可变绳系的双滚筒绞车提升系统及绳系变换方法与流程

本发明涉及石油钻井设备技术领域，具体的说是一种钻机游动系统变绳系装置。

背景技术：

半潜式钻井平台是深海油气资源勘探开发的利器，大量的新技术在半潜式平台上得以体现。就钻机提升系统而言，现今较为普遍的半潜式钻井平台上提升系统与常规提升系统相似，包括绞车、游动系统和井架，提升系统中绳系恒定，效率恒定，设备冗余度较低；由于半潜式平台受到风浪流的影响出现升沉变化，为保证钻井作业正常进行，升沉补偿装置在平台上成为标配，目前较为普遍的方式是在游动系统天车定滑轮组上增加天车定滑轮组补偿装置，但该装置位于井架顶部，会造成平台整体重心升高，稳定性降低。

石油钻机游动系统是由天车的定滑轮和游车的动滑轮通过钢丝绳缠绕组成的复滑轮系统，可变绳系式游动系统由一部天车和多部单滑轮游车组成，可在钻井过程中根据不同钻井工况通过将单滑轮游车成对对称变换成定滑轮或者动滑轮来变换绳系，保证滚筒绞车电机始终在高效区运行，提高运行效率。在游动系统进行变换绳系时如果完全采用人工进行操作，工作量大，工作效率低，危险系数高。所以，变绳系装置的自动化操作和控制就显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统及绳系变换方法，能够快速、自动化实现提升系统绳系的变换，以提高提升效率和设备冗余度，解决人工操作工作量大，效率低的问题。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统，它包括安装在井架顶端的天车架、由数部单滑轮游车组成的动滑轮游车组、钢丝绳、双滚筒绞车，天车架上安装有定滑轮组、导向滑轮，所述天车架底部安装有上部锁紧装置，单滑轮游车内部安装有下部钩锁装置；所述上部锁紧装置包括锁紧梁，锁紧梁的上下翼板之间均布有数块垂直于上下翼板的筋板，将锁紧梁内腔分割为数个空腔，空腔内设有固定在锁紧梁腹板上的一对第一气缸，每个第一气缸的活塞端顶端安装有锁扣；所述下部钩锁装置为一个连杆机构，包括游车钩、第一连杆、第二连杆、第三连杆、导杆，第一连杆与第二连杆的端部相互铰接，第一连杆的前端与游车钩相铰接，第二连杆的后端铰接在单滑轮游车的侧板上，第三连杆的底端铰接在第二连杆上，第三连杆的顶端与导杆的底端相铰接，导杆的顶端设有复位弹簧，复位弹簧处于拉紧状态；导杆的顶部与第二气缸的活塞端底部相邻并共面，数个并排布置的第二气缸安装在锁紧梁的外侧。

优选的，所述第二气缸的数量比单滑轮游车的数量少两个。

优选的，所述第一连杆与第二连杆连接处转动的方向与游车钩钩锁打开方向相反，第一连杆与第二连杆的连接点外侧设有挡块。

优选的，所述筋板的底部均设有导向装置。

优选的，所述锁紧梁由下翼板具有高度差的焊接H型钢制备而成。

优选的，一端固定在双滚筒绞车其中一个滚筒上的钢丝绳绕过安装在天车架上的导向滑轮依次顺序穿过定滑轮组中的定滑轮和动滑轮游车组中的单滑轮游车，再通过另两个导向滑轮缠绕并固定到双滚筒绞车的另一个滚筒上，定滑轮组、动滑轮游车组组成游动系统。

优选的，所述钢丝绳从定滑轮组的同侧出绳。

一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统绳系变换方法，由数部单滑轮游车组成的动滑轮游车组在上部锁紧装置与下部钩锁装置的配合下，控制不同数量的单滑轮游车位置固定在上部锁紧装置的底部成为动滑轮，进行提升系统的绳系变换，其具体过程为：

步骤一、在双滚筒绞车的作用，所有的单滑轮游车同步向上移动共同作业提升游车支架和顶驱，除最外侧的两部单滑轮游车外，其他的单滑轮游车均与上部锁紧装置相接触，第二气缸的底端与安装在与其相对应单滑轮游车内部的导杆的顶部相接触；

步骤二、双滚筒绞车继续转动，最外侧的两部单滑轮游车将提升游车支架和顶驱继续上升，至两部单滑轮游车与上部锁紧装置接触后停止转动，此时游车支架与位于中间的单滑轮游车的游车钩脱开接触，便于钩锁的打开；

