一种快速自升式海上平台升降系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及自升式海上平台技术领域，尤其涉及一种快速自升式海上平台升降系统及其控制方法。


背景技术：

2.海洋钻井平台作为一种高科技含量、高附加值的海洋油气勘探开采特种装备，具有投资大、风险高、专业性强、涉及学科专业众多的特点，主要有坐底式平台、半潜式平台和自升式平台等。
3.相比于其他类型的海洋平台，自升式海洋平台具有适应水深能力强、工作稳定性高、投资维护费用低等优点。自升式海洋平台已经成为迄今为止在近海油气勘探中使用最广泛的钻井装置。
4.自升式海洋平台(主船体)通过升降系统完成垂直方向的桩腿下放和平台升降。升降系统是正常钻井、风暴自存、井口迁移作业保证平台安全的关键部位，其工作的可靠性与安全性成为制约整个自升式海洋平台设计建造的重中之重。升降系统在自升式海洋平台总建造成本中所占比例不菲，约为平台总造价的1/8。升降系统及其控制系统对平台的抬升稳定性、作业安全性和升降效率具有十分重要的影响。
5.自升式海上平台主要包括平台主体、固桩架、升降系统和锁紧装置。其中，升降系统包括桩腿、桩靴、升降驱动装置、相关传感器及控制系统。目前，升降系统根据驱动形式的不同，主要有压缩气体、液压和电力三种驱动形式；升降系统的桩腿分为壳体式和桁架式，其中，壳体式桩腿一般采用压缩气体和液压传动形式，如顶升液压缸；桁架式桩腿则通常采用齿轮齿条传动的电力驱动形式，也有通过液压驱动的方式。而现在控制系统已经发展为冗余现场总线控制系统方案。
6.顶升液压升降系统通过液压驱动插销和顶升液压缸交替配合升降钻井平台，这种驱动方式虽然具有工作平稳、抑制振动、施工建造工艺要求较低的优势，但其步进式的运行模式拖累了整个平台的升降速度，增加了平台迁移费用，工作效率低下，目前已经逐步淘汰。
7.早期齿轮齿条升降系统存在应用液压驱动的解决方案，但受制于液压系统故障率较高、维护保养频繁等劣势，目前主流齿轮齿条升降系统较为广泛的采用了维护保养更低、升降速度控制灵活、操作简单的电力驱动型式。由于桩腿下放、拔桩、回收及平台升降全流程采用电机驱动齿轮齿条方式速度仍缓慢，对于平台的搭建、回收和转运的时间费用成本仍较高。此外，在海洋环境下，由于海浪的扰动，桩腿不能快速压实抬升平台，会对先触地的桩腿带来结构损坏变形的风险。


技术实现要素：

8.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种快速自升式海上平台升降系统及其控制方法，用以解决现有升降系统全流程速度缓慢而导致的平台搭建、回收和转运的时间
费用成本较高的问题。
9.一方面，本发明提供了一种快速自升式海上平台升降系统，包括桩腿和升降机构，所述升降机构包括相变动力装置和插桩推杆，所述相变动力装置内充相变气体，所述相变气体快速膨胀建压的气压驱动推动所述插桩推杆带动所述桩腿入泥压载实现平台快速抬升。
10.进一步地，所述升降系统还包括插桩推筒，所述插桩推筒包括与所述相变动力装置连通的气体容室，所述气体容室容纳所述相变动力装置释放的相变气体。
11.进一步地，所述升降系统还包括固筒架，所述固筒架安放在所述平台上，用于连接固定所述插桩推筒。
12.进一步地，所述升降系统还包括传动架，所述传动架用于连接插桩推杆和所述桩腿，所述插桩推杆设于所述插桩推筒内。
13.进一步地，所述升降系统还包括插桩电机，所述插桩电机安装在所述传动架上，用于锁定所述桩腿与所述传动架。
14.进一步地，所述升降系统还包括升降电机，所述升降电机用于所述桩腿的下放，可在所述平台上升到位后锁定所述平台。
