CN102943636A - 海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，该装置包括设置在绞车一侧且并列设置的主动补偿器和被动补偿器；主动补偿器包括有活塞杆向上伸出的第一单出杆活塞缸，该第一单出杆活塞缸的两腔室通过三位四通电磁换向阀连接于液压系统，该主动补偿器还包括探测钢丝绳上受力的测力传感器，测力传感器与一受力反馈控制器电连接，由受力反馈控制器控制三位四通电磁换向阀的换向动作；被动补偿器包括活塞杆向上伸出的第二单出杆活塞缸；第一活塞缸和第二活塞缸的活塞杆顶端均连接于一动滑轮上，钻井平台上还设有一定滑轮，绞车上的钢丝绳顺序绕过动滑轮和定滑轮与天车和游车连接。该装置可实现主动补偿和被动补偿相互同步、相互促进的补偿作用。

Description

海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置

技术领域

本发明是关于海洋浮式钻井平台上用于保证钻柱在钻井钻进过程中不随船体的升沉运动而上下运动的升沉补偿装置，尤其涉及一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置。

背景技术

随着世界各国对石油天然气需求的增加，石油的勘探开发已从陆地拓展到深海以及超深海，勘探开发的难度也随之增大。在深海开发过程中，海洋浮式钻井平台会随波浪的不规则运动产生升沉等运动，使钻柱随船体产生升沉运动，对井下施工产生严重影响，甚至会导致钻井作业的失败。因此，为保证钻进作业的顺利进行，升沉补偿装置就显得尤为重要。升沉补偿装置是海洋浮式钻井平台钻进施工中的关键设备，能够补偿船体随波浪产生的升沉运动，保证钻柱不随船体的升沉运动而上下运动，进而实现平稳、安全的钻进。

被动式升沉补偿系统基本不消耗能量，但补偿精度低，要取得好的补偿效果需要比较大的蓄能器体积。主动式升沉补偿系统补偿精度高，抗干扰能力强，但是需要很大的能耗。为了适应浮式石油钻井的需要，主动和被动相结合的半主动式的升沉补偿系统弥补了被动式和主动式升沉补偿系统的不足，它也需要连续输入能量，但所需的能量不像主动系统那样大。

目前，升沉补偿方式有游车与大钩间的升沉补偿装置、天车上装设的升沉补偿装置以及死绳上装设的升沉补偿装置。游车与大钩间的升沉补偿装置、天车上装设的升沉补偿装置都是悬于较高的位置，重心较高，重量大，与钻柱直接相连，安全可靠性难以保障，存在安装困难的问题，维修时难度亦较大，维修还会牵动天车以及游车系统；而死绳上装设的升沉补偿装置主要是主动补偿，消耗能量比较大。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，通过主动和被动相结合的补偿方式，克服主动式和被动式补偿系统的不足，改善被动补偿的低精度性以及滞后性，以实现主动补偿和被动补偿相互同步、相互促进，从而达到船体升沉时对钻井装置的升沉补偿作用。

本发明的另一目的在于提供一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，将该沉补偿装置安装在绞车部位，具有安装重心低、安全可靠性高、安装容易和维修方便的特点。

本发明的再一目的在于提供一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其主动补偿部分采用液压控制，具有结构简单，控制灵活、精确，功能易于实现的优点。

本发明的目的是这样实现的，一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，所述钻井平台上设有绞车和井架，井架上设有天车、游车和钻杆，游车和天车通过绞车上的钢丝绳连接；所述绞车升沉补偿装置包括设置在绞车一侧且并列设置的主动补偿器和被动补偿器；所述主动补偿器包括有活塞杆向上伸出的第一单出杆活塞缸，该第一单出杆活塞缸的两腔室通过三位四通电磁换向阀连接于液压系统，该主动补偿器还包括探测所述钢丝绳上受力的测力传感器，所述测力传感器与一受力反馈控制器电连接，由受力反馈控制器控制三位四通电磁换向阀的换向动作；所述被动补偿器包括活塞杆向上伸出的第二单出杆活塞缸，该第二单出杆活塞缸的无杆腔通过第一管路与一动力空气压缩罐导通，该第二单出杆活塞缸的有杆腔通过第二管路与一气油储罐导通；所述第一活塞缸和第二活塞缸的活塞杆顶端均连接于一动滑轮上，所述钻井平台上还设有一定滑轮，所述绞车上的钢丝绳顺序绕过动滑轮和定滑轮与天车和游车连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述测力传感器为一压力传感器，所述受力反馈控制器为一压力反馈控制器，该压力传感器设置在天车上，用以测量绕过天车的钢丝绳产生的压力，并将压力信号传至压力反馈控制器。

