一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置及其调节方法

本发明涉及气压调节设备领域，特别是涉及一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置及其调节方法。

背景技术：

在海洋石油钻井作业时，作业船在海浪作用下产生升沉运动会使得整个钻井系统随浮式平台一起运动，导致钻头与井底之间的钻压发生变化，降低钻井效率，增加成本，影响钻井作业的顺利进行。在恶劣的海况下,钻头甚至会提离井底，引发钻井事故，海洋浮式平台需要配备升沉补偿系统，用以消除平台升沉运动对钻井作业的不利影响。

现有技术中为了补偿平台的升沉，发明了被动式升沉补偿系统、主动式升沉补偿系统以及半主动式升沉补偿系统，例如申请号为“201410254524.3”，名称为“钻柱升沉补偿系统”的发明专利公开了一种被动式升沉补偿系统，包括补偿油缸、活塞蓄能器、液压泵站、气瓶以及空压机，补偿油缸的下腔室与活塞蓄能器的下腔室连通，其中注入液压油，补偿油缸内的活塞位于中部，气瓶与活塞蓄能器的上腔室连通，用于向该腔室内冲入高压气体，并使得在初始状态(无海浪)下，活塞蓄能器内的活塞位于中部，补偿油缸和活塞蓄能器内的活塞位于中部，可避免在升沉补偿时活塞撞缸的现象发生，补偿油缸的下腔室内设置有活塞杆，活塞杆一端连接活塞，另一端连接钻具，空压机与气瓶连接，用于向气瓶内充气进行对气瓶压力的调节，进而应对不同的补偿载荷，补偿载荷为会随着伸缩杆负载的增加而增加，以保证在初始状态下，活塞位于中部，被动式升沉补偿系统的工作原理为：当钻井船随着海浪上升时，补偿油缸的外壳随船上升，活塞杆做伸出运动，保证钻头接触地层，补偿油缸中油液压入到蓄能器中积蓄能量，蓄能器与气瓶中的气体受挤压，进行补偿；当钻井船随着海浪下降时，补偿油缸的外壳随船下降，补偿油缸的活塞杆做回缩运动，蓄能器中油液会压入到补偿油缸中，从而释放能量，进行补偿，在此过程中，如果有漏油情况可以采用泵站对系统进行充油，但是由于需要空压机对气瓶进行注气和放气，以满足不同载荷下的补偿，空压机的设置使得其整体装置为一个开源的系统，气体密封效果较差且密封难度高，再者，空压机的设置会占据船舱内有限的空间，而且还提高了成本。

因此人们亟需一种结构简单、密封效果好、空间占用小、操作便捷以及成本低的被动式升沉补偿系统的联动调压装置及其调节方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置及其调节方法，以解决上述现有技术存在的问题，结构简单、密封效果好、空间占用小、操作便捷以及成本低。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置，包括与钻井船中钻机游车固定连接的补偿油缸、安装在甲板上的活塞蓄能器以及安装在船舱内的液压泵站，所述活塞蓄能器的内腔被第二活塞分为第三腔室和第四腔室，所述第四腔室分别与所述补偿油缸和液压泵站连接，所述第三腔室连接有若干个并联设置且内部气压依次增大的气瓶组，所述气瓶组与所述第三腔室的连接管路上设置有第一阀门，所述第四腔室连接有卸油管路，所述卸油管路上设置有第二阀门，所述补偿油缸与所述第四腔室的连接管路上设置有第三阀门，所述液压泵站与所述第四腔室的连接管路上设置有第四阀门。

优选的，从所述补偿油缸到所述第四腔室的连接管路上依次设置有第一管汇和第二管汇，所述第三阀门设置在所述第一管汇和第二管汇之间，所述液压泵站与所述卸油管路均通过所述第二管汇与所述第四腔室连接，所述第四阀门设置在所述液压泵站与所述第二管汇的连接管路上。

优选的，所述补偿油缸内设置有第一活塞和活塞杆，所述第一活塞将所述补偿油缸分为第一腔室和第二腔室，所述第二腔室连通所述第四腔室，所述活塞杆设置在所述第二腔室内，所述活塞杆一端连接所述第一活塞，另一端伸出所述补偿油缸并连接钻具。

