CN102691484B - 海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，采用差动行星齿轮系作为升沉补偿绞车的传动机构，来自主动补偿电机与被动补偿液压马达的动力由外齿圈输入，来自送钻电机的动力由太阳轮输入，行星架输出动力驱动绞车滚筒运动，PLC控制单元基于检测到的平台升沉信号，控制主动补偿电机带动差动减速器外齿圈转动，通过驱动滚筒正反向转动来补偿平台的升沉运动；基于检测到的钻压变化信号，控制送钻电机驱动太阳轮转动，实现自动送钻运动。气液转换器通过被动补偿液压马达承担钻柱的部分静载荷，主动补偿电机克服运动补偿过程中的其余载荷，降低了系统能耗、提高了补偿精度。

Description

海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置

技术领域：

本发明涉及一种海洋石油钻井绞车升沉补偿装置，是一种以电液控制技术为特征的机电液联合驱动装置。

背景技术：

随着陆上石油资源的日渐枯竭，浅海石油开发接近饱和，资源开发向深海进军已成必然趋势。因此，向海洋深水领域进军，向深水技术挑战，推动主要装备国产化，提高我国海洋石油技术装备水平，是实施走出去向深海要石油的物质技术基础。在深水条件下工作，对钻机各方面的要求更为苛刻，而升沉补偿系统是保障深海浮式钻井平台正常作业以及提高工作效率和质量必不可少的重要装备之一，其综合性能的好坏直接影响着海洋石油的开发成败。

按照海洋石油钻井平台升沉补偿装置的安装位置主要分为：天车补偿、钢丝绳补偿、游车和大钩间的补偿以及绞车补偿。

游车和大钩间的升沉补偿装置产品化较早，该补偿方式的特点主要表现在：补偿过程钢丝绳不产生频繁的交变应力，对其寿命影响很小，系统重心相对较低，维护较方便；但液压系统管线较复杂，软管较多，井架工作高度浪费较大。

天车升沉补偿系统是继游车大钩补偿之后发展起来的，天车补偿方案凭借摆幅机构的作用，减少了钢丝绳的折弯效应，钢丝绳寿命所受影响较小；但设备重量大、重心高，使井架系统整体重量增加较多，维修和保养不方便。由于液压系统相对紧凑，便于实现，因此得到了较好的推广应用。

钢丝绳补偿对原系统影响较小，容易实现，但对钢丝绳寿命影响较大，且占据较大的平台空间。

相对于其他补偿方式，近年来开发的绞车补偿装置具有钻井效率高、传动简单、设备重心低，系统结构紧凑，平台载荷与占用空间减少的特点，应用前景很好。目前国外已经开展了绞车补偿装置的研究，并有产品面世，其主要原理是在传统钻井绞车的基础上通过增大电机功率来实现主动升沉补偿功能，因此具有装机功率高、控制精度较低、能耗巨大的问题。

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绞车升沉补偿装置，以满足海上石油钻井的性能要求，同时降低系统能耗、简化钻机结构、提高钻井效率。

为实现上述目的，本发明的总体构思是采用差动行星齿轮系作为升沉补偿绞车的传动机构，通过主动补偿电机与被动补偿液压马达驱动外齿圈进行升沉补偿运动、送钻电机驱动太阳轮进行自动送钻运动，使得行星架与绞车滚筒输出复合运动，实现了两种运动的解耦控制与联合运动；气液转换器通过被动补偿液压马达承担钻柱的部分静载荷；主动补偿电机克服运动补偿过程中的其余载荷。

