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目前，海洋油氣在全球能源中，已具有舉足輕重的地位，海上油氣田的開發(fā)已成為石油工業(yè)的重要“陣地”。全世界已發(fā)現(xiàn)的海上油氣田1600多個(gè)，已有600多個(gè)油氣田投產(chǎn)，年產(chǎn)量已達(dá)到12億噸以上，占世界石油總產(chǎn)量的三分之一。我國(guó)海上油氣勘探尚屬于中早期，是未來石油儲(chǔ)量接替的重心。
但是，在我國(guó)南海深水區(qū)進(jìn)行油氣勘探開發(fā)，由于其特殊環(huán)境條件以及國(guó)內(nèi)技術(shù)和裝備的水平現(xiàn)狀，帶來的挑戰(zhàn)很多、很大。其中，如對(duì)海浪引起的浮式鉆井平臺(tái)的上下升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，就是重要挑戰(zhàn)之一。因?yàn)橥ǔＴ诤Ｑ筱@井，均采用浮式鉆井平臺(tái)，如半潛式鉆井平臺(tái)、鉆井浮船等，故而即將在浮動(dòng)鉆井平臺(tái)（船）上進(jìn)行的鉆井作業(yè)，稱為浮式鉆井。浮式鉆井時(shí)，由于浮動(dòng)鉆井平臺(tái)（船）在海浪、海流、風(fēng)的作用下，將產(chǎn)生六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，其中，沿垂直軸的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)即稱為升沉。顯然，當(dāng)浮動(dòng)鉆井平臺(tái)（船），作上、下升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，在浮動(dòng)平臺(tái)或船上的井架及懸吊于井架上的大鉤和一長(zhǎng)串鉆柱，均隨之作升沉運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，若升沉位移過大，出現(xiàn)嚴(yán)重的情況，則將使連接于鉆柱上的鉆頭，脫離井底，以致無法鉆進(jìn)；即使升沉位移不過大，也會(huì)由于升沉運(yùn)動(dòng)，使井底鉆頭的鉆壓不穩(wěn)定，從而影響鉆井質(zhì)量。因此，在海洋浮式鉆井時(shí)所使用的鉆機(jī)，需要配備一套專門的升沉補(bǔ)償裝置，或采用其它方法，解決升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償問題。
目前，出現(xiàn)了一種將海洋浮式鉆井鉆機(jī)絞車與升沉補(bǔ)償裝置的功能，集于一身的新型鉆機(jī)。因?yàn)橛辛诉@種新型鉆機(jī)，不僅可以不再專門配備升沉補(bǔ)償裝置，而且，只通過絞車，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償；還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆，“一機(jī)多用”，大大節(jié)約了能耗，大大節(jié)省了投資，是一個(gè)高效益的高端產(chǎn)品。所以，它是海洋浮式鉆井鉆機(jī)的新亮點(diǎn)，以下對(duì)其作些介紹。
傳統(tǒng)海洋浮式鉆井用的升沉補(bǔ)償裝置
海洋浮式鉆井時(shí)，鉆機(jī)對(duì)升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，其工作原理，如圖1所示。
如圖1示，若用兩個(gè)液壓缸作為升沉補(bǔ)償裝置的主要組成部分，使其液壓缸缸體與井架通過游動(dòng)系統(tǒng)相連接；使液壓缸中的活塞通過活塞桿與懸吊鉆柱的大鉤相連接，則可明顯看出，當(dāng)液壓缸缸體隨井架作升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，液缸內(nèi)的活塞基本上保持不動(dòng)，因而與活塞相連接的大鉤、鉆柱、鉆頭，即可基本上保持無升沉運(yùn)動(dòng)，從而即可使升沉得到補(bǔ)償。這時(shí)，因?yàn)橐簤焊字凶饔迷诨钊系膲毫cAc（pc為液體壓力，Ac為活塞面積），基本上與大鉤上懸吊的鉆柱的拉力Q - Wb（Q為一長(zhǎng)串鉆柱重量；Wb為鉆壓）相平衡，故而即可保持鉆頭在一定鉆壓Wb作用下，正常鉆進(jìn)，這就是游動(dòng)滑車與大鉤間裝設(shè)的升沉補(bǔ)償裝置的工作原理。
