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
技術領域：
本發(fā)明涉及電液控制技術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。
背景技術：
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 科技與高技術裝備尤為重要。在石油領域，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，許多設備需要重新設計和開發(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 高工作效率和質量必不可少的重要設備之一。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)結構較為復雜，制造成本 較高。
發(fā)明內容
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，以滿足海上 石油鉆井的性能要求。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的總體構思是采用復合液壓缸作為升沉補償液壓缸,將
蓄能器中的高壓液壓油通向復合式補償液壓缸外缸的無桿腔，從而提供一個承受大鉤 靜載荷的液壓力；將液壓泵輸出的高壓液壓油經(jīng)補償控制閥通向復合補償液壓缸內缸 的無桿腔，從而對外缸活塞桿提供一個可以控制的附加力，該力與補償液壓缸外缸無 桿腔作用的液壓力共同向大鉤負載提供支撐力。
本發(fā)明采用的技術方案是在由大鉤、橫梁、兩個復合式升沉補償液壓缸、游車、 鏈條、鏈輪、蓄能器構成的常規(guī)被動式升沉補償裝置的基礎上進行改進，增加了加速 度傳感器、油箱、電動機、液壓泵、液壓泵出口單向閥、補償控制閥、內缸無桿腔壓 力傳感器、外缸有桿腔壓力傳感器、低壓蓄能器、限速閥、高壓蓄能器、補油單向闊、 安全控制閥、失電保護閥和系統(tǒng)控制單元。橫梁與大鉤固聯(lián)，并通過鏈條與固聯(lián)在一 起的游車和補償液壓缸相連，在補償液壓缸外缸的無桿腔和內缸的無桿腔上安裝壓力
傳感器。補償液壓缸的內缸與外缸活塞直徑之比為l : 3 1 : 5。液壓泵的入口與油箱
相連，出口經(jīng)單向閥與補償控制閥的P 口相連；補償控制閥的A 口和T 口連在一起 并與油箱相連；補償控制閥的B口與兩復合式補償液壓缸的內缸無桿腔相連；失電保 護閥的A口與兩復合式補償液壓缸的外缸無桿腔相連，P 口分別與高壓蓄能器、補油 單向閥的出口和安全控制閥的入口相連；補油單向閥的入口和安全控制閥的出口連在 一起并與油箱相連；限速閥的一端分別與兩復合式補償液壓缸的外缸有桿腔相連，另 一端與低壓蓄能器相連；控制單元分別與補償控制閥、失電保護閥、電動機的速度控 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連在平臺上的加速 度傳感器的電信號。液壓泵與電動機機械連接?？刂茊卧且慌_帶有模數(shù)A/D和數(shù)模 D/A信號轉換功能的工控機或單片機。
本發(fā)明與背景技術相比，具有的有益的效果是
1. 系統(tǒng)中補償液壓缸采用復合結構，高壓蓄能器中的高壓液壓油通過外缸無桿 腔承受大鉤上的靜載荷，液壓泵經(jīng)補償控制閥與內缸無桿腔相通，克服運動補償過程 中由于摩擦力和蓄能器壓力變化引起的動載荷，從而有效地限制了額外的能量消耗， 并提高了補償效果。
2. 當系統(tǒng)突然失載時，復合式補償液壓缸活塞桿會快速上行，外缸有桿腔液壓 油流向低壓蓄能器的流量增大，導致壓力升高從而降低活塞上行的速度；同時此高壓 會推動液動切斷閥換向，切斷高壓蓄能器與復合式補償液壓缸之間的壓力通道；外缸 有桿腔壓力傳感器測得的壓力信號超出允許范圍，控制單元立即發(fā)出控制指令切斷失 電保護閥的電源，使其處于關閉狀態(tài)。通過上述三重保護措施，避免由于失載而導致 惡性事故發(fā)生。
3. 蓄能器和補償液壓缸之間安裝了失電保護閥，當系統(tǒng)由于某種原因失去電力 供應的時候，失電保護閥在彈簧的作用下復位，切斷蓄能器和補償液壓缸之間的油路，避免事故發(fā)生。
