升沉运动补偿系统的制作方法

本发明涉及升沉运动补偿领域。具体地，本发明涉及一种用于海上升降设备的升沉运动补偿系统。

背景技术：

升沉运动补偿用于提升和钻井活动中，其中船的升沉运动(主要由波浪引起)可能损害上述活动。

例如，当在从浮动钻机执行钻井操作时(其中钻柱由升降绞盘支撑)补偿钻机的升沉，以便减少钻头上的重量变化(在钻头上的向下的力)。

升沉补偿系统通常用于安装在船上的负载处理系统，例如缆绳悬挂的负载处理系统(例如起重机、钻塔、多用途塔架)，参见例如wo2007145503和wo2011034422。在缆绳悬挂负载处理系统中，负载通常悬挂在缆绳上，并且通常提供升降绞盘以放出或收回升降缆绳。

升沉补偿基本上需要通过调节升降绞盘的速度直接调节升降缆绳的放出或收回，或者通过伸出和缩回支撑结合升降缆绳的滑轮头的动力缸来间接调节升降缆绳的放出或收回。

在升沉补偿中，进一步区分主动系统和被动系统。

被动升沉补偿系统与主动升沉补偿系统的不同之处在于不消耗外部动力。被动系统通常包括经由一个或多个滑轮而与升降缆绳相连的动力缸。所述动力缸实施为弹簧，并因此跟随负载施加在升降缆绳上的力。

被动系统的主要优点是其它不需要外部能量。因此，被动升沉补偿系统具有低功率需求并且在停电期间保持运行，这使得它们成本低且具有故障保护。

对于主动升沉补偿，使用运动或位置参考单元的实时信号来确定负载相对于海床的位置。响应于该信号，主动升沉补偿系统将拉回或放出以将负载保持在恒定高度，例如，通过调节升降绞盘的速度或通过伸出和缩回经由滑轮头与升降缆绳联接的动力缸的活塞。主动系统的主要优点是它比被动系统更准确。

通常，升降设备设置有主动升沉补偿系统和被动升沉补偿系统。在将负载降落到海底或将负载从海底或从另一艘船抬起时使用主动系统。当负载附接到海底时或者当其被朝向海底降低或朝向海面提升时，则使用被动系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种改进的升沉运动补偿系统，特别是提供一种比现有技术的升沉补偿系统更精确的被动升沉补偿系统。

本发明提供一种根据权利要求1所述的升沉运动补偿系统，其用于海上升降设备。

一种用于海上升降设备的升沉运动补偿系统，其包括：

i.升沉补偿动力缸，其具有活塞，所述升沉补偿动力缸连接到气体缓冲器，以用于为升降设备提供被动升沉补偿；

ii.滑轮头，其包括一个或多个滑轮，以用于结合升降设备的升降缆绳，其中滑轮头由活塞支撑以沿着升沉补偿轨迹移动；

iii.滑轮头导轨，其平行于升沉补偿轨迹延伸；

其中，升沉运动补偿系统设置有升沉补偿调节系统，该升沉补偿调节系统包括：

i.调节绞盘，其具有相关联的调节缆绳；

ii.滑车，该滑车经由连接器装置联接到升沉补偿动力缸的活塞，优选地联接到由升沉补偿动力缸的活塞支撑的滑轮头，并经由调节缆绳联接到调节绞盘，

iii.滑车导轨，该滑车导轨平行于升沉补偿轨迹并邻近升沉补偿轨迹延伸；

iv.一个或多个滑轮，其位于调节导轨的端部，以用于沿着滑车导轨将调节缆绳引导成环，使得绞盘能够沿着升沉补偿轨迹在相对的方向上拉动滑车，并从而拉动升沉补偿动力缸的活塞，以及

v.控制装置，该控制装置控制调节绞盘的速度。

本发明通过使用调节绞盘来调节升沉补偿动力缸的活塞的移动，从而能够调节被动升沉补偿系统，所述调节绞盘通过由滑车导轨支撑的滑车连接到动力缸的活塞，所述导轨位于升沉补偿轨迹附近。因此，滑车可以紧邻活塞头定位，或者优选地靠近由活塞支撑的滑轮头。这种配置允许提供紧凑的调节系统，该调节系统能够在滑车与升沉补偿动力缸之间传递调节被动升沉补偿动力缸所需的较大的拉力。

因此，本发明提供了一种紧凑且有效的升沉补偿系统，其比已知的被动升沉补偿系统更精确，并且比已知的主动升沉补偿系统更节能。

采用在升沉补偿轨迹附近支撑的滑车，用于沿着升沉补偿轨迹拉动动力缸的活塞，从而允许紧凑的系统。因此，该系统需要较小的占地面积并且例如可以构建在多用途塔架的范围内。

通常已知使用一个或多个升沉补偿动力缸与气体缓冲器结合以提供被动升沉补偿。根据本发明的调节系统可以与现有技术和已经安装的被动升沉补偿动力缸结合，以提供根据本发明的升沉运动补偿系统。因此，本发明可以作为现有升沉补偿升降设备的改型来提供。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，被动升沉补偿动力缸的活塞具有至少12m的行程，优选地至少14m，例如具有大约15m的行程。在实施方案中，升沉补偿轨迹的长度与活塞的行程基本相同。然而，滑车导轨可以延伸超过被动升沉补偿动力缸行程的长度。

在一个优选实施方案中，每个升沉补偿动力缸的辘绳数量是两个，即安装在活塞上的滑轮头包括单独一个滑轮。

滑车(即有轨车辆)支撑在与滑轮头的升沉补偿轨迹相邻的导轨上。滑车导轨可移动地支撑滑车，使得滑车可以沿着升沉补偿轨迹移动，同时防止在垂直于滑车导轨的方向上的移动。因此，滑车导轨的主要目的是使滑车保持在滑轮头附近，优选地处于恒定的相对位置，而滑轮头和滑车沿着升沉补偿轨迹行进。

在升沉补偿系统中，通常使用滑轮头将动力缸连接到升降缆绳，即连接到钻井绞车的缆绳穿绕部。在与滑轮头的升沉补偿轨迹相邻(并且因此与活塞的外端相邻)的导轨上使用滑车，用于沿着升沉补偿轨迹拉动动力缸的活塞，允许将调节系统与现有技术的升沉补偿系统集成。

