目前，海洋油气在全球能源中，已具有举足轻重的地位，海上油气田的开发已成为石油工业的重要“阵地”。全世界已发现的海上油气田1600多个，已有600多个油气田投产，年产量已达到12亿吨以上，占世界石油总产量的三分之一。我国海上油气勘探尚属于中早期，是未来石油储量接替的重心。

但是，在我国南海深水区进行油气勘探开发，由于其特殊环境条件以及国内技术和装备的水平现状，带来的挑战很多、很大。其中，如对海浪引起的浮式钻井平台的上下升沉运动的补偿，就是重要挑战之一。因为通常在海洋钻井，均采用浮式钻井平台，如半潜式钻井平台、钻井浮船等，故而即将在浮动钻井平台（船）上进行的钻井作业，称为浮式钻井。浮式钻井时，由于浮动钻井平台（船）在海浪、海流、风的作用下，将产生六个自由度运动，其中，沿垂直轴的上、下往复运动即称为升沉。显然，当浮动钻井平台（船），作上、下升沉运动时，在浮动平台或船上的井架及悬吊于井架上的大钩和一长串钻柱，均随之作升沉运动。这时，若升沉位移过大，出现严重的情况，则将使连接于钻柱上的钻头，脱离井底，以致无法钻进；即使升沉位移不过大，也会由于升沉运动，使井底钻头的钻压不稳定，从而影响钻井质量。因此，在海洋浮式钻井时所使用的钻机，需要配备一套专门的升沉补偿装置，或采用其它方法，解决升沉运动的补偿问题。

目前，出现了一种将海洋浮式钻井钻机绞车与升沉补偿装置的功能，集于一身的新型钻机。因为有了这种新型钻机，不仅可以不再专门配备升沉补偿装置，而且，只通过绞车，即可实现对升沉运动的补偿；还可以实现自动送钻，“一机多用”，大大节约了能耗，大大节省了投资，是一个高效益的高端产品。所以，它是海洋浮式钻井钻机的新亮点，以下对其作些介绍。
传统海洋浮式钻井用的升沉补偿装置

海洋浮式钻井时，钻机对升沉运动的补偿，其工作原理，如图1所示。

如图1示，若用两个液压缸作为升沉补偿装置的主要组成部分，使其液压缸缸体与井架通过游动系统相连接；使液压缸中的活塞通过活塞杆与悬吊钻柱的大钩相连接，则可明显看出，当液压缸缸体随井架作升沉运动时，液缸内的活塞基本上保持不动，因而与活塞相连接的大钩、钻柱、钻头，即可基本上保持无升沉运动，从而即可使升沉得到补偿。这时，因为液压缸中作用在活塞上的压力pcAc（pc为液体压力，Ac为活塞面积），基本上与大钩上悬吊的钻柱的拉力Q - Wb（Q为一长串钻柱重量；Wb为钻压）相平衡，故而即可保持钻头在一定钻压Wb作用下，正常钻进，这就是游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置的工作原理。

升沉补偿装置虽然有几种类型，但是海洋浮式钻井，传统上常用的是运用上述工作原理的游动滑车与大钩间装设的升沉补偿装置，其结构组成如图2示：

一是液压缸：两个液压缸，其缸体用上框架与游动滑车相连，随平台、井架而上、下升沉运动。

二是活塞：两个液压缸中的活塞，通过活塞杆与固定在大钩上的下框架相连接，大钩载荷由活塞下面的液体压力支撑。

三是储能器：两个储能器，其活塞下端液体通过软管与升沉补偿的液压缸相通；其活塞上端为气体，通过管线与储气罐相通。这样，既可保持液压缸内液体压力的稳定，又可通过调节气罐中气体压力来变换液压缸中液体压力。

四是锁紧机构：它是在进行起下钻作业时使用的，通过它可以将上、下两个框架锁紧成为一体，从而使游动滑车与大钩连接在一起，以便进行起下钻作业。

我国“南海2号”、“南海5号”“勘探3号”等半潜式钻井平台上，都是采用这种类型的升沉补偿装置；国外也都如此，故将其称之为传统的升沉补偿装置。
海洋浮式钻井钻机兼施升沉补偿功能绞车

随着现代信息化及机、电、液、气一体化的进步，国外开始出现了一种新的对钻井过程中的升沉运动的补偿方法及装备。它不用在游动滑车与大钩之间装设一套如图2所示的液压缸式的升沉补偿装置，而是就利用钻机的绞车本身来实现海洋浮式钻井的升沉运动的补偿，因此，笔者将它称作为海洋浮式钻井用的钻机的兼施升沉补偿功能绞车，国外称它为AHD（Active Heave Drawworks）。这种新型钻机的绞车的结构组成及兼施升沉补偿功能的工作原理，如图3所示。

传感系统：如图3示，它包括有升沉加速度传感器及死绳拉力传感器等。前者可测量出平台（船体）升沉运动数据；后者可通过死绳拉力变化，测量出大钩上载荷变化的信息。这些信息均传递给可编程控制器。

编码系统：它主要由绞车传动轴编码器组成，它的作用是将通过绞车的传动轴上的运动而获得的游车相对位置的信息，及时发送给可编程控制器。

控制系统：它主要由可编程控制器组成，如图3中PLC控制单元所示。它的作用是将自传感系统及绞车传动轴编码器，发送到可编程控制器的信息，进行处理，并在处理后及时输出信号给驱动绞车的电动机，从而改变电动机输出轴的转速及转向，实现绞车滚筒轴及滚筒的转速及转向的调节和转换。

