用於控制自由懸掛管的運動的方法和系統的製作方法

2023-08-10 19:17:16 2

專利名稱：用於控制自由懸掛管的運動的方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於控制自由懸掛管的運動的方法、設備和系統，自由懸掛管由與漂浮容器(buoyant vessel)連接的至少一個補償器構件經由連接元件懸掛。本發明特別適合於在軟懸掛過程中控制隔水管(取油管，riser)運動。
背景技術：
當開發較大水深處的海底油氣田時，在鑽井和碳氫化合物的生產中使用的設備將越來越多地是浮式結構，諸如鑽井船、半潛水平臺和鑽塔等等。這些浮式結構在波浪、風和水流的影響下移動。這意味著，將浮式結構與水下油井連接的管道必須足夠柔軟且堅固，以能夠與水面上的平臺一起移動。因為運動和波浪力在水面上最大，所以管道也在此區域中暴露於最大的彎曲應力。當在深水中鑽井時，隔水管是關鍵部件，並且鑽井操作員主要關心的是有效地運行和收回隔水管的能力、以及在深水和超深水(例如，1000-3000米)中安全地操作隔水管的能力。惡劣的天氣條件通常發展快速，因而僅留下很少的時間來固定和拉住隔水管。只要浮式鑽井單元經歷惡劣天氣，其就必須在一些點處將隔水管與海底脫離連接，並使隔水管懸掛於浮式鑽塔。通常實現與海底的脫離連接，因為鑽塔的豎直升降(heave，升沉)運動對於張緊系統衝程容量來說過大，或者由於將在井頭或隔水管上產生的過大的負載變化。在傳統的「硬懸掛」過程中，將隔水管(其與海底脫離連接)從鑽塔懸掛，同時已經縮回和鎖定隔水管與鑽塔之間的伸縮接頭，並釋放張緊器。因此，在硬懸掛中，將容器(鑽塔)運動直接傳遞至隔水管，並且該運動可能導致非常大的負載。硬懸掛過程不適合於較深的水，因為隔水管長度變得相當大(例如，1000米或更大)，並且隔水管受到可能導致彎曲的較大壓縮負載。在特別適合於深水的「軟懸掛」過程中，張緊器和伸縮接頭保持活動，其中張緊器從伸縮接頭支撐自由懸掛隔水管重量。伸縮接頭和張緊器吸收豎直鑽塔運動，明顯減小隔水管系統上的負載變化。隔水管-海底脫離連接的結果通常是，使張緊器缸位於完全延伸或收回的位置(對直接作用的張緊器收回，對鋼絲繩(wireline)張緊器延伸)。在這一點上，因為張緊器缸位於末端衝程位置，所以由張緊系統支撐的隔水管將必須與鑽塔一起運動。隔水管將具有非常大的質量，具有浮力元件。這意味著，將沒有和鑽塔一樣快地下落到水中的能力。當水深和隔水管長度增加時，此現象更適用。當鑽塔在大海向下升降時，將必須把隔水管質量向下推入海中，結果造成隔水管的淺水彎曲。在典型的軟懸掛過程中，通常將張緊器缸運行至中間衝程位置，並允許張緊器以被動且稍微不控制的方式支撐自由懸掛隔水管。隔水管具有較大的質量/溼重比例，並且當受到由必須跟隨鑽塔運動的隔水管上端導致的較大壓縮負載時容易彎曲。因此，在軟懸掛過程中主要關心的是，避免由會使隔水管的上部彎曲的較大向下加速度而導致隔水管超載。還關心的是，防止張緊器缸到達末端衝程。本申請人已經設計並具體化了本發明，以克服這些缺點並獲得其他優點。

發明內容