滑车导轨包括一个或多个轨道，优选地两个轨道，用于引导滑车、有轨车辆。优选地，滑车和滑车导轨配置成使得它们可以支撑由升沉补偿动力缸与滑车之间的相互作用和/或滑车与调节绞盘之间的相互作用所引起的力矩。特别是当调节绞盘沿着滑车导轨拉动滑车的缆绳位于由滑车导轨的轨道限定的平面之外时的情况和/或当升沉补偿动力缸的中心轴线位于由滑车导轨的轨道限定的平面之外时的情况。

在一个实施方案中，滑车集成在被动升沉补偿动力缸中。例如，调节绞盘的缆绳可以直接连接到滑轮头，该滑轮头实施为支撑在滑车导轨中的滑车。在一个替代实施方案中，滑车位于滑轮头与活塞之间，即一个中间体，其在一端处连接到滑轮头，而在相对的一端处连接到动力缸的活塞。在这样的实施方案中，滑车导轨还可以用作用于引导滑轮块的导轨。可替代地，滑轮头由包括两个轨道的导轨引导，滑车导轨由包括两个轨道的导轨引导，滑轮头导轨和滑车导轨均限定平面，这些平面彼此垂直地延伸。

在一个实施方案中，所述滑轮头导轨和所述滑车导轨均限定平面，这些平面彼此垂直地延伸。

在优选的实施方案中，所述滑轮头导轨和所述滑车导轨均限定平面，这些平面彼此平行地延伸。优选地，在这样的实施方案中，滑车位于滑轮头附近，并且与滑轮头连接。

还应注意，调节缆绳的沿着升沉补偿轨迹延伸以沿着所述轨迹拉动滑车的部分优选地位于由滑车导轨限定的平面内。因此，拉动滑车的调节缆绳不会在所述滑车上引入枢转力矩。

升沉补偿轨迹是在升沉补偿期间滑轮头以及因此动力缸的活塞的头部移动所沿着的轨迹。导轨的长度由活塞的长度限定，更具体地由活塞的行程限定。

调节系统的控制装置控制调节绞盘的速度，从而控制升沉补偿动力缸的移动。特别地，控制装置配置成调节动力缸移动的位置和/或速度，从而改善由动力缸提供的升沉补偿。控制装置可以是计算机或类似的电子装置，优选地连接到传感器，以用于收集与确定所需调节有关的实时数据，例如升沉补偿动力缸的活塞的位置、船的升沉、升降缆绳的张力、由升降设备支撑的负载相对于船的位置等。

通常，被动升沉运动补偿系统中的动力缸用作弹簧，因此通过例如升沉来跟随在升降缆绳中产生的力。这与滑轮和动力缸的移动产生的摩擦相结合，使得由动力缸提供的升沉补偿与实际的升沉运动不同步。调节系统可用于补偿，即改善由动力缸提供的升沉补偿。例如，通过在动力缸上提供拉力，可以减小或甚至校正动力缸的移动延迟和/或动力缸的幅度的不足。

此外，通过引入根据本发明的调节系统，另外或作为替代，除了升降缆绳中的张力之外的数据还可用于控制动力缸的位置，从而提供升沉补偿。例如，当升降设备支撑钻柱时，可以使用钻井过程的参数来微调由升沉补偿动力缸提供的升沉补偿。

调节系统移动，尤其通过绞盘和滑车主动地调节被动动力缸的移动速度和/或位置。调节绞盘由控制装置控制，并且主动地移动升沉补偿动力缸，尤其是带有滑轮头的动力缸盖上下移动。

通过一个或多个调节被动升沉补偿动力缸，大部分负载(例如约90％)与一定体积的气体平衡，而只有一小部分负载由调节绞盘平衡。因此，与主动升沉补偿系统(例如使用升降绞盘提供升沉运动补偿的系统)相比功耗较低。

在实际的实施方案中，与升降绞盘相比，调节绞盘小且灵活，例如更灵敏。较小的绞盘需要较少的动力来运行，并且由于电动机的更小惯性而允许更精确的补偿。另一个好处是，与采用升降绞盘提供升沉补偿的主动绞盘系统相比，缆绳的磨损更少(例如没有滚筒损坏)。

在一个实施方案中，根据本发明的调节升沉运动补偿系统与升降设备的升降绞盘结合，升降绞盘配置为用于提供主动升沉补偿。因此，作为调节升沉补偿的替代或结合，可以通过使用适当实施的升降绞盘来提供主动升沉补偿。在这样的实施方案中，优选地，调节系统的控制装置配置为至少关于设置有升降绞盘的升沉运动补偿来控制调节绞盘和升降绞盘两者。

这里主张，提供具有调节系统的被动升沉补偿允许使用升沉补偿动力缸来改善升沉补偿，并因此允许减少作为主动升沉补偿系统的升降绞盘的需要。

控制装置可以是计算机或类似的电子设备，配置为预测和/或收集升沉信息，更具体地检测和/或预测升沉补偿的量和/或需要调节的升沉补偿。所述控制系统优选地连接到传感器，以用于收集实时数据并使用该信息自动控制绞盘，从而自动控制升沉补偿动力缸的移动，尤其是控制升沉补偿动力缸的活塞的移动。

调整系统的控制装置优选地配置为使用实时数据，例如关于以下中的一个或多个数据：

-升沉补偿动力缸的活塞相对于支撑升降设备的船的位置数据；和/或

-由升降设备支撑的负载相对于海底和/或相对于另一艘船的位置数据，和/或相对于支撑升降设备的船的位置数据；和/或

-钻井参数的数据，例如钻井泥浆中钻头重量变化和/或压力变化和/或钻柱中扭矩和/或扭力变化；和/或

-升降设备的升降缆绳和/或调节缆绳中的张力的数据；

-由调节绞盘和/或升降设备的升降绞盘输送的扭矩的数据。

优选地，连接装置在与动力缸的中心轴线成直线(即与动力缸的工作线成直线)的位置处结合动力缸或结合安装在动力缸上的滑轮头，从而通过滑车对所述动力缸进行拉动和推动不会在动力缸的活塞中引入弯曲力。

