力和损耗，为了解决这些问题，采用主动与被动联合使用，为天车提供一个相对于海底稳定的位置，尽可能减少主动补偿天车的偏移量，使平台在任何恶劣天气条件下都能够安全进行操作。主动补偿和被动补偿的联合作用使天车在整个平台相对于海底有上下移动时，天车的最大升沉位移可以控制在许用范围之内，满足钻井过程中部分阶段工况对于升沉补偿功能的较高要求。
[0026]在通常工况下主动补偿器不开启，只是由被动型补偿器承担升沉补偿功能。主动升沉补偿器在被动升沉补偿器启动后才能开始工作。主要针对以下工作内容才启动主动波浪补偿器工作:
(1)超过I吨的模块海底着陆
(2)BOP(带隔水管)模块海底着陆。
[0027](3)钻孔作业中稳定位置工况(包括滑动套管作业、采油树定位设置、扩孔、混凝土固管)
(4)主动油缸行程与被动系统“峰对峰”行程相对应。
[0028]基于各种被动天车补偿器系统的数学仿真和信息，主动油缸部分压力为150bar的情况下，所需典型最大推力/拉力的范围将在±15mtonnes之间。
[0029]该补偿器是面向竖直方向钻井“大钩”运动进行补偿运动，在使用主动升沉补偿器的情况下，处于“主动升沉补偿器位置模式”时，可以消除90%的升沉运动。AHC系统能施加所需作用力以克服摩擦力以及DSC系统中的其他损失，用于补偿85 - 90%区间的钻井船升沉运动(85%以内的钻井船升沉运动由被动升沉补偿器承担)。
[0030]主动AHC是被动DSC系统的附加系统，当只采用被动升沉补偿时，实际钻机运动和被动升沉补偿之间存在时间间隔，从而造成补偿力的波动。因此需要启动主动升沉补偿器(AHC)对钻柱运动补偿器天车施加作用力，以尽可能波动范围，一般取主动补偿力为被动补偿力的5%。
[0031]两个系统可以相互作用，当启用主动升沉补偿器(AHC)时，被动天车补偿器(DSC)系统将启动如下功能:
DSC系统中启动“减压”阀的电磁阀，对被动系统进行减压。即当采用主动升沉补偿器(AHC)用于着陆作业时，信号传输至DSC系统以释放该系统中部分补偿压力，以保证开启AHC时总支撑力稳定，同时开启AHC驱动钻柱向下稳速运动。
[0032]为AHC系统提供DSC油缸压力的压力传感器中的信号。在使用过程中，主动补偿油缸缸体固定在钻井平台上，其活塞杆与浮动天车相连。控制器模块从MRU传感器获得钻井平台升沉运动的相关信号，包括升沉位移、速度等，并通过控制算法解算后通过ECC控制柜、MCC控制柜控制液压系统的泵站启动，形成油压，并控制液压系统的方向切换阀，控制主动补偿油缸的A 口、B 口轮流进油，驱动主动补偿油缸的活塞杆主动伸出和收回，实现主动升沉补偿功能；通过，主动升沉补偿的位移、速度、补偿力等信号反馈到控制器模块，不断与MRU提供的平台运动信息进度对比、解算，调整对泵站和阀组的控制信号，最终实现主动油缸升沉补偿能力与MRU平台运动信息的闭环控制；控制面板具有自动、手动等控制功能，并可以实时显示补偿的各种信息。
[0033]通过保持整个钻柱不随船体的升沉而上下运动，从而保持井底钻压的相对恒定；被动型补偿装置补偿器的补偿量总会有一个滞后时间，同时液缸柱塞运动的时候，不可避免会产生一部分摩擦力和损耗，为了解决这些问题，采用主动与被动联合使用，为天车提供一个相对于海底稳定的位置，尽可能减少主动补偿天车的偏移量，使钻井作业在恶劣天气条件下能够安全操作。
[0034]被动补偿油缸本体固定在钻井平台上，当钻井平台向上运动时，缸体以相同速度向上运动。其活塞杆的下腔与大容积高压气体相连，相对于连接在气弹簧上，此时，活塞杆向下运动，因为气弹簧本身的刚度和活塞与缸体的摩擦力影响，活塞杆向下移动的速度受到阻碍影响，在一定程度上低于平台运动速度。此时，主动补偿力提供给活塞杆一个外力，沿活塞杆运动方向，用于克服气弹簧本身刚度影响和摩擦力的影响，提高被动补偿活塞杆运动速度，达到补偿效果的要求。这样，主、被动联合补偿机制就使得升沉补偿速度与平台运动速度的差距非常小，解决了被动补偿器补偿速度迟滞与平台运动速度的问题，可以满足钻井工况中包括安装BOP、采油树、斜井测量等较高精度的工况要求。当平台向下运动时，主被动联合补偿的机理也是类似的。
