專利名稱：海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電液控制技術(shù)為特征的液壓控制系統(tǒng)，尤其涉及一種海洋鉆井平臺鉆柱 升沉補償裝置。
技術(shù)背景隨著陸地資源的日趨枯竭，世界經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略眼光就聚集到海洋上，發(fā)展海洋科 技與高技術(shù)裝備尤為重要。在石油領(lǐng)域，隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，特別是作為支柱產(chǎn)業(yè)的 石油化工和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，石油和天然氣供應不足的矛盾日益突出。鑒于陸上石 油資源的日漸枯竭，向深海進軍已成必然趨勢。當前，海上石油鉆機最大工作水深已經(jīng) 超過了3000m，而且還將繼續(xù)向更深的方向發(fā)展。在這樣的水深條件下工作，對鉆機的 各方面的要求更為苛刻，并且還必須適應在深水條件下所面臨的一些特殊情況，許多設(shè) 備需要重新設(shè)計和開發(fā)。鉆柱升沉補償裝置是保障海上鉆井船或半潛式鉆井平臺作業(yè)的安全進行以及提高工 作效率和質(zhì)量必不可少的重要設(shè)備之一。深海鉆井所采用的半潛式鉆井平臺和鉆井浮船在波浪的作用下將產(chǎn)生周期性的升沉運動，并使鉆柱上下往復運動，引起井底鉆壓的變 化，甚至使鉆頭脫離井底，影響鉆進的效率，降低鉆頭和鉆桿壽命，產(chǎn)生操作的安全隱 患，甚至導致無法鉆進和被迫停工，造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，為了減少停工期， 降低鉆井成本，浮式鉆井平臺必須對鉆柱升沉運動采取適當?shù)难a償措施。液壓式升沉補償系統(tǒng)在海洋浮式鉆井平臺上應用最為普遍，形式比較多，按照其動 力提供方式可以分為三種形式主動式、被動式和半主動式。主動式升沉補償系統(tǒng)具有較好的補償效果和較強的適應性，但由于鉆柱質(zhì)量大，上 下往復運動頻繁，因此補償過程中會消耗大量的能量。被動式升沉補償系統(tǒng)在補償過程中基本不需要系統(tǒng)額外提供能量，而且系統(tǒng)簡單， 得到了較為廣泛的應用，但是補償效果不很理想，存在著一定的滯后現(xiàn)象。半主動式升沉補償系統(tǒng)能夠綜合二者的優(yōu)點，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜，制造成本較高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種浮式海洋石油鉆井平臺的升沉補償裝置，既能滿足海上 石油鉆井的性能要求，又能降低能量消耗，具有結(jié)構(gòu)簡單、能耗低、效果好的優(yōu)點。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的總體構(gòu)思是將蓄能器中的高壓液壓油經(jīng)補償控制閥通向
補償液壓缸的有桿腔，從而提供一個可以控制的附加力，根據(jù)平臺的升沉運動對該力進 行控制，進而改善常規(guī)被動式升沉補償?shù)男Ч?。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在由大鉤、橫梁、兩個升沉補償液壓缸、游車、鋼絲繩、 動滑輪、蓄能器構(gòu)成的常規(guī)被動式升沉補償裝置的基礎(chǔ)上進行改進，增加加速度傳感器、 油箱、補油泵、電動機、補油泵出口單向閥、補償控制閥、壓力傳感器、控制單元、補 油單向閥、安全控制閥和失電保護閥。橫梁與大鉤固聯(lián)，并通過鋼絲繩與固聯(lián)在一起的 游車和補償液壓缸相連，在補償液壓缸有桿腔和無桿腔上安裝壓力傳感器。