CN104627881B - 超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法 - Google Patents

超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法,包括滚筒、用于驱动滚筒转动的若干滚筒液压马达、用于降低滚筒液压马达输出转速的减速机构和油箱,各所述滚筒液压马达的T口连接油箱,还包括有至少两个直驱泵源机构、单向阀、泵源换向阀、至少两个液压变压器、蓄能器组、蓄能器组安全阀、刹车换向阀和液控刹车机构。

Description

超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法
技术领域
本发明涉及海洋工程设备技术领域,尤其涉及一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法。
背景技术
已探明海洋石油储量达1357×108 t,占地球全部储量的75%以上。其中有30%分布在深水区和超深水区,且随着深水勘探技术的进步,这一比例只会越来越高。勘探和开采深水区和超深水区的石油只能采用浮式作业平台,超深浮式钻井需要大功率的钻井绞车和大功率、长行程的升沉补偿系统,钻井绞车和升沉补偿系统性能的好坏直接影响着海洋石油开发的效率和进度。
绞车是石油钻机上最重要、最关键的设备,是钻机的核心。主要钻井功能几乎都依赖于绞车,如提放钻具(钻柱、防喷器)、钻进过程中钻头进给、钻压控制等。大功率钻机绞车是超深钻井作业的必需装置之一。
但目前超深钻井常用的绞车和升沉补偿系统为两套独立的系统,且都存在体积和质量大、功率消耗高的缺点。
按执行机构的不同,升沉补偿系统可分为液压缸型和绞车型。液压缸型应用比较普遍,但应用于超深钻井时,存在补偿行程不够、体积大、重心高等缺点。而绞车型升沉补偿系统通过控制绞车旋转的速度和方向来实现升沉补偿功能,是近年来才提出来的一种新型升沉补偿系统。但是目前常见的几种补偿绞车以电动的居多,液压驱动的比较少。电动补偿绞车能量回收不方便,刹车系统功耗大,制动能不易回收。液压补偿绞车都以阀控为主,有些没考虑能量回收,有些仅采用蓄能器来回收部分能量。
新型液压变压器和蓄能器结合,可以高效回收液压系统的压力能。但到目前为止,新型液压变压器还存在变压范围小、发热大、噪音大等缺点,流量小,功率低,其性能远没有达到工程实际应用的要求。由双变量马达组成的传统型液压变压器变压范围大、能量回收效率高,应用于大功率场合时,其体积大的缺点也就不存在了。采用伺服电机直接驱动变量泵作为泵源、以变量马达作为执行机构的直驱容积控制液压系统无节流和溢流损耗,用在超大功率场合时其节能效果更明显。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种能够同时具有钻井绞车和升沉补偿系统功能的超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车及其工作方法。
为了实现以上目的,本发明采用的技术方案是:一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车,包括滚筒、用于驱动滚筒转动的若干滚筒液压马达、用于降低滚筒液压马达输出转速的减速机构和油箱,各所述滚筒液压马达的T口连接油箱,其特征在于:还包括有至少两个直驱泵源机构、单向阀、泵源换向阀、至少两个液压变压器、蓄能器组、蓄能器组安全阀、刹车换向阀和液控刹车机构;其中,每一所述直驱泵源机构包括直驱泵源变量泵和用于驱动直驱泵源变量泵的直驱泵源伺服电机,所述直驱泵源变量泵的进油口连接油箱;每一所述液压变压器包括输出轴相连的初级马达和次级马达,各液压变压器的初级马达的T口和次级马达的T口相连并连接油箱;所述单向阀的A口与各直驱泵源机构的直驱泵源变量泵的出油口相连,其B口与泵源换向阀的P口和刹车换向阀的B口相连;所述泵源换向阀的A口与泵源安全阀、各滚筒液压马达的P口和各液压变压器的初级马达的P口相连,其B口与各液压变压器的次级马达的P口、蓄能器组、蓄能器组安全阀和刹车换向阀的A口相连;所述刹车换向阀的P口与液控刹车机构相连。
