495202701毕业设计（论文）全平衡式伸缩钻杆设计.doc

全平衡式伸缩钻杆设计摘要：深海钻井时，半潜式钻井平台或浮式钻井船在波浪作用下产生周期性的升沉运动，使钻柱作上、下运动，造成井底钻压变化，甚至钻头脱离井底而无法钻进，因此需要采取措施补偿升沉运动。全平衡式伸缩钻杆在钻铤上方增加一根伸缩钻杆对此进行补偿，在钻杆中间设置一平衡缸，使高压钻井液在液缸中产生的轴向力与钻杆工作时产生的张开力完全平衡，使伸缩钻杆不会自行张开。本文首先介绍了国内外海洋石油钻采设备的发展现状，在拟定工作原理的基础上，对全平衡式伸缩钻杆进行了结构设计和各组件的力学性能分析。关键词：伸缩钻杆；平衡缸；结构设计；力学性能分析The design of fully balanced telescopic drill pipeAbstract：Deep-sea drilling, the semi-submersible drilling platform or floating drilling vessel produce periodic heave motion under the action of the waves, so that the drill string float up and down, resulting in changes of drilling pressure in bottom hole, and even drill bits from the bottom and can not drill, therefore need to take measures to compensate for heave motion. Fully balanced telescopic drill pipe adds a telescopic drill pipe above on the drill collar to compensate for this, setting a balance cylinder in the middle of drill pipe, drilling fluid pressure produced in the hydraulic cylinder can be balanced completely to the axial open force generated from when the the drill pipe work, so flexible drill pipe will not automatically open. This paper introduces the development of offshore oil drilling and production equipment status both the domestic and international, based on working out the principle, designing the structural of the fully balanced telescopic drill pipe and analysising the mechanical properties of the various components about the drill.Keywords：Telescopic drill pipe；Balance cylinder；Design of structure；Mechanical analysis目录1 绪论11.1 研究背景及目的11.2 国外海洋石油钻采设备的发展情况21.3 国内海洋石油钻采设备的发展现状31.4 我国海洋石油钻采设备与国外的主要差距71.5 海洋钻井船的几种升沉补偿装置81.5.1 游动滑车与大钩间装设升沉补偿装置81.5.2 天车上装设升沉补偿装置101.5.3 死绳上装设升沉补偿装置112 全平衡式伸缩钻杆工作原理设计133 全平衡式伸缩钻杆结构设计143.1 总体结构及标准件设计143.2 各组件结构设计154 全平衡式伸缩钻杆各组件的力学性能分析204.1 接头的力学性能分析204.1.1 