4.控制單元可以根據(jù)鉆井平臺上安裝的加速度傳感器發(fā)出的加速度信號以及復 合式補償液壓缸的壓力信號，向變頻電動機和補償控制閥發(fā)出指令，控制流向復合式 補償液壓缸內缸無桿腔的液壓油流量，減小平臺升沉運動對大鉤的影響，進而使得井 底鉆壓在一定范圍內保持恒定。
圖1是依據(jù)本發(fā)明所提出的海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置的結構示意圖； 圖2是本發(fā)明所提出的海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置的液壓系統(tǒng)原理圖。 圖中l(wèi)一大鉤，2—橫梁，3—復合式升沉補償液壓缸，4—游車，5—鏈條，6— 鏈輪，7—加速度傳感器，8—油箱，9一液壓泵，IO—變頻電動機，ll一液壓泵出口 單向閥，12—補償控制閥，13—內缸無桿腔壓力傳感器，14一外缸有桿腔壓力傳感器， 15~{氏壓蓄能器，16—限速閥，17—高壓蓄能器，18—補油單向閥，19一安全控制閥， 20~失電保護閥，21—液動切斷閥，22—控制單元。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
如圖所示，橫粱2與大鉤1固聯(lián)，并通過鏈條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14和在無桿腔安裝壓力傳感器 13。復合式補償液壓缸3的內缸與外缸活塞直徑之比取1 : 3 1 : 5。在復合式補償液 壓缸3的內缸無桿腔安裝壓力傳感器13、在復合式補償液壓缸3的外缸有桿腔安裝壓 力傳感器14，加速度傳感器7與平臺固聯(lián)；液壓泵9的入口與油箱8相連，出口經(jīng)單 向閥ii與補償控制閥12的P 口相連；補償控制閥12的A 口和T 口連在一起并與油 箱8相連；補償控制閥12的B口與兩復合式補償液壓缸3的內缸無桿腔相連；液動 切斷閥21的A 口與兩復合式補償液壓缸3的外缸無桿腔相連，液動切斷閥21的P 口與失電保護閥20的A 口相連；失電保護閥20的P 口分別與高壓蓄能器17、補油 單向閥18的出口和安全控制閥19的入口相連；補油單向閥18的入口和安全控制閥 19的出口連在一起并與油箱8相連；限速閥16的一端分別與兩復合式補償液壓缸3 的外缸有桿腔相連，另一端與低壓蓄能器15相連;控制單元22分別與補償控制閥12、 失電保護閥20、變頻電動機10的速度控制信號接口電連接，并與內缸無桿腔壓力傳 感器13、外缸有桿腔壓力傳感器14以及固連在平臺上的加速度傳感器7的電信號連 接。液壓泵9與變頻電動機10機械連接?？刂茊卧?2是一臺帶有模數(shù)A/D和數(shù)模 D/A信號轉換功能的工控機或單片機。髙壓蓄能器17中的高壓液壓油通過復合式補 償液壓缸3外缸無桿腔承受大鉤上的靜載荷，液壓泵9經(jīng)補償控制閥12與內缸無桿腔相通，克服運動補償過程中由于摩擦力和高壓蓄能器17中壓力變化引起的動載荷。 失電保護閥20安裝于蓄能器I9和補償液壓缸3之間，失電時自動切斷油路，停止向 補償液壓缸供油。補償液壓缸3的外缸有桿腔接限速閥16，防止由于鉆桿斷脫引起的 大鉤1超速上沖。液動切斷閥21的控制口與復合式補償液壓缸3外缸的有桿腔相連, 當活塞桿超速上行時，升高的壓力推動液動切斷閥21換向，切斷蓄能器17與復合式 補償液壓缸3的連接通道，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)，液動切斷閥在彈簧的作用下處于 上位導通狀態(tài)，蓄能器17中的液壓油與復合式補償液壓缸3的外缸無桿腔相通，用 以支撐大鉤上的靜載荷。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，液壓泵處于卸荷狀態(tài)，復合式補償液壓缸3的內缸浮動，不起補償作用，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，復合式補償液壓缸3外缸 無桿腔的設定推力小于大鉤載荷的回縮推力，活塞桿將處于回縮狀態(tài)。