15.进一步地，所述升降系统还包括桩靴，所述桩靴设于所述桩腿的下端，用于与海底接触。
16.另一方面，本发明提供了一种快速自升式海上平台升降系统控制方法，步骤包括：
17.步骤s1：桩腿下放，桩腿与平台锁定，传动架与桩腿锁定；
18.步骤s2：平台举升；
19.步骤s3：平台到位锁定；
20.步骤s4：钻井作业，平台升降系统监测；
21.步骤s5：平台回收；
22.步骤s6：拔出并回收桩腿。
23.进一步地，所述步骤2中，启动相变动力装置释放相变气体进行平台举升。
24.进一步地，所述步骤3中，升降电机对桩腿与平台进行锁定，并回收传动架与插桩推杆。
25.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
26.(1)本发明将原完全电驱的齿轮齿条升降系统进行改造，融合了齿轮齿条电机驱动和相变气体快速膨胀建压的气压驱动相结合的模式，其中，齿轮齿条电机驱动实现桩腿下放回收；相变气体快速膨胀建压的气压驱动推动插桩推杆带动桩腿入泥压载实现平台快速抬升。由于相变气体的快速建压、推动、压载和举升过程一般在几分钟到十几分钟内完成，效率远高于原完全电驱的齿轮齿条升降系统的对应过程。
27.(2)本发明针对现有液压驱动系统技术方案中故障率较高、维护保养频繁等劣势，在保留电驱齿轮齿条驱动桩腿下放回收方案的同时，引入模块化设计的相变动力装置和气体容室(含插桩推杆)装置，便于快速维修更换，且相变气体一般选用对环境无污染的气体种类如二氧化碳等实现绿色环保，也可以使用其他物化特性已知的气体作为动力装置内的填充气体。
28.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本
发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
29.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
30.图1为具体实施例的升降系统结构示意图；
31.图2为具体实施例的相变动力装置结构示意图；
32.图3为具体实施例的插座推筒和插桩推杆连接结构示意图；
33.图4为具体实施例的升降系统控制架构图。
34.附图标记：
35.1-相变动力装置；2-插桩推筒；3-固筒架；4-插桩推杆；5-传动架；6-插桩电机；7-升降电机；8-桩腿；9-桩靴；10-放气口；11-注气口；12-温度和气压检测口；13-平台。
具体实施方式
36.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
37.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在
……
上方”、“下”和“在
……
上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
39.实施例1
40.本发明的一个具体实施例，如图1-图4所示，公开了一种快速自升式海上平台升降系统(以下简称升降系统)，包括桩腿8和升降机构，升降机构包括相变动力装置1和插桩推杆4，相变动力装置1内充相变气体，相变气体快速膨胀建压的气压驱动推动插桩推杆4带动桩腿8入泥压载实现平台13快速抬升。
41.与现有技术相比，本实施例提供的升降系统，采用相变气体快速膨胀建压的气压驱动推动插桩推杆带动桩腿入泥压载实现平台快速抬升，由于相变气体的快速建压、推动、压载和举升过程一般在几分钟到十几分钟内完成，效率远高于完全电驱的齿轮齿条升降系统的对应过程，进而降低了平台的搭建、回收和转运的时间费用成本。