显然，通过调节电动机的转速及变换其转向，即可使为其驱动的绞车的传动轴及滚筒上的转速和转向，得到调节和变换，因而使大钩上的升沉运动，及时主动获得补偿。故而，又可将这种升沉补偿原理，称作主动升沉补偿。
我国提出的海洋浮式钻井钻机的多重功能绞车

为了不仅能够兼施升沉补偿功能，而且还能够同时实现自动送钻功能，我国如浙江大学等科研单位，提出了一种新型海洋钻机的绞车的方案，它具有多重功能，笔者将其称之为海洋浮式钻井用钻机的多重功能绞车。这种绞车的结构组成及其同时实现升沉补偿和自动送钻的工作原理如图4所示。图4中，1—外齿圈动力输入轴；2—被动补偿液压马达；3—自动送钻电动机；4—摆线减速器；5—太阳轮动力输入轴；6—主动补偿电动机及变频驱动系统；7—差动行星轮减速器；8—外齿圈；9—行星轮架；10—液压盘式刹车；1

1—绞车滚筒轴及滚筒；12—蓄能器（液气转换器）。其各个系统，具体说明如下：

一是动力输入系统。主动补偿：采用电驱动，动力通过传动机构的外齿圈输入。

被动补偿：采用液压马达驱动，动力也是通过传动机构的外齿圈输入。

自动送钻：采用电驱动，动力通过传动机构的太阳轮输入。

二是绞车传动系统。采用差动行星轮系作为绞车的传动机构。来自主动补偿电动机与被动补偿液压马达的动力，由行星轮系的外齿圈输入；来自送钻电动机的动力，由行星轮系的太阳轮输入；通过行星轮架输出复合动力，从而驱动绞车滚筒轴及滚筒，给出联合运动。

三是绞车控制系统。滚筒正反向转动：PLC控制单元，根据检测到的平台升沉的信息，控制主动补偿电动机，带动差动轮系的外齿圈转动，从而通过驱动滚筒正反向转动，来补偿平台的升沉运动。

自动送钻运动：PLC控制单元，基于检测到的钻压变化的信息，控制送钻电动机，驱动太阳轮转动，从而实现自动送钻运动。

四是降低能耗系统。它主要是装设蓄能器（气液转换器），蓄能器中活塞前后分别为液体与气体。这样，即可通过被动补偿液压马达，来承担钻柱的部分静载荷；而主动补偿电动机，则只是用来克服升沉运动补偿过程中的其余载荷，从而降低了系统的能耗、提高了补偿精度。
海洋钻机多重优点凸显

我国提出的多重功能海洋钻机绞车，与国外的兼施升沉补偿功能的以及配备传统的升沉补偿装置的海洋钻机绞车相比，主要有以下优点：

第一，节省能耗：由于它利用液压马达与蓄能器的液气弹簧特性，可以对钻柱重力势能进行周期性的释放与存储，从而降低了兼施升沉补偿功能绞车的装机功率与能耗。此外，在起下钻过程中，也可以利用蓄能器，来降低部分能耗。因此，这两方面相加，即可使我国提出的方案的能耗大大降低。仅就补偿工况时海洋钻机的绞车而言，用于升沉补偿的功率，初步估算，相对于国外兼施升沉补偿装置功能绞车，可节省能耗约53%。

第二，节省投资：我国提出的方案，由于它将海洋钻机的绞车与升沉补偿装置的功能集于一身，这样，节省了配备一套专用的补偿装置，因而比配备传统的升沉补偿装置的海洋钻机的绞车，节省了大量投资。

第三，节省空间：位于海上的海洋平台，其空间与面积非常宝贵，因而，节约空间的意义非常重大。我国提出的方案，由于省去了一套专用的补偿装置，因而使占用平台的空间减少。而且，腾出来的空间，还可以用于增加平台上的活载荷。与此同时，它还由于减少装备，减轻了平台载荷。

第四，性能改善：根据我国提出的方案的升沉补偿性能的仿真计算结果，其补偿后的大钩位移稳定在-0.1～0.1m之间。这个位移值，不仅能满足海洋浮式钻井的需要；而且较常用的传统的升沉补偿装置以及国外的兼施升沉补偿功能绞车的补偿精度，均提高了不少。此外，我国提出的方案，它还具有响应快速、钻机装备重心低以及补偿范围不受液缸长度的限制等性能优点，也是配备传统的专门的升沉补偿装置，无法与之比拟的。

第五联合运动：由于我国提出的方案，它采用了新颖的差动行星齿轮系作为传动机构，因而，它既可通过驱动外齿圈，进行升沉补偿运动；又可通过驱动太阳轮，进行自动送钻运动。这样，即可使行星架与绞车滚筒输出的是两种运动的复合运动，从而巧妙地实现了两种运动的解耦控制与联合运动。只要通过PLC控制单元，可完成补偿升沉及自动送钻两项任务，这是我国提出的方案的独到之处。

总之，在目前我国强调保护海洋权益的形势之下，勘探开发我国南海深水油气资源，已成为当务之急。我国自己研制的“海洋石油981”深水半潜式钻井平台，已开赴南海进行试钻。因此，解决海洋浮式钻井的升沉补偿问题，已迫在眉睫。在目前我国强调以创新作为发展经济的驱动力之一的形势下，解决海洋浮式钻井的升沉补偿问题，宜采取自主知识产权、创新制造出高端产品的办法，走“国产”的道路。本文介绍的我国提出的海洋浮式钻井钻机的多重功能绞车方案，可供石油装备制造行业，在考虑选择生产创新高端产品时，作为上乘之一参考。