CN104389533B - 海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统，该系统包括钻井补偿绞车、自动送钻绞车、液压盘刹、拉力传感器、平台加速度传感器、旋转编码器及PLC控制器，其中，钻井补偿绞车连接在钻井钢丝绳的快绳端，自动送钻绞车与钻井钢丝绳的死绳端连接，拉力传感器置于游车下方，平台加速度传感器固定在钻井平台上，旋转编码器与钻井补偿绞车的滚筒轴相连，拉力传感器、平台加速度传感器和旋转编码器的电信号接入PLC控制器，PLC控制器输出控制信号与矢量变频系统连接。本发明利用两台绞车带动游动系统分别实现升沉补偿与自动送钻功能，实现了海洋钻井运动的解耦控制；利用柱塞马达、柱塞泵与液气蓄能器装置实现了对钻柱重力势能的回收利用，降低了补偿绞车的能耗。

Description

海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统

技术领域：

本发明涉及一种海洋石油钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统，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：

海洋浮式钻井平台及钻井设备会随着海浪进行上下往复运动，引起钻压不断变化，降低了钻头和钻杆寿命，海况异常恶劣时，钻机甚至无法正常工作。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本。升沉补偿系统是集机、电、气、液、自动控制、智能检测为一体的复杂装备，具有高技术、高投入、高风险等特点。

升沉补偿系统按照其安装位置可以分为：天车升沉补偿装置、钢丝绳升沉补偿装置、游车和大钩间的升沉补偿装置以及绞车升沉补偿装置；其中绞车升沉补偿技术作为一项新技术，具有其独特的性能优势，包括钻井效率高、传动简单、设备重心低、平台载荷与占用空间少的等性能优势，逐渐受到业内关注。近年来，国外对海上钻井补偿绞车的研究已经取得较大的进展，并且已有电动钻井补偿绞车产品面世，采用多台大功率交流电机直接驱动绞车进行正反转，从而带动游车大钩上下运动，实现对平台升沉的补偿，但系统的功率与能耗较大。

一般的海洋钻井工作由常规钻井绞车与传统液压缸式升沉补偿系统共同完成，钻井绞车主要完成钻机的起下钻作业与钻进过程中的自动送钻功能，液压缸式升沉补偿系统一般安装在游车大钩或者天车上，完成钻进过程中的钻柱升沉补偿功能；而绞车升沉补偿系统需要同时完成升沉补偿与自动送钻两种运动控制功能，因此补偿绞车的运动控制存在耦合的问题。

发明内容：

本发明的目的是要提供一种海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统，以满足海洋石油钻井的性能要求，实现对升沉补偿及自动送钻运动的解耦控制，同时降低系统能耗、提高海洋钻井工作效率。

为实现上述目的，本发明的总体构思：在钻井钢丝绳的快绳端布置一台钻井补偿绞车，在钻井钢丝绳的死绳端布置一台自动送钻绞车，钻井补偿绞车带动游车实现升沉补偿运动，自动送钻绞车缓慢下放游车实现恒钻压或恒钻速送钻，通过布置两台绞车实现了两种运动的解耦控制与联合运动；在钻井补偿绞车上设置液气能量回收装置，利用液压马达与液压泵周期性回收与释放负载重力势能，降低了补偿绞车的能耗。

本发明所述的海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统，包括钻井补偿绞车、自动送钻绞车、拉力传感器、平台加速度传感器、旋转编码器、PLC控制器、矢量变频系统，其中，钻井补偿绞车连接在钻井钢丝绳的快绳端，自动送钻绞车与钻井钢丝绳的死绳端连接，拉力传感器置于游车下方，平台加速度传感器固定在钻井平台上，旋转编码器与钻井补偿绞车的滚筒轴相连，拉力传感器、平台加速度传感器和旋转编码器的电信号接入PLC控制器，PLC控制器输出控制信号与矢量变频系统连接。所述钻井补偿绞车包括单级齿轮减速器、变频电机、联轴器、液压盘刹、柱塞泵、柱塞马达、电磁换向阀、液气转换器、高压气瓶、油箱和滚筒，其中，变频电机、柱塞泵、柱塞马达通过联轴器与单级减速器外圈小齿轮分别相连，单级减速器的大齿轮通过联轴器与滚筒相连，柱塞泵、柱塞马达通过电磁换向阀与液气转换器相连，液气转换器与高压气瓶相连；当钻井补偿绞车下放负载时，柱塞泵处于工作状态、柱塞马达处于浮动状态，回收负载重力势能；补偿绞车举升负载时，柱塞马达处于工作状态、柱塞泵处于浮动状态，释放能量。