42.相变动力装置1包括放气口10、注气口11和温度和气压检测口12，本实施例中，放气口10和注气口11分别位于相变动力装置本体的两端，温度和气压检测口12和放气口10位于相变动力装置本体的同一侧。
43.升降系统还包括插桩推筒2，插桩推筒2包括气体容室、进气口、排气口及温度和气压传感器，相变动力装置1内充相变气体，与气体容室相连并向其释放相变气体建压。具体
地，插桩推筒2通过进气口与相变动力装置1的放气口10相连接，气体容室容纳相变动力装置1释放的相变气体，从而建立筒内气压(同时气体容室容积改变)，设于插桩推筒2内的插桩推杆4在插桩推筒2内气压推动下向外伸出。温度和气压传感器用于实时监测插桩推筒2内的温度和气压。
44.需要说明的是，可根据平台13载荷吨位、作业海域深度、平台13抬升高度、平台13抬升速度和平台13上电气设备承受的加速度、桩腿8和插桩推筒2的数目综合考虑设置相变动力装置1的个数、容积、填充气体质量和出气口大小等参数。
45.升降系统还包括固筒架3和传动架5，固筒架3安放在平台13上，用于连接固定插桩推筒2，传动架5用于连接插桩推杆4和桩腿8，传递气体推力。传动架5可与平台13固定，当桩腿8入泥压载完成后回收传动架5并固定，具体地，传动架5与插桩推杆4的下端连接，插桩推杆4安装于插桩推筒2内，当插桩推杆4在插桩推筒2内回缩时，传动架5跟随插桩推杆4回收，插桩时插桩推筒2筒内高压气体推动插桩推杆4伸出，通过传动架5带动桩腿8下放。
46.升降系统还包括插桩电机6，插桩电机6安装在传动架5上，主要用于回收传动架5和插桩推杆4，平台13抬升到位后解锁桩腿8与传动架5，使传动架5回收到初始位置，插桩推杆4回收到插桩推筒2内。
47.升降系统还包括升降电机7，升降电机7用于桩腿8的升降控制以及平台抬升以后姿态的调整，可在平台13上升到位后锁定平台13，防止平台13沿桩腿8下滑，约束平台13与桩腿8之间的相对运动。需要说明的是，桩腿8与平台13的锁定通过安装在升降电机7上的制动器控制升降电机7输出轴锁定，进而通过传动系统(减速箱、齿轮齿条)与平台13实现锁定。
48.值得注意的是，插桩电机6和升降电机7均与桩腿8齿轮齿条连接，在桩腿8上下移动时二者不会发生干涉，这是因为控制端会通过观测升降电机7、插桩电机6与桩腿8的状态，根据控制逻辑，实现桩腿8下放时升降电机7与桩腿8齿条啮合以控制桩腿8下放，此时插桩电机6与桩腿8处于分离状态；桩腿8下放到位后，升降电机7、插桩电机6先后与桩腿8锁定；压桩及平台13举升过程前，升降电机7与桩腿8分离(此时插桩电机6与桩腿8仍然锁定)，插桩推筒2内相变气体快速膨胀建压，气压驱动插桩推杆4通过传动架5带动桩腿8实现压桩和平台13举升；平台13举升到位后，升降电机7与桩腿8进行锁定，传动架5通过插桩电机6回收到位后，插桩电机6与桩腿8解锁。
49.桩腿8用于支撑平台13，可下放和回收，保证平台13平稳安全。
50.升降系统还包括桩靴9，桩靴9设于桩腿8的下端，用于与海底接触，以增大桩腿8与海底的接触面积提升稳定性。
51.升降系统还包括控制系统，控制系统采用冗余现场总线技术，通过现场总线方式将各类控制设备连接成总线控制系统。控制系统包括主cpu和备用cpu，在工作过程中，通过主cpu执行控制任务，冗余配置的cpu处于备用状态，一旦主cpu出现故障无法继续执行控制任务时，备用cpu立刻切换工作进行控制任务，原来的cpu降级为备用等待检修，整个过程中主cpu和备份cpu之间通过同步通信链路进行实时数据通信，时刻保持状态数据一致。主站与各从站之间的信息数据交互通过冗余现场总线进行，当前现场总线异常或故障时，启动备用现场总线进行数据交互。各桩腿从站采用冗余控制模式，主cpu故障时切换为备份cpu模式，各桩腿8的变频器控制采用相同的冗余设计思路，此结构保证了控制的稳定可靠。