當浮式海洋鉆井平臺隨波浪下沉時，井架會帶著游車4和復合式補償液壓缸3下 降，鉆桿柱伸長彈性變形減小，大鉤l上的載荷減小，復合式補償液壓缸3的活塞外 伸，蓄能器17液壓油回流壓力降低，與減小了的大鉤載荷相平衡。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22。 同時內缸無桿腔壓力傳感器13和外缸有桿腔壓力傳感器14檢測到兩腔的壓力信號也 傳遞給控制單元22?？刂茊卧?2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P 口到B 口的通流面積，減少液壓泵9 通向復合式補償液壓缸3內缸無桿腔的流動阻尼，使得內缸無桿腔壓力升高，抵消由 于蓄能器壓力降低引起的承載能力下降和活塞桿外伸的摩擦力，從而使大鉤1相對于 平臺上行，以維持絕對位置不變，同時載荷上升到原來的設定值。
反之，當浮式海洋鉆井平臺隨波浪上升時，井架會帶著游車4和復合式補償液壓 缸3上升，鉆桿柱伸長彈性變形增大，大鉤l上的載荷增加，復合式補償液壓缸3的 活塞回縮，蓄能器17液壓油回流壓力升高，與增加了的大鉤載荷相平衡。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22。同時內缸無桿腔壓力傳感器13和外缸有桿腔壓力傳感器14檢測到兩腔的壓 力信號也傳遞給控制單元22?？刂茊卧?2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，增大B口到T口的通流面積，減少 復合式補償液壓缸3內缸無桿腔通向油箱8的流動阻尼，使得內缸無桿腔壓力下降， 抵消由于蓄能器壓力升高引起的承載能力上升和活塞桿回縮的摩擦力，從而使大鉤1
相對于平臺下行，以維持絕對位置不變，同時載荷回落到原來的設定值。
當系統(tǒng)由于鉆桿斷脫等事故導致突然失載時，復合式補償液壓缸3的活塞桿會快 速上行，外缸有桿腔液壓油流向低壓蓄能器16的流量增大，導致壓力升高從而降低 活塞上行的速度；同時此高壓推動液動切斷闊21換向，切斷高壓蓄能器17與復合式 補償液壓缸3之間的壓力通道；外缸有桿腔壓力傳感器14測得的壓力信號超出允許 范圍，控制單元22立即發(fā)出控制指令切斷失電保護閥20的電源，使其處于關閉狀態(tài)。 通過上述三重保護措施，避免由于失載而導致惡性事故發(fā)生。
當系統(tǒng)由于某種原因失去電力供應的時候，失電保護閥20在彈簧的作用下復位， 切斷高壓蓄能器17和復合式補償液壓缸3之間的油路。
控制單元22根據(jù)鉆井平臺上安裝的加速度傳感器7發(fā)出的加速度信號以及復合 式補償液壓缸3的壓力信號，向變頻電動機10和補償控制閥12發(fā)出指令，控制流向 復合式補償液壓缸3內缸無桿腔的液壓油流量。
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。由于液壓泵僅向小缸徑的內缸無桿腔供油，其動力僅用于 克服摩擦阻力和系統(tǒng)慣性，因此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，具有結構簡單、能耗低、效果好的優(yōu)點。
權利要求
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)、復合式升沉補償液壓缸(3)、游車(4)、鏈條(5)、鏈輪(6)，橫梁(2)與大鉤(1)固聯(lián)，并通過鏈條(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)、變頻電動機(10)、液壓泵(9)、液壓泵出口單向閥(11)、補償控制閥(12)、內缸無桿腔壓力傳感器(13)、外缸有桿腔壓力傳感器(14)、低壓蓄能器(15)、限速閥(16)、高壓蓄能器(17)、補油單向閥(18)、安全控制閥(19)、失電保護閥(20)、液動切斷閥(21)和控制單元(22)，在復合式補償液壓缸(3)的內缸無桿腔安裝壓力傳感器(13)、在復合式補償液壓缸(3)的外缸有桿腔安裝壓力傳感器(14)，在平臺上固聯(lián