CN107339071A - 一种浮式钻井升沉补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于钻井设备领域，提供了一种浮式钻井升沉补偿装置，其包括控制台、游车组件、大钩组件、被动补偿组件、主动补偿组件和位移检测装置。所述被动补偿组件和主动补偿组件可伸缩运动地安装在所述游车组件和大钩组件之间，并分别与控制台电连接。该升沉补偿装置工作时，所述游车组件与大钩组件通过所述被动补偿组件和主动补偿组件可相对移动地连接在一起。当所述大钩组件所承受的负载产生变化时，所述被动补偿缸的活塞杆可以随着负载的变化而相应地伸出或缩回，所述被动蓄能装置提供相应的压力，对钻柱进行位移补偿。同时，所述控制台检测位移后输出控制信号控制主动蓄能装置提供压力，使主动补偿缸伸出或缩回相应的位移，进行辅助补偿。

Description

一种浮式钻井升沉补偿装置

技术领域

本发明属于钻井设备领域，尤其涉及一种浮式钻井升沉补偿装置。

背景技术

现有的深海钻井所采用钻井设备均是通过与游车相连的大钩勾住钻柱，利用钻柱进行钻井工作。然而，海面上经常会出现波浪，钻井设备的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下会产生周期性的升沉运动，从而会带动钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，不利于钻柱的钻进工作。

由于现有的钻井设备无法对钻柱的上下浮动进行位移上的补偿，从而导致波浪起伏波动严重时，会使钻柱脱离井底，影响钻井的效率，同时也降低了钻柱的使用寿命，具有安全隐患。在恶劣天气下，甚至无法钻进和被迫停工，造成巨大经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为提供一种浮式钻井升沉补偿装置，旨在解决现有技术中的钻井设备无法对钻柱进行升降补偿的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种浮式钻井升沉补偿装置，包括：

控制台；

游车组件、大钩组件，所述游车组件与所述大钩组件可相对移动地连接；

用于检测所述大钩组件上下位移数值的位移检测装置，所述位移检测装置与所述控制台电连接；

被动补偿组件，所述被动补偿组件包括被动补偿缸和被动蓄能装置，所述被动补偿缸的缸体固定在所述游车组件上，所述被动补偿缸的活塞杆一端固定在所述大钩组件上，所述被动补偿缸与所述被动蓄能装置连接；

主动补偿组件，所述主动补偿组件包括主动补偿缸和主动蓄能装置，所述主动补偿缸的缸体固定在所述游车组件上，所述主动补偿缸的活塞杆一端固定在所述大钩组件上，所述主动补偿缸与所述主动蓄能装置连接，所述主动蓄能装置与所述控制台电连接。

进一步地，所述被动蓄能装置包括蓄能器和气瓶组，所述蓄能器内具有气腔和油腔，所述被动补偿缸内具有杆腔和无杆腔，所述无杆腔为气腔，所述有杆腔为油腔，所述有杆腔与所述蓄能器的油腔通过油管相连，所述无杆腔与外界大气相连，所述蓄能器的气腔通过气管与所述气瓶组相连，所述气瓶组与所述控制台电连接。

进一步地，所述被动补偿组件包括两个被动补偿缸和两个蓄能器，每一个蓄能器与一个被动补偿缸连接，所述两个被动补偿缸关于所述游车组件对称设置。

进一步地，所述主动补偿缸为液压缸，所述主动蓄能装置为主动补偿液压站，所述主动补偿缸通过油管与所述主动补偿液压站连接，所述主动补偿液压站与所述控制台电连接。

进一步地，所述主动补偿组件包括两个所述的主动补偿缸，所述两个主动补偿缸关于所述游车组件对称设置，并分别与所述主动补偿液压站连接。

进一步地，所述主动补偿缸的缸体外缘开设有第一油道，所述主动补偿缸的缸体中心设有一个圆柱体，所述圆柱体的中心开设有第二油道，所述第一油道与所述第二油道均与所述主动补偿液压站油管连接；所述缸体与所述圆柱体共同形成环形空腔，所述活塞杆包括一端具有开口的中空推拉杆和环形活塞头，所述中空推拉杆上具有开口的一端固定在所述环形活塞头上，所述中空推拉杆的另一端固定在所述大钩组件上；所述中空推拉杆与所述环形活塞头共同穿设在所述环形空腔内，并将所述环形空腔分隔为第一环形空腔和第二环形空腔，所述环形活塞头底部与所述缸体内壁形成第三环形空腔，所述第一环形空腔为所述缸体内壁与所述中空推拉杆外壁所形成的环形空腔，所述第二环形空腔为所述中空推拉杆内壁与所述圆柱体外壁所形成的环形空腔；所述第一油道与所述第一环形空腔连通，所述第二油道与所述第二环形空腔连通，且所述第一环形空腔的横截面积与所述圆柱体的横截面积相同，所述第三环形空腔与外界大气相通。

