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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，海上油氣田的開發已成為石油工業的重要“陣地”。全世界已發現的海上油氣田1600多個，已有600多個油氣田投產，年產量已達到12億噸以上，占世界石油總產量的三分之一。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，在我國南海深水區進行油氣勘探開發，由于其特殊環境條件以及國內技術和裝備的水平現狀，帶來的挑戰很多、很大。其中，如對海浪引起的浮式鉆井平臺的上下升沉運動的補償，就是重要挑戰之一。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）上進行的鉆井作業，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、風的作用下，將產生六個自由度運動，其中，沿垂直軸的上、下往復運動即稱為升沉。顯然，當浮動鉆井平臺（船），作上、下升沉運動時，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，均隨之作升沉運動。這時，若升沉位移過大，出現嚴重的情況，則將使連接于鉆柱上的鉆頭，脫離井底，以致無法鉆進；即使升沉位移不過大，也會由于升沉運動，使井底鉆頭的鉆壓不穩定，從而影響鉆井質量。因此，在海洋浮式鉆井時所使用的鉆機，需要配備一套專門的升沉補償裝置，或采用其它方法，解決升沉運動的補償問題。

目前，出現了一種將海洋浮式鉆井鉆機絞車與升沉補償裝置的功能，集于一身的新型鉆機。因為有了這種新型鉆機，不僅可以不再專門配備升沉補償裝置，而且，只通過絞車，即可實現對升沉運動的補償；還可以實現自動送鉆，“一機多用”，大大節約了能耗，大大節省了投資，是一個高效益的高端產品。所以，它是海洋浮式鉆井鉆機的新亮點，以下對其作些介紹。
傳統海洋浮式鉆井用的升沉補償裝置

海洋浮式鉆井時，鉆機對升沉運動的補償，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，當液壓缸缸體隨井架作升沉運動時，液缸內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動，從而即可使升沉得到補償。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，這就是游動滑車與大鉤間裝設的升沉補償裝置的工作原理。

升沉補償裝置雖然有幾種類型，但是海洋浮式鉆井，傳統上常用的是運用上述工作原理的游動滑車與大鉤間裝設的升沉補償裝置，其結構組成如圖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償的液壓缸相通；其活塞上端為氣體，通過管線與儲氣罐相通。這樣，既可保持液壓缸內液體壓力的穩定，又可通過調節氣罐中氣體壓力來變換液壓缸中液體壓力。

四是鎖緊機構：它是在進行起下鉆作業時使用的，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，以便進行起下鉆作業。

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償裝置；國外也都如此，故將其稱之為傳統的升沉補償裝置。
海洋浮式鉆井鉆機兼施升沉補償功能絞車

隨著現代信息化及機、電、液、氣一體化的進步，國外開始出現了一種新的對鉆井過程中的升沉運動的補償方法及裝備。它不用在游動滑車與大鉤之間裝設一套如圖2所示的液壓缸式的升沉補償裝置，而是就利用鉆機的絞車本身來實現海洋浮式鉆井的升沉運動的補償，因此，筆者將它稱作為海洋浮式鉆井用的鉆機的兼施升沉補償功能絞車，國外稱它為AHD（Active Heave Drawworks）。這種新型鉆機的絞車的結構組成及兼施升沉補償功能的工作原理，如圖3所示。

傳感系統：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）升沉運動數據；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：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動而獲得的游車相對位置的信息，及時發送給可編程控制器。

控制系統：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及絞車傳動軸編碼器，發送到可編程控制器的信息，進行處理，并在處理后及時輸出信號給驅動絞車的電動機，從而改變電動機輸出軸的轉速及轉向，實現絞車滾筒軸及滾筒的轉速及轉向的調節和轉換。

顯然，通過調節電動機的轉速及變換其轉向，即可使為其驅動的絞車的傳動軸及滾筒上的轉速和轉向，得到調節和變換，因而使大鉤上的升沉運動，及時主動獲得補償。故而，又可將這種升沉補償原理，稱作主動升沉補償。
我國提出的海洋浮式鉆井鉆機的多重功能絞車

