升沉补偿装置是海洋浮式钻井系统中的重要设备,用来减轻平台升沉运动对钻井作业的不利影响。国外升沉补偿系统的研究起步早,一直垄断着这项技术,国内少数高校及科研院所尚处于理论研究、模拟仿真、原理样机研制及试验研究阶段。升沉补偿装置按照动力供应方式分为被动式、主动式和半主动式,按照安装位置与工作原理分为游车大钩间的升沉补偿装置、天车升沉补偿装置以及绞车升沉补偿装置。相对于其它升沉补偿方式,近年来国外开发的主动式绞车升沉补偿装置具有工作效率高、传动简单、结构紧凑、钻井设备重心低、平台载荷与占用空间少、补偿行程不受限制等优点,受到业内的高度重视,国内相关企业也已经开始着手进行绞车补偿技术的研究。在分析总结国外先进技术的基础上,论文提出一套新型半主动式绞车升沉补偿系统方案,并通过对比评价、理论分析、计算机仿真和试验研究等多种手段,对该方案进行深入研究,以达到简化海洋钻机结构、提高补偿性能、降低补偿能耗的目的,并提高系统对不同海况及工况的适应性,加速绞车升沉补偿装置的国产化进程。在所开发的海洋钻井半主动式绞车升沉补偿方案中,利用2K-H型差动行星轮系双动力输入、单输出的特点,分别控制外齿圈和太阳轮实现钻井过程中的升沉补偿运动与自动送钻运动,使行星架驱动绞车实现边补偿、边送钻的复合运动,从而实现了两种运动的硬件解耦控制;采用电液混合动力驱动,通过被动液压马达与液气蓄能装置平衡钻机静载荷,对负载重力势能进行周期性回收与释放,矢量变频电机克服补偿过程中的其余载荷,从而在保证补偿精度的前提下,实现了液压蓄能节能。半主动式绞车补偿系统需要满足升沉补偿、自动送钻和空钩作业等工况要求;此外还能对钻柱断脱、管线破裂、失电等突发事故进行安全响应。以井深10000 m、补偿负载350 t、平台升沉与补偿行程7.62 m、升沉周期12 s为设计参数及技术指标,分析了绞车升沉补偿能耗的变化规律及影响因素。综合考虑装机功率、系统能耗、结构强度及钢丝绳寿命等因素,并参考国外主动式补偿绞车产品技术参数,确定了半主动式补偿绞车的电液联合驱动方案及关键结构参数。新型半主动式绞车补偿方案相对于主动补偿方式的节能效果明显。设计了半主动式补偿绞车的关键结构,包括绞车、差动行星减速器及液压控制系统。主动补偿电机、被动补偿液压马达与布置在差动行星减速器外齿圈上的多个输入轴相连,完成升沉补偿及起下钻等功能;送钻电机通过大减速比双级摆线减速器与差动行星减速器太阳轮输入轴相连,完成自动送钻及应急起放井架、钻具等功能。绞车满足强度及刚度要求;差动行星减速器满足传动比、强度及安装要求;液压马达可以在升沉补偿、起下钻、自锁、浮动等工况之间自由切换。补偿绞车整体对称布置、结构紧凑、安全可靠性强,满足钻井工作要求。设计了半主动式补偿绞车的运动解耦控制策略,并进行了系统建模与仿真研究。升沉补偿采用外环大钩位移闭环与内环电机转速闭环的双层控制方案,自动送钻采用外环钻压闭环与内环电机转速闭环的双层控制方案。建立各环节的数学模型,搭建Simulink/AMESim联合仿真模型,进行了升沉补偿与自动送钻的运动仿真。研究结果表明:被动式补偿效果很差;主动及半主动式补偿效率均达到95%以上,随着钻井井深的增加,半主动式补偿相对于主动式节能22.1%-52.3%,井深越大,节能效果越好;自动送钻过程中井底钻压稳定,满足浮式钻井要求。开展了升沉补偿运动控制算法的研究。内模算法基于系统数学模型,只需调节滤波器时间常数就可以调整系统的动态性能与鲁棒性;当所建立模型与系统实际模型匹配时,内模算法对PID参数的整定方便、准确;模型不匹配时,固定的时间常数则会严重影响控制性能。模糊算法依赖工程经验,控制精度较低,但其鲁棒性及抗干扰能力较强。通过对多种控制算法进行对比,最终设计了模糊内模控制器:建立滤波器时间常数的模糊推理系统,实现在线整定,具有PID参数整定方便、鲁棒性和抗干扰能力强的优点。研制了一套1:5缩尺的补偿绞车原理样机,并搭建了原理样机的试验系统,基于此系统开展试验研究。试验结果表明:绞车升沉补偿与自动送钻的控制性能良好,半主动式补偿相对于主动式节能效果明显,验证了系统方案的可行性,为实际工程样机的研制奠定了基础。