一种海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置的制作方法

1.本发明属于海洋石油钻井设备技术领域，涉及一种海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置。


背景技术：

2.按照海洋钻井井口装置的安装位置，可分为水面干式井口和水下湿式井口两种类型。干式井口安装在钻井平台上，通过隔水导管与海底泥线悬挂装置相连，防喷器位于隔水导管的顶端，其通常应用于自升式钻井平台或张力腿平台；湿式井口安装在海底，水下防喷器安装在井口头上，并利用隔水管串与平台上的分流器相连，其通常应用于浮式钻井平台或钻井船。考虑到深海油气开发的高额成本制约，比起浮式钻井平台或钻井船的高昂日费，更低成本的自升式钻井平台、张力腿平台在现今及今后相当长时间内将是海洋勘探和钻井的主要力量。现有技术的干式井口主要由防喷器和井口悬挂装置组成，通常安装在钻台面的下方。防喷器安装在隔水导管管串的最上端，用于保障钻井作业的安全。防喷器上部安装有上部短节，用于连接井口和分流。位于防喷器下部的隔水导管管串，由于其底部与海底泥线悬挂装置形成机械连接，隔水导管管串应始终处于受拉的状态才能保证其不受自重、海水浪涌、洋流和潮汐的影响而发生扭曲、挤毁和形变。
3.在实际的海洋钻井过程中，针对自升式钻井平台、张力腿平台设计隔水导管顶张力施加装置应考虑两个因素：1)由于平台本身通过永久或临时结构与海底形成刚性固定，平台不会产生大幅度运动，仅需考虑隔水导管在海水作用下的运动情况，对比浮式平台，自升式钻井平台、张力腿平台隔水导管顶张力装置在使用过程中不存在波浪补偿的情况，仅需要为隔水导管施加足够的顶部张力即可保持导管串处于静稳定状态，由于防喷器自身的巨大质量，该顶部张力还应克服防喷器的自重；2)自升式钻井平台、张力腿平台的隔水导管没有类似浮式钻井平台上的隔水管张紧环，顶张力的施加仅能通过安装在导管顶部的防喷器吊装卸扣实现；3)海底的多个井口并不是绝对平整，每个井位存在一定的高度差，此外还要适应不同作业水深的情况，而隔水导管的特定规格将导致防喷器的安装位置不是固定的。综上所述，海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置应具备张力大小可调、张力施加位置可调、结构紧凑、稳定可靠的基本要求，但是现有技术的相关防喷器张紧装置还存在很大的差距。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置，解决了现有技术中的自升式钻井平台、张力腿平台隔水导管系统动态稳定性差的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置，包括两个张紧液缸、链条和储能控制撬，每个张紧液缸通过链条与防喷器组吊挂连接，两个张紧液缸各自通过一个高压软管与储能控制撬高压出油口连通，两个张紧液缸还各自通过一个低压软管与储能控制撬低压回油口连通。
6.本发明的海洋钻井干式井口用防喷器张紧装置，其特征还在于：
7.所述的张紧液缸的结构是，在缸筒上部焊接有上部耳环，上部耳环与安装耳板铰接，安装耳板直接焊接固定在钻台面底部横梁上；在活塞杆的端头设置有下部耳环，下部耳环与吊装卸扣铰接，吊装卸扣再与链条勾挂连接；安装耳板的销孔内设置有关节轴承；每个张紧液缸还设置有一个液缸位移传感器。
