非正常波浪中对钻井船进行主动起伏补偿外文翻译资料

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非正常波浪中对钻井船进行主动起伏补偿

摘要：本文研究了一种在不规则波激励的深水钻井船上进行波浪补偿的可能方法，所提出的系统利用耦合振荡器的有利相互作用以实现期望的结果。 这项研究测试了一个主动控制补偿器，通过动态模型来研究在某些操作条件下的性能，其在一个大的波频率带宽上执行良好，在不规则波谱中的简单数学论证和频域计算中显示所提出的补偿系统在线性范围内是有效的。

1. 介绍

在海洋地质勘探中使用的钻探船经常需要在极深的水域中操作。 在这种情况下使用的钻井技术与在较深的水域中使用的石油钻探技术具有一些共同的特征。 在钻探船例如Joides Resolution（Cullen，1992）中，钻头附接到井架顶部（“顶部驱动”）驱动的长钻杆。 井架位于船中，顶部驱动装置沿船的中心线放置。 科学钻探船的更现代的设计还包括包围钻杆并终止于防喷器（JAMSTEC，1995）的立管。

众所周知，浮动船舶的波浪运动在钻杆/立管上施加了显着的载荷（Sarpkaya和Issacson，1981）。 船舶浪涌和摆动产生的载荷在很大程度上可以通过与动态定位相关的系泊约束和推进器的组合来减少。 然而，升沉的效果保持显着，并且在许多情况下波浪补偿系统变得必要。 例如，油钻半潜水器通常使用安装在井架和顶部驱动器之间的升降补偿器。 在海上钻井中经常使用的两种类型的升沉补偿器是：（1）基于压缩空气的补偿器；（2）冠状安装补偿器。 关于这些方法的细节可以在诸如JAM-STEC（1991）的参考文献中找到。

对于深水钻井，船舶形式往往比半潜式或其他平台类型更具成本效益（参见例如深水钻井比Kenison和Hunt，1996）。然而，由于它们更大的水平面区域，在幅度和带宽方面（例如Morooka，1996），船舶形式比半潜式船舶经历明显更大的波浪运动。 因此，尤其对于在深水波浪环境中操作的钻探船，似乎值得考虑特殊波浪补偿方法。优先使用那些可以主动控制从而在宽频带上能提高有效性的方法。 这种升沉波浪补偿的优点将包括：（1）更好地调节钻杆/立管上的张力; （2）降低钻杆/立管上的疲劳载荷。

本文考察了一个这样的系统。 本系统基于由耦合的机械振荡器之间的相互作用产生的物理现象。 此外，它利用主动控制来最小化顶部驱动器在相当大的波频率带宽上的垂直振荡。 该系统原则上可用于其他类型的钻井船，但预期在具有大带宽的起伏运动的深水钻探船上最有效。

本简介之后的章节概述了系统的主要特征。 第3节为补偿器性能的理论研究设置了一个动态模型（包括补偿器，钻探船和弹性钻杆）。 然后概述控制方法，并且计算具有和不具有控制的总体动态响应。 假定线性度，并且在完全开发的Pierson-Moskowitz频谱中在频域中进行计算。 结果在第4节和第5节讨论，主要结论总结在第6节。

2.主动控制的补偿系统

如Ogata（1978）和Meirovitch（1986）所示，如果无阻尼的弹簧 - 质量系统与由正弦外力激励的第二振荡系统耦合，则存在激发频率，在该频率下，第二质量将在任何激励幅度下保持静止。 类似的行为可以被用来稳定三个耦合的振荡器之一，正如这项工作中做的。 此外还发现在一定范围的激励频率上主动控制可以扩展这种行为。

在该工作中，要保持静止的振荡器是被钻杆/立管驱动的弹簧支撑块Mc。具有质量MS的钻探船形成另一振荡器，而第三振荡器是无阻尼质量Mm。所有质量原则上被认为在垂直方向上移动。将使用反馈来控制质量Mm，使得质量Mc在大的频率范围上保持静止。这种控制在不规则波中是有用的，其中Ms船上的激励力FD可以表示为不同频率，振幅和相位的正弦波的和。该系统配置如图1a和1b所示。块Mc支撑着钻杆/立管。质量Mm被弹簧支撑，并且由线性致动器从Mc控制。钻杆从Mc旋转，Mc被支撑在弹簧加载的垂直导轨上，沿着它通过一对线性致动器从井架垂直地驱动。作用在Mc上的阻尼力不必为零。然而，Mm上的阻尼应该尽可能小。所需的致动由线性马达或液压柱塞提供。三个振荡的反馈如下获得。

安装在Mm上的加速度计用来测量Mm的加速度。 通过对固定在块的四个角附近的四个加速度计的输出进行平均来测量Mc的垂直加速度。 船的垂直加速度通过平均固定到井架附近的井架上的四个加速度计的测量值来取样，所述四个加速度计靠近驱动Mc的致动器并且分布，以便平衡船的任何小滚动和俯仰的影响。可以使用专用数字信号处理器来评估两个致动器的控制信号。 与本工作相关的物理/机械系统参数在第4节中概述。

