CN103038438B - 用于控制自由悬挂管的运动的设备、方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于控制自由悬挂管（4）的运动的设备（1），自由悬挂管通过与漂浮容器（2）连接的至少一个补偿器构件（7）至少经由连接元件（8）悬挂，所述管延伸到容器下方的水体中。设备包括：运动感测装置（36），用于感测补偿器构件的运动以及由此感测容器（2）的运动；以及位置指示器装置（21），用于感测连接元件（8）相对于补偿器构件的位置以及由此感测管的上部区域相对于补偿器构件的位置。设备进一步包括：数据处理装置（22），用于确定与容器和管的上部区域之间的运动相关的一个或多个参数；以及调节装置（24a，b，25，26，29，33a-d），用于至少控制补偿器构件（7）的刚度和阻尼；由此可控制在补偿器与管之间传递的轴向负载。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制自由悬挂管的运动的方法、设备和系统，自由悬挂管由与漂浮容器(buoyantvessel)连接的至少一个补偿器构件经由连接元件悬挂。本发明特别适合于在软悬挂过程中控制隔水管(取油管，riser)运动。
背景技术
当开发较大水深处的海底油气田时，在钻井和碳氢化合物的生产中使用的设备将越来越多地是浮式结构，诸如钻井船、半潜水平台和钻塔等等。这些浮式结构在波浪、风和水流的影响下移动。这意味着，将浮式结构与水下油井连接的管道必须足够柔软且坚固，以能够与水面上的平台一起移动。因为运动和波浪力在水面上最大，所以管道也在此区域中暴露于最大的弯曲应力。
当在深水中钻井时，隔水管是关键部件，并且钻井操作员主要关心的是有效地运行和收回隔水管的能力、以及在深水和超深水(例如，1000-3000米)中安全地操作隔水管的能力。恶劣的天气条件通常发展快速，因而仅留下很少的时间来固定和拉住隔水管。
只要浮式钻井单元经历恶劣天气，其就必须在一些点处将隔水管与海底脱离连接，并使隔水管悬挂于浮式钻塔。通常实现与海底的脱离连接，因为钻塔的竖直升降(heave，升沉)运动对于张紧系统冲程容量来说过大，或者由于将在井头或隔水管上产生的过大的负载变化。
在传统的“硬悬挂”过程中，将隔水管(其与海底脱离连接)从钻塔悬挂，同时已经缩回和锁定隔水管与钻塔之间的伸缩接头，并释放张紧器。因此，在硬悬挂中，将容器(钻塔)运动直接传递至隔水管，并且该运动可能导致非常大的负载。硬悬挂过程不适合于较深的水，因为隔水管长度变得相当大(例如，1000米或更大)，并且隔水管受到可能导致弯曲的较大压缩负载。
在特别适合于深水的“软悬挂”过程中，张紧器和伸缩接头保持活动，其中张紧器从伸缩接头支撑自由悬挂隔水管重量。伸缩接头和张紧器吸收竖直钻塔运动，明显减小隔水管系统上的负载变化。
隔水管-海底脱离连接的结果通常是，使张紧器缸位于完全延伸或收回的位置(对直接作用的张紧器收回，对钢丝绳(wireline)张紧器延伸)。在这一点上，因为张紧器缸位于末端冲程位置，所以由张紧系统支撑的隔水管将必须与钻塔一起运动。隔水管将具有非常大的质量，具有浮力元件。这意味着，将没有和钻塔一样快地下落到水中的能力。当水深和隔水管长度增加时，此现象更适用。当钻塔在大海向下升降时，将必须把隔水管质量向下推入海中，结果造成隔水管的浅水弯曲。
在典型的软悬挂过程中，通常将张紧器缸运行至中间冲程位置，并允许张紧器以被动且稍微不控制的方式支撑自由悬挂隔水管。隔水管具有较大的质量/湿重比例，并且当受到由必须跟随钻塔运动的隔水管上端导致的较大压缩负载时容易弯曲。因此，在软悬挂过程中主要关心的是，避免由会使隔水管的上部弯曲的较大向下加速度而导致隔水管超载。还关心的是，防止张紧器缸到达末端冲程。
