第七章海洋石油鉆井設備(第二講)

1、鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2013年年7月月 7.2 海洋鉆井水下裝置與升沉補償 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2 海洋鉆井水下裝置與升沉補償 處于漂浮狀態(tài)的鉆井裝置，在風浪作用下，船體將產(chǎn)生 升沉、搖擺、漂浮三種運動，它們對鉆井作業(yè)會有不同 程度的影響。 升沉，在鉆井時，船體的升沉會帶動井下鉆具上下運動， 因而不能控制鉆頭對井底的壓力，不但影響鉆進效率， 而且鉆具周期性地撞擊井底使鉆桿不斷受彎曲，導致疲 勞斷裂。 搖擺，船體的搖擺會使鉆桿彎曲，同時，井架內(nèi)的游動 滑車，井場的鉆桿、套管、井口返回的泥漿等不斷搖晃， 都影響正常鉆進。當搖擺的角度稍大時，鉆盤的方補心 有從補心脫出

2、的危險。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2 海洋鉆井水下裝置與升沉補償 水下裝置水下裝置：使鉆具通向井底的設備。在鉆井過程中，為 了防止因船體升沉影響鉆進效率，需要有消除鉆具隨船 體升沉的設備，即使用能伸縮的鉆桿。伸縮鉆桿能傳遞 轉矩和承受高壓，并由內(nèi)、外筒間的伸縮可以補償船體 升沉而保持鉆頭不上下撞擊井底，且結構簡單，但伸縮 鉆桿安裝在鉆鋌上部，鉆頭對井底的壓力只能由鉆鋌的 重量決定，除非起鉆后再增減鉆鋌，在鉆進過程中不能 調節(jié)，否則影響鉆進效率。同時，伸縮鉆桿承受的載荷 復雜，要經(jīng)常維修。因此，近年來已逐步被新型升沉補 償機構所代替。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2 海洋

3、鉆井水下裝置與升沉補償 常用的減搖措施： 裝設減搖艙， 即在船體設水艙，利用水艙內(nèi)液體流動的反力矩來減輕 船體的搖擺。 裝設減搖罐， 通過改變罐內(nèi)液面高度來調整船體的穩(wěn)心高度。 裝設抗搖器，抗搖器是與船體無關的獨立系統(tǒng)，由支 船架、浮筒、連接件、抗搖筒組成。借助抗搖筒對海水 的反力矩來抵抗波浪運動對船體產(chǎn)生的不穩(wěn)定力矩，從 而減少船體的搖擺。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2 海洋鉆井水下裝置與升沉補償 漂移，船體的漂移也使鉆具彎曲，特別是在起下鉆具時， 會使鉆具不能重新進入原井孔。浮式鉆井裝置的漂移用 各種定位系統(tǒng)來限制。目前采用的方法主要有錨泊定位 與動力定位。 鉆井機械電子教案鉆

4、井機械電子教案 7.2.1 鉆井水下裝置 鉆井水下裝置，它是指鉆井平臺與海底井口之間的隔 絕海水、適應平臺搖擺、控制井口的一套裝置。 鉆井水下裝置的作用是固定海底井位、懸掛套管、導 引鉆具及其他水下設備。 鉆井水下裝置主要包括：鉆井導向裝置、套管頭組、防 噴器組、隔水管柱、連接裝置等。 1.鉆井導向裝置 作用：引導水下井口設備坐于海底井口盤上。 主要由井口盤、導向架和導管三部分組成。 井口盤的作用是確定井位，牽引臨時導向繩并支撐永 久導向架。導向架是座落于井口盤上作為海底井口永久 性的導向裝置。導管也起導向作用。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2.套管頭組 作用：懸持套管、接防噴器。 3.

