一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，它包括了浮动天车、齿轮齿条驱动补偿装置、液压支撑锁定装置、导向装置、被动补偿钢丝绳摇臂机构以及相应的控制系统等部件，齿轮齿条驱动补偿系统提升了浮动天车升沉补偿的稳定性和可靠性；浮动天车液压支撑锁定系统提高了液压支撑系统的稳定性、增加了紧急情况锁定功能；导向装置能够控制升沉补偿中的摆动，使得浮动天车在升沉补偿过程中能够平稳运行；被动补偿钢丝绳摇臂机构可实现被动补偿功能，并提高升沉补偿运动的能量利用率和补偿效率。本发明的有益效果是：改进了天车升沉补偿系统，提高了天车补偿系统的稳定性、可靠性和补偿效率。
【专利说明】
一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统
技术领域
[0001]本发明涉及深水钻井设备技术领域，特别是一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统。
【背景技术】
[0002]随着近年来国民经济的快速发展，我国对油气资源的需求急剧增加，供需矛盾日益严峻，已经成为制约我国未来经济进一步健康发展的瓶颈难题。为此，国家专门制定了《我国21世纪可持续发展油气资源战略规划》，该规划的重大战略目标要求“从全球战略着目艮，保证油气资源的长期稳定供给”，必须充分“发挥国内油气资源的基础性保障作用”，并保证在今后20年内油气供应的对外依存度低于60%的安全线。同时《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》也明确提出要“合理开发利用海洋资源，积极发展海洋油气、海洋运输、海洋工程装备制造等新兴产业，加强海洋基础性、前瞻性、关键性技术的研发力度”，提高我国海洋科技水平，增强海洋开发利用能力。向深海进军，进行油气开发利用已成为我国今后石油战略的主要发展方向，推动海洋油气装备的国产化程度和技术水平，这是我国实施油气开发走向深海和维护海洋权益的技术基础。(廖谟圣.中国海洋石油钻采装备工业的进展与建议[C].中国海洋油气国际峰会论文集，2006.周守为，金晓剑，曾恒一，等.海洋石油装备与设施一支撑起海洋石油工业的平台[J].中国工程科学，2010，12(5):102-112.刘清友，徐涛.深海钻井升沉补偿装置国内现状及发展思路[J].西南石油大学学报(自然科学版)，2014，36(3):1-8.)
在进行深海油气开发钻井作业过程中，需要利用浮式钻井平台作为作业场地和人员休整基地，由于外界风、浪等自然载荷的作用会使半潜式钻井平台发生周期性的升沉运动，该运动将使大钩所悬挂的钻柱跟随平台一起做往复升沉运动。当钻井平台上升位移过大，大钩带动钻柱运动并使钻头脱离井底，影响钻头的钻进效率;当钻井平台下降位移过大，钻柱被压缩导致井底钻压大于规定钻压，可能压坏钻头或损坏钻柱，造成钻井安全隐患。为避免钻井安全事故的发生和降低钻井作业成本，需要对深海钻井平台所悬挂钻柱系统的升沉运动采取适当的运动补偿措施。
[0003]升沉补偿装置作为深海油气开发利用过程中的钻井作业关键设备，能够对因浮式钻井平台升沉运动而引起的钻柱升沉位移进行有效补偿，从而保证钻井作业效率和使用安全，降低钻井作业周期和成本。浮式钻井平台针对钻柱升沉运动的补偿方式主要分为两种:①在钻柱管串中增设伸缩钻杆;②在钻井平台上增加各种类型钻柱升沉补偿装置。伸缩钻杆由于无法调节井底钻压，操作难度大，近年来逐渐被后者所取代。钻柱升沉补偿装置按照补偿过程中动力提供方式可分为被动式、半主动式和主动式三类;按照补偿装置结构类型可分为天车升沉补偿装置、游车大钩升沉补偿装置、死绳升沉补偿装置和绞车升沉补偿装置四类。
