海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置的製作方法

2023-05-29 13:42:51

專利名稱：海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種海洋石油鑽井絞車升沉補償裝置，是ー種以電液控制技術為特徵的機電液聯合驅動裝置。
背景技術：
隨著陸上石油資源的日漸枯竭，淺海石油開發接近飽和，資源開發向深海進軍已成必然趨勢。因此，向海洋深水領域進軍，向深水技術挑戰，推動主要裝備國產化，提高我國海洋石油技術裝備水平，是實施走出去向深海要石油的物質技術基礎。在深水條件下工作，對鑽機各方面的要求更為苛刻，而升沉補償系統是保障深海浮式鑽井平臺正常作業以及提 高工作效率和質量必不可少的重要裝備之一，其綜合性能的好壞直接影響著海洋石油的開發成敗。按照海洋石油鑽井平臺升沉補償裝置的安裝位置主要分為天車補償、鋼絲繩補償、遊車和大鉤間的補償以及絞車補償。遊車和大鉤間的升沉補償裝置產品化較早，該補償方式的特點主要表現在補償過程鋼絲繩不產生頻繁的交變應力，對其壽命影響很小，系統重心相對較低，維護較方便；但液壓系統管線較複雜，軟管較多，井架工作高度浪費較大。天車升沉補償系統是繼遊車大鉤補償之後發展起來的，天車補償方案憑藉擺幅機構的作用，減少了鋼絲繩的折彎效應，鋼絲繩壽命所受影響較小；但設備重量大、重心高，使井架系統整體重量增加較多，維修和保養不方便。由於液壓系統相對緊湊，便於實現，因此得到了較好的推廣應用。鋼絲繩補償對原系統影響較小，容易實現，但對鋼絲繩壽命影響較大，且佔據較大的平臺空間。相對於其他補償方式，近年來開發的絞車補償裝置具有鑽井效率高、傳動簡單、設備重心低，系統結構緊湊，平臺載荷與佔用空間減少的特點，應用前景很好。目前國外已經開展了絞車補償裝置的研究，並有產品面世，其主要原理是在傳統鑽井絞車的基礎上通過增大電機功率來實現主動升沉補償功能，因此具有裝機功率高、控制精度較低、能耗巨大的問題。

發明內容
本發明的目的是要提供一種浮式海洋石油鑽井平臺的絞車升沉補償裝置，以滿足海上石油鑽井的性能要求，同時降低系統能耗、簡化鑽機結構、提高鑽井效率。為實現上述目的，本發明的總體構思是採用差動行星齒輪系作為升沉補償絞車的傳動機構，通過主動補償電機與被動補償液壓馬達驅動外齒圈進行升沉補償運動、送鑽電機驅動太陽輪進行自動送鑽運動，使得行星架與絞車滾筒輸出複合運動，實現了兩種運動的解耦控制與聯合運動；氣液轉換器通過被動補償液壓馬達承擔鑽柱的部分靜載荷；主動補償電機克服運動補償過程中的其餘載荷。
本發明採用的技術方案是在由電機、圓柱齒輪減速器、送鑽電機、擺線減速機、離合器、聯軸器、絞車軸、絞車滾筒、液壓盤剎、死繩拉カ傳感器所構成的常規鑽井絞車的基礎上加入升沉補償功能，將圓柱齒輪減速器替換為差動行星齒輪減速器，還增加了被動補償液壓馬達、高位油箱、液動切斷閥、失電保護閥、限速閥、氣液轉換器、工作氣瓶、電磁卸荷溢流閥、補油單向閥、加速度傳感器、旋轉編碼器和PLC控制單元。主動補償電機與被動補償液壓馬達通過離合器、聯軸器與差動行星減速器的外齒圈齒輪相連，沿外齒圈周向布置；送鑽電機經擺線減速機、聯軸器與差動 行星減速器的太陽輪相連。加速度傳感器與平臺固聯，壓カ傳感器安裝在鑽機死繩端，一個旋轉編碼器與主動補償電機軸相連、另ー個旋轉編碼器與絞車軸相連。液動切斷閥的A ロ與被動補償液壓馬達的高壓油腔相連，液動切斷閥的P ロ與失電保護閥的A ロ相連；失電保護閥的P ロ與高位油箱相連，失電保護閥的O ロ與氣液轉換器相連；氣液轉換器的氣腔與工作氣瓶相連；補油泵、補油單向閥和電磁卸荷溢流閥構成氣液轉換器的補油與安全迴路；油箱布置於被動補償液壓馬達上方，從而為液壓馬達低壓腔提供恆壓源；PLC控制單元分別與電機變頻驅動系統、失電保護閥、電磁卸荷溢流閥、補油泵和各個傳感器的控制信號接ロ電連接。絞車升沉補償裝置採用兩側對稱布置。