专利名称：海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其涉及一种海洋钻井平台钻柱升沉补偿装置。
背景技术：
随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要。在石油领域，随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，向深海进军已成必然趋势。当前，海上石油钻机最大工作水深已经超过了3000m，而且还将继续向更深的方向发展。在这样的水深条件下工作，对钻机的各方面的要求更为苛刻，并且还必须适应在深水条件下所面临的一些特殊情况，许多设备需要重新设计和开发。钻柱升沉补偿装置是保障海上钻井船或半潜式钻井平台作业的安全进行以及提高工作效率和质量必不可少的重要设备之一。深海钻井所采用的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下将产生周期性的升沉运动，并使钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了巨大的经济损失。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施。液压式升沉补偿系统在海洋浮式钻井平台上应用最为普遍，形式比较多，按照其动力提供方式可以分为三种形式主动式、被动式和半主动式。主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻柱质量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量。被动式升沉补偿系统在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为广泛的应用，但是补偿效果不很理想，存在着一定的滞后现象。半主动式升沉补偿系统能够综合二者的优点，但是系统结构较为复杂，制造成本较高。
发明内容
本发明的目的是要提供一种浮式海洋石油钻井平台的升沉补偿装置，以满足海上石油钻井的性能要求。为实现上述目的，本发明的总体构思是在天车升沉补偿装置中采用复合液压缸作为升沉补偿液压缸。将气液蓄能器中的高压液压油通向复合式补偿液压缸外缸的无杆腔，从而提供一个承受天车静载荷的液压力；将液压泵输出的高压液压油经补偿控制阀通向复合补偿液压缸内缸的无杆腔和外缸的有杆腔，从而对外缸活塞杆提供一个可以控制的附加力，该力与补偿液压缸外缸无杆腔作用的液压力的合力向天车提供支撑力。本发明采用的技术方案是在由天车、两个升沉补偿液压缸、摇臂、气液蓄能器、游车构成的常规被动式升沉补偿装置的基础上进行改进，增加了加速度传感器、油箱、电动 机、液压泵、液压泵出口单向阀、补偿控制阀、内缸无杆腔压力传感器、外缸有杆腔压力传感 器、旁通阀、限速阀、补油单向阀、安全控制阀、失电保护阀和系统控制单元。补偿液压缸缸 体与井架铰接，活塞杆上端与天车铰接，在补偿液压缸外缸的有杆腔和内缸的无杆腔上安 装压力传感器。补偿液压缸的内缸柱塞面积与外缸有杆腔工作面积之比为1 1。液压泵的 入口与油箱相连，出口经单向阀与补偿控制阀的P 口相连；补偿控制阀的T 口与油箱相连； 补偿控制阀的A 口和B 口与两复合式补偿液压缸的内缸无杆腔或外缸有杆腔相连；旁通阀 的一端与两复合式补偿液压缸的内缸无杆腔相连，另一端与两复合式补偿液压缸的外缸有 杆腔；限速阀的A 口与两复合式补偿液压缸的外缸有杆腔相连，B 口与补偿控制阀的A 口相 连；液动切断阀的A 口与两复合式补偿液压缸的外缸无杆腔相连，P 口与失电保护阀的A 口 相连；失电保护阀的P 口同时与气液转换器、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连； 气液转换器的另一端通过闸阀与工作气瓶相连；工作气瓶与放气闸阀相连，并通过闸阀与 高压气瓶相连；高压气瓶通过闸阀与气压源相连；补油单向阀的入口和安全控制阀的出口连在一起并与油箱相连；控制单元分别与补偿控制阀、旁通阀、失电保护阀、变频电动机的 控制信号接口电连接，并获取外缸有杆腔压力传感器、内缸无杆腔压力传感器以及固连在 平台上的加速度传感器的电信号。液压泵与变频电机机械连接。控制单元是一台带有模数 A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是1.系统中补偿液压缸采用复合结构，气液转换器中的高压液压油通过外缸无杆腔 承受天车上的静载荷，液压泵经补偿控制阀与内缸无杆腔或外缸有杆腔相通，克服运动补 偿过程中由于摩擦力和工作气瓶压力变化引起的动载荷，从而有效地限制了额外的能量消 耗，并提高了补偿效果。