控制线缆卷绕系统的制作方法
本申请涉及用于接纳、存储和布置线缆(例如一条或多条电线)、软管、脐带连接件(例如液压线束、电线、线缆、软管和/或其组合)等的卷轴系统。
相关技术
海底防喷设备(bop)使用大型专用阀或类似的机械设备，通常以堆叠方式有余度地安装，以密封、控制和监测油气井。有余度的海底控制盒(pod)用于控制bop堆叠的阀门，其中一些工业上称为蓝盒和黄盒。bop堆叠的盒由具有各种体积外径的线缆、软管、脐带连接件等控制。用于将线缆、软管、脐带连接件等缠绕到线轴上、尤其是缠绕在离岸钻机的线轴上的卷绕系统采用机械驱动的线轴。
离岸钻机通常在bop设备的控制系统中使用多路线缆卷轴、热线软管卷轴、立管充注阀软管卷轴等。这些部件中的每一个都可以提供各种功能。在典型的钻机中，四个线轴可以为bop堆叠提供控制线缆。这些部件的功能可以如下：多路线缆卷轴组件可用于放出和收回可用于传输电信号的多路线缆，以实现控制海底蓝盒和黄盒的海底液压功能；热线软管卷轴组件可用于放出和收回软管，该软管提供从钻机甲板到海底盒的液压流体，以实现控制海底蓝盒和黄盒的海底液压功能；且立管注入阀软管卷轴组件可放出和收回软管，该软管响应于立管的内部和外部之间突然的压力差而打开以允许立管填充海水并因此平衡压差和防止立管失稳。
在操作中，线轴通常位于月池区域附近的钻井船上(即平台的地板或基底中的开口，用于提供下方的水的通路)，并且可根据钻机设计而处于不同的水平上。线缆或软管通常从线轴布置到高架滚轴类型的下转的一个滑轮或多个滑轮，以将线缆或软管引导到钻井船月池中的bop堆叠组件上的蓝盒和黄盒。
典型的系统为每个单独的卷轴组件使用手动、气动控制的机械控制系统，以将线缆或软管的海底端定位到盒。一旦线缆和软管与所述盒连接起来，开始进行布置bop堆叠的操作。典型长度为60至90英尺或更长(名义约18至28米)的钻杆和浮动立管连接在所述堆叠上。当60或90英尺(名义约18至28米)部分组装完成时，线缆和软管连接到位于立管上的夹具上。钻杆和立管部分组装时，卷轴不旋转。一旦组装完成，卷轴开始旋转，以布置线缆和软管，直到下一部分准备好进行连接。该操作一直持续到bop堆叠固定到海底表面上。控制台可以远离线轴，位于月池区，能清晰地看到所述布置。远程控制台上的操作者可以操作一个或多个卷轴组件，并且可以在操作期间进行必要的调整。
目前，用于控制卷轴组件操作的气动机械控制系统存在各种缺点。例如，卷轴组件和远程控制台的位置是有限制的，因为气动控制信号会受到性能下降的影响，比如随着卷轴和远程控制台之间距离的增加响应变慢。如另一个实例，机械推拉阀用于在本地控制器和远程控制台之间交替控制。使用这些阀门需要操作者手动启动每个卷轴组件的阀门，以对远程控制台提供对系统的完全控制。另外，现有的卷轴组件不能为操作者提供很多关于线缆/软管的实际情况的反馈，比如关于线缆/软管上的实际张力的精确信息或者已经布置了多少线缆/软管。因此，长期以来需要用于控制线缆线轴系统的改进系统和方法。
技术实现要素：
一方面，用于接收、收纳和布置线缆、软管、脐带连接件等的卷轴组件包括线轴组件，该线轴组件包括一框架和一安装在所述框架上的滚筒。所述滚筒可包括用于存储所述线缆、软管或脐带连接件的中心和端部凸缘。所述卷轴组件还包括空气马达和电动-气动驱动单元，所述电动-气动驱动单元包括多个气动阀、电动-气动阀或二者，所述空气马达可以通过电动-气动驱动单元连接至所述滚筒。所述卷轴组件还包括连接至所述电动-气动驱动单元的电子控制单元。所述电子控制单元可以接收用户输入，并且可以将电信号传递给电动-气动驱动单元，以使所述电动-气动驱动单元能控制所述马达或旋转所述滚筒。所述电子控制单元还可以接收输入，并且可以将电信号传递给所述电动-气动驱动单元，以使所述电动-气动驱动单元增大或减小与组件相关的气压。
