[发明专利]海洋浮式钻井平台钻柱升沉补偿装置

说明书

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，既能满足海上石油钻井的性能要求，又能降低能量消耗，具有结构简单、能耗低、效果好的优点。

为实现上述目的，本发明的总体构思是将蓄能器中的高压液压油经补偿控制阀通向补偿液压缸的有杆腔，从而提供一个可以控制的附加力，根据平台的升沉运动对该力进行控制，进而改善常规被动式升沉补偿的效果。

本发明采用的技术方案是在由大钩、横梁、两个升沉补偿液压缸、游车、钢丝绳、动滑轮、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，增加加速度传感器、油箱、补油泵、电动机、补油泵出口单向阀、补偿控制阀、压力传感器、控制单元、补油单向阀、安全控制阀和失电保护阀。横梁与大钩固联，并通过钢丝绳与固联在一起的游车和补偿液压缸相连，在补偿液压缸有杆腔和无杆腔上安装压力传感器。补偿液压缸的活塞杆外径与液压缸内径之比为1∶1.005～1∶1.01。补油泵的入口与油箱相连，补油泵的出口经单向阀分别与补偿控制阀的P口、失电保护阀的A口和两补偿液压缸的无杆腔相连。补偿控制阀的A口分别与两补偿液压缸的有杆腔、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连；补偿控制阀的B口堵死；补偿控制阀的T口与油箱相连。失电保护阀的P口分别与蓄能器、补油单向阀的出口和安全控制阀的入口相连。两个补油单向阀的入口、两个安全控制阀的出口均与油箱相连。控制单元分别与补偿控制阀、失电保护阀电动机的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联在平台上的加速度传感器的电信号。补油泵与电动机机械连接。

所述的信号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。蓄能器在补偿控制阀的控制下向补偿液压缸的有杆腔供油，消除由于摩擦力和蓄能器压力变化引起的钻压变化。失电保护阀安装于蓄能器和补偿液压缸之间，失电时切断油路。控制单元根据无杆腔压力传感器压力信号的变化控制补油泵驱动电动机的起停。

当系统突然失载时，补偿液压缸会快速上行，无杆腔压力升高并超出允许范围，控制单元得到有杆腔压力传感器的压力信号，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，避免恶性事故发生。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1、系统采用大面积比液压缸，利用较小的环形面积提供消除负载波动的附加作用力，从而有效地限制了额外的能量消耗，并提高了补偿效果，活塞杆采用空心钢管，降低了设备重量和制造成本，提高了稳定性；