補償液壓缸的活塞桿外徑與液壓缸內(nèi)徑之比為i: i.005 i: i.oi。補油泵的入口與油箱相連，補油 泵的出口經(jīng)單向閥分別與補償控制閥的p 口、失電保護閥的a 口和兩補償液壓缸的無桿 腔相連。補償控制閥的a口分別與兩補償液壓缸的有桿腔、補油單向閥的出口和安全控制閥的入口相連；補償控制閥的b口堵死；補償控制閥的t口與油箱相連。失電保護閥的p口分別與蓄能器、補油單向閥的出口和安全控制閥的入口相連。兩個補油單向閥的 入口、兩個安全控制閥的出口均與油箱相連?？刂茊卧謩e與補償控制閥、失電保護闊 電動機的控制信號接口電連接，并獲取安裝在補償液壓缸上的壓力傳感器和固聯(lián)在平臺 上的加速度傳感器的電信號。補油泵與電動機機械連接。所述的信號控制單元是一臺帶有模數(shù)a/d和數(shù)模d/a信號轉(zhuǎn)換功能的工控機或單片 機。蓄能器在補償控制閥的控制下向補償液壓缸的有桿腔供油，消除由于摩擦力和蓄能 器壓力變化引起的鉆壓變化。失電保護閥安裝于蓄能器和補償液壓缸之間，失電時切斷 油路?？刂茊卧鶕?jù)無桿腔壓力傳感器壓力信號的變化控制補油泵驅(qū)動電動機的起停。當系統(tǒng)突然失載時，補償液壓缸會快速上行，無桿腔壓力升高并超出允許范圍，控 制單元得到有桿腔壓力傳感器的壓力信號，立即發(fā)出控制指令切斷失電保護闊的電源， 使其處于關(guān)閉狀態(tài)，避免惡性事故發(fā)生。本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是1、 系統(tǒng)采用大面積比液壓缸，利用較小的環(huán)形面積提供消除負載波動的附加作用力， 從而有效地限制了額外的能量消耗，并提高了補償效果，活塞桿采用空心鋼管，降低了設(shè)備重量和制造成本，提高了穩(wěn)定性；2、 當系統(tǒng)突然失載時，補償液壓缸會快速上行，無桿腔壓力升高并超出允許范圍， 控制單元得到補償液壓缸上腔壓力傳感器的壓力信號，立即發(fā)出控制指令切斷失電保護閥的電源，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，避免惡性事故發(fā)生。3、 當系統(tǒng)出現(xiàn)緊急斷電事故時，補償控制閥使補償液壓缸上腔通低壓，失電保戶閥 切斷蓄能器的供油通道，補償液壓缸活塞相對于活塞缸靜止。4、 由于隨著少量液壓油不斷流回油箱，蓄能器的壓力逐漸趨于下降，當補償液壓缸 無桿腔壓力傳感器檢測到的壓力低于設(shè)定值時，控制單元發(fā)出指令啟動電動機，驅(qū)動補 油液壓泵向系統(tǒng)內(nèi)補油。


圖1是本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的液壓系統(tǒng)工作原理圖。圖中l(wèi)一大鉤，2—橫梁，3—升沉補償液壓缸，4一游車，5—鋼絲繩，6—動滑輪， 7—加速度傳感器，8—油箱，9一補油泵，10—電動機，ll一補油泵出口單向闊，12—補 償控制閥，13—有桿腔壓力傳感器，14一控制單元，15—有桿腔補油單向閥，16—有桿 腔安全控制閥，17—無桿腔補油單向閥，18—無桿腔安全控制閥，19一蓄能器，20—失 電保護閥，21—無桿腔壓力傳感器。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖所示，橫梁2與大鉤1固聯(lián)，并通過鋼絲繩5與固聯(lián)在一起的游車和補償液壓 缸3相連。在補償液壓缸3的有桿腔安裝壓力傳感器13和在無桿腔安裝壓力傳感器21。 補償液壓缸3的活塞桿外徑與液壓缸內(nèi)徑之比取1 : 1.005 1 : 1.01，且活塞桿為空心 桿。補油泵8的入口與油箱9相連，出口經(jīng)單向閥11分別與補償控制閥12的P口、失 電保護閥20的A 口和兩補償液壓缸3的無桿腔相連。補償控制閥12的A 口分別與兩補 償液壓缸3的有桿腔、有桿腔補油單向閥15的出口和有桿腔安全控制閥16的入口相連； 補償控制閥12的B 口堵死；補償控制閥12的T 口與油箱9相連。