2.当系统突然失载时，复合式补偿液压缸活塞杆会快速上行，流出外缸有杆腔的 流量增大，但限速阀会限制流量低于某一值，从而限制活塞上行的速度；同时外缸有杆腔的 压力增大，推动液动切断阀换向，切断气液转化器与复合式补偿液压缸之间的压力通道；夕卜 缸有杆腔压力传感器测得的压力信号超出允许范围，控制单元立即发出控制指令切断失电 保护阀的电源，使其处于关闭状态。通过上述三重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故 发生。3.气液转化器和补偿液压缸之间安装了失电保护阀，当系统由于某种原因失去电 力供应的时候，失电保护阀在弹簧的作用下复位，切断蓄能器和补偿液压缸之间的油路，避 免事故发生。4.控制单元可以根据钻井平台上安装的加速度传感器发出的加速度信号以及复 合式补偿液压缸的压力信号，向变频电动机和补偿控制阀发出指令，控制流向复合式补偿 液压缸内缸无杆腔的液压油流量，减小平台升沉运动对大钩的影响，进而使得井底钻压在 一定范围内保持恒定。
图1是依据本发明所提出的海洋浮式钻井平台天车钻柱升沉补偿装置的结构示 意图。
图2是本发明所提出的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置的液压系统原理图。图中1-游车，2-复合式升沉补偿液压缸，3-井架，4-摇臂，5-天车，6-滑轮， 7-天车导轨，8-加速度传感器，9-油箱，10-液压泵，11-变频电动机，12-液压泵出口单向 阀，13-补偿控制阀，14-外缸有杆腔压力传感器，15-内缸无杆腔压力传感器，16-旁通阀， 17-限速阀，18-液动切断阀，19-失电保护阀，20-气液转换器，21-闸阀，22-工作气瓶， 23-闸阀，24-气压源，25-闸阀，26-放气闸阀，27-闸阀，28-高压气瓶，29-补油单向阀， 30-安全控制阀，31-控制单元。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图所示，补偿液压缸2的缸体与井架3铰接，其活塞杆上端与天车5铰接，在补偿液压缸2外缸的有杆腔安装压力传感器14，内缸的无杆腔上安装压力传感器15。补偿液 压缸的内缸柱塞面积与外缸有杆腔工作面积之比为1 1。加速度传感器8与平台固联；液 压泵10的入口与油箱9相连，出口经单向阀12与补偿控制阀13的P 口相连；补偿控制阀 13的T 口与油箱9相连；补偿控制阀13的A 口和B 口与两复合式补偿液压缸2的内缸无杆 腔或外缸有杆腔相连；旁通阀16的一端与两复合式补偿液压缸2的内缸无杆腔相连，另一 端与两复合式补偿液压缸2的外缸有杆腔相连；限速阀17的A 口与两复合式补偿液压缸2 的外缸有杆腔相连，另一端与补偿控制阀13的A 口相连；液动切断阀18的A 口与两复合式 补偿液压缸2的外缸无杆腔相连，P 口与失电保护阀19的A 口相连；失电保护阀19的P 口 同时与气液转换器20、补油单向阀29的出口和安全控制阀30的入口相连；气液转换器20 的另一端通过闸阀21、23与工作气瓶22相连；工作气瓶22与放气闸阀26相连，通过闸阀 27与高压气瓶28相连；高压气瓶28通过间阀25与气压源24相连；补油单向阀29的入口 和安全控制阀30的出口连在一起并与油箱9相连；控制单元31分别与补偿控制阀13、旁通 阀16、失电保护阀19、变频电动机11的控制信号接口电连接，并与外缸有杆腔压力传感器 14、内缸无杆腔压力传感器15以及固连在平台上的加速度传感器8的电信号连接。液压泵 10与变频电机11机械连接。控制单元31是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的 工控机或单片机。气液转换器20中的高压液压油通向复合式补偿液压缸2外缸的无杆腔， 提供一个承受天车静载荷的液压力；液压泵10通过补偿控制阀13与内缸无杆腔或外缸有 杆腔相通，克服补偿过程中由于摩擦力与工作气瓶22中压力所变化引起的动载荷。旁通阀 16两端与补偿液压缸2的内缸无杆腔和外缸有杆腔相连，当旁通阀16导通时，系统可以实 现被动补偿的功能。补偿液压缸2外缸有杆腔接有限速阀17，防止由于钻杆脱断引起的补 偿液压缸2的活塞杆超速上冲。液动切断阀18的控制口与复合式补偿液压缸2外缸的有 杆腔相连，当活塞杆超速上行时，升高的压力推动液动切断阀18换向，切断气液转换器20 与复合式补偿液压缸2的连接管路，避免恶性事故发生。失电保护阀19安装于气液转换器 20和补偿液压缸2之间，失电时自动切断油路，停止向补偿液压缸供油。本发明的工作原理如下正常工作时，失电保护阀通电处于下位导通状态，液动切断阀在弹簧的作用下处 于下位导通状态，气液转换器20中的液压油与复合式补偿液压缸2的外缸无杆腔相通，用 以支撑天车上的静载荷。