海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括鉆井補償絞車、自動送鉆絞車、液壓盤剎、拉力傳感器、平臺加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器及PLC控制器，其中，鉆井補償絞車連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器置于游車下方，平臺加速度傳感器固定在鉆井平臺上，旋轉(zhuǎn)編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連，拉力傳感器、平臺加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的電信號接入PLC控制器，PLC控制器輸出控制信號與矢量變頻系統(tǒng)連接。本發(fā)明利用兩臺絞車帶動游動系統(tǒng)分別實現(xiàn)升沉補償與自動送鉆功能，實現(xiàn)了海洋鉆井運動的解耦控制；利用柱塞馬達、柱塞泵與液氣蓄能器裝置實現(xiàn)了對鉆柱重力勢能的回收利用，降低了補償絞車的能耗。
【專利說明】海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種海洋石油鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，是一種以電液控制技術(shù)為特征的機電液聯(lián)合驅(qū)動裝置。

【背景技術(shù)】
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[0002]海洋浮式鉆井平臺及鉆井設(shè)備會隨著海浪進行上下往復(fù)運動，引起鉆壓不斷變化，降低了鉆頭和鉆桿壽命，海況異常惡劣時，鉆機甚至無法正常工作。升沉補償系統(tǒng)是保障深海浮式鉆井平臺正常作業(yè)以及提高工作效率和質(zhì)量的重要裝備之一，其綜合性能的好壞直接影響著海洋石油的開發(fā)成本。升沉補償系統(tǒng)是集機、電、氣、液、自動控制、智能檢測為一體的復(fù)雜裝備，具有聞技術(shù)、聞投入、聞風(fēng)險等特點。
[0003]升沉補償系統(tǒng)按照其安裝位置可以分為:天車升沉補償裝置、鋼絲繩升沉補償裝置、游車和大鉤間的升沉補償裝置以及絞車升沉補償裝置；其中絞車升沉補償技術(shù)作為一項新技術(shù)，具有其獨特的性能優(yōu)勢，包括鉆井效率高、傳動簡單、設(shè)備重心低、平臺載荷與占用空間少的等性能優(yōu)勢，逐漸受到業(yè)內(nèi)關(guān)注。近年來，國外對海上鉆井補償絞車的研究已經(jīng)取得較大的進展，并且已有電動鉆井補償絞車產(chǎn)品面世，采用多臺大功率交流電機直接驅(qū)動絞車進行正反轉(zhuǎn)，從而帶動游車大鉤上下運動，實現(xiàn)對平臺升沉的補償，但系統(tǒng)的功率與能耗較大。
[0004]一般的海洋鉆井工作由常規(guī)鉆井絞車與傳統(tǒng)液壓缸式升沉補償系統(tǒng)共同完成，鉆井絞車主要完成鉆機的起下鉆作業(yè)與鉆進過程中的自動送鉆功能，液壓缸式升沉補償系統(tǒng)一般安裝在游車大鉤或者天車上，完成鉆進過程中的鉆柱升沉補償功能；而絞車升沉補償系統(tǒng)需要同時完成升沉補償與自動送鉆兩種運動控制功能，因此補償絞車的運動控制存在耦合的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0005]本發(fā)明的目的是要提供一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，以滿足海洋石油鉆井的性能要求，實現(xiàn)對升沉補償及自動送鉆運動的解耦控制，同時降低系統(tǒng)能耗、提高海洋鉆井工作效率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的總體構(gòu)思:在鉆井鋼絲繩的快繩端布置一臺鉆井補償絞車，在鉆井鋼絲繩的死繩端布置一臺自動送鉆絞車，鉆井補償絞車帶動游車實現(xiàn)升沉補償運動，自動送鉆絞車緩慢下放游車實現(xiàn)恒鉆壓或恒鉆速送鉆，通過布置兩臺絞車實現(xiàn)了兩種運動的解耦控制與聯(lián)合運動；在鉆井補償絞車上設(shè)置液氣能量回收裝置，利用液壓馬達與液壓泵周期性回收與釋放負載重力勢能，降低了補償絞車的能耗。
