海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置.pdf

本发明公开了一种新型海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置。采用复合式液压缸作为升沉补偿液压缸，将液压泵输出的高压液压油经补偿控制阀通向复合补偿液压缸内缸的无杆腔，从而对外缸活塞杆提供一个可以控制的附加力，该力与补偿液压缸外缸无杆腔作用的蓄能器压力共同向大钩负载提供支撑力。根据平台的升沉运动对该附加力进行控制，从而改善常规被动式系统的升沉补偿效果。控制单元根据检测到的平台垂直方向的运动速度，向液压系统发出控制指令，驱动补偿液压缸的活塞带动链轮运动，在链条或链条的作用下补偿平台的升沉运动，使横梁和大钩在允许的范围内相对于井底在垂直方向上处于静止状态。本发明有效地控制了能量的消耗，降低了系统的操作成本，提高了补偿精度。

1.  一种海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，包括大钩(1)、横梁(2)、复合式升沉补偿液压缸(3)、游车(4)、链条(5)、链轮(6)，横梁(2)与大钩(1)固联，并通过链条(5)与固联在一起的游车和补偿液压缸(3)相连，其特征在于，该装置还包括；加速度传感器(7)、油箱(8)、变频电动机(10)、液压泵(9)、液压泵出口单向阀(11)、补偿控制阀(12)、内缸无杆腔压力传感器(13)、外缸有杆腔压力传感器(14)、低压蓄能器(15)、限速阀(16)、高压蓄能器(17)、补油单向阀(18)、安全控制阀(19)、失电保护阀(20)、液动切断阀(21)和控制单元(22)，在复合式补偿液压缸(3)的内缸无杆腔安装压力传感器(13)、在复合式补偿液压缸(3)的外缸有杆腔安装压力传感器(14)，在平台上固联加速度传感器(7)；液压泵(9)的入口与油箱(8)相连，液压泵(9)的出口经单向阀(11)与补偿控制阀(12)的P口相连；补偿控制阀(12)的A口T口连在一起并与油箱(8)相连；补偿控制阀(12)的B口与两复合式补偿液压缸(3)的内缸无杆腔相连；液动切断阀(21)的A口与两复合式补偿液压缸(3)的外缸无杆腔相连，液动切断阀(21)的P口与失电保护阀(20)的A口相连；失电保护阀(20)的P口同时与高压蓄能器(17)、补油单向阀(18)的出口和安全控制阀(19)的入口相连；补油单向阀(18)的入口和安全控制阀(19)的出口连在一起并与油箱(8)相连；限速阀(16)的一端分别与两复合式补偿液压缸(3)的外缸有杆腔相连，另一端与低压蓄能器(15)相连；控制单元(21)分别与补偿控制阀(12)、失电保护阀(20)、变频电动机(10)的速度控制信号接口电连接，并与内缸无杆腔压力传感器(13)、外缸有杆腔压力传感器(14)以及固连在平台上的加速度传感器(7)的电信号连接。

2.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，补偿液压缸(3)采用复合结构，高压蓄能器(17)通过外缸无杆腔承受大钩(1)上的静载荷，液压泵(9)经补偿控制阀(12)与内缸无杆腔相通，克服运动补偿过程中的动载荷。

3.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，所述的信号控制单元(22)是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。

4.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，失电保护阀(20)安装于蓄能器(19)和复合式补偿液压缸(3)之间，失电时自动切断油路，停止向补偿液压缸供油。

5.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，复合式补偿液压缸(3)的外缸有杆腔接限速阀(16)，防止由于钻杆断脱引起的大钩(1)超速上冲。

6.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，液动切断阀(21)的控制口与复合式补偿液压缸(3)外缸的有杆腔相连，当活塞杆超速上行时，升高的压力推动液动切断阀(21)换向，切断蓄能器(17)与复合式补偿液压缸(3)的连接通道。

7.  根据权利要求1所述的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置，其特征在于，复合式补偿液压缸(3)的内缸与外缸活塞直径之比为1∶3～1∶5。