8.所述的储能控制撬的结构是，包括主体框架，在主体框架的空间内设置有三组蓄能器和一个功能阀块，三组蓄能器的液端和气端各自并联，三组蓄能器的液端并联后与张紧液缸的有杆腔相连，三组蓄能器的气端并联后与外部充气口连通；在主体框架上安装有压力表组，该压力表组包括4只压力表；在主体框架上还设置有控制箱，控制箱上表面设置有控制面板。
9.所述的储能控制撬整体对外设有p油口、r油口、l油口和一个外部充气口，p油口为压力源接口；r油口为回油口；l油口为泄油口；外部充气口连通外部高压气源；
10.p油口对内连接至比例减压阀的1#油口，比例减压阀的3#油口与三位四通电磁换向阀的4#油口连通，三位四通电磁换向阀的6#油口与储能控制撬的b油口连通，三位四通电磁换向阀的7#油口与电磁插装阀的8#油口连通；蓄能器的三个液端11#、12#、13#油口及三个气端14#、15#、16#气口分别进行合流，蓄能器液端经过合流后一端与储能控制撬的a油口连通，另一端通过管线与电磁插装阀的9#油口相连；蓄能器气端合流后与外部充气口相连；溢流阀的17#油口与三只蓄能器液端的合流管线相连，溢流阀的18#油口与三位四通电磁换向阀的5#油口合流后与r油口连通；电磁插装阀的10#油口和比例减压阀的2#口合流后与l油口连通。
11.所述的控制面板包括得电指示灯、系统启停开关、急停开关、系统状态切换开关、压力/冲程调整开关、张力调整旋钮、液缸位移指示器；其中，系统启停开关用于整套张紧装置得电和掉电的控制，系统得电后，得电指示灯将变为绿色；急停开关用于在紧急情况下切断系统电源；系统状态切换开关用于控制电磁插装阀，压力/冲程调整开关用于控制三位四通电磁换向阀，张力调整旋钮用于控制比例减压阀实现系统最大张力的设定；液缸位移指示器为光柱式指示器。
12.本发明的有益效果是，采用创新性的结构设计和控制方法的开发，通过设计直接作用式液压油缸进行隔水导管顶张力的施加，独特的液压系统设计能够实现顶张力和施加位置的任意调节，满足自升式钻井平台、张力腿平台使用工况。包括以下几个方面：
13.1)可靠性优异。液缸直接通过链条连接至防喷器，张力的施加和调整均通过液压系统来实现。蓄能器组的引入使得少许泄漏并不对张力大小产生影响，在液压系统良好维护的前提下，系统可靠性优异。2)安全性高。液缸采用焊接的型式与平台结构进行连接，承载能力大幅提高；管路防爆阀的使用，避免了软管爆裂引起的张力丢失和液压伤害；液缸位置、系统压力的实时监测，可实现位置报警、压力丢失等失效情况的提醒。3)操作维护便利。通过链条将液缸和防喷器相连，连接处采用卸扣的型式，便于拆卸和位置调整；根据作业情况利用液压调整系统张力，无需通过泄放氮气即可实现张力的调整。4)系统集成度高。将储能装置、控制阀组、操作面板进行集成，有效降低了设备的占地面积，便于安装、运输和维护。
附图说明
14.图1是本发明装置的整体结构示意图；
15.图2a是本发明装置中张紧液缸的结构示意图；图2b是图2a的侧视截面示意图；
16.图3a是本发明装置中储能控制撬的结构示意图；图3b是图3a的侧视示意图；图3c是图3a的俯视示意图；
17.图4是本发明装置中的电液控制连接框图；
18.图5是本发明装置中的控制面板布局示意图。
19.图中，1.隔水导管串，2.防喷器组，3.链条，4.张紧液缸，5.高压软管，6.低压软管，7.导管短节，8.卡盘，9.储能控制撬，10.管路防爆阀，11.液缸位移传感器；
20.4.1.缸筒，4.2.活塞杆，4.3上部耳环，4.4.销轴，4.5.安装耳板，4.6.下部耳环，4.7.吊装卸扣，4.8.卸扣紧固件，4.9.关节轴承，4.10.筋板，4.11.防松螺钉；
