CN105649560B - 海洋浮式钻井隔水管柔性悬挂器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋钻井隔水管柔性悬挂器，主要包括卡盘‑万向节总成、运动补偿装置、导向机构和液压动力单元。卡盘‑万向节总成采用镶嵌式结构组合，既能实现对隔水管柱的悬持与起下，又能保证卡盘随隔水管做一定角度的摆动，运动补偿装置采用增程式运动补偿液压缸带动卡盘‑万向节总成做补偿运动，导向机构通过安装在卡盘‑万向节总成上的滑块与导轨的滑动配合，保证卡盘‑万向节总成沿导轨做直线运动，并承载隔水管的径向载荷；液压动力单元为整套装置提供动力和控制。在满足常规悬持和起下操作功能的基础上，降低了系统的结构高度，简化了隔水管悬挂操作步骤，缩短悬挂时间，同时降低了隔水管内载荷的变化幅度，提高了隔水管的悬挂性能和可靠度。

Description

海洋浮式钻井隔水管柔性悬挂器

技术领域

本发明涉及结构改进以及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其涉及一种海洋钻井平台隔水管柔性悬挂器。

背景技术

随着石油勘探开发向海洋尤其是深海迈进，海洋浮式钻井平台成为石油工业的重要装备之一。钻井隔水管是海洋钻井装备中重要而又薄弱的环节，具有高技术、高投入、高风险的特点。由于作业过程与载荷的复杂性、自身结构的大变形非线性、分析方法的不确定性、实际响应的抽象性等因素，钻井隔水管成为海洋石油装备的难点与重点。保证钻井隔水管的安全，是海洋石油勘探开发的必然要求。

在遭遇台风等极端天气时，海洋浮式钻井平台有时不能继续停留原位。如能提前精准预测台风路径，一般选择将隔水管自LMRP处断开并回收上甲板，然后使钻井平台驶向安全区域。在超深水海域，台风前将隔水管整体回收与台风后将其重新连接下放都将消耗数日的时间，同时回收或下放作业必须在较好的环境条件下进行。为了减少停工时间，并降低在恶劣环境下的操作风险，将全部或部分隔水管悬挂在钻井平台上并随之一起撤离是目前通用的方式，具有良好的经济与安全效益。

目前通用的隔水管悬挂方式有硬悬挂与软悬挂两种：硬悬挂是将隔水管顶端直接用卡盘夹持，隔水管与钻井平台刚性连接；软悬挂是将隔水管在张紧器处进行悬挂，与连接模式相同，在冲程范围内，伸缩节内筒不对隔水管传递轴向载荷。

钻井平台撤离避台时，未回收的隔水管处于悬挂状态，平台在风浪的作用下，产生剧烈的升沉运动。若采用硬悬挂，隔水管顶端与平台刚性连接，平台运动直接传递到隔水管顶端，可能使隔水管出现动态压缩，导致隔水管出现局部屈曲失稳，隔水管上部碰撞月池风险增加；还可能使隔水管顶部出现极端张力，使得隔水管对悬挂梁的作用力远大于隔水管湿重，从而造成悬挂梁过载，导致悬挂管柱坠落，隔水管自身也可能因极端张力产生断裂。若采用软悬挂，张紧器的小刚度容许隔水管与钻井平台升沉运动发生解耦，隔水管随钻井平台升沉运动幅度降低，因升沉运动产生的附加力显著减小，隔水管顶端极大张力减小且隔水管最小张力增大，隔水管悬挂安全性提高。但软悬挂时钻井平台的升沉运动幅值不能超出伸缩节或张紧器的冲程限制，否则威胁隔水管悬挂安全。同时使用软悬挂需要从硬悬挂转换到软悬挂，操作繁琐更不利于人员安全。

降低隔水管随钻井平台升沉运动的剧烈程度，减小隔水管因升沉运动产生的极大张力，同时增大隔水管最小张力，对保证隔水管自身安全与悬挂梁安全具有重要意义。此外，钻井平台与隔水管之间存在除竖直方向外其他方向上的相对运动，须考虑这些运动，设计相应结构承受运动产生的载荷，保证隔水管悬挂的安全。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋浮式钻井平台的隔水管柔性悬挂器，以满足海上钻井平台避台时对隔水管安全悬挂的需求。