闡述了本發明並且其特徵在於獨立權利要求，同時從屬權利要求描述了本發明的其他特徵。因此，提供了一種用於控制自由懸掛管的運動的設備，自由懸掛管通過與漂浮容器連接的至少一個補償器構件至少經由連接元件懸掛，所述管延伸到容器下方的水體中，其特徵在於第一感測裝置，用於感測補償器構件的動態和/或空間參數以及由此感測容器的動態和/或空間參數；第二感測裝置，用於感測連接元件的動態和/或空間參數、以及由此感測管的上部區域的動態和/或空間參數；數據處理裝置，用於處理由第一和第二感測裝置提供的數據並確定與容器與管的上部區域之間的運動相關的一個或多個參數；以及調節裝置，用於至少控制補償器構件的剛度和阻尼；由此可控制在補償器與管之間傳遞的軸向負載。在一個實施方式中，第一感測裝置包括運動感測裝置，運動感測裝置用於感測補償器構件的運動、以及由此感測容器的運動。在一個實施方式中，第二感測裝置包括位置指示器裝置，位置指示器裝置用於感測連接元件相對於補償器構件的位置、以及由此感測管的上部區域相對於補償器構件的位置。在一個實施方式中，與容器和管的上部區域之間的運動相關的一個或多個參數包括加速度。補償器構件優選地包括補償器構件包括經由第一流體管線連接於貯蓄器的液壓缸、以及用於控制第一流體管線中的流動的第一閥裝置、以及用於感測液壓流體的壓力的第一壓力感測裝置。優選地，至少一個壓力容器經由第二流體管線和調節裝置流體地連接於貯蓄器，並且設備進一步包括第二壓力感測裝置，由此可控制由壓力容器中的加壓氣體施加於貯蓄器中的液壓流體上的壓力。在一個實施方式中，具有冷卻迴路的熱交換器與第一流體管線熱連接，由此第一流體管線中的液壓流體可在與冷卻液的熱交換時被冷卻。還提供了一種用於控制自由懸掛管的運動的系統，其中，多個根據本發明的設備經由以對稱樣式布置在管周圍的各自的補償器構件而連接於管，並且系統進一步包括公共數據處理裝置和公共用戶接口，由此可通過各個設備的選擇操作來控制自由懸掛管的運動。還提供了一種用於控制自由懸掛管的運動的方法，自由懸掛管通過與漂浮容器連接的至少一個補償器構件經由連接元件懸掛，所述管延伸到容器下方的水體中，其特徵在於收集容器的運動數據；收集管的上部區域相對於補償器構件的運動數據；處理容器的運動數據和管的上部區域的運動數據，並且確定與容器和管的上部區域之間的運動相關的一個或多個參數；以及基於這些數據，至少控制補償器構件的剛度和阻尼；由此可控制在補償器與管之間傳遞的軸向負載。在一個實施方式中，收集容器的運動數據的步驟包括感測容器的運動。在一個實施方式中，收集管的上部區域的運動數據的步驟包括感測管的上部部分相對於補償器構件的位置。在一個實施方式中，該方法進一步包括感測連接在管與容器之間的液壓缸中的第一壓力，所述液壓缸經由第一流體管線連接於貯蓄器，並且該方法包括感測貯蓄器中的由至少一個壓力容器施加的第二壓力，所述至少一個壓力容器經由第二流體管線和調節裝置而流體地連接於貯蓄器。空氣體積的減小是與軟懸掛功能的作用的折衷。為了得到最可能的軟懸掛功能，空氣體積應該是無限的。通過無限的空氣體積和無摩擦的張緊系統，隔水管理論上將在水中直立不動。如果未正確地調節系統，那麼結果可能是鑽塔和隔水管相反地運動。這樣做的結果將是，張緊器缸使用它們的很多衝程容量。如果隔水管與鑽塔之間的相對運動過大，那麼對於每個波峰和波谷缸均將到達末端衝程。如果減小空氣體積，那麼隔水管運動將增力口。這對於隔水管來說是不利的，因為高豎直加速度可能導致隔水管的上部中的彎曲。通過用張緊系統給出的可能性正確地設置系統，其將使鑽塔和隔水管運動同步，並對隔水管產生阻尼效果。這通過找到以下因素的正確組合來實現-空氣壓力； -空氣體積；-用於產生阻尼效果的油流的阻塞。可將其實現為固定阻塞，或者其可基於已知的參數而隨著時間改變，例如〇系統壓力的變化〇缸位置〇缸速度〇加速度〇或基於所測數據的其他參數控制系統可設置為自調節，或者其可以是對升降和隔水管結構的所有組合的固定解決方案。通過本發明，可監測和控制自由懸掛隔水管相對於移動鑽塔的運動。可精確地測量隔水管的運動，並且不再必須僅依賴於從隔水管頂部運動的移動(升降和滾動)平臺的視覺觀察。通過根據本發明的補償器系統和方法，補償器缸可被保持在中間衝程位置作為鑽塔和隔水管之間的柔性元件，由此基本上減少隔水管運動並防止隔水管彎曲。