另一方面，用于接收、收纳和布置线缆、软管、脐带连接件等的卷轴组件包括线轴组件，该线轴组件包括一框架和一安装在所述框架上的滚筒，所述滚筒可包括用于存储所述线缆、软管或脐带连接件的中心和端部凸缘。所述卷轴组件还包括空气马达和电动-气动驱动单元，所述电动-气动驱动单元包括多个气动阀、电动-气动阀或二者，所述空气马达可以通过电动-气动驱动单元连接至所述滚筒。卷轴组件还可包括耦合到所述电动-气动驱动单元的本地电子控制单元，且本地电子控制单元可以接收用户输入且可以将电信号传输到电动-气动驱动单元以使电动-气动驱动单元控制马达旋转所述滚筒。本地电子控制单元还可以接收输入且可以将电信号传输到电动-气动驱动单元以使电动-气动驱动单元增大或减小与所述组件相关联的气压。所述卷轴组件还可以包括耦合到电动-气动驱动单元的远程电子控制单元，且远程电子控制单元可以接收用户输入且可以将电信号传输到电动-气动驱动单元以使电动-气动驱动单元控制马达旋转所述滚筒。远程电子控制单元还可以接收输入且可以将电信号传输到电动-气动驱动单元以使电动-气动驱动单元增大或减小与所述组件相关联的气压。
又另一方面，一种用于布置防喷器(bop)堆叠的系统可以包括用于接收、收纳和布置线缆、软管、脐带连接件等的多个卷轴组件。每个卷轴组件可以包括线轴组件，该线轴组件包括一框架和安装在所述框架中的滚筒，且所述滚筒可以包括用于存储所述线缆、软管或脐带连接件的中心和端部凸缘。每个卷轴组件还可包括空气马达和电动-气动驱动单元，所述电动-气动驱动单元包括多个气动阀、电动-气动阀或二者，所述空气马达可以通过电动-气动驱动单元连接至所述滚筒。每个卷轴组件还可以包括耦接到电动-气动驱动单元的本地电子控制单元，且所述本地电子控制单元可以接收用户输入且可以将电信号传输到电动-气动驱动单元以使电动-气动驱动单元控制马达旋转滚筒。所述系统还可以包括耦合到多个卷轴组件中的每一个的电动-气动驱动单元的远程电子控制单元，且远程电子控制器可以提供用于控制多个卷轴组件中的每一个的用户接口控件，可以接收用于控制选定的卷轴组件的用户输入，并且作为响应，可以将电信号传输到所选择的卷轴组件的电动-气动驱动单元，以使所选卷轴组件的电动-气动驱动单元控制所选卷轴组件的马达以旋转所选卷轴组件的滚筒。
另一方面，卷轴组件可以包括本地电子控制单元和远程电子控制单元。在远程电子控制单元上选择的用户接口控件可以使本地电子控制单元显示表示从用户在远程电子控制单元用户接口控件的选择和当前操作模式中选择的至少一个的标记。
又另一方面，卷轴组件可以包括本地电子控制单元和远程电子控制单元。在本地电子控制单元上选择的用户接口控件可以使本地电子控制单元显示表示从用户在本地电子控制单元用户接口控件的选择和当前操作模式中选择的至少一个的标记。
在其它各个方面中，卷轴组件可以包括耦合到一个或多个传感器的滑轮，所述一个或多个传感器确定施加到滑轮的力、线缆、软管或布置的脐带连接件的长度，或二者。所述传感器可以是例如测压元件或位置传感器。滑轮可以耦接到卷轴组件的电子控制单元，且所述电子控制单元可以接收指示确定的力、线缆、软管或布置的脐带连接件的长度或者二者的信息。电子控制器还可以基于接收到的信息来显示线路张力值、布置的线缆值或二者。
本发明的其它系统、方法、特征和技术优点在对附图和详细描述进行研究后将会或将变得对本领域技术人员显而易见。所有这些附加的系统、方法、特征和技术优点旨在包括在本发明内容中并受到权利要求的保护。
附图说明
参照以下附图和描述可以更好地理解本发明。附图中的组件不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1示出了在钻机上具有电子控制系统的卷轴组件的示例性配置；
图2示出了图2的具有电子控制器/软管卷轴组件的示例性线缆/软管组件的透视图；
图3示出了图2的线缆/软管组件的正视图；
图4示出了图2的线缆卷轴组件的右视图；
图5示出了图2的线缆/软管卷轴组件的示例性本地控制面板；
图6示出了说明在线缆/软管线轴系统的电子控制系统中使用的示例性电动-气动驱动系统的操作的示意图；
图7示出了用于图1所示的线缆卷轴组件的配置的示例性远程控制面板；和
图8示出了与图2所示的线缆/软管卷轴组件一起使用的示例性的下转滑轮。
具体实施方式
图中所示的元件如以下详细解释地交互操作。但是，在阐述详细解释之前，需要注意的是，无论所描述的具体实施方式如何，以下所有讨论本质上都是示例性的，而不是限制性的。