此外，滑车与动力缸的活塞(优选地安装在动力缸的活塞上的滑轮头)之间的连接，优选地允许滑车相对于滑轮头或动力缸的一些移动，至少达到这样的程度：在滑车相对于动力缸和/或安装在动力缸上的滑轮头枢转的情况下，该连接不传递扭矩。

在一个实施方案中，连接器装置以链或绳的形式设置，以双配置方式设置，使得滑车可以沿着升沉补偿轨迹沿相对的方向上拉动动力缸，或者连接器装置以铰链的形式设置，例如，球窝接头。

在优选实施方案中，连接器装置构造为销，销具有中心轴线，该中心轴线与升沉补偿动力缸的工作线(即中心轴线)相交；并且其中连接器销具有连接器端，该连接器端容纳在升沉补偿动力缸的开口中，优选地容纳在滑轮头中的开口中，该开口位于升沉补偿动力缸的工作线上，即该开口具有穿过动力缸的工作线的中心轴线。因此，通过滑车拉动和推动所述动力缸不会在动力缸的活塞中引入弯曲力。

在根据本发明的另一个实施方案中，所述销和所述开口成形为使得所述连接器销能够在所述开口中枢转和/或滑动，从而使得该连接允许所述滑车相对于动力缸盖的可枢转移动。通过允许滑车(更具体地是安装在滑车上的连接器装置)相对于接收该滑车的开口枢转，扭矩不会通过连接传递。通过允许连接器装置在开口中滑动，连接可以适应滑车相对于动力缸的工作线的移动，例如由于滑车导轨相对于动力缸的中心轴线(并因此相对于升沉补偿轨迹)以微小角度延伸。

在一个实施方案中，安装连接器销的开口具有凸形侧壁，所述凸形侧壁的顶点位于动力缸的中心轴线处，使得销可以在被接收在所述开口中的同时枢转。此外，这种连接允许销沿开口的轴向方向滑动。因此，开口允许枢转移动以及滑车相对于动力缸的工作线的平移移动。

在优选实施方案中，销被接收在设置于滑轮头中的开口中。滑轮头通常由导轨支撑，即具有沿升沉补偿轨迹延伸的轨道，以支撑动力缸抵抗侧向移动，所述侧向移动例如由船的侧倾和俯仰引起。由于这种支撑，滑轮头提供了用于接收连接器装置的稳定平台。

在替代实施方案中，接收开口可以是液压缸的活塞的顶端的一部分，或者设置在连接活塞和滑轮头的部件中。

在一个实施方案中，滑车在间隔开的位置处(优选地两个位置，在连接器装置的每侧上各一个位置)连接到滑车导轨的轨道，使得导轨可以支撑围绕垂直于动力缸的工作轴线延伸的力矩轴线而作用在滑车上的力矩。

在一个实施方案中，滑车导轨包括两个平行轨道，使得导轨可以支撑围绕平行于动力缸的工作轴线延伸的力矩轴线而作用在滑车上的力矩。

在另外的优选实施方案中，滑车由两个轨道支撑，并且在四个位置处连接到所述轨道，每个轨道具有两个间隔开的位置，这些位置对应于滑车的四个角，更具体地，对应于滑车框架的四个角。

在一个实施方案中，每个单个轨道主体提供滑车导轨的一部分和滑轮头导轨的一部分。因此，轨道支撑滑轮头和滑车两者，例如滑车导轨和用于支撑滑轮头的导轨位于所述轨道的相对的两侧上，使得轨道在一侧由安装在滑轮头上的轮子结合，而在相对的侧由安装在滑车上的轮子结合，在替代性的实施方案中，滑轮头支撑在滑车轨道上，所述滑车支撑在同一导轨上但位于滑轮头上方或下方。因此，可以使用单独一个轨道来为滑轮头和滑车提供支撑，这进一步有助于使滑轮头与滑车对齐，即，当滑轮头和滑车沿着升沉补偿轨迹移动时保持滑轮头和滑车处于恒定的相对位置。

在一个实施方案中，滑车导轨位于动力缸上方，即当所述活塞处于伸出位置时，位于动力缸的活塞旁边。由于升沉补偿动力缸的活塞通常具有比缸体更小的横截面，所以将滑车导轨定位在活塞旁边允许定位滑车，并且拉动滑车的调节缆绳靠近升降补偿动力缸的中心轴线，因此，减小了由滑车沿着升沉补偿轨迹拉动活塞所产生的任何扭矩或力矩。

在一个实施方案中，单独一个轨道主体提供滑车导轨的一部分和滑轮头导轨的一部分。

在一个实施方案中，调节绞盘安装在滑车导轨的远端，优选地安装在滑车导轨的顶端，即当动力缸处于伸出位置时位于滑轮头上方。因此，调节绞盘可以靠近动力缸的中心轴线定位，这允许紧凑的构造，特别是当升沉补偿系统安装有钻井井架、多用途塔架或类似结构的范围时，这是有利的。

优选地，控制装置配置成在主动模式与被动模式之间切换调节系统，在主动模式下调节绞盘沿着升沉补偿轨迹拉动滑车以使升沉补偿动力缸的活塞加速或减速，在被动模式下动力缸可以基本不被调节地移动。

在一个实施方案中，通过使用驱动装置沿着升沉补偿轨迹拉动平行于活塞的滑车，即不拉动或推动动力缸，来实现调节的被动升沉补偿与常规的或未调节的被动升沉补偿之间的切换。在另一个实施方案中，调节绞盘配置为在自由运行模式下由滑车拉动以允许动力缸提供常规的被动升沉补偿，绞盘优选地与其驱动装置断开。在又一个实施方案中，设想滑车可以与动力缸断开连接并重新连接，以在调节模式和非调节模式之间切换。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的实施方案中，所述调节绞盘经由离合器与驱动装置连接，该离合器配置为提供自由运行模式，在该自由运行模式下驱动装置与绞盘断开，使得能够通过动力缸沿着升沉补偿轨迹拉动滑车。在这样的实施方案中，系统允许升沉补偿提供被动升沉补偿(即自由运行模式)的状态，并允许滑车可以提供调节动力缸的移动的状态，即当离合器连接具有驱动装置的调节绞盘时。