在本发明的一较佳实施方式中，所述三位四通电磁换向阀为O型中位机能的三位换向阀；该换向阀的两个工作油口分别连通第一单出杆活塞缸的有杆腔和无杆腔，该换向阀的进油口连通液压系统的液压泵，该换向阀的回油口连通液压系统的油箱；所述液压系统中还包括蓄能器、过滤器、单向阀和溢流阀。

在本发明的一较佳实施方式中，第二管路一端通过限速阀与第二单出杆活塞缸的有杆腔连接，第二管路另一端插入气油储罐下部的油液中；第一管路一端通过空气安全阀与第二单出杆活塞缸的无杆腔连接，第一管路另一端与动力空气压缩罐的控制阀以及控制台连接；一空气压缩机通过空气软管与控制台连接。

在本发明的一较佳实施方式中，一备用压缩空气罐通过空气软管与控制台连接。

由上所述，本发明海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，通过比较钢丝绳给活塞杆的压力加第二活塞缸内油液压力之和与第二活塞缸内高压空气的膨胀力之间的大小关系，来实现对海面升沉时的绞车被动补偿功能；通过比较钢丝绳对天车绳道最高点处的压力值与钢丝绳对天车绳道最高点处压力设定值之间的大小关系，来控制三位四通电磁换向阀的1YA、2YA的通断电，从而实现第一活塞缸的有杆腔以及无杆腔的进出油液功能，最终实现绞车的主动升沉补偿功能。本发明海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其主动和被动相结合的补偿方式具有半主动补偿的优点，弥补了主动式和被动式补偿系统的不足，改善了被动补偿的低精度性以及滞后性；其主、被动补偿以系统的平衡为基准，实现功能相同步，相互促进的补偿功能；本发明可以有效地对浮式钻井平台中的钻井设施进行升沉补偿，降低钻井事故发生率，保障作业安全，提高钻井效率，降低作业成本，经济效益可观。同时，由于所述补偿装置安装在绞车附近，具有安装重心低、安全可靠性高、安装容易和维修方便的特点；主动补偿器采用液压组件控制，具有结构简单，控制灵活、精确，功能易于实现的优点。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置的结构示意图。

图2：为本发明主动补偿器的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1、图2所示，本发明提出一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置100，所述钻井平台上设有绞车8和井架9，井架9上设有天车91、游车92和钻杆93，游车92和天车91通过绞车8上的钢丝绳81连接；所述绞车升沉补偿装置100包括设置在绞车8一侧且并列设置的主动补偿器1和被动补偿器2；所述主动补偿器1包括有活塞杆12向上伸出的第一单出杆活塞缸11，该第一单出杆活塞缸11的两腔室通过三位四通电磁换向阀13连接于液压系统14，该主动补偿器1还包括探测所述钢丝绳81上受力的测力传感器15，所述测力传感器15与一受力反馈控制器16电连接，在本实施方式中，所述测力传感器15可为一压力传感器，所述受力反馈控制器16为一压力反馈控制器，该压力传感器可设置在天车91上的钢丝绳绳道的最顶点，用以测量绕过天车的钢丝绳对天车绳道最顶点产生的压力，并将压力信号传至压力反馈控制器16；压力反馈控制器16用于预设钢丝绳81的受力值并控制三位四通电磁换向阀13的电磁铁1YA、2YA的通断电，以实现换向动作，在本实施方式中，压力反馈控制器16可将钢丝绳对天车绳道最顶点处的钻井系统平衡压力设定为预设压力值；所述被动补偿器2包括活塞杆22向上伸出的第二单出杆活塞缸21，该第二单出杆活塞缸21的无杆腔通过第一管路23与一动力空气压缩罐24导通，该第二单出杆活塞缸21的有杆腔通过第二管路25与一气油储罐26导通；所述第一活塞缸11和第二活塞缸21的活塞杆12、22顶端均连接于一动滑轮3上，所述钻井平台上还设有一定滑轮4，所述绞车上的钢丝绳81顺序绕过动滑轮3和定滑轮4与天车91和游车92连接。