[0004]天车升沉补偿装置作为投入现场实际使用和相关补偿技术发展都较早的一类升沉补偿装置，因其技术成熟和安全可靠性高，目前在深水浮式钻井平台和钻井船中得到了广泛应用。该装置主要由浮动天车、驱动补偿系统、液压支撑系统(由液压补偿缸总成、液压管线、控制阀、蓄能器等组成)、导向装置(由导向轮、导向支撑架等组成)、钢丝绳摇臂机构以及相应的控制系统等部件组成。
[0005]目前使用的天车升沉补偿装置主要采用液压驱动补偿形式，液压驱动系统中由于存在大量液压管路和控制阀门等液压元器件，使得补偿系统对钻井平台升沉运动的补偿响应存在一定的滞后性，会对天车升沉补偿装置的补偿速度与效率产生影响；
由于补偿系统中存在大量液压元器件，使液压系统在较大压力情况下易出现泄露，影响补偿系统的安全性和使用可靠性，由于液压系统泄露或液压阀门管线失效等问题所造成的作业事故，会导致补偿系统需要停工检修，因此增加系统维护难度和整体作业成本。在天车升沉补偿运动过程中，有些钻井作业需要浮动天车被锁定在某一固定高度位置，便于作业过程中的上、卸扣等操作流程的进行。
[0006]浮动天车在升沉补偿运动过程中，对于机械驱动方式的动力端会使位于钻井井架顶端内的浮动天车产生摇摆，不利于运动补偿过程的平稳进行。
[0007]钢丝绳摇臂机构是对浮式钻井平台进行升沉运动补偿的天车升沉补偿装置中的重要组成部分，钢丝绳摇臂机构主要对钻井钢丝绳起到导向作用以及减少钢丝绳在钻井绞车上的缠绕次数，实现降低钢丝绳的磨损和提高使用寿命的目的。现有该机构并不具备能量存储和释放的被动补偿功能，但钻井钢丝绳所悬挂的钻柱重量有上百吨，使用天车升沉补偿装置对钻柱运动补偿过程中，钢丝绳摇臂机构部分具有大量可利用的能量，这部分能量在运动过程中都无法得到利用。
[0008]现有的天车升沉补偿系统采用液压驱动补偿形式、液压支撑系统不具有锁定功能，且补偿过程中会产生摇摆，此外，钢丝绳摇臂机构运动能量无法加以利用。常规天车升沉补偿系统普遍存在浮动天车的补偿效率不高，浮动天车在上下往复运动过程中不够稳定以及各机构的可靠性不高等问题。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，该装置使用机械驱动式代替原有补偿系统中的液压驱动式、增加了浮动天车锁定导向功能以及改进了钢丝绳摇臂机构被动补偿功能，并具有结构简单、可靠性好、补偿效率高和系统响应速度快等优点。
[0010]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，包括井架框架、齿轮齿条驱动补偿机构、液压支撑锁定机构、导向装置、具备被动补偿功能的被动补偿钢丝绳摇臂机构、浮动天车和游车，所述齿轮齿条驱动补偿机构固定安装在井架框架的顶部，导向装置安装在井架框架内，浮动天车滑动安装在导向装置上，且能够沿导向装置上下浮动，所述液压支撑锁定机构安装在井架框架的底部，并与浮动天车连接，所述液压支撑锁定机构能够在任意位置锁定浮动天车，所述被动补偿钢丝绳摇臂机构安装在井架框架的底部两侧，被动补偿钢丝绳摇臂机构与浮动天车连接，所述游车通过钢丝绳吊装在浮动天车上，游车上安装有大钩。
[0011]所述齿轮齿条驱动补偿机构包括定位安装台、直齿条轨道一、直齿条轨道二、驱动齿轮一和驱动齿轮二，所述定位安装台固定在井架框架的顶部，定位安装台上对称安装有补偿电机一和补偿电机二，补偿电机一的输出端与驱动齿轮一传动连接，补偿电机二的输出端与驱动齿轮二传动连接，直齿条轨道一和直齿条轨道二背靠背地置于定位安装台的一侧，直齿条轨道一与驱动齿轮一嗤合，直齿条轨道二与驱动齿轮二嗤合，直齿条轨道一和直齿条轨道二的下端固定在浮动天车的上端。
