CN103874823A - 锁定机构 - Google Patents

Abstract

一种用于工具单元（11）的升沉补偿的装置，该工具单元经由一个或多个金属线装置（6）从安装在平台（2）上的桅杆（1）悬挂下来，每个金属线装置在第一端部处经由附件（10）附接至桅杆并且经由第一升沉补偿单元（4，5，12）延伸，并且每个金属线装置（6）在其第二端部处附接至第二升沉补偿单元（20；20’；20’’），该第二升沉补偿单元连接到工具单元。第二升沉补偿单元（20’，20’’）包括可移动的补偿装置（31），该补偿装置在其第一端部处附接至金属线装置（6）并且该补偿装置在其第二端部处附接至工具单元（11）。第二升沉补偿单元包括可释放的锁定装置（30），通过该锁定装置能选择性地阻止和允许补偿装置（31）的运动。锁定装置（30）包括锁定螺栓（87），该锁定螺栓具有窄的中央部（87b）以及位于锁定螺栓的每个端部处的宽的台肩部（87a）。连接元件（33）包括通孔（82），该通孔具有第一部分（82a）和第二部分（82b），第一部分具有比第二部分大的开度。

Description

锁定机构

本发明涉及井作业，特别是与来自地下地层的碳氢化合物的生产有关。更具体地，如在独立权利要求的前序部分中所公开的，本发明涉及一种用于移动的船舶上的设备的升沉补偿（heave compensation，波浪补偿）的装置。

本发明的背景技术

在从地下地层中的井中回收碳氢化合物期间，操作员有时必须在井中进行工作。这样的工作可以为维修或其他技术操作，诸如对管道进行打孔、更换或再打孔、改变流量调节器、隔离生产区、监控生产以及记录压力、流量和温度。对于该工作的激励因素是提高井的回收率。由集合术语“修井（well intervention，井干预）”所指代的这项工作是难以从常规的表面平台上执行的，特别是当涉及海底井时。众所周知，海底井比平台井维修得更少，且因此具有更低的回收率。因此，希望有适合于海底井的维修的系统。

在轻修井和重修井之间存在着区别。目前，借助于船舶上的金属线操作进行轻修井。重修井（其包括维修工作（intervention work）的整个范围）通常由通过上升器（用于气体和/或液体的管道）连接到井的一个特殊停泊的、半潜式钻井平台进行。该特殊的钻井平台填补了普通钻井平台和使用金属线操作进行轻修井的船舶之间的空白，并且尤其与普通的钻井平台相比具有大大降低的成本。

为了进一步优化成本，因此希望这种特殊的钻井平台具有最大的灵活性，这样使得，例如，除了进行重修井，这种特殊的钻井平台也可使用金属线操作的工具进行轻修井。

众所周知，浮动的维修钻井平台具有通过用于补偿波动的升沉补偿系统从塔架悬挂下来的钻井机，该升沉补偿系统可包括组合式提升和补偿汽缸。塔架和汽缸安装在甲板上。在一个普通的装置中，钻井机由金属线（所谓的钻头线）悬挂，该金属线绕过位于桅杆的顶部的导向轮，经由位于汽缸的顶部的换向轮，到达位于桅杆的顶部的一个固定点。因此可通过使汽缸移动而上下提升钻井机，并且汽缸在一定的容许范围内也对钻井平台的运动进行补偿，这样使得当进行维修操作时使钻井机尽可能保持稳定。这种组合式提升和补偿汽缸能够处理大负荷，通常大约250吨。

例如，当在海床上或在钻井上升器内部卸下大重量时，以及在钻井过程中，使用这个装置，并且当需要补偿的更高精度和控制时，该装置能够以被动或主动补偿模式工作。

现有技术包括WO2007/145503A1，其描述了一种用于升沉补偿的装置和方法。桅杆安装在漂浮的船舶上，第一补偿装置通过金属线装置附接在桅杆一侧上，并且金属线装置的另一端还连接至第二升沉补偿单元，该第二升沉补偿单元附接至工具单元以进行钻井操作。借助于缆柱（dollies）/杠杆臂使第二升沉补偿单元和工具单元沿着桅杆中的导轨移动。