平衡缸与其两端接头的连接强度校核204.1.2 下工具接头的抗扭强度214.1.3 下工具接头联结要素的计算和其理论上紧力矩的计算214.2 钻杆的抗扭强度分析计算234.3 钻杆各组件的强度校核254.3.1 心轴的强度校核264.3.2 短节的强度校核274.3.3 内冲管的强度校核274.3.4 内轴的强度校核294.4 钻杆的抗挤毁强度分析计算304.5 钻杆各组件的抗内压强度分析计算324.5.1 心轴的抗内压强度334.5.2 短节的抗内压强度334.5.3 内冲管的抗内压强度344.5.4 内轴的抗内压强度344.6 钻杆各组件的抗拉强度分析计算354.6.1 心轴的抗拉强度364.6.2 短节的抗拉强度364.6.3 内冲管的抗拉强度374.6.4 内轴的抗拉强度384.7 接头的抗内压强度及抗拉强度分析394.7.1 圆螺纹管类接头的抗拉强度394.7.2 接箍的抗内压强度395 结论41参考文献42致谢43附录441 绪论1.1 研究背景及目的地球的表面积为5.1亿平方公里，海洋覆盖了地球约71%的表面积，即3.62亿平方公里。海洋中蕴藏着丰富的石油资源，据专家预测，海洋石油资源占全球石油资源的1312 。世界上的主要产油区基本都处于海洋地带，如波斯湾、地中海、北海、几内亚湾、加勒比海、墨西哥湾等。随着全球资源越来越紧张，陆上油气开采已有饱和的趋势，海洋越开越成为人类能源需求的最后依赖之地。 对我国来说，随着机械制造工业的不断发展，石油钻采设备也逐步改进，石油开采也随之不断加快步伐，从陆地到海上石油的开采量都有显著增加。但是，由于经济的高速增长，石油消费也呈现出快速增长的趋势。由于受国内石油资源的限制，中国石油产量已无法满足经济增长对其日益增长的需求。2008年我我国石油净进口量达2.0067亿吨，已成为全球第二大石油消费国，石油对外依存度达到51.3% 。预计到2020年我国石油自给率将只有40%，2050年将有70%以上的石油从国外进口。面对当前的能源紧张情况，我国的几大油田除西部以外都已经接近开采的后期，然而，我国的海洋石油开发却刚刚是个开始。为了提高我国石油的自给程度，除继续开发陆上油田之外，还需要充分挖掘深海拥有丰富油气资源的潜力，“向深海进军” 、“向深海要油” 。近年来，中石油、中石化、中海油三大公司对海上石油开采越来越重视，均提出了“向深海要油”的课题。 “向深海要油”的必要性是：（1）深海水域面积的客观存在。全球海洋平均深度为3730m，而其中水深在30006000m的就占了海洋总面积的73.83% 。但是，水深200m以内的近海大陆架水域面积却仅仅占了海洋总面积的7.49% 。这种对比悬殊的客观存在，决定了要大力向深海找资源。（2）深海潜在的油气资源条件。目前，世界上已在海上发现了油气田1600多个，仅其中已经投产的200多个油气田年产量即达到12亿吨，约占世界石油总产量的13 。但应该指出，目前已探明的海洋石油储量80%以上均是在水深500m以内，而水深大于500m的大面积海洋中的油气资源，约占全球海洋石油资源的44%，尚有待探明。（3）全球海上油田的发展趋势。近年来，全球海洋石油开发主要是向深海发展，仅2001年一年内，全球在水深超过1000m的海域里的探井数就多达130口。据估计，在20012007年，全世界投入的海洋油气田开发项目就有434个，其中水深大于500m的深海项目占到了48% 。还有22%的项目属于水深大于1200m者。目前，全球约有60多个国家从事深海油气勘探，且已发现了33个超过5亿桶的深水巨型油气田。因此，“向深海要油”是大势所趋。（4）我国深海油气开发的有利形势。我国南海海域面积多达200万km，它是世界上四大海洋油气聚集中心之一。我国南海石油储量约有230亿300亿吨，天然气338万亿方，其中70%在深水。我国有300m水深以上的海域153.7万km，而目前只勘探了16万km，基本上都未进行勘探。为此中海油总公司已感到深海油田勘探开发的必要性与迫切性，正在南海1.9万km的深海海域开始勘探作业。形势表明：深海油气资源勘探开发，必将成为我国未来海洋石油的“主战场” 。我国海上油田的开发，虽然至今已有近40年的历史。但是，基本上是在滩海、浅海、近海开发油田。