5、防噴器組 由于使用環(huán)境特殊，要求防噴器具有更高的可靠性和 防腐性能?？裳b在水下，也可裝在平臺上。 防噴器組，防噴器組的作用是封閉井口、防止井噴， 以及在緊急情況下切斷鉆桿，還可以放噴和壓井。還包 括一個萬能防噴器，其作用是當隔水管組成與防噴器組 脫離時，能保持隔水管內(nèi)的泥漿柱。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 4.隔水管組 作用：隔開海水，并從中引入鉆具，導出鉆井液、適 應浮式鉆井裝置升沉和搖擺。 。 主要由隔水管接箍、隔水管節(jié)（伸縮隔水管、浮性隔 水管）、撓性接頭、伸縮隔水管、張緊器組成。 5.連接裝置 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2.2 升沉補償 深海鉆井時，需采用半潛式鉆井平

6、臺或鉆井浮船。它 們在波浪的作用下，將產(chǎn)生周期性升沉運動，并使鉆柱 上下往復運動。因而造成井底鉆壓變化，影響鉆進，甚 至是鉆頭脫離井底，無法鉆進，故必須采用鉆柱升沉運 動的補償措施。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 7.2.2 升沉補償 升沉補償采用的方法有兩種：增設伸縮鉆桿和增設升 沉補償裝置。 1.增設伸縮鉆桿 這種辦法是在鉆柱的鉆挺上方加一根可伸縮的鉆桿。伸 縮鉆桿由內(nèi)、外管組成，內(nèi)、外管沿軸向作相對運動， 行程一般為2米。當平臺上下升沉運動時，伸縮鉆桿的內(nèi) 管隨伸縮鉆桿以上的鉆柱作軸向運動，而與伸縮鉆桿外 管相連的鉆挺則基本不作升沉運動。因而可保持鉆

7、壓恒 定，同時還可避免平臺上升提起鉆挺，平臺下沉時壓彎 鉆柱。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 1. 伸縮鉆桿的組成 目前應用的有全平衡式和部分平衡式兩種。全平衡式伸 縮鉆桿的結構（下圖）。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 全平衡式伸縮鉆桿工作時，在內(nèi)管和下工具接頭間 的環(huán)形截面上作用有鉆柱內(nèi)的高壓泥漿，因而產(chǎn)生張開 力。同時，從井筒中返回的泥漿作用在伸縮鉆桿外以上 部分受壓，故必須采取措施平衡此張開力。 為此在伸縮鉆桿中間設置一個密封的平衡壓力缸，它和 流經(jīng)伸縮鉆桿內(nèi)孔的高壓泥漿相通，并使高壓泥漿在平 衡缸中產(chǎn)生的軸向力和張開力平衡，所以叫全平衡式。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 部

8、分平衡式?jīng)]有平衡壓力缸，只是盡量減少內(nèi)管心軸尾 端的壁厚，從而減少它與工具接頭間的環(huán)形截面積，實 現(xiàn)部分地減少泥漿所產(chǎn)生張開力。 伸縮鉆桿的扭矩是依靠均布在徑向的傳扭銷來傳遞。傳 扭銷軸向安裝，固定在傳遞套筒上，可沿內(nèi)管心軸的凹 槽上下滑動。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 為了密封管內(nèi)外的泥漿以及平衡缸，伸縮鉆 桿配置有四組密封。每組密封有主密封、擋圈、 隔離環(huán)組成。主密封材料系耐高溫的合成橡膠， 擋圈材料為玻璃纖維，隔離環(huán)有含尼龍纖維的橡 膠制成，用以擋住硬的小顆粒。 為了使伸縮鉆桿的外圓不易磨損，在其頂部安裝 有防磨環(huán)，環(huán)外圓堆焊硬質合金。 多節(jié)式伸縮鉆桿一般采用螺紋連接。 鉆井機械電