存在关于修井平台非常精确地补偿平台运动的能力的迫切的需求。通常将升沉补偿需求具体化为补偿质量变化、定位精度和速度极限的能力。但是，在已知的修井平台中，组合式提升和补偿汽缸的尺寸以及导向轮和换向轮中的摩擦使得满足这些需求中的一项或者多项变得困难。因此，需要一种能够在升沉补偿中获得比通过已知的修井平台的情况更高的精度的装置。本发明满足了这种需求并且另外具有其他的优点。

本发明的概述

因此，提供了一种用于工具单元的升沉补偿的装置，该工具单元经由一个或多个金属线装置悬挂于安装在平台上的桅杆中，每个金属线装置在第一端部处经由附件附接至桅杆并经由第一升沉补偿单元延伸，并且每个金属线装置在其另一个端部处附接至第二升沉补偿单元，该第二升沉补偿单元连接到工具单元，其特征在于，第二升沉补偿单元包括可移动的补偿装置，该可移动的补偿装置在其第一端部处附接到金属线装置并且在其第二端部处附接到工具单元，并且第二升沉补偿单元包括可释放的锁定装置，通过该锁定装置可选择性地阻止和允许补偿装置的运动。

在一实施方式中，补偿装置经由连接单元附接至金属线装置并且经由连接元件附接至工具单元，连接单元和连接元件相对于彼此是可移动的，并且其中，锁定装置是可移动的，以用于选择性地且可释放地限制连接单元和连接元件相对于彼此的运动。

在一实施方式中，锁定装置包括锁定螺栓，该锁定螺栓具有窄的中央部以及位于该螺栓的每个端部处的宽的台肩部。

在一实施方式中，连接元件包括通孔，该通孔具有第一部分和第二部分，第一部分具有比第二部分大的开度。第一部分具有允许台肩部通过的尺寸，而第二部分具有不允许台肩部通过但是允许中央部通过的尺寸。在一实施方式中，第一部分具有圆形横截面并且第二部分是细长的。