此外，或作为上述离合器的替代，将滑车与动力缸的活塞(优选地与安装在动力缸的活塞上的滑轮头)连接的连接器装置构造成联接和断开联接，从而允许滑车与活塞或滑轮头连接或断开连接。连接器装置可以例如包括在滑车上的机械联接器或机电联接器，以用于结合位于活塞或滑轮头上的配合连接器部件。

在这样的实施方案中，升沉补偿系统可以在升沉补偿提供被动升沉补偿的状态(即滑车未断开连接)与滑车可以提供调节动力缸的移动的状态(即在滑车连接时)之间切换。

在根据本发明的另一优选实施方案中，升沉补偿系统配置为用于通过使用被动升沉补偿器产生能量，同时提供被动升沉，以优选地经由调节绞盘来驱动发电机。因此，由升沉补偿动力缸产生的能量可以存储，或者可以用于船上的其他设备。在优选实施方案中，能量用于驱动升降绞盘，更具体地用于提供具有主动升沉补偿的升降绞盘。

在根据本发明的另一优选实施方案中，升沉补偿系统进一步包括能量存储装置，例如超级电容器，以用于存储当调节绞盘处于自由运行状态时由调节绞盘产生的能量，例如电能。因此，由升沉补偿动力缸产生的能量可以存储，或者可以用于船上的其他部件。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，升沉补偿系统在升降系统的截止端结合在收帆中。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，所述升沉补偿系统包括两个或更多个升沉补偿动力缸，所述升沉补偿动力缸连接到气体缓冲器，以用于为升降设备提供被动升沉补偿，并且其中所述两个或更多个升沉补偿动力缸中的至少一个设置有根据前述权利要求中的一项或多项所述的升沉补偿调节系统。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，升沉补偿动力缸提供至少75％的升沉补偿，例如大约80％的升沉补偿，调节系统提供至多25％的升沉补偿，例如分别约为20％的升沉补偿。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，控制装置配置成在钻井期间基于钻井信息(例如钻头重量信息或使用由运动参考单元(mru)提供的数据)来控制调节绞盘。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，控制装置配置成在负载朝向海底降低或朝向海面升高时减小用作弹簧的升降缆绳的影响。因此，升降绞盘的速度不需要或仅仅在减小的程度上需要由控制装置调整以补偿升沉运动。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，所述升沉补偿系统包括控制装置，所述控制装置优选地是还控制所述调节绞盘的控制装置，所述控制装置适于控制海上升降设备的所述调节绞盘的速度以通过调节升降绞盘的速度来提供主动升沉补偿。因此，升降绞盘可以与调节被动升沉补偿系统结合提供升沉补偿，从而允许绞盘仅提供升沉补偿的一部分，例如40％的升沉补偿。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，升沉补偿系统进一步包括用于检测和/或预测升沉和/或检测和/或预测负载位置(例如钻柱相对于海底的位置)的电子系统，并且配置成在提供升沉补偿时使用该信息，即通过控制升降绞盘的速度来调节被动升沉补偿动力缸和/或提供主动升沉补偿。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，升沉补偿系统进一步包括：

i.第二升沉补偿动力缸，其具有活塞，所述第二动力缸连接到气体缓冲器，以用于为升降设备提供被动升沉补偿；

ii.第二滑轮头，其包括一个或多个滑轮，以用于结合升降设备的升降缆绳，其中第二滑轮头由第二活塞支撑以沿着第二升沉补偿轨迹移动；

iii.第二滑轮头导轨，其平行于所述第二升沉补偿轨迹延伸；

其中升沉补偿调节系统还包括：

i第二调节绞盘，其具有相关联的第二调节缆绳；

ii第二滑车，该第二滑车经由第二连接器装置联接到第二升沉补偿动力缸的活塞，优选联接到由第二升沉补偿动力缸的活塞支撑的第二滑轮头，并经由与第二调节绞盘相关联的调节缆绳联接到第二调节绞盘，

iii.第二滑车导轨，该第二滑车导轨平行于第二升沉补偿轨迹并邻近第二升沉补偿轨迹延伸；

iv一个或多个滑轮，其位于第二调节导轨的端部，以用于沿着第二滑车导轨将调节缆绳引导成环，使得第二绞盘能够沿着第二升沉补偿轨迹在相对的方向上拉动第二滑车，从而拉动第二升沉补偿动力缸的活塞，以及

v控制装置，优选地是控制第一调节绞盘的速度的控制装置，该控制装置控制第二调节绞盘的速度。

因此，可以使用两个并联的动力缸来提供被动升沉补偿，这允许减小单个动力缸的长度。本发明还允许两个以上的被动升沉补偿动力缸，例如三个被动升沉补偿动力缸，其中一些或全部(例如三个被动升沉补偿动力缸中的两个)设置有用于在提供升沉补偿时调节速度和/或动力缸的活塞的位置的调节系统。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，所述控制装置适于在以下模式之间切换升沉补偿动力缸和/或第二升沉补偿动力缸：

升沉补偿模式，在该升沉补偿模式下各自的动力缸的活塞位于中间位置，以提供被动或调节的升沉补偿；和

过载保护模式，在该过载保护模式下各自的动力缸的活塞处于缩回位置，和/或

欠载保护模式，在该欠载保护模式下各自的动力缸的活塞处于伸出位置。

本发明还提供了一种浮船，其包括升降设备，该升降设备设有如本文所述的升沉运动补偿系统。该升降设备优选地包括：

-承载结构；

-升降绞盘；

-与升降绞盘相关联的升降缆绳；

-连接机构，其用于将物体可释放地连接到升降缆绳。

本发明还提供了一种用于从浮船进行海上钻井活动的方法，其中使用了根据本发明的升降设备和升沉补偿系统。在实施方案中，旋转顶部驱动装置优选地悬挂在升降设备上，同时利用连接到所述旋转顶部驱动装置并由所述旋转顶部驱动装置驱动的钻柱来进行钻井。

在实施方案中，升沉补偿系统(更具体地，根据本发明的升沉补偿系统的一个或多个被动升沉补偿动力缸)可以安装成处于直立位置，例如位于钻井井架内或在专用的竖直壳体中以布置在钻塔附近。一个或多个动力缸也可以安装在替代位置上，例如安装在甲板下方的水平位置上，以便为位于甲板上的升降设备提供升沉补偿。

