海洋液压钻机研究综述与展望.pdf

２ ０ １ ６年 第４ ５卷 第４期第１ ２页 石 油 矿 场 机 械 犗 犐 犔 犉 犐 犈 犔 犇 犈 犙 犝 犐 犘犕犈 犖 犜 ２ ０ １ ６，４ ５（４） １ ２  １ ５ 文章编号 １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２（２ ０ １ ６）０ ４  ０ ０ １ ２  ０ ４ 海洋液压钻机研究综述与展望 廖国敏， 周 雄， 徐 坤， 何 涛 （ 重庆科技学院， 重庆４ ０ １ ３ ３ １） 摘要 为了加快海上石油的开发进程， 需要设计与制造符合中国海洋环境的钻机。液压钻机以其工 作可靠性好、 稳定性高等特点， 将成为我国海洋钻机的发展方向之一。研究了海洋液压钻机的背 景、 液压系统、 发展和应用， 尤其是分析了液压钻机的发展和应用， 将极大地提升液压钻机在中国海 洋石油平台上的应用前景。 关键词 海洋； 液压钻机； 液压系统； 发展； 应用 中图分类号Ｔ Ｅ ９ ５ １ 文献标识码Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ３ ９ ６ ９／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ １  ３ ４ ８ ２． ２ ０ １ ６． ０ ４． ０ ０ ４ 犛 狋 狌 犱 狔犚 犲 狏 犻 犲 狑犪 狀 犱犘 狉 狅 狊 狆 犲 犮 狋 狅 犳犗 犳 犳 狊 犺 狅 狉 犲犎 狔 犱 狉 犪 狌 犾 犻 犮犇 狉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犚 犻 犵 Ｌ Ｉ ＡＯＧ ｕ ｏ ｍ ｉ ｎ，Ｚ ＨＯＵＸ ｉ ｏ ｎ ｇ，ＸＵ Ｋ ｕ ｎ，ＨＥＴ ａ ｏ （犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵犝 狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔狅 犳犛 犮 犻 犲 狀 犮 犲犪 狀 犱犜 犲 犮 犺 狀 狅 犾 狅 犵 狔，犆 犺 狅 狀 犵 狇 犻 狀 犵４ ０ １ ３ ３ １，犆 犺 犻 狀 犪） 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋Ｉ ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｒｔ ｏｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ｅｏ ｆ ｆ ｓ ｈ ｏ ｒ ｅｏ ｉ ｌａ ｓｓ ｏ ｏ ｎａ ｓｐ ｏ ｓ ｓ ｉ ｂ ｌ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｒ ｅｉ ｓａｎ ｅ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｔ ｙｔ ｏｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎａ ｎ ｄ ｍ ａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅｒ ｉ ｇ，ｗ ｈ ｉ ｃ ｈｃ ａ ｎｃ ｏ ｎ ｆ ｉ ｒ ｍｔ ｏｏ ｕ ｒｍ ａ ｒ ｉ ｎ ｅｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ． Ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ 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可对钻头部件的平衡进行快速准确的补偿， 且这种装置结构简单， 补偿稳定可靠， 不受钻探船晃 动的影响， 无安全隐患。全液压钻机不仅是在运动 补偿装置这一部分使用液压系统， 在顶驱控制、 起下 钻控制等过程均是采用液压系统进行控制。液压钻 机作为海洋石油钻机的一类， 以其工作可靠性好、 稳 定性高、 易于实现自动化和仪表化等特点， 正成为中 国新型钻机的发展形式之一。 １ 研究背景 液压传动由于其传动力量大， 易于传递及配置， 在工业及民用行业应用广泛。海上平台上使用的钻 机要求具备传递功率大且设备体积小、 能实现大范 围调速、 操作控制方便、 柔性好、 易实现自动化等特 点， 可选用液压钻机。 由于液压钻机一系列的特点， 陆地液压钻机在 国内已开始投入使用。海洋石油液压钻机由于其特 殊的海洋环境和高投资成本、 维护成本等因素， 目前 还没有应用于海洋平台上。所以， 全液压钻机是未 来海洋石油钻机的发展方向之一。  收稿日期２ ０ １ ５  １ ０  ２ ３ 作者简介 廖国敏（１ ９ ９ １ ） ， 女， 重庆人， 硕士研究生， 主要从事石油机械装备相关的研究，Ｅ  ｍ ａ ｉ ｌｌ ｉ ｈ ｕ ｉ ２ ９ ４ ２ １＠１ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ２ 液压钻机的液压系统 朱兴等［ ２］在国产全液压钻机的研制与应用中提 到， 液压钻机的整套控制主要由顶驱控制、 起下钻控 制等其他控制部分组成， 控制方式主要采用液压控 制。戴建平等［ ３］发明的一种全液压钻机联动式液压 系统， 实现了主副双联液压泵的联合给油， 执行快进 和快退动作， 提高了工作效率及钻机作业的自动化 程度， 减少了油路数量， 降低了能量损耗， 并且结构 简单， 操作方便， 提高了安全性。 海洋钻机具有较多的特殊性， 例如平台上作业 区域的局限性， 平台对载荷（ 海流等） 的要求， 水深增 加使得相应的设备随之改变， 抵御环境因素（ 例如腐 蚀、 温度的急剧变化等） 的不利影响， 相应的运动补 偿装置等其他各方面的特殊性。在综合考虑上述因 素的前提下， 结合自动化、 数字化、 智能化等高新技 术， 研究适合国内海洋环境的液压钻机的液压系统。 ３ 海洋石油液压钻机的发展及应用 ３． １ 液缸升降型钻机 廖谟圣［ ４］在２ １世纪初的世界海洋石油钻机中 提到 早在１ ９ ８ ７年， 液缸升降型钻机（Ｒ ａ ｍｒ ｉ ｇ） 分别 装备于１ ９ ９ ９年和２ ０ ０ １年计划建成的Ｗ ｅ ｓ ｔＪ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ Ⅱ和Ｓ ｔ ｅ ｎ ａＤ ｏ ｎ号半潜式平台。前者工作水深为 ２４ ３ ８ｍ， 钻深能力１ ００ ６ ０ｍ。两平台均为动力定 位， 每艘平台总功率为３ ２． ８ １ＭＷ， 其泥浆泵功率为 ４１． ６ ４ ＭＷ的Ｎ ａ ｔ ＇ Ｌ １ ４  Ｐ  ２ ２ ０型， 转盘为Ｖ ａ ｒ ｃ ｏ 型， 通径 １５ ３ ６． ７ｍｍ（ ６ ０英寸） ； 另一组Ｒ ａ ｍ 液 缸升降型钻机安装在Ｗ ｅ ｓ ｔＮ ａ ｖ ｉ ｏ ｎ号钻井浮船上， 其工作水深２４ ９ ９． ３ ６ｍ， 钻深能力１ ００ ５ ８． ４ｍ。 ３． ２ 犚 犪 犿犚 犻 犵犜犕双液缸升降型液压钻机 ２ ０ ０ ５年，Ｅ ａ ｓ ｔ ｅ ｒ ｎＤ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇａ ｎ ｄＡ ｋ ｅ ｒＤ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ公 司预定了３台双液缸升降型液压钻机。这３台液缸 升降型液压钻机都是用于水深３０ ４ ８ｍ（ １ ００ ０ ０ｆ ｔ） 严酷环境下的第６代钻机。Ｒ ａ ｍＲ ｉ ｇＴＭ已成功为 Ｂ Ｐ、Ｃ ｈ ｅ ｖ ｒ ｏ ｎＴ ｘ ａ ｃ ｏ，Ａｍ ｅ ｒ ａ ｄ ａＨ ｅ ｓ ｓ，Ｍ ａ ｒ ａ ｔ ｈ ｏ ｎＯ ｉ ｌ， Ｃ ｏ ｎ ｏ ｃ ｏａ ｎ ｄＳ ｈ ｅ ｌ ｌ等公司在西非、 加拿大和埃及等 国家和地区进行海上石油钻井作业。 ３． ３ 加拿大犜 犲 狊 犮 狅公司新型套管钻井液压钻机 Ｍ ｉ ｃ ｈ ａ ｅ ｌＬ ａ ｕ ｒ ｅ ｎ ｔ等在套管钻井的液压钻机中 提到了整个液压钻机的设计特点和套管钻井的装 备。在套管钻井系统发展的同时， 新１代液压驱动 和电脑控制的钻机应用而生， 这就是新型套管钻井 的液压钻机。这种复合钻机提高了工作可靠性、 安 全性和灵活性， 同时也为套管钻井提供了平台。这 种液压钻机钻井井身质量好， 钻井成本低。 ３． ４ 意大利犛 犗 犐 犔犕犈 犆犛 ． 犘． 犃油水分公司新型石 油钻机 意大利Ｓ Ｏ Ｉ ＬＭＥ ＣＳ． Ｐ． Ａ油水分公司研究开 发了多种系列的石油钻机。中型系列钻机钻井深度 为１８ ０ ０～４０ ０ ０ｍ， 修井深度为３６ ０ ０～７０ ０ ０ｍ， 适 用于钻小井眼井， 具有钻井成本较低等优点。轻型 系列石油钻机钻井深度３ ０ ０～１０ ０ ０ｍ， 修井深度 ６ ０ ０～１８ ０ ０ｍ。钻机采用全液压驱动型式， 所有部 件采用同一液压动力源， 利用率高。 ３． ５ 意大利犇 狉 犻 犾 犾 犿 犲 犮公司全液压提升型可移动式 钻机 意大利Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｍ ｅ ｃ钻机是一种新式无绞车型液 力提升钻机， 无须另配顶驱、 自动化程度高、 质量轻。 由于其最大驱动功率较小（ 仅１１ ３ ３ｋ Ｎ） ， 目前较多 的应用于浅水钻井［ ５］。 ４ 海洋石油液压钻机应用中的关键技术 ４． １ 虚拟样机技术 徐蕾［ ６］在浅谈虚拟样机技术的应用与发展时提 出， 国内在虚拟样机技术理论和实践的深度方面的 研究与国际水平还存在较大的差距， 应用范围还不 够广阔， 还有很大的提升空间。 计算机技术带动了各种仿真软件的快速发展， 海洋石油液压钻机本身就是一个非常庞大的系统工 程， 若是在钻机的开发或改进阶段采用虚拟样机技 术， 不仅可以缩短研发周期， 并且可以极大地提高时 间利用率和经济效益， 降低研发成本。首先建立钻 机三维模型， 然后利用仿真软件进行运动及液压系 统仿真， 通过施加不同的载荷对设计进行性能验证； 钻机设计完成后， 通过物理样机的制造及井下工业 性试验， 结果表明钻机性能达到设计要求， 从实践上 验证了钻机开发中采用虚拟样机设计的可能性［ ７］。 ４． ２ 模块化设计 模块化钻机是指将钻井装置按模块功能、 便捷 安装的要求， 分装在不同的底座上， 搬家移动时能快 速分拆、 分块运输， 到井位后通过简单的安装， 即能 实现钻井功能的装置。