參考附圖，從作為非限制性實例給出的實施方式的優選形式的以下描述中，這些和其他特性將變得清楚，其中圖1是經由補償器從浮式鑽塔懸掛的自由懸掛隔水管的示意圖；圖2是根據本發明的經由張緊環與隔水管連接的多個補償系統的示意圖；圖3是示出了本發明的補償系統和方法的框圖；圖4是直接作用張緊系統的示意圖，本發明可通過該系統來實現；以及圖5是鋼絲繩張緊系統的示意圖，本發明可通過該系統來實現。
具體實施例方式圖1示出了鑽塔2，該鑽塔浮在水中並通常受到水波W、水流和風載荷。用鑽塔2經由補償器7懸掛自由懸掛隔水管4。在所示實施方式中，隔水管張緊器用作補償器。伸縮接頭5允許隔水管與鑽塔之間的相對運動。用標為H的雙箭頭示出鑽塔的運動(例如升降)，而用標為R的雙箭頭示出隔水管動態。因此，圖1示出了隔水管的軟懸掛模式。現在將參考圖3描述控制每個相應補償器7的剛度(stiffness)和響應的補償設備I。補償器7包括與鑽塔2連接的殼體、以及與傳統張緊器缸一樣具有與隔水管4 (示意性地示出)連接的活塞杆24b的活塞24a。貯蓄器26經由液壓管線35並經由閥25控制而對補償器7供應液壓流體14，閥優選地是比例控制關閉閥。用第一壓力變送器(transmitter,傳感器)27監測液壓系統中的壓力。經由供應管線31將氣體(通常是空氣)供應至貯蓄器26中，供應管線31與壓力容器33a-d連接。在圖3中，經由各自的閥29控制的總共四個壓力容器將加壓空氣供應至貯蓄器26中。用第二壓力變送器28監測氣體(空氣)系統中的壓力。可將額外的空氣從儲存器32供應至系統中，並且，當需要時，可經由閥控制的空氣出口 30排出過剩空氣。容器33a-d中的壓力通常且理想地是恆定的，但是，由於例如空氣系統中的溫度變化而可能必須增加或耗盡空氣。補償設備I進一步包括與補償器殼體連接的運動參考單元(MRU) 36，並從而感測補償器7的運動。MRU可包括在本領域中自身是已知的加速計或慣性系統。安裝於鑽塔上的位置指示器21監測補償器活塞杆24b的運動(以及進而監測隔水管頂部的運動)。位置指示器21可以是光學指示器、電磁感測裝置、或任何其他本領域已知的位置指示器。補償設備I進一步包括收集並處理數據且控制系統的中央處理器(CPU)22。在圖3中，用虛線表示CPU 22和各種部件之間的數據線。經由用戶接口 37(端子或類似接口)對CPU提供控制輸入數據，並且還可經由用戶接口呈現相關數據(例如，鑽塔和隔水管動態)。在操作中，基於例如來自位置指示器21的位置數據和來自MRU 36的運動數據，通過CPU 22計算鑽塔運動。基於基本上表示活塞管的運動加上或減去由位置指示器21測量的運動的來自MRU的數據，通過CPU計算加速度。通過將這兩個運動加在一起，計算隔水管的頂部處的運動。用戶接口 37可能顯示例如隔水管頂部的加速度和補償器缸24b的最大/最小衝程。通過使用所收集的數據，CPU可(由CPU自己、或由經由用戶接口的輸入輔助地)對系統(例如，閥25、29)提供控制信號，並從而調節參數以在由鑽塔運動給出的限度內實現最可能的結果/加速度和衝程的組合。