本發明與現有技術相比，具有下列有益效果I.將鑽井絞車與升沉補償裝置功能集於一身，節省了一套專用的補償裝置，並具有響應快速、鑽井效率高、鑽井系統重心低、補償範圍不受液缸長度的限制、鋼絲繩壽命長、平臺載荷與佔用空間減少等諸多優勢。2.採用機電液聯合驅動的方式，氣液轉換器通過被動補償液壓馬達承擔鑽柱的部分靜載荷，降低了主動補償電機的能量輸出，並通過對升沉補償能量進行周期性的存儲與釋放，有效地控制了能量的消耗，降低了鑽井操作成本。3.採用差動行星齒輪系作為傳動機構，通過驅動外齒圈進行升沉補償運動、驅動太陽輪進行自動送鑽運動，使得行星架與絞車滾筒輸出複合運動，實現了兩種運動的解耦控制與聯合運動，提高了補償的控制精度。4.當突然失載時，遊動系統快速上行導致被動補償液壓馬達快速轉動，限速閥會限制流量低於某ー值從而限制馬達的轉動速度，同時低壓油腔的壓カ升高，從而推動液動切斷閥換向，切斷液氣轉換器與被動補償液壓馬達之間的壓力通道。通過雙重保護措施，避免由於失載而導致惡性事故發生。5.在液氣轉換器和被動液壓馬達之間安裝了失電保護閥，當系統由於某種原因失去電カ供應的時候，失電保護閥在彈簧的作用下復位，切斷高壓液氣轉換器和被動補償液壓馬達之間的油路，避免事故發生。6. PLC控制單元根據鑽井平臺上的加速度傳感器信號以及差動減速器外齒圈轉動信號，向主動補償電機的變頻控制系統發出指令，控制外齒圈帶動絞車滾筒正反轉，減小平臺升沉運動對大鉤的影響；根據死繩壓カ傳感器的壓カ信號與絞車軸的角位移信號，實時計算鑽壓，向送鑽電機的變頻控制系統發出指令，實現自動送鑽。


下面結合附圖和實施例來進ー步描述本發明。圖I是依據本發明所提出的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置的結構示意圖2是本發明所提出的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置的液壓系統原理圖。圖中，I一外齒圈動力輸入軸；2—被動補償液壓馬達；3—送鑽電機；4一擺線減速機；5—太陽輪動力輸入軸；6—主動補償電機及變頻驅動系統；7—離合器；8—差動行星減速器；9一外齒圈；10—行星架；11一液壓盤剎；12—絞車軸；13—絞車滾筒；14一聯軸器；15—液動切斷閥；16—失電保護閥；17—氣液轉換器；18—工作氣瓶；19_氣壓源；20_後備氣瓶；21_電磁卸荷溢流閥；22_補油單向閥；23_補油泵；24—高位油箱；25—平臺加速度傳感器；26—死繩壓カ傳感器；27—PLC控制單元；28_限速閥；29_主動補償電機軸旋轉編碼器；30-絞車軸旋轉編碼器。
具體實施例方式如圖1、2所示，海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置沿絞車滾筒13兩端對稱布置，主要包括被動補償液壓馬達2、主動補償電機6及其變頻驅動系統、差動行星減速器8、 送鑽電機3、絞車軸12及絞車滾筒13。安裝吋，主動補償電機6與被動補償液壓馬達2通 過離合器7、聯軸器14與差動行星減速器8的外齒圈小齒輪相連，沿外齒圈9周向布置；送鑽電機3經擺線減速機4、聯軸器14與差動減速器8的太陽輪動力輸入軸5相連；行星架10與絞車軸12通過鍵連接。加速度傳感器25與平臺固聯，壓カ傳感器26安裝在鑽機死繩端，旋轉編碼器29與主動補償電機軸相連、旋轉編碼器30與絞車軸相連。高位油箱24布置於被動補償液壓馬達上方；液動切斷閥15的A ロ與被動補償液壓馬達2的高壓油腔相連，液動切斷閥15的P ロ與失電保護閥16的A ロ相連；失電保護閥16的P ロ與高位油箱24相連，失電保護閥16的O ロ與氣液轉換器17相連；氣液轉換器17的氣腔與工作氣瓶18相連；補油泵23出口與補油單向閥22進ロ相連，補油單向閥22出口與氣液轉換器17相連，電磁卸荷溢流閥21兩端分別與高位油箱24、補油單向閥22出口相連，共同構成了氣液轉換器17的補油與安全迴路。