本发明采用的技术方案是在由电机、圆柱齿轮减速器、送钻电机、摆线减速机、离合器、联轴器、绞车轴、绞车滚筒、液压盘刹、死绳拉力传感器所构成的常规钻井绞车的基础上加入升沉补偿功能，将圆柱齿轮减速器替换为差动行星齿轮减速器，还增加了被动补偿液压马达、高位油箱、液动切断阀、失电保护阀、限速阀、气液转换器、工作气瓶、电磁卸荷溢流阀、补油单向阀、加速度传感器、旋转编码器和PLC控制单元。主动补偿电机与被动补偿液压马达通过离合器、联轴器与差动行星减速器的外齿圈齿轮相连，沿外齿圈周向布置；送钻电机经摆线减速机、联轴器与差动行星减速器的太阳轮相连。加速度传感器与平台固联，压力传感器安装在钻机死绳端，一个旋转编码器与主动补偿电机轴相连、另一个旋转编码器与绞车轴相连。液动切断阀的A口与被动补偿液压马达的高压油腔相连，液动切断阀的P口与失电保护阀的A口相连；失电保护阀的P口与高位油箱相连，失电保护阀的O口与气液转换器相连；气液转换器的气腔与工作气瓶相连；补油泵、补油单向阀和电磁卸荷溢流阀构成气液转换器的补油与安全回路；油箱布置于被动补偿液压马达上方，从而为液压马达低压腔提供恒压源；PLC控制单元分别与电机变频驱动系统、失电保护阀、电磁卸荷溢流阀、补油泵和各个传感器的控制信号接口电连接。绞车升沉补偿装置采用两侧对称布置。

本发明与现有技术相比，具有下列有益效果：

1．将钻井绞车与升沉补偿装置功能集于一身，节省了一套专用的补偿装置，并具有响应快速、钻井效率高、钻井系统重心低、补偿范围不受液缸长度的限制、钢丝绳寿命长、平台载荷与占用空间减少等诸多优势。

2．采用机电液联合驱动的方式，气液转换器通过被动补偿液压马达承担钻柱的部分静载荷，降低了主动补偿电机的能量输出，并通过对升沉补偿能量进行周期性的存储与释放，有效地控制了能量的消耗，降低了钻井操作成本。

3．采用差动行星齿轮系作为传动机构，通过驱动外齿圈进行升沉补偿运动、驱动太阳轮进行自动送钻运动，使得行星架与绞车滚筒输出复合运动，实现了两种运动的解耦控制与联合运动，提高了补偿的控制精度。

4．当突然失载时，游动系统快速上行导致被动补偿液压马达快速转动，限速阀会限制流量低于某一值从而限制马达的转动速度，同时低压油腔的压力升高，从而推动液动切断阀换向，切断液气转换器与被动补偿液压马达之间的压力通道。通过双重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。

5．在液气转换器和被动液压马达之间安装了失电保护阀，当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀在弹簧的作用下复位，切断高压液气转换器和被动补偿液压马达之间的油路，避免事故发生。

6．PLC控制单元根据钻井平台上的加速度传感器信号以及差动减速器外齿圈转动信号，向主动补偿电机的变频控制系统发出指令，控制外齿圈带动绞车滚筒正反转，减小平台升沉运动对大钩的影响；根据死绳压力传感器的压力信号与绞车轴的角位移信号，实时计算钻压，向送钻电机的变频控制系统发出指令，实现自动送钻。

附图说明：

下面结合附图和实施例来进一步描述本发明。

图1是依据本发明所提出的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置的结构示意图；

图2是本发明所提出的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置的液压系统原理图。

图中，1—外齿圈动力输入轴；2—被动补偿液压马达；3—送钻电机；4—摆线减速机；5—太阳轮动力输入轴；6—主动补偿电机及变频驱动系统；7—离合器；8—差动行星减速器；9—外齿圈；10—行星架；11—液压盘刹；12—绞车轴；13—绞车滚筒；14—联轴器；15—液动切断阀；16—失电保护阀；17—气液转换器；18—工作气瓶；19-气压源；20-后备气瓶；21-电磁卸荷溢流阀；22-补油单向阀；23-补油泵；24—高位油箱；25—平台加速度传感器；26—死绳压力传感器；27—PLC控制单元；28-限速阀；29-主动补偿电机轴旋转编码器；30-绞车轴旋转编码器。