在一实施方式中，金属线装置经由安装在桅杆的上部处的导向轮在第二升沉补偿单元与第一升沉补偿单元之间延伸，并且经由第一升沉补偿单元在导向轮与桅杆中的附件之间延伸。

在一实施方式中，第一升沉补偿单元在第一端部处连接到平台并且在第二端部处经由换向轮和汽缸可移动地附接至所述金属线装置。

在一实施方式中，装置包括锁定装置，通过该锁定装置可选择性地阻止补偿装置的运动，并且补偿装置作为基本上刚性的本体在工具单元与金属线装置之间传递载荷。

在一实施方式中，第一升沉补偿单元用作主动升沉补偿器，而第二升沉补偿单元用作被动升沉补偿器。

在一实施方式中，第二升沉补偿单元是工具单元的整体部分（integralpart）。第一和第二升沉补偿单元优选为液压操作的。

第二升沉补偿单元可快速且简单地安装在任何钻井机上，而不需要钻井机的结构改变。

附图的综述

在以下参照所附示意图对优选的、非限制的具体实施方式的描述中，将说明本发明的这些和其他典型特征，在所附示意图中：

图1示出了从一侧观看的带有补偿系统的桅杆；

图2示出了从正面观看的根据本发明的带有补偿装置的桅杆；

图3示出了图2所示的桅杆和补偿装置，但是从另一侧观看的；

图4a示出了从一侧观看的本发明的第一实施方式的截面，其中第二升沉补偿单元中的汽缸处于缩回位置中；

图4b示出了从正面观看的图4a所示的截面；

图4c对应于图4b，但是示出了第二升沉补偿单元中的汽缸处于完全伸出位置中；

图4d对应于图4b，但是示出了第二升沉补偿单元中的汽缸处于中间位置中；

图5a示出了从一侧观看的本发明的第二实施方式的截面，其中第二升沉补偿单元中的汽缸处于缩回位置中；

图5b示出了从正面观看的图5a所示的截面；

图5c对应于图5b，但是示出了第二升沉补偿单元中的汽缸处于完全伸出位置中；

图5d对应于图5b，但是示出了第二升沉补偿单元中的汽缸处于中间位置中；

图6a示出了从一侧观看的本发明的第三实施方式的截面，其中第二升沉补偿单元中的汽缸处于缩回位置中；

图6b示出了从正面观看的图6a所示的截面；

图7a和7b示出了分别从正面以及从一侧观看的处于未锁定状态的升沉补偿装置的第三实施方式；

图7c和7d分别是图7a和7b放大截面，并且图7e是图7d所示的内容的截面图；

图8a和8b示出了锁定状态，其中运动阻尼器未起动；

图8c和8d分别是图8a和8b的放大截面，并且图8e是图8d所示的内容的截面图；

图9a和9b示出了其中可将锁定螺栓拉到锁眼之外的状态，并且图9c是图9b所示的内容的放大截面图；以及

图10a和10b示出了通过将钻井机和钻柱旋拧在一起以减轻质量的位置，所谓的“螺纹-节省（thread-saver）”功能，并且图10c是图10b所示的内容的放大截面图。

优选实施方式的描述

图1示出了桅杆1位于甲板2上，例如，在修井平台或钻井平台（未示出）上。将主动升沉补偿汽缸7和储蓄器（accumulator，储能器）8以及组合式提升和升沉补偿汽缸4安装在甲板2上。升沉补偿汽缸4在其上端配备有用于提升金属线6的换向轮5。通常有4根或6根平行延伸的提升金属线6。

参见图2，组合式提升和升沉补偿汽缸4具有冲程d的长度，其中汽缸杆12处于完全伸出位置中。换向轮的完全缩回和完全伸出位置分别由参考标号5和5’表示。

在示出的实施方式中，桅杆以众所周知的方法构造成网格结构，并且因此将不在此更详细地描述。类似地，升沉补偿装置由流体储存器、调节阀和系统、气罐以及液压动力装置驱动。这些部件对于技术人员是众所周知的并且因此没有在此更详细地提及。

桅杆以已知的方式配备有用于钻井机11的导轨9。此外，参见图2和图3，金属线6通过锚具（anchorage）10连接至桅杆的上部。金属线6经由组合式提升和升沉补偿汽缸4的汽缸杆12上的换向轮5从锚具10延伸，经由位于桅杆的顶部处的导向轮3向前且然后向下至连接到钻井机11的补偿器20。图2示出了位于抵靠甲板2的较低位置中的组合式钻井机11和补偿器20，而在图3中这些单元从甲板略微升高。

下文描述了补偿器的三个实施方式

第一实施方式：

参见图4a至图4d，补偿器20包括直接连接在钻井机11与提升金属线的连接杆24之间的两个汽缸22a，b。通过合适的附件25将提升金属线（在图4a至图4c中未示出）连接至连接杆24。图4a进一步示出了附接至钻井机11的台车21，以用于与如上所述的塔架导轨接合。

汽缸22a，b配备有锁23，使用该锁可在不使用系统的时候将汽缸锁定在缩回位置中。来自钻井机11的载荷通过汽缸22a，b和连接杆24传递到提升金属线。

图4a，b示出了汽缸22a，b处于缩回位置中。图4c示出了汽缸22a，b处于完全伸出位置中，而图4d示出了汽缸22a，b处于中间位置中。参考标号26表示汽缸的相应的汽缸杆。

用于升沉补偿汽缸22a，b的流体储存器和控制单元与现有技术一致并且因此没有在此更详细讨论。

第二实施方式：

参见图5a至图5d，补偿器20’包括连接在钻井机11（经由连接件29）与用于提升金属线的连接杆28（在图5b至图5d中仅示出了用于金属线的附件25）之间的汽缸27。图5a还示出了附接至钻井机11的台车21，以用于与如上所述的塔架导轨接合。