升沉補(bǔ)償裝置雖然有幾種類型，但是海洋浮式鉆井，傳統(tǒng)上常用的是運(yùn)用上述工作原理的游動(dòng)滑車與大鉤間裝設(shè)的升沉補(bǔ)償裝置，其結(jié)構(gòu)組成如圖2示：
一是液壓缸：兩個(gè)液壓缸，其缸體用上框架與游動(dòng)滑車相連，隨平臺(tái)、井架而上、下升沉運(yùn)動(dòng)。
二是活塞：兩個(gè)液壓缸中的活塞，通過活塞桿與固定在大鉤上的下框架相連接，大鉤載荷由活塞下面的液體壓力支撐。
三是儲(chǔ)能器：兩個(gè)儲(chǔ)能器，其活塞下端液體通過軟管與升沉補(bǔ)償?shù)囊簤焊紫嗤?；其活塞上端為氣體，通過管線與儲(chǔ)氣罐相通。這樣，既可保持液壓缸內(nèi)液體壓力的穩(wěn)定，又可通過調(diào)節(jié)氣罐中氣體壓力來變換液壓缸中液體壓力。
四是鎖緊機(jī)構(gòu)：它是在進(jìn)行起下鉆作業(yè)時(shí)使用的，通過它可以將上、下兩個(gè)框架鎖緊成為一體，從而使游動(dòng)滑車與大鉤連接在一起，以便進(jìn)行起下鉆作業(yè)。
我國(guó)“南海2號(hào)”、“南海5號(hào)”“勘探3號(hào)”等半潛式鉆井平臺(tái)上，都是采用這種類型的升沉補(bǔ)償裝置；國(guó)外也都如此，故將其稱之為傳統(tǒng)的升沉補(bǔ)償裝置。
海洋浮式鉆井鉆機(jī)兼施升沉補(bǔ)償功能絞車
隨著現(xiàn)代信息化及機(jī)、電、液、氣一體化的進(jìn)步，國(guó)外開始出現(xiàn)了一種新的對(duì)鉆井過程中的升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償方法及裝備。它不用在游動(dòng)滑車與大鉤之間裝設(shè)一套如圖2所示的液壓缸式的升沉補(bǔ)償裝置，而是就利用鉆機(jī)的絞車本身來實(shí)現(xiàn)海洋浮式鉆井的升沉運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償，因此，筆者將它稱作為海洋浮式鉆井用的鉆機(jī)的兼施升沉補(bǔ)償功能絞車，國(guó)外稱它為AHD（Active Heave Drawworks）。這種新型鉆機(jī)的絞車的結(jié)構(gòu)組成及兼施升沉補(bǔ)償功能的工作原理，如圖3所示。
傳感系統(tǒng)：如圖3示，它包括有升沉加速度傳感器及死繩拉力傳感器等。前者可測(cè)量出平臺(tái)（船體）升沉運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；后者可通過死繩拉力變化，測(cè)量出大鉤上載荷變化的信息。這些信息均傳遞給可編程控制器。
編碼系統(tǒng)：它主要由絞車傳動(dòng)軸編碼器組成，它的作用是將通過絞車的傳動(dòng)軸上的運(yùn)動(dòng)而獲得的游車相對(duì)位置的信息，及時(shí)發(fā)送給可編程控制器。
控制系統(tǒng)：它主要由可編程控制器組成，如圖3中PLC控制單元所示。它的作用是將自傳感系統(tǒng)及絞車傳動(dòng)軸編碼器，發(fā)送到可編程控制器的信息，進(jìn)行處理，并在處理后及時(shí)輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)絞車的電動(dòng)機(jī)，從而改變電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)絞車滾筒軸及滾筒的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換。
顯然，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及變換其轉(zhuǎn)向，即可使為其驅(qū)動(dòng)的絞車的傳動(dòng)軸及滾筒上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，得到調(diào)節(jié)和變換，因而使大鉤上的升沉運(yùn)動(dòng)，及時(shí)主動(dòng)獲得補(bǔ)償。故而，又可將這種升沉補(bǔ)償原理，稱作主動(dòng)升沉補(bǔ)償。
我國(guó)提出的海洋浮式鉆井鉆機(jī)的多重功能絞車
