一种浮式钻井平台半主动式天车升沉补偿装置的制作方法

本发明属于浮式钻井平台升沉补偿技术领域，尤其涉及一种半主动式天车升沉补偿装置。

背景技术：

随着社会的发展，对油气资源的消耗日趋增加，但陆地油气资源储量有限，并且在人们的开采下已经呈现日趋枯竭的趋势。海洋拥有丰富的油气资源，对当今的能源需求至关重要。于是人类将油气资源的开发的重点逐步转移到海洋，并逐步朝着深海进军，因此研发海洋油气开采装备非常关键。

在进行深海油气资源开采过程中，深水钻井平台会产生竖直方向的升沉运动，带动钻柱进行垂直上的往复运动，使得井底钻压波动，降低钻井工作的效率，增大了钻井所消耗的成本，妨碍了钻井工作的顺利开展，甚至有可能使钻头脱离井底，引起钻井事故。所以必须对钻柱的上下往复运动进行适当的补偿，以保证钻采工作的顺利进行。

升沉补偿装置通常靠气液系统进行供能，按供能方式分为以下三种：主动式升沉补偿装置、被动式升沉补偿装置和半主动式升沉补偿装置。被动式升沉补偿装置是利用气体的弹性来对平台的上下往复运动完成抵消，仅在开始时对蓄能器进行充能即可，但是被动式升沉补偿装置需要大容积的蓄能器来提高该装置的工作效果，然而当蓄能器的容积不停的增大的时候，通过使蓄能器的容积变大来获得较好的工作性能的效果逐渐变差，补偿精度不高。主动式升沉补偿装置主要靠液压泵输出的液压油的能量对平台的升沉运动进行补偿，其补偿效果好，系统稳定性较好，不过耗能比较大，并且补偿精度越高，所需要的能量越大。半主动式升沉补偿装置集成了被动式以及主动式两者各自的长处，改善了工作性能，降低了所需要的能量，其能量消耗只有主动式的十分之一左右，甚至更少。但半主动式需要增设专门的气液转换装置，使得其结构变得较为复杂。

综上所述，现有技术有待进一步完善。

技术实现要素：

本发明为避免上述现有技术存在的不足之处，提供了一种浮式钻井平台半主动式天车升沉补偿装置，该设备具有结构简单、补偿效果好、稳定性高和能耗低的优点。

本发明所采用的技术方案为：

一种浮式钻井平台半主动式天车升沉补偿装置，包括天车架、斜杆、竖杆、浮动天车、上连接架、传动机构、高压气瓶组、气动补偿缸和滚轮组成，所述天车架呈正方形，所述斜杆和竖杆各有相同的四根，斜杆和竖杆的底端固定在天车架上，顶端与上连接架固定，竖杆位于四根斜杆内并与天车架垂直。

所述浮动天车布置在四根竖杆中间，每根竖杆上安装有导轨，装在浮动天车上的滚轮沿导轨运动，保证浮动天车在水平方向受约束和在竖直方向的运动，气动补偿缸共有两个，通过螺栓固定在天车架的上部，气动补偿缸的活塞杆通过销轴与浮动天车连接，推动浮动天车上下运动，提供天车被动升沉补偿力。

所述传动机构可以采用直线电机动子-直线电机定子组合，其中直线电机动子共有八个，对称安装在浮动天车两侧，直线电机定子固定在四根竖杆靠近浮动天车一侧，每两个直线电机动子与一个直线电机定子组成直线电机驱动浮动天车上下运动，提供天车主动升沉补偿力，与所述气动补偿缸共同作用实现天车半主动式升沉补偿。

所述传动机构也可以采用齿轮-齿条组合，所述齿轮共有四个，固定在浮动天车上部靠近竖杆的一侧，每个齿轮与一个电动机连接，在每根竖杆上各安装一根齿条，电动机带动齿轮与齿条相互啮合驱动浮式天车上下运动，提供天车主动升沉补偿力，与所述气动补偿缸共同作用实现天车半主动式升沉补偿。

所述气动补偿缸由缸筒、活塞、端盖、小型蓄能器一、活塞杆和小型蓄能器二组成，所述缸筒中有杆腔通大气，无杆腔与高压气瓶组连通，端盖中注有润滑油，润滑油由小型蓄能器二提供，两端通过密封圈密封，所述小型蓄能器一固定在浮动天车上，小型蓄能器二固定在天车架上，所述活塞中间区域注有润滑油，所述活塞杆为中空结构，中空区域注有润滑油，端部与小型蓄能器一连通，活塞与缸筒之间通过密封装置密封，小型蓄能器一通过活塞杆的中空区域为活塞提供所需润滑油，保证活塞和活塞杆工作时得到充分润滑。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1.被动式升沉补偿装置需要使用专用气液转换器来提高装置的工作效果，且工作性能较差，补偿精度不高；主动式升沉补偿装置补偿效果好，系统稳定性较好，但耗能大；半主动式升沉补偿装置集成了被动式以及主动式两者的长处，改善了工作性能，降低了所需能量，气动补偿缸与直线电机动子-定子或齿轮-齿条共同作用实现半主动式升沉补偿的功能。

2.采用直线电机驱动代替液压缸实现天车升沉补偿装置的主动式升沉补偿功能，结构简单，体积较小，省去了原有液压管线，有利于设备的维修保养；井架工作重心降低，设备工作稳定性提高；直线电机定子与转子无机械接触，磨损较少，维护简单，使用寿命长；在高速状态下可平稳运行，调速范围宽。