本申请人已经设计并具体化了本发明，以克服这些缺点并获得其他优点。
发明内容
阐述了本发明并且其特征如下所述，同时下文中描述了本发明的其他特征。
因此，提供了一种用于控制自由悬挂管的运动的设备，自由悬挂管通过与漂浮容器连接的至少一个补偿器构件至少经由连接元件悬挂，所述管延伸到容器下方的水体中，其特征在于：第一感测装置，用于感测补偿器构件的动态和/或空间参数以及由此感测容器的动态和/或空间参数；第二感测装置，用于感测连接元件的动态和/或空间参数、以及由此感测管的上部区域的动态和/或空间参数；数据处理装置，用于处理由第一和第二感测装置提供的数据并确定与容器与管的上部区域之间的运动相关的一个或多个参数；以及调节装置，用于至少控制补偿器构件的刚度和阻尼；由此可控制在补偿器与管之间传递的轴向负载。
在一个实施方式中，第一感测装置包括运动感测装置，运动感测装置用于感测补偿器构件的运动、以及由此感测容器的运动。在一个实施方式中，第二感测装置包括位置指示器装置，位置指示器装置用于感测连接元件相对于补偿器构件的位置、以及由此感测管的上部区域相对于补偿器构件的位置。
在一个实施方式中，与容器和管的上部区域之间的运动相关的一个或多个参数包括加速度。
补偿器构件优选地包括：补偿器构件包括：经由第一流体管线连接于贮蓄器的液压缸、以及用于控制第一流体管线中的流动的第一阀装置、以及用于感测液压流体的压力的第一压力感测装置。优选地，至少一个压力容器经由第二流体管线和调节装置流体地连接于贮蓄器，并且设备进一步包括第二压力感测装置，由此可控制由压力容器中的加压气体施加于贮蓄器中的液压流体上的压力。
在一个实施方式中，具有冷却回路的热交换器与第一流体管线热连接，由此第一流体管线中的液压流体可在与冷却液的热交换时被冷却。
还提供了一种用于控制自由悬挂管的运动的系统，其中，多个根据本发明的设备经由以对称样式布置在管周围的各自的补偿器构件而连接于管，并且系统进一步包括公共数据处理装置和公共用户接口，由此可通过各个设备的选择操作来控制自由悬挂管的运动。
还提供了一种用于控制自由悬挂管的运动的方法，自由悬挂管通过与漂浮容器连接的至少一个补偿器构件经由连接元件悬挂，所述管延伸到容器下方的水体中，其特征在于：收集容器的运动数据；收集管的上部区域相对于补偿器构件的运动数据；处理容器的运动数据和管的上部区域的运动数据，并且确定与容器和管的上部区域之间的运动相关的一个或多个参数；以及基于这些数据，至少控制补偿器构件的刚度和阻尼；由此可控制在补偿器与管之间传递的轴向负载。
在一个实施方式中，收集容器的运动数据的步骤包括感测容器的运动。在一个实施方式中，收集管的上部区域的运动数据的步骤包括感测管的上部部分相对于补偿器构件的位置。
在一个实施方式中，该方法进一步包括感测连接在管与容器之间的液压缸中的第一压力，所述液压缸经由第一流体管线连接于贮蓄器，并且该方法包括感测贮蓄器中的由至少一个压力容器施加的第二压力，所述至少一个压力容器经由第二流体管线和调节装置而流体地连接于贮蓄器。
空气体积的减小是与软悬挂功能的作用的折衷。为了得到最可能的软悬挂功能，空气体积应该是无限的。通过无限的空气体积和无摩擦的张紧系统，隔水管理论上将在水中直立不动。如果未正确地调节系统，那么结果可能是钻塔和隔水管相反地运动。这样做的结果将是，张紧器缸使用它们的很多冲程容量。如果隔水管与钻塔之间的相对运动过大，那么对于每个波峰和波谷缸均将到达末端冲程。如果减小空气体积，那么隔水管运动将增加。这对于隔水管来说是不利的，因为高竖直加速度可能导致隔水管的上部中的弯曲。
通过用张紧系统给出的可能性正确地设置系统，其将使钻塔和隔水管运动同步，并对隔水管产生阻尼效果。这通过找到以下因素的正确组合来实现：