可控系統參數的實例是壓力、剛度和阻尼。應調節補償設備壓力以符合隔水管的溼重。用第一壓力變送器27(其最接近管道系統中的缸)測量系統的重量。由第一壓力變送器27感測的壓力將與所測杆位置和系統剛度組合在一起用來設置系統壓力，即，通過控制壓力容器來設置系統壓力。當補償缸是恆定運動時，可能對CPU花費一些時間和重複過程來找到平衡。如上所述，如果將減小壓力，那麼通過排出空氣來調節系統壓力，或者如果將增加空氣，那麼通過從備用壓力容器32打開來將空氣添加到系統中。還可能由於氣體中的溫度變化而必須隨著時間調節系統壓力。
通過控制開放的壓力容器33a_d的數量(即，通過控制系統的空氣體積)來調節補償設備剛度。如果期望增加補償器剛度(即，彈簧常數)，那麼減小開放的壓力容器的數量，最終減小補償器缸上的衝程的量。增加剛度的另一結果是整體隔水管運動將增加。這意味著，用於選擇待開放的壓力容器的數量的外邊界在一端中是缸運動而另一端是隔水管加速度。每個壓力容器均裝配有隔離閥29，並僅可具有完全打開或完全封閉的功能。可通過選擇每個缸7的開放空氣壓力容器的數量來調節補償設備剛度。這可以I的增量來實現，從沒有(零個)瓶子打開到所有(四個)瓶子打開。在所有瓶子打開的情況下，系統是軟的，並且隔水管將相對於鑽塔移動較少，但是，如果天氣過於惡劣，那麼這會導致缸到達衝程的最低點。在更少的瓶子打開的情況下，剛度增加且隔水管將更多地遵循鑽塔運動。現在參考圖2、4和5，優選地通過補償器系統來補償隔水管的動態，該補償器系統包括多個如上所述的補償器設備I。圖2示意性地示出了一個這種補償器系統，其中，以對稱樣式在隔水管周圍布置六個補償器設備I，該六個補償器設備具有各自的補償器缸7，所有補償器設備都與支撐隔水管4的隔水管張緊環8連接。用於每個補償器缸7的機械和液壓系統如上所述，但是，優選地由公共CPU 22』和公共用戶接口 37』控制。圖2中的虛線表示數據傳輸線。在這種系統中，每個設備I內的壓力容器33的數量可以變化。例如，在通過四個壓力容器33a-d (圖3)控制一個補償器7的結構中，可能以1/4的增量控制剛度和阻尼。在圖2所示的結構的情況下，如果每個設備I均包括四個壓力容器，那麼1/24的增量是可能的。可彼此獨立地控制不同補償器設備中的補償器。然而，在實際操作中，以圍繞隔水管軸線的某一對稱性來操作補償器。圖4是直接作用張緊系統的圖示，本發明可通過該系統來實現。從由鑽臺9支撐的框架23來懸掛多個張緊器缸，所述多個張緊器缸在根據本發明的系統中用作補償器缸7。每個活塞杆24b的自由端與張緊環8連接，且進而與隔水管4連接。每個補償器缸7與壓力容器33的系統以及以上參考圖3描述的其他部件連接。圖5是鋼絲繩張緊系統的示圖，本發明可通過該系統來實現。在根據本發明的系統中用作補償器缸7的多個張緊器缸在一端與鑽臺9連接，並且，每個活塞杆24b的自由端均與操作多條鋼絲10的槽輪連接，所述鋼絲以自身已知的方式通過空轉槽輪11併到達隔水管4的頂端。每個活塞杆24b的自由端均與張緊環8連接，張緊環進而與隔水管4連接。每個補償器缸7均與壓力容器33的系統以及以上參考圖3描述的其他部件連接。因此，每個補償設備I可具有多個壓力容器，例如，每個補償器缸7有兩個至八個壓力容器中的任一種。在整個系統中，對每個單獨缸7打開的壓力容器的數量並非必須相同。通過此組合，可在總系統壓力體積的更小部分中有效地調節系統剛度。