目前，国际上通常是将400m以内水深划作常规水，4001500m水深划为深水，超过1500m称为超深水。由于我国的海上油田开发一般均在常规水深范围之内，因此，深水以及超深水的油田开发工程技术对我国来说尚属空白，需要我们去自主创新。国外的深海石油钻采已创造了2964.8m（9727ft）工作水深的记录，他们有很多技术和装备值得我国借鉴。目前我国已拥有自己设计制造海洋石油装备的能力，并已积累了自主开发海上油田的经验。但是，我国海域辽阔，海况千差万别，水深差异也较大。因此，如何针对我国深海海域的特点，发挥我国已有的设计建造能力，运用我国已掌握的生产经验，在“消化”国外先进技术、装备的基础上，自主创新，创造性地研究出具有中国特色的深海油田开发工程技术及装备，就成为“向深海进军”的重要课题。在海洋油气资源勘探和开发工作中我们遇到了很多新的问题，有待我们加以解决。其中，在深海钻井作业中，解决钻井船的升沉问题是我们的当务之急。浮式钻井船和半潜式钻井平台会在波浪的作用下，产生周期性的上下升沉运动，使钻杆柱作上、下运动，造成井底钻压变化，甚至钻头脱离井底，无法钻进，因而需要采取措施补偿升沉运动。增加伸缩钻杆是一种简单易行的补偿措施，当船体作上下升沉运动时，由于伸缩钻杆的作用，只有伸缩钻杆以上的钻杆柱随之作上下轴向运动，而伸缩钻杆以下的钻铤则不受影响，使钻压维持一定从而正常钻进，同时还避免了钻井船上升时提起钻铤、而钻井船下沉时压弯钻杆柱的情况。这样，与传统钻井相比较，其钻井效率将会大大提高，有助于我们实现”向海洋石油进军”的口号。因此，全平衡式伸缩钻杆有着广阔的开发前景和应用空间。1.2 国外海洋石油钻采设备的发展情况目前，国外的海洋钻采设备处于领先地位，其深海石油钻采装置的核心装备是移动式深海采油装置MOPU（Mobile ocean Production unit）。目前国外的海洋石油钻采用到了以下几种设备：（1）深水半潜式平台。它可以兼做钻井及采油平台，还可以起重和铺设海底管线，功能齐全。它由中部支柱支持上部甲板，由底部浮箱实现沉浮。因浮箱沉于较深海水中，再加上锚泊系统，故稳定性好。至2002年底，全世界工作水深在1829m（6000ft）以上的已有31艘，在水深2286m（7500ft）以上的已有16艘，最深的工作水深已达3048m（10000ft）。（2）张力腿平台。它兼有钻井及采油功能，它由置于水下的浮力舱上的框架支撑着上部甲板及组块，在浮力舱的下端有钢管制成的张力腿，将平台固定于海底，因而稳定性及安全可靠性均佳。随水深的增加只是将张力腿延长，故造价对水深并不敏感，这是它适用于超深水的最大优势。这种平台在墨西哥湾应用最多，共约有20座，而在我国尚属空白。（3）柱筒式平台（SPAR）。柱筒式平台是由上部甲板及组块、柱筒式浮体、系泊缆、顶部浮筒式井口立管、悬链式立管（外输）和海底桩基础等组成。它在浮体下部的压载调节下，致使浮心高于平台重心，形成“不倒翁” 。再加上锚泊系统的牵制，因而可使平台运动控制在允许范围内。这种平台因柱筒内可储油，故既可用于钻井、修井，又可进行采油生产及储油。该平台用于超深水时，造价比张力腿平台有明显的优势。目前，这种柱筒式平台，全世界共有15座，主要集中在墨西哥湾，在我国也属空白。（4）浮式生产储油卸油装置。它是将集油计量、油气水处理、储油、装卸运输等功能均在油轮上实现的装置，简称为FPSO。与上述三种平台相比，更具有较大的处理能力和储油能力，并可通过改装超级油轮实现建造周期短，投资少，甲板上操作空间大，设备利用率高，输出原油成本低，经济效益高的优越性，目前这种FPSO在世界上共有约67艘，已占到全球移动式深海采油装置（MOPU）总数的53.6% 。当前世界最大的FPSO“Agbam” 号，载重量40万吨，工作水深1500m。我国已拥有12艘FPSO，居世界第4位，但最大工作水深为105m，属常规水深。1.3 国内海洋石油钻采设备的发展现状当前，我国海上油气勘探开发主要集中在大陆架区块，水深不超过300m，钻井深度在7000m以内，水下生产系统设备几乎全部依赖进口，海上原油发现率仅为18.5%，天然气发现率仅9.2% 。资料显示，我国拥有海洋钻井平台的数量相对较少。作为我国具有国际竞争力的海上石油公司，中海油拥有平台的基本情况为：固定平台65座、自升式平台9座、半潜式平台3座、FPSO 14座。