-空气压力；
-空气体积；
-用于产生阻尼效果的油流的阻塞。可将其实现为固定阻塞，或者其可基于已知的参数而随着时间改变，例如：
○系统压力的变化
○缸位置
○缸速度
○加速度
○或基于所测数据的其他参数
控制系统可设置为自调节，或者其可以是对升降和隔水管结构的所有组合的固定解决方案。
通过本发明，可监测和控制自由悬挂隔水管相对于移动钻塔的运动。可精确地测量隔水管的运动，并且不再必须仅依赖于从隔水管顶部运动的移动(升降和滚动)平台的视觉观察。
通过根据本发明的补偿器系统和方法，补偿器缸可被保持在中间冲程位置作为钻塔和隔水管之间的柔性元件，由此基本上减少隔水管运动并防止隔水管弯曲。
附图说明
参考附图，从作为非限制性实例给出的实施方式的优选形式的以下描述中，这些和其他特性将变得清楚，其中：
图1是经由补偿器从浮式钻塔悬挂的自由悬挂隔水管的示意图；
图2是根据本发明的经由张紧环与隔水管连接的多个补偿系统的示意图；
图3是示出了本发明的补偿系统和方法的框图；
图4是直接作用张紧系统的示意图，本发明可通过该系统来实现；以及
图5是钢丝绳张紧系统的示意图，本发明可通过该系统来实现。
具体实施方式
图1示出了钻塔2，该钻塔浮在水中并通常受到水波W、水流和风载荷。用钻塔2经由补偿器7悬挂自由悬挂隔水管4。在所示实施方式中，隔水管张紧器用作补偿器。伸缩接头5允许隔水管与钻塔之间的相对运动。用标为H的双箭头示出钻塔的运动(例如升降)，而用标为R的双箭头示出隔水管动态。因此，图1示出了隔水管的软悬挂模式。
现在将参考图3描述控制每个相应补偿器7的刚度(stiffness)和响应的补偿设备1。
补偿器7包括与钻塔2连接的壳体、以及与传统张紧器缸一样具有与隔水管4(示意性地示出)连接的活塞杆24b的活塞24a。贮蓄器26经由液压管线35并经由阀25控制而对补偿器7供应液压流体14，阀优选地是比例控制关闭阀。用第一压力变送器(transmitter，传感器)27监测液压系统中的压力。
经由供应管线31将气体(通常是空气)供应至贮蓄器26中，供应管线31与压力容器33a-d连接。在图3中，经由各自的阀29控制的总共四个压力容器将加压空气供应至贮蓄器26中。用第二压力变送器28监测气体(空气)系统中的压力。可将额外的空气从储存器32供应至系统中，并且，当需要时，可经由阀控制的空气出口30排出过剩空气。容器33a-d中的压力通常且理想地是恒定的，但是，由于例如空气系统中的温度变化而可能必须增加或耗尽空气。
补偿设备1进一步包括与补偿器壳体连接的运动参考单元(MRU)36，并从而感测补偿器7的运动。MRU可包括在本领域中自身是已知的加速计或惯性系统。安装于钻塔上的位置指示器21监测补偿器活塞杆24b的运动(以及进而监测隔水管顶部的运动)。位置指示器21可以是光学指示器、电磁感测装置、或任何其他本领域已知的位置指示器。
补偿设备1进一步包括收集并处理数据且控制系统的中央处理器(CPU)22。在图3中，用虚线表示CPU22和各种部件之间的数据线。经由用户接口37(端子或类似接口)对CPU提供控制输入数据，并且还可经由用户接口呈现相关数据(例如，钻塔和隔水管动态)。
在操作中，基于例如来自位置指示器21的位置数据和来自MRU36的运动数据，通过CPU22计算钻塔运动。基于基本上表示活塞管的运动加上或减去由位置指示器21测量的运动的来自MRU的数据，通过CPU计算加速度。通过将这两个运动加在一起，计算隔水管的顶部处的运动。
用户接口37可能显示例如隔水管顶部的加速度和补偿器缸24b的最大/最小冲程。
通过使用所收集的数据，CPU可(由CPU自己、或由经由用户接口的输入辅助地)对系统(例如，阀25、29)提供控制信号，并从而调节参数以在由钻塔运动给出的限度内实现最可能的结果/加速度和冲程的组合。可控系统参数的实例是压力、刚度和阻尼。