[0012]所述液压支撑锁定机构包括液压支撑缸一、液压支撑缸二以及能够储存液压支撑缸一和液压支撑缸二的液压能量的蓄能器，液压支撑缸一和液压支撑缸二固定在井架框架的底部，液压支撑缸一和液压支撑缸二的伸缩杆分别对称支撑在浮动天车的下方，蓄能器分别与液压支撑缸一和液压支撑缸二连接。
[0013]所述液压支撑缸一和液压支撑缸二的无杆腔与二通盖板式插装阀一的第一接口连接，二通盖板式插装阀一的第二接口与二通盖板式插装阀二的第一接口连接，二通盖板式插装阀二的第二接口与蓄能器连接;所述液压支撑缸一和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀的第二接口分别与单向变量液压栗的出口和直动型溢流阀的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀的第三接口与背压阀的第一接口连接，单向变量液压栗的入口、直动型溢流阀的第二接口以及背压阀的第二接口分别与液压油箱连接，单向变量液压栗由电动机驱动。
[0014]所述液压支撑缸一和液压支撑缸的无杆腔与二通盖板式插装阀一之间的主管路上安装有液压支撑缸无杆腔压力计，所述液压支撑缸一和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀的第一接口之间的主管路上安装有液压支撑缸有杆腔压力计，所述二通盖板式插装阀一与二通盖板式插装阀二之间安装有二位二通液压先导控制换向阀，二通盖板式插装阀二的一侧安装有二位二通电磁换向阀。
[0015]所述液压支撑锁定机构还包括液压锁定回路，所述液压锁定回路包括过滤器、二位二通液控换向阀、液压先导阀、单作用气动操作阀和气罐，单作用气动操作阀的两端分别与气罐连通，二位二通液控换向阀的第一控制端与蓄能器连接，过滤器与二位二通液控换向阀的第一接口与过滤器连接，二位二通液控换向阀的第二接口分别与液压先导阀的第一控制端和液压油箱连通，液压先导阀的第二控制端分别与二位二通液控换向阀的第二控制端和第三接口连接，二位二通液控换向阀的第一控制端与单作用气动操作阀的第一入口连接，过滤器还与单作用气动操作阀的第二入口连接，单作用气动操作阀的第一出口与液压油箱连通，二位二通液控换向阀与液压先导阀之间的管路上安装有单向阀，单向阀的入口侧与单作用气动操作阀的第二出口连接，出口侧与单作用气动操作阀的第一控制端连接。
[0016]所述导向装置包括直线导轨、导向轮和轴向导轨支撑架，直线导轨竖直安装在井架框架上，直线导轨与井架框架之间通过轴向导轨支撑架固定，导向轮安装在浮动天车上，导向轮与直线导轨配合。
[0017]所述直线导轨包括安装在井架框架一侧的直线导轨一和直线导轨二、安装在井架框架另一侧的直线导轨三和直线导轨四，导向轮包括与直线导轨一对应的导向轮一，与直线导轨二对应的导向轮二、与直线导轨三对应的导向轮三以及与直线导轨四对应的导向轮四，导向轮一通过导向轮轴一安装在浮动天车上，导向轮二通过导向轮轴二安装在浮动天车上，导向轮三通过导向轮轴三安装在浮动天车上，导向轮四通过导向轮轴四安装在浮动天车上。
[0018]所述被动补偿钢丝绳摇臂机构包括摇臂支撑缸一、摇臂支撑缸二、摇臂支撑缸三、摇臂支撑缸四、摇臂导向轮一、摇臂导向轮二、液压缸一和液压缸二，摇臂支撑缸一的下端铰接安装在快绳导向轮上，快速导向轮安装在井架框架的一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮一，摇臂导向轮一还与摇臂支撑缸二的一端铰接，摇臂支撑缸二的另一端与浮动天车铰接相连，摇臂导向轮一还与液压缸一的一端铰接，液压缸一的另一端铰接在井架框架上，摇臂支撑缸四的下端铰接安装在死绳导向轮上，死绳导向轮安装在井架框架的另一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮二，摇臂导向轮二还与摇臂支撑缸三的一端铰接，摇臂支撑缸三的另一端与浮动天车铰接相连，摇臂导向轮二还与液压缸二的一端铰接，液压缸二的另一端铰接在井架框架上，快绳绕过快绳导向轮和摇臂导向轮一后，进入浮动天车和游车的滚轮进行缠绕，死绳绕过死绳导向轮和摇臂导向轮二后，进入浮动天车和游车的滚轮进行缠绕。