本发明的总体思路是卡盘与万向节采用镶嵌式结构的形式集两者于一体，组成卡盘-万向节总成，使系统结构高度降低，同时卡盘-万向节总成可脱离平台表面；通过导向机构保障卡盘-万向节总成做上下直线运动，并承担隔水管的径向载荷；采用运动补偿装置对隔水管柱进行位移补偿，减弱隔水管的运动幅度从而降低隔水管顶端张力极值。

本发明采用技术方案是通过运动补偿装置对隔水管进行一定行程的位移补偿使隔水管与平台由刚性连接转化为柔性连接。隔水管悬挂状态时由卡盘夹持，链条一端与平台固连一端绕过链轮与卡盘-万向节总成的底盘连接，液压缸通过驱动链轮带动隔水管柱做位移补偿运动。运动补偿装置采用半主动式补偿系统，在主动补偿缸的无杆腔内安装主动补偿缸压力传感器，在被动补偿缸的无杆腔安装被动补偿缸压力传感器，变量泵的入口与油箱相连。变量泵的出口经单向阀与补偿控制阀的P口相连；补偿控制阀的A口与主动补偿缸无杆腔连接，补偿控制阀的B口与主动补偿缸有杆腔相连，补偿控制阀的T口与油箱相连；失电保护阀的A口与被动补偿缸无杆腔相连，失电保护阀的P口与液动切断阀的A口相连；液动切断阀的P口同时与高压蓄能器的出口、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连，补油单向阀的入口和安全控制阀的出口连在一起并与油箱相连；限速阀的一端与被动补偿缸的有杆腔相连，另一端与低压蓄能器相连；控制单元分别与补偿控制阀、主动补偿缸压力传感器、被动补偿缸压力传感器以及固连在平台上的加速度传感器的电信号连接。控制单元是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明组成的卡盘-万向节总成集卡盘和万向节于一体，采用运动补偿系统和导向机构，简化了隔水管悬挂操作步骤，缩短悬挂操作时间，同时降低了隔水管内载荷的变化幅度，提高了隔水管的悬挂性能，隔水管悬挂可靠度增大。

2、本发明通过运动补偿装置对隔水管进行一定行程的位移补偿，使原有的硬悬挂转变为柔性悬挂，在满足常规悬持和起下操作功能要求的基础上使隔水管的最大加速度减小从而使顶端最大张力减小，避免出现悬挂梁过载，最小张力增大，避免隔水管出现动态压缩。

3、当系统突然失载时，液压缸活塞杆会快速上行，被动补偿缸有杆腔液压油流向低压蓄能器的流量增大，导致压力升高从而降低活塞上行的速度；同时此高压会推动液动切断阀换向，切断高压蓄能器与被动补偿缸之间的压力通道；被动补偿缸压力传感器测得的压力信号超出允许范围，控制单元立即发出控制指令切断失电保护阀的电源，使其处于关闭状态。通过上述三重保护措施避免由于失载而导致恶性事故发生。

4、控制单元可以根据平台上安装的加速度传感器发出的加速度信号以及主动补偿缸和被动补偿缸的压力信号，向补偿控制阀发出指令，控制补偿控制阀开启时间点及流向主动补偿缸的液压油流量，使隔水管始终处于安全状态。