3.采用齿轮-齿条驱动代替液压缸实现天车升沉补偿装置的主动式升沉补偿功能，结构简单，省去原有液压管线，有利于设备的维修保养；各零件加工安装方便，成本低；设备工作可靠性高。

4.采用气动补偿缸代替原有液压缸，同时省去了气液转换器，实现天车升沉补偿装置的被动式升沉补偿功能，使用寿命增加，设备重量减轻，成本降低。

附图说明

图1为本发明所述的传动机构为直线电机动子-定子组合时的结构示意图。

图2为本发明所述的传动机构为齿轮-齿条组合时的结构示意图。

图3为本发明中直线电机的轴测图。

图4为本发明中气动补偿缸的原理图。

其中，1-天车架，2-斜杆，3-竖杆，4-浮动天车，5-连接架，6-直线电机动子，7-直线电机定子，8-气动补偿缸，8.1-缸筒，8.2-活塞，8.3-端盖，8.4-小型蓄能器一，8.5-活塞杆，8.6-小型蓄能器二，9-高压气瓶组，10-滚轮，11-齿轮，12-齿条。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1至图4所示，一种浮式钻井平台半主动式天车升沉补偿装置，其特征在于：包括天车架1、斜杆2、竖杆3、浮动天车4、上连接架5、直线电机动子6、直线电机定子7、气动补偿缸8、缸筒8.1、活塞8.2、端盖8.3、小型蓄能器一8.4、活塞杆8.5、小型蓄能器二8.6、高压气瓶组9、滚轮10，或包括齿轮11和齿条12替换直线电机动子6和直线电机定子7，天车架1呈正方形，所述斜杆2和竖杆3各有四根，斜杆2一端固定在天车架1上，另一端通过连接架5连接，竖杆3垂直浮动天车4通过螺栓固定在四根斜杆2中间，呈正方形布置。

实施例1

如图1、图3和图4所示，所述浮动天车4布置在四根竖杆3中间，通过滚轮10的接触保证浮动天车4在水平方向的约束和在竖直方向的运动，气动补偿缸8共有两个，通过螺栓固定在天车架1的上部，气动补偿缸8的活塞杆8.5通过销轴与浮动天车4连接，推动浮动天车4上下运动，提供天车被动升沉补偿力。

传动机构采用直线电机动子-直线电机定子组合，如图1所示，所述直线电机动子6有相同的八个，在浮动天车4两端对称安装，所述直线电机定子7固定在竖杆3靠近浮动天车4一侧，直线电机定子7和直线电机动子6相互作用驱动浮动天车4上下运动，提供天车主动升沉补偿力，与所述气动补偿缸8共同作用实现天车半主动式升沉补偿。

如图4所示，所述气动补偿缸8由缸筒8.1、活塞8.2、端盖8.3、小型蓄能器一8.4、活塞杆8.5和小型蓄能器二8.6组成，所述缸筒8.1中的有杆腔通大气，无杆腔与高压气瓶组9连通，端盖8.3中注有润滑油，液压油由小型蓄能器二8.6提供，两端通过密封圈密封，所述小型蓄能器一8.4固定在浮动天车4上，所述小型蓄能器二8.6固定在天车架1上，所述活塞8.2中间区域注有润滑油，活塞8.2与所述缸筒8.1之间通过密封装置密封，所述活塞杆8.5为中空结构，中空区域注有润滑油，端部与小型蓄能器一8.4连通，小型蓄能器一8.4通过活塞杆8.5的中空区域为活塞8.2提供所需润滑油，保证活塞8.2和活塞杆8.5工作时充分润滑。

实施例2

如图2、图3和图4所示，所述浮动天车4布置在四根竖杆3中间，通过滚轮10的接触保证浮动天车4在水平方向的约束和在竖直方向的运动，气动补偿缸8共有两个，通过螺栓固定在天车架1的上部，气动补偿缸8的活塞杆8.5通过销轴与浮动天车4连接，推动浮动天车4上下运动，提供天车被动升沉补偿力。

传动机构采用齿轮-齿条组合，如图2所示，所述齿轮11共有四个，固定在浮动天车4上并与电动机连接，在每根竖杆3上安装一根齿条12，电动机带动齿轮11与齿条12相互啮合驱动浮式天车4上下运动，提供天车主动升沉补偿力，与所述气动补偿缸8共同作用实现天车半主动式升沉补偿。

如图4所示，所述气动补偿缸8由缸筒8.1、活塞8.2、端盖8.3、小型蓄能器一8.4、活塞杆8.5和小型蓄能器二8.6组成，所述缸筒8.1中的有杆腔通大气，无杆腔与高压气瓶组9连通，端盖8.3中注有润滑油，液压油由小型蓄能器二8.6提供，两端通过密封圈密封，所述小型蓄能器一8.4固定在浮动天车4上，所述小型蓄能器二8.6固定在天车架1上，所述活塞8.2中间区域注有润滑油，活塞8.2与所述缸筒8.1之间通过密封装置密封，所述活塞杆8.5为中空结构，中空区域注有润滑油，端部与小型蓄能器一8.4连通，小型蓄能器一8.4通过活塞杆8.5的中空区域为活塞8.2提供所需润滑油，保证活塞8.2和活塞杆8.5工作时充分润滑。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖”、“斜”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“一”、“二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。