本发明所采用的技术方案是在由三相异步电机、二级圆柱齿轮减速器、送钻电机、摆线减速器、联轴器、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，将二级圆柱齿轮减速器替换为具有多个输入轴的单级齿轮减速器，将三相异步电机替换为变频电机，还增加了柱塞马达、柱塞泵、液气蓄能器装置；将送钻电机、摆线减速器分离出来组成自动送钻绞车，安装在死绳端；系统还增加了平台加速度传感器、负载拉力传感器、绞车轴旋转编码器与PLC控制器。在钻井钢丝绳的快绳侧安装一台钻井补偿绞车，在死绳侧安装一台自动送钻绞车，加速度传感器与平台固联，拉力传感器安装在游车下方，旋转编码器与钻井补偿绞车的滚筒轴相连。在钻井补偿绞车中，变频电机、柱塞泵、柱塞马达通过联轴器与单级减速器外圈小齿轮相连，沿周向布置，单级减速器的大齿轮通过联轴器与滚筒相连，柱塞泵、柱塞马达与液气蓄能器装置相连。

本发明与现有技术相比，具有下列有益效果：

1.具备起下钻、自动送钻等常规钻井功能，同时具备钻井平台升沉补偿功能，不需要单独的液压升沉补偿装置，具有工作效率高、升沉补偿行程不受限制、钢丝绳寿命长、简化平台结构等诸多优势。

2.配备液气能量回收装置，液气蓄能器装置通过柱塞马达与柱塞泵对升沉补偿过程中的负载重力势能进行周期性的回收与释放，降低了系统能耗。

3.采用双绞车运动控制系统，PLC控制器根据平台加速度传感器与绞车轴旋转编码器的信号，通过控制矢量变频系统，驱动钻井补偿绞车正反转来实现升沉补偿功能；PLC控制器根据拉力传感器的钻压信号，通过控制矢量变频系统，驱动自动送钻绞车实现恒钻压或恒钻速下放负载，使游车大钩完成边补偿、边送钻的联合运动，实现了两种运动的解耦控制。

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是本发明所提出的海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统结构示意图；

图2是本发明所提出的钻井补偿绞车的原理图。

图中：1—天车；2—游车；3—拉力传感器；4—自动送钻绞车；5—钻井补偿绞车；6—平台加速度传感器；7—PLC控制器；8—矢量变频系统；9—旋转编码器；10—单级齿轮减速器；11—小齿轮；12—变频电机；13—大齿轮；14—联轴器；15—液压盘刹；16—柱塞泵；17—柱塞马达；18—电磁换向阀；19—液气转换器；20—高压气瓶；21—油箱；22—滚筒。

具体实施方式：

如图1所示，海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统主要包括钻井补偿绞车5、自动送钻绞车4、拉力传感器3、平台加速度传感器6、旋转编码器9、PLC控制器7、矢量变频系统8；安装时，钻井补偿绞车5与自动送钻绞车4分别连接在钻井钢丝绳的快绳与死绳端，拉力传感器3置于游车2的下方，平台加速度传感器6固定在钻井平台上，旋转编码器9与钻井补偿绞车5的滚筒轴相连，拉力传感器3、平台加速度传感器6、旋转编码器9的电信号接入PLC控制器7，PLC控制器7的控制信号与矢量变频系统8电连接。

如图2所示，钻井补偿绞车5主要包括单级齿轮减速器10、变频电机12、联轴器14、液压盘刹15、柱塞泵16、柱塞马达17、滚筒22；安装时，变频电机12、柱塞泵16、柱塞马达17通过联轴器14与单级齿轮减速器10的外圈小齿轮11相连，沿单级齿轮减速器10的周向布置多台，大齿轮13通过联轴器14与滚筒22相连，柱塞泵16的出油口、柱塞马达17的进油口通过电磁换向阀18与液气转换器19相连，柱塞泵16的进油口、柱塞马达17的出油口与油箱21相连，液气转换器19与高压气瓶20相连。