附图说明

图1为依据本发明所提出的海洋浮式钻井平台隔水管柔性悬挂器结构示意图。

图2为依据本发明所提出的海洋浮式钻井平台隔水管柔性悬挂器液压系统原理图。

图中：1—隔水管、2—卡盘、3—万向节、4—底盘、5—主动补偿缸、6—被动补偿缸、7—导向机构、8—链条、9—链轮、10—加速度传感器、11—平台表面、12—油箱、13—变量泵、14—电机、15—变量泵出口单向阀、16—补偿控制阀、17—主动补偿缸压力传感器、18—被动补偿缸压力传感器、19—限速阀、20—低压蓄能器、21—失电保护阀、22—液动切断阀、23—安全控制阀、24—补油单向阀、25—高压蓄能器、26—控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图所示，卡盘2由卡爪与卡爪箱以及上板构成，卡爪及其驱动液压缸置于卡爪箱中，圆周方向均布且由液压缸驱动伸缩，驱动液压缸驱动卡爪伸缩实现对隔水管柱的卡住与放开。卡爪箱支撑卡爪与上板连接；万向节3主要由橡胶柱与下板构成，下板与底板接触连接，橡胶柱圆周方向均布，轴线方向与竖直方向成45度夹角且上端较下端靠近万向节3中心，卡盘2镶嵌在万向节3上，支撑隔水管1实现一定范围内的水平方向转动。升沉补偿装置主要由主动补偿缸5、被动补偿缸6、链轮9与导向机构7组成，主动补偿缸5与被动补偿缸6相间分布安装在平台表面11上，缸杆与链轮9相连，链条8一端与平台表面11相连，另一端绕过链轮9后与底盘4相连。通过补偿液压缸的伸缩，带动链轮9运动，从而通过链条8驱动卡盘-万向节总成做上下运动，实现隔水管1位移补偿；由于运动补偿装置带动卡盘-万向节总成上下运动，脱离平台表面11，因此需要对其进行导向限位。导向机构7与底盘4采用滑轨配合的方式保证卡盘-万向节总成沿导轨做直线运动，并承载隔水管的径向载荷。

隔水管1悬挂状态时由卡盘4夹持，链条8一端与平台表面11固连，另一端绕过链轮9与底盘4连接，主动补偿缸5和被动补偿缸6通过驱动链轮9升降使隔水管柱做位移补偿运动。在主动补偿缸5的无杆腔内安装主动补偿缸压力传感器17，在被动补偿缸6的无杆腔内安装被动补偿缸压力传感器18，变量泵13的入口与油箱12相连。变量泵13的出口经变量泵出口单向阀15与补偿控制阀16的P口相连；补偿控制阀16的A口与主动补偿缸5的无杆腔连接，补偿控制阀16的B口与主动补偿缸5的有杆腔相连，补偿控制阀16的T口与油箱12相连；失电保护阀21的A口与被动补偿缸6的无杆腔相连，失电保护阀21的P口与液动切断阀22的A口相连；液动切断阀22的P口同时与高压蓄能器25的出口、补油单向阀24的出口和安全控制阀23的入口相连，补油单向阀24的入口和安全控制阀23的出口连在一起并与油箱12相连；限速阀19的一端与被动补偿缸6的有杆腔相连，限速阀19的另一端与低压蓄能器20相连；控制单元26分别与补偿控制阀16、主动补偿缸压力传感器17、被动补偿缸压力传感器18以及固连在平台上的加速度传感器10的电信号连接。控制单元26是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。失电保护阀21安装于高压蓄能器25和被动补偿缸6之间，失电时自动切断油路，停止供油。被动补偿缸6的有杆腔接限速阀19，防止由于隔水管断裂引起的液压杆超速上冲。液动切断阀22的控制口与被动补偿缸6的有杆腔相连，当活塞杆超速上行时，升高的压力推动液动切断阀22换向，切断高压蓄能器25与被动补偿缸6的连接通道，避免恶性事故发生。

本发明的工作原理如下：

当在进行隔水管下放或回收作业时，主动补偿缸5与被动补偿缸6均处于卸荷状态，运动补偿装置不工作，此时隔水管悬挂装置即为常规的硬悬挂装置。

当浮式海洋钻井平台随波浪下降时，隔水管1会随着平台下降，当平台下降一定行程时，安装在平台上的加速度传感器10会将检测到的加速度信号传递给控制单元26，同时主动补偿缸压力传感器17和被动补偿缸压力传感器18检测到的压力信号也传递给控制单元26。控制单元26根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀16发出控制指令，通过改变主动补偿缸的流量大小从而使隔水管1相对于钻井平台上升，增大隔水管1的最小张力，防止隔水管1出现动态压缩。