PLC控制單元27分別與電機變頻驅動系統6、失電保護閥16、電磁卸荷溢流閥21、補油泵23、平臺加速度傳感器25、死繩壓カ傳感器26、主動補償電機軸旋轉編碼器29 ;絞車軸旋轉編碼器30的控制信號接ロ電連接。氣液轉換器17通過被動補償液壓馬達2承擔鑽柱的部分靜載荷，主動補償電機6克服運動補償過程中的其餘載荷。失電保護閥16安裝於氣液轉換器17和被動補償液壓馬達2之間，失電時自動切斷油路，停止向被動補償液壓馬達2供油。液動切斷閥15的控制ロ與被動補償液壓馬達2的低壓腔相連，當鑽杆斷脫引起的被動補償液壓馬達2快速轉動時，升高的壓カ推動液動切斷閥15換向，切斷被動補償液壓馬達2與氣液轉換器17的連接通道，避免惡性事故發生。本發明的工作原理如下正常工作時失電保護閥16通電處於上位接通狀態，液動切斷閥15在彈簧的作用下處於上位導通狀態，氣液轉換器17中的液壓油與被動補償液壓馬達2的高壓油腔相通，用以承擔鑽柱的部分靜載荷。如果主動補償電機6通過離合器7與外齒圈9相連，失電保護閥16處於下位斷開狀態，液壓馬達卸荷，此時系統為主動式補償。如果主動補償電機6通過離合器7與外齒圈9相連，失電保護閥16處於上位接通狀態，被動補償液壓馬達2與主動補償電機6共同克服大鉤載荷，此時系統為半主動式補償。當浮式海洋鑽井平臺隨波浪上升、下沉時，鑽機遊動系統隨之上升、下降。海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置通過安裝在平臺上的加速度傳感器25檢測平臺升沉信號；同時死繩壓カ傳感器26的壓カ信號、主動補償電機軸旋轉編碼器29與絞車軸旋轉編碼器30的旋轉角位移信號也傳遞給PLC控制單元27。PLC控制單元27根據船體升沉與主動補償電機軸旋轉位移信號並根據制定好的智能控制策略向主動補償電機6的變頻驅動系統發出信號，控制差動行星減速器8的外齒圈9正反向轉動，使得遊動系統按照與船體升沉相反的方向運動，以維持絕對位置不變。同吋，PLC控制單元27根據死繩壓カ傳感器26的壓力信號、絞車軸旋轉編碼器30的角位移信號並根據 好的智能控制策略向送鑽電機3的變頻驅動系統發出信號，控制差動行星減速器8的太陽輪轉動，實現恆鑽壓或恆鑽速自動送鑽。當系統由於鑽杆斷脫等事故導致突然失載時，被動補償液壓馬達2快速轉動，限速閥28會限制流量低於某ー值從而限制馬達轉動速度；同時低壓油腔壓カ升高，從而推動液動切斷閥15換向，切斷氣液轉換器17與被動補償液壓馬達2之間的壓力通道。通過上述雙重保護措施，避免由於失載而導致惡性事故發生。當系統由於某種原因失去電カ供應的時候，失電保護閥16在彈簧的作用下復位，切斷氣液轉換器17和被動補償液壓馬達2之間的油路。本發明將鑽井絞車與升沉補償裝置功能集於一身，具有響應快速、鑽井效率高、鑽井系統重心低、補償範圍不受液缸長度的限制、平臺載荷與佔用空間減少等諸多優勢；本發明同時克服了國外主動式絞車升沉補償裝置裝機功率大、控制精度低的缺點，有效地控制了能量的消耗，降低了鑽井操作成本，提高了升沉補償的控制精度。
權利要求
1.ー種海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，包括主動補償電機(6)、差動行星減速器(8)、送鑽電機(3)、擺線減速機(4)、離合器(7)、聯軸器(14)、絞車軸(12)、絞車滾筒(13)和液壓盤剎(11)，其特徵在於還包括被動補償液壓馬達(2)、液動切斷閥(15)、失電保護閥(16)、限速閥(28)、氣液轉換器(17)、工作氣瓶(18)、氣壓源(19)、後備氣瓶(20)、電磁卸荷溢流閥(21)、補油單向閥(22)、補油泵(23)、高位油箱(24)、平臺加速度傳感器(25)、死繩壓カ傳感器(26)、PLC控制單元(27)、主動補償電機軸旋轉編碼器(29)和絞車軸旋轉編碼器(30)，被動補償液壓馬達(2)通過聯軸器(14)、外齒圈動力輸入軸(I)與差動行星減速器(8)的外齒圈(9)相連，主動補償電機(6)通過離合器(7)、聯軸器(14)與差動行星減速器(8)的外齒圈(9)相連，送鑽電機(3)經過擺線減速機(4)與太陽輪動力輸入軸(5)相連，行星架(10)與絞車軸(12)通過鍵連接，絞車軸(12)上裝有絞車滾筒(13)及液壓盤剎(11);加速度傳感器(25)與平臺固聯，壓カ傳感器(26)安裝在鑽機死繩端，旋轉編碼器(29)與主動補償電機軸相連、旋轉編碼器(30)與絞車軸相連；液動切斷閥(15)的A