1、摘要海洋石油浮式鉆采平臺是海洋油氣開發的重要裝備，升沉補償裝置系統作為海洋浮式鉆井平臺的關鍵設備之一，對鉆井效率和安全以及鉆井設備的使用壽命起著決定作用。本篇文章對國內外海洋鉆井管柱升沉補償系統的技術現狀做出介紹，對鉆桿柱補償和隔水管補償裝置結構和工作原理原理進行了詳細研究，綜合對比分析各升沉補償裝置的技術特點，最后探討了我國升沉補償系統的發展趨勢，進而對我國海洋石油鉆井升沉補償系統的未來發展方向提出若干建議。關鍵詞 海洋鉆井；升沉補償系統；鉆桿柱補償；隔水管系統補償；發展趨勢1. 升沉補償系統簡介海洋石油浮式平臺鉆井系統是海洋油氣開發的關鍵裝備，我國海洋石油裝備產業在海洋油氣產業持續發展的帶

2、動下正處于高速發展的新時期1,2。在深水浮式鉆井船或半潛式鉆井平臺作業中，其在海上處于漂浮狀態。在風浪作用下，鉆井平臺作平移、搖擺、以及上下升沉運動。隨波浪周期性上下升沉的運動將引起鉆桿柱和隔水管系統周期性的上下運動。鉆桿柱周期性上下運動將使大鉤拉力增大或減小，直接影響井底鉆壓的變化。井底鉆壓的變化不利于鉆進，而且當鉆壓降到一定限度時，將使鉆頭脫離井底，無法持續鉆進。隔水管系統周期性上下運動將使其失效或井口裝置脫離井底。為此，要保證正常鉆進，提高鉆井效率，就必須采用升沉補償系統對升沉進行補償，以減少鉆桿柱和隔水管系統與海底的相對運動，并保持恒定的張力載荷。升沉補償系統作為海洋浮式鉆井平臺的關鍵

3、設備之一，不僅能夠減少等候天氣的時間，提高鉆井效率和安全性，而且能夠延長鉆井設備的使用壽命。海洋鉆井升沉補償裝置作為浮式平臺鉆井系統中的一個重要單元設備，其技術在歐美等發達國家的平臺配套當中已相當成熟，長期以來其技術一直被國外發達國家所壟斷，如挪威Hydralift公司設計和生產的各種型式升沉補償系統 5。而我國由于自身工業基礎條件比較薄弱，加之起步晚，所以在該技術尤其是隔水管升沉補償技術的研究開發方面處于起始階段。為了使我國的海洋油氣資源得到有效保護及盡早打破國外的技術壟斷，深入研究和開發具有我國自主知識產權的海洋鉆井升沉補償裝置已成為當前工程技術人員的當務之急，也是我國海洋石油裝備技術不斷

4、振興和走向成熟的必然要求。2 海洋鉆井管柱升沉補償系統組成通常海洋浮式鉆井平臺升沉補償系統主要包括鉆桿柱補償和隔水管系統補償兩個方面。鉆桿柱補償根據安裝位置和結構又可分為伸縮鉆桿升沉補償、游車大鉤升沉補償、天車升沉補償、快繩（死繩）升沉補償和絞車升沉補償等幾種形式。根據補償的動力源又可分為被動式升沉補償、主動式升沉補償、半主動式升沉補償。如圖1-1所示：圖1-1 海洋鉆井管柱升沉補償系統組成2.1 伸縮鉆桿升沉補償裝置在浮船鉆井的初期階段，普遍采用的補償方法是在鉆桿柱的鉆鏈上部加一根伸縮鉆桿。為了使鉆頭壓力不受泥漿變化的影響，后又發展了平衡式伸縮鉆桿。當鉆井平臺上下升沉運動時，伸縮鉆桿的內外管