从海洋装备发展历史来看，我国海洋石油装备的研制始于20世纪70年代初期。80年代后，我国在半潜式钻井装备研制方面有所突破。进入21世纪后，尤其是近几年来，我国加大了海洋油气资源的勘探开发及石油钻采装备的更新力度，海洋装备技术有了较快发展。从我国海洋装备造船业基本情况分析，当前我国还没有一家真正意义上的专门从事海洋石油钻采设备的专业造船公司。但就平台建造而言，国内目前具有一定研制基础和建造经验的公司主要包括沪东中华造船（集团）有限公司、上海外高桥造船有限公司、江南长兴造船有限责任公司、青岛北海船舶重工有限责任公司、大连船舶重工集团有限公司等。沪东中华造船（集团）有限公司是国内第一家年造船总量突破100万吨的企业，曾完成我国第一艘双体钻井浮船“勘探1号”的建造，并建造4200LPG船，“胜利3号”坐底式钻井平台等。上海外高桥造船有限公司是国内第一家年产能力达到200万吨以上的船厂，目前已经建成30万吨级以上大型船坞2座和2台600吨龙门起重机等。青岛北海船舶重工有限责任公司是中国船舶重工集团控股的大型船舶修造企业，曾建造了我国“胜利2号”钻井平台、“胜利3号”作业平台、“辽河1号”自升式钻修井平台等。大连船舶重工是中国船舶重工集团控股的特大型综合性造船企业，拥有一般船台4个，半坞式船台1个，船坞5座等，迄今为止，共建造自升式、半潜式等平台36座。从海洋装备研究机构情况来看，我国专门从事海洋装备研究的机构较少，具有系统研究海洋石油钻采装备的机构则更少。就单元技术而言，主要研究单位包括：上海七O八所、上海交通大学、大连理工大学、中国石油大学（华东）等。上海七O八所是一个在海洋平台工程设计方面信息化较高、较系统的研究机构， 曾设计过自升式、半潜式、坐底式钻井平台，坐底式采油平台等。迄今已研制了9个型号的FPSO，从5万吨级到15万吨级，单点系泊从软钢臂式到内转塔式，作业水深从24m到120m。上海交通大学设有海洋工程国家重点实验室，在动力定位系统研制方面已经取得具有自主知识产权的研究成果。大连理工大学参与过4座半潜式钻井平台（BINGO-9000型）主体结构优化设计、多点锚泊系统设计研究和高压管线系统设计，形成了海洋环境参数分析预报、海洋结构物在海洋环境作用下运动与遭遇环境荷载计算、系泊系统分析、结构动力响应与优化设计、结构疲劳分析计算等软件系统。中国石油大学（华东）开设有海洋石油工程研究室， 配置有高频疲劳试验机、智能涡流检测系统、大型风浪槽等硬件系统及ANSYS、ABAQUS等多个分析计算软件，在油气装备强度分析和可靠性评估理论等方面具有一定的理论基础和经验。从我国海洋石油装备制造情况来看，生产成套海洋石油钻机、海洋水下生产系统等具有较大影响和规模制造能力的企业相对较少。宝鸡石油机械有限责任公司能够设计制造150012000m的成套陆上海洋钻机、大功率钻井泵等产品。近年来，该公司已先后承担并完成了CNOOC惠州、春晓、番禺30-1、南堡35-2、CPOE 61、63等多个项目钻、修井机模块的研制工作，为我国海洋石油成套装备的发展打下了良好的基础。兰石国民油井石油工程有限公司目前能够制造1000 9000m各种成套石油钻机及海洋井架等。南阳二机石油装备（集团）有限公司能够制造10004000m橇装系列钻机、车装系列钻机以及海洋修井机等。随着海洋石油工业的发展，我国石油钻采设备制造工业已经有了长足的进步，无论是在设计、研制或是在建造等方面，均具备了相当的能力和水平，当然，与国外先进水平相比还有差距。概括起来，我们的发展现状是：（1）具有自行设计、建造工作水深较浅的各型移动式钻井平台的能力我国已有各种型式的移动式钻井平台24艘，其中1艘“南海3号”自升式钻井平台租给外国使用时被烧毁，现有23艘。退役的和翻沉的5艘，目前在用的是18艘。在这18艘中，有10艘为我国自行设计建造的。这充分说明，我国已经具有自行设计、建造工作水深较浅的坐底式、自升式、半潜式等各种类型移动式钻井平台的能力。（2）具有自行设计、建造工作水深150米以内的固定采油平台的能力中国海洋石油总公司自1992年以来，已独立设计、建造了水深5米以内的浅海用固定采油平台10余座。我国已拥有塘沽、深圳、胜利、湛江等4个大型专用固定平台制造基地，有2500吨的起重船。