失電保護閥20的P 口分別與蓄能器19、無桿腔補油單向閥17的出口和無桿腔安全控制闊18的入口相連。 有桿腔補油單向閥15和無桿腔補油單向閥17的入口、有桿腔安全控制閥16和無桿腔安 全控制閥18的出口均與油箱9相連?？刂茊卧?4分別與補償控制閥12、失電保護閥20 電動機10的控制信號接口電連接，并獲取壓力傳感器13、壓力傳感器21及與平臺固聯(lián) 的加速度傳感器7的電信號；補油泵8與電動機10機械連接。信號控制單元14是一臺 帶有模數(shù)A/D和數(shù)模D/A信號轉(zhuǎn)換功能的工控機或單片機。蓄能器19在補償控制閥12 的控制下向補償液壓缸3的有桿腔供油，消除由于摩擦力和蓄能器19壓力變化引起的鉆 壓變化。失電保護閥20安裝于蓄能器19和補償液壓缸3之間，失電時切斷油路。控制單元14根據(jù)無桿腔壓力傳感器21壓力信號的變化控制補油泵8驅(qū)動電動機10 的起停。當系統(tǒng)突然失載時，補償液壓缸會快速上行，無桿腔壓力升高并超出允許范圍， 控制單元14得到有桿腔壓力傳感器13的壓力信號，立即發(fā)出控制指令切斷失電保護閥 20的電源，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，避免惡性事故發(fā)生。本發(fā)明的工作原理如下正常工作時失電保護閥通電處于上位接通狀態(tài)，蓄能器19中的液壓油與補償液壓缸 3的無桿腔相通，用以支撐大鉤載荷。如果補償控制閥12沒有得到控制信號而在彈簧的
作用下處于左位，此時系統(tǒng)是常規(guī)被動式升沉補償系統(tǒng)。由于在本發(fā)明系統(tǒng)中，補償液 壓缸3無桿腔的設(shè)定推力大于大鉤載荷對補償液壓缸3活塞桿產(chǎn)生的回縮推力，活塞桿 將處于伸出狀態(tài)。當浮式海洋鉆井平臺隨波浪上浮時，井架會帶著游車4和補償液壓缸3上升，補償 液壓缸3的活塞回縮，蓄能器19液壓油回流壓力升高，大鉤l上的載荷增加。安裝在補 償液壓缸體上的加速度傳感器7檢測到游車4的運動加速度，并將該信號傳遞給控制單 元14。同時有桿腔壓力傳感器13和無桿腔壓力傳感器21檢測到兩腔的壓力信號也傳遞 給控制單元14?？刂茊卧?4根據(jù)檢測到的上述信號并根據(jù)制定好的控制策略向補償控制 閥12發(fā)出控制指令使其左移，增大通流面積，減少蓄能器19中液壓油通向補償液壓缸3 的有桿腔流動阻尼，使得該腔壓力升高，抵消由于液壓油回流造成的蓄能器壓力升高， 從而使大鉤1的載荷回落到原來的設(shè)定值。反之，當浮式海洋鉆井平臺隨波浪下沉時，井架會帶著游車4和補償液壓缸3下降， 補償液壓缸3的活塞外伸，蓄能器19液壓油外流壓力降低，大鉤l上的載荷降低。安裝 在補償液壓缸體上的加速度傳感器7檢測到游車4的運動加速度，并將該信號傳遞給控 制單元14。同時有桿腔壓力傳感器13和無桿腔壓力傳感器21檢測到兩腔的壓力信號也 傳遞給控制單元14?？刂茊卧?4根據(jù)檢測到的上述信號并根據(jù)制定好的控制策略向補償 控制閥12發(fā)出控制指令使其右移，減小通流面積，增大蓄能器19中液壓油通向補償液 壓缸3的有桿腔流動阻尼，使得該腔壓力下降，抵消由于液壓油外流造成的蓄能器壓力 下降，從而使大鉤1的載荷上升到原來的設(shè)定值。當系統(tǒng)由于意外原因?qū)е率щ姇r，失電保護閥20會立即切斷蓄能器19與補償液壓 缸3之間的油路，防止惡性事故發(fā)生。由于隨著少量液壓油不斷流回油箱9，蓄能器19的壓力逐漸趨于下降，當補償液壓 缸3無桿腔壓力傳感器21檢測到的壓力低于設(shè)定值時，控制單元14發(fā)出指令啟動電動 機10,驅(qū)動補油液壓泵8向系統(tǒng)內(nèi)補油。當系統(tǒng)由于鉆柱斷脫等事故引起突然失載時，補償液壓缸3會快速上行，無桿腔壓力升 高并超出允許范圍，控制單元14得到有桿腔壓力傳感器13的壓力信號，立即發(fā)出控制 指令切斷失電保護閥20的電源，使其處于關(guān)閉狀態(tài)，避免惡性事故發(fā)生。