进一步地，所述浮式钻井升沉补偿装置还包括锁紧装置，所述锁紧装置包括锁紧气缸和销轴，所述锁紧气缸与所述控制台电连接，所述销轴固定在所述锁紧气缸的输出轴上，所述游车组件上开设有通孔，所述大钩组件上与所述游车组件的通孔相对应的位置处也开设有通孔，所述控制台控制所述锁紧气缸伸缩运动，并带动所述销轴穿过或抽出所述游车组件以及大钩组件上的通孔。

进一步地，所述游车组件包括游车和游车连接支架，所述游车与所述游车连接支架固定连接，所述主动补偿缸的缸体和被动补偿缸的缸体均固定在所述游车连接支架上。

进一步地，所述大钩组件包括大钩和大钩连接支架，所述大钩与所述大钩连接支架固定连接，所述主动补偿缸的活塞杆以及所述被动补偿缸的活塞杆均固定在所述大钩连接支架上。

进一步地，所述位移检测装置包括位移传感器。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明的一种浮式钻井升沉补偿装置，其包括控制台、位移检测装置、游车组件、大钩组件、被动补偿组件和主动补偿组件。该升沉补偿装置工作时，所述游车组件与所述大钩组件通过所述被动补偿组件和主动补偿组件可相对移动地连接在一起。当所述大钩组件下的钻柱因波浪起伏使得所述大钩组件所承受的负载产生变化时，所述被动补偿缸的活塞杆可以随着负载的变化而相应地伸出或缩回，所述被动蓄能装置为所述被动补偿缸提供相应的压力，从而对钻柱进行位移上的补偿。同时，所述控制台根据大钩组件上的负载变化，通过位移检测装置测量计算出大钩的位移，输出控制信号控制所述主动补偿组件的主动蓄能装置为所述主动补偿缸提供相应的压力，促使所述主动补偿缸的活塞杆伸出或缩回，以达到辅助补偿的作用，提高了所述补偿装置的补偿精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种浮式钻井升沉补偿装置的结构示意图。

图2是图1中大钩组件、游车组件、被动补偿缸以及主动补偿缸的结构示意图。

图3是图1中主动补偿缸的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种浮式钻井升沉补偿装置100，其包括控制台1、游车组件2、大钩组件3、被动补偿组件、主动补偿组件、位移检测装置(未图示)以及锁紧装置(未图示)。

本发明实施例中，所述游车组件2与所述大钩组件3可相对移动地连接，所述游车组件2通过钢丝绳悬挂在钻机的井架内，所述大钩组件3通过吊环和吊卡悬挂钻柱(未图示)，通过该钻柱进行深海钻井工作。所述钻柱进行提升或下放时，所述游车组件2与所述大钩组件3通过所述锁紧装置连接在一起，此种工作状态下的升沉补偿装置100能够承受钻机的最大额定静载荷。当进行正常钻井作业时，所述游车组件2与所述大钩组件3通过所述游车组件2与大钩组件3之间的被动补偿组件和主动补偿组件可相对移动地连接在一起，并通过该相对移动对钻柱进行位移补偿。

具体地，所述游车组件2包括游车21和游车连接支架22，所述游车21与所述游车连接支架22固定连接。所述大钩组件3包括大钩31和大钩连接支架32，所述大钩31与所述大钩连接支架32固定连接。