3.运动公式

模型系统（见图1）包括具有静止质量Ms，支撑块Mc，无阻尼质量Mm和具有每单位长度质量的钻杆的船舶。 重点是建立一个简单的模型来调查系统的基本物理行为。 为此，我们对环境载荷和所产生的运动进行了多个简化假设。 我们假定所有振荡足够小以使用线性微分方程证明。 与补偿器的目的一致，我们认为船主要在起伏中摆动，而其他的运动相比来说被认为是非常小的。 出于相同的原因，假定当前速度足够小以允许减小钻杆的水平振荡。

我们研究了两种情况：（I）钻杆在底端处是自由的并且还未接合在钻孔中; 和（II）当钻井期间管接合在钻孔中时（参见图2）。 由于整个系统的不规则情况的模型中都包含管道的垂直弹性振动引起的张力变化。，首先发现无法控制整个系统对不规则波激励的动态响应，接下来使用这里概述的控制方案 。

固定参考系放置在图2所示的位置O处。 船舶MS和质量Mc和Mm的垂直运动分别表示为(t), (t) 和 (t),其中t表示时间。 管道的弹性垂直运动表示为v（t,z），其中z沿着正Z轴测量。 管长为L，顶端管道张力为。

3.1.（I）管道与钻孔脱开

这种情况的自由体图如图3所示。 这里，ks是小船运动假设的静压弹簧常数，并且由ks = g给出，其中是海水的密度，g是由于重力的加速度，是船舶水平面面积。 kc和km是图1b中所示的发射常数。Cc是沿着垂直导轨的阻尼率。是由波浪引起的衍射波浪力，是船只在水面上的运动而产生的辐射力。 和是通过其相应的线性致动器施加在质量Mm和Mc上的控制力。 在这种情况下，管道在底端是自由的。 我们发现所选直径的管的垂直波力可忽略不计。 因此，在这里只是管道的重量减去其浮力。在这种情况下的动态平衡意味

(1)

(2)

(3)

当

(4)

h（）表示因果脉冲响应函数，Mc是船舶起伏的无限频率附加质量。 将等式（4）代入等式（3）并将傅立叶变换应用于等式（1），（2）和（3）：

(5)

(6)

(7)

其中和是船舶在升沉中的频率相关的附加质量和辐射阻尼系数，并且由下式定义

h()= (8)

3.1.1. （I-A）无控制.设置

A=

A=

(9a)

(9b)

(9c)

其中。在这里是管道的值（重量浮力），表示狄拉克delta函数。 可以从中获得变量，和 vs从而发现结果。

将矩阵A的行列式表示为|A|，我们可以将复振幅Xm，Xc和Xs表示为

(10a)

(10b)

(10c)

其中A的伴随的元素D ij由

从等式（10b），（11c）和（11d）注意到在作为振荡器的非耦合自然频率（，）的（- ）= 0的频率处 = 0。 这类似于Meirovitch（1986）和Ogata（1978）对于两自由度系统所分析的现象。 因此，对于由方程（9a）,（9b）和（9c）描述的被动系统，激励力是具有频率

这表明如果入射波频谱中的主波频率为，则被动系统将大大减小由于船舶起伏而在钻杆上的循环载荷。 然而在本文中提出了通过两个控制力和来控制耦合系统，使得复振幅在频率范围上为零，而不是仅在未耦合的固有频率处的振荡器（，）。

3.1.2. （I-B）控制。 我们在等式（1），（2）和（3）中选择控制力和，从而

(12)

(13)

这导致在时域中的以下等式：

(14)

(15)

(16)

傅里叶变换导致以下等式

以A = 的形式重写

(20C)

在这种情况下，adj（A）的元素为

(21a)

(21b)

(21c)

(21d)

(21e)

(21f)

|A|对于是非零的。 等式（10a-c）和（21a-f）得出结论，如果根据等式（12）和（13）选择和，

）

等式（22a-c）展示出了所选择的控制的效果是当将块的运动锁定为零。 力导致实际消除，而把力限制在存在下的运动。 图4示出了从和的感测加速度合成和的方法的要点[对于拉普拉斯变换和经典控制理论，可以参考Kuo（1987）或Raven（1987）]。 我们将会优选具有小的时间常数的反馈控制线性致动器，并且要相应注意放大器1,2和3的设计。 此外，应该形成放大器2的响应使得其零频率增益不完全等于/以避免W0导致的稳定漂移|A|0。 此措施将导致补偿器的低频性能略有下降。

3.2.（2）用管接合的钻孔

当钻杆接合在钻孔中时，其在整个系统的动力学中起重要作用。三个质量，和的自由体图基本上与图3中的相同。然而，我们现在通过“管张紧器”（在此安装在块Mc上）设置的管道张力以及由管道的弹性振荡引起的张力变化确定力。因此，我们有必要探测管道的动力学。我们假定管道直径（d=0.14m）足够小，使得垂直波浪力可以忽略不计。此外，假定电流速度足够小以允许任何电流诱导的力被忽略。此外，假定忽略平衡管道重量的浸没部分的管道浮力和在振荡期间管道浸没体积中的变化。因此，管的唯一激发由管支撑块的垂直运动提供。

长度为Delta;z的管道元件的运动方程可以写为（参见图5）

(23)

其中下标t和z表示其出现的部分分化。这里是每单位长度的质量，是粘性表层摩擦引起的阻尼。除以整个Delta;z并且让Delta;z非常小，我们有

(24)

对于小的轴向弹性振荡

T = E

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