[0035]主被动联合补偿的效果同时也体现在补偿力的恒定。因为有系统摩擦力、气瓶气体体积变化造成的压力变化等因素影响，单根被动油缸补偿器的补偿力波动范围为10%至15%，不能满足目前钻井工况要求补偿力波动范围不能超过10%的要求。因此，被动补偿器油缸的补偿力应设计为额定补偿负载的5%，弥补被动补偿器波动量比工况要求多出5%的影响。主动补偿力为额定负载454的5%，即可取25t。这样，就可保证的主动补偿和被动补偿的联合作用使天车在整个平台相对于海底有上下4m的移动时，天车的最大位移控制在0.5m之内，保证了井底钻压的相对恒定，满足钻井工况要求。
[0036]浮动天车为最终的被补偿部件，与钻柱、游车相连；被动补偿油缸提供补偿力，通过油压保持活塞杆的恒压力，实现天车的波浪补偿；蓄能器为气液蓄能器，通过气压为液体提供压力，从而保持油压的恒定；限速阀:控制油缸和蓄能器之间的液压传动的流量和压力，在紧急情况起到紧急制动功能；工作气瓶为蓄能器提供恒定气压；备用气瓶为工作气瓶补偿压力；MRU模拟器获取平台运行信息，通过电控系统控制主动液压动力单元，控制主动补偿油缸上下运动，并通过位移检测形成闭环位移控制。
【主权项】
1.一种深水钻井天车型波浪补偿装置，具有一个用于海底钻井作业，并悬挂钻柱和钻井设备的浮动天车(9)，其特征在于:所述浮动天车(9)置于被动天车补偿器的被动补偿油缸(7)的活塞杆上，浮动天车(9)上面固定连接主动升沉补偿器(2)的主动补偿油缸的活塞杆，主动补偿油缸(2)的缸体和被动补偿油缸(7)的缸体固定在钻井平台上，被动补偿油缸(7)通过气液蓄能器(6)连接工作气瓶(8)，为被动补偿油缸(7)提供补偿力，通过油压保持被动补偿油缸(7)的活塞杆的恒压力，实现浮动天车(9)的波浪补偿；所述主动补偿油缸(2)通过方向切换阀(3)连接主动液压动力单元(I)，主动液压动力单元(I)连接MCC控制柜，MCC控制柜连接控制器模块，控制器模块通过MRU传感器(5)获得钻井平台升沉运动的信号，并通过ECC控制柜控制主动液压动力单元(I)的泵站启动，以及控制主动液压动力单元(I)的方向切换阀(3)来控制主动补偿油缸(2)的活塞杆主动伸出和收回，实现主动升沉补偿。2.根据权利要求1所述的深水钻井天车型波浪补偿装置，其特征在于:所述浮动天车(9)装在一个浮动的框架内，框架内设有垂直轨道，浮动天车通过滚轮在垂直轨道内上下移动。3.根据权利要求1所述的深水钻井天车型波浪补偿装置，其特征在于:所述主动补偿油缸(2)的两个轮流进油口之间连接有限速阀(4)，用于控制油缸和蓄能器之间的液压传动的流量和压力。
【专利摘要】本发明涉及一种深水钻井天车型波浪补偿装置，浮动天车置于被动天车补偿器的被动补偿油缸的活塞杆上，浮动天车上面固定连接主动升沉补偿器的主动补偿油缸的活塞杆，补偿油缸的缸体固定在钻井平台上，被动补偿油缸通过气液蓄能器连接工作气瓶，为被动补偿油缸提供补偿力，通过油压保持被动补偿油缸的活塞杆的恒压力，实现浮动天车的波浪补偿；主动补偿油缸通过方向切换阀连接主动液压动力单元，主动液压动力单元连接控制柜，控制柜连接控制器模块，控制器模块通过MRU传感器获得钻井平台升沉运动的信号，并通过控制柜控制主动液压动力单元的泵站，以及控制主动液压动力单元的方向切换阀来控制主动补偿油缸的活塞杆主动伸出和收回，实现主动升沉补偿。
【IPC分类】E21B19/09
【公开号】CN104912494
【申请号】CN201510276864
【发明人】余德泉, 俞志刚, 李彬, 夏海红, 阎涛
【申请人】中国船舶重工集团公司第七0四研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月27日