[0019]所述液压缸一的一侧还设置有蓄能器一，蓄能器一与液压缸一的无杆腔连接，所述液压缸二的一侧还设置有蓄能器二，蓄能器二与液压缸二的无杆腔连接。
[0020]本发明具有以下优点:
1、本发明为半主动补偿式的天车升沉补偿系统，兼具有被动补偿式和主动补偿式两类补偿装置系统的优点，因此，该类补偿装置系统可实现被动补偿和主动补偿的两大功能。
[0021]2、当浮动天车处于锁定状态时，天车升沉补偿装置不对浮动天车产生主动驱动力作用，浮动天车静负载由双液压支撑缸系统承载，此时通过气液蓄能器存储能量；当天车升沉补偿装置处于补偿过程时，该部分能量被释放，能够有效减轻齿轮齿条驱动补偿系统在啮合过程中所承受的负载，保证机械驱动部分的有效工作。浮动天车及其所悬挂负载在升沉补偿路径中的任意位置被锁定，即使在遭遇钻杆断裂或者液压回路中供油软管破裂漏油情况时，也能自动进行关闭。
[0022]3、直线导轨上下两端固定在井架上部外框架上，导向轮与直线导轨之间形成相互挤压，并与浮动天车相连，可实现对天车升沉补偿装置在运动补偿过程中的导向作用，并在导轨非接触侧设置轴向导轨支撑架。
[0023]4、天车升沉补偿装置的浮动天车在运动补偿过程中通过钻井钢丝绳在摇臂导向轮上收缩移动对液压缸活塞杆产生的压力，同时使气液蓄能器中储气罐的气体被压缩而实现能量的存储，并能通过气液蓄能器释放上一过程中所存储的能量，使液压缸活塞杆推动钢丝绳运动，对浮动天车的升沉运动进行被动补偿。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的结构不意图；
图2为本发明齿轮齿条驱动补偿系统结构示意图；
图3为液压支撑系统原理图；
图4为液压支撑系统回路图；
图5为液压锁定回路图；
图6为导向装置安装位置示意图；
图7为导向装置结构示意图；
图8为被动补偿钢丝绳摇臂机构结构示意图；
图9为液压缸-蓄能器连接示意图；
图中:1-井架框架，2-浮动天车，3-齿轮齿条驱动补偿机构，4-液压支撑锁定机构，5-导向装置，6-被动补偿钢丝绳摇臂机构，7-游车，8-钢丝绳，9-定位安装，10-直齿条轨道一，11-直齿条轨道二，12-驱动齿轮一，13-驱动齿轮二，14-补偿电机一，15-补偿电机二，16-液压支撑缸一，17-液压支撑缸二，18-蓄能器，19-二通盖板式插装阀一，20-二通盖板式插装阀二，21-三位四通电液比例换向阀，22-单向变量液压栗，23-直动型溢流阀，24-背压阀，25-电动机，26-液压支撑缸无杆腔压力计，27-液压支撑缸有杆腔压力计，28-二位二通液压先导控制换向阀，29-二位二通电磁换向阀，30-液压油箱，31-过滤器，32-二位二通液控换向阀，33-液压先导阀，34-单作用气动操作阀，35-气罐，36-直线导轨，37-导向轮，38-轴向导轨支撑架，39-直线导轨一，40-直线导轨二，41-直线导轨三，42-直线导轨四，43-导向轮一，44-导向轮二，45-导向轮三，46-导向轮四，47-导向轮轴一，48-导向轮轴二，49-导向轮轴三，50-导向轮轴四，51-摇臂支撑缸一，52-摇臂支撑缸二，53-摇臂支撑缸三，54-摇臂支撑缸四，55-摇臂导向轮一，56-摇臂导向轮二，57-液压缸一，58-液压缸二，59-快绳导向轮，60-死绳导向轮，61-快绳，62-死绳，63-蓄能器一，64-蓄能器二。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0026]如图1所示，一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，包括井架框架