[0007]本發(fā)明所述的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，包括鉆井補償絞車、自動送鉆絞車、拉力傳感器、平臺加速度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC控制器、矢量變頻系統(tǒng)，其中，鉆井補償絞車連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器置于游車下方，平臺加速度傳感器固定在鉆井平臺上，旋轉(zhuǎn)編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連，拉力傳感器、平臺加速度傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器的電信號接入PLC控制器，PLC控制器輸出控制信號與矢量變頻系統(tǒng)連接。所述鉆井補償絞車包括單級齒輪減速器、變頻電機、聯(lián)軸器、液壓盤剎、柱塞泵、柱塞馬達、電磁換向閥、液氣轉(zhuǎn)換器、高壓氣瓶、油箱和滾筒，其中，變頻電機、柱塞泵、柱塞馬達通過聯(lián)軸器與單級減速器外圈小齒輪分別相連，單級減速器的大齒輪通過聯(lián)軸器與滾筒相連，柱塞泵、柱塞馬達通過電磁換向閥與液氣轉(zhuǎn)換器相連，液氣轉(zhuǎn)換器與高壓氣瓶相連；當(dāng)鉆井補償絞車下放負載時，柱塞泵處于工作狀態(tài)、柱塞馬達處于浮動狀態(tài)，回收負載重力勢能；補償絞車舉升負載時，柱塞馬達處于工作狀態(tài)、柱塞泵處于浮動狀態(tài)，釋放能量。
[0008]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是在由三相異步電機、二級圓柱齒輪減速器、送鉆電機、擺線減速器、聯(lián)軸器、滾筒、液壓盤剎、死繩拉力傳感器所構(gòu)成的常規(guī)鉆井絞車的基礎(chǔ)上加入升沉補償功能，將二級圓柱齒輪減速器替換為具有多個輸入軸的單級齒輪減速器，將三相異步電機替換為變頻電機，還增加了柱塞馬達、柱塞泵、液氣蓄能器裝置；將送鉆電機、擺線減速器分離出來組成自動送鉆絞車，安裝在死繩端；系統(tǒng)還增加了平臺加速度傳感器、負載拉力傳感器、絞車軸旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC控制器。在鉆井鋼絲繩的快繩側(cè)安裝一臺鉆井補償絞車，在死繩側(cè)安裝一臺自動送鉆絞車，加速度傳感器與平臺固聯(lián)，拉力傳感器安裝在游車下方，旋轉(zhuǎn)編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連。在鉆井補償絞車中，變頻電機、柱塞泵、柱塞馬達通過聯(lián)軸器與單級減速器外圈小齒輪相連，沿周向布置，單級減速器的大齒輪通過聯(lián)軸器與滾筒相連，柱塞泵、柱塞馬達與液氣蓄能器裝置相連。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列有益效果:
[0010]1.具備起下鉆、自動送鉆等常規(guī)鉆井功能，同時具備鉆井平臺升沉補償功能，不需要單獨的液壓升沉補償裝置，具有工作效率高、升沉補償行程不受限制、鋼絲繩壽命長、簡化平臺結(jié)構(gòu)等諸多優(yōu)勢。