参照图1，所示为线缆/软管卷轴组件10a-d的示例性配置。尽管术语“线缆(cable)”、“软管(hose)”、“脐带(umbilical)”和“线缆/软管”被用于描述在此描述的实施例的各个方面，但是本领域普通技术人员应当理解的是，这些实施例可以与线缆、软管、脐带连接件等结合使用，且使用这些术语本质上是示例性的而不是限制性的。如图所示，所述配置包括与相关联的下转滑轮500a-d一起操作的四个卷轴组件10a-d，以向bop堆叠提供各种线缆、软管等。每个卷轴组件10a-d可以包括电子本地控制单元300，且还可以连接到电子远程控制单元400。
线缆/软管组件10示于图2-6中，且可包括由经由电子控制单元300操作的电动-气动驱动系统200供电的线轴组件11。在一些实施例中，组件10可以包括多个电子控制单元300，诸如容纳在卷轴组件10上的一个或多个本地控制单元以及可与卷轴组件10物理分离的一个或多个远程控制单元。
卷轴组件10可以包括一框架12，该框架12经由滚筒支撑构件34可旋转地支撑线缆线轴60，线轴60具有中心或毂62和相对的端部凸缘63。将线缆、电线、软管等引导到卷轴上或引导下卷轴，以便借助于具有滑架65的导向装置或“匀整卷绕”组件64进行均匀卷绕，所述滑架65被安装用于当轴66旋转时通过从动件68穿过可反转的钻石凹槽轴66。在一些实施例中，“匀整卷绕”组件64可以像美国专利第7,210,647号和第8,061,644号中所述的那些中的一个或多个那样操作，这些专利中的每一个通过引用并入本文，如同在本文中完全重申一样。也可以使用其它“匀整卷绕”组件。
线轴60可具有在约30英寸(名义约75厘米)至约120英寸(名义约30厘米)或更大之间的直径，优选地在约48英寸(名义约120厘米)至约72英寸(名义约185厘米)之间，且可具有在约50英寸(名义约125厘米)至约150英寸之间的宽度，且优选地在约72英寸至约120英寸(名义约300厘米)之间。凸缘63可以具有在约48英寸(名义约120厘米)至约205英寸(名义约525厘米)之间的直径，优选地在约60(名义约150厘米)英寸至约180英寸(名义约460厘米)之间。线缆/软管的长度可以在约4,000英尺(名义约1,200米)至约20,000英尺(名义约6,100米)之间，优选地在约7,000英尺(名义约2,100米)至约15,0000英尺(名义约4,600米)之间，甚至更优选地在约11,000英尺(名义约3,300米)和至约13,000英尺(名义约4,000米)之间。示例性的线缆可以具有在约1/2英寸(名义约1.2厘米)至约2-1/2英寸(名义约6厘米)之间的直径，且通常大约在约1-1/4英寸(名义约3.5厘米)至约1-3/4(名义约4.5厘米)之间。示例性的软管可以具有在约1-1/2英寸(名义约3.8厘米)至约2-1/2英寸(名义约6厘米)之间的直径，且示例性的脐带连接件可以具有在约4英寸(名义约10厘米)和约8英寸(名义约20厘米)之间的直径。也可以使用其它尺寸。
框架12可以包括多个竖直端部框架构件14、水平端部框架构件16和横向构件18。框架12还可以包括多个拐角支架20，例如将竖直端部构件14连接到水平端部构件16或连接到横向构件18的支架20。
框架12还可以包括围绕框架12的周边的一个或多个中间水平支架22，优选地为多个支架22。水平支架22可以位于靠近线轴60的旋转中心/轴线的高度处，优选地略低于线轴60的中心。
电子控制系统300可以接收来自操作者的输入以控制卷轴11的操作的各个方面。在一些实施例中，电子控制系统300可以包括耦合到触摸屏的可编程逻辑控制器(plc)，所述触摸屏用于显示各种接口控件、接收用户输入和向操作者显示状态信息。可以对plc编程向电动-气动驱动单元200提供电信号以控制卷轴组件的操作，如下所述。可以使用其它电子输入设备，例如键盘、小键盘等。类似地，可以使用其它部件来处理所接收的输入，并向诸如独立计算机的电动-气动驱动单元200提供控制信号，和/或向操作者显示状态信息，例如显示器、led等。电子控制系统300可以是固定地和/或可移除地附接到框架12的本地控制系统。