应调节补偿设备压力以符合隔水管的湿重。用第一压力变送器27(其最接近管道系统中的缸)测量系统的重量。由第一压力变送器27感测的压力将与所测杆位置和系统刚度组合在一起用来设置系统压力，即，通过控制压力容器来设置系统压力。当补偿缸是恒定运动时，可能对CPU花费一些时间和重复过程来找到平衡。如上所述，如果将减小压力，那么通过排出空气来调节系统压力，或者如果将增加空气，那么通过从备用压力容器32打开来将空气添加到系统中。还可能由于气体中的温度变化而必须随着时间调节系统压力。
通过控制开放的压力容器33a-d的数量(即，通过控制系统的空气体积)来调节补偿设备刚度。如果期望增加补偿器刚度(即，弹簧常数)，那么减小开放的压力容器的数量，最终减小补偿器缸上的冲程的量。增加刚度的另一结果是整体隔水管运动将增加。这意味着，用于选择待开放的压力容器的数量的外边界在一端中是缸运动而另一端是隔水管加速度。每个压力容器均装配有隔离阀29，并仅可具有完全打开或完全封闭的功能。
可通过选择每个缸7的开放空气压力容器的数量来调节补偿设备刚度。这可以1的增量来实现，从没有(零个)瓶子打开到所有(四个)瓶子打开。在所有瓶子打开的情况下，系统是软的，并且隔水管将相对于钻塔移动较少，但是，如果天气过于恶劣，那么这会导致缸到达冲程的最低点。在更少的瓶子打开的情况下，刚度增加且隔水管将更多地遵循钻塔运动。
现在参考图2、4和5，优选地通过补偿器系统来补偿隔水管的动态，该补偿器系统包括多个如上所述的补偿器设备1。图2示意性地示出了一个这种补偿器系统，其中，以对称样式在隔水管周围布置六个补偿器设备1，该六个补偿器设备具有各自的补偿器缸7，所有补偿器设备都与支撑隔水管4的隔水管张紧环8连接。用于每个补偿器缸7的机械和液压系统如上所述，但是，优选地由公共CPU22’和公共用户接口37’控制。图2中的虚线表示数据传输线。在这种系统中，每个设备1内的压力容器33的数量可以变化。例如，在通过四个压力容器33a-d(图3)控制一个补偿器7的结构中，可能以1/4的增量控制刚度和阻尼。在图2所示的结构的情况下，如果每个设备1均包括四个压力容器，那么1/24的增量是可能的。可彼此独立地控制不同补偿器设备中的补偿器。然而，在实际操作中，以围绕隔水管轴线的某一对称性来操作补偿器。
图4是直接作用张紧系统的图示，本发明可通过该系统来实现。从由钻台9支撑的框架23来悬挂多个张紧器缸，所述多个张紧器缸在根据本发明的系统中用作补偿器缸7。每个活塞杆24b的自由端与张紧环8连接，且进而与隔水管4连接。每个补偿器缸7与压力容器33的系统以及以上参考图3描述的其他部件连接。
图5是钢丝绳张紧系统的示图，本发明可通过该系统来实现。在根据本发明的系统中用作补偿器缸7的多个张紧器缸在一端与钻台9连接，并且，每个活塞杆24b的自由端均与操作多条钢丝10的槽轮连接，所述钢丝以自身已知的方式通过空转槽轮11并到达隔水管4的顶端。每个活塞杆24b的自由端均与张紧环8连接，张紧环进而与隔水管4连接。每个补偿器缸7均与压力容器33的系统以及以上参考图3描述的其他部件连接。
因此，每个补偿设备1可具有多个压力容器，例如，每个补偿器缸7有两个至八个压力容器中的任一种。在整个系统中，对每个单独缸7打开的压力容器的数量并非必须相同。通过此组合，可在总系统压力体积的更小部分中有效地调节系统刚度。