在根据本发明的升沉运动补偿系统的一个实施方案中，承载结构是钻井塔架，优选地是钻井井架，或j型铺设管铺设塔架，例如其中承载结构支撑旋转顶部驱动装置，以用于驱动钻柱。

在根据本发明的浮船的另一实施方案中，承载结构是钻塔，并且动力缸和滑车导轨设置在钻塔结构的外侧，例如设置在钻塔结构附近的专用的竖直壳体中。

在根据本发明的浮船的替代实施方案中，承载结构是塔架，例如多用途塔架，并且动力缸和滑车导轨设置在塔架的内部。

如本文所公开的系统还可以配置成与现有的被动升沉补偿系统结合，例如配置为安装在已经安装于钻塔或起重机上的一个或多个被动升沉补偿动力缸上。

本发明还涉及一种用于从浮船进行钻井过程的方法，该浮船包括如本文所述的升降设备和升沉运动补偿系统，其中该方法包括如下步骤：

-使用升降设备从浮船支撑钻柱；

-在钻井过程中，使用升沉补偿动力缸为支撑钻柱的升降设备提供被动升沉补偿；

-使用调节绞盘控制升沉补偿动力缸的移动，以及，优选地，

-收集钻井信息，例如“钻头的重量”，并使用该钻井信息自动控制调节绞盘，从而自动控制升沉补偿动力缸的移动。

本发明提供了一种在船上提供具有升沉补偿的升降设备的方法，该方法包括如下步骤：

使用升降设备支撑负载；

在升降过程中，使用升沉补偿动力缸为升降设备提供被动升沉补偿，该动力缸优选地具有至少7m的升沉补偿轨迹；

使用调节绞盘控制升沉补偿动力缸的活塞的移动，该调节绞盘经由滑车连接到升沉补偿动力缸，更具体地连接到升沉补偿动力缸的活塞和/或连接到安装在活塞上的滑轮头，以拉动活塞，从而补偿活塞移动的延迟和/或缺失，该延迟和/或缺失是由于例如升降设备和/或动力缸的滑轮和缆绳中的摩擦引起的；

优选地，预测和/或收集升沉信息并利用该信息，以自动控制绞盘，从而自动控制升沉补偿动力缸的移动，尤其是控制升沉补偿动力缸的活塞的移动。

在从属权利要求和说明书中公开了根据本发明的升沉补偿系统和根据本发明的方法的有利实施方案，其中在多个示例性实施方案的基础上进一步说明和阐明了本发明，其中一些显示在示意图中。

在附图中，各个图中对应的元件的附图标记的最后两位数彼此匹配。

附图说明

在附图中：

图1示出了具有升降设备的船的截面，升降设备包括根据本发明的升沉运动补偿系统的第一示例性实施方案；

图2以特写示出了图1的船的一部分；

图3示出了具有根据本发明的升沉运动补偿系统的第二示例性实施方案的钻井井架的截面的第一侧视图；

图4示出了图3的钻井井架的截面的第二侧视图；

图5示出了图3的升沉运动补偿系统的一部分；

图6示出了图3的升沉运动补偿系统的滑轮头和滑车的第一立体图；

图7示出了图3的升沉运动补偿系统的滑轮头和滑车的第二立体图；

图8示出了图3的升沉运动补偿系统的滑轮头和滑车的侧视图；

图9示出了图3的滑车和滑轮头的截面视图；

图10以特写示出了连接图3的滑车和滑轮头的连接器装置的一部分；

图11示出了根据本发明的升沉运动补偿系统的第三示例性实施方案的示意图；

图12示出了根据本发明的升降设备和升沉运动补偿系统的缆绳穿绕的示意图。

具体实施方式

图1示出了具有升降设备2的船1的截面，升降设备2包括根据本发明的升沉运动补偿系统3的第一示例性实施方案；图2以特写示出了图1的船的一部分。

所描绘的升沉运动补偿系统3是用于海上升降设备的调节升沉运动补偿系统。所示的示例性实施方案安装在浮船1上，这里位于钻井井架4形式的承载结构内。

升沉补偿系统3与升降设备2结合，升降设备2包括升降绞盘24、与升降绞盘24相关联的升降缆绳15以及用于将物体可释放地连接到升降缆绳15的连接器装置25。在所示的实施方案中，连接器装置25设置在升降滑车5上，支撑升降滑车5沿着钻井井架4的外侧沿导轨竖直移动。此外，在所示的实施方案中，升降设备2支撑顶部驱动装置6和钻柱7。钻柱7经由船井8穿过船1的船体进入海中。

升沉补偿系统3与升降缆绳15相关联，以用于抑制浮船1的运动(其由于波浪的起伏和拍打所引起)在由升降缆绳15支撑的物体(在该实施方案中为所示的钻柱7)上的影响。

升沉补偿系统3包括升沉补偿动力缸9、滑轮头10和滑轮头导轨11。这种构造在现有技术中是已知的。

升沉补偿动力缸9具有活塞12。如从现有技术中已知的那样，动力缸9连接到气体缓冲器13，例如氮气缓冲器，用于为升降设备24提供被动升沉补偿。被动升沉补偿系统通常使用介质分离器连接到气体缓冲器。这里主张这些类型的升沉补偿系统和在那里的布局通常从现有技术中已知，并且在此将不再详细讨论。

滑轮头10包括与升降设备2的升降缆绳15结合的滑轮14。滑轮头10由活塞12支撑，以沿着升沉补偿轨迹16(例如竖直向上和向下)移动。

这里，升沉补偿轨迹16在钻井井架4的上部延伸。

升沉补偿轨迹是在升沉补偿期间滑轮头10以及因此动力缸9的活塞12的头部所沿着其移动的轨迹。导轨的长度通常由活塞12的长度限定，更具体地由活塞的行程限定。

如图所示的滑轮头导轨11包括两个轨道，这里是竖直的，这里示出为一对连续线，并平行于升沉补偿轨迹延伸。利用已知的被动升沉补偿系统，通常设置滑轮头导轨以在滑轮头沿滑轮头轨迹移动时支撑滑轮头。滑轮头导轨的支撑尤其防止了滑轮头以及因此升沉补偿动力缸的活塞侧向地(即在垂直于动力缸的纵向轴线的方向上)移动、各自弯曲。