参照图5，所示为示例性的本地控制单元300。在所示的实施例中，本地控制单元300包括用于显示各种接口控件302-330、通过接口控件302-330接收用户输入和向操作者显示状态信息的触摸屏设备301。例如，本地控制单元300可以显示线路张力值344和/或布置的线缆的长度346，其可以由传感器进行测量，诸如测压元件或位置传感器，安装在下转滑轮中，所述下转滑轮接收安装在卷轴组件11上的线缆，如下所述。本地控制单元300还可以显示指示选择的用户接口控件302-330的标记。例如，通过选择“reel-in(卷入)”控件302时，本地控制单元300可以修改“reel-in”控件302的颜色以指示用户的选择和/或指示卷轴正在卷绕线缆，如下所述。可选地或另外地，可以使用其它标记(例如添加显示项目、移除显示的项目等)来指示对特定控件302-330的选择。
在一些实施例中，本地控制单元300还可以包括气动压力计340和342，可以提供用于指示各种系统压力设置。例如，第一气动压力计340可指示正常操作模式下的气动压力，而第二气动压力计342可指示张力操作模式下的气动压力，如下所述。
在一个实施例中，卷轴组件11经由本地控制单元300的操作可以如下。为了卷起线缆，操作员可以选择“reelin”接口控件302，其启用相应的电磁阀80，这又使驱动马达100旋转。马达100可以通过选择“reelout(放卷)”接口控件304来反转，以反转线轴旋转以连续且均匀地输出线缆。通过选择“reelspeedincrease(卷绕速度增加)”接口控件306或“reelspeeddecrease(卷绕速度减小)”接口控件308来分别增大或减小线轴的转速，可以调节线轴旋转的速度。选择“reelstop(卷轴停止)”接口控件326可以使线轴的旋转停止。选择“emergencystop(紧急停止)”接口控件330可以切断整个电动-气动驱动系统200的电力，并且再次选择“emergencystop”接口控件可以重新启用电动-气动驱动系统200。可选地或附加地，可以提供一个或多个附加的控件来重新启用电动-气动驱动系统200。在一些实施例中，当“emergencystop”接口控件300被激活时，可以保存先前建立的设置，诸如用于“normal(正常)”操作模式和/或“tensioning(张紧)”操作模式的张紧设置。在其它实施例中，可以通过按下“emergencystop”接口控件330来重置一个或多个设置。
操作者可以通过选择“normalpressuremode(正常压力模式)”接口控件310或“pressuretensioningmode(压力张紧模式)”接口控件316来在“normal”操作模式和“tensioning”操作模式之间切换。操作者可以通过用于“normal”模式的接口控件312和314以及用于“tensioning”模式的接口控件318和320独立地增大或减小这些模式中的每一个的张力量。
例如，可以使用“normal”操作模式来在安装期间将线缆、软管或类似物卷绕到卷轴上。在“normal”操作模式下，可对该线路施加静态压力，例如在约10磅/平方英寸(psi)(名义约70千帕(kpa))至约145psi(名义约1000kpa)之间，优选地在约30psi(名义约200kpa)至约110psi(名义约760kpa)之间，更优选在约50psi(名义约340kpa)至约90psi(名义约620kpa)之间，且在一个实施例中为约70-80psi(名义在约480kpa至约550kpa之间)。可以选择压力以为卷轴组件10产生预定的线缆/软管线路张力。在“normal”操作模式中，选择“reelin”和/或“reel-out”控件302和304使组件10缠绕或放出线缆或软管。