（3）具有自行设计建造工作水深100米以内的浮式采油系统的能力海上浮式采油系统一般是由三部分组成，即：进行油气分离处理及储存的浮式储油平台，如FPSO(Flooting Production Strorage Oil)、半潜式平台、张力腿平台等等，以及在海上系泊它的单点或多点系泊装置、运输原油用的穿梭游轮等。我国目前共有海上浮式采油系统8套，如表2所列，其中，半潜式1艘，即“南海挑战号” ，它是由新加坡的FELS和Keppel船厂改建的；其余7套种有3套是我国自行设计制造的，即“渤海明珠号”（江南造船厂建造），“渤海友谊号”（沪东造船厂建造）；“长庆号” （沪东造船厂建造）；另外的4套，“南海发现号” 、“南海希望号” 、“南海开拓号” ，均系美国、新加坡等外国公司制造的。虽然我国自行设计建造的仅3套，但它表明我国已经具有这种能力。（4）具有自行设计制造6000米深井钻及顶部驱动装置的能力兰州石油化工机械厂1995年生产出了我国第一台AC-SCR-DC的ZJ60DS型全套6000米钻机，用的是美国NC公司1320VE钻机的全套图纸。这台钻机曾在新疆沙漠地区使用，性能和质量良好，完全可以用于海上油田钻井。宝鸡石油机械厂1995年8月生产出了我国第一台DQ-60D型直流电动机驱动的顶部驱动装置。目前，又研制成功DQ-60H型液压驱动的顶部驱动装置，它们均可以用在海上。（5）具有一定的自行设计制造浮式钻井用水上、水下主要设备的能力在这方面，应该说我们早已具备了一定的能力，这是因为：1974年，我国自行设计制造的第一套大钩型钻柱运动补偿装置，就成功地用于钻井浮船上（勘探1号），并在黄海钻井9口。1974年我国研制的隔水管张紧器，也在“勘探1号”钻井浮船上应用，使用情况良好。1974年地质矿产产部上海海洋地质局技术装备研究所设计研制的浮式钻井用的水下设备，并在“勘探1号”钻井中使用。上世纪80年代以来，上海第一、第二石油机械厂、大隆机械厂等厂家引进了美国的浮式钻井用水下设备及其控制系统生产制造技术，提高了这方面的制造水平。（6）具有自行设计制造水上完井系统所需水上采油设备的能力海洋钻井的完井方式，一般分为平台完井（水上完井）、海底完井和进水面完井等三种方式。水上完井主要用于固定平台，是在平台上装设采油树。该系统包括：泥绳悬挂回接装置（自升式平台用）或海底套管头回接装置（浮式钻井平台用）、水上采油树、采油管汇和井下生产管柱等设备；海底完井主要用于浮式采油平台，也可用于自升式或张力腿式采油平台，这种完井方式的采油树是安装在海底的，所以系统设备就复杂一些，主要包括有湿式或干箱式采油数以及海底管汇、控制管线、动力管线、油气输送管线和井内生产管线等；近水面完井方式是将采油树装设在水面下2030米的大型浮箱上，下面用具有挠性接头的钢管与油井相通，上面用软管与水面的平台相连，因此，该系统设备除了带挠性接头的钢管和软管等特殊设备之外，其余设备与海底完井系统没有什么区别。从完井设备来看，我国的设计制造能力表现在：我国已经能够产生、供应70Mpa以下的水面平台完井所需要的采油树；1994年以来，水面平台上装设的油气水处理设备已实现国产化。（7）具有对固定采油平台服役期间进行安全可靠性评估的初步能力海上固定采油平台在服役期间，通过检测、监测发现其构件上的缺陷、裂纹、腐蚀情况等，而后通过计算对其进行评估，给出预测的剩余寿命以及合理的检测周期等，对于保证平台安全可看，进行正常生产有着十分重要的意义。在这方面，我国在中国海洋石油总公司的大力推动下，取得可喜的成果。1992年，我国曾对即将服役期满的“渤海8号”采油平台进行过安全可靠性评估，评估结果已得到延长服役期3年的验证。这次评估是渤海石油公司的检测公司与石油大学合作进行的。通过软件计算之后得出评估结论，认为平台虽已满15年设计服务年限，但个别构件适当加固后使用期仍可延长3年。渤海石油公司采纳了此建议，采油平台继续使用了3年，油井继续生产，获得了显著的经济效益。1996年石油大学研制的OSFA软件（固定采油平台服役期安全可靠性评估软件）已通过中国石油海洋总公司鉴定，可以付诸应用。这个由众多模块组成的多功能大型计算软件既可用于平台服役期安全可靠性评估，还可以用于设计新的平台。