所述锁紧装置包括锁紧气缸(未图示)和销轴(未图示)。所述锁紧气缸与所述控制台1电连接，所述销轴固定在所述锁紧气缸的输出轴上，所述游车组件2的游车连接支架22上开设有通孔221，所述大钩组件3的大钩连接支架32上与所述通孔221相对应的位置处也开设有通孔321。所述控制台1控制所述锁紧气缸伸缩运动，并带动所述销轴穿过或抽出所述通孔221和通孔321，从而可在所述补偿装置100非工作状态下，通过所述销轴将所述游车组件2与所述大钩组件3固定在一起，以实现游车组件2和大钩组件3的整体上升和下放。同时，当所述补偿装置100需要工作时，将所述补偿装置100下放到工作位置，并通过所述控制台1控制所述销轴回缩，使得所述游车组件2和大钩组件3可相对移动，对钻柱进行位移补偿。

所述被动补偿组件包括被动补偿缸4和被动蓄能装置5。所述被动补偿缸4的缸体41固定在所述游车连接支架22上，所述被动补偿缸4的活塞杆42一端固定在所述大钩连接支架32上，从而使得所述活塞杆42在所述缸体41内移动时，可以带动所述大钩31相对于所述游车21移动，从而进行位移补偿。所述被动补偿缸4与所述被动蓄能装置5连接，通过所述被动蓄能装置5为所述被动补偿缸4提供相应的压力。

所述被动蓄能装置5包括蓄能器51和气瓶组52。所述蓄能器51包括气腔和油腔，所述被动补偿缸4包括有杆腔和无杆腔，所述无杆腔为气腔，所述有杆腔为油腔，所述有杆腔与所述蓄能器51的油腔通过油管相连，所述无杆腔与外界大气相连，所述蓄能器51的气腔通过气管与所述气瓶组52相连，所述气瓶组52与所述控制台1电连接。具体工作时，当所述大钩31所承受的负载产生变化时，会引起所述被动补偿缸4内油腔的油压变化，所述活塞杆42会在该变化负载的作用下相应的伸出或回缩，所述气瓶组52通过压缩或扩张空气提供相应的压力，与负载达到平衡，以此来实现对大钩下方钻柱的位移被动补偿作用。

同时，在本发明实施例中，所述被动补偿缸4与所述蓄能器51均为两个，每一个被动补偿缸4均与一个蓄能器51连接。所述两个被动补偿缸4关于所述游车21对称设置，用以保证装置的平衡性。

除了通过所述被动补偿组件对所述钻柱的位移进行被动补偿以外，所述升沉补偿装置100还可通过主动补偿组件进行主动补偿，以提高补偿精度。具体地，所述主动补偿组件包括主动补偿缸6和主动蓄能装置7。所述主动补偿缸6的缸体61固定在所述游车组件2的游车连接支架22上，所述主动补偿缸6的活塞杆62一端固定在所述大钩组件3的大钩连接支架32上。所述主动补偿缸6与所述主动蓄能装置7连接，所述主动蓄能装置7与所述控制台1电连接。所述控制台1通过所述位移检测装置测量计算出所述大钩31的位移，输出控制信号控制所述主动蓄能装置7提供相应的压力，带动所述主动补偿缸6伸出或缩回，从而达到辅助补偿作用，提高所述升沉补偿装置100的补偿精度，本发明实施例中，所述位移检测装置为位移传感器，当然也可以是其它的用于检测位移的装置。

本发明实施例中，所述主动补偿组件也包括两个主动补偿缸6，所述两个主动补偿缸6关于所述游车对称设置，以保证装置的平衡性，并分别与所述主动蓄能装置7连接。所述主动补偿缸6为液压缸，所述主动蓄能装置7为主动补偿液压站，所述主动补偿缸6通过油管与所述主动补偿液压站7连接，所述主动补偿液压站7与所述控制台1电连接。

参照图2，所述主动补偿缸6的缸体61外缘开设有第一油道611，所述主动补偿缸的缸体中心设有一个圆柱体63，所述圆柱体63的中心开设有第二油道631，所述第一油道611与所述第二油道631均与所述主动补偿液压站7油管连接。所述缸体61与所述圆柱体63共同形成环形空腔(未标注)，所述活塞杆62包括一端具有开口的中空推拉杆621和环形活塞头622，所述中空推拉杆621上具有开口的一端固定在所述环形活塞头622上，所述中空推拉杆621的另一端固定在所述大钩组件3的大钩连接支架32上。