在“tensioning”操作模式中，组件10可以在线缆/软管上保持基本恒定的张力，例如以防止因为钻井船随着波浪移动而运动使线缆/软管缠绕在月池区域中的任何结构上。在一个实施例中，操作员可以如下启用张紧操作模式。首先，操作员可以选择“reel-in”接口控件302，并且可以利用控件306和308来设置适当的速度。接下来，操作者选择“pressuretensioningmode”控件316并选择适当的压力，例如在约10psi(名义约70kpa)至约145psi(名义约1000kpa)之间，优选地在约15psi(名义约100kpa)至约75psi(名义约520kpa)之间，甚至更优选地在约25psi(名义约170kpa)至约50psi(名义约345kpa)之间，并且在一个实施例中为约30-40psi(名义约200-275kpa)。当防喷器堆叠布置(通过其自身的控制和/或重力)时，线路张力改变，例如，由于水的运动，防喷器堆叠和钻机的相对位置可能已经改变。作为响应，系统可以根据需要卷绕线缆/软管(因为卷轴被设置为“reel-in”)或者允许打滑(通过图6中所示的调节器72)以保持选定的张力。此外，因为操作员能够读取由下转滑轮(在下面图8中描述)上的传感器测量的线路张力344，操作者可能能够通过选择适当的控件318和320来调节张力来微调系统的运行。
在一些实施例中，选择用户接口控件302-330可以使一系列操作被执行。例如，选择“pressuretensioningmode”控件316可以选择要启用的“tensioning”模式，并且还可以使驱动马达100旋转以卷绕线缆或软管。其它操作组合也可以通过选择单个接口控件302-330来触发。
操作员可以通过选择“localreelcontrol(本地卷轴控制)”接口控制322或“remotereelcontrol(远程卷轴控制)”324来在本地控制单元300和远程控制单元400(参考下面图7所述)之间切换系统的控制。
再次参照图2-4，电动-气动驱动系统200可以从本地控制单元300(和/或下面描述的远程控制单元400)接收控制信号，并且作为响应，除了上述其它特征之外，可以为卷轴马达100供电将线缆缠绕在线轴60上并运行匀整卷绕64。
图6示出了电动-气动驱动系统200的一个实施例的示意图。在一个实施例中，该系统200包括气动空气源，其可以提供340标准体积(scfm)，高达约145psi(名义约1000kpa)，且典型地高达约120psi(名义约830kpa)。也可以使用其它体积流量和压力值。在所示的实施例中，空气源可以通过空气过滤器70、空气调节器72和空气润滑器74连接到电动-气动驱动单元200，其可以分别包括norgren型号f17-800a3da、r24-801-rgna和l17-800-mpda。控制面板75包括电磁阀80和84以及比例压力控制阀87、88和89。电磁阀80可以提供用于控制卷绕方向(即，“reelin”和“reelout”)，并且可以包括versa系列vgg-4304-316-xmfa。可以提供类似的电磁阀84用于选择系统压力，且操作模式可以包括versa系列vgg-4302-316-xmfa。比例压力控制阀87可以是norgenvp5010pk411h00型，可以供给用于速度调节的空气调节器94。空气过滤器70的输出口可以同一线路连接到电磁阀80和84以及比例压力控制阀87。
电磁阀84的输出口导喂输入比例压力阀88和89，从而允许操作者在“normal”压力模式和“tensioning”压力模式之间选择，如下面更详细的描述。这些阀88和89的输出为先导输入的函数的变量，并通过梭阀90输送到空气调节器72。比例压力阀88和89可以是norgrenvp5010k411h00型，而阀90可以是versasv-3-316型。
空气马达100接收来自空气阀101的空气供应，空气阀101又由空气继动阀94供应并具有来自电磁阀80的先导输入。作为空气马达100的组成部分的阀101具有两个输出端，每个输出端向空气马达100的一侧供给，以便在两个方向上驱动空气马达并从而驱动线轴。对于较大直径的阀101以及驱动线轴60的空气马达100，消音器可以是alliedwitan#0383007或#0383010类型。