權(quán)利要求
1、一種海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置，包括大鉤(1)、橫梁(2)、升沉補償液壓缸(3)、游車(4)、鋼絲繩(5)、動滑輪(6)、蓄能器(19)，橫梁(2)與大鉤(1)固聯(lián)，并通過鋼絲繩(5)與固聯(lián)在一起的游車和補償液壓缸(3)相連，其特征在于，該裝置還包括加速度傳感器(7)、油箱(8)、補油泵(9)、電動機(10)、補油泵出口單向閥(11)、補償控制閥(12)、有桿腔壓力傳感器(13)、控制單元(14)、有桿腔補油單向閥(15)、有桿腔安全控制閥(16)、無桿腔補油單向閥(17)、無桿腔安全控制閥(18)、失電保護閥(20)、無桿腔壓力傳感器(21)，在補償液壓缸(3)的有桿腔安裝壓力傳感器(13)、在補償液壓缸(3)的無桿腔安裝壓力傳感器(21)，加速度傳感器(7)與平臺固聯(lián)；補油泵(8)的入口與油箱(9)相連，出口經(jīng)單向閥(11)分別與補償控制閥(12)的P口、失電保護閥(20)的A口和兩補償液壓缸(3)的無桿腔相連；補償控制閥(12)的A口分別與兩補償液壓缸(3)的有桿腔、有桿腔補油單向閥(15)的出口和有桿腔安全控制閥(16)的入口相連；補償控制閥(12)的B口堵死；補償控制閥(12)的T口與油箱(9)相連；失電保護閥(20)的P口分別與蓄能器(19)、無桿腔補油單向閥(17)的出口和無桿腔安全控制閥(18)的入口相連；有桿腔補油單向閥(15)和無桿腔補油單向閥(17)的入口、有桿腔安全控制閥(16)和無桿腔安全控制閥(18)的出口均與油箱(9)相連；控制單元(14)分別與補償控制閥(12)、失電保護閥(20)、電動機(10)的控制信號接口電連接，并與壓力傳感器(13、21)、加速度傳感器(7)的電信號連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置，其特征在于所說 的信號控制單元(14)是一臺帶有模數(shù)A/D和數(shù)模D/A信號轉(zhuǎn)換功能的工控機或單片機。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置，其特征在于失電 保護閥(20)安裝于蓄能器(19)和補償液壓缸(3)之間，失電時切斷油路。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置，其特征在于補償 液壓缸(3)的活塞桿外徑與液壓缸內(nèi)徑之比為1 : 1.005 1 : 1.01。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置。將蓄能器中的高壓液壓油經(jīng)補償控制閥通向補償液壓缸的有桿腔，從而提供一個可以控制的附加力，根據(jù)平臺的升沉運動對該力進行控制，進而改善常規(guī)被動式升沉補償?shù)男Ч？刂茊卧鶕?jù)檢測到的平臺垂直方向的運動速度，向液壓系統(tǒng)發(fā)出控制指令，驅(qū)動補償液壓缸的活塞帶動動滑輪運動，在鋼絲繩或鏈條的作用下補償平臺的升沉運動，使橫梁和大鉤在允許的范圍內(nèi)相對于井底在垂直方向上處于靜止狀態(tài)。通過控制器的控制，調(diào)節(jié)有桿腔的液壓力。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)被動式升沉補償系統(tǒng)補償反應速度慢、蓄能器壓力波動和摩擦力導致補償效果差的缺點。由于對有桿腔供油，有效地控制了能量的消耗，降低了系統(tǒng)的操作成本，提高了補償精度。
文檔編號E02B17/08GK101130949SQ200710112879
公開日2008年2月27日 申請日期2007年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月12日
發(fā)明者張彥廷, 徐興平, 王鴻膺, 陳國明 申請人:中國石油大學(華東)