进一步,还包括有安装于所述滚筒死绳端的死绳拉力传感器、与平台固定连接的平台速度测量单元、滚筒转速传感器、与所述蓄能器组相连的蓄能器压力传感器、与若干所述滚筒液压马达P口相连的马达压力传感器和控制器。
进一步,所述控制器包括主控制器、直驱泵源控制器和液压变压器控制器,其中,所述主控制器可输入死绳拉力传感器、平台速度测量单元、滚筒转速传感器的感应信号和目标控制值,并且,对直驱泵源控制器输出直驱泵源的期望流量,对液压变压器控制器输出液压变压器的期望流量,对泵源换向阀和刹车换向阀输出控制信号,对若干滚筒液压马达输出期望排量;所述液压变压器控制器可输入蓄能器压力传感器和马达压力传感器的感应信号及液压变压器期望流量,并且,输出各初级马达和各次级马达的期望排量;所述直驱泵源控制器可输入直驱泵源机构期望排量,并且,输出各直驱泵源变量泵的期望排量和各直驱泵源伺服电机的控制信号。
进一步,各所述滚筒液压马达的排量不等,各所述直驱泵源机构中的直驱泵源变量泵的排量不等,各初级马达的排量不等,各次级马达的排量不等。
一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车的工作方法,当绞车在进行上升补偿或下放作业时,各所述滚筒液压马达工作于泵工况,各所述初级马达工作于马达工况,各所述次级马达工作于泵工况,压力油进入蓄能器组,同时,直驱泵源机构停止输出液压油或者通过泵源换向阀向蓄能器充液储能,使能量被回收;当绞车在进行下降补偿或提升作业时,各所述滚筒液压马达工作于马达工况,各所述初级马达工作于泵工况,各所述次级马达工作于马达工况,压力油从蓄能器组释放出来,能量被释放,同时,直驱泵源机构向各滚筒液压马达供油。
进一步,当绞车在制动时,若蓄能器组内的压力正常,则接通刹车换向阀的A口和P口,由蓄能器组对液控刹车机构供油;若蓄能器组内的压力偏低,则接通刹车换向阀的B口和P口,由直驱泵源机构对液控刹车机构供油。
本发明的有益效果是:本发明的绞车在进行上升补偿和下放作业时,滚筒自然转动带动滚筒液压马达的输出轴转动,使其工作于泵工况,配合液压变压器变换压力,使压力油流入蓄能器组,能量以压力能的形式储存于蓄能器组内;当绞车在进行下降补偿和提升作业时,蓄能器能释放内部的压力油,并通过液压变压器变换压力使压力油流入滚筒液压马达中,驱动其输出轴转动,从而释放蓄能器内的能量。其过程能有效节约系统的能量。同时,由绞车来实现主动升沉补偿,省去了专门的升沉补偿系统,且补偿行程不受限制。用于浮式钻井作业时,既可实现钻井作业时钻柱的升沉补偿,又可实现起下钻水下钻具时的升沉补偿。
附图说明
图1为实施例一的原理图。
图2为实施例一控制器的原理框图。
图3为实施例二的原理图。
其中,1为滚筒,2为油箱,3为滚筒液压马达,4为直驱泵源机构,41为直驱泵源变量泵,42为直驱泵源伺服电机,5为液压变压器,51为初级马达,52为次级马达,6为蓄能器组,7为液控刹车机构,8为单向阀,9为泵源换向阀,10为刹车换向阀,11为泵源安全阀,12为蓄能器组安全阀,13为死绳拉力传感器,14为平台速度测量单元,15为滚筒转速传感器,16为马达压力传感器,17为蓄能器压力传感器,18为控制器,181为主控制器,182为液压变压器控制器,183为直驱泵源控制器。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步详细说明。
实施例一
如图1所示,本实施例的绞车包括有滚筒1、两个滚筒液压马达3、减速机构、两个直驱泵源机构4、两个液压变压器5、蓄能器组6、液控刹车机构7、泵源安全阀11、蓄能器组安全阀12、单向阀8、泵源换向阀9、刹车换向阀10和油箱2。
其中,滚筒1上卷绕有钢丝绳,钢丝绳的一端挂上悬挂物,另一端则是与平台固定连接的死绳端,滚筒1以不同转向转动实现对悬挂物的升降。在本实施例中,在滚筒1的一侧上设置有内齿轮,两个滚筒液压马达3的输出轴连接减速机构的输入端,减速机构的输出齿轮与滚筒1的内齿轮啮合从而驱动滚筒1转动。
两个滚筒液压马达3的T口与油箱2通过输油管道相连,当两个滚筒液压马达3工作于泵工况时,两个滚筒液压马达3的输出轴受外力驱使转动,可从油箱2中抽取液压油;当两个滚筒液压马达3工作于马达工况时,液压油会经两个滚筒液压马达3的T口回流至油箱2中,并带动两个滚筒液压马达3的输出轴转动。