可在比例控制关闭阀25上调节系统阻尼，该比例控制关闭阀布置在补偿器缸7与储油器26(见图3)之间的油流中。阻尼效果将帮助避免共振频率，并迫使隔水管遵循钻塔运动。如果这两个运动不同步，那么效果将是补偿器缸的过大冲程。增加的阻尼将增加隔水管加速度，而减小的阻尼可能导致共振或同步误差。并非必须将比例控制关闭阀25的阻塞设置为恒定比例，可能必须在每个升降周期上相对于以下中的任一种来主动地进行调节：加速度、速度、缸位置、缸方向或这些的组合。因此，可将油流的阻塞实现为固定阻塞，或可基于已知的参数随着时间执行。
因此，阻塞所述比例控制关闭阀将增加阻尼效果(否则阻尼效果仅由自然流动约束和密封摩擦产生)。其可通过将阀设置至固定位置来实现，或者其可以是通过相对于冲程或速度(或冲程和速度的组合)的可变阻塞来对其进行主动控制，或者其可随着收回和延伸而变化。
如果比例控制关闭阀25设置在恒定比例(固定位置)，那么其应设置为小于阀25的减压的阻尼效果，因为否则减压阀(未示出)将重新打开该关闭阀25。
阻塞所述比例控制关闭阀25将产生热量，因为阀从钻塔与隔水管之间的相对运动获得能量。因此，液压管线35有利地且可选地设置有热交换器15(见图3)，热交换器用来冷却液压流体14。可通过与海水或(优选地)与钻塔上的公用系统的热交换来驱散从液压流体传递至冷却介质中的热量。
因此，调节空气压力、空气体积和油流可防止缸到达末端冲程，防止撑杆弯曲并避免撑杆和钻塔之间的共振。
Claims (13)
1.一种用于控制自由悬挂管(4)的运动的设备(1)，所述自由悬挂管通过与漂浮容器(2)连接的至少一个补偿器构件(7)至少经由连接元件(8)悬挂，其特征在于，所述自由悬挂管(4)以软悬挂模式延伸到所述漂浮容器(2)下方的水体中，在所述软悬挂模式中，所述自由悬挂管(4)与海底脱离连接，并且所述补偿器构件(7)支撑所述自由悬挂管(4)，其中，所述设备(1)包括：
-第一感测装置(36)，用于感测所述补偿器构件(7)的动态和/或空间参数以及由此感测所述漂浮容器(2)的动态和/或空间参数；
-第二感测装置(21)，用于感测所述连接元件(8)的动态和/或空间参数以及由此感测所述自由悬挂管(4)的上部区域的动态和/或空间参数；
-数据处理装置(22)，用于处理由所述第一感测装置(36)和所述第二感测装置(21)提供的数据并确定与所述漂浮容器(2)和所述自由悬挂管(4)的所述上部区域之间的运动相关的一个或多个参数；以及
-调节装置，用于通过调节气体压力、气体体积以及液压流体流中的至少一者来至少控制所述补偿器构件(7)的刚度和阻尼，从而防止所述补偿器构件(7)到达末端冲程；
-至少一个压力容器(33a-d)，经由第二流体管线(31)和调节装置(29)流体地连接于贮蓄器(26)，通过控制开放的所述压力容器的数量，来调节所述设备的刚度；以及
-第二压力感测装置(28)，由此能够控制由所述压力容器中的加压气体施加于所述贮蓄器中的液压流体上的压力；
由此能够控制在所述补偿器构件(7)与所述自由悬挂管(4)之间传递的与质量/湿重比例有关的轴向负载，以避免能使所述自由悬挂管的上部弯曲的所述自由悬挂管(4)的超载。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一感测装置(36)包括运动感测装置，所述运动感测装置用于感测所述补偿器构件的运动以及由此感测所述漂浮容器(2)的运动。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述第二感测装置(21)包括位置指示器装置，所述位置指示器装置用于感测所述连接元件(8)相对于所述补偿器构件的位置以及由此感测所述自由悬挂管的所述上部区域相对于所述补偿器构件的位置。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，与所述漂浮容器和所述自由悬挂管的所述上部区域之间的运动相关的所述一个或多个参数包括加速度。