反之，当浮式海洋钻井平台随波浪上升时，平台会带着隔水管1上升，当平台上升一定行程时，安装在平台上的加速度传感器10会将检测到的加速度信号传递给控制单元26，同时主动补偿缸压力传感器17和被动补偿缸压力传感器18检测到的压力信号也传递给控制单元26。控制单元26根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀16发出控制指令通过改变主动补偿缸的流量大小从而使隔水管1相对于钻井平台下降，减小隔水管1的最大张力，防止隔水管1出现悬挂梁过载风险。

当系统由于隔水管1断裂等事故而突然失载时，液压缸活塞杆会快速上行，被动补偿缸6有杆腔液压油流向低压蓄能器20的流量增大，导致压力升高从而降低活塞上行的速度；同时此高压会推动液动切断阀22换向，切断高压蓄能器25与被动补偿缸6之间的压力通道；被动补偿缸压力传感器18测得的压力信号超出允许范围，控制单元26立即发出控制指令切断失电保护阀21的电源，使其处于关闭状态。通过上述三重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀21在弹簧的作用下复位，切断高压蓄能器25和被动补偿缸6之间的油路。

本发明克服了传统隔水管硬悬挂装置容易使隔水管出现动态压缩或悬挂梁过载的缺点，降低了卡盘-万向节总成的结构高度，同时使工作空间处于平台之上，简化了隔水管悬挂操作步骤，缩短悬挂操作时间，降低了工人的操作风险。

Claims (3)

1.一种海洋浮式钻井隔水管柔性悬挂器，包括隔水管(1)、卡盘(2)、万向节(3)、底盘(4)、主动补偿缸(5)、被动补偿缸(6)、导向机构(7)、链条(8)、链轮(9)、加速度传感器(10)和平台表面(11)，主动补偿缸(5)与被动补偿缸(6)围绕底盘(4)相间分布安装在平台表面(11)上，液压缸杆与链轮(9)相连，链条(8)的一端与平台表面(11)固连，另一端绕过链轮(9)与底盘(4)相连，导向机构(7)与底盘(4)滑动配合，该悬挂器还包括：油箱(12)、变量泵(13)、电机(14)、变量泵出口单向阀(15)、补偿控制阀(16)、主动补偿缸压力传感器(17)、被动补偿缸压力传感器(18)、限速阀(19)、低压蓄能器(20)、失电保护阀(21)、液动切断阀(22)、安全控制阀(23)、补油单向阀(24)、高压蓄能器(25)和控制单元(26)，在主动补偿缸(5)的无杆腔内安装主动补偿缸压力传感器(17)，在被动补偿缸(6)的无杆腔内安装被动补偿缸压力传感器(18)，在平台上固连加速度传感器(10)；变量泵(13)的入口与油箱(12)相连，变量泵(13)的出口经变量泵出口单向阀(15)与补偿控制阀(16)的P口相连；补偿控制阀(16)的A口与主动补偿缸(5)的无杆腔连接，补偿控制阀(16)的B口与主动补偿缸(5)的有杆腔相连，补偿控制阀(16)的T口与油箱(12)相连；失电保护阀(21)的A口与被动补偿缸(6)的无杆腔相连，失电保护阀(21)的P口与液动切断阀(22)的A口相连；液动切断阀(22)的P口同时与高压蓄能器(25)的出口、补油单向阀(24)的出口和安全控制阀(23)的入口相连，补油单向阀(24)的入口和安全控制阀(23)的出口连在一起并与油箱(12)相连；限速阀(19)的一端与被动补偿缸(6)的有杆腔相连，限速阀(19)的另一端与低压蓄能器(20)相连；控制单元(26)分别与补偿控制阀(16)、主动补偿缸压力传感器(17)、被动补偿缸压力传感器(18)以及固连在平台上的加速度传感器(10)的电信号连接，其特征在于，主动补偿缸、被动补偿缸通过链轮、链条与卡盘、万向节相连接，组成隔水管柔性悬挂。

2.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井隔水管柔性悬挂器，其特征在于，卡盘(2)与万向节(3)采用镶嵌式结构固联于一体。

3.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井隔水管柔性悬挂器，其特征在于，导向机构(7)与底盘(4)采用滑轨配合的方式保证卡盘(2)与万向节(3)沿导轨做直线运动，并承载隔水管的径向载荷。