為了不僅能夠兼施升沉補(bǔ)償功能，而且還能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆功能，我國(guó)如浙江大學(xué)等科研單位，提出了一種新型海洋鉆機(jī)的絞車的方案，它具有多重功能，筆者將其稱之為海洋浮式鉆井用鉆機(jī)的多重功能絞車。這種絞車的結(jié)構(gòu)組成及其同時(shí)實(shí)現(xiàn)升沉補(bǔ)償和自動(dòng)送鉆的工作原理如圖4所示。圖4中，1—外齒圈動(dòng)力輸入軸；2—被動(dòng)補(bǔ)償液壓馬達(dá)；3—自動(dòng)送鉆電動(dòng)機(jī)；4—擺線減速器；5—太陽(yáng)輪動(dòng)力輸入軸；6—主動(dòng)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；7—差動(dòng)行星輪減速器；8—外齒圈；9—行星輪架；10—液壓盤式剎車；1
1—絞車滾筒軸及滾筒；12—蓄能器（液氣轉(zhuǎn)換器）。其各個(gè)系統(tǒng)，具體說明如下：
一是動(dòng)力輸入系統(tǒng)。主動(dòng)補(bǔ)償：采用電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的外齒圈輸入。
被動(dòng)補(bǔ)償：采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力也是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的外齒圈輸入。
自動(dòng)送鉆：采用電驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的太陽(yáng)輪輸入。
二是絞車傳動(dòng)系統(tǒng)。采用差動(dòng)行星輪系作為絞車的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。來自主動(dòng)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)與被動(dòng)補(bǔ)償液壓馬達(dá)的動(dòng)力，由行星輪系的外齒圈輸入；來自送鉆電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，由行星輪系的太陽(yáng)輪輸入；通過行星輪架輸出復(fù)合動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)絞車滾筒軸及滾筒，給出聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。
三是絞車控制系統(tǒng)。滾筒正反向轉(zhuǎn)動(dòng)：PLC控制單元，根據(jù)檢測(cè)到的平臺(tái)升沉的信息，控制主動(dòng)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)差動(dòng)輪系的外齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，從而通過驅(qū)動(dòng)滾筒正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，來補(bǔ)償平臺(tái)的升沉運(yùn)動(dòng)。
自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)：PLC控制單元，基于檢測(cè)到的鉆壓變化的信息，控制送鉆電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)。
四是降低能耗系統(tǒng)。它主要是裝設(shè)蓄能器（氣液轉(zhuǎn)換器），蓄能器中活塞前后分別為液體與氣體。這樣，即可通過被動(dòng)補(bǔ)償液壓馬達(dá)，來承擔(dān)鉆柱的部分靜載荷；而主動(dòng)補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)，則只是用來克服升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償過程中的其余載荷，從而降低了系統(tǒng)的能耗、提高了補(bǔ)償精度。
海洋鉆機(jī)多重優(yōu)點(diǎn)凸顯
我國(guó)提出的多重功能海洋鉆機(jī)絞車，與國(guó)外的兼施升沉補(bǔ)償功能的以及配備傳統(tǒng)的升沉補(bǔ)償裝置的海洋鉆機(jī)絞車相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：