21.9.1.蓄能器，9.2.压力表组，9.3.控制箱，9.4.主体框架，9.5.控制面板，9.6.功能阀块；
22.9.5.1.得电指示灯，9.5.2.系统启停开关，9.5.3.急停开关，9.5.4.系统状态切换开关，9.5.5.压力/冲程调整开关，9.5.6.张力调整旋钮，9.5.7.液缸位移指示器；
23.9.6.1.溢流阀，9.6.2.电磁插装阀，9.6.3.三位四通电磁换向阀，9.6.4.比例减压阀，9.6.5.单向阀。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
25.本发明的张紧装置主要配套安装在自升式钻井平台、张力腿平台的钻井甲板下部。
26.参照图1，本发明张紧装置的整体结构是，包括两个张紧液缸4、链条3和储能控制撬9，每个张紧液缸4通过链条3与防喷器组2吊挂连接，防喷器组2下部与隔水导管串1的顶部相连(图4中简写为“bop+隔水导管”)，防喷器组2上部与导管短节7相连，导管短节7上部与卡盘8驱动连接，两个张紧液缸4各自通过一个高压软管5与储能控制撬9高压出油口连通，两个张紧液缸4还各自通过一个低压软管6与储能控制撬9低压回油口连通，实现对两个张紧液缸4的同步液压控制；
27.每个张紧液缸4的内腔分为有杆腔和无杆腔，由于需要长时间承受拉伸载荷，张紧液缸4的有杆腔作为工作腔，正常工作时其内部压力较高；张紧液缸4的无杆腔作为非工作腔，正常工作时内部没有压力，在调整液缸冲程时仅有少许压力；考虑到不能破坏张紧装置的柔性，张紧液缸4的有杆腔连接有高压软管5，无杆腔连接有低压软管6，高压软管5和低压软管6各自经过合流后连接至储能控制撬9的对应油口；张紧液缸4采用杆腔朝下的方式安装，配合链条3的卸扣方式将防喷器组2和张紧液缸4连接，由此形成一整套柔性连接的防喷器张紧形式，由于导管短节7并不承担载荷，主要由两个张紧液缸4来承担防喷器组2的重量以及为隔水导管串1提供足够的顶部张力；由于链条3卸扣的作用，可任意调节链条3的自身长度，加上张紧液缸4的冲程可任意调节，能够适应更广泛的防喷器安装位置。
28.本发明张紧装置采用电液控制的方式实现张力和冲程的调节，张紧液缸4和储能控制撬9是电液控制的主要部件，储能控制撬9作为实现张紧功能控制的核心设备，采用钻
井平台上的液压源供液。储能控制撬9内部集成了蓄能器、控制阀、控制箱、操作面板等，能够实现本地控制。
29.参照图2a、图2b，张紧液缸4的结构是，在缸筒4.1上部焊接有上部耳环4.3，上部耳环4.3为双耳环结构，上部耳环4.3通过销轴4.4与安装耳板4.5铰接，安装耳板4.5直接焊接固定在钻台面底部横梁上；在活塞杆4.2的端头设置有下部耳环4.6，下部耳环4.6通过卸扣紧固件4.8(成套的螺栓螺母)与吊装卸扣4.7铰接，吊装卸扣4.7再与链条3勾挂连接；安装耳板4.5的销孔内设置有关节轴承4.9，关节轴承4.9与销轴4.4配合，能够实现张紧液缸4绕销轴4.4的轴向大角度及径向小角度偏转，增加了张紧液缸4的自由度，提高系统的可靠性；安装耳板4.5通过焊接方式与钻台面底部横梁固定连接，其两侧布置有筋板4.10，以便提高安装耳板4.5的结构强度和稳定性；在上部耳环4.3和销轴4.4之间安装有防松螺钉4.11，以避免销轴4.4脱出的事故发生；另外见图4，每个张紧液缸4还设置有一个液缸位移传感器11(图4中简写为lpt)。