我国的生产部门与高等院校、科研单位密切合作，联合攻关，是一个方向，不仅使攻关力量增强，科技资源得到充分发挥，而且有助于确保成果水平和快速应用，好处很多。例如，石油大学与渤海石油公司合作研究开发的“海洋平台结构检测维修、安全评定与实时监测系统” ，2002年2月曾获得国家高校科技进步奖。当然这些还都是初步的，因为有的成果尚未有效使用，有的应用范围还不够宽。（8）缺乏自行设计制造水下完井系统及海底采油全套设备的能力这方面的问题主要表现在：尚未设计制造水下完井系统。这是指海底完井和近水面完井所需要的设备。如，海底湿式采油树、干箱式采油树、沉箱式采油树、海底管汇以及近水面完井系统用的大型浮箱、带挠性接头的钢管、软管等。尚未设计制造油气水混输泵。海底完井时，需要将未经油气水分离的流体用混输泵经管线输送到海上中心处理平台、岛屿与陆上。但是，这种混输泵设计制造技术复杂，难度大，目前我国还没有解决。渤海岐口17-9平台1997年曾引进德国制造的两台双螺杆泵，但使用时间不长就出了故障，未获成功；我国兰州奈莫泵业公司曾生产一种单螺杆泵，在新疆油田应用，但未在海底应用过。尚未研制海底采油配套设备。海底采油的成套设备包括：水下采油树、水下集油站、水下保养站、水下维修舱以及相关的检测仪器设备等，我国均未设计制造过。尚未研制海底油气分离设备。这样的设备包括海底和井内两个方面，如海底油气水分离及回注设备、油井内油水分离设备、油井内油气分离设备等，这些我国均未自行设计制造过，在油井内很小的空间装设油、气和油、水分离装备，实现油、气、水的分离，难度是很大的。1.4 我国海洋石油钻采设备与国外的主要差距近40年来，尤其进入21世纪后，我国无论在陆地还是海洋石油钻采装备发展方面均取得了长足的进步。但就海洋石油钻采装备技术发展而言，我国与世界发达国家之间还存在多个方面的差距，主要体现在以下方面：（1）海洋石油装备专业化程度偏低与西方发达国家相比，我国在海洋钻采设备制造方面的专业化程度较低，集团化、国际化程度较差，企业技术投入少、自我创新意识比较淡薄。如美国NOV 公司是当前国际著名的石油钻采装备企业，其产品范围几乎覆盖了从常规陆地钻采、特殊地域钻采、海洋水上、海洋水下等全方位、全地貌各种类型的石油钻采装备产品的研发，并在世界多个国家、多个地方设有自己的子公司等，发展规模位居世界石油钻采装备之首。（2）海洋石油装备数量少、类型单一据统计，世界上目前正在使用的钻井平台约580座，如果加上各种采油平台、采油船等数量更多。其中的平台形式包括各种新型TLP平台，SPAR平台、顺应式平台及其它多功能综合性平台等，形式多样、品种齐全。相比较，我国当前的情况则相对较差，已经投入使用的海洋油气钻采装置仅37座，且以导管架式、坐底式、自升式等结构为主，结构简单，功能单一。20002004年，全世界共建造新的自升式平台16艘，半潜式平台1艘，钻井浮船6艘，我国在同期仅建造了半潜式钻井平台4艘，且仅是建造其船体，其它配套设备全由国外配套建造。（3）海洋石油装备适应水深、钻深能力较差2004年，全球半潜式平台数量猛增至183座，尤其水深在1829m（6000英尺） 以上的有31艘，而水深在2286m（7500英尺）以上的有16艘，最大工作水深已达3048m（10000英尺），海洋钻井提升设备的提升能力达到1.25×kN，钻井深度超过10000m。我国海洋石油钻井至今还没有涉足深水领域，1984年，上海造船厂建造的“勘探3号”最大适应水深能力还不足300m。至于设备提升能力及钻井深度，差距更大，当前我国用于海上的国产化钻井设备的提升能力仅4500kN，钻深能力至今没有超过7000m。（4）海洋石油装备配套基础差、配套能力不足在石油钻采装备的配套基础方面，我国无论从动力上、控制上及设备综合配套能力等多个方面均与世界发达国家存在较大差距。如国内钻机上使用的柴油机、变频器、井口机械化工具、顶部驱动装置等都是从西方发达国家进口；在海洋钻井控制系统方面，海洋钻井平台上使用的钻杆、隔水管、海洋水下设备自动输送、安装、起吊装置， 平台双井架、DP3动力定位、双井口自动钻井及钻杆等设备起、下系统，海洋钻井升沉补偿装置等，国外使用历史均在10年以上，而国内至今仍处于分析研究阶段；至于海洋深水关键设备，至今则还处于空白状态。