5、沿軸向做相對運動，因此只有伸縮鉆桿以上鉆桿柱隨著船體做上下升沉運動，而伸縮鉆桿以下鉆鏈和鉆頭不受鉆井平臺升沉運動的影響，這樣就可以保證井底鉆壓恒定。而在下放水下設備時也接上它，以免在“著陸”和連接時發生撞擊。一般仲縮鉆桿的伸縮行程為1.52m，規格尺寸與鉆鏈相應、內外徑均與同級鉆鏈相近。該補償作為世界上早期開發應用的一種補償形式，其結構非常簡單，不需要增加什么制造成本，只需在鉆桿柱上增加一段可伸縮的鉆桿便能夠達到補償的目的。但該補償存在的最大問題是無法滿足現代鉆井工藝要求6。2.2 游車大鉤升沉補償裝置游車大鉤升沉補償是在游車與大鉤間裝設的一種升沉補償裝置。此類型的升沉補償自1973年研制成功

6、后，已多次應用于實際工程。游車大鉤升沉補償主要由液缸、活塞、儲能器、控制閥、液壓站、PLC控制系統、檢測裝置、鎖緊裝置等部分組成。此種補償方法有兩種類型。一種為活塞桿受拉的升沉補償裝置，以美國維高公司（vetco）產品為代表。將兩個液缸上框架、液缸本體與游車相連接，活塞桿與固定在大鉤上的下框架連接，可隨鉆井船升沉上下運動。其主體結構如圖2-1所示。對活塞桿受拉的升沉補償裝置，當游動滑車隨井架及船體上下升沉時，只是帶動液缸的缸體上下周期地運動，只要保持液缸內液體壓力不變，液缸中活塞和活塞桿、下橫梁以及大鉤基本保持不動，載荷也基本上不受影響。（影響的大小是隨氣壓的大小和氣瓶的多少來決定的）在實際使

7、用中，常常把活塞桿放到全長的中間位置。一般情況下波浪所引起的升沉只是活塞桿全長的1/61/5。因此，司鉆只要調好行程、壓力，還能實現自動送鉆。另一種類型為活塞桿受壓的升沉補償裝置。美國NL公司生產的產品最為典型。這種裝置大鉤與下支架連接，安裝在活塞桿頂端的滑輪裝置與上支架連接，上支架與缸體固定在一起，上支架與游動滑車相連。如圖2-2所示。對活塞桿受壓的升沉補償裝置，當游動滑車上下周期性運動時，活塞桿上下運動，而下支架、大鉤卻保持基本不動。由于是動滑輪，因此活塞桿的行程僅為鉆井船升沉的一半。在實際鉆井中，可通過調節儲能器中氣體壓力來改變液缸中的液體壓力，達到調節鉆頭鉆壓的目的。因此，只要控制好行

8、程（常常把活塞桿放到全長的中間位置）壓力，還可以實現自動送鉆。圖2-1 游車大鉤升降補償裝置圖2-2 游車大鉤升降補償裝置從目前使用情況來看，游車大鉤升沉補償裝置多采用活塞桿受壓的補償裝置，其根據補償的動力源又可分為被動式升沉補償、主動式升沉補償、半主動式升沉補償。(1) 被動式升沉補償系統被動式升沉補償系統原理如圖2-68所示，該系統的補償動力來源于船的升沉。當船上升時，蓄能器內的氣體進一步被壓縮以補償上升位移并儲存能量；當船下沉時，蓄能器內的氣體膨脹以補償下沉位移，蓄能器儲存的能量被釋放。由圖2-6可以看出，被動式升沉補償系統相當于是一個空氣或液壓空氣彈簧 ，依靠海浪的舉升力和船自身的重力

9、來壓縮和釋放蓄能器中的壓縮空氣，從而實現升沉補償。 (2) 主動式升沉補償系統圖2-78為主動式升沉補償系統原理，該系統是一套閉環反饋系統，依靠補償系統本身的動力機的能源來工作（例如，液壓泵），大鉤作上下運動時，位移傳感器輸出的補償缸活塞位移信號與給定的控制規律進行比較后獲得的偏差信號傳遞給控制器。圖2-7中的變量泵是雙向變量泵，當船下沉時，控制器輸出的控制信號為正，變量泵向補償缸的下油腔輸送液體，使活塞向上運動；當船上升時，控制器輸出的控制信號為負，變量泵從補償缸下油腔排出液體，從而使補償缸活塞向下運動來補償大鉤位移。(3) 半主動式升沉補償系統被動式系統補償精度低，補償性能不穩定，滯后比較