海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置
技术领域
本发明涉及电液控制技术为特征的液压控制系统，尤其涉及一种海洋钻井平台钻柱升沉补偿装置。
背景技术
随着陆地资源的日趋枯竭，世界经济发展的战略眼光就聚集到海洋上，发展海洋科技与高技术装备尤为重要。在石油领域，随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，向深海进军已成必然趋势。当前，海上石油钻机最大工作水深已经超过了3000m，而且还将继续向更深的方向发展。在这样的水深条件下工作，对钻机的各方面的要求更为苛刻，并且还必须适应在深水条件下所面临的一些特殊情况，许多设备需要重新设计和开发。
钻柱升沉补偿装置是保障海上钻井船或半潜式钻井平台作业的安全进行以及提高工作效率和质量必不可少的重要设备之一。深海钻井所采用的半潜式钻井平台和钻井浮船在波浪的作用下将产生周期性的升沉运动，并使钻柱上下往复运动，引起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成了巨大的经济损失。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施。
液压式升沉补偿系统在海洋浮式钻井平台上应用最为普遍，形式比较多，按照其动力提供方式可以分为三种形式：主动式、被动式和半主动式。
主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻柱质量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量。
被动式升沉补偿系统在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为广泛的应用，但是补偿效果不很理想，存在着一定的滞后现象。
半主动式升沉补偿系统能够综合二者的优点，但是系统结构较为复杂，制造成本较高。
发明内容
本发明的目的是要提供一种浮式海洋石油钻井平台的升沉补偿装置，以满足海上石油钻井的性能要求。
为实现上述目的，本发明的总体构思是采用复合液压缸作为升沉补偿液压缸，将蓄能器中的高压液压油通向复合式补偿液压缸外缸的无杆腔，从而提供一个承受大钩静载荷的液压力；将液压泵输出的高压液压油经补偿控制阀通向复合补偿液压缸内缸的无杆腔，从而对外缸活塞杆提供一个可以控制的附加力，该力与补偿液压缸外缸无杆腔作用的液压力共同向大钩负载提供支撑力。
本发明采用的技术方案是在由大钩、横梁、两个复合式升沉补偿液压缸、游车、链条、链轮、蓄能器构成的常规被动式升沉补偿装置的基础上进行改进，增加了加速度传感器、油箱、电动机、液压泵、液压泵出口单向阀、补偿控制阀、内缸无杆腔压力传感器、外缸有杆腔压力传感器、低压蓄能器、限速阀、高压蓄能器、补油单向阀、安全控制阀、失电保护阀和系统控制单元。横梁与大钩固联，并通过链条与固联在一起的游车和补偿液压缸相连，在补偿液压缸外缸的无杆腔和内缸的无杆腔上安装压力传感器。补偿液压缸的内缸与外缸活塞直径之比为1∶3～1∶5。液压泵的入口与油箱相连，出口经单向阀与补偿控制阀的P口相连；补偿控制阀的A口和T口连在一起并与油箱相连；补偿控制阀的B口与两复合式补偿液压缸的内缸无杆腔相连；失电保护阀的A口与两复合式补偿液压缸的外缸无杆腔相连，P口分别与高压蓄能器、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连；补油单向阀的入口和安全控制阀的出口连在一起并与油箱相连；限速阀的一端分别与两复合式补偿液压缸的外缸有杆腔相连，另一端与低压蓄能器相连；控制单元分别与补偿控制阀、失电保护阀、电动机的速度控制信号接口电连接，并获取安装在补偿液压缸上的压力传感器和固连在平台上的加速度传感器的电信号。液压泵与电动机机械连接。控制单元是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：