1、齿轮齿条驱动补偿机构3、液压支撑锁定机构4、导向装置5、具备被动补偿功能的被动补偿钢丝绳8摇臂机构6、浮动天车2和游车7，所述齿轮齿条驱动补偿机构3固定安装在井架框架I的顶部，导向装置5安装在井架框架I内，浮动天车2滑动安装在导向装置5上，且能够沿导向装置5上下浮动，所述液压支撑锁定机构4安装在井架框架I的底部，并与浮动天车2连接，所述液压支撑锁定机构4能够在任意位置锁定浮动天车2，所述被动补偿钢丝绳8摇臂机构6安装在井架框架I的底部两侧，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6与浮动天车2连接，所述游车7通过钢丝绳8吊装在浮动天车2上，游车7上安装有大钩。
[0027]如图2所示，所述齿轮齿条驱动补偿机构3包括定位安装台9、直齿条轨道一10、直齿条轨道二 11、驱动齿轮一 12和驱动齿轮二 13，所述定位安装台9固定在井架框架I的顶部，定位安装台9上对称安装有补偿电机一 14和补偿电机二 15，补偿电机一14的输出端与驱动齿轮一 12传动连接，补偿电机二 15的输出端与驱动齿轮二 13传动连接，直齿条轨道一 10和直齿条轨道二 11背靠背地置于定位安装台9的一侧，直齿条轨道一 10与驱动齿轮一 12啮合，直齿条轨道二 11与驱动齿轮二 13啮合，直齿条轨道一 10和直齿条轨道二 11的下端固定在浮动天车2的上端。在天车升沉补偿运动过程中，补偿电机一 14和补偿电机二 15在相关补偿数据的输入控制下，启动并带动驱动齿轮一 12和驱动齿轮二 13转动，使得直齿条轨道一 10和直齿条轨道二 11相对于驱动齿轮一 12和驱动齿轮二 13上下运动，实现对浮动天车2及通过钢丝绳8所悬挂管柱的升沉补偿运动，通过补偿电机一 14和补偿电机二 15的正反转运动和机械转速快慢可以控制与直齿条相连的浮动天车2的补偿运动方向和补偿位移。使用补偿电机一 14和补偿电机二 15提供浮动天车2上下运动的机械能，并使用驱动齿轮和直齿条轨道的配合，实现提高天车补偿效率和精度的目的。
[0028]如图3所示，所述液压支撑锁定机构4包括液压支撑缸一 16、液压支撑缸二 17以及能够储存液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17的液压能量的蓄能器18，液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17固定在井架框架I的底部，液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17的伸缩杆分别对称支撑在浮动天车2的下方，蓄能器18分别与液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17连接。当浮动天车2处于锁定状态时，天车升沉补偿装置不对浮动天车2产生主动驱动力作用，浮动天车2静负载由液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17组成的双液压支撑缸系统承载，此时通过蓄能器18存储能量；当天车升沉补偿装置处于补偿过程时，该部分能量被释放，能够有效减轻齿轮齿条驱动补偿系统在啮合过程中所承受的负载，保证机械驱动部分的有效工作。