步骤三、作业人员控制上部锁紧装置中的第一气缸的活塞端伸出，活塞端顶部的锁扣将中间两部单滑轮游车扣住，这两部单滑轮游车固定在上部锁紧装置的底部；作业人员控制上部锁紧装置位于中间的两个第二气缸的活塞端伸出，推动中间两部单滑轮游车中下部钩锁装置的导杆向下运动，在导杆的推动作用下，第一连杆和第二连杆围绕其连接点转动，通过死点后，游车钩的钩锁被打开，中间两部单滑轮游车与游车支架脱离，成为固定在上部锁紧装置底部的定滑轮；

步骤四、双滚筒绞车继续转动，收放钢丝绳，其他单滑轮游车开始下降，上部锁紧装置的第一气缸、第二气缸复位，中间两部单滑轮游车中的下部钩锁装置也同时复位，提升系统变为12绳系；

步骤五、根据上述步骤依次类推，动滑轮游车组中的单滑轮游车由内至外依次成对对称与游车支架脱离，固定到上部锁紧装置的底部成为定滑轮，最外侧的两部单滑轮游车始终固定在游车支架上为动滑轮，即可实现提升系统的8绳系、4绳系的变换。

优选的，所述动滑轮游车组含有8部单滑轮游车。

优选的，所述钢丝绳从定滑轮组的同侧出绳。

本发明中，由数部单滑轮游车组成的动滑轮游车组安装在游车支架上部，游车支架用来连接顶驱，并提升钻井载荷。动滑轮游车组可根据钻井参数需求对称放置在井眼中心，根据钻井工况进行变绳系作业。

本发明的有益效果为：

（1）本发明中，动滑轮游车组中的单滑轮游车由内至外依次成对对称与游车支架脱离，固定到上部锁紧装置的底部成为定滑轮，最外侧的两部单滑轮游车始终固定在游车支架上为动滑轮，即可实现提升系统的12绳系、8绳系、4绳系的变换；本发明结构设计巧妙、科学、实用，能够快速、自动化实现提升系统绳系的变换；

（2）本发明通过安装在天车架底部的上部锁紧装置和安装在数部单滑轮游车内部中的下部钩锁装置的相互配合，在双滚筒绞车的拉动作用下，通过第一气缸推动锁扣将中间的单滑轮游车扣住后，再控制第二气缸活塞端伸出，推动下部钩锁装置连动，打开中间单滑轮游车的钩锁，使得中间单滑轮游车与游车支架脱离，两侧的其他单滑轮游车开始下降，完成了游动系统的变绳系动作；本发明结构设计新颖，通过远程自动化控制即可实现游动系统的变绳系动作，省时省力，安全可靠；

（3）本发明所述的下部钩锁装置为连杆机构，第一连杆与第二连杆连接处转动的方向与游车钩钩锁打开方向相反，第一连杆与第二连杆的连接点外侧设有起限位作用的挡块，挡块能够阻止第一连杆与第二连杆反向转动，可有效防止连杆机构自己打开游车钩钩锁，安全性能高；

（4）下部钩锁装置中导杆的顶端安装有处于拉紧状态的复位弹簧，使得下部钩锁装置在没有外力的作用下，游车钩钩锁无法自动打开，下部钩锁装置具备自锁功能，极大提高了设备的安全性能；