进一步，如图1、图2所示，在本实施方式中，所述三位四通电磁换向阀13为0型中位机能的三位换向阀；该换向阀13的两个工作油口A、B分别连通第一单出杆活塞缸11的有杆腔和无杆腔，该换向阀的进油口P连通液压系统14的液压泵，该换向阀的回油口T连通液压系统14的油箱；所述液压系统14中还包括蓄能器、过滤器、单向阀和溢流阀等必备部件。

如图1所示，在本实施方式中，第二管路25一端通过限速阀251与第二单出杆活塞缸21的有杆腔连接，第二管路25另一端插入气油储罐26下部的油液中，所述气油储罐26上部为低压空气，第二单出杆活塞缸21的有杆腔内充满油液；第一管路23一端通过空气安全阀231与第二单出杆活塞缸21的无杆腔连接，第一管路23另一端与动力空气压缩罐24的控制阀241以及控制台27连接，所述动力空气压缩罐24内为高压空气，第二单出杆活塞缸21的无杆腔内也充满高压空气；一空气压缩机28通过空气软管与控制台27连接。一备用压缩空气罐29通过空气软管与控制台27连接。所述控制台27为现有装置，通过调控控制台27可以控制进入第二单出杆活塞缸21无杆腔内的高压空气压力的大小。

本发明中的被动补偿器的工作过程为：当钻井平台的船体随波浪上浮时，船体上浮的瞬间，绞车8、第二单出杆活塞缸21、定滑轮4、天车91均随船上浮，而动滑轮3有一个滞后，相对于绞车8、第二单出杆活塞缸21、定滑轮4以及天车91而言，动滑轮3是相对向下运动的，使得动滑轮3与定滑轮4之间的距离变小，多余出来的钢丝绳81被均匀地分配在天车91与游车92之间，对钻杆系统起到了一个瞬间被动补偿的作用。进一步，当船体继续上浮过程中，钢丝绳81所承受的拉力有变大的趋势，钢丝绳81所承受的拉力稍大于系统平衡时所承受的拉力，钢丝绳81所承受的拉力与第二单出杆活塞缸21中有杆腔油液的压力之和就可以克服第二单出杆活塞缸21无杆腔中高压空气的膨胀力，推动活塞杆22向下运动，进一步使得动滑轮3与定滑轮4之间的距离变小，将多余出来的钢丝绳81进一步匀向天车91与游车92之间，同时也是保证钢丝绳81所承受的拉力还原为系统平衡时所承受的拉力，保证钻杆93不随船体的上浮而向上运动，实现了被动补偿功能。反之，当船体随波浪下沉时，船体下沉的瞬间，绞车8、第二单出杆活塞缸21、定滑轮4、天车91均随船体下沉，而动滑轮3有一个滞后，相对于绞车8、第二单出杆活塞缸21、定滑轮4以及天车91而言，动滑轮3是相对向上运动的，使得动滑轮3与定滑轮4之间的距离变大，吸收天车91与游车92之间多余的钢丝绳，对钻杆系统起到一个瞬间被动补偿的作用。进一步，当船体继续下沉过程中，钢丝绳81所承受的拉力有变小的趋势，钢丝绳81所承受的拉力稍小于系统平衡时所承受的拉力，第二单出杆活塞缸21无杆腔中高压空气的膨胀力就可以克服钢丝绳81所受拉力与第二单出杆活塞缸21有杆腔中油液的压力之和，推动活塞及活塞杆22向上运动，进一步使得动滑轮3与定滑轮4之间的距离变大，进一步吸收天车91与游车92之间多余的钢丝绳81，同时也保证钢丝绳81所承受的拉力还原为系统平衡时所承受的拉力，保证钻杆93不随船体的下沉而向下运动，实现了被动补偿功能。

本发明中的主动补偿器的工作过程为：压力反馈控制器16将钢丝绳对天车绳道最顶点处的钻井系统平衡压力设定为预设压力值；当压力传感器15测得钢丝绳81对天车91绳道最顶点处的压力值大于设置值时，压力反馈控制器16控制三位四通电磁换向阀13的1YA电磁铁通电，实现第一单出杆活塞缸11的有杆腔进油，无杆腔出油，使活塞杆12带动动滑轮3向下运动，使钢丝绳81变松，多余的钢丝绳81匀向天车91与游车92之间，保证钻杆93不随船体的上浮而向上运动，实现主动补偿功能。当压力传感器15测得钢丝绳81对天车91绳道最顶点处的压力值小于设置值时，压力反馈控制器16控制三位四通电磁换向阀13的2YA电磁铁通电，实现第一单出杆活塞缸11的无杆腔进油，有杆腔出油，使活塞杆12带动动滑轮3向上运动，使钢丝绳81变紧，吸收天车91与游车92之间多余的钢丝绳，保证钻杆93不随船体的下沉而向下运动，实现绞车的主动补偿功能；当压力传感器15测得钢丝绳81对天车91绳道最顶点处的压力值等于设置值时，压力反馈控制器16控制三位四通电磁换向阀13的电磁铁均断电，控制第一单出杆活塞缸11内无油液进出，维持系统的平衡状态。

