圖8所示。

圖6 半主動波浪補償效果Fig.6 Effect of semi-active heave compensation

圖7 被動式波浪補償效果Fig.7 Effect of passive heave compensation

圖8 蓄能器無桿腔壓力變化Fig.8 Pressure variation of accumulator rodless chamber

從圖中可以看出， 半主動式大鉤的位移獲得較好的補償效果， 響應(yīng)較快， 雖然隨著大鉤載荷增加， 補償效果減弱， 但是大鉤載荷在380 t時， 大鉤位移波動仍在±110 mm范圍內(nèi)， 精度較高。被動式補償效果有限， 經(jīng)過平衡位置時， 大鉤的升沉位移落后平臺的升沉位移，證明本系統(tǒng)有一定的滯后性，響應(yīng)較慢。蓄能器無桿腔體積變化平穩(wěn)，無異常性變化，滯后性小，穩(wěn)定性較好，可以滿足使用需求。

4.2 蓄能器(儲氣罐)體積對補償效果的影響

取蓄能器體積分別為9 m3、12 m3、15 m3、18 m3、21 m3，其余參數(shù)不變，補償效果如圖9所示。

圖9 大鉤位移與蓄能器體積變化曲線Fig.9 Relationship between hook displacement and accumulator volume

從圖9中可以看出，隨著蓄能器體積的增加，大鉤位移逐漸減小，因此增大蓄能器的體積可以調(diào)高補償效果，但是增大到一定程度，補償變化減小，滯后性增強，所以蓄能器連接的儲氣罐不易太多。

5 3種波浪補償系統(tǒng)的比較分析

主動式、被動式及半主動式補償效果比較如圖10所示；主動式和半主動式系統(tǒng)能量消耗如圖11所示。

圖10 3種類型補償效果比較Fig.10 Effect comparison of three types of compensation forms

圖11 主動式和半主動式系統(tǒng)能量消耗比較Fig.11 Comparison of energy consumption of active system with semi-active system

從圖中可以看出，半主動式系統(tǒng)和主動式系統(tǒng)的補償效果相當(dāng)，大鉤的位移波動在±110 mm范圍內(nèi)。但半主動式系統(tǒng)升沉的能耗僅約1 356 kJ，是主動式系統(tǒng)的7.6%，同時最大功率為主動式系統(tǒng)最大功率的16.25%，可見半主動式升沉補償系統(tǒng)能耗比主動式升沉補償系統(tǒng)小。比較3種升沉補償系統(tǒng)的補償效果圖，可以發(fā)現(xiàn)，半主動式升沉補償系統(tǒng)的補償效果較好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好[15-16]。

6 結(jié) 語

(1)采用負(fù)載敏感技術(shù)與壓力補償技術(shù)相結(jié)合的半主動式恒鉆壓波浪補償系統(tǒng)，通過帶有儲氣罐的氣液蓄能器與雙作用主動缸相互作用來抵消波浪升沉位移的變化，能夠滿足海上鉆井補償位移的需求。

(2)通過建立半主動波浪補償?shù)臄?shù)學(xué)模型，利用軟件仿真分析，發(fā)現(xiàn)儲氣罐體積對補償效果影響較大；補償后大鉤位移在±110 mm范圍內(nèi)波動，誤差較小，控制精度高；儲氣罐的壓力波動均勻，平穩(wěn)性較好，能量消耗低。