（5）海洋石油装备研究机构少，投入不够我国至今还没有一个专业分布面广、系统研究性比较全面、综合能力很强的海洋石油装备研究机构。上海七O八所对船体结构研究有一定基础，但受行业限制，该所缺乏石油钻采装备及钻井工艺方面的专业基础；宝鸡石油机械有限责任公司对成套钻机研究具有非常成熟的经验，但在海洋平台和控制技术研究方面缺乏必要的基础和资源。此外，投入方面存在3个主要问题：一是关键试验设施、试验设备、设计软件比较缺乏；二是从事专业研究的技术人员少、科技开发投入不足；三是企业、油田承担风险的能力较差，从而导致我国海上石油装备的发展受到了较大限制。1.5 海洋钻井船的几种升沉补偿装置目前解决升沉补偿问题，主要方法除过增设伸缩钻杆之外还有增设升沉补偿装置。下面介绍几种主要的升沉补偿装置：1.5.1 游动滑车与大钩间装设升沉补偿装置图1-1 游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置1.结构（1）液缸 两个液缸用框架与游动滑车相连，随船体升沉作上下运动；（2）活塞 两个液缸中的活塞通过活塞杆与固定在大钩上的下框架连接，随大钩在液缸中作上下运动。大钩载荷由活塞下面的液体支撑；（3）储能器 储能器与液缸相通。储能器中有活塞，其下端的液体通过软管进入液缸；其上端的气体通过管线与气罐相通。这样，液缸中的液体压力即由储能器中的气体压力所决定。调节气体压力就可以改变液体压力；（4）锁紧装置 用于将上下两个框架锁紧成一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，以便进行起下钻工作。2.工作原理（1）正常钻进时，大钩上悬挂的钻杆柱总重量为Q，井底钻压为W，补偿装置中液缸内的液体压力为，则三者的平衡关系为 =0 （1-1） Q=qL式中：补偿装置中液缸活塞面积；Q每米钻杆柱的重量；L钻杆柱全长。 （1-2）从（1-2）可以看出：1）为了保持钻压W，只要保持液缸中的液体压力为一恒定值即可。为了调节钻压，只要调节储能器中进气压力，改变液缸中的液体压力即可。2）为了实现自动送进，只要调节液缸中液体压力，使2略小于整个钻柱的悬重，并使液缸中活塞行程大于升沉位移。（2）绳索作业时，当进行电测、试井等绳索作业时，因下井的器具很轻，尚未达到井底时，船的升沉不影响绳索的拉力，故需另加一根传感绳，其底端固定在隔水管顶部，再通过在大钩上悬挂的滑轮，将绳固定在井架底座上。传感绳作用在大钩上的拉力相当于钻杆柱的悬重。因此，仍可利用升降补偿装置，在船体上下升沉时进行绳索作业。绳索作业时,送器具下井的工作绳，自绞车引出后，通过悬挂在大钩上的另一个滑轮下入井内。此滑轮与传感绳通过的滑轮保持一定距离，都固定在同一杆件上。由于钻台随船体升沉而上下运动，因此传感绳的固定端及工作绳绞车也不断上下运动。这样，两绳的大钩处滑轮上时松时紧，即两绳作用在大钩上的拉力时大时小。但当升沉补偿装置液缸中压力一定时，就起着一个钢绳张紧器的作用。当传感绳松拉力小时，恒定的液体压力推动活塞上行，带动大钩，又使传感绳拉紧。当传感绳拉力大时，由于恒定液体压力比传感绳的拉力小，活塞及大钩被拉下行又使传感绳放松。这样，就可使传感绳及下井工作绳两根绳对大钩保持恒张力，而不受升沉影响，正常进行绳索作业。井架、天车随船体升沉时，只是带动游车及升沉补偿装置的液缸体上下运动。1.5.2 天车上装设升沉补偿装置图1-2 天车上装设的升沉补偿装置1.结构（1）浮动天车 它通过滚轮在垂直轨道内移动。天车本身除具有普通天车的滑轮结构之外，多装两个辅助滑轮，辅助滑轮的轴与天车轮的轴之间用连杆连接。快绳及死绳分别通过两个辅助滑轮引出。这样，当天车沿着垂直轨道移动时，只是辅助滑轮动作，而通过辅助滑轮的钢绳与滑轮间无相对运动，延长了钢绳的寿命；（2）主气缸 用于支持浮动天车。共四个，倾斜放置，由钻井船甲板上的空气压缩机供气。它相当于支持浮动天车的大型弹簧；（3）液缸 共有两个液缸，垂直放置，由甲板上的液压泵供油。它只用作液力缓冲用的安全缸，以克服大钩载荷的惯性影响；（4）储能器 安装在井架上，有管路与四个气缸相通。用以调节主气缸的气压。其它如压力机、气压表、储能器调节阀；液缸调节阀等均装在钻井船的甲板上。2.