所述中空推拉杆621与所述环形活塞头622共同穿设在所述环形空腔内，并将所述环形空腔分隔为第一环形空腔64和第二环形空腔65，所述环形活塞头622的底部与所述缸体61的内壁形成第三环形空腔66，从而形成三腔结构的补偿缸。所述第一环形空腔64为所述缸体61内壁与所述中空推拉杆621外壁所形成的环形空腔；所述第二环形空腔65为所述中空推拉杆621内壁与所述圆柱体63外壁所形成的环形空腔。所述第一油道611与所述第一环形空腔64连通，所述第二油道631与所述第二环形空腔65连通，所述第二环形空腔65同时与所述中空推拉杆621的内部空腔连通，且所述第一环形空腔64的横截面积与所述圆柱体63的横截面积相同，所述第三环形空腔66与外界大气相通。

所述主动补偿缸6的三腔结构形式是为了保证所述主动补偿缸6的活塞杆62伸出与缩回的速度相同。正常的两腔结构的补偿缸都是通过活塞杆将缸体分为有杆腔和无杆腔，但由于有杆腔一端的存在拉杆，因此作用在活塞头两端的作用面积不相同，这样补偿缸在相同的压力下，伸出与缩回的速度不相等，不利于调节补偿精度。从图2中可以看出，所述第一油道611与所述第一环形空腔64连通，所述第二油道631与所述第二环形空腔65以及所述中空推拉杆621本身的空腔连通，各空腔以及油道内均充满液压油。当液压油从所述第一油道611进入所述第一环形空腔64内时，所述液压油的压力作用在所述第一环形空腔64的环形截面上，从而推动活塞杆62回缩，此时液压油从所述第二油道631被压出。当液压油从所述第二油道631进入所述中空推拉杆621本身的空腔以及所述第二环形空腔65内时，液压油的压力作用在所述中空推拉杆621的顶端，其作用面积为中空推拉杆621顶端的面积减去所述第二环形空腔65的环形面积，即所述圆柱体63的横截面积，此时液压油从所述第一油道611被压出，所述活塞杆62伸出。由于所述第一环形空腔64的横截面积与所述圆柱体63的横截面积相同，因此，所述活塞杆62在相同压力的作用下，伸出与缩回的速度相等。

具体工作时，当波浪上升的时候，钻机带动所述游车21和钻柱上升，此时，所述钻柱有离开地层面的趋势，地面不再承担钻压，大钩所承受的负载会随着钻柱离开地层面而增大，该负载作用在所述被动补偿缸4上，拉动所述被动补偿缸4的活塞杆42向下运动，此时活塞杆42会压迫有杆腔里的液压油进入到所述蓄能器51的油腔内，使得所述蓄能器51内的油压增大，进而压缩蓄能器51内的气腔内的空气，所述气腔通过与所述气瓶组52相连，提供相应的气压与油压达到平衡，从而对所述钻柱进行被动的位移补偿。同时，所述控制台1通过所述位移补偿装置测量计算出大钩的位移，然后输出控制信号控制所述主动补偿液压站7向所述主动补偿缸6输送相应油压的液压油，所述主动补偿缸6的活塞杆62在相应油压的作用下，主动伸出，达到辅助补偿作用，提高补偿的精度。反之，当波浪下沉时，所述被动补偿缸4被动缩回，所述主动补偿缸6主动缩回，进行辅助补偿。

综上所述，本发明实施例提供的一种浮式钻井升沉补偿装置100，其包括控制台1、游车组件2、大钩组件3、被动补偿组件、主动补偿组件以及位移检测装置。该升沉补偿装置100工作时，所述游车组件2与所述大钩组件3通过所述被动补偿组件和主动补偿组件可相对移动地连接在一起。当所述大钩组件3下的钻柱因波浪起伏使得所述大钩组件3所承受的负载产生变化时，所述被动补偿缸的活塞杆42可以随着负载的变化而相应地伸出或缩回，所述被动蓄能装置5为所述被动补偿缸4提供相应的压力，从而对钻柱进行位移上的补偿。同时，所述控制台1根据大钩组件3上的负载变化，通过位移检测装置测量计算出大钩31的位移，输出控制信号控制所述主动补偿组件的主动蓄能装置7为所述主动补偿缸6提供相应的压力，促使所述主动补偿缸6的活塞杆62伸出或缩回，以达到辅助补偿的作用，提高了所述补偿装置100的补偿精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，包括：