9、子教案鉆井機械電子教案 2.伸縮鉆桿存在的問題 （1）鉆壓不能調節(jié)。 增加伸縮鉆桿后，鉆壓大小取決于伸縮鉆桿以下的鉆 挺部分重量。因而不能隨巖層的變化調節(jié)鉆壓。 （2）承載條件惡化。 伸縮鉆桿既承受泥漿的高壓，傳遞鉆柱的扭矩；又承 受因內(nèi)外管周期性軸向運動所引起的交變載荷，承載條件 十分惡劣。 （3）不利于特殊作業(yè)。 當不壓井鉆井時關防噴器后，由于伸縮鉆桿以上的鉆 柱隨船體升沉做周期性的上下運動，是防噴器的芯子反復 摩擦，對于作業(yè)不利。 正由于存在這些缺點，近年來許多國家正在研制和采用升 沉補償裝置。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （二）增設升沉補償裝置 這種辦法是在浮動平臺或鉆井船的鉆機

10、部件中增設一套 鉆柱升沉補償裝置，以保證鉆柱基本上不隨平臺升沉。 升沉補償裝置一般采用液壓傳動。如在游動滑車與大鉤 間裝設雙液缸，缸體與游動滑車相連，如圖所示。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 當平臺升沉時，游動滑車帶動液缸的缸體作周期性上下 運動，而活塞與大鉤則基本保持不動。這時整個鉆柱的 重量有活塞下面的液壓所支承。液體壓力可保持恒定， 也可根據(jù)需要調節(jié)，以控制鉆柱拉力，隨時調節(jié)井底鉆 壓。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 二、升沉補償裝置的結構類型與工作原理 （一）游動滑車與大鉤間裝設的升沉補償裝置 1.結構 如圖所示 它主要有以下及部分： 1）液缸

11、 2）活塞 3）儲能器 4）鎖緊裝置 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 1）液缸 兩個液缸用上框架與游動滑車相連，隨平臺升沉而上下 運動。 2）活塞 兩個液缸中的活塞通過活塞桿與固定在大鉤上的下框架 連接，大鉤載荷由活塞下面的液壓隨支承。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 3）儲能器 儲能器與液缸相通。儲能器中有活塞，其下端的液體通 過軟管與液缸相通；其上端的氣體通過管線與儲氣罐相 通。這樣，液缸中的液體壓力由儲能器中氣體壓力所決 定。調節(jié)氣體壓力即可改變液體壓力。 4）鎖緊裝置 用以將上下兩個框架鎖緊成一體，從而使游動滑車與大 鉤連接在一起，進行起下鉆工作。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案

12、 下圖為我國“南海2號”半潛式鉆井平臺上的新型補償裝 置。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2.工作原理 1）正常鉆進時：大鉤上懸掛的鉆柱總重量Q，井底鉆壓W 和補償裝置的液缸中的液壓間的平衡關系式如下： 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 從式（1-2）中可看出： （1）為了保持鉆壓，只要保持液缸中的液體壓力為一定 值即可；而為了調節(jié)鉆壓，只要調節(jié)儲能器中的進氣壓 力即可。 （2）為了實現(xiàn)自動送進，只要調節(jié)液缸中的液體壓力， 使略小于整個鉆柱的懸重，并使液缸中活塞行程大于升 沉位移即可。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 正常鉆進時 大鉤處的受 力情況如圖 所示 鉆井機械電子教案鉆井機械電子

13、教案 2）繩索作業(yè)時：當進行電測、試井等繩索作業(yè)時，因下 入井內(nèi)的器具很輕，升沉補償裝置不能發(fā)揮作用，故應 另加一根傳感器，使繩底端固定在隔水管頂部，再通過 大鉤上懸掛的滑輪，將繩固定在井底底座上。這樣傳感 器作用在大鉤上的拉力即相當于鉆柱的懸重。 因此，仍可發(fā)揮升沉補償裝置的作用，在繩索作業(yè)時， 進行運動補償。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 繩索作業(yè)時，送器具的工作繩，自絞車引出后，通過 懸掛在大鉤上的另一個滑輪，下入井內(nèi)。此滑輪與傳感 器通過的滑輪保持一定的距離，但都固定在同一桿件上。 由于鉆井的升沉運動，因此傳感繩的固定端及工作繩、 絞車也隨鉆臺上下運動。這樣，兩繩在大鉤處的滑輪上