根据本发明，升沉补偿系统3是调节升沉补偿系统，即设置有升沉补偿调节系统17。在所示的示例性实施方案中，调节升沉补偿系统安装在钻井井架4中，调节系统17安装在升沉补偿系统的升沉补偿动力缸9附近。

调节系统17包括具有相关联的调节缆绳19的调节绞盘18、由滑车导轨21支撑的滑车20、滑轮22和控制装置23，所述滑车导轨21平行且邻近升沉补偿轨迹16延伸，所述控制装置23控制调节绞盘18的速度。

滑车20联接到升沉补偿动力缸9的活塞12，在所示的实施方案中连接到活塞的顶端，即通过连接器装置26形成活塞12与滑轮头10之间的连接部分，并且通过调节缆绳19联接到调节绞盘18。

在所示的特定实施方案中，连接器装置26实施为在滑车的相对两侧上的销-孔铰链连接，换句话说，滑车位于活塞的顶端与滑轮头的底侧之间。在滑车的顶侧，提供滑车与滑轮头之间的连接，并且在滑车的底侧提供滑车与活塞之间的连接。在所示的特定实施方案中，连接器装置因此被实施为两个铰接连接，使得其允许部件(即活塞、滑车和滑轮头)的一些相对移动。

本发明允许许多类型的连接器装置26，例如，用于螺栓连接，或用于固定连接，例如以焊接的形式。然而，在优选实施方案中，连接器装置允许滑车20相对于升沉补偿系统的活塞9和/或滑轮头10的一些相对移动，以这样的方式，使得仅仅与升沉补偿动力缸的中心轴线成直线的拉力在滑车20与滑轮头和/或动力缸之间传递，而没有在滑车与活塞和/或由滑车支撑的滑轮头之间传递的垂直于升沉补偿动力缸的中心轴线的力，该力将会使活塞弯曲。

根据本发明，调节系统17包括调节绞盘18以及一个或多个滑轮22，所述调节绞盘18具有相关联的调节缆绳19，所述一个或多个滑轮22沿着滑车导轨引导调节缆绳，使得调节绞盘通过调节缆绳而可以沿着滑车导轨21在相对的方向上拉动调节滑车20。

在所描绘的示例中，调节绞盘18位于滑车导轨21的端部，这里是顶端。绞盘18支撑调节缆绳的两端，使得缆绳形成环，例如，端部在相对的方向上穿绕共用滚筒。因此，当绞盘滚筒18顺时针旋转时，环形的缆绳19沿顺时针方向被拉动，并且滑车20沿着滑车导轨沿向下方向移动，并且当绞盘滚筒18逆时针旋转时，环形缆绳19沿逆时针方向被拉动，并且滑车20沿着滑车导轨向上移动。

在所示的实施方案中，调节系统包括一个滑轮22。滑轮22在此处位于滑车导轨21的底端，以用于沿着滑车导轨引导成环的调节缆绳19，使得调节绞盘18可以沿着升沉补偿轨迹在相对的方向上拉动连接到缆绳的滑车20，如上面已经阐述的那样。因此，绞盘18也可以沿着升沉补偿轨迹拉动连接到滑车的升沉补偿动力缸的活塞。

这里主张在所示的实施方案中，调节缆绳19以简单的方式成环，即从绞盘18绕过单个滑轮22并且返回到绞盘18。这里主张本发明允许更精细的构造，即，多个滑轮引导调节缆绳，滑轮构造成用于在调节缆绳中提供张力等，例如，在一个实施方案中，绞盘位于滑车导轨的中间位置处，并且在滑车导轨的每个端部处设置有滑轮以用于沿着滑车导轨引导成环的缆绳，滑轮中的至少一个可铰接地支撑和偏置，以使成环的缆绳以预定的最小张力保持。

在所示的实施方案中，滑车导轨和滑轮头导轨都包括两个轨道，示出为一对连续线路11、21，分别用于支撑滑轮头和滑车。在根据本发明的替代实施方案中，滑轮头和滑车支撑在同一导轨上，或者滑轮头导轨和滑车导轨部分地集成在一起。在后一实施方案中，提供例如双侧轨道，其在一侧形成用于滑车的引导，而在另一侧上用于滑轮头。

图1和图2中所示的根据本发明的调节升沉补偿系统3的示例性实施方案使得能够为升降设备2提供根据本发明的调节的升沉补偿。

根据本发明的调节系统能够通过使用调节绞盘18调节升沉补偿动力缸9的活塞12的移动来调节被动升沉补偿系统，所述调节绞盘18通过由滑车导轨21支撑的滑车20连接到活塞12。

滑车导轨21位于升沉补偿轨迹16附近，使得滑车可以紧邻活塞头(即活塞12的顶端)定位，并靠近由该活塞支撑的滑轮头10。这种构造提供了一种紧凑的调节系统，其能够在滑车与升沉补偿动力缸之间传递用于调节被动升沉补偿动力缸所需的较大拉力，而不会引入较大的力矩，即垂直于动力缸的中心轴线的方向上的力。

使用升降设备2支撑负载，在所示实施方案中所述负载由钻柱7形成。在升降过程中，使用升沉补偿动力缸9可以为升降设备2提供被动升沉补偿。此外，根据本发明，可以通过使用调节绞盘18来控制升沉补偿动力缸9的活塞12的移动。在所示的实施方案中，调节绞盘18经由调节滑车20连接到升沉补偿动力缸9，更具体地，连接到升沉补偿动力缸9的活塞12，并且连接到安装在活塞12上的滑轮头10，以拉动活塞12，从而补偿活塞移动的延迟和/或缺失(这是由于例如升降设备和/或动力缸的滑轮和缆绳中的摩擦引起的)。

这里主张，调节的升沉补偿是通过调节绞盘18沿着滑车导轨21拉动滑车20产生的，调节绞盘18由控制装置23控制。控制装置23配置为预测和/或收集升沉信息，并使用该信息来自动控制调节绞盘18，从而自动控制升沉补偿动力缸的活塞的移动，更具体地，调节活塞的移动。