如果旁通阀16处于右位导通状态，复合式补偿液压缸2的内缸无杆腔与外缸有杆腔相通，不起补偿作用，此时系统是常规被动式升沉补偿系统。如果旁通阀16处于左位断开状态，复合式补偿液压缸2的内缸无杆腔与外缸有杆腔不相通，起补偿作 用，此时系统是半主动式升沉补偿系统。当浮式海洋钻井平台随波浪下沉时，井架会带着复合式补偿液压缸2下降，钻杆 柱伸长弹性变形减小，天车5上的载荷减小，复合式补偿液压缸2的活塞杆外伸，气液转换 器20的液压油流入补偿液压缸2，工作气瓶22压力降低，与减小了的天车载荷相平衡。安 装在补偿液压缸体上的加速度传感器8检测到平台的运动加速度，并将该信号传递给控制 单元31。同时外缸有杆腔压力传感器14和内缸无杆腔压力传感器15检测到两腔的压力信 号也传递给控制单元31。控制单元31根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向 补偿控制阀13发出控制指令使其左移，使P 口与B 口相通，A 口与T 口相通，液压泵10向 复合式补偿液压缸2内缸无杆腔供油，使得内缸无杆腔压力升高，抵消由于工作气瓶压力 降低引起的承载能力下降和活塞杆外伸的摩擦力，同时外缸有杆腔通过A 口到T 口的通道 与油箱连通实现回油，从而使天车5相对于平台上行，以维持绝对位置不变，同时载荷上升 到原来的设定值。此过程中，可以调节阀芯左移的位移量来改变阀口的通流面积，从而控制 流量以控制活塞的运动速度，提高系统的补偿效果。反之，当浮式海洋钻井平台随波浪上升时，井架会带着复合式补偿液压缸2上升， 钻杆柱伸长弹性变形增大，天车5上的载荷增加，复合式补偿液压缸2的活塞杆回缩，液压 缸内的液压油流回气液转换器20，工作气瓶22的压力增加，与增加了的天车载荷相平衡。 安装在补偿液压缸体上的加速度传感器8检测到平台的运动加速度，并将该信号传递给控 制单元31。同时外缸有杆腔压力传感器14和内缸无杆腔压力传感器15检测到两腔的压 力信号也传递给控制单元31。控制单元31根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策 略向补偿控制阀13发出控制指令使其右移，使P 口与A 口相通，B 口与T 口相通，液压泵10 向复合式补偿液压缸2外缸有杆腔供油，使的外缸有杆腔压力升高，抵消由于工作气瓶压 力升高引起的承载能力增大和活塞杆回缩的摩擦力，同时内缸无杆腔通过B 口到T 口的通 道与油箱连通实现回油，从而使天车5相对于平台下行，以维持绝对位置不变，同时载荷下 降到原来的设定值。此过程中，可以调节阀芯右移的位移量来改变阀口的通流面积，从而控 制流量以控制活塞的运动速度，提高系统的补偿效果。当系统负载发生变化时，可以通过调节工作气瓶22的压力，维持复合式补偿液压 缸2活塞杆的受力平衡。当系统负载减小时，工作气瓶22与放气闸阀26相通，通过放气使 工作气瓶的压力减小；当系统负载增大时，工作气瓶22与高压气瓶28相通，通过高压气瓶 的充气使工作气瓶的压力增大。当系统由于钻杆脱断等事故导致突然失载时，复合式补偿液压缸2的活塞杆会快 速上行，流出外缸无杆腔的流量增大，但限速阀17会限制流量低于某一值，从而限制活塞 上行的速度；同时外缸有杆腔的压力增大，推动液动切断阀18换向，切断气液转换器20与 复合式补偿液压缸2之间的压力通道；外缸有杆腔压力传感器14测得的压力信号超出允许 范围，控制单元31立即发出控制指令切断失电保护阀19的电源，使其处于关闭状态。通过 上述三重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀20在弹簧的作用下复位， 切断气液转换器20与复合式补偿液压缸2之间的油路，防止意外的发生。
控制单元31根据钻井平台上安装的加速度传感器8发出的加速度信号以及复合式补偿液压缸2的压力信号，向变频电动机11和补偿控制阀13发出指令，控制流向复合式 补偿液压缸2内缸无杆腔或外缸有杆腔的液压油流量。本发明克服了传统被动式升沉补偿系统补偿反应速度慢、蓄能器压力波动和摩擦力导致补偿效果差的缺点。由于液压泵仅向小缸径的内缸无杆腔供油，其动力仅用于克服 摩擦阻力和系统惯性，因此有效地控制了能量的消耗，降低了系统的操作成本，提高了补偿 精度，具有结构简单、能耗低、效果好的优点。此外，本发明的液压补偿缸缸体安装在井架 上，与钻井装置没有相对运动，可以采用刚性管线。与游动滑车补偿装置要求使用挠性管相 比，减少了液压管线损坏的可能性。
权利要求