[0029]如图4所示，所述液压支撑缸一16和液压支撑缸二 17的无杆腔与二通盖板式插装阀一 19的第一接口连接，二通盖板式插装阀一 19的第二接口与二通盖板式插装阀二 20的第一接口连接，二通盖板式插装阀二 20的第二接口与蓄能器18连接;所述液压支撑缸一 16和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀21的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀21的第二接口分别与单向变量液压栗22的出口和直动型溢流阀23的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀21的第三接口与背压阀24的第一接口连接，单向变量液压栗22的入口、直动型溢流阀23的第二接口以及背压阀24的第二接口分别与液压油箱30连接，单向变量液压栗22由电动机25驱动。采用三位四通电液比例换向阀21作为连接液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17的有杆腔压力和单向变量液压栗22出口压力的控制阀。相比较仅采用栗控方式的液压回路，由于在天车升沉补偿装置的运动补偿过程中，单向变量液压栗22有时会出现入口进油压力大于出口液压支撑缸有杆腔内液压油压力的情况，使得液压栗的工作工况转变为带动电动机25处于发电状态的液压马达工况，此过程中会将一部分能量消耗在电动机25电阻发热上，降低了系统能量利用率和电动机25的可靠性。因此，本设计中的液压支撑缸液压回路系统采用栗控加阀控的方式，避免使液压栗处于液压马达状态，能够有效提高能量利用率。
[0030]所述液压支撑缸一16和液压支撑缸的无杆腔与二通盖板式插装阀一 19之间的主管路上安装有液压支撑缸无杆腔压力计26，所述液压支撑缸一 16和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀21的第一接口之间的主管路上安装有液压支撑缸有杆腔压力计27，所述二通盖板式插装阀一 19与二通盖板式插装阀二 20之间安装有二位二通液压先导控制换向阀28，二通盖板式插装阀二20的一侧安装有二位二通电磁换向阀29。在该液压系统回路中，当液压支撑缸一 16和液压支撑缸二 17的有杆腔需要供液时，回路中的单向变量液压栗22在电动机25带动下处于工作状态，此时单向变量液压栗22出口压力大于其入口压力；当通过液压支撑缸有杆腔压力计27发现有杆腔内压力增大时，表明液压支撑缸内活塞相对于缸体向上移动了一段距离，三位四通电液比例换向阀21处于工作状态，将液压支撑缸有杆腔与液压油箱30之间的回路接通，使得有杆腔内液压油液通过三位四通电液比例换向阀21和背压阀24流回液压油箱30;当单向变量液压栗22和液压支撑缸之间的回路被截断时，此时液压栗流量为零，将可有效避免液压马达工况的出现。在天车升沉补偿装置进行运动补偿过程中，液压支撑缸无杆腔与蓄能器18相连接，由于管路中液压油液流量较大，将二通盖板式插装阀中的锥阀作为主控元件插装在液压油路中，再结合液压回路中的两组换向阀，实现用小流量工作油液来控制大流量工作油液的方式，具有流动阻力小、流通能力大、密封性好、动作速度快和可靠度高的特点。当钻柱处于正常钻井过程中时，截止阀打开，二位二通电磁换向阀29关闭，二通盖板式插装阀二20打开，二位二通液压先导控制换向阀28在液压力作用下被关闭，与其连接的二通盖板式插装阀一 19打开，此时蓄能器18就与两组液压支撑缸的无杆腔相连通。