CN100507202C - 海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置。将蓄能器中的高压液压油经补偿控制阀通向补偿液压缸的有杆腔，从而提供一个可以控制的附加力，根据平台的升沉运动对该力进行控制，进而改善常规被动式升沉补偿的效果。控制单元根据检测到的平台垂直方向的运动速度，向液压系统发出控制指令，驱动补偿液压缸的活塞带动动滑轮运动，在钢丝绳或链条的作用下补偿平台的升沉运动，使横梁和大钩在允许的范围内相对于井底在垂直方向上处于静止状态。通过控制器的控制，调节有杆腔的液压力。本发明克服了传统被动式升沉补偿系统补偿反应速度慢、蓄能器压力波动和摩擦力导致补偿效果差的缺点。由于对有杆腔供油，有效地控制了能量的消耗，降低了系统的操作成本，提高了补偿精度。

Description

海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置

技术领域

本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其涉及一种海洋钻井平台钻柱升沉补偿装置。

背景技术

随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要。在石油领域，随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，向深海进军已成必然趋势。当前，海上石油钻机最大工作水深已经超过了3000m，而且还将继续向更深的方向发展。在这样的水深条件下工作，对钻机的各方面的要求更为苛刻，并且还必须适应在深水条件下所面临的一些特殊情况，许多设备需要重新设计和开发。

钻柱升沉补偿装置是保障海上钻井船或半潜式钻井平台作业的安全进行以及提高工作效率和质量必不可少的重要设备之一。深海钻井所采用的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下将产生周期性的升沉运动，并使钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了巨大的经济损失。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施。

液压式升沉补偿系统在海洋浮式钻井平台上应用最为普遍，形式比较多，按照其动力提供方式可以分为三种形式：主动式、被动式和半主动式。

主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻柱质量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量。

被动式升沉补偿系统在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为广泛的应用，但是补偿效果不很理想，存在着一定的滞后现象。

半主动式升沉补偿系统能够综合二者的优点，但是系统结构较为复杂，制造成本较高。

发明内容

本发明的目的是要提供一种浮式海洋石油钻井平台的升沉补偿装置，既能满足海上石油钻井的性能要求，又能降低能量消耗，具有结构简单、能耗低、效果好的优点。

为实现上述目的，本发明的总体构思是将蓄能器中的高压液压油经补偿控制阀通向补偿液压缸的有杆腔，从而提供一个可以控制的附加力，根据平台的升沉运动对该力进行控制，进而改善常规被动式升沉补偿的效果。

本发明采用的技术方案是在由大钩、横梁、两个升沉补偿液压缸、游车、钢丝绳、动滑轮、蓄能器构成的常规被动式升沉补偿装置的基础上进行改进，增加加速度传感器、油箱、补油泵、电动机、补油泵出口单向阀、补偿控制阀、压力传感器、控制单元、补油单向阀、安全控制阀和失电保护阀。横梁与大钩固联，并通过钢丝绳与固联在一起的游车和补偿液压缸相连，在补偿液压缸有杆腔和无杆腔上安装压力传感器。补偿液压缸的活塞杆外径与液压缸内径之比为1∶1.005～1∶1.01。补油泵的入口与油箱相连，补油泵的出口经单向阀分别与补偿控制阀的P口、失电保护阀的A口和两补偿液压缸的无杆腔相连。补偿控制阀的A口分别与两补偿液压缸的有杆腔、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连；补偿控制阀的B口堵死；补偿控制阀的T口与油箱相连。失电保护阀的P口分别与蓄能器、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连。两个补油单向阀的入口、两个安全控制阀的出口均与油箱相连。控制单元分别与补偿控制阀、失电保护阀电动机的控制信号接口电连接，并获取安装在补偿液压缸上的压力传感器和固联在平台上的加速度传感器的电信号。补油泵与电动机机械连接。

所述的信号控制单元是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。蓄能器在补偿控制阀的控制下向补偿液压缸的有杆腔供油，消除由于摩擦力和蓄能器压力变化引起的钻压变化。失电保护阀安装于蓄能器和补偿液压缸之间，失电时切断油路。控制单元根据无杆腔压力传感器压力信号的变化控制补油泵驱动电动机的起停。