本发明的工作原理如下：

常规起下钻作业时，自动送钻绞车4锁死，钻井补偿绞车5单独工作；钻井补偿绞车5的柱塞泵16、柱塞马达17处于浮动状态，由变频电机12带动绞车实现起下钻等常规钻井作业；当钻井补偿绞车5出现故障时，自动送钻绞车4可以暂时代替变频电机12实现应急提升等功能。

正常钻井工况时，需要钻井补偿绞车5与自动送钻绞车4同时工作。当海洋平台上升、下沉时，平台加速度传感器6、绞车滚筒轴旋转编码器9与拉力传感器3分别检测平台运动信号、绞车角位移信号与井底钻压信号，传递给PLC控制器7。PLC控制器7根据平台运动信号与绞车角位移信号来控制矢量变频系统8，控制变频电机12带动滚筒22周期性正反向转动，使游车按照与平台升沉相反的方向运动，以保证游车大钩的空间绝对位置不变；平台上升时，控制电磁换向阀18使柱塞泵16处于工作状态、柱塞马达17处于浮动状态，回收负载重力势能；平台下沉时，控制电磁换向阀18使柱塞马达17处于工作状态、柱塞泵16处于浮动状态，释放已经回收的能量。与此同时，PLC控制器7根据井底钻压信号来控制矢量变频系统8，控制自动送钻绞车4下放负载，实现恒钻压或横钻速送钻。

本发明在常规钻井绞车的基础上，增加了钻柱升沉补偿功能；并将自动送钻功能分离出去，由安装在死绳端的自动送钻绞车实现；具有钻井效率高、传动简单、设备重心低、平台载荷与占用空间少的等性能优势；本发明通过双绞车驱动方案实现了升沉补偿与自动送钻运动的解耦，还通过液气蓄能装置实现了对负载重力势能的回收利用，降低了补偿绞车的能耗。

Claims (1)

1.一种海洋钻井双绞车升沉补偿及自动送钻系统，包括钻井补偿绞车(5)、自动送钻绞车(4)、拉力传感器(3)、平台加速度传感器(6)、旋转编码器(9)、PLC控制器(7)、矢量变频系统(8)，其特征在于，钻井补偿绞车(5)连接在钻井钢丝绳的快绳端，自动送钻绞车(4)与钻井钢丝绳的死绳端连接，拉力传感器(3)置于游车(2)下方，平台加速度传感器(6)固定在钻井平台上，旋转编码器(9)与钻井补偿绞车(5)的滚筒轴相连，拉力传感器(3)、平台加速度传感器(6)和旋转编码器(9)的电信号接入PLC控制器(7)，PLC控制器(7)输出控制信号与矢量变频系统(8)连接；所述钻井补偿绞车(5)包括单级齿轮减速器(10)、变频电机(12)、联轴器(14)、液压盘刹(15)、柱塞泵(16)、柱塞马达(17)、电磁换向阀(18)、液气转换器(19)、高压气瓶(20)、油箱(21)和滚筒(22)，其中，变频电机(12)、柱塞泵(16)、柱塞马达(17)通过联轴器(14)与单级减速器外圈小齿轮(11)分别相连，单级减速器的大齿轮(13)通过联轴器(14)与滚筒(22)相连，柱塞泵(16)、柱塞马达(17)通过电磁换向阀(18)与液气转换器(19)相连，液气转换器(19)与高压气瓶(20)相连；当钻井补偿绞车(5)下放负载时，柱塞泵(16)处于工作状态、柱塞马达(17)处于浮动状态，回收负载重力势能；补偿绞车举升负载时，柱塞马达(17)处于工作状态、柱塞泵(16)处于浮动状态，释放能量；所述矢量变频系统(8)采用带电机转速反馈的矢量控制模式，配置独立风机强迫冷却，并配置制动电阻。