汽缸27配备有锁23，使用该锁可在不使用补偿器20’的时候将汽缸锁定在收缩位置中。来自钻井机11的载荷可通过汽缸27和连接杆28传递到提升金属线。

图5a，b示出了汽缸27处于缩回位置中。图5c示出了汽缸27处于完全伸出位置中，而图5d示出了汽缸27处于中间位置中。参考标号26表示汽缸的汽缸杆。用于升沉补偿汽缸27的流体储存器和控制单元与现有技术一致并且因此没有在此更详细讨论。

第三实施方式：

参见图6a至图10c，补偿器20’’包括安装至用于提升金属线的连接件32的补偿汽缸31（也称之为运动阻尼器）。图6a和6b还示出了附接至钻井机11的台车21，以用于与如上所述的塔架导轨接合。在连接件32上安装有锁30（例如，该锁是通过致动器86液压操作的），该锁能够将连接件32和位于下方的连接元件33连接在一起，钻井机11从该连接元件悬挂下来。当该锁处于锁定位置中并且不使用补偿器20’’时，锁30承受所有的载荷，这样使得来自钻井机的载荷通过连接元件33、液压操作锁30和连接件32传递到提升金属线。图6a，b示出了这样一种锁定位置，即，其中汽缸31处于缩回位置并且是不起作用的。

用于升沉补偿汽缸31的流体储存器和控制单元与现有技术一致并且因此没有在此更详细讨论。

图7a至图10c为补偿汽缸31、连接件32、连接元件33以及这些部件之间的不同构造的连接的进一步图示。

补偿汽缸31和金属线6紧固至连接件32，该连接件包括隔开布置并且通过上螺栓81和下螺栓83固定在一起的两个板元件32a，b。锁30（连同其液压致动机构）也附接至连接件（没有示出液压连接线，因为它们是现有技术）。锁30包括壳体30’，该壳体带有锁定螺栓87、锁定螺栓汽缸88和用于锁定螺栓的位置传感器89。锁定螺栓87具有中央窄部87b和位于每个端部处的宽部（凸缘）87a。

在这个示出的实施方式中，连接元件33还具有板形式，并且布置在连接件的板元件32a，b之间，以这样的方式使得其是可移动的。补偿汽缸31（其壳体紧固至连接件）的汽缸杆26通过紧固螺栓84牢牢地固定至连接元件33。连接元件33设置有适于接收锁定螺栓87的贯通的“锁眼”82。锁眼82是细长的并且具有下部82a，该下部具有比锁眼的位于上方的、略微较窄部82b大的开度。

锁定螺栓87的宽端部87a具有这样一种横截面尺寸，即，该横截面尺寸允许锁眼的下面的宽部82a穿过并且进入侧板32a，b中的相应的支撑孔37中，但是不允许位于上方部82b穿过。锁定螺栓的中央窄部87b具有这样一种横截面尺寸，即，该横截面尺寸允许锁定螺栓在锁眼中、也在略微较窄部82b中上下移动。

图7a至图7e示出了未锁定状态。锁定螺栓87已经完全从连接元件33中的锁眼82退出，由此允许连接元件33在连接件32中的两个侧板32a，b之间移动。通过汽缸杆26连接至补偿汽缸31的连接元件33可在下部位置（如所示的）和上部位置之间移动，该下部位置和上部位置分别由上台肩85和下台肩90以及下（止挡）螺栓83限制。该图示出了当连接元件33处于完全较低位置中时，该连接元件将通过台肩85搁置在两个下螺栓83上，在补偿汽缸31万一故障的情况下，这将防止钻井机落下。当汽缸冲程减小至大约一半冲程（与图7a至图7d所示的相比较）时，系统将处于用于运动阻尼的位置中。

图8a至图8e示出了其中不使用运动阻尼器31的锁定状态。系统被锁定，这样使得所有载荷经过锁定螺栓而不会影响运动阻尼器。载荷从钻井机（未示出）悬挂下来并且传递到连接元件33。连接元件33从锁定螺栓悬挂下来，该锁定螺栓位于连接件32的侧板32a，b中的孔中。从锁定螺栓87开始，载荷经过这两个侧板向上至将提升金属线连接到连接件32的上螺栓81。这是一个用于钻井和升高/降低钻柱的悬挂系统的常规结构。