第一，節(jié)省能耗：由于它利用液壓馬達(dá)與蓄能器的液氣彈簧特性，可以對(duì)鉆柱重力勢(shì)能進(jìn)行周期性的釋放與存儲(chǔ)，從而降低了兼施升沉補(bǔ)償功能絞車的裝機(jī)功率與能耗。此外，在起下鉆過程中，也可以利用蓄能器，來降低部分能耗。因此，這兩方面相加，即可使我國(guó)提出的方案的能耗大大降低。僅就補(bǔ)償工況時(shí)海洋鉆機(jī)的絞車而言，用于升沉補(bǔ)償?shù)墓β剩醪焦浪?，相?duì)于國(guó)外兼施升沉補(bǔ)償裝置功能絞車，可節(jié)省能耗約53%。
第二，節(jié)省投資：我國(guó)提出的方案，由于它將海洋鉆機(jī)的絞車與升沉補(bǔ)償裝置的功能集于一身，這樣，節(jié)省了配備一套專用的補(bǔ)償裝置，因而比配備傳統(tǒng)的升沉補(bǔ)償裝置的海洋鉆機(jī)的絞車，節(jié)省了大量投資。
第三，節(jié)省空間：位于海上的海洋平臺(tái)，其空間與面積非常寶貴，因而，節(jié)約空間的意義非常重大。我國(guó)提出的方案，由于省去了一套專用的補(bǔ)償裝置，因而使占用平臺(tái)的空間減少。而且，騰出來的空間，還可以用于增加平臺(tái)上的活載荷。與此同時(shí)，它還由于減少裝備，減輕了平臺(tái)載荷。
第四，性能改善：根據(jù)我國(guó)提出的方案的升沉補(bǔ)償性能的仿真計(jì)算結(jié)果，其補(bǔ)償后的大鉤位移穩(wěn)定在-0.1～0.1m之間。這個(gè)位移值，不僅能滿足海洋浮式鉆井的需要；而且較常用的傳統(tǒng)的升沉補(bǔ)償裝置以及國(guó)外的兼施升沉補(bǔ)償功能絞車的補(bǔ)償精度，均提高了不少。此外，我國(guó)提出的方案，它還具有響應(yīng)快速、鉆機(jī)裝備重心低以及補(bǔ)償范圍不受液缸長(zhǎng)度的限制等性能優(yōu)點(diǎn)，也是配備傳統(tǒng)的專門的升沉補(bǔ)償裝置，無法與之比擬的。
第五聯(lián)合運(yùn)動(dòng)：由于我國(guó)提出的方案，它采用了新穎的差動(dòng)行星齒輪系作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而，它既可通過驅(qū)動(dòng)外齒圈，進(jìn)行升沉補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)；又可通過驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪，進(jìn)行自動(dòng)送鉆運(yùn)動(dòng)。這樣，即可使行星架與絞車滾筒輸出的是兩種運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而巧妙地實(shí)現(xiàn)了兩種運(yùn)動(dòng)的解耦控制與聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。只要通過PLC控制單元，可完成補(bǔ)償升沉及自動(dòng)送鉆兩項(xiàng)任務(wù)，這是我國(guó)提出的方案的獨(dú)到之處。
總之，在目前我國(guó)強(qiáng)調(diào)保護(hù)海洋權(quán)益的形勢(shì)之下，勘探開發(fā)我國(guó)南海深水油氣資源，已成為當(dāng)務(wù)之急。我國(guó)自己研制的“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺(tái)，已開赴南海進(jìn)行試鉆。因此，解決海洋浮式鉆井的升沉補(bǔ)償問題，已迫在眉睫。在目前我國(guó)強(qiáng)調(diào)以創(chuàng)新作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動(dòng)力之一的形勢(shì)下，解決海洋浮式鉆井的升沉補(bǔ)償問題，宜采取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、創(chuàng)新制造出高端產(chǎn)品的辦法，走“國(guó)產(chǎn)”的道路。本文介紹的我國(guó)提出的海洋浮式鉆井鉆機(jī)的多重功能絞車方案，可供石油裝備制造行業(yè)，在考慮選擇生產(chǎn)創(chuàng)新高端產(chǎn)品時(shí)，作為上乘之一參考。
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