10、大；主動式升沉補償系統能量消耗大，成本較高。為了適應浮式石油鉆井的需要，彌補被動式和主動式升沉補償系統的不足，便出現了如圖2-88所示的主動和被動相結合的半主動式的氣液鉆柱升沉補償系統。當船升沉時，氣液蓄能器發揮氣液彈簧作用抵消一部分升沉位移，同時控制器根據輸入信號控制雙向變量泵給主動缸上油腔或下油腔供油，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。圖2-6被動式升沉補償系統圖 2-7 主動式升沉補償系統圖 2-8 半主動式升沉補償系統被動式升沉補償系統安全，操作容易，結構簡單，基本不消耗能量，但補償精度低，要取得好的補償效果需要比較大的蓄能器體積；主動式升沉補償系統補償精度高，抗干

11、擾能力強，但是需要能耗大；半主動系統是介于主動和被動之間的復合系統，既擁有被動式的低能消耗的優點，同時有主動式高補償精度的特點。游車大鉤升沉補償目前在實際油氣勘探開發當中應用相對比較廣泛。但是以下三個因素仍會對補償效果造成影響：1工作缸中流體的摩擦影響。2機械摩擦的影響。3活塞下端氣體體積壓縮膨脹對壓力的影響。2.3 天車升沉補償裝置天車升沉補償是將升沉補償裝置安裝在井架頂部，形成浮動天車。該類升沉補償結構較為復雜，于1972年研制成功，并在鉆井船上得到應用，效果良好。目前，已在多型深水半潛式鉆井平臺上配置有天車升沉補償裝置。2.3 天車升沉補償裝置天車升沉補償是將升沉補償裝置安裝在井架頂部，

12、形成浮動天車。該類升沉補償結構較為復雜，于1972年研制成功，并在鉆井船上得到應用，效果良好。目前，已在多型深水半潛式鉆井平臺上配置有天車升沉補償裝置。天車升沉補償主要組成，如圖2-9所示。浮動天車可以通過滾輪在垂直軌道內相對移動。天車本身的滑輪結構與一般天車基本相同。但天車上多裝有兩個輔助滑輪，通過它分別將快繩和死繩引出。兩個輔助滑輪的軸與天車滑輪軸之間連桿連接。這樣做可以提高鋼絲繩的壽命。當鉆井船升沉運動時，天車模塊在液缸的推動下沿軌道相對于井架做相反方向運動，張緊或放松鉆井鋼絲繩，實現升沉補償功能；司鉆通過甲板上的調節閥，控制系統壓力，達到調節井底鉆壓的目的；另外，該補償形式在天車上設有

13、滑輪組鎖緊裝置，進行起下鉆作業時，通過液壓控制系統將滑輪組鎖緊在井架頂部，使浮動天車能夠承受鉆井系統的最大額定載荷。圖2-9 天車升沉補償裝置天車補償作為一種較新的升沉補償形式，盡管存在結構復雜、體積大、造價高等不足，但由于其合理的布局方式和良好的工作性能使其應用更為廣泛。2.4 死繩升沉補償裝置死繩升沉補償是在平臺鉆井系統鉆井繩死繩段增加的一種升沉補償裝置。該裝置安裝在井架側面，結構較為簡單。這種型式較前兩種方式使用少，曾在鉆井船上使用過。死繩升沉補償主要由定滑輪組、動滑輪組、液缸、儲能器、傳感及電控制系統等組成。死繩從天車引出后，先經過一個傳感滑輪（測定拉力大小），然后纏繞在定滑輪組及動滑

14、輪組上，自定滑輪組引出，并固定到死繩固定器上。動滑輪與補償液缸的活塞桿相連。如圖2-10所示為兩種死繩升沉補償裝置示意圖。其中左側裝置為早期的裝置，右側為改進后的裝置。這種裝置通過調節游動系統上鋼絲繩的有效長度來補償在波浪作用下游動滑車與大鉤隨船體升沉的位移，從而實現保持和調節井底鉆壓的目的。這樣可調節液缸系統的壓力，推功活塞產生位移，帶動動滑輪作往復運動，從而改變鋼絲繩的有效長度，起到升沉補償效果。這種方式的升沉補償裝置不占據井架上空間，維修和保養均在平臺上，所以比較方便。但是它要裝設一套可感應死繩或快繩上拉力變化的傳感及電控制系統，調節儲能器內的壓力，使結構比較復雜，另外，頻繁磨損也會降低