当系统突然失载时，补偿液压缸会快速上行，无杆腔压力升高并超出允许范围，控制单元得到有杆腔压力传感器的压力信号，立即发出控制指令切断失电保护阀的电源，使其处于关闭状态，避免恶性事故发生。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1、系统采用大面积比液压缸，利用较小的环形面积提供消除负载波动的附加作用力，从而有效地限制了额外的能量消耗，并提高了补偿效果，活塞杆采用空心钢管，降低了设备重量和制造成本，提高了稳定性；

2、当系统突然失载时，补偿液压缸会快速上行，无杆腔压力升高并超出允许范围，控制单元得到补偿液压缸上腔压力传感器的压力信号，立即发出控制指令切断失电保护阀的电源，使其处于关闭状态，避免恶性事故发生。

3、当系统出现紧急断电事故时，补偿控制阀使补偿液压缸上腔通低压，失电保户阀切断蓄能器的供油通道，补偿液压缸活塞相对于活塞缸静止。

4、由于随着少量液压油不断流回油箱，蓄能器的压力逐渐趋于下降，当补偿液压缸无杆腔压力传感器检测到的压力低于设定值时，控制单元发出指令启动电动机，驱动补油液压泵向系统内补油。

附图说明

图1是本发明的机械结构示意图；

图2是本发明的液压系统工作原理图。

图中：1—大钩，2—横梁，3—升沉补偿液压缸，4—游车，5—钢丝绳，6—动滑轮，7—加速度传感器，8—油箱，9—补油泵，10—电动机，11—补油泵出口单向阀，12—补偿控制阀，13—有杆腔压力传感器，14—控制单元，15—有杆腔补油单向阀，16—有杆腔安全控制阀，17—无杆腔补油单向阀，18—无杆腔安全控制阀，19—蓄能器，20—失电保护阀，21—无杆腔压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图所示，横梁2与大钩1固联，并通过钢丝绳5与固联在一起的游车和补偿液压缸3相连。在补偿液压缸3的有杆腔安装压力传感器13和在无杆腔安装压力传感器21。补偿液压缸3的活塞杆外径与液压缸内径之比取1∶1.005～1∶1.01，且活塞杆为空心杆。补油泵8的入口与油箱9相连，出口经单向阀11分别与补偿控制阀12的P口、失电保护阀20的A口和两补偿液压缸3的无杆腔相连。补偿控制阀12的A口分别与两补偿液压缸3的有杆腔、有杆腔补油单向阀15的出口和有杆腔安全控制阀16的入口相连；补偿控制阀12的B口堵死；补偿控制阀12的T口与油箱9相连。失电保护阀20的P口分别与蓄能器19、无杆腔补油单向阀17的出口和无杆腔安全控制阀18的入口相连。有杆腔补油单向阀15和无杆腔补油单向阀17的入口、有杆腔安全控制阀16和无杆腔安全控制阀18的出口均与油箱9相连。控制单元14分别与补偿控制阀12、失电保护阀20电动机10的控制信号接口电连接，并获取压力传感器13、压力传感器21及与平台固联的加速度传感器7的电信号；补油泵8与电动机10机械连接。信号控制单元14是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。蓄能器19在补偿控制阀12的控制下向补偿液压缸3的有杆腔供油，消除由于摩擦力和蓄能器19压力变化引起的钻压变化。失电保护阀20安装于蓄能器19和补偿液压缸3之间，失电时切断油路。

控制单元14根据无杆腔压力传感器21压力信号的变化控制补油泵8驱动电动机10的起停。当系统突然失载时，补偿液压缸会快速上行，无杆腔压力升高并超出允许范围，控制单元14得到有杆腔压力传感器13的压力信号，立即发出控制指令切断失电保护阀20的电源，使其处于关闭状态，避免恶性事故发生。

本发明的工作原理如下：

正常工作时失电保护阀通电处于上位接通状态，蓄能器19中的液压油与补偿液压缸3的无杆腔相通，用以支撑大钩载荷。如果补偿控制阀12没有得到控制信号而在弹簧的作用下处于左位，此时系统是常规被动式升沉补偿系统。由于在本发明系统中，补偿液压缸3无杆腔的设定推力大于大钩载荷对补偿液压缸3活塞杆产生的回缩推力，活塞杆将处于伸出状态。