具体实施方式：

如图1、2所示，海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置沿绞车滚筒13两端对称布置，主要包括被动补偿液压马达2、主动补偿电机6及其变频驱动系统、差动行星减速器8、送钻电机3、绞车轴12及绞车滚筒13。安装时，主动补偿电机6与被动补偿液压马达2通过离合器7、联轴器14与差动行星减速器8的外齿圈小齿轮相连，沿外齿圈9周向布置；送钻电机3经摆线减速机4、联轴器14与差动减速器8的太阳轮动力输入轴5相连；行星架10与绞车轴12通过键连接。加速度传感器25与平台固联，压力传感器26安装在钻机死绳端，旋转编码器29与主动补偿电机轴相连、旋转编码器30与绞车轴相连。高位油箱24布置于被动补偿液压马达上方；液动切断阀15的A口与被动补偿液压马达2的高压油腔相连，液动切断阀15的P口与失电保护阀16的A口相连；失电保护阀16的P口与高位油箱24相连，失电保护阀16的O口与气液转换器17相连；气液转换器17的气腔与工作气瓶18相连；补油泵23出口与补油单向阀22进口相连，补油单向阀22出口与气液转换器17相连，电磁卸荷溢流阀21两端分别与高位油箱24、补油单向阀22出口相连，共同构成了气液转换器17的补油与安全回路。PLC控制单元27分别与电机变频驱动系统6、失电保护阀16、电磁卸荷溢流阀21、补油泵23、平台加速度传感器25、死绳压力传感器26、主动补偿电机轴旋转编码器29；绞车轴旋转编码器30的控制信号接口电连接。气液转换器17通过被动补偿液压马达2承担钻柱的部分静载荷，主动补偿电机6克服运动补偿过程中的其余载荷。失电保护阀16安装于气液转换器17和被动补偿液压马达2之间，失电时自动切断油路，停止向被动补偿液压马达2供油。液动切断阀15的控制口与被动补偿液压马达2的低压腔相连，当钻杆断脱引起的被动补偿液压马达2快速转动时，升高的压力推动液动切断阀15换向，切断被动补偿液压马达2与气液转换器17的连接通道，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16通电处于上位接通状态，液动切断阀15在弹簧的作用下处于上位导通状态，气液转换器17中的液压油与被动补偿液压马达2的高压油腔相通，用以承担钻柱的部分静载荷。如果主动补偿电机6通过离合器7与外齿圈9相连，失电保护阀16处于下位断开状态，液压马达卸荷，此时系统为主动式补偿。如果主动补偿电机6通过离合器7与外齿圈9相连，失电保护阀16处于上位接通状态，被动补偿液压马达2与主动补偿电机6共同克服大钩载荷，此时系统为半主动式补偿。

当浮式海洋钻井平台随波浪上升、下沉时，钻机游动系统随之上升、下降。海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置通过安装在平台上的加速度传感器25检测平台升沉信号；同时死绳压力传感器26的压力信号、主动补偿电机轴旋转编码器29与绞车轴旋转编码器30的旋转角位移信号也传递给PLC控制单元27。PLC控制单元27根据船体升沉与主动补偿电机轴旋转位移信号并根据制定好的智能控制策略向主动补偿电机6的变频驱动系统发出信号，控制差动行星减速器8的外齿圈9正反向转动，使得游动系统按照与船体升沉相反的方向运动，以维持绝对位置不变。同时，PLC控制单元27根据死绳压力传感器26的压力信号、绞车轴旋转编码器30的角位移信号并根据制定好的智能控制策略向送钻电机3的变频驱动系统发出信号，控制差动行星减速器8的太阳轮转动，实现恒钻压或恒钻速自动送钻。

当系统由于钻杆断脱等事故导致突然失载时，被动补偿液压马达2快速转动，限速阀28会限制流量低于某一值从而限制马达转动速度；同时低压油腔压力升高，从而推动液动切断阀15换向，切断气液转换器17与被动补偿液压马达2之间的压力通道。通过上述双重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。