14、時松時緊，將引起兩繩作用在大鉤處的拉力時大時小。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 但當升沉補償裝置液缸中的液壓一定時，若傳感繩松， 拉力減小，則恒定的液壓推到活塞上行，帶動大鉤上提， 使傳感繩又恢復拉緊。而若傳感繩拉力增大時，則由于 恒定壓力比傳感器的拉力小，于是活塞及大鉤被拉下行， 又可使傳感繩放松。 這樣，即可使傳感繩及工作繩均對大鉤保持張力，又可 使升沉運動得到補償，正常進行繩索作業(yè)。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 繩索作業(yè)時， 大鉤處受力情 況如圖所示 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （二）天車上裝設的升沉補償裝置 1.結構 如圖所示天車升 沉補償裝置主要 由以下及部分組 成：

15、 （1）浮動天車 （2）主氣缸 （3）液缸 （4）儲能器 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （1）浮動天車 它通過滾輪在垂直軌道內(nèi)移動。 天車本身除具有普通天車的滑輪外，另多裝有兩個輔助 滑輪，輔助滑輪的軸與天車滑輪的軸之間用連桿連接。 快繩及死繩分別通過兩個輔助滑輪引出。 這樣，當天車沿著垂直軌道移動時，只是輔助滑輪 軸動作，而通過輔助滑輪的鋼絲繩與滑輪間五相對運動， 可延長鋼絲繩的壽命。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （2）主氣缸 它是支持浮動天車用的，相當于大型彈簧，共四個。傾 斜放置，由甲板上的壓氣機供氣。 （3）液缸 共兩個，垂直放置，由甲板上油泵供油。它只作為液力 緩沖用的安全

16、液缸，以克服大鉤載荷的慣性影響。 （4）儲能器 它安裝在井架上，有管路與四個主氣缸相通，用以調節(jié) 主氣缸中的氣體壓力。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2.工作原理 1）補償升沉 由浮動天車來實現(xiàn)補償。當浮動平臺上升或下降時井架 沿軌道上下運動，主氣缸中的氣體壓縮或膨脹，相當于 一個大彈簧，而天車及大鉤基本上保持不動，于是升沉 運動得以補償。 2）控制鉆壓 司鉆利用甲板上的調壓閥，控制自空氣罐至主氣缸系統(tǒng) 的空氣壓力，是井底鉆壓調至合適值。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 3）自動送進 正常鉆井時，將氣缸中氣壓調節(jié)到略低于大鉤上載 荷，于是，浮動天車在大鉤載荷帶動下，沿軌道下行， 實現(xiàn)自動

17、進尺。當浮動天車下行至最低點時，司鉆即放 松絞車滾筒上鋼絲繩，使浮動天車上行至最高點，然后 在繼續(xù)自動進尺。 4）防止事故 當大鉤載荷突然減少或主氣缸嚴重漏氣時，可借助 液缸支持著鉆柱重量，并使其減速，以防止事故，保證 安全。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 5）繩索作業(yè) 繩索作業(yè)時，可另加一根傳感繩，使其一段固定在 隔水導管上，另一端自井架外邊引至浮動天車上，經(jīng)滑 輪后，在連到鉆臺的滾筒上。這樣，傳感繩隨鉆臺運動 而放松或繃緊，浮動天車在恒定氣壓下隨之相應地補償 運動，即可實現(xiàn)繩索作業(yè)時的升沉補償。 6）起下鉆作業(yè) 起下鉆時，用鎖緊裝置將浮動天車鎖住，使浮動天 車不隨起下鉆柱而上下滑行。