)加速度傳感器(7)；液壓泵(9)的入口與油箱(8)相連，液壓泵(9)的出口經(jīng)單向閥(11)與補償控制閥(12)的P口相連；補償控制閥(12)的A口T口連在一起并與油箱(8)相連；補償控制閥(12)的B口與兩復合式補償液壓缸(3)的內缸無桿腔相連；液動切斷閥(21)的A口與兩復合式補償液壓缸(3)的外缸無桿腔相連，液動切斷閥(21)的P口與失電保護閥(20)的A口相連；失電保護閥(20)的P口同時與高壓蓄能器(17)、補油單向閥(18)的出口和安全控制閥(19)的入口相連；補油單向閥(18)的入口和安全控制閥(19)的出口連在一起并與油箱(8)相連；限速閥(16)的一端分別與兩復合式補償液壓缸(3)的外缸有桿腔相連，另一端與低壓蓄能器(15)相連；控制單元(21)分別與補償控制閥(12)、失電保護閥(20)、變頻電動機(10)的速度控制信號接口電連接，并與內缸無桿腔壓力傳感器(13)、外缸有桿腔壓力傳感器(14)以及固連在平臺上的加速度傳感器(7)的電信號連接。
2. 根據(jù)權利要求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)采用復合結構，高壓蓄能器(17)通過外缸無桿腔承受大鉤(1)上 的靜載荷，液壓泵(9)經(jīng)補償控制閥(12)與內缸無桿腔相通，克服運動補償過程 中的動載荷。
3. 根據(jù)權利要求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， 所述的信號控制單元(22)是一臺帶有模數(shù)A/D和數(shù)模D/A信號轉換功能的工控機 或單片機。
4. 根據(jù)權利要求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)和復合式補償液壓缸(3)之間，失電時自動 切斷油路，停止向補償液壓缸供油。
5. 根據(jù)權利要求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， 復合式補償液壓缸G)的外缸有桿腔接限速閥(16)，防止由于鉆桿斷脫引起的大鉤(1)超速上沖。
6. 根據(jù)權利要求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， 液動切斷閥(21)的控制口與復合式補償液壓缸(3)外缸的有桿腔相連，當活塞桿 超速上行時，升高的壓力推動液動切斷閥(21)換向，切斷蓄能器(17)與復合式補 償液壓缸(3)的連接通道。
7. 根據(jù)權利要求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， 復合式補償液壓缸(3)的內缸與外缸活塞直徑之比為1 : 3 1 : 5。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型海洋浮式鉆井平臺鉆柱升沉補償裝置。采用復合式液壓缸作為升沉補償液壓缸，將液壓泵輸出的高壓液壓油經(jīng)補償控制閥通向復合補償液壓缸內缸的無桿腔，從而對外缸活塞桿提供一個可以控制的附加力，該力與補償液壓缸外缸無桿腔作用的蓄能器壓力共同向大鉤負載提供支撐力。根據(jù)平臺的升沉運動對該附加力進行控制，從而改善常規(guī)被動式系統(tǒng)的升沉補償效果?？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，驅動補償液壓缸的活塞帶動鏈輪運動，在鏈條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相對于井底在垂直方向上處于靜止狀態(tài)。本發(fā)明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E21B7/12GK101382042SQ200810157779
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月17日 優(yōu)先權日2008年10月17日
發(fā)明者劉振東, 浩 姜, 張作龍, 張彥廷, 王鴻膺 申請人:中國石油大學(華東)