[0011]2.配備液氣能量回收裝置，液氣蓄能器裝置通過柱塞馬達與柱塞泵對升沉補償過程中的負載重力勢能進行周期性的回收與釋放，降低了系統(tǒng)能耗。
[0012]3.采用雙絞車運動控制系統(tǒng)，PLC控制器根據(jù)平臺加速度傳感器與絞車軸旋轉(zhuǎn)編碼器的信號，通過控制矢量變頻系統(tǒng)，驅(qū)動鉆井補償絞車正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)升沉補償功能；PLC控制器根據(jù)拉力傳感器的鉆壓信號，通過控制矢量變頻系統(tǒng)，驅(qū)動自動送鉆絞車實現(xiàn)恒鉆壓或恒鉆速下放負載，使游車大鉤完成邊補償、邊送鉆的聯(lián)合運動，實現(xiàn)了兩種運動的解耦控制。

【專利附圖】

【附圖說明】
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[0013]下面結(jié)合附圖和實施例來進一步描述本發(fā)明。
[0014]圖1是本發(fā)明所提出的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明所提出的鉆井補償絞車的原理圖。
[0016]圖中:1一天車；2—游車；3—拉力傳感器；4一自動送鉆絞車；5—鉆井補償絞車；6—平臺加速度傳感器；7 — PLC控制器；8—矢量變頻系統(tǒng)；9一旋轉(zhuǎn)編碼器；10—單級齒輪減速器；11一小齒輪；12—變頻電機；13—大齒輪；14一聯(lián)軸器；15—液壓盤剎；16—柱塞泵；17—柱塞馬達；18 —電磁換向閥；19一液氣轉(zhuǎn)換器；20 —聞壓氣瓶；21—油箱；22—滾筒?！揪唧w實施方式】:
[0017]如圖1所示，海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)主要包括鉆井補償絞車5、自動送鉆絞車4、拉力傳感器3、平臺加速度傳感器6、旋轉(zhuǎn)編碼器9、PLC控制器7、矢量變頻系統(tǒng)8 ;安裝時，鉆井補償絞車5與自動送鉆絞車4分別連接在鉆井鋼絲繩的快繩與死繩端，拉力傳感器3置于游車2的下方，平臺加速度傳感器6固定在鉆井平臺上，旋轉(zhuǎn)編碼器9與鉆井補償絞車5的滾筒軸相連，拉力傳感器3、平臺加速度傳感器6、旋轉(zhuǎn)編碼器9的電信號接入PLC控制器7，PLC控制器7的控制信號與矢量變頻系統(tǒng)8電連接。
[0018]如圖2所示，鉆井補償絞車5主要包括單級齒輪減速器10、變頻電機12、聯(lián)軸器14、液壓盤剎15、柱塞泵16、柱塞馬達17、滾筒22 ;安裝時，變頻電機12、柱塞泵16、柱塞馬達17通過聯(lián)軸器14與單級齒輪減速器10的外圈小齒輪11相連，沿單級齒輪減速器10的周向布置多臺，大齒輪13通過聯(lián)軸器14與滾筒22相連，柱塞泵16的出油口、柱塞馬達17的進油口通過電磁換向閥18與液氣轉(zhuǎn)換器19相連，柱塞泵16的進油口、柱塞馬達17的出油口與油箱21相連，液氣轉(zhuǎn)換器19與高壓氣瓶20相連。
[0019]本發(fā)明的工作原理如下:
[0020]常規(guī)起下鉆作業(yè)時，自動送鉆絞車4鎖死，鉆井補償絞車5單獨工作；鉆井補償絞車5的柱塞泵16、柱塞馬達17處于浮動狀態(tài)，由變頻電機12帶動絞車實現(xiàn)起下鉆等常規(guī)鉆井作業(yè)；當(dāng)鉆井補償絞車5出現(xiàn)故障時，自動送鉆絞車4可以暫時代替變頻電機12實現(xiàn)應(yīng)急提升等功能。