优选的，所述第一腔室连接有用于向该腔室内提供稀薄氮气的氮气瓶。

优选的，所述第一腔室、所述第一管汇、所述第三腔室、所述第四腔室以及所述气瓶组均连接有压力表。

优选的，所述气瓶组内设置有若干个并联的气瓶。

优选的，所述气瓶内气体为氮气。

优选的，还提供一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置的调节方法，包括以下步骤：

s1:先停止钻具的钻进，根据活塞杆的负载变化计算第三腔室内所需压力；

s2:关闭第一阀门和第三阀门，再打开另一个气压较大气瓶组的第一阀门以及第二阀门，此时，第四腔室内进行卸油，第二活塞下移，然后关闭第二阀门以及第一阀门，打开前次供气气瓶组的第一阀门以及第四阀门，启动液压泵站向第四腔室内注油，第二活塞上移至活塞蓄能器的中部；

s3:观察第三腔室与计算得出的压力是否相同，如果第三腔室的压力小于计算得出的压力，则重复s2步骤；如果第三腔室的压力大于计算得出的压力，则进行s4步骤；如果第三腔室的压力等于计算得出的压力，则进行s6步骤；

s4:关闭第一阀门，打开另一个气压较大气瓶组的第一阀门以及第四阀门，启动液压泵站向第四腔室内注油，第二活塞上移，然后关闭第一阀门和第四阀门，打开前次供气气瓶组的第一阀门以及第二阀门，此时，第四腔室内进行卸油，并控制第二活塞下移至活塞蓄能器的中部；

s5：观察第三腔室与计算得出的压力是否相同，如果第三腔室的压力小于计算得出的压力，则重复s2步骤；如果第三腔室的压力大于计算得出的压力，则重复s4步骤；如果第三腔室的压力等于计算得出的压力，则进行s6步骤；

s6:增加钻具的节数，打开第三阀门，启动钻具的钻进。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、本发明中第三腔室连接有若干个并联设置且内部气压依次增大的气瓶组，气瓶组与第三腔室的连接管路上设置有第一阀门，第四腔室连接有卸油管路，卸油管路上设置有第二阀门，补偿油缸与第四腔室的连接管路上设置有第三阀门，液压泵站与第四腔室的连接管路上设置有第四阀门，本申请利用多个气压不同的气瓶组代替现有技术中的气瓶和空压机，使得整体装置处于闭源的状态，不与外界气体进行交换，大大提高了装置的密封性，且气瓶组在进行密封时也较为容易，另外，相较于设置空压机，气瓶组的设置减少了对船体有限空间的占用以及生产安装成本。

2、本发明中气瓶组内设置有若干个并联的气瓶，增加了气瓶的整体体积，在活塞蓄能器内活塞向上移动距离较长时，可避免由于气瓶体积较小，压强增大而引起的气瓶损坏的问题。

3、本发明中第一腔室连接有用于向该腔室内提供稀薄氮气的氮气瓶、气瓶内的气体为氮气，利用氮气这种惰性气体，在活塞运动过程中较为安全，减少由于油气互窜而引起的火灾、爆炸的几率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明安装有联动调压装置的被动式升沉补偿系统的结构示意图；

其中，1、补偿油缸；2、活塞蓄能器；3、液压泵站；4、气瓶组；5、第一阀门；6、第二阀门；7、第三阀门；8、第四阀门；9、第五阀门；10、第一活塞；11、第一腔室；12、第二腔室；13、活塞杆；14、钻具；15、第二活塞；16、第三腔室；17、第四腔室；18、第一管汇；19、第二管汇；20、氮气瓶。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置及其调节方法，以解决现有技术存在的问题，结构简单、密封效果好、空间占用小、操作便捷以及成本低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考如图1所示，提供一种被动式升沉补偿系统的联动调压装置，包括与钻井船中钻机游车固定连接的补偿油缸1、安装在甲板上的活塞蓄能器2以及安装在船舱内的液压泵站3，活塞蓄能器2的内腔被第二活塞15分为第三腔室16和第四腔室17，第四腔室17分别与补偿油缸1和液压泵站3连接，第三腔室16连接有若干个并联设置且内部气压依次增大的气瓶组4，气瓶组4与第三腔室16的连接管路上设置有第一阀门5，若干个气瓶组4可分别通过管路连接第三腔室16或者分别通过管路连接一根主管路，并通过主管路连接第三腔室16，当通过一根主管路连接第三腔室16时，第一阀门5设置在主管路与气瓶组4之间，第四腔室17连接有卸油管路，卸油管路上设置有第二阀门6，用于控制装置内部的油量，补偿油缸1与第四腔室17的连接管路上设置有第三阀门7，液压泵站3与第四腔室17的连接管路上设置有第四阀门8，初始状态下，仅有一个第一阀门5开启，第三阀门7处于开启状态，第二阀门6、第四阀门8处于关闭状态，通过各阀门间的配合完成对第三腔室16内气压的调整，无需设置空压机，使整体装置处于闭源状态，提高了整体系统的密封性能，而且在对气瓶组4进行密封时，密封较为简单，另外相较于空压机，气瓶组4体积较小，有利于节省船体内的空间且节省成本。