1.系统中补偿液压缸采用复合结构，高压蓄能器中的高压液压油通过外缸无杆腔承受大钩上的静载荷，液压泵经补偿控制阀与内缸无杆腔相通，克服运动补偿过程中由于摩擦力和蓄能器压力变化引起的动载荷，从而有效地限制了额外的能量消耗，并提高了补偿效果。
2.当系统突然失载时，复合式补偿液压缸活塞杆会快速上行，外缸有杆腔液压油流向低压蓄能器的流量增大，导致压力升高从而降低活塞上行的速度；同时此高压会推动液动切断阀换向，切断高压蓄能器与复合式补偿液压缸之间的压力通道；外缸有杆腔压力传感器测得的压力信号超出允许范围，控制单元立即发出控制指令切断失电保护阀的电源，使其处于关闭状态。通过上述三重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。
3.蓄能器和补偿液压缸之间安装了失电保护阀，当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀在弹簧的作用下复位，切断蓄能器和补偿液压缸之间的油路，避免事故发生。
4.控制单元可以根据钻井平台上安装的加速度传感器发出的加速度信号以及复合式补偿液压缸的压力信号，向变频电动机和补偿控制阀发出指令，控制流向复合式补偿液压缸内缸无杆腔的液压油流量，减小平台升沉运动对大钩的影响，进而使得井底钻压在一定范围内保持恒定。
附图说明
图1是依据本发明所提出的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置的结构示意图；
图2是本发明所提出的海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置的液压系统原理图。
图中：1—大钩，2—横梁，3—复合式升沉补偿液压缸，4—游车，5—链条，6—链轮，7—加速度传感器，8—油箱，9—液压泵，10—变频电动机，11—液压泵出口单向阀，12—补偿控制阀，13—内缸无杆腔压力传感器，14—外缸有杆腔压力传感器，15—低压蓄能器，16—限速阀，17—高压蓄能器，18—补油单向阀，19—安全控制阀，20—失电保护阀，21—液动切断阀，22—控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图所示，横梁2与大钩1固联，并通过链条5与固联在一起的游车和补偿液压缸3相连。在补偿液压缸3的有杆腔安装压力传感器14和在无杆腔安装压力传感器13。复合式补偿液压缸3的内缸与外缸活塞直径之比取1∶3～1∶5。在复合式补偿液压缸3的内缸无杆腔安装压力传感器13、在复合式补偿液压缸3的外缸有杆腔安装压力传感器14，加速度传感器7与平台固联；液压泵9的入口与油箱8相连，出口经单向阀11与补偿控制阀12的P口相连；补偿控制阀12的A口和T口连在一起并与油箱8相连；补偿控制阀12的B口与两复合式补偿液压缸3的内缸无杆腔相连；液动切断阀21的A口与两复合式补偿液压缸3的外缸无杆腔相连，液动切断阀21的P口与失电保护阀20的A口相连；失电保护阀20的P口分别与高压蓄能器17、补油单向阀18的出口和安全控制阀19的入口相连；补油单向阀18的入口和安全控制阀19的出口连在一起并与油箱8相连；限速阀16的一端分别与两复合式补偿液压缸3的外缸有杆腔相连，另一端与低压蓄能器15相连；控制单元22分别与补偿控制阀12、失电保护阀20、变频电动机10的速度控制信号接口电连接，并与内缸无杆腔压力传感器13、外缸有杆腔压力传感器14以及固连在平台上的加速度传感器7的电信号连接。液压泵9与变频电动机10机械连接。控制单元22是一台带有模数A/D和数模D/A信号转换功能的工控机或单片机。高压蓄能器17中的高压液压油通过复合式补偿液压缸3外缸无杆腔承受大钩上的静载荷，液压泵9经补偿控制阀12与内缸无杆腔相通，克服运动补偿过程中由于摩擦力和高压蓄能器17中压力变化引起的动载荷。失电保护阀20安装于蓄能器19和补偿液压缸3之间，失电时自动切断油路，停止向补偿液压缸供油。补偿液压缸3的外缸有杆腔接限速阀16，防止由于钻杆断脱引起的大钩1超速上冲。液动切断阀21的控制口与复合式补偿液压缸3外缸的有杆腔相连，当活塞杆超速上行时，升高的压力推动液动切断阀21换向，切断蓄能器17与复合式补偿液压缸3的连接通道，避免恶性事故发生。