图9a至图9c示出了其中下连接元件33被升起至锁眼82中的最大高度，这样锁定螺栓台肩87a与锁眼的宽部82a彼此对齐。这是能将锁定螺栓87拉到锁眼82之外的唯一位置。通过配备有冲程传感器89的汽缸88水平地移动（拉动）锁定螺栓，这样使得存在对螺栓是否与锁眼可锁定接合的控制。借助于补偿汽缸31完成连接元件33的这个提升。如上所述，图9a至图9c还示出了锁眼的下部尺寸（直径）是如此大的使得锁定螺栓可通过锁眼水平移动。在锁眼的上部、较窄部分中，因为台肩在端部具有增大的直径，所以在水平方向上移动锁定螺栓是不可能的。然而，锁定螺栓在锁眼中自由地竖直移动，贯穿锁眼的整个长度。在图9c中的截面图示出了锁定螺栓一半脱离接合。可看到锁定螺栓在两个端部处均具有比中心部87b的直径大的直径的台肩87a。台肩的直径适合连接件32的支撑孔37以及连接元件中的锁眼的下部82a。

图10a至图10c示出了其中锁定螺栓被锁定的状态，但是阻尼汽缸31（在图10a至图10c中未示出）以小的冲程被致动，这样使得锁定螺栓大致在锁眼82的中间。这是一个用于在钻井机和钻杆旋拧在一起时降低重量的位置，所谓的“螺纹-节省”功能。

补偿器21’’的任务是将已经被降低到井中的工具保持在准确的位置中而不使安装在井中的设备承受通常大于+/-500kg的重量，同时借助于组合式提升和升沉补偿汽缸4（具有相关的储罐和其他必需的已知设备（未示出））而使主升沉补偿正在进行中。具有补偿汽缸31的补偿器21’’从主补偿器4获得阻尼的“峰值”。

补偿器21’’因此可至少具有下述两种功能：

a)抑制/最小化竖直运动和控制/最小化由可向下降低至井中的工具作用在井内部的部件上的载荷；以及

b)当钻井机的轴和钻杆的顶部旋拧在一起时减小它们之间的载荷。（螺纹-节省）

尽管补偿器21’’在此被描述为由可移动地布置在连接件32的两个侧板32a，b之间的下连接元件33组成，但是本发明不应限于这种设计，作为一种变型，可为倒置的构造，其中下连接元件具有两个侧板并且连接件包括一个可移动地布置在两个侧板之间的元件。本发明也不应限于板形元件。

实施方式所共有的特征：

当在海床上或在钻井上升器内部卸下大的载荷时以及在钻井的过程中，使用组合式提升和升沉补偿汽缸4以及相关的部件（在下文中也称之为阶段1）。在这样的情况下，不需要使用补偿器20，20’，20’’，即，通过它们相应的锁定机构23，30来锁定汽缸。

对于升沉补偿，可在被动补偿模式或主动补偿模式下操作阶段1。

在需要补偿的更高精度和控制的情况下（例如，在修井的过程中），将在主动补偿模式下操作阶段1。阶段1因此将能够实现降至某一最小水平的升沉补偿。

为了进一步增加敏感度和精度并且确保钻井机的动力不会超过限定的最小值，与阶段1一起使用补偿器20，20’，20’’（下文中也称之为阶段2）。阶段2则起被动升沉补偿器的作用。阶段2中的补偿器（可具有相对短的冲程长度）构造成使得将汽缸活塞保持静止直至以预定的重量加载。当达到这样预定的重量时，阶段2中的补偿器将通过使汽缸杆26缩回或者伸出来补偿。

存在对阶段2的需要的情况的实例包括将较轻的设备卸下在外壳和海底安全阀内。

这种类型的两阶段升沉补偿器因此可非常精确地补偿桅杆的运动。在给定的操作参数范围内（例如，平台的最大升沉运动），组合式阶段1和阶段2可补偿相对小的重量变化并且以有限的速度获得显著的定位精度。如上所述，组合式提升和补偿汽缸通常可处理大约250吨的载荷。在这样的背景中，相对小的重量变化可为大约是500kg，并且定位精度可为大约±10cm。

