[发明专利]海洋浮式钻井平台绞车升沉补偿装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种海洋石油钻井绞车升沉补偿装置，是一种以电液控制技术为特征的机电液联合驱动装置。

背景技术：

随着陆上石油资源的日渐枯竭，浅海石油开发接近饱和，资源开发向深海进军已成必然趋势。因此，向海洋深水领域进军，向深水技术挑战，推动主要装备国产化，提高我国海洋石油技术装备水平，是实施走出去向深海要石油的物质技术基础。在深水条件下工作，对钻机各方面的要求更为苛刻，而升沉补偿系统是保障深海浮式钻井平台正常作业以及提高工作效率和质量必不可少的重要装备之一，其综合性能的好坏直接影响着海洋石油的开发成败。

按照海洋石油钻井平台升沉补偿装置的安装位置主要分为：天车补偿、钢丝绳补偿、游车和大钩间的补偿以及绞车补偿。

游车和大钩间的升沉补偿装置产品化较早，该补偿方式的特点主要表现在：补偿过程钢丝绳不产生频繁的交变应力，对其寿命影响很小，系统重心相对较低，维护较方便；但液压系统管线较复杂，软管较多，井架工作高度浪费较大。

天车升沉补偿系统是继游车大钩补偿之后发展起来的，天车补偿方案凭借摆幅机构的作用，减少了钢丝绳的折弯效应，钢丝绳寿命所受影响较小；但设备重量大、重心高，使井架系统整体重量增加较多，维修和保养不方便。由于液压系统相对紧凑，便于实现，因此得到了较好的推广应用。

钢丝绳补偿对原系统影响较小，容易实现，但对钢丝绳寿命影响较大，且占据较大的平台空间。

相对于其他补偿方式，近年来开发的绞车补偿装置具有钻井效率高、传动简单、设备重心低，系统结构紧凑，平台载荷与占用空间减少的特点，应用前景很好。目前国外已经开展了绞车补偿装置的研究，并有产品面世，其主要原理是在传统钻井绞车的基础上通过增大电机功率来实现主动升沉补偿功能，因此具有装机功率高、控制精度较低、能耗巨大的问题。

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绞车升沉补偿装置，以满足海上石油钻井的性能要求，同时降低系统能耗、简化钻机结构、提高钻井效率。

为实现上述目的，本发明的总体构思是采用差动行星齿轮系作为升沉补偿绞车的传动机构，通过主动补偿电机与被动补偿液压马达驱动外齿圈进行升沉补偿运动、送钻电机驱动太阳轮进行自动送钻运动，使得行星架与绞车滚筒输出复合运动，实现了两种运动的解耦控制与联合运动；气液转换器通过被动补偿液压马达承担钻柱的部分静载荷；主动补偿电机克服运动补偿过程中的其余载荷。

本发明采用的技术方案是在由电机、圆柱齿轮减速器、送钻电机、摆线减速机、离合器、联轴器、绞车轴、绞车滚筒、液压盘刹、死绳拉力传感器所构成的常规钻井绞车的基础上加入升沉补偿功能，将圆柱齿轮减速器替换为差动行星齿轮减速器，还增加了被动补偿液压马达、高位油箱、液动切断阀、失电保护阀、限速阀、气液转换器、工作气瓶、电磁卸荷溢流阀、补油单向阀、加速度传感器、旋转编码器和PLC控制单元。主动补偿电机与被动补偿液压马达通过离合器、联轴器与差动行星减速器的外齿圈齿轮相连，沿外齿圈周向布置；送钻电机经摆线减速机、联轴器与差动行星减速器的太阳轮相连。加速度传感器与平台固联，压力传感器安装在钻机死绳端，一个旋转编码器与主动补偿电机轴相连、另一个旋转编码器与绞车轴相连。液动切断阀的A口与被动补偿液压马达的高压油腔相连，液动切断阀的P口与失电保护阀的A口相连；失电保护阀的P口与高位油箱相连，失电保护阀的O口与气液转换器相连；气液转换器的气腔与工作气瓶相连；补油泵、补油单向阀和电磁卸荷溢流阀构成气液转换器的补油与安全回路；油箱布置于被动补偿液压马达上方，从而为液压马达低压腔提供恒压源；PLC控制单元分别与电机变频驱动系统、失电保护阀、电磁卸荷溢流阀、补油泵和各个传感器的控制信号接口电连接。绞车升沉补偿装置采用两侧对称布置。

本发明与现有技术相比，具有下列有益效果：

1．将钻井绞车与升沉补偿装置功能集于一身，节省了一套专用的补偿装置，并具有响应快速、钻井效率高、钻井系统重心低、补偿范围不受液缸长度的限制、钢丝绳寿命长、平台载荷与占用空间减少等诸多优势。

2．采用机电液联合驱动的方式，气液转换器通过被动补偿液压马达承担钻柱的部分静载荷，降低了主动补偿电机的能量输出，并通过对升沉补偿能量进行周期性的存储与释放，有效地控制了能量的消耗，降低了钻井操作成本。