（5）本发明中双滚筒绞车能够提高提升系统的工作效率和设备冗余度，省时省力；

（6）本发明中主动补偿绞车的设置，可有效降低钻井设备的重心，提高钻井井架的稳定性。

附图说明

图1是可变绳系的双滚筒绞车提升系统的结构示意图；

图2是图1中上部锁紧装置的结构示意图；

图3是图1中下部钩锁装置的结构示意图；

图4是可变绳系的双滚筒绞车提升系统中钢丝绳穿绳的原理图；

图5是可变绳系的双滚筒绞车提升系统为12绳系时的结构示意图；

图6是可变绳系的双滚筒绞车提升系统为8绳系时的结构示意图；

图7是可变绳系的双滚筒绞车提升系统为4绳系时的结构示意图；

图中：1、上部锁紧装置，2、下部钩锁装置，3、天车架，4、单滑轮游车，5、锁紧梁，6、筋板，7、第一气缸，8、锁扣，9、导向装置，10、第二气缸，11、游车钩，12、第一连杆，13、第二连杆，14、第三连杆，15、挡块，16、导杆，17、复位弹簧，18、游车支架，19、顶驱，20、钢丝绳，21、定滑轮组，22、导向滑轮，23、双滚筒绞车。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图4所示的一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统，它包括安装在井架顶端的天车架3、由八部单滑轮游车4组成的动滑轮游车组、钢丝绳20、双滚筒绞车23，天车架3上安装有定滑轮组21、导向滑轮22，天车架3底部安装有上部锁紧装置1，单滑轮游车4内部安装有下部钩锁装置2；上部锁紧装置1包括锁紧梁5，锁紧梁5由下翼板具有高度差的焊接H型钢制备而成。锁紧梁5的上下翼板之间均布有数块垂直于上下翼板的筋板6，将锁紧梁5内腔分割为数个空腔，空腔内设有固定在锁紧梁5腹板上的一对第一气缸7，每个第一气缸7的活塞端顶端安装有锁扣8；下部钩锁装置2为一个连杆机构，包括游车钩11、第一连杆12、第二连杆13、第三连杆14、导杆16，第一连杆12与第二连杆13的端部相互铰接，第一连杆12与第二连杆13连接处转动的方向与游车钩钩锁打开方向相反，第一连杆12与第二连杆13的连接点外侧设有挡块15。第一连杆12的前端与游车钩11相铰接，第二连杆13的后端铰接在单滑轮游车4的侧板上，第三连杆14的底端铰接在第二连杆上，第三连杆14的顶端与导杆16的底端相铰接，导杆16的顶端设有复位弹簧17，复位弹簧17处于拉紧状态；导杆16的顶部与第二气缸10的活塞端底部相邻并共面，六个并排布置的第二气缸10安装在锁紧梁5的外侧。

筋板6的底部均设有导向装置9。

一端固定在双滚筒绞车23其中一个滚筒上的钢丝绳20绕过安装在天车架3上的导向滑轮7依次顺序穿过定滑轮组21中的定滑轮和动滑轮游车组中的单滑轮游车4，再通过另两个导向滑轮7缠绕并固定到双滚筒绞车23的另一个滚筒上，定滑轮组21、动滑轮游车组组成游动系统。钢丝绳20从定滑轮组21的同侧出绳。

实施例1

如图5所示，一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统12绳系变换方法，由八部单滑轮游车4组成的动滑轮游车组在上部锁紧装置1与下部钩锁装置2的配合下，控制居中的两部单滑轮游车4位置固定在上部锁紧装置1的底部成为动滑轮，进行提升系统的绳系变换，其具体过程为：

步骤一、在双滚筒绞车23的作用，所有的单滑轮游车4同步向上移动共同作业提升游车支架18和顶驱19，除最外侧的两部单滑轮游车4外，其他的单滑轮游车4均与上部锁紧装置1相接触，第二气缸10的底端与安装在与其相对应单滑轮游车4内部的导杆16的顶部相接触；

步骤二、双滚筒绞车继续转动，最外侧的两部单滑轮游车4将提升游车支架18和顶驱19继续上升，至两部单滑轮游车4与上部锁紧装置1接触后停止转动，此时游车支架18与位于中间的单滑轮游车4的游车钩11脱开接触，便于钩锁的打开；

步骤三、作业人员控制上部锁紧装置1中居中的两组第一气缸7的活塞端伸出，活塞端顶部的锁扣8将中间两部单滑轮游车4扣住，这两部单滑轮游车4固定在上部锁紧装置1的底部；作业人员控制上部锁紧装置1位于中间的两个第二气缸10的活塞端伸出，推动中间两部单滑轮游车4中下部钩锁装置2的导杆16向下运动，在导杆16的推动作用下，第一连杆12和第二连杆13围绕其连接点转动，通过死点后，游车钩11的钩锁被打开，中间两部单滑轮游车4与游车支架18脱离，成为固定在上部锁紧装置1底部的定滑轮；

步骤四、双滚筒绞车23继续转动，收放钢丝绳20，其他单滑轮游车4开始下降，上部锁紧装置1的第一气缸7、第二气缸10复位，中间两部单滑轮游车4中的下部钩锁装置2也同时复位，提升系统变为12绳系。

实施例2

如图6所示，一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统8绳系变换方法，由八部单滑轮游车4组成的动滑轮游车组在上部锁紧装置1与下部钩锁装置2的配合下，控制居中的四部单滑轮游车4位置固定在上部锁紧装置1的底部成为动滑轮，进行提升系统的绳系变换，其具体过程为：

