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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，已有600多個油氣田投產(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。我國海上油氣勘探尚屬于中早期，是未來石油儲量接替的重心。
但是，在我國南海深水區(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，如對海浪引起的浮式鉆井平臺的上下升沉運(yùn)動的補(bǔ)償，就是重要挑戰(zhàn)之一。因為通常在海洋鉆井，均采用浮式鉆井平臺，如半潛式鉆井平臺、鉆井浮船等，故而即將在浮動鉆井平臺（船）上進(jìn)行的鉆井作業(yè)，稱為浮式鉆井。浮式鉆井時，由于浮動鉆井平臺（船）在海浪、海流、風(fēng)的作用下，將產(chǎn)生六個自由度運(yùn)動，其中，沿垂直軸的上、下往復(fù)運(yùn)動即稱為升沉。顯然，當(dāng)浮動鉆井平臺（船），作上、下升沉運(yùn)動時，在浮動平臺或船上的井架及懸吊于井架上的大鉤和一長串鉆柱，均隨之作升沉運(yùn)動。這時，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，也會由于升沉運(yùn)動，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)。因為有了這種新型鉆機(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，即可實現(xiàn)對升沉運(yùn)動的補(bǔ)償；還可以實現(xiàn)自動送鉆，“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，鉆機(jī)對升沉運(yùn)動的補(bǔ)償，其工作原理，如圖1所示。
如圖1示，若用兩個液壓缸作為升沉補(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)動時，液缸內(nèi)的活塞基本上保持不動，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，從而即可使升沉得到補(bǔ)償。這時，因為液壓缸中作用在活塞上的壓力pcAc（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：兩個液壓缸，其缸體用上框架與游動滑車相連，隨平臺、井架而上、下升沉運(yùn)動。
二是活塞：兩個液壓缸中的活塞，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。
三是儲能器：兩個儲能器，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)時使用的，通過它可以將上、下兩個框架鎖緊成為一體，從而使游動滑車與大鉤連接在一起，以便進(jìn)行起下鉆作業(yè)。
我國“南海2號”、“南海5號”“勘探3號”等半潛式鉆井平臺上，都是采用這種類型的升沉補(bǔ)償裝置；國外也都如此，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，國外開始出現(xiàn)了一種新的對鉆井過程中的升沉運(yùn)動的補(bǔ)償方法及裝備。它不用在游動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)的絞車本身來實現(xiàn)海洋浮式鉆井的升沉運(yùn)動的補(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。前者可測量出平臺（船體）升沉運(yùn)動數(shù)據(jù)；后者可通過死繩拉力變化，測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)：它主要由絞車傳動軸編碼器組成，它的作用是將通過絞車的傳動軸上的運(yùn)動而獲得的游車相對位置的信息，及時發(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，并在處理后及時輸出信號給驅(qū)動絞車的電動機(jī)，從而改變電動機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，實現(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)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及變換其轉(zhuǎn)向，即可使為其驅(qū)動的絞車的傳動軸及滾筒上的轉(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，及時主動獲得補(bǔ)償。故而，又可將這種升沉補(bǔ)償原理，稱作主動升沉補(bǔ)償。
我國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，而且還能夠同時實現(xiàn)自動送鉆功能，我國如浙江大學(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)組成及其同時實現(xiàn)升沉補(bǔ)償和自動送鉆的工作原理如圖4所示。圖4中，1—外齒圈動力輸入軸；2—被動補(bǔ)償液壓馬達(dá)；3—自動送鉆電動機(jī)；4—擺線減速器；5—太陽輪動力輸入軸；6—主動補(bǔ)償電動機(jī)及變頻驅(qū)動系統(tǒng)；7—差動行星輪減速器；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）。其各個系統(tǒng)，具體說明如下：
一是動力輸入系統(tǒng)。主動補(bǔ)償：采用電驅(qū)動，動力通過傳動機(jī)構(gòu)的外齒圈輸入。
被動補(bǔ)償：采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，動力也是通過傳動機(jī)構(gòu)的外齒圈輸入。
自動送鉆：采用電驅(qū)動，動力通過傳動機(jī)構(gòu)的太陽輪輸入。
二是絞車傳動系統(tǒng)。采用差動行星輪系作為絞車的傳動機(jī)構(gòu)。來自主動補(bǔ)償電動機(jī)與被動補(bǔ)償液壓馬達(dá)的動力，由行星輪系的外齒圈輸入；來自送鉆電動機(jī)的動力，由行星輪系的太陽輪輸入；通過行星輪架輸出復(fù)合動力，從而驅(qū)動絞車滾筒軸及滾筒，給出聯(lián)合運(yùn)動。
三是絞車控制系統(tǒng)。滾筒正反向轉(zhuǎn)動：PLC控制單元，根據(jù)檢測到的平臺升沉的信息，控制主動補(bǔ)償電動機(jī)，帶動差動輪系的外齒圈轉(zhuǎn)動，從而通過驅(qū)動滾筒正反向轉(zhuǎn)動，來補(bǔ)償平臺的升沉運(yùn)動。
自動送鉆運(yùn)動：PLC控制單元，基于檢測到的鉆壓變化的信息，控制送鉆電動機(jī)，驅(qū)動太陽輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)自動送鉆運(yùn)動。
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，即可通過被動補(bǔ)償液壓馬達(dá)，來承擔(dān)鉆柱的部分靜載荷；而主動補(bǔ)償電動機(jī)，則只是用來克服升沉運(yùn)動補(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
我國提出的多重功能海洋鉆機(jī)絞車，與國外的兼施升沉補(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，可以對鉆柱重力勢能進(jìn)行周期性的釋放與存儲，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，即可使我國提出的方案的能耗大大降低。僅就補(bǔ)償工況時海洋鉆機(jī)的絞車而言，用于升沉補(bǔ)償?shù)墓β?，初步估算，相對于國外兼施升沉補(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，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，因而使占用平臺的空間減少。而且，騰出來的空間，還可以用于增加平臺上的活載荷。與此同時，它還由于減少裝備，減輕了平臺載荷。
第四，性能改善：根據(jù)我國提出的方案的升沉補(bǔ)償性能的仿真計算結(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：由于我國提出的方案，它采用了新穎的差動行星齒輪系作為傳動機(jī)構(gòu)，因而，它既可通過驅(qū)動外齒圈，進(jìn)行升沉補(bǔ)償運(yùn)動；又可通過驅(qū)動太陽輪，進(jìn)行自動送鉆運(yùn)動。這樣，即可使行星架與絞車滾筒輸出的是兩種運(yùn)動的復(fù)合運(yùn)動，從而巧妙地實現(xiàn)了兩種運(yùn)動的解耦控制與聯(lián)合運(yùn)動。只要通過PLC控制單元，可完成補(bǔ)償升沉及自動送鉆兩項任務(wù)，這是我國提出的方案的獨(dú)到之處。
總之，在目前我國強(qiáng)調(diào)保護(hù)海洋權(quán)益的形勢之下，勘探開發(fā)我國南海深水油氣資源，已成為當(dāng)務(wù)之急。我國自己研制的“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺，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。在目前我國強(qiáng)調(diào)以創(chuàng)新作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的驅(qū)動力之一的形勢下，解決海洋浮式鉆井的升沉補(bǔ)償問題，宜采取自主知識產(chǎn)權(quán)、創(chuàng)新制造出高端產(chǎn)品的辦法，走“國產(chǎn)”的道路。本文介紹的我國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，作為上乘之一參考。
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