空气马达100可以通过行星减速器130驱动线轴。行星减速器可以是brevini#pwd3200/sf/144/00/r33型。
用于马达100制动系统的盘式制动钳120可以通过梭阀92和快速排气阀124(其可以是versa#qe-3-316类型)与空气控制系统互连。制动钳120可以像典型的空气制动器那样配置，即通过弹簧压力(未示出)保持在施加的位置上，且气压用于从接合中释放制动器。在图示的实施例中，空气马达100是径向活塞马达，例如fennerspx#r33-x-xx-r1。
如示意性示出的，适当的球阀、针阀、排气消声器和压力计可以插入图6中的各种互连线路中。
再次参照图2-4，可以提供电接口350用于附接一个或多个远程控制单元400。在一个实施例中，电接口350可以是多引脚电连接器，例如安费诺工业
参照图7，示出了示例性的远程控制单元400。远程控制单元400可以与图5中所示的本地控制单元300基本相似。例如，本地控制单元300的用户接口控件302-330和/或显示控件344中的每一个可以在远程控制单元400上镜像(控件402-430)，并且可以如上所述用于本地控制单元300。远程控制单元400可以通过基本上与本地控制单元300的输出平行的电接口350与图6的电动-气动控制系统200连接。
在图示的实施例中，远程控制单元400可以包括用于耦合到远程控制单元400的每个卷轴组件10的单独面板460。在一些实施例中，可对面板460a-d进行颜色编码以指示其相应的卷轴组件10。可选地或另外地，可以使用其它标记(例如文本标签)来指示关联的卷轴组件10。
选择在本地控制单元300或者远程控制单元400上的接口控件可以产生指示在另一个控制单元300和400上选择的控制和/或当前选择的操作模式的标记。例如，选择卷轴组件10的本地控制单元300上的“reel-in”控件302可以产生指示卷轴正在卷绕线缆或软管的标记，就好像操作者已经选择远程控制台上的“reel-in”控件402。值得注意的是，操作者可以通过选择用于给定的卷轴组件10的“remotereelcontrol”接口控件402来将控制切换到远程控制单元400。作为响应，标记将显示在本地控制单元300上以指示远程控制单元400当前具有对卷轴组件10的控制。
参照图8，示出了用于具有一个或多个电子控制单元300和400的卷轴组件中的示例性下转滑轮500。滑轮500可以包括测压元件502或其它传感器，测量施加在滑轮500上的与线缆/软管张力相关联的力。可选地或附加地，滑轮500可以包括测量已经布置(即，送出到bop堆叠)的线缆/软管的长度的位置传感器504(诸如旋转编码器、簧片传感器等)。在一个实施例中，滑轮500可以将这些测量结果发送到电动-气动驱动器200，该电动-气动驱动器200又将该信息发送到本地控制单元300、远程控制单元400，或二者。可选地或附加地，滑轮500可以直接连接到本地控制单元300、远程控制单元400，或二者。在任一种情况下，从滑轮上的传感器502和504接收到的信息可以直接显示在控制单元300上，例如在接口控件344和346处，或者可以在数学上进行操作、重建等，以便显示在控制单元300上。
不同于纯粹的气动系统，其受到诸如长距离衰退等性能固有的限制，与本文所述的电动-气动驱动单元200配合使用的本地和远程电子控制单元300和400实际上消除了系统响应时间的任何损失，使得卷轴操作者能够从钻机上的任何位置控制系统10。可选地或附加地，本文描述的系统和方法还可以使得能够建立“钻机控制台”，其中bop堆叠布置可以通过一系列相机观察到，并且操作员可以经由远程电子控制单元400操控系统，并且甚至直接从远程站选择对特定卷轴组件10的控制。
尽管已经描述了本发明的各种实施例，但是，对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，更多的实施例和实施方式在本发明的范围内都是可能的。因此，本发明不受除了根据所附权利要求及其等同物之外的限制。
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