15、鋼絲繩的使用壽命。在當前鉆井平臺實際應用較少，應用范圍不廣。2.5 絞車升沉補償裝置隨著海洋油氣鉆探的發展，National-Oilwell Varco公司突破了傳統的鉆柱運動補償概念，將鉆柱補償功能通過絞車的控制來實現，該公司研制了主動補償絞車（AHD-Active Heave Drawwork）。絞車升沉補償是在絞車上增加PLC控制系統和升沉檢測系統，對鋼絲繩張力及時感應，并控制絞車收緊或放松鋼絲繩對升沉進行補償。主動補償絞車是浮式鉆井裝置鉆機的一項重要的革新，除具有傳統絞車的提升功能外，還具有主動補償浮式鉆井裝置的升沉運動對鉆柱的影響的功能10，其工作原理如圖2-11。AHD鉆井絞車為新

16、開發并且得到成功應用的鉆井絞車。它既具有提升系統的功能，也具有鉆柱運動補償的功能。它不失為新建浮式鉆井平臺鉆機設備中鉆井絞車配置的較優的選擇。圖2-10 死繩升沉補償裝置圖2-11 絞車升沉補償裝置工作原理簡圖2.6 液力井斜控制-減振-推進器補償裝置13為便于控制井眼軌道、延長鉆具的使用壽命和簡化鉆進操作，李子豐教授于1997年提出了液力井斜控制-減振-推進器（圖2-12）。液力井斜控制-減振-推進器具有井斜控制、減振和推進三大功能。通過調節鉆壓與泵壓的關系,該鉆具可實現伸出和縮進,從而調節穩定器之間和穩定器與鉆頭之間的距離,改變鉆具組合的造斜特性,達到不起下鉆就改變下部鉆具造斜特性的目的。

17、此外,在鉆進時,還可根據需要,通過該鉆具的液力推進功能推動鉆頭鉆進,而不必由地面連續送鉆。在此過程中,鉆頭的縱向振動主要傳遞給鉆井液,傳遞到上部鉆具的縱向振動很小,具有良好的減振作用。圖2-13 液力井斜控制-減震-推進器結構由上可知，液力井斜控制-減震-推進器在鉆井平臺升沉引起下部鉆柱鉆壓變化時，可以通過內外筒相對運動來實現對升沉的補償，因此，可以將液力井斜控制-減震-推進器裝置作為海洋浮式鉆井平臺的升沉補償裝置使用。2.7 隔水管升沉補償裝置簡介隔水管系統補償主要由隔水管伸縮裝置和隔水管張緊器組成5。如圖2-14所示。伸縮裝置克服波浪上下周期性的升沉補償功能，以保持隔水管系統工作時的穩定性

18、，張緊器對隔水管系統提供恒張力控制。伸縮裝置和張緊器相互配合使用，達到船舶在海洋作業環境下對隔水管系統升沉補償的目的。圖2-14 隔水管升沉補償裝置隔水管伸縮裝置（圖2-15）在隔水管升沉補償系統中通過自身內外筒的相對移動，對鉆井平臺的升沉運動進行補償，防止隔水管受軸向擠壓損壞及脫離井底，避免井底裝置損壞。伸縮裝置沖程長度取決于鉆井船的要求，一般為1520m（4565ft）。在環境相對溫和的淺水區域，13.716m（45ft）的沖程長度已經足夠。在環境惡劣的深水區域，沖程長度要求達到19.812m（65ft）。隔水管張緊器（圖2-16）主要由主體、控制架、固定滑輪組、空氣壓力容器、主控制臺、慣

19、性控制系統、蓄能器液體補充系統等部件組成。當平臺上下運動時，張緊器張緊缸收縮或伸長。平臺上升時，液缸伸長，壓縮空氣將通過控制閥塊進人壓縮氣罐，鋼絲繩放松或活塞桿伸出；平臺下沉時，液缸收縮，壓縮空氣將沿相反方向通過控制閥塊，鋼絲繩收緊或活塞桿縮進。由此來實現對隔水管系統恒張力控制，滿足升沉補償需要。張緊器的行程應該在15.21m（50ft）以上。圖2-15 隔水管伸縮裝置圖2-16 隔水管張緊器隔水管補償裝置補償精度好，補償行程大。目前，深水和超深水鉆井依然采用鉆井液循環系統，由隔水管伸縮裝置和張緊器聯合作用實現隔水管的升沉補償功能，是對其安全性和可靠性的重要保障。3 升沉補償系統總發展趨勢5鉆