阶段1可处理大的载荷以及大部分的升沉。然而补偿器20，20’，20’’（阶段2）基本上小于阶段1因此产生更少的包覆摩擦。另外，阶段2中的补偿器位于钻井机11的顶部，这样使得它不会随之带有除了补偿器20，20’，20’’中的摩擦之外的其他摩擦，并且一些可能地来自井。

补偿器20，20’，20’’因此能够将来自阶段1的载荷幅值降低至位于质量变化补偿的要求范围内的载荷振动。

根据本发明功能的装置以这样的方式而用作一个两阶段升沉补偿器，其中组合式提升和升沉补偿汽缸4（阶段1）处理大的载荷，而补偿器20，20’，20’’（阶段2，其具有较好的敏感度和较高的精度）能够补偿比阶段1所适于补偿的载荷小的载荷。

在一实施方式中，补偿器20，20’，20’’设计成所能补偿的载荷可为提升系统的载荷能力的大约8%至10%。

应该意识到的是，用于升沉补偿的装置可用于除了修井之外的目的。

已包括上述说明书中的数值来说明本发明的应用，并且不应该被视为是本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于工具单元（11）的升沉补偿的装置，所述工具单元经由一个或多个金属线装置（6）从安装在平台（2）上的桅杆（1）悬挂下来，每个金属线装置在第一端部处经由附件（10）附接至所述桅杆并经由第一升沉补偿单元（4，5，12）延伸，并且每个金属线装置（6）在所述金属线装置的第二端部处附接至第二升沉补偿单元（20；20’；20’’），所述第二升沉补偿单元附接至所述工具单元，

其特征在于

所述第二升沉补偿单元（20’；20’’）包括能移动的补偿装置（31），所述补偿装置在所述补偿装置的第一端部处附接至所述金属线装置（6）并且在所述补偿装置的第二端部处附接至所述工具单元（11），并且所述第二升沉补偿单元包括能释放的锁定装置（30），通过所述锁定装置能选择性地阻止和允许所述补偿装置（31）的运动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述补偿装置（31）经由连接单元（32）附接至金属线装置（6）并且经由连接元件（33）附接至所述工具单元（11），其中，所述连接单元（32）和所述连接元件（33）相对于彼此是能移动的，并且其中，所述锁定装置（30）是能移动的以用于选择性地且能释放地限制所述连接单元（32）和所述连接元件（33）相对于彼此的运动。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述锁定装置（30）包括锁定螺栓（87），所述锁定螺栓具有窄的中央部（87b）以及位于所述螺栓的每个端部处的宽的台肩部（87a）。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的装置，其中，所述连接元件（33）包括通孔（82），所述通孔具有第一部分（82a）和第二部分（82b），所述第一部分具有比所述第二部分大的开度。

5.根据权利要求4所述装置，其中，所述第一部分（82a）具有允许所述台肩部（87a）通过的尺寸，而所述第二部分（82b）具有不允许所述台肩部通过但是允许所述中央部（87b）通过的尺寸。

6.根据权利要求4或权利要求5所述装置，其中，所述第一部分（82a）具有圆形横截面并且所述第二部分（82b）是细长的。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述金属线装置经由导向轮（3）在所述第二升沉补偿单元与所述第一升沉补偿单元之间延伸，所述导向轮安装在所述桅杆的上部处，并且所述金属线装置经由所述第一升沉补偿单元在所述导向轮与所述桅杆中的所述附件之间延伸。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述第一升沉补偿单元在第一端部处连接到所述平台并且在第二端部处经由换向轮（5）和汽缸（4，12）能移动地附接至所述金属线装置。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括锁定装置（23），通过所述锁定装置能选择性地阻止所述补偿单元（22a，b；27）的运动，并且所述补偿单元作为基本上刚性的本体在所述工具单元与所述金属线装置之间传递载荷。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述第一升沉补偿单元（4，5，12）用作主动升沉补偿器，而所述第二升沉补偿单元（20，20’，20’’）用作被动升沉补偿器。

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