当若干个气瓶组4通过管路连接一根主管路，并通过主管路连接第三腔室16时，在主管路上设置第五阀门9，在对气瓶组4进行更换时，先关闭正在通气的第一阀门5，然后关闭第五阀门9，可保证第三腔室16内的气体不会从拆卸口处流出；当若干个气瓶组4分别通过管路连接第三腔室16时，若干个第一阀门5与第三腔室16之间均设置有第五阀门9。

从补偿油缸1到第四腔室17的连接管路上依次设置有第一管汇18和第二管汇19，第三阀门7设置在第一管汇18和第二管汇19之间，液压泵站3与卸油管路均通过第二管汇19与第四腔室17连接，第四阀门8设置在液压泵站3与第二管汇19的连接管路上，通过设置第一管汇18和第二管汇19，使得装置内的管路分布更为明晰，减少工作人员误操作的可能性。

补偿油缸1内设置有第一活塞10和活塞杆13，第一活塞10将补偿油缸1分为第一腔室11和第二腔室12，第二腔室12连通第四腔室17，活塞杆13设置在第二腔室12内，活塞杆13一端连接第一活塞10，另一端伸出补偿油缸1并连接钻具14。

第一腔室11连接有用于向该腔室内提供稀薄氮气的氮气瓶20，利用氮气这种惰性气体充入第一腔室11内，使得第一活塞10在运动时较为安全，减少由于油气互窜而引起的火灾、爆炸的几率。

第一腔室11、第一管汇18、第三腔室16、第四腔室17以及气瓶组4均连接有压力表，用于实时观测各部件内的压力，其中由于第一管汇18与第二腔室12直通，第一管汇18压力相当于第二腔室12内的压力。

气瓶组4内设置有若干个并联的气瓶，设置若干个气瓶的方式增加了气瓶的整体体积，在活塞蓄能器2内活塞向上移动距离较长时，可避免由于气瓶体积较小，压强增大而引起的气瓶损坏的问题。

由于其瓶内的气体将会充入第三腔室16内，将气瓶内气体设为氮气，使得第二活塞15在运动时较为安全，减少由于油气互窜而引起的火灾、爆炸的几率。

随着钻井深度的增加，需要增加钻具14的节数，钻具14节数增加后将会导致其重力增加，进而导致活塞杆13的负载增加，活塞杆13将会带动活塞下移，为了确保在初始状态下，第一活塞10和第二活塞15均位于中部，此时需要提高第三腔室16内的压力，本发明提供了一种上述被动式升沉补偿系统的联动调压装置的调节方法，包括以下步骤：

s1:先停止钻具14的钻进，根据活塞杆13的负载变化计算第三腔室16内所需压力；

s2:关闭正在为第三腔室16充气的气瓶组4的第一阀门5和第三阀门7，再打开另一个气压较大气瓶组4的第一阀门5以及第二阀门6，气压较大气瓶组4内的气体进入到第三腔室16中，由于其气压较大，此时，第三腔室16内气体量大于初始时其内部的气体量，随着第二阀门6的打开，第四腔室17内进行卸油，液压油从卸油管路流出，第二活塞15下移，第三腔室16内的气体量再次增加，然后关闭第二阀门6以及第一阀门5，打开前次供气气瓶组4的第一阀门5以及第四阀门8，启动液压泵站3向第四腔室17内注油，第二活塞15上移至活塞蓄能器2的中部，此时，气瓶组4与第三腔室16内的气体量大于初始时气瓶组4与第三腔室16内的气体量，体积不变，因此实现了提高第三腔室16内压强的目的；

s3:通过压力变观察第三腔室16的压力与计算得出的压力是否相同，如果第三腔室16的压力小于计算得出的压力，则重复s2步骤；如果第三腔室16的压力大于计算得出的压力，则进行s4步骤；如果第三腔室16的压力等于计算得出的压力，则进行s6步骤；

s4:关闭正在为第三腔室16充气的气瓶组4的第一阀门5，打开另一个气瓶组4的第一阀门5以及第四阀门8，启动液压泵站3向第四腔室17内注油，第二活塞15上移，将第三腔室16内的气体压入气瓶组4内，然后关闭第一阀门5和第四阀门8，打开前次供气气瓶组4的第一阀门5以及第二阀门6，此时，第四腔室17内进行卸油，并控制第二活塞15下移至活塞蓄能器2的中部；

s5：观察第三腔室16与计算得出的压力是否相同，如果第三腔室16的压力小于计算得出的压力，则重复s2步骤；如果第三腔室16的压力大于计算得出的压力，则重复s4步骤；如果第三腔室16的压力等于计算得出的压力，则进行s6步骤；

s6:增加钻具14的节数，打开第三阀门7，启动钻具14的钻进。

根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。