控制台；

游车组件、大钩组件，所述游车组件与所述大钩组件可相对移动地连接；

用于检测所述大钩组件上下位移数值的位移检测装置，所述位移检测装置与所述控制台电连接；

被动补偿组件，所述被动补偿组件包括被动补偿缸和被动蓄能装置，所述被动补偿缸的缸体固定在所述游车组件上，所述被动补偿缸的活塞杆一端固定在所述大钩组件上，所述被动补偿缸与所述被动蓄能装置连接；

主动补偿组件，所述主动补偿组件包括主动补偿缸和主动蓄能装置，所述主动补偿缸的缸体固定在所述游车组件上，所述主动补偿缸的活塞杆一端固定在所述大钩组件上，所述主动补偿缸与所述主动蓄能装置连接，所述主动蓄能装置与所述控制台电连接。

2.如权利要求1所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述被动蓄能装置包括蓄能器和气瓶组，所述蓄能器内具有气腔和油腔，所述被动补偿缸内具有杆腔和无杆腔，所述无杆腔为气腔，所述有杆腔为油腔，所述有杆腔与所述蓄能器的油腔通过油管相连，所述无杆腔与外界大气相连，所述蓄能器的气腔通过气管与所述气瓶组相连，所述气瓶组与所述控制台电连接。

3.如权利要求2所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述被动补偿组件包括两个被动补偿缸和两个蓄能器，每一个蓄能器与一个被动补偿缸连接，所述两个被动补偿缸关于所述游车组件对称设置。

4.如权利要求1所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述主动补偿缸为液压缸，所述主动蓄能装置为主动补偿液压站，所述主动补偿缸通过油管与所述主动补偿液压站连接，所述主动补偿液压站与所述控制台电连接。

5.如权利要求4所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述主动补偿组件包括两个所述的主动补偿缸，所述两个主动补偿缸关于所述游车组件对称设置，并分别与所述主动补偿液压站连接。

6.如权利要求4所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述主动补偿缸的缸体外缘开设有第一油道，所述主动补偿缸的缸体中心设有一个圆柱体，所述圆柱体的中心开设有第二油道，所述第一油道与所述第二油道均与所述主动补偿液压站油管连接；所述缸体与所述圆柱体共同形成环形空腔，所述活塞杆包括一端具有开口的中空推拉杆和环形活塞头，所述中空推拉杆上具有开口的一端固定在所述环形活塞头上，所述中空推拉杆的另一端固定在所述大钩组件上；所述中空推拉杆与所述环形活塞头共同穿设在所述环形空腔内，并将所述环形空腔分隔为第一环形空腔和第二环形空腔，所述环形活塞头底部与所述缸体内壁形成第三环形空腔，所述第一环形空腔为所述缸体内壁与所述中空推拉杆外壁所形成的环形空腔，所述第二环形空腔为所述中空推拉杆内壁与所述圆柱体外壁所形成的环形空腔；所述第一油道与所述第一环形空腔连通，所述第二油道与所述第二环形空腔连通，且所述第一环形空腔的横截面积与所述圆柱体的横截面积相同，所述第三环形空腔与外界大气相通。

7.如权利要求1所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述浮式钻井升沉补偿装置还包括锁紧装置，所述锁紧装置包括锁紧气缸和销轴，所述锁紧气缸与所述控制台电连接，所述销轴固定在所述锁紧气缸的输出轴上，所述游车组件上开设有通孔，所述大钩组件上与所述游车组件的通孔相对应的位置处也开设有通孔，所述控制台控制所述锁紧气缸伸缩运动，并带动所述销轴穿过或抽出所述游车组件以及大钩组件上的通孔。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述游车组件包括游车和游车连接支架，所述游车与所述游车连接支架固定连接，所述主动补偿缸的缸体和被动补偿缸的缸体均固定在所述游车连接支架上。

9.如权利要求1至7中任意一项所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述大钩组件包括大钩和大钩连接支架，所述大钩与所述大钩连接支架固定连接，所述主动补偿缸的活塞杆以及所述被动补偿缸的活塞杆均固定在所述大钩连接支架上。

10.如权利要求1至7中任意一项所述的浮式钻井升沉补偿装置，其特征在于，所述位移检测装置包括位移传感器。