可在比例控制關閉閥25上調節系統阻尼，該比例控制關閉閥布置在補償器缸7與儲油器26 (見圖3)之間的油流中。阻尼效果將幫助避免共振頻率，並迫使隔水管遵循鑽塔運動。如果這兩個運動不同步，那麼效果將是補償器缸的過大衝程。增加的阻尼將增加隔水管加速度，而減小的阻尼可能導致共振或同步誤差。並非必須將比例控制關閉閥25的阻塞設置為恆定比例，可能必須在每個升降周期上相對於以下中的任一種來主動地進行調節加速度、速度、缸位置、缸方向或這些的組合。因此，可將油流的阻塞實現為固定阻塞，或可基於已知的參數隨著時間執行。
因此，阻塞所述比例控制關閉閥將增加阻尼效果(否則阻尼效果僅由自然流動約束和密封摩擦產生)。其可通過將閥設置至固定位置來實現，或者其可以是通過相對於衝程或速度(或衝程和速度的組合)的可變阻塞來對其進行主動控制，或者其可隨著收回和延伸而變化。如果比例控制關閉閥25設置在恆定比例(固定位置)，那麼其應設置為小於閥25的減壓的阻尼效果，因為否則減壓閥(未示出)將重新打開該關閉閥25。阻塞所述比例控制關閉閥25將產生熱量，因為閥從鑽塔與隔水管之間的相對運動獲得能量。因此，液壓管線35有利地且可選地設置有熱交換器15 (見圖3)，熱交換器用來冷卻液壓流體14。可通過與海水或(優選地)與鑽塔上的公用系統的熱交換來驅散從液壓流體傳遞至冷卻介質中的熱量。因此，調節空氣壓力、空氣體積和油流可防止缸到達末端衝程，防止撐杆彎曲並避免撐杆和鑽塔之間的共振。
權利要求
1.一種用於控制軟懸掛模式中的自由懸掛管(4)的運動的設備(1)，所述自由懸掛管通過與漂浮容器(2)連接的至少一個補償器構件(7)至少經由連接元件(8)懸掛，所述管延伸到所述容器下方的水體中，其特徵在於 -第一感測裝置(36)，用於感測所述補償器構件的動態和/或空間參數以及由此感測所述容器(2)的動態和/或空間參數； -第二感測裝置(21)，用於感測所述連接元件(8)的動態和/或空間參數以及由此感測所述管的上部區域的動態和/或空間參數； -數據處理裝置(22)，用於處理由所述第一和第二感測裝置(36，21)提供的數據並確定與所述容器和所述管的所述上部區域之間的運動相關的一個或多個參數；以及 -調節裝置(24a，b，25，26，29，33a-d)，用於至少控制所述補償器構件(7)的剛度和阻尼； 由此能夠控制在所述補償器與所述管之間傳遞的軸向負載。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，所述第一感測裝置(36)包括運動感測裝置(36)，所述運動感測裝置用於感測所述補償器構件的運動以及由此感測所述容器(2 )的運動。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的設備，其中，所述第二感測裝置(21)包括位置指示器裝置(21)，所述位置指示器裝置用於感測所述連接元件(8 )相對於所述補償器構件的位置以及由此感測所述管的所述上部區域相對於所述補償器構件的位置。
4.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，與所述容器和所述管的所述上部區域之間的運動相關的所述一個或多個參數包括加速度。
5.根據前述權利要求中任一項所述的設備，其中，所述補償器構件包括經由第一流體管線(35 )連接於貯蓄器(26 )的液壓缸(7 )、以及用於控制所述第一流體管線中的流動的第一閥裝置(25 )、以及用於感測所述液壓流體的壓力的第一壓力感測裝置(27 )。