工作原理（1）补偿升沉 由浮动天车来实现补偿。当钻井船上升时，天车相对井架沿轨道向下运动，压缩主气缸气体。当钻井船下沉时，天车相对井架向上运动主气缸气体膨胀。这样，主气缸相当于大弹簧，可以补偿升沉。（2）控制钻压 司钻借助指重表观察井底钻压大小，再根据地层变化，利用钻井船甲板上的调压阀，控制自空气罐至主气罐系统的空气压力，使井底钻压调至合适的值，并保持此值。（3）自动送进 正常钻井时，司钻可以借助天车行程指示器观察天车下行的位移值。当浮动天车下行至最低点时，司钻即放松绞车滚筒上的钢丝绳，待浮动天车上行至最高点后，继续自动进尺。（4）保证安全 当大钩载荷突然减小时，液缸可支持着钻杆柱重量，并使其减速，防止事故。当主气缸严重漏气时，同时可依据液缸来支持大钩载荷，以保证安全。（5）可进行绳索作业 当进行侧井、试井等绳索作业时，可另加一根传感绳。其一端固定在海底隔水管上，另一端自井架外边引至天车上，经滑轮后再连到滚筒上。这样就可放松或缠紧传感绳来代替大钩载荷的相应变化以适应绳索作业时钻井船的升沉。（6）进行起下钻作业 当起下钻时，可用锁紧装置将浮动天车锁住，使浮动天车不随起下钻而上下滑行。1.5.3 死绳上装设升沉补偿装置图1-3 死绳上装设的升沉补偿装置1：液缸；2：活塞杆；3：储能器；4：动滑轮组；5：定滑轮组1.结构（1）定滑轮组 死绳自天车引出后，先经一个传感滑轮，将拉力大小变成电信号，传至指重表，再穿过定滑轮组及动滑轮。最后，死绳端自定滑轮组引出固定在死绳固定器上。（2）动滑轮组 它可以在框架内移动，其行程大小和死绳拉力有关。动滑轮组的轴承座装在行车上，行车上下均有滚轮，滚轮沿上下工字梁轨道滑行。动滑轮组前面为固定在行车上半月牙拨叉，拨叉另一端与液缸的活塞杆相连。（3）液缸 液缸中有活塞，一端与低压储能器相通，另一端与高压储能器相通。当死绳上拉力减小时，传感滑轮发出信号后，指令阀动作，液缸中活塞右端压力增加时，指令阀动作后，活塞右端压力减低，活塞向右运动，使死绳放松，直至达到恒定拉力，液体自活塞右端回储能器。（4）高压储能器 储能器由压气机供气，储能器上部有安全阀，下部有放气阀。（5）低压储能器 空气经滤清器，调节器沿管路进入低压储能器，低压储能器上部也有安全阀，下部也有放气阀。（6）控制台 控制台上有压力表、指重表、动滑轮行程指示灯、压力控制器、压气机启动及停车机构等。2.工作原理通过调节液气压力容器中气压来改变死绳拉力。再利用调节死绳上拉力使井底钻压保持基本恒定。此外，还通过液压推动活塞来调节钢丝绳的有效长度。由于利用死绳上拉力变化的传感信号和指令等电控制系统，死绳上装设的升沉补偿装置比较复杂，所以应用较少。天车上装设的升降补偿装置，虽然占用甲板面积和空间均少，而且管线短，密封少，不需用高压管等优点，但由于需要特制大井架以及天车，故应用不广。通过上述介绍，我们可以看到：与这几种升降补偿装置相比较，全平衡式伸缩钻杆虽然存在钻压不能调节、对钻杆要求高、不利于特殊作业等缺点，但也具有操作简单易行；体积小、重量轻；作用效果明显等优点。因此，本次设计有较强的应用性。2 全平衡式伸缩钻杆工作原理设计在深海钻井时，一般采用半潜式钻井平台或浮式钻井船。它们在风力、海浪力和海流力等海洋环境载荷的作用下，会产生周期性的上、下升沉运动，使钻杆柱也随之作上下往复运动，这样就造成了井底钻压不稳，影响钻进，严重时甚至造成钻头脱离井底而无法进行正常的钻井工作。因此，必须采取措施来解决这一问题。下面对我的设计思路作以介绍：我所设计的全平衡式伸缩钻杆是在钻杆柱的钻铤上方增设一根可伸缩的钻杆。伸缩钻杆由内、外管组成，沿轴向可作相对运动。内管由心轴、内冲管及内轴连接而成；外管有短节、传递套筒、套筒、平衡缸及其接头、下接头及下工具接头连接而成。根据设计要求，其行程为3m。当钻杆柱随钻井平台或钻井船作升沉运动时，由于伸缩钻杆的作用，只有伸缩钻杆的内管随其以上的钻杆柱作轴向运动，而外管及其以下的钻铤则不受影响，正常工作。这样就保持了钻压的稳定，同时还避免钻井船上升时提起钻铤，而下沉时压弯钻杆柱的情况。全平衡式伸缩钻杆结构原理如图2-1：图2-1 全平衡式伸缩钻杆1心轴；2防磨环；3隔离环；4挡圈；5主密封；6短节；7O形圈；8油堵；9传递套筒；10O形圈；11传扭销；12