30.参照图3a、图3b、图3c，储能控制撬9的结构是，包括主体框架9.4，主体框架9.4采用工字钢、方钢管和钢板等拼接而成，通过防腐处理以满足海洋环境，通过电缆、管线将相关部件可靠连接，形成一个高度集成的单元；在主体框架9.4的空间内设置有三组80l容积的蓄能器9.1和功能阀块9.6，三组蓄能器9.1的液端和气端各自并联，三组蓄能器9.1的液端并联后与张紧液缸4的有杆腔相连，三组蓄能器9.1的气端并联后与外部充气口连通；在主体框架9.4上安装有压力表组9.2，该压力表组9.2包括4只压力表，显示各自所属的压力数值；在主体框架9.4上还设置有控制箱9.3，控制箱9.3上表面设置有控制面板9.5，该控制面板9.5用于采集系统数据、执行操作人员的指令；
31.蓄能器9.1通过管线连接至张紧液缸4，蓄能器9.1通常采用多套并联的型式，其作用是使张紧装置保持恒定的张力，蓄能器9.1的总容积由张紧装置上下极限冲程对应的允许张力波动决定的，蓄能器9.1气端的预充压力p0由平台配置和作业情况决定；
32.功能阀块9.6中集成了溢流阀9.6.1、电磁插装阀9.6.2、三位四通电磁换向阀9.6.3、比例溢流阀9.6.4、单向阀9.6.5，减少了储能控制撬9内部管线，提高了系统的可靠性；
33.储能控制撬9利用钢结构的主体框架9.4，将储能元件、液压元件和电控元件进行了集成，仅需将平台液压源和电源连接至储能控制撬9即可完成装置外部接口的安装，储能控制撬9上还通过控制箱9.3、控制面板9.5和压力表组9.2，使得系统状态数据读取便捷、操作简单可靠。
34.参照图4，储能控制撬9整体对外设有p油口、r油口、l油口和一个外部充气口，p油口为压力源接口，负责为张紧装置提供液压动力；r油口为回油口；l油口为泄油口，直接与液压油箱连通；外部充气口连通外部高压气源；
35.电磁插装阀9.6.2用于实现张紧装置在正常工作模式或调整模式之间的切换，其内部由插装阀本体、电磁换向阀、梭阀等组成。当电磁插装阀9.6.2内部电磁铁得电时为调整模式，该调整模式下进行张紧装置的伸缩和张力调整等功能；当电磁插装阀9.6.2内部电磁铁掉电时为正常工作模式，张紧液缸4有杆腔压力和冲程将保持恒定；
36.外部液压源通过p油口进入比例溢流阀9.6.4后再流向其他元器件，改变进入比例溢流阀9.6.4的电流值，使得进入张紧装置的液压压力可调；在张力调整时，张紧液缸4有杆
腔的最大压力值p1应在蓄能器9.1预充压力p0和最大工作压力p2之间变化，通过比例溢流阀9.6.4实现张紧装置最大张力的设定；
37.三位四通电磁换向阀9.6.3用于实现系统张力和冲程的调节功能，1)当电磁插装阀9.6.2内部电磁铁得电时，控制三位四通电磁换向阀9.6.3的左位电磁铁得电，外部液压源将为张紧液缸4有杆腔供油，当张紧装置未承担负载时，张紧液缸4将缓慢回缩，无杆腔油液回油；当张紧装置已承载，且比例溢流阀9.6.4的输出压力大于蓄能器9.1液端压力，蓄能器9.1将持续加压，张紧装置张力升高；2)当电磁插装阀9.6.2内部电磁铁得电时，控制三位四通电磁换向阀9.6.3的右位电磁铁得电，外部液压源将为张紧液缸4无杆腔供油，当张紧装置未承担负载时，张紧液缸4将缓慢伸出，蓄能器9.1和有杆腔油液回油；当张紧装置已承载，应进行点动控制，缓慢降低蓄能器9.1内的压力，张紧装置张力降低；
38.溢流阀9.6.1用于防止系统超压，保护系统的安全；
39.张紧装置在正常工作时，由于海况突变引起隔水导管串1的姿态发生突然变化，导致张紧装置迅速向外拉伸引起张紧液缸4的“吸空”效应，位于回油油路上的单向阀9.6.5适当进行吸油可有效防止液缸“吸空”。