18、鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （三）死繩上裝設的升沉補償裝置 1.結構 如圖所示，它主要由 一下幾部分組成： 1）定滑輪組 2）動滑輪組 3）液缸 4）高壓儲能器 5）低壓儲能器 6）控制臺 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 1）定滑輪組 死繩自天車引出后，先經(jīng)過一個傳感滑輪，將拉力 大小變成電信號，傳至指重表，在穿過定滑輪組及動滑 輪，最后，死繩端自定滑輪組引出固定在死繩固定器上。 2）動滑輪組 它可以在框架內(nèi)移動，其行程大小和死繩拉力有關。 動滑輪組的軸承座裝在天車上，行車上下均有滾輪，滾 輪沿上下工字梁軌道滑行。動滑輪組前面為固定在行車 上的半月牙形撥叉，撥叉另一端與液缸的活塞桿相連

19、。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 3）液缸 液缸中有活塞，一端液體與低壓儲能器相通，另一 端液體與高壓儲能器相通。 當死繩上拉力減少時，傳感滑輪發(fā)出信號后，指令閥動 作，活塞右端壓力增加，推到活塞向左移動，將滑輪組 上的鋼絲繩拉緊，活塞左端液體流回低壓儲能器。 當死繩上拉力增加時，指令閥動作后，活塞右端壓 力減低，推到活塞向右移動，使死繩放松，直至達到恒 定拉力，液體自活塞右端流回儲能器。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 4）高壓儲能器 儲能器由壓氣機供氣，上部有安全閥，下部有放氣閥。 5）低壓儲能器 空氣經(jīng)濾清器，調節(jié)器沿管路進入低壓儲能器，其上部 也有放氣閥。 6）控制臺 控制臺上有

20、壓力表、指重表、動滑輪組行程指示燈、壓 力控制器、壓氣機啟動及停車機構等。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2.工作原理 如圖所示，借助調節(jié) 儲能器中的氣壓來改 變死繩拉力。再通過 死繩上拉力的改變來 調節(jié)及保持井底鉆壓。 此外，還可通過液壓 推動活塞移動來調節(jié) 鋼絲繩的有效長度。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 綜合上述，死繩上裝設的升沉補償裝置，由于需裝設傳 感信號和傳令等電控制系統(tǒng)，結構比較復雜，所以應用 較少。 天車上裝設的升沉補償裝置雖然占用甲板面積小，而且 管路短，密封少，不需要高壓膠管，有不少長處，但因 需特制大尺寸井架及天車，故應用也不廣泛。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教

21、案 目前應用較多的是在游動滑車與大鉤間裝設的升沉補償 裝置，它不需要特制的井架及天車，游動滑車及大鉤也 是通用的。 但其缺點是液缸密封多，液壓油漏失問題嚴重，管路長， 摩擦損失大等，還有待進一步改進。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 三、升沉補償裝置的設備選擇 （一）鉆柱升沉補償裝置的選定 一般應根據(jù)生產(chǎn)要求，按照平臺上配備的鉆機的鉆探能 力來選定。 根據(jù)鉆機的大鉤載荷來選定補償裝置的鉤載能力，另外， 還需按照海況所需要補償?shù)纳廖灰疲x定補償液缸的 行程。 鉆柱補償裝置的技術性能的基本參數(shù)是： （1）補償升沉時的大鉤載荷； （2）鎖緊狀態(tài)時的大鉤載荷； （3）液缸行程。 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 （二）儲能器與儲氣罐的選定 1.液缸及儲能器中液氣彈簧剛度 若將液缸通至儲能器中的液體及儲能器中的氣體，看作 是無質量的彈簧，則由于儲能器中液體對活塞的壓力等 于被壓縮的氣體的恢復力，故可得出彈簧剛度為： 鉆井機械電子教案鉆井機械電子教案 2.儲能器及儲能罐的容積 選定時，先根據(jù)工作需要，確定平均壓力及活塞面積， 再按照計算得出的彈簧剛度，即可依（1-3）求的容積。 然后再