每个直驱泵源机构4包括一个直驱泵源变量泵41和一个直驱泵源伺服电机42,直驱泵源变量泵41的进油口与油箱2通过输油管道相连,其通过直驱泵源伺服电机42驱动可从油箱2中抽取液压油。在本实施例中,两个直驱泵源机构4的直驱泵源变量泵41的排量不等。
每个液压变压器5包括一个初级马达51和一个次级马达52,初级马达51的输出轴与次级马达52的输出轴相连。初级马达51与次级马达52均为液压马达,同样能工作于泵工况和马达工况,由于初级马达51的输出轴与次级马达52的输出轴相连,因此初级马达51的工况与次级马达52的工况相反,即初级马达51在马达工况时可带动次级马达52的输出轴转动使次级马达52处于泵工况,反之亦然。在本实施例中,两个液压变压器5中的初级马达51的T口以及次级马达52的T口均通过输油管道互相连接,并且还连接至油箱2中,可从油箱2中抽取液压油或将液压油回流至油箱2中;两个液压变压器5中的初级马达51的P口通过输油管道互相连接,两个液压变压器5中的次级马达52的P口通过输油管道互相连接。并且,在本实施例中,两个液压变压器5的初级马达51的排量不等,两者的次级马达52的排量也不等。
在本实施例中,蓄能器组6由至少两个并联的蓄能器构成,蓄能器可将能量以高压压力油形式储蓄于其中,蓄能器组6中并联的蓄能器越多,其可存蓄的能量越高。
液控刹车机构7由液压油驱动,通过对其输入液压油使其实现对滚筒1的刹车功能。泵源安全阀11的T口以及蓄能器安全阀的T口均通过输油管道与油箱2相连,当其P口侧的压力高于其阀值时可让压力油通过其T口回流至油箱2中。
单向阀8的A口通过输油管道与两个直驱泵源变量泵41的出油口相连;其B口通过输油管道与泵源换向阀9的P口及刹车换向阀10的B口相连。
泵源换向阀9的A口通过输油管道与泵源安全阀11的P口、两个滚筒液压马达3的P口以及两个初级马达51的P口相连;其B口通过输油管道与两个次级马达52的P口、蓄能器组6、蓄能器安全阀的P口以及刹车换向阀10的A口相连;其P口通过输油管道与单向阀8的B口以及刹车换向阀10的B口相连。
刹车换向阀10的A口通过输油管道与两个次级马达52的P口、蓄能器组6、蓄能器安全阀的P口以及泵源换向阀9的B口相连;其B口通过输油管道与泵源换向阀9的P口及单向阀8的B口相连;其P口通过输油管道与液控刹车机构7相连。
同时,还包括一套控制该绞车的控制系统,该控制系统包括有安装于滚筒1死绳端的死绳拉力传感器13、与平台固定连接的平台速度测量单元14、滚筒转速传感器15、与蓄能器组6相连的蓄能器压力传感器17、与两个滚筒液压马达3的P口相连的马达压力传感器16和控制器18,其中,控制器18又包括主控制器181、直驱泵源控制器183和液压变压器控制器182。
如图2所示,主控制器181的输入接口连接死绳拉力传感器13、平台速度测量单元14以及滚筒转速传感器15,可输入死绳拉力传感器13所感应的死绳端拉力F、平台速度测量单元14所感应的平台移动速度v、滚筒转速传感器15所感应的滚筒1转速w以及对各项参数的目标控制值xi;以上各项输入参数在经过主控制器181处理后,主控制器181可对液压变压器控制器182输出液压变压器5的期望流量q1,对直驱泵源控制器183输出直驱泵源机构4的期望流量q2、对泵源换向阀9输出换向指令1Y、对刹车换向阀10输出换向指令2Y以及对两个滚筒液压马达3输出期望排量v5;以上输出信号可输出至其相应的设备中实现主控制器181对相应设备的控制。
液压变压器控制器182的输入接口连接马达压力传感器16、蓄能器压力传感器17以及主控制器181,可输入马达压力传感器16所感应的压力值P1、蓄能器压力传感器17所感应的压力值P2以及主控制器181对其输出的液压变压器5期望流量q1;以上各项参数经液压变压器控制器182处理后,液压变压器控制器182可输出两个初级马达51各自的期望排量v1和v2,以及两个次级马达52各自的期望排量v3和v4;以上输出信号可输出至其相应的设备中实现液压变压器控制器182对相应设备的控制。
直驱泵源控制器183的输入接口连接主控制器181,可输入主控制器181对其输出的直驱泵源机构4的期望流量q2;该参数经直驱泵源控制器183处理后,直驱泵源控制器183可输出两个直驱泵源变量泵41各自的期望排量v6和v7以及对两个直驱泵源伺服电机42的控制指令N1和N2;以上输出信号可输出至其相应的设备中实现直驱泵源控制器183对相应设备的控制。