6.根據權利要求5所述的設備，進一步包括經由第二流體管線(31)和調節裝置(29)流體地連接於所述貯蓄器(26)的至少一個壓力容器(33a-d)，並進一步包括第二壓力感測裝置(28)，由此能夠控制由所述壓力容器中的加壓氣體施加於所述貯蓄器中的液壓流體上的壓力。
7.根據前述權利要求中任一項所述的設備，進一步包括具有冷卻迴路(16)的熱交換器(15)，所述熱交換器與所述第一流體管線(35)熱連接，由此所述第一流體管線中的液壓流體能夠在與冷卻液的熱交換時被冷卻。
8.一種用於控制軟懸掛模式中的自由懸掛管(4)的運動的系統，其中，多個根據權利要求1-7中任一項權利要求所述的設備(I)經由以對稱樣式布置在所述管周圍的各自的補償器構件(7 )而連接於所述管(4 )，並且所述系統進一步包括公共數據處理裝置(22 』)和公共用戶接口(37』)，由此能夠通過各個設備(I)的選擇操作來控制所述自由懸掛管的運動。
9.一種用於控制軟懸掛模式中的自由懸掛管(4)的運動的方法，所述自由懸掛管通過與漂浮容器(2 )連接的至少一個補償器構件(7 )經由連接元件(8 )懸掛，所述管延伸到所述容器下方的水體中，其特徵在於 收集所述容器(2)的運動數據； 收集所述管的上部區域相對於所述補償器構件的運動數據； 處理所述容器的運動數據和所述管的所述上部區域的運動數據，並且確定與所述容器和所述管的所述上部區域之間的運動相關的一個或多個參數；以及 基於這些數據，至少控制所述補償器構件的剛度和阻尼； 由此能夠控制在所述補償器與所述管之間傳遞的軸向負載。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，收集所述容器的運動數據的步驟包括感測所述容器(2)的運動。
11.根據權利要求9或權利要求10所述的方法，其中，收集所述管的所述上部區域的運動數據的步驟包括感測所述管的所述上部部分相對於所述補償器構件的位置。
12.根據權利要求11所述的方法，進一步包括感測連接在所述管(4)與所述容器(2)之間的液壓缸(7)中的第一壓力，所述液壓缸經由第一流體管線(35)連接於貯蓄器(26)，並且所述方法包括感測所述貯蓄器中的由至少一個壓力容器(33a-d)施加的第二壓力，所述至少一個壓力容器經由第二流體管線(31)和調節裝置(29)而流體地連接於所述貯蓄器(26)。
全文摘要
一種用於控制自由懸掛管(4)的運動的設備(1)，自由懸掛管通過與漂浮容器(2)連接的至少一個補償器構件(7)至少經由連接元件(8)懸掛，所述管延伸到容器下方的水體中。設備包括運動感測裝置(36)，用於感測補償器構件的運動以及由此感測容器(2)的運動；以及位置指示器裝置(21)，用於感測連接元件(8)相對於補償器構件的位置以及由此感測管的上部區域相對於補償器構件的位置。設備進一步包括數據處理裝置(22)，用於確定與容器和管的上部區域之間的運動相關的一個或多個參數；以及調節裝置(24a，b，25，26，29，33a-d)，用於至少控制補償器構件(7)的剛度和阻尼；由此可控制在補償器與管之間傳遞的軸向負載。
文檔編號E21B19/00GK103038438SQ201180032925
公開日2013年4月10日 申請日期2011年6月28日 優先權日2010年6月30日
發明者拉爾斯·波赫納 申請人:阿克Mh股份有限公司