步骤一、在双滚筒绞车23的作用，所有的单滑轮游车4同步向上移动共同作业提升游车支架18和顶驱19，除最外侧的两部单滑轮游车4外，其他的单滑轮游车4均与上部锁紧装置1相接触，第二气缸10的底端与安装在与其相对应单滑轮游车4内部的导杆16的顶部相接触；

步骤二、双滚筒绞车继续转动，最外侧的两部单滑轮游车4将提升游车支架18和顶驱19继续上升，至两部单滑轮游车4与上部锁紧装置1接触后停止转动，此时游车支架18与位于中间的单滑轮游车4的游车钩11脱开接触，便于钩锁的打开；

步骤三、作业人员控制上部锁紧装置1中的居中的四组第一气缸7的活塞端伸出，活塞端顶部的锁扣8将中间四部单滑轮游车4扣住，这四部单滑轮游车4固定在上部锁紧装置1的底部；作业人员控制上部锁紧装置1位于中间的四个第二气缸10的活塞端伸出，推动中间四部单滑轮游车4中下部钩锁装置2的导杆16向下运动，在导杆16的推动作用下，第一连杆12和第二连杆13围绕其连接点转动，通过死点后，游车钩11的钩锁被打开，中间四部单滑轮游车4与游车支架18脱离，成为固定在上部锁紧装置1底部的定滑轮；

步骤四、双滚筒绞车23继续转动，收放钢丝绳20，其他单滑轮游车4开始下降，上部锁紧装置1的第一气缸7、第二气缸10复位，中间四部单滑轮游车4中的下部钩锁装置2也同时复位，提升系统变为8绳系。

实施例3

如图7所示，一种可变绳系的双滚筒绞车提升系统4绳系变换方法，由八部单滑轮游车4组成的动滑轮游车组在上部锁紧装置1与下部钩锁装置2的配合下，控制居中的六部单滑轮游车4位置固定在上部锁紧装置1的底部成为动滑轮，进行提升系统的绳系变换，其具体过程为：

步骤一、在双滚筒绞车23的作用，所有的单滑轮游车4同步向上移动共同作业提升游车支架18和顶驱19，除最外侧的两部单滑轮游车4外，其他的单滑轮游车4均与上部锁紧装置1相接触，第二气缸10的底端与安装在与其相对应单滑轮游车4内部的导杆16的顶部相接触；

步骤二、双滚筒绞车继续转动，最外侧的两部单滑轮游车4将提升游车支架18和顶驱19继续上升，至两部单滑轮游车4与上部锁紧装置1接触后停止转动，此时游车支架18与位于中间的单滑轮游车4的游车钩11脱开接触，便于钩锁的打开；

步骤三、作业人员控制上部锁紧装置1中的六组第一气缸7的活塞端伸出，活塞端顶部的锁扣8将中间六部单滑轮游车4扣住，这六部单滑轮游车4固定在上部锁紧装置1的底部；作业人员控制上部锁紧装置1中六个第二气缸10的活塞端伸出，推动中间六部单滑轮游车4中下部钩锁装置2的导杆16向下运动，在导杆16的推动作用下，第一连杆12和第二连杆13围绕其连接点转动，通过死点后，游车钩11的钩锁被打开，中间六部单滑轮游车4与游车支架18脱离，成为固定在上部锁紧装置1底部的定滑轮；

步骤四、双滚筒绞车23继续转动，收放钢丝绳20，外侧的两部单滑轮游车4开始下降，上部锁紧装置1的第一气缸7、第二气缸10复位，中间六部单滑轮游车4中的下部钩锁装置2也同时复位，提升系统变为4绳系。

根据上述步骤依次类推，动滑轮游车组中的单滑轮游车4由内至外依次成对对称与游车支架18脱离，固定到上部锁紧装置1的底部成为定滑轮，最外侧的两部单滑轮游车4始终固定在游车支架18上为动滑轮，即可实现提升系统的12绳系、8绳系、4绳系的变换。

本发明结构设计巧妙、科学、实用，能够快速、自动化实现提升系统绳系的变换；本发明结构设计新颖，通过远程自动化控制即可实现游动系统的变绳系动作，省时省力，安全可靠；可有效防止连杆机构自己打开游车钩钩锁，安全性能高；下部钩锁装置具备自锁功能，极大提高了设备的安全性能；能够提高提升系统的工作效率和设备冗余度，省时省力；可有效降低钻井设备的重心，提高钻井井架的稳定性。