李彦宁

中石化海洋石油工程有限公司上海钻井分公司 上海 200000

石油钻探行业中的各种钻井平台分守不同的海域为祖国的能源产业日夜奋战，一般来说，钻井平台分为自升式跟半潜式，相较自升式平台，半潜式具有适应性强，作业能力更加强大等特点。钻具升沉补偿器作为半潜式平台必不可少的钻井设备，是打井工作能否顺利进行的保障[1]。

1 结构原理

1.1 分类

升沉补偿器是指海上浮动钻探装置中，能使全套钻具在钻进时不受升沉影响的一种专用设备。一般来说，应用最广泛的是大钩补偿类的上下升沉式系统；目前勘探四号平台采用的就是这种应用最广泛的补偿器。

1.2 基本参数

型号：链条式DSC-I-25-600-L-BO-R 被动式补偿器，其中25 表示补偿器的最大行程是25 ft；600 表示补偿器补偿能力是600 kips；其余参数为链条长度25 ft，最高工作压力2400 psi。

1.3 总体结构

钻柱补偿器 Drilling String Compensator 也叫被动补偿器。包括主框架、补偿框架、两个圆柱型液缸，链条和锁紧系统等。

1.3.1 主框架

升沉式补偿器的主框架主要是两圆柱形液缸，补偿框架、链条和机械锁紧销等。它们的连接主要用螺栓结构。以勘探四号设备为例，其工作时，补偿设备的主框架的安全拉力可达600 kips，设备锁紧状态时，其拉力为1500 kips。

1.3.2 补偿框架 hook frame

补偿框架位于补偿器底部，与顶驱相连接，其与顶驱连接形式为一个圆柱形的可伸缩的液缸（机械锁紧销）。

1.3.3 圆柱型液缸 cylinder

补偿器圆柱型液缸的内径是18．75″，活塞杆的直径是14″，活塞杆的直径相对较大的原因是：当活塞行程到最末端的时候，还能够提供最小体积的润滑油来保持润滑作用，而且活塞杆是空心结构，能有效降低补偿系统的自身重量。

两个圆柱型液缸是升沉补偿系统的主要装置，液缸内的活塞和活塞杆是高压气体的直接作用点，通过高压气体从活塞底部自下而上作用活塞，从而使活塞杆向上伸出；或者减少气体体积，使活塞杆下落。

1.3.4 链条 chain

补偿器主要靠两根链条连接，其额定压力1000kips，一端连接在液缸上，因为液缸与游车连接在一起，间接又与平台连接，所以属于固定装置，另一端连接在补偿框架上，是升沉补偿系统中的一个重要的部件，属于动态装置。

1.3.5 锁紧系统 lock pin

锁紧系统是一个可伸缩的圆柱形活塞杆，其工作动力来自于气瓶内压缩的氮气。活塞杆收回时系统打开，活塞杆伸出时，系统锁紧。由于活塞杆打开时不能够受力，因此只有当系统补偿设备的重量与活塞所受的力相等时才能够将液缸打开[2]。

1.4 工作原理

通常将补偿器液缸等主框架和平台视为一体；补偿框架与顶驱跟钻具等运动补偿部件视为一体。当海浪较大和某些回收套管送入工具、提抗磨补芯和打捞套管等海况复杂的情况下，平台升沉较大时，首先增加补偿器活塞底部的气源压力，直至压力大于需要补偿的钻具的重量加上补偿框架与顶驱的力量之和10 吨左右，保证活塞杆完全伸出，链条完全拉伸，然后打开机械锁紧销，缓慢减小气源压力，则补偿器跟顶驱脱离，持续减少气源压力，直至活塞杆下降至伸出中部位置，让补偿器发挥作用。

补偿器正常工作时，活塞以上所承受的力为活塞体与气压大体平衡，海浪较大时，液缸会随着平台一起在潮差影响下做上下运动，而活塞需要保持上下两端受力平衡，因此也会相应上下运动，保证了钻具保持相对静止。

在补偿器工作时，液缸活塞的上下往复运动会造成液缸内部气体体积的变化，从而导致气体作用在活塞上的力不断发生变化。作业时如果海况较差，平台升沉较大则需要多打开几组工作气瓶，保证气源充足。

使用补偿器应注意，不能突然加大吨位或者超载使用，每一次误操作都会导致意外情况发生；在气管爆裂气源急剧降低意外情况下，补偿器自动锁紧装置能够自动锁紧，切断补偿器本体与气源供应管线之间的通路。

2 关于钻杆升沉补偿系统工作的一些认识

2.1 该系统有滞后效应的补偿系统

因为补偿器是为了应对外界升沉影响和某些特殊工况时才会使用，故它是一个被动的，应对的系统，由于设备的一系列操作和反应联动作用，故补偿器的作用无法同时补偿外界对设备造成的影响。

2.2 补偿系统工作载荷的限度

本次我们讨论的钻柱升沉补偿系统额定载荷为600 kips，在有斜度的井中作业可能会造成卡钻，钻具维持活动的力量可能超过600 kips。此时就不能使用补偿器，需要将活塞杆收回，锁紧机械锁紧销，使用钻井绞车活动钻具，从而此时保护补偿器系统[3]。

2.3 补偿系统补偿距离的限度

本次我们讨论的钻柱升沉补偿系统活塞杆长度12．5ft，链条最大行程是25 ft，即该系统的最大补偿距离为25 ft，因为链条是动态量；使用过程中也应注意，如果需要补偿的长度超过钻柱升沉补偿系统的工作范围，也不能适用补偿器系统。

2.4 关于动力气瓶

由于海浪情况跟不同的作业需求，在钻柱升沉补偿系统工作时，现场作业要根据不同的需要确定使用动力气瓶的个数，勘探四号补偿系统工作瓶配备了10 个动力气瓶，可提供500～ 2400 psi 不等的压力。

3 结语

在钻井平台上补偿器处于长期工作状态，不可避免会发生一些突发故障，这就要求我们在平日里也要做好维修和保养工作，保障钻井工作顺利进行。