5.根据权利要求3所述的设备，其中，与所述漂浮容器和所述自由悬挂管的所述上部区域之间的运动相关的所述一个或多个参数包括加速度。
6.根据权利要求1、2和5中任一项所述的设备，其中，所述补偿器构件包括：经由第一流体管线(35)连接于所述贮蓄器(26)的液压缸、以及用于控制所述第一流体管线中的流动的第一阀装置(25)、以及用于感测所述液压流体的压力的第一压力感测装置(27)。
7.根据权利要求3所述的设备，其中，所述补偿器构件包括：经由第一流体管线(35)连接于所述贮蓄器(26)的液压缸、以及用于控制所述第一流体管线中的流动的第一阀装置(25)、以及用于感测所述液压流体的压力的第一压力感测装置(27)。
8.根据权利要求4所述的设备，其中，所述补偿器构件包括：经由第一流体管线(35)连接于所述贮蓄器(26)的液压缸、以及用于控制所述第一流体管线中的流动的第一阀装置(25)、以及用于感测所述液压流体的压力的第一压力感测装置(27)。
9.根据权利要求6所述的设备，进一步包括具有冷却回路(16)的热交换器(15)，所述热交换器与所述第一流体管线(35)热连接，由此所述第一流体管线中的液压流体能够在与冷却液的热交换时被冷却。
10.一种用于控制软悬挂模式中的自由悬挂管(4)的运动的系统，其中，多个根据权利要求1-9中任一项权利要求所述的设备(1)经由以对称样式布置在所述自由悬挂管周围的各自的补偿器构件(7)而连接于所述自由悬挂管(4)，并且所述系统进一步包括公共数据处理装置(22’)和公共用户接口(37’)，由此能够通过各个设备(1)的选择操作来控制所述自由悬挂管的运动。
11.一种用于控制自由悬挂管(4)的运动的方法，所述自由悬挂管通过与漂浮容器(2)连接的至少一个补偿器构件(7)经由连接元件(8)悬挂，其特征在于，所述自由悬挂管(4)以软悬挂模式延伸到所述漂浮容器(2)下方的水体中，在所述软悬挂模式中，所述自由悬挂管(4)与海底脱离连接，并且所述补偿器构件(7)支撑所述自由悬挂管(4)，所述方法包括：
收集所述漂浮容器(2)的运动数据；
收集所述自由悬挂管(4)的上部区域相对于所述补偿器构件的运动数据；
处理所述漂浮容器(2)的所述运动数据和所述自由悬挂管(4)的所述上部区域的所述运动数据，并且确定与所述漂浮容器(2)和所述自由悬挂管(4)的所述上部区域之间的运动相关的一个或多个参数；以及
基于这些数据，通过调节气体压力、气体体积以及液压流体流中的至少一者来至少控制所述补偿器构件(7)的刚度和阻尼，从而防止所述补偿器构件(7)到达末端冲程；
感测连接在所述自由悬挂管(4)与所述漂浮容器(2)之间的液压缸中的第一压力，所述液压缸经由第一流体管线(35)连接于贮蓄器(26)，并且所述方法包括感测所述贮蓄器中的由至少一个压力容器(33a-d)施加的第二压力，所述至少一个压力容器经由第二流体管线(31)和调节装置(29)而流体地连接于所述贮蓄器(26)，通过控制开放的所述压力容器的数量，来调节设备的刚度；
由此能够控制在所述补偿器构件(7)与所述自由悬挂管(4)之间传递的轴向负载，以避免能使所述自由悬挂管的上部弯曲的所述自由悬挂管(4)的超载。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，收集所述漂浮容器的运动数据的步骤包括感测所述漂浮容器(2)的运动。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，收集所述自由悬挂管的所述上部区域的运动数据的步骤包括感测所述自由悬挂管的上部部分相对于所述补偿器构件的位置。
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