在图3至图9中示出了根据本发明的调节升沉补偿系统103的第二示例性实施方案。

所描绘的升沉运动补偿系统103是用于海上升降设备的调节升沉运动补偿系统。所示的示例性实施方案安装在浮船101上，这里是安装在承载结构(在此实施为起重机104)内。起重机与升降设备结合，升降设备包括升降绞盘、与升降绞盘相关联的升降缆绳以及用于将物体可释放地连接到升降缆绳的连接器装置。

为了清楚起见，在图中未完全示出升降设备，仅示出了升降缆绳115。但是，其在构造和布局上类似于图1中所示的升降设备。这里主张，这些类型的升降设备本身在现有技术中是公知的。

升降设备与升沉补偿系统103结合，该升沉补偿系统与升降设备的升降缆绳115相关联，以用于抑制船的运动(其由于波浪的起伏和拍打引起的)在由升降缆绳115支撑的物体上的影响。

升沉补偿系统103的布局和构造类似于图1至图2中所示的升沉补偿系统3，但是除了设置有第一调节系统117的第一升沉补偿动力缸109之外，升沉补偿系统还包括第二升沉补偿动力缸109’，所述第二升沉补偿动力缸109’设置有第二调节系统117’，第一调节系统和第二调节系统共用单独一个共用的控制装置23。

在图3至图5中，动力缸中的一个109’显示为处于缩回位置，动力缸中的一个(109)显示为处于伸出位置。

包括两个升沉补偿动力缸的升沉补偿系统103与升降设备结合。升沉补偿绞盘的滑轮结合与升降设备的升降绞盘相关联的升降缆绳115。

因此，调节升沉运动补偿系统103可以使用并联的两个动力缸109、109’或仅使用它们中的一个来提供被动升沉补偿。

在所示的特定实施方案中，升沉补偿系统103还允许使用一个动力缸来提供被动升沉补偿，即，调节绞盘处于自由运行模式，使得升沉补偿动力缸沿着升沉补偿轨迹拉动滑车，而另一个动力缸提供调节的升沉补偿，即，绞盘沿着升沉补偿轨迹拉动滑车，从而拉动动力缸的活塞。而且，两个动力缸109、109’可用于并联地提供调节的升沉补偿。

这里主张，优选地，控制装置23配置成在主动模式与被动模式之间切换调节系统，在主动模式下调节绞盘沿着升沉补偿轨迹拉动滑车以使升沉补偿动力缸的活塞加速或减速，而在被动模式下动力缸可以不被调节地移动。

在一个实施方案中，通过使用驱动装置沿着升沉补偿轨迹拉动平行于活塞的滑车，即不拉动或推动动力缸，从而实现调节的被动升沉补偿与常规的或未调节的被动升沉补偿之间的切换。在另一个实施方案中，调节绞盘配置为在自由运行模式下由滑车拉动从而允许动力缸提供常规的被动升沉补偿，绞盘优选地与其驱动装置断开。在又一个实施方案中，设想滑车可以与动力缸或滑轮头断开连接并重新连接，以在调节模式和非调节模式之间切换调节升沉补偿系统。

图5示出了图3的升沉运动补偿系统的一部分，即具有第一滑轮头110、第一滑车120和第一滑车导轨121的第一升沉补偿动力缸109和具有第二滑轮头110’、第二滑车120’和第二滑车导轨121’的第二升沉补偿动力缸109’。

在所示的优选实施方案中，每个滑车导轨位于动力缸上方，即当所述活塞处于伸出位置时，位于动力缸的活塞旁边。由于升沉补偿动力缸的活塞通常具有比缸体更小的横截面，所以将滑车导轨定位在活塞旁边允许定位滑车，并且拉动滑车的调节缆绳靠近升降补偿动力缸的中心轴线，因此，减小了由滑车沿着升沉补偿轨迹拉动活塞所产生的任何扭矩或力矩。

应注意，与图1中所示的升沉补偿系统相比，调节缆绳119、119”绕过多个滑轮122、122’被引导，这些滑轮位于滑车导轨121、121’的两端。

此外，第一调节绞盘118和第二调节绞盘118’分别设置在相应的滑车导轨121、121’的远端(即顶端)。因此，当动力缸处于其伸出位置时，每个调节绞盘位于滑轮头上方。因此，调节绞盘可以靠近动力缸的中心轴线定位，这允许紧凑的构造，当升沉补偿系统安装有钻井井架、多用途塔架或类似结构的限定时，这是特别有利的。

图6和图7示出了图3的升沉运动补偿系统103的滑轮头110和滑车120的立体图，而图8示出了图3的升沉运动补偿系统的滑轮头和滑车的正面立体图。

滑车120是有轨车辆，并且在所示的实施方案中是被支撑在与滑轮头110的升沉补偿轨迹116相邻的滑车导轨121上的。

滑车导轨121可移动地支撑滑车120，使得滑车可以沿着升沉补偿轨迹移动，同时防止在垂直于滑车导轨的方向上的移动。滑车导轨121的主要目的是使滑车120保持在滑轮头110附近，处于恒定的相对位置，而滑轮头110和滑车120沿着升沉补偿轨迹行进。

在所示的实施方案中，滑车导轨121包括引导滑车120的两个轨道。滑车和滑车导轨配置成使得它们可以支撑由升沉补偿动力缸与滑车之间的相互作用和/或滑车与调节绞盘之间的相互作用所引起的力矩。

滑车导轨111包括引导滑轮头110的两个轨道。这里，滑轮头110和滑车120都设置有与轨道结合的轮子。

在根据本发明的优选实施方案中，滑车导轨和滑轮头导轨各自包括轨道，该轨道是共用轮廓元件的成对部分。在所示的特定实施方案中，滑车导轨和滑轮头导轨包括轨道，该轨道是共用的u形轮廓元件的一部分。因此，提供了两个轨道主体，每个轨道主体具有两个凸缘，这两个凸缘限定了支撑滑车和滑轮头的导轨或轨道。

因此，每个单个轨道主体提供滑车导轨的一部分和滑轮头导轨的一部分。轨道主体支撑滑轮头和滑车两者。滑车导轨和用于支撑滑轮头的导轨位于所述轨道的相对的侧上，使得轨道在一侧由安装在滑轮头上的轮子结合，而在相对侧上由安装在滑车上的轮子结合。