模块钻机包括钻井设备模 块、 钻井支持模块、 动力模块、 生活模块、 散装材料模 块等［ ８］。 海洋相比于陆地而言， 是属于非常特殊的环境。 因此， 海洋石油钻井平台对钻机的设计提出了非常 高的要求。平台的有限空间使得钻机的设计更加紧 ３１ 第４ ５卷 第４期 廖国敏， 等 海洋液压钻机研究综述与展望  凑和集成化程度更高， 钻机的模块化设计具有环境 适应性强， 易于拆卸与安装， 稳定性好等优点。海洋 钻井受海洋环境的影响非常大， 不同深度对应的液 压钻机模块化程度的要求不同， 并且全球油气资源 开采不断地朝着深水发展， 这就对钻机的模块化设 计提出了更高的要求。随着科学技术的不断进步， 液压钻机的模块化设计需要朝着更加模块化和集成 化的方向发展以满足深水油气开采。国内模块化钻 机的研发时间较晚， 因此液压模块化钻机尤其是海 洋石油液压模块化 钻机还 需更 高 的 模 块 化 设 计 程度。 ４． ３ 智能控制 “ 智能控制” 术语第一次被引入是在１ ９ ７ １年， 它 是人工智能和自动控制的交叉， 这一理念后来被延 伸为一门包含人工智能、 运筹学和自动控制的学 科［ ９］。设计智能控制系统的目的是当它的组件被模 糊定义时， 无论是因为设计时间的不确定性， 还是因 为会发生预想之外的变化， 都能完成高层次的目 标［ １ ０］。液压钻机是一套非常复杂的系统， 每一个子 系统中都存在不确定的非线性对象， 这就需要采用 较为先进的控制方法， 智能控制就是这样一种前端 的控制方法； 对于智能控制系统， 任务的要求比较复 杂。因此， 智能控制方法旨在处理未定义的、 复杂 的、 非线性的、 随时间变化的和随机的过程［ １ １］， 要使 用智能控制去处理传统控制技术在复杂工程系统中 不能有效起作用的场合［ １ ２］。 刘涛等［ １ ３］在智能控制系统综述一文中提到 智 能系统的主要研究内容是分级阶梯智能控制系统、 专家控制系统、 等控制系统。由于国内海洋环境的 复杂性和海上平台对人员的限制， 要求液压钻机在 设备、 液压系统等方面具有很高的制造、 控制等技 术。由于智能控制技术能够处理不确定的或难定义 的控制、 非线性、 随机等过程， 并且具有能和多种技 术交叉融合等特点， 将智能控制技术应用于海洋液 压钻机方面， 不仅能够减少人工操作， 还能提高制造 和控制精度， 同时提高设备故障的自我辨别能力。 ４． ４ 液压系统仿真技术 液压系统仿真技术主要包括液压系统动态性能 仿真、 液压驱动性能仿真、 液压元件流场仿真等。液 压钻机具有较复杂的液压系统， 为缩短整个液压钻 机的开发周期和降低成本， 需对液压系统动态性能 进行仿真。 付久长等［ １ ４］分析仿真技术在液压系统中的应 用中提到， 液压动态仿真技术已成为液压系统和液 压元件设计与性能分析的必要方法。现有的液压动 态仿真系统主要有法国的ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ， 适用于机械、 液压、 气动等领域， 仿真范围广且不同领域模块间可 直接物理连接； 瑞典的Ｈ ｏ ｓ ｐ ａ ｎ机械系统和液压系 统采用特征方法处理； 波音公司的Ｅ Ａ Ｓ Ｙ ５涵盖了 液压系统仿真的主要方面和具有卓越的代码生成和 求解器； 德国的Ｄ Ｓ Ｈｐ ｌ ｕ ｓ具有液压元件库、 建模简 单 易 学、仿 真 速 度 快 等 特 点；英 国 的Ｂ ａ ｔ ｈ／ ｆ ｐ （ＨＡ Ｓ Ｐ） 是专门用于液压与气动系统的时域仿真分 析软件； 以及荷兰的２ ０  ｓ ｉ ｍ系统。