[0021]正常鉆井工況時，需要鉆井補償絞車5與自動送鉆絞車4同時工作。當(dāng)海洋平臺上升、下沉?xí)r，平臺加速度傳感器6、絞車滾筒軸旋轉(zhuǎn)編碼器9與拉力傳感器3分別檢測平臺運動信號、絞車角位移信號與井底鉆壓信號，傳遞給PLC控制器7。PLC控制器7根據(jù)平臺運動信號與絞車角位移信號來控制矢量變頻系統(tǒng)8，控制變頻電機12帶動滾筒22周期性正反向轉(zhuǎn)動，使游車按照與平臺升沉相反的方向運動，以保證游車大鉤的空間絕對位置不變；平臺上升時，控制電磁換向閥18使柱塞泵16處于工作狀態(tài)、柱塞馬達17處于浮動狀態(tài)，回收負載重力勢能；平臺下沉?xí)r，控制電磁換向閥18使柱塞馬達17處于工作狀態(tài)、柱塞泵16處于浮動狀態(tài)，釋放已經(jīng)回收的能量。與此同時，PLC控制器7根據(jù)井底鉆壓信號來控制矢量變頻系統(tǒng)8，控制自動送鉆絞車4下放負載，實現(xiàn)恒鉆壓或橫鉆速送鉆。
[0022]本發(fā)明在常規(guī)鉆井絞車的基礎(chǔ)上，增加了鉆柱升沉補償功能；并將自動送鉆功能分離出去，由安裝在死繩端的自動送鉆絞車實現(xiàn)；具有鉆井效率高、傳動簡單、設(shè)備重心低、平臺載荷與占用空間少的等性能優(yōu)勢；本發(fā)明通過雙絞車驅(qū)動方案實現(xiàn)了升沉補償與自動送鉆運動的解耦，還通過液氣蓄能裝置實現(xiàn)了對負載重力勢能的回收利用，降低了補償絞車的能耗。
【權(quán)利要求】
1.一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，包括鉆井補償絞車巧)、自動送鉆絞車(4)、拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)、旋轉(zhuǎn)編碼器(9)、？10控制器(7)、矢量變頻系統(tǒng)(8),其特征在于，鉆井補償絞車(5)連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車(4)與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器(3)置于游車(2)下方，平臺加速度傳感器(6)固定在鉆井平臺上，旋轉(zhuǎn)編碼器(9)與鉆井補償絞車(5)的滾筒軸相連，拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)和旋轉(zhuǎn)編碼器(9)的電信號接入？IX控制器(7)41(:控制器(7)輸出控制信號與矢量變頻系統(tǒng)(8)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，其特征在于，所述鉆井補償絞車(5)包括單級齒輪減速器(10)、變頻電機(12)、聯(lián)軸器(14)、液壓盤剎(15)、柱塞泵(16)、柱塞馬達(17)、電磁換向閥(18)、液氣轉(zhuǎn)換器(19)、高壓氣瓶(20)、油箱(21)和滾筒(22),其中，變頻電機(12)、柱塞泵(16)、柱塞馬達(17)通過聯(lián)軸器(14)與單級減速器外圈小齒輪(11)分別相連，單級減速器的大齒輪(13)通過聯(lián)軸器(14)與滾筒(22)相連，柱塞泵(16)、柱塞馬達(17)通過電磁換向閥(18)與液氣轉(zhuǎn)換器(19)相連，液氣轉(zhuǎn)換器(19)與高壓氣瓶(20)相連；當(dāng)鉆井補償絞車(5)下放負載時，柱塞泵(16)處于工作狀態(tài)、柱塞馬達(17)處于浮動狀態(tài)，回收負載重力勢能；補償絞車舉升負載時，柱塞馬達(17)處于工作狀態(tài)、柱塞泵(16)處于浮動狀態(tài)，釋放能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統(tǒng)，其特征在于，矢量變頻系統(tǒng)(8)采用帶電機轉(zhuǎn)速反饋的矢量控制模式，配置獨立風(fēng)機強迫冷卻，并配置制動電阻。
【文檔編號】E21B19/09GK104389533SQ201410471657
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月16日
【發(fā)明者】黃魯蒙, 張彥廷, 孟德超, 呂秋云, 張磊, 葛政, 劉振東 申請人:中國石油大學(xué)(華東)