当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀16在弹簧的作用下复位，切断气液转换器17和被动补偿液压马达2之间的油路。

本发明将钻井绞车与升沉补偿装置功能集于一身，具有响应快速、钻井效率高、钻井系统重心低、补偿范围不受液缸长度的限制、平台载荷与占用空间减少等诸多优势；本发明同时克服了国外主动式绞车升沉补偿装置装机功率大、控制精度低的缺点，有效地控制了能量的消耗，降低了钻井操作成本，提高了升沉补偿的控制精度。

Claims (6)

1.一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，包括主动补偿电机（6）、差动行星减速器（8）、送钻电机（3）、摆线减速机（4）、离合器（7）、联轴器（14）、绞车轴（12）、绞车滚筒（13）和液压盘刹（11），其特征在于：还包括被动补偿液压马达（2）、液动切断阀（15）、失电保护阀（16）、限速阀（28）、气液转换器（17）、工作气瓶（18）、气压源（19）、后备气瓶（20）、电磁卸荷溢流阀（21）、补油单向阀（22）、补油泵（23）、高位油箱（24）、平台加速度传感器（25）、死绳压力传感器（26）、PLC控制单元（27）、主动补偿电机轴旋转编码器（29）和绞车轴旋转编码器（30），被动补偿液压马达（2）通过联轴器（14）、外齿圈动力输入轴（1）与差动行星减速器（8）的外齿圈（9）相连，主动补偿电机（6）通过离合器（7）、联轴器（14）与差动行星减速器（8）的外齿圈（9）相连，送钻电机（3）经过摆线减速机（4）与太阳轮动力输入轴（5）相连，行星架（10）与绞车轴（12）通过键连接，绞车轴（12）上装有绞车滚筒（13）及液压盘刹（11）；平台加速度传感器（25）与平台固联，死绳压力传感器（26）安装在钻机死绳端，主动补偿电机轴旋转编码器（29）与主动补偿电机轴相连、绞车轴旋转编码器（30）与绞车轴相连；液动切断阀（15）的A口与被动补偿液压马达（2）的高压油腔相连，液动切断阀（15）的P口与失电保护阀（16）的A口相连；失电保护阀（16）的P口与高位油箱（24）相连，失电保护阀（16）的O口与气液转换器（17）相连；气液转换器（17）的气腔与工作气瓶（18）相连；补油泵（23）出口与补油单向阀（22）进口相连，补油单向阀（22）出口与气液转换器（17）相连，电磁卸荷溢流阀（21）两端分别与高位油箱（24）、补油单向阀（22）出口相连；PLC控制单元（27）分别与失电保护阀（16）、电磁卸荷溢流阀（21）、补油泵（23）、平台加速度传感器（25）、死绳压力传感器（26）、主动补偿电机轴旋转编码器（29）和绞车轴旋转编码器（30）的控制信号接口电连接。

2.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于，差动行星减速器（8）为周转轮系，外齿圈动力输入轴（1）与太阳轮动力输入轴（5）分别作为输入构件，行星架（10）为输出构件。

3.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于，气液转换器（17）经过液动切断阀（15）、失电保护阀（16）与被动补偿液压马达（2）的高压腔相连，承担钻柱的部分静载荷。

4.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于，失电保护阀（16）安装于气液转换器（17）和被动补偿液压马达（2）之间的油路上，失电时自动切断油路，停止向被动补偿液压马达（2）供油。

5.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于，液动切断阀（15）的控制口与被动补偿液压马达（2）的低压腔相连，当钻杆断脱引起的被动补偿液压马达（2）快速转动时，限速阀（28）会限制流量低于某一值，同时升高的压力推动液动切断阀（15）换向，切断被动补偿液压马达（2）与气液转换器（17）的连接通道。

6.根据权利要求1-5之任一项所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于，绞车升沉补偿装置沿绞车滚筒两侧对称布置。

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