国内开发的液压 仿真系统包括 浙江大学的Ｓ ＭＵ Ｌ  Ｚ Ｄ， 是一种面向 物理模型的液压系统仿真软件包； 上海交通大学的 ＨＹ  Ｃ Ａ Ｄ仿真软件； 大连理工大学的Ｓ Ｉ Ｍ液压系 统通用仿真软件包。液压钻机的液压系统较为复 杂， 需要结合多种仿真软件进行联合分析， 根据软件 不同的特点应用在液压系统的不同阶段， 研发出符 合国内实际海域环境的液压钻机。 液压驱 动 性 能 仿 真 技 术 主 要 有 美 国 的Ａ Ｄ  ＡＭＳ／Ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ， 用户可以在液压元件设计中运用 设计研究（Ｄ Ｓ） 、 试验设计（Ｄ Ｏ Ｅ） 及优化设计（Ｏ Ｐ  Ｔ Ｉ Ｍ Ｉ Ｚ Ｅ） 等技术。 液压 元 件 流 场 仿 真 技 术 主 要 是Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ、 Ａ Ｄ Ｉ ＮＡ。Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ软件能推出多种优化的物理模 型， 从而高效率地解决各个领域的复杂流动的计算 问题［ １ ５］。液压元件是非常精密的仪器， 其内部结构 也较为复杂。因此， 在设计液压元件时， 在理论设计 方面完成后， 需要对其内部流场进行仿真分析， 使得 产品设计者能够很清晰地观察到液压元件内部流体 的流动形态， 指导产品设计； 当液压元件结构没有达 到理想状态时， 可以通过快速改善结构从而重新进 行分析。在仿真分析完成后， 可以确定出较为完善 的液压元件结构， 然后对其进行试验分析， 既可缩短 产品的开发周期， 又能节约成本进而提高效率。 在仿真技术中， 还有一种应用于液压领域的可 视化仿真技术。可视化仿真技术主要运用于液压产 品的设计演示及液压系统使用训练和维修训练。尤 其是在设计液压产品时， 可视化仿真技术可以结合 Ａ ｕ ｔ ｏ Ｃ Ａ Ｄ等建模软件、 计算机网络编程软件（ 尤其 是根据需要进行二次开发） 以及图像处理软件等对 液压元件的设计进行指导和优化， 缩短液压元件的 开发周期和降低成本。上述的液压系统仿真技术具 有各自的特点和适用范围， 应根据液压系统的不同 设计阶段使用不同的仿真技术。液压钻机的液压系 统设计较为复杂， 需根据液压钻机在不同阶段的特 ４１ 石 油 矿 场 机 械 ２ ０ １ ６年４月  点选用不同的仿真分析方法。例如， 液压元件的设 计可以选择美国的Ａ Ｄ ＡＭ Ｓ／Ｈ ｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ ｓ， 液压系统 时域仿真分析可以选用的英国的Ｂ ａ ｔ ｈ／ ｆ ｐ （ＨＡ Ｓ Ｐ） ， 液压系统的设计可以选用波音公司Ｅ Ａ Ｓ Ｙ ５、 法国的 ＡＭＥ Ｓ ｉ ｍ等。在液压钻机的研发周期内， 使用各种 仿真技术形成联合仿真。 ５ 我国海洋液压钻机的发展趋势 ５． １ 设备与技术方面 虽然国内的制造业规模在国际上是居于领先地 位， 但依然存在制造业大而不强， 自主创新能力弱， 关键核心技术与高端装备对外依存度高； 资源能源 利用效率低， 环境问题较为突出； 信息化水平不高， 与工业化融合深度不够； 产业国际化程度不高等问 题。为合理地解决上述问题， 国内提出“ 中国制造 ２ ０ ２ ５” 规划。“ 中国制造２ ０ ２ ５” 被业界称为中国版 “ 工业４． ０” 战略。