当浮式海洋钻井平台随波浪上浮时，井架会带着游车4和补偿液压缸3上升，补偿液压缸3的活塞回缩，蓄能器19液压油回流压力升高，大钩1上的载荷增加。安装在补偿液压缸体上的加速度传感器7检测到游车4的运动加速度，并将该信号传递给控制单元14。同时有杆腔压力传感器13和无杆腔压力传感器21检测到两腔的压力信号也传递给控制单元14。控制单元14根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀12发出控制指令使其左移，增大通流面积，减少蓄能器19中液压油通向补偿液压缸3的有杆腔流动阻尼，使得该腔压力升高，抵消由于液压油回流造成的蓄能器压力升高，从而使大钩1的载荷回落到原来的设定值。

反之，当浮式海洋钻井平台随波浪下沉时，井架会带着游车4和补偿液压缸3下降，补偿液压缸3的活塞外伸，蓄能器19液压油外流压力降低，大钩1上的载荷降低。安装在补偿液压缸体上的加速度传感器7检测到游车4的运动加速度，并将该信号传递给控制单元14。同时有杆腔压力传感器13和无杆腔压力传感器21检测到两腔的压力信号也传递给控制单元14。控制单元14根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀12发出控制指令使其右移，减小通流面积，增大蓄能器19中液压油通向补偿液压缸3的有杆腔流动阻尼，使得该腔压力下降，抵消由于液压油外流造成的蓄能器压力下降，从而使大钩1的载荷上升到原来的设定值。

当系统由于意外原因导致失电时，失电保护阀20会立即切断蓄能器19与补偿液压缸3之间的油路，防止恶性事故发生。

由于随着少量液压油不断流回油箱9，蓄能器19的压力逐渐趋于下降，当补偿液压缸3无杆腔压力传感器21检测到的压力低于设定值时，控制单元14发出指令启动电动机10，驱动补油液压泵8向系统内补油。

当系统由于钻柱断脱等事故引起突然失载时，补偿液压缸3会快速上行，无杆腔压力升高并超出允许范围，控制单元14得到有杆腔压力传感器13的压力信号，立即发出控制指令切断失电保护阀20的电源，使其处于关闭状态，避免恶性事故发生。

Claims (4)

1、一种海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，包括大钩(1)、横梁(2)、升沉补偿液压缸(3)、游车(4)、钢丝绳(5)、动滑轮(6)、蓄能器(19)，横梁(2)与大钩(1)固联，并通过钢丝绳(5)与固联在一起的游车和补偿液压缸(3)相连，其特征在于，该装置还包括：加速度传感器(7)、油箱(8)、补油泵(9)、电动机(10)、补油泵出口单向阀(11)、补偿控制阀(12)、有杆腔压力传感器(13)、控制单元(14)、有杆腔补油单向阀(15)、有杆腔安全控制阀(16)、无杆腔补油单向阀(17)、无杆腔安全控制阀(18)、失电保护阀(20)、无杆腔压力传感器(21)，在补偿液压缸(3)的有杆腔安装有杆腔压力传感器(13)、在补偿液压缸(3)的无杆腔安装无杆腔压力传感器(21)，加速度传感器(7)与平台固联；补油泵(8)的入口与油箱(9)相连，出口经补油泵出口单向阀(11)分别与补偿控制阀(12)的P口、失电保护阀(20)的A口和两补偿液压缸(3)的无杆腔相连；补偿控制阀(12)的A口分别与两补偿液压缸(3)的有杆腔、有杆腔补油单向阀(15)的出口和有杆腔安全控制阀(16)的入口相连；补偿控制阀(12)的B口堵死；补偿控制阀(12)的T口与油箱(9)相连；失电保护阀(20)的P口分别与蓄能器(19)、无杆腔补油单向阀(17)的出口和无杆腔安全控制阀(18)的入口相连；有杆腔补油单向阀(15)和无杆腔补油单向阀(17)的入口、有杆腔安全控制阀(16)和无杆腔安全控制阀(18)的出口均与油箱(9)相连；控制单元(14)分别与补偿控制阀(12)、失电保护阀(20)、电动机(10)的控制信号接口电连接，并与有杆腔压力传感器(13)、无杆腔压力传感器(21)、加速度传感器(7)的电信号连接。

2、根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于：所说的信号控制单元(14)是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。

3、根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于：失电保护阀(20)安装于蓄能器(19)和补偿液压缸(3)之间，失电时切断油路。

4、根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于：补偿液压缸(3)的活塞杆外径与液压缸内径之比为1∶1.005～1∶1.01。

Images