52.需要说明的是，控制系统中各输入输出设备功能如下：控制按钮实现现场控制输入；倾角传感器用于测量平台13的实时姿态数据，作为控制系统控制各桩腿8的参数依据；扭矩传感器用于测量电机扭矩，保证桩腿8下放、压桩、拔桩及平台13升降全过程中对扭矩的实时监测与控制依据；霍尔传感器用于测量各桩腿控制设备、驱动设备的电流状态，作为紧急控制的参数依据；气压传感器用于监测插桩推筒2内气压，作为平台13抬升检测量和紧急控制的参考依据；温度传感器用于监测各控制设备、驱动设备及插桩推筒2内温度，作为平台13抬升检测量和紧急控制的参考依据；电磁阀用于控制插桩推筒2的进气口和排气口，以实现对筒内气压的控制；烟雾报警器和声光报警器对现场出现明火烟雾及其他异常紧急情况时进行及时地预警。
53.实施例2
54.本发明的另一个具体实施例，如图1-图4所示，公开了一种快速自升式海上平台升降系统的控制方法，步骤包括：
55.步骤s1：桩腿8下放，下放到位后，桩腿8与平台13锁定，传动架5与桩腿8锁定。
56.平台13拖航到指定作业位置后，桩腿8在升降电机7的作用下下落至海底，此过程中传动架5与桩腿8处于解锁状态。
57.需要说明的是，平台13拖运过程中桩腿8下放到未触及海水，以降低整个平台13系统重心同时避免拖运过程中海水及波浪外力导致桩腿8摇晃。桩腿8下放过程中，传动架5与桩腿8处于解锁状态(插桩电机6未锁定桩腿8与传动架5)，传动架5通过插桩推杆4、插桩推筒2和固筒架3与平台13固定。
58.步骤s2：平台13举升。
59.通过控制系统监测平台13举升条件，当满足举升条件后，进行平台举升协同控制，启动相变动力装置1、监测桥体平台13姿态，控制对应电磁阀开启关闭，进而实时调整平台姿态，保证平台抬升过程中，平台倾斜程度在安全范围之内。
60.步骤s3：平台13到位锁定。
61.平台13达到预定作业位置后，控制升降电机7对桩腿8与平台13进行锁定。然后控制插桩电机6回收传动架5与插桩推杆4。
62.步骤s4：钻井作业，平台升降系统监测。
63.锁紧桩腿8与平台13，控制系统全周期监测平台13的稳定性和各设备的运行状况，保证作业期间平台13的稳定安全。
64.步骤s5：平台13回收。
65.解锁桩腿8与平台13，平台13下降过程中，由于平台13重力，电动机工作在发电状态，内部能耗电阻通过电动机将桩腿8的势能转化为热能消耗掉，直至平台13稳定与海面。
66.步骤s6：拔出并回收桩腿8。
67.桩腿8在升降电机7驱动下拔出海底，此过程中电机可能需要反复启停。桩腿8在升降电机7驱动下回收到平台13。
68.本发明的快速自升式海上平台升降系统，将原完全电驱的齿轮齿条升降系统进行改造，融合了齿轮齿条电机驱动和相变气体快速膨胀建压的气压驱动相结合的模式，其中，齿轮齿条电机驱动实现桩腿下放回收；相变气体快速膨胀建压的气压驱动推动插桩推杆带动桩腿入泥压载实现平台快速抬升。由于相变气体的快速建压、推动、压载和举升过程一般
在几分钟到十几分钟内完成，效率远高于原完全电驱的齿轮齿条升降系统的对应过程。
69.本发明针对现有液压驱动系统技术方案中故障率较高、维护保养频繁等劣势，在保留电驱齿轮齿条驱动桩腿下放回收方案的同时，引入模块化设计的相变动力装置和气体容室(含插桩推杆)装置，便于快速维修更换，且相变气体一般选用对环境无污染的气体种类如二氧化碳等实现绿色环保，也可以使用其他物化特性已知的气体作为动力装置内的填充气体。
70.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。