当绞车处于浮式钻井作业的升沉补偿工况时,主控器的期望控制目标值xi是期望的钻压,主控器根据期望的钻压计算出期望的钢丝绳的拉力,即可得到滚筒1期望的输出转矩。当平台静止时,滚筒液压马达3的输出转矩等于期望输出转矩,滚筒液压马达3静止,直驱泵源机构4或蓄能器组6输出很小的流量补充滚筒液压马达3的内泄露,以保持滚筒液压马达3的输出转矩恒定。
当平台上升时,绞车处于上升补偿工况,滚筒液压马达3的P口压力P1升高,滚筒1输出力矩变大,死绳拉力传感器13的所感应的拉力F变大,钻压下降至小于设定值;此时,主控器发出控制指令1Y,使泵源换向阀9的电磁铁通电,泵源换向阀9接通A口和P口。同时使蓄能器组6处于能量回收状态,于是液压变压器5的初级马达51工作于马达工况,次级马达52工作于泵工况;滚筒液压马达3的P口压力P1下降,滚筒1反转使滚筒液压马达3处于泵工况,滚筒1输出力矩变小,死绳拉力传感器13所感应的拉力F变小,钻压变大直至设定值。改变液压变压器5的回收流量即液压变压器5的期望流量值q1,可改变钻柱的钻压;如果钻压偏大,则减小液压变压器5的期望流量值q1。如果蓄能器组6的压力P2低于设定值时,泵源换向阀9接通P口和B口,由直驱泵源机构4为蓄能器组6供油。如果蓄能器组6的压力P2高于某一个值时,主控器输出的直驱泵源期望流量q2为零,直驱泵源零流量卸荷。
当平台下沉时,绞车处于下降补偿工况,滚筒液压马达3的P口压力P1降低,滚筒1输出力矩变小,死绳拉力传感器13所感应的拉力F变小,钻压上升至大于设定值。此时,主控器发出控制指令,使蓄能器组6处于释放状态,于是液压变压器5的次级马达52处于马达工况,液压变压器5的初级马达51处于泵工况;与此同时,主控制器181发出控制指令1Y使泵源换向阀9的P口和A口接通。蓄能器组6和直驱泵源机构4一起给滚筒液压马达3供油,滚筒液压马达3的P口压力P1升高,滚筒液压马达3正转而处于马达工况,滚筒液压马达3输出力矩变大,死绳拉力传感器13所感应的拉力F变大,钻压变小直至回到设定值;如果钻压过小,则减少给滚筒液压马达3供油。
当绞车处于提升作业工况时,主控器的期望控制目标值xi是负载的期望速度和位移。主控器根据平台速度测量单元14所感应的v和滚筒转速传感器15所感应的w计算出负载的实际速度和位移。滚筒液压马达3工作于马达工况,液压变压器5的初级马达51工作于泵工况,其次级马达52工作于马达工况,压力油从蓄能器组6释放出来,能量被释放,同时,直驱泵源机构4向各滚筒液压马达3供油。
当绞车处于下放作业时,滚筒液压马达3工作于泵工况,液压变压器5的初级马达51工作于马达工况,其次级马达52工作于泵工况,压力油进入蓄能器组6,同时,直驱泵源机构4停止输出液压油或者通过泵源换向阀9向蓄能器充液储能,使能量被回收。
当绞车处于制动工况时,分滚筒1正转制动和反转制动两种情况。正转制动时,控制器18先减少对滚筒液压马达3供油,使滚筒1正转的转速w降低;当滚筒1转速w低于设定值时,控制器18给液控刹车机构7供油,液控刹车机构7开始制动。反转制动时,控制器18先减小液压变压器5的流量q1,使滚筒1反转的速度w降低;当滚筒1转速w低于某个设定值时,系统给液控刹车机构7供油,液控刹车机构7开始制动。
在以上两种制动工况中,若蓄能器组6内的压力P2正常,主控制器181发送控制指令2Y,接通刹车换向阀10的A口和P口,由蓄能器组6对液控刹车机构7供油;若蓄能器组6内的压力P2偏低,则接通刹车换向阀10的B口和P口,由直驱泵源机构4对液控刹车机构7供油。
实施例二
如图3所示,在本实施例中,绞车的滚筒1两侧均设置有内齿轮,并且以滚筒1作为中心将绞车整体划分为对称的左右两侧,其每一侧的结构均与实施例一相同,由两侧的控制系统共同配合控制滚筒1。