在一个替代实施方案中，滑轮头支撑在滑车导轨上，滑车支撑在同一导轨上但位于滑轮头上方或下方。因此，可以使用单个轨道来为滑轮头和滑车两者提供支撑，这进一步有助于使滑轮头与滑车对齐，即，当滑轮头和滑车沿着升沉补偿轨迹移动时保持滑轮头和滑车处于恒定的相对位置。

在所示的优选实施方案中，滑轮头导轨和滑车导轨，更特别是滑轮头导轨的轨道和滑车导轨的轨道分别限定了一个平面，这些平面彼此平行地延伸。滑车120位于滑轮头110附近，并且通过连接器装置126与滑轮头连接，这在图9和图10中更详细地示出。

还应注意，在所示的优选实施方案中，调节缆绳119的沿着升沉补偿轨迹延伸的部段用于沿着所述轨迹拉动滑车20，该部段位于由滑车导轨限定的平面内。因此，拉动滑车120的调节缆绳119不会在所述滑车上引入枢转力矩。

图9示出了图3的滑车120和滑轮头110的截面示意图，图10以特写示出了连接图3的滑车120和滑轮头110的连接器装置126的一部分。

在所示的优选实施方案中，连接器装置126实施为销，该销容纳在设置在滑轮头中的接收开口中。销具有中心轴线，该中心线与工作线(升沉补偿动力缸的中心轴线)相交。此外，连接器销126具有连接器端部，该连接器端部容纳在升沉补偿动力缸中(在该实施方案中是在滑轮头中)的开口中，该开口位于升沉补偿动力缸的工作线上，即该开口具有穿过动力缸的工作线的中心轴线。因此，通过滑车拉动和推动动力缸不会在动力缸的活塞中引入弯曲力。

此外，在所示的实施方案中，销126和开口成形为使得连接器销126可以在开口中枢转和/或滑动，使得连接允许滑车相对于动力缸盖的可枢转移动。通过允许滑车120(更具体地是安装在滑车上的连接器装置126)相对于接收该滑车120的开口枢转，扭矩不会通过连接传递。通过允许连接器装置在开口中滑动，该连接可以适应滑车相对于动力缸的工作线的移动，例如由于滑车导轨相对于动力缸的中心轴线(并因此相对于升沉补偿轨迹)以微小角度延伸。

安装连接器销126的开口具有凸形侧壁，其顶点位于动力缸的中心轴线上。而且，销具有弯曲的端部。因此，销可以枢转，同时被接收在所述开口中。此外，该连接允许销沿开口的轴向方向滑动。因此，开口允许枢转移动以及滑车相对于动力缸的工作线的平移移动。

在替代实施方案中，接收开口可以是液压缸的活塞的顶端的一部分，或者设置在连接活塞和滑轮头的部件中。

在所示的优选实施方案中，滑车在间隔开的位置处(在特定实施方案中示出了两个位置，在连接器装置的每侧上各一个位置)连接到滑车导轨的轨道，使得导轨可以支撑围绕垂直于动力缸的工作轴线延伸的力矩轴线作用在滑车上的力矩。

此外，在所示的优选实施方案中，滑车120由两个轨道支撑，并且在四个位置处连接到所述轨道，每个轨道具有两个间隔开的位置，这些位置对应于滑车的四个角，更具体地，对应于滑车框架的四个角。

此外，在所示的优选实施方案中，滑车导轨121包括两个平行轨道，使得导轨可以支撑围绕平行于动力缸的工作轴线延伸的力矩轴线而作用在滑车上的力矩。

在所示的优选实施方案中，滑车框架是h形的，这允许相对较轻的框架并且以用于将框架连接到滑车导轨的四个位置处。

图11示出了根据本发明的升沉运动补偿系统的第三示例性实施方案的示意图，其类似于图3至图10中所示的调节升沉运动补偿系统，其中调节升沉运动补偿系统设置在钻塔外部。在图11中，动力缸以其缩回位置和伸出位置示出。所示的实施方案与图3至图10所示的实施方案的不同之处在于，调节绞盘位于升沉补偿轨迹的中间位置。

图12示出了根据本发明的升降设备和升沉运动补偿系统的缆绳穿绕的示意图。在此，上面讨论过的部件设置有相同的附图标记。

升降设备包括升降缆绳115，该升降缆绳115从升降绞盘130(例如浮动钻井船的主绞车绞盘)延伸到天车滑轮组113(例如，在钻塔或井架的顶部)，然后到达动滑轮114，动滑轮114具有多个滑轮以实现缆绳115的多辘绳布置。例如，动滑轮114支撑承载滑车或与承载滑车成一体，例如支撑顶部驱动装置，该顶部驱动装置适于将扭矩传递给钻柱。这里，优选地，缆绳115延续到终端150，如果需要，其可以在所述终端处包括另一个绞盘。

在缆绳115在天车滑轮组113与终端150之间的轨迹中，示意性地示出了升沉运动补偿系统的实施方案。

两个升沉补偿动力缸109、109’各自竖直布置，并且每个都具有活塞112、112’。例如，每个活塞112、112’的行程长度约为15米。通常，每个升沉补偿动力缸应连接到气体(例如氮气)缓冲器，例如经由本领域已知的介质分离器。

这里，每个活塞112、112’承载滑轮头，每个滑轮头带有两个滑轮。升降缆绳115穿绕过两个滑轮头，因此由两个动力缸109、109’进行升沉补偿。

如本文所述，对于每个滑轮头，存在未示出的滑轮头导轨，沿着该滑轮头导轨引导滑轮头。此外，对于每个滑轮头，存在调节绞盘118、118’、调节缆绳119、119’及滑车120、120’和滑车导轨(为清楚起见未示出)以及用于调节缆绳119、119’的滑轮的相关布置。

控制装置123连接到两个调节绞盘118、118’以控制其操作，如本文所述。例如，绞盘118、118’是操作装置，以在钻井操作期间调节升沉补偿，其中钻柱经由动滑轮114悬挂在缆绳115上。这例如允许在钻井期间增强对钻压的控制。

应当理解，在一些情况下，可以改变缆绳115在滑轮头上的穿绕，例如，仅经过每个头的一个滑轮，例如，考虑到天车滑轮组113与动滑轮114之间的缆绳穿绕的改变。