ロ與被動補償液壓馬達(2)的高壓油腔相連，液動切斷閥(15)的P ロ與失電保護閥(16)的Aロ相連；失電保護閥(16)的P ロ與高位油箱(24)相連，失電保護閥(16)的O ロ與氣液轉換器(17)相連；氣液轉換器(17)的氣腔與工作氣瓶(18)相連；補油泵(23)出口與補油單向閥(22)進ロ相連，補油單向閥(22)出口與氣液轉換器(17)相連，電磁卸荷溢流閥(21)兩端分別與高位油箱(24)、補油單向閥(22 )出口相連；PLC控制單元(27 )分別與失電保護閥(16)、電磁卸荷溢流閥(21)、補油泵(23)、平臺加速度傳感器(25)、死繩壓カ傳感器(26)、主動補償電機軸旋轉編碼器(29)和絞車軸旋轉編碼器(30)的控制信號接ロ電連接。
2.根據權利要求I所述的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，其特徵在於，差動行星減速器(8)為周轉輪系，外齒圈動力輸入軸(I)與太陽輪動力輸入軸(5 )分別作為輸入構件，ィ丁星架(10)為輸出構件。
3.根據權利要求I所述的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，其特徵在幹，氣液轉換器(17)經過液動切斷閥(15)、失電保護閥(16)與被動補償液壓馬達(2)的高壓腔相連，承擔鑽柱的部分靜載荷。
4.根據權利要求I所述的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，其特徵在於，失電保護閥(16)安裝於氣液轉換器(17)和被動補償液壓馬達(2)之間的油路上，失電時自動切斷油路，停止向被動補償液壓馬達(2)供油。
5.根據權利要求I所述的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，其特徵在於，液動切斷閥(15)的控制ロ與被動補償液壓馬達(2)的低壓腔相連，當鑽杆斷脫引起的被動補償液壓馬達(2)快速轉動時，限速閥(28)會限制流量低於某ー值，同時升高的壓カ推動液動切斷閥(15)換向，切斷被動補償液壓馬達(2)與氣液轉換器(17)的連接通道。
6.根據權利要求1-5之任一項所述的海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，其特徵在幹，絞車升沉補償裝置沿絞車滾筒兩側對稱布置。
全文摘要
本發明公開了一種新型海洋浮式鑽井平臺絞車升沉補償裝置，採用差動行星齒輪系作為升沉補償絞車的傳動機構，來自主動補償電機與被動補償液壓馬達的動力由外齒圈輸入，來自送鑽電機的動力由太陽輪輸入，行星架輸出動力驅動絞車滾筒運動，PLC控制單元基於檢測到的平臺升沉信號，控制主動補償電機帶動差動減速器外齒圈轉動，通過驅動滾筒正反向轉動來補償平臺的升沉運動；基於檢測到的鑽壓變化信號，控制送鑽電機驅動太陽輪轉動，實現自動送鑽運動。氣液轉換器通過被動補償液壓馬達承擔鑽柱的部分靜載荷，主動補償電機克服運動補償過程中的其餘載荷，降低了系統能耗、提高了補償精度。
文檔編號E21B19/09GK102691484SQ20121018344
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者劉美英, 張彥廷, 蓋永革, 黃魯蒙, 齊明俠 申請人:中國石油大學(華東)