以上所述之实施例只为本发明之较佳实施例,并非以此限制本发明的实施范围,故凡依本发明之形状、原理所作的变化,均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车,包括滚筒(1)、用于驱动滚筒(1)转动的若干滚筒液压马达(3)、用于降低滚筒液压马达(3)输出转速的减速机构和油箱(2),各所述滚筒液压马达(3)的T口连接油箱(2),其特征在于:还包括有至少两个直驱泵源机构(4)、单向阀(8)、泵源换向阀(9)、至少两个液压变压器(5)、蓄能器组(6)、蓄能器组安全阀(12)、刹车换向阀(10)和液控刹车机构(7);其中,每一所述直驱泵源机构(4)包括直驱泵源变量泵(41)和用于驱动直驱泵源变量泵(41)的直驱泵源伺服电机(42),所述直驱泵源变量泵(41)的进油口连接油箱(2);每一所述液压变压器(5)包括输出轴相连的初级马达(51)和次级马达(52),各液压变压器(5)的初级马达(51)的T口和次级马达(52)的T口相连并连接油箱(2);所述单向阀(8)的A口与各直驱泵源机构(4)的直驱泵源变量泵(41)的出油口相连,其B口与泵源换向阀(9)的P口和刹车换向阀(10)的B口相连;所述泵源换向阀(9)的A口与泵源安全阀(11)、各滚筒液压马达(3)的P口和各液压变压器(5)的初级马达(51)的P口相连,其B口与各液压变压器(5)的次级马达(52)的P口、蓄能器组(6)、蓄能器组安全阀(12)和刹车换向阀(10)的A口相连;所述刹车换向阀(10)的P口与液控刹车机构(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车,其特征在于;还包括有安装于所述滚筒(1)死绳端的死绳拉力传感器(13)、与平台固定连接的平台速度测量单元(14)、滚筒转速传感器(15)、与所述蓄能器组(6)相连的蓄能器压力传感器(17)、与若干所述滚筒液压马达(3)的P口相连的马达压力传感器(16)和控制器(18)。
3.根据权利要求2所述的一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车,其特征在于;所述控制器(18)包括主控制器(181)、直驱泵源控制器(183)和液压变压器控制器(182),其中,所述主控制器(181)可输入死绳拉力传感器(13)、平台速度测量单元(14)、滚筒转速传感器(15)的感应信号和目标控制值,并且,对直驱泵源控制器(183)输出直驱泵源的期望流量,对液压变压器控制器(182)输出液压变压器(5)的期望流量,对泵源换向阀(9)和刹车换向阀(10)输出控制信号,对若干滚筒液压马达(3)输出期望排量;所述液压变压器控制器(182)可输入蓄能器压力传感器(17)和马达压力传感器(16)的感应信号及液压变压器(5)期望流量,并且,输出各初级马达(51)和各次级马达(52)的期望排量;所述直驱泵源控制器(183)可输入直驱泵源机构(4)期望排量,并且,输出各直驱泵源变量泵(41)的期望排量和各直驱泵源伺服电机(42)的控制信号。
4.根据权利要求1或3所述的一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车,其特征在于;各所述滚筒液压马达(3)的排量不等,各所述直驱泵源机构(4)中的直驱泵源变量泵(41)的排量不等,各初级马达(51)的排量不等,各次级马达(52)的排量不等。
5.一种权利要求1所述的一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车的工作方法,其特征在于;当绞车在进行上升补偿或下放作业时,各所述滚筒液压马达(3)工作于泵工况,各所述初级马达(51)工作于马达工况,各所述次级马达(52)工作于泵工况,压力油进入蓄能器组(6),同时,直驱泵源机构(4)停止输出液压油或者通过泵源换向阀(9)向蓄能器充液储能,使能量被回收;当绞车在进行下降补偿或提升作业时,各所述滚筒液压马达(3)工作于马达工况,各所述初级马达(51)工作于泵工况,各所述次级马达(52)工作于马达工况,压力油从蓄能器组(6)释放出来,能量被释放,同时,直驱泵源机构(4)向各滚筒液压马达(3)供油。
6.根据权利要求5所述的一种超深浮式钻井多功能节能型升沉补偿绞车的工作方法,其特征在于;当绞车在制动时,若蓄能器组(6)内的压力正常,则接通刹车换向阀(10)的A口和P口,由蓄能器组(6)对液控刹车机构(7)供油;若蓄能器组(6)内的压力偏低,则接通刹车换向阀(10)的B口和P口,由直驱泵源机构(4)对液控刹车机构(7)供油。
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