由于本发明中，所述第一活塞缸11和第二活塞缸21的活塞杆12、22顶端均连接于一动滑轮3上，并且主动补偿和被动补偿动作均以系统的平衡为基准，能够实现功能相同步，相互促进，以提高补偿效果。

由上所述，本发明海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，通过比较钢丝绳给活塞杆的压力加第二活塞缸内油液压力之和与第二活塞缸内高压空气的膨胀力之间的大小关系，来实现对海面升沉时的绞车被动补偿功能；通过比较钢丝绳对天车绳道最高点处的压力值与钢丝绳对天车绳道最高点处压力设定值之间的大小关系，来控制三位四通电磁换向阀的1YA、2YA的通断电，从而实现第一活塞缸的有杆腔以及无杆腔的进出油液功能，最终实现绞车的主动升沉补偿功能。本发明海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其主动和被动相结合的补偿方式具有半主动补偿的优点，弥补了主动式和被动式补偿系统的不足，改善了被动补偿的低精度性以及滞后性；其主、被动补偿以系统的平衡为基准，实现功能相同步，相互促进的补偿功能；本发明可以有效地对浮式钻井平台中的钻井设施进行升沉补偿，降低钻井事故发生率，保障作业安全，提高钻井效率，降低作业成本，经济效益可观。同时，由于所述补偿装置安装在绞车附近，具有安装重心低、安全可靠性高、安装容易和维修方便的特点；主动补偿器采用液压组件控制，具有结构简单，控制灵活、精确，功能易于实现的优点。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，所述钻井平台上设有绞车和井架，井架上设有天车、游车和钻杆，游车和天车通过绞车上的钢丝绳连接；其特征在于：所述绞车升沉补偿装置包括设置在绞车一侧且并列设置的主动补偿器和被动补偿器；所述主动补偿器包括有活塞杆向上伸出的第一单出杆活塞缸，该第一单出杆活塞缸的两腔室通过三位四通电磁换向阀连接于液压系统，该主动补偿器还包括探测所述钢丝绳上受力的测力传感器，所述测力传感器与一受力反馈控制器电连接，由受力反馈控制器控制三位四通电磁换向阀的换向动作；所述被动补偿器包括活塞杆向上伸出的第二单出杆活塞缸，该第二单出杆活塞缸的无杆腔通过第一管路与一动力空气压缩罐导通，该第二单出杆活塞缸的有杆腔通过第二管路与一气油储罐导通；所述第一活塞缸和第二活塞缸的活塞杆顶端均连接于一动滑轮上，所述钻井平台上还设有一定滑轮，所述绞车上的钢丝绳顺序绕过动滑轮和定滑轮与天车和游车连接。

2.如权利要求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：所述测力传感器为一压力传感器，所述受力反馈控制器为一压力反馈控制器，该压力传感器设置在天车上，用以测量绕过天车的钢丝绳产生的压力，并将压力信号传至压力反馈控制器。

3.如权利要求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：所述三位四通电磁换向阀为O型中位机能的三位换向阀；该换向阀的两个工作油口分别连通第一单出杆活塞缸的有杆腔和无杆腔，该换向阀的进油口连通液压系统的液压泵，该换向阀的回油口连通液压系统的油箱；所述液压系统中还包括蓄能器、过滤器、单向阀和溢流阀。

4.如权利要求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：第二管路一端通过限速阀与第二单出杆活塞缸的有杆腔连接，第二管路另一端插入气油储罐下部的油液中；第一管路一端通过空气安全阀与第二单出杆活塞缸的无杆腔连接，第一管路另一端与动力空气压缩罐的控制阀以及控制台连接；一空气压缩机通过空气软管与控制台连接。

5.如权利要求4所述的海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置，其特征在于：一备用压缩空气罐通过空气软管与控制台连接。

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