“ 工业４． ０” 最重要的核心理念是 智能制造， 这也是“ 中国制造２ ０ ２ ５” 中所不可缺少的 内容。 液压钻机是海上能源开发的重要设备， 需根据 国家提出的“ 中国制造２ ０ ２ ５” 规划， 使得信息化水平 大幅提升， 两化（ 工业化和信息化） 融合更加紧密， 并 掌握一批关键核心技术； 高效利用“ 互联网＋” 技术， 使互联网与钻机行业进行深度融合， 创造新的发展 生态， 从而开发出适合国内海洋环境的， 并且具有国 际高水平的液压钻机。 ５． ２ 完善相应的制度标准 国内的相关制度标准体系不完善， 需要建立合 理的设计、 管理等方面的标准， 促进国内海上能源的 开发进程。“ 工业４． ０” 技术中也提出了实现技术标 准化和参考标准的参考体系， 这说明建立健全各种 标准体制对我国的制造业意义重大。 ６ 结论 １） 液压钻机以其传递功率大、 稳定性高、 运动 补偿性好、 易于实现自动控制等特点而成为新型钻 机的发展形式之一。国内正积极研究和设计液压钻 机， 目前液压钻机已在陆地上使用较广， 未来将应用 在国内海洋石油平台上。 ２） 液压钻机的顶驱控制、 起下钻控制等过程 均是利用液压系统进行控制， 可以较好地实现模块 化、 自动化、 集成化和智能化。 ３） 国外的液压钻机， 例如挪威ＭＨ公司的 Ｒ ａ ｍ ｒ ｉ ｇ液缸升降型钻机、 加拿大Ｔ ｅ ｓ ｃ ｏ公司新型套 管钻井的液压钻机、 意大利Ｓ Ｏ Ｉ ＬＭＥ ＣＳ． Ｐ． Ａ油气 分公司新型石油钻机、 意大利Ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｍ ｅ ｃ公司全液压 提升型可移动式钻机， 都已经在海上投入使用， 并且 具有各自的适用场合和特点。国内需要结合自身海 洋环境特点， 在借鉴国外先进技术的同时， 加快海洋 石油液压钻机的设计和应用进程。 ４） 在液压钻机的应用中， 需要一些关键性的 技术， 例如虚拟样机技术、 智能控制技术、 液压系统 仿真技术等， 使得液压钻机能适应不同的复杂环境。 ５） 对于国内复杂的海域环境， 需深入结合“ 中 国制造２ ０ ２ ５” 规划， 研究和设计符合海洋环境变化 的液压钻机， 推动国家能源行业的可持续发展。 参考文献 ［１］ 欧阳志强， 雷统平， 田爱民．海洋钻机液压波浪补偿装 置 中国， ２ ０ １ ４ １ ０ １ ７ ３ ３ ６ ８． ８［Ｐ］． ２ ０ １ ４  ０ ４  ２ ８． ［２］ 朱兴， 樊岩松， 韩冰， 等．国产全液压钻机的研制与应用 ［Ｊ］．石油机械， ２ ０ １ ４，４ ２（６） ２ ０  ２ ３． ［３］ 戴建平， 陈光柱， 王永林， 等．全液压钻机联动式液压系 统 中国， ２ ０ １ ４ １ ０ ５ ２ ９ ７ ６ １． ６［Ｐ］． ２ ０ １ ４  １ ０  ０ ９． ［４］ 廖谟圣． ２ １世纪初的世界海洋石油钻机［Ｊ］．石油矿场 机械， ２ ０ ０ ０，２ ９（１） ５  ９． ［５］ 廖谟圣．海洋石油钻采工程技术与装备海洋石油钻 井主设备及其系统（ 下）［Ｊ］．石油与装备，２ ０ １ １（２） １ ２ ４ １ ２ ６． ［６］ 徐雷．浅谈虚拟样机技术应用与发展［Ｊ］．科技创新与 应用， ２ ０ １ ４（３） ９ ０． ［７］ 张进， 辛德忠．虚拟样机技术在全液压钻机研制中的应 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２ ５ ９． ５１ 第４ ５卷 第４期 廖国敏， 等 海洋液压钻机研究综述与展望 