為了不僅能夠兼施升沉補償功能，而且還能夠同時實現自動送鉆功能，我國如浙江大學等科研單位，提出了一種新型海洋鉆機的絞車的方案，它具有多重功能，筆者將其稱之為海洋浮式鉆井用鉆機的多重功能絞車。這種絞車的結構組成及其同時實現升沉補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—被動補償液壓馬達；3—自動送鉆電動機；4—擺線減速器；5—太陽輪動力輸入軸；6—主動補償電動機及變頻驅動系統；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（液氣轉換器）。其各個系統，具體說明如下：

一是動力輸入系統。主動補償：采用電驅動，動力通過傳動機構的外齒圈輸入。

被動補償：采用液壓馬達驅動，動力也是通過傳動機構的外齒圈輸入。

自動送鉆：采用電驅動，動力通過傳動機構的太陽輪輸入。

二是絞車傳動系統。采用差動行星輪系作為絞車的傳動機構。來自主動補償電動機與被動補償液壓馬達的動力，由行星輪系的外齒圈輸入；來自送鉆電動機的動力，由行星輪系的太陽輪輸入；通過行星輪架輸出復合動力，從而驅動絞車滾筒軸及滾筒，給出聯合運動。

三是絞車控制系統。滾筒正反向轉動：PLC控制單元，根據檢測到的平臺升沉的信息，控制主動補償電動機，帶動差動輪系的外齒圈轉動，從而通過驅動滾筒正反向轉動，來補償平臺的升沉運動。

自動送鉆運動：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，驅動太陽輪轉動，從而實現自動送鉆運動。

四是降低能耗系統。它主要是裝設蓄能器（氣液轉換器），蓄能器中活塞前后分別為液體與氣體。這樣，即可通過被動補償液壓馬達，來承擔鉆柱的部分靜載荷；而主動補償電動機，則只是用來克服升沉運動補償過程中的其余載荷，從而降低了系統的能耗、提高了補償精度。
海洋鉆機多重優點凸顯

我國提出的多重功能海洋鉆機絞車，與國外的兼施升沉補償功能的以及配備傳統的升沉補償裝置的海洋鉆機絞車相比，主要有以下優點：

第一，節省能耗：由于它利用液壓馬達與蓄能器的液氣彈簧特性，可以對鉆柱重力勢能進行周期性的釋放與存儲，從而降低了兼施升沉補償功能絞車的裝機功率與能耗。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。僅就補償工況時海洋鉆機的絞車而言，用于升沉補償的功率，初步估算，相對于國外兼施升沉補償裝置功能絞車，可節省能耗約53%。

第二，節省投資：我國提出的方案，由于它將海洋鉆機的絞車與升沉補償裝置的功能集于一身，這樣，節省了配備一套專用的補償裝置，因而比配備傳統的升沉補償裝置的海洋鉆機的絞車，節省了大量投資。

第三，節省空間：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：根據我國提出的方案的升沉補償性能的仿真計算結果，其補償后的大鉤位移穩定在-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；而且較常用的傳統的升沉補償裝置以及國外的兼施升沉補償功能絞車的補償精度，均提高了不少。此外，我國提出的方案，它還具有響應快速、鉆機裝備重心低以及補償范圍不受液缸長度的限制等性能優點，也是配備傳統的專門的升沉補償裝置，無法與之比擬的。

第五聯合運動：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構，因而，它既可通過驅動外齒圈，進行升沉補償運動；又可通過驅動太陽輪，進行自動送鉆運動。這樣，即可使行星架與絞車滾筒輸出的是兩種運動的復合運動，從而巧妙地實現了兩種運動的解耦控制與聯合運動。只要通過PLC控制單元，可完成補償升沉及自動送鉆兩項任務，這是我國提出的方案的獨到之處。

總之，在目前我國強調保護海洋權益的形勢之下，勘探開發我國南海深水油氣資源，已成為當務之急。我國自己研制的“海洋石油981”深水半潛式鉆井平臺，已開赴南海進行試鉆。因此，解決海洋浮式鉆井的升沉補償問題，已迫在眉睫。在目前我國強調以創新作為發展經濟的驅動力之一的形勢下，解決海洋浮式鉆井的升沉補償問題，宜采取自主知識產權、創新制造出高端產品的辦法，走“國產”的道路。本文介紹的我國提出的海洋浮式鉆井鉆機的多重功能絞車方案，可供石油裝備制造行業，在考慮選擇生產創新高端產品時，作為上乘之一參考。