20、桿柱補償和隔水管系統補償不僅在結構形式上逐步發展完善，而且隨著控制技術的不斷發展，在工作機理上由被動補償式、主動補償式向半主動式發展，補償能力、速度和精度進一步提高。具體表現為：1適應超深水要求，升沉補償能力將進一步提高；2多種形式組合使用，向多樣化發展，進一步提高補償效果；3升沉補償精度進一步提高，補償速度不斷加快；4國內升沉補償技術發展迅速，將逐步打破國外壟斷。結論1. 海洋鉆井管柱升沉補償系統包括鉆桿柱升沉補償和隔水管升沉補償。它能補償鉆桿柱和隔水管系統隨波浪周期性上下升沉的運動引起周期性的上下運動。對鉆桿柱升沉補償將消除鉆桿柱周期性上下運動，維持大鉤拉力恒定，保證穩定鉆進；對隔水管升沉

21、補償將避免隔水管系統周期性上下運動引起的隔水管失效或井口裝置脫離井底，保證安全鉆井；2. 鉆桿柱升沉補償裝置又分為伸縮鉆桿補償、游車大鉤補償、天車補償、死繩補償、絞車補償等。伸縮鉆桿補償由于不能符合現代海洋鉆井工藝的要求已逐漸推出應用；死繩補償由于結構復雜、對鋼絲繩的磨損嚴重應用不廣；而游車大鉤補償及天車補償由于補償性能突出，補償能力強，現場應用逐漸廣泛，有較好的發展前景；絞車補償由于兼有絞車提升功能與升沉補償功能，液壓主動補償功能的絞車也將逐漸代替傳統鉆井絞車，成為海洋鉆井升沉補償重要設備。3. 如果將液力井斜控制-減振-推進器裝置用于井下鉆柱升沉補償，可在鉆進的同時同時實現升沉補償、井斜控

22、制、減振和推進，保持穩定鉆進，與其他類型鉆桿柱升沉補償裝置配合使用，將起到更好的補償效果；4. 隨著的鉆桿柱升沉補償系統的發展，不僅要在結構形式上逐步努力發展完善，而且隨著控制技術的不斷發展，還要在在工作機理上注重由被動補償式、主動補償式向半主動式發展。致力于補償系統補償能力、速度和精度的不斷提高。多種形式裝置組合使用，向多樣化發展，進一步提高補償效果；參考文獻1 竇玉玲. 海上鉆井發展綜述與展望J. 海洋石油, 2006, 26(2): 64-67.2 朱江. 海洋鉆井設備綜述J. 中國海上油氣(工程), 2006, 12(6): 44-46.3 周珊. 海上鉆井裝置的發展歷程J. 石油科技

23、論, 2004, 4(4): 46-51.4 黃悅華, 任克忍. 我國海洋石油鉆井平臺現狀與技術發展分析J. 石油機械, 2007, 35(9): 157-160.5 任克忍, 沈大春, 王定亞, 等. 海洋鉆井升沉補償系統技術分析J. 石油機械, 2009, 37(9): 125-128.6 元峻星. 升沉補償浮船鉆井的必須設備J. 中國海洋平臺, 1992, 7(2): 82-84.7 方華燦. 海洋鉆井繩索作業時升沉補償問題的研究J. 華東石油學院學報, 1980, 8(3): 20-32.8 白鹿, 張彥廷, 張作龍, 等. 鉆柱液壓升沉補償系統參數計算及比較分析J. 石油礦場機械, 2009, 38(3): 10-13. 9 方華燦. 海洋鉆井船升沉補償裝置的設計J. 石油礦場機械, 1976, 8(5): 25-38.10 吳百海, 吳百海, 肖體兵, 等. 深海采礦裝置的自動升沉補償系統的模擬研究J. 機械工程學報, 2003, 39(7): 128-133. 11 Korde, U.A. Active heave compensation on drill-ships in irregular wavesJ. Oc