一种海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，包括游车(1)、复合式升沉补偿液压缸(2)、井架(3)、摇臂(4)、天车(5)、滑轮(6)和天车导轨(7)、死绳、快绳、加速度传感器(8)、油箱(9)、液压泵(10)、变频电动机(11)、液压泵出口单向阀(12)、补偿控制阀(13)、外缸有杆腔压力传感器(14)、内缸无杆腔压力传感器(15)、旁通阀(16)、限速阀(17)、液动切断阀(18)、失电保护阀(19)、气液转换器(20)、闸阀(21)(23)(25)(26)(27)、工作气瓶(22)、气压源(24)、高压气瓶(28)、补油单向阀(29)、安全控制阀(30)和控制单元(31)，复合式升沉补偿液压缸(2)的缸体与井架(3)相连，液压缸(2)的活塞杆与天车(5)相连，支撑着天车沿天车导轨(7)运动，摇臂(4)与井架(3)和天车(5)相连，在复合式补偿液压缸(2)的外缸有杆腔安装压力传感器(14)、在复合式补偿液压缸(2)的内缸无杆腔安装压力传感器(15)，在平台上固联加速度传感器(8)；其特征在于，液压泵(10)的入口与油箱(9)相连，液压泵(10)的出口经单向阀(12)与补偿控制阀(13)的P口相连，补偿控制阀(13)的T口与油箱(9)相连，补偿控制阀(13)的A口和B口与两复合式补偿液压缸(2)的内缸无杆腔或外缸有杆腔相连；旁通阀(16)的一端与两复合式补偿液压缸(2)的内缸无杆腔相连，另一端与两复合式补偿液压缸(2)的外缸有杆腔相连；限速阀(17)的A口与两复合式补偿液压缸(2)的外缸有杆腔相连，B口与补偿控制阀(13)的A口相连；液动切断阀(18)的A口与两复合式补偿液压缸(2)的外缸无杆腔相连，P口与失电保护阀(19)的A口相连；失电保护阀(19)的P口同时与气液转换器(20)、补油单向阀(29)的出口和安全控制阀(30)的入口相连；气液转换器(20)的另一端通过闸阀(21)(23)与工作气瓶(22)相连；工作气瓶(22)与放气闸阀(26)相连，通过闸阀(27)与高压气瓶(28)相连；高压气瓶(28)通过闸阀(25)与气压源(24)相连；补油单向阀(29)的入口和安全控制阀(30)的出口连在一起并与油箱(9)相连；控制单元(31)分别与补偿控制阀(13)、旁通阀(16)、失电保护阀(19)、变频电动机(11)的控制信号接口电连接，并与外缸有杆腔压力传感器(14)、内缸无杆腔压力传感器(15)以及固连在平台上的加速度传感器(8)的电信号连接。
2.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，补偿液 压缸(2)采用复合结构，气液转换器(20)通过外缸无杆腔承受天车(5)上的静载荷，液压 泵(10)经补偿控制阀(13)与内缸无杆腔或外缸有杆腔相通，克服运动补偿过程中的动载 荷。
3.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，复合式 补偿液压缸(2)的补偿缸外缸为活塞缸，内缸为柱塞缸，内缸柱塞面积与外缸有杆腔工作 面积之比为1 1。
4.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，死绳和 快绳通过由摇臂(4)和滑轮(6)组成的结构与天车(5)相连，保持天车(5)上下运动时死 绳点与绞车间钢丝绳长度不变，避免了钻机绞车的长时间工作和频繁换向。
5.根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，所述的 信号控制单元(31)是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机。
全文摘要
本发明公开了一种海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，是在天车升沉补偿装置中采用复合液压缸作为升沉补偿液压缸，将液压泵输出的高压液压油经补偿控制阀通向复合式补偿液压缸内缸的无杆腔和外缸的有杆腔，从而对外缸活塞杆提供一个可以控制的附加力，该力与补偿液压缸外缸无杆腔作用的液压力的合力向天车提供支撑力。根据平台升沉运动对该附加力的方向和大小进行控制，改善升沉补偿系统的补偿效果。控制单元根据检测得到的平台垂直方向的运动速度，向液压系统发出控制指令，驱动补偿液压缸的活塞推动天车运动，补偿平台的升沉运动，使天车、游车和大钩在允许的范围内相对于井底在垂直方向上处于静止状态。
文档编号F15B11/04GK101798909SQ201010140448
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月1日 优先权日2010年4月1日
发明者刘振东, 姜浩, 张彦廷, 武光斌 申请人:中国石油大学(华东)