40.由于张紧液缸4在工作过程中持续受拉，其有杆腔长期存在高压液体，而有杆腔通过高压软管5与储能控制撬9中的蓄能器9.1液端相连，蓄能器9.1为张紧液缸4的有杆腔提供持续稳定的压力，当高压软管5中间任何一段出现破裂时，工作中的张紧装置将出现张力瞬间减半的情况，同时蓄能器9.1通过破裂的软管迅速排除液压油引起系统压力下降，整套张紧装置将无法为防喷器组2提供张力，从而导致防喷器组2下坠碰撞、隔水导管串1挤毁等事故发生。为此，本发明在防止软管破裂事故采取的措施为，在张紧液缸4的每个高压软管5两端各安装有一个管路防爆阀10(总共四个管路防爆阀10，见图4)，该管路防爆阀10为压力触发型，当高压软管5出现破裂导致油液快速通过管路防爆阀10时，检测到管路防爆阀10两端压差超过预设值后液压自动关断流体通道，张紧液缸4的有杆腔侧压力得到保持且蓄能器9.1侧油液不流出，进而实现对高压软管5破裂时的安全保护。
41.参照图4，储能控制撬9通过外部的平台液压源供液，高压油液进入p油口后，连接至比例减压阀9.6.4的1#油口，比例减压阀9.6.4的3#油口与三位四通电磁换向阀9.6.3的4#油口连通，三位四通电磁换向阀9.6.3的6#油口与储能控制撬9的b油口连通，三位四通电磁换向阀9.6.3的7#油口与电磁插装阀9.6.2的8#油口连通，通过控制三位四通电磁换向阀9.6.3左右电磁铁的通断，油液通过4#油口流向6#油口或7#油口；电磁插装阀9.6.2用于控制8#油口和9#油口的通断，从而实现掉电时油路关闭和得电时油路开启的功能。蓄能器9.1的三个液端11#、12#、13#油口及气端14#、15#、16#气口分别进行合流，蓄能器9.1液端经过合流后一端与储能控制撬9的a油口连通，另一端通过管线与电磁插装阀9.6.2的9#油口相连。蓄能器9.1气端合流后与外部充气口相连，便于对蓄能器进行充气操作。溢流阀9.6.1的17#油口与三只蓄能器9.1液端的合流管线相连，用于限制系统的最高压力，溢流阀9.6.1的18#油口与三位四通电磁换向阀9.6.3的5#油口合流后与r油口连通，实现回油；电磁插装阀9.6.2的10#油口和比例减压阀9.6.4的2#口合流后与l油口连通，实现泄油；另外，四个压力表s1、s2、s3、s4一起称为压力表组9.2，通过管线各自连接至对应的压力测量点，显示压力分别为：平台供液压力、减压阀出口压力、液缸内压力、蓄能器气端压力。
42.参照图5，控制面板9.5设置有相应的指示灯、旋钮、开关、光柱指示器，系统状态直
观，包括得电指示灯9.5.1、系统启停开关9.5.2、急停开关9.5.3、系统状态切换开关9.5.4、压力/冲程调整开关9.5.5、张力调整旋钮9.5.6、液缸位移指示器9.5.7；其中，系统启停开关9.5.2用于整套张紧装置得电和掉电的控制，系统得电后，得电指示灯9.5.1将变为绿色；急停开关9.5.3用于在紧急情况下切断系统电源，保障系统安全；系统状态切换开关9.5.4用于控制电磁插装阀9.6.2，压力/冲程调整开关9.5.5用于控制三位四通电磁换向阀9.6.3，张力调整旋钮9.5.6用于控制比例减压阀9.6.4以实现系统最大张力的设定；系统状态切换开关9.5.4、压力\冲程调整开关9.5.5和张力调整旋钮9.5.6分别对应功能阀块9.6中三处电磁铁的控制，采用点对点控制，可靠度高、维护简单；液缸位移指示器9.5.7为光柱式指示器，通过采集每个张紧液缸4(两个张紧液缸4在图5中分别简写为1#液缸、2#液缸)对应的液缸位移传感器11的信号，进行比例缩放后以光柱高度的形式指示每个张紧液缸4的冲程。