本发明的工作原理如下：
正常工作时失电保护阀通电处于上位接通状态，液动切断阀在弹簧的作用下处于上位导通状态，蓄能器17中的液压油与复合式补偿液压缸3的外缸无杆腔相通，用以支撑大钩上的静载荷。如果补偿控制阀12没有得到控制信号而在弹簧的作用下处于左位，液压泵处于卸荷状态，复合式补偿液压缸3的内缸浮动，不起补偿作用，此时系统是常规被动式升沉补偿系统。由于在本发明系统中，复合式补偿液压缸3外缸无杆腔的设定推力小于大钩载荷的回缩推力，活塞杆将处于回缩状态。
当浮式海洋钻井平台随波浪下沉时，井架会带着游车4和复合式补偿液压缸3下降，钻杆柱伸长弹性变形减小，大钩1上的载荷减小，复合式补偿液压缸3的活塞外伸，蓄能器17液压油回流压力降低，与减小了的大钩载荷相平衡。安装在补偿液压缸体上的加速度传感器7检测到游车4的运动加速度，并将该信号传递给控制单元22。同时内缸无杆腔压力传感器13和外缸有杆腔压力传感器14检测到两腔的压力信号也传递给控制单元22。控制单元22根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀12发出控制指令使其左移，增大P口到B口的通流面积，减少液压泵9通向复合式补偿液压缸3内缸无杆腔的流动阻尼，使得内缸无杆腔压力升高，抵消由于蓄能器压力降低引起的承载能力下降和活塞杆外伸的摩擦力，从而使大钩1相对于平台上行，以维持绝对位置不变，同时载荷上升到原来的设定值。
反之，当浮式海洋钻井平台随波浪上升时，井架会带着游车4和复合式补偿液压缸3上升，钻杆柱伸长弹性变形增大，大钩1上的载荷增加，复合式补偿液压缸3的活塞回缩，蓄能器17液压油回流压力升高，与增加了的大钩载荷相平衡。安装在补偿液压缸体上的加速度传感器7检测到游车4的运动加速度，并将该信号传递给控制单元22。同时内缸无杆腔压力传感器13和外缸有杆腔压力传感器14检测到两腔的压力信号也传递给控制单元22。控制单元22根据检测到的上述信号并根据制定好的控制策略向补偿控制阀12发出控制指令使其右移，增大B口到T口的通流面积，减少复合式补偿液压缸3内缸无杆腔通向油箱8的流动阻尼，使得内缸无杆腔压力下降，抵消由于蓄能器压力升高引起的承载能力上升和活塞杆回缩的摩擦力，从而使大钩1相对于平台下行，以维持绝对位置不变，同时载荷回落到原来的设定值。
当系统由于钻杆断脱等事故导致突然失载时，复合式补偿液压缸3的活塞杆会快速上行，外缸有杆腔液压油流向低压蓄能器16的流量增大，导致压力升高从而降低活塞上行的速度；同时此高压推动液动切断阀21换向，切断高压蓄能器17与复合式补偿液压缸3之间的压力通道；外缸有杆腔压力传感器14测得的压力信号超出允许范围，控制单元22立即发出控制指令切断失电保护阀20的电源，使其处于关闭状态。通过上述三重保护措施，避免由于失载而导致恶性事故发生。
当系统由于某种原因失去电力供应的时候，失电保护阀20在弹簧的作用下复位，切断高压蓄能器17和复合式补偿液压缸3之间的油路。
控制单元22根据钻井平台上安装的加速度传感器7发出的加速度信号以及复合式补偿液压缸3的压力信号，向变频电动机10和补偿控制阀12发出指令，控制流向复合式补偿液压缸3内缸无杆腔的液压油流量。
本发明克服了传统被动式升沉补偿系统补偿反应速度慢、蓄能器压力波动和摩擦力导致补偿效果差的缺点。由于液压泵仅向小缸径的内缸无杆腔供油，其动力仅用于克服摩擦阻力和系统惯性，因此有效地控制了能量的消耗，降低了系统的操作成本，提高了补偿精度，具有结构简单、能耗低、效果好的优点。