当在机械驱动机构提供主动驱动力的作用下，对浮动天车2进行向上的运动补偿时，需要两组液压支撑缸中活塞相对于缸体向上运动产生液压推力，蓄能器18通过截止阀和两个二通盖板式插装阀向两组液压支撑缸无杆腔冲入油液。与此同时，三位四通电液比例换向阀21的阀芯工作在右位，两组液压支撑缸有杆腔中液压油通过三位四通电液比例换向阀21和背压阀24流入到液压油箱30中，使得两组液压支撑缸无杆腔内液压力大于有杆腔内液压力，缸体中的活塞在两腔室压力差的作用下，对浮动天车2产生有效推力，用以减轻机械驱动机构中驱动力的输入，保证天车升沉补偿装置的可靠运动。
[0031]当需要使用天车升沉补偿装置对井底钻压进行调整过程中，可利用液压支撑缸缸体内液压油压力进行有效调节。在此过程中，钻井平台操作人员收到调节钻压的指令后，向控制电动机25转速的控制器发出转速调整命令，电动机25通过带动单向变量液压栗22的排量发生改变，使得流入到液压支撑缸有杆腔内的液压油流量变化，从而实现对井底钻压的调节作用。
[0032]如图5所示，所述液压支撑锁定机构4还包括液压锁定回路，所述液压锁定回路包括过滤器31、二位二通液控换向阀32、液压先导阀33、单作用气动操作阀34和气罐35，单作用气动操作阀34的两端分别与气罐35连通，二位二通液控换向阀32的第一控制端与蓄能器18连接，过滤器31与二位二通液控换向阀32的第一接口与过滤器31连接，二位二通液控换向阀32的第二接口分别与液压先导阀33的第一控制端和液压油箱30连通，液压先导阀33的第二控制端分别与二位二通液控换向阀32的第二控制端和第三接口连接，二位二通液控换向阀32的第一控制端与单作用气动操作阀34的第一入口连接，过滤器31还与单作用气动操作阀34的第二入口连接，单作用气动操作阀34的第一出口与液压油箱30连通，二位二通液控换向阀32与液压先导阀33之间的管路上安装有单向阀，单向阀的入口侧与单作用气动操作阀34的第二出口连接，出口侧与单作用气动操作阀34的第一控制端连接。液压系统回路中的二位二通液压先导控制换向阀28处，设置两组组合式液压锁定/减速阀与二位二通液压先导控制换向阀28共同组成液压锁定回路，此两组阀组合能够使得浮动天车2及其所悬挂负载在升沉补偿路径中的任意位置被锁定，即使在遭遇钻杆断裂或者液压回路中供油软管破裂漏油情况时，也能自动进行关闭。单作用气动操作阀34两端与气罐35相连通，由气罐35实现其开闭。单作用气动操作阀34可通过手柄进行人工操作，该操作阀的右端位置为关闭状态，左端位置为打开状态，中间位置为自动状态。当单作用气动操作阀34手柄处于右端位置时，液压锁定阀被关闭，两组液压支撑缸中的液压油流入液压油缸的回路被截断，使得液压支撑缸活塞杆被固定在升沉补偿路径的锁定位置处；当单作用气动操作阀34手柄处于左端位置处时，液压支撑缸两腔室到液压油缸的回路处于畅通状态；当单作用气动操作阀34手柄从左端位置移动到中间位置时，液压支撑缸的液压回路处于畅通状态，并可保证当浮动天车2突然变化时，能够自动关闭液压锁定阀；当单作用气动操作阀34手柄从右端移动至中间位置时，液压锁定阀仍然处于关闭状态，此时的液压回路中的回油速度会加快。如果需要进行自动操作时，需要将单作用气动操作阀34手柄移动至左端位置处，并保持该状态几秒后再将手柄移动到单作用气动操作阀34中间位置处。
[0033]如图6所示，所述导向装置5包括直线导轨36、导向轮37和轴向导轨支撑架38，直线导轨36竖直安装在井架框架I上，直线导轨36与井架框架I之间通过轴向导轨支撑架38固定，导向轮37安装在浮动天车2上，导向轮37与直线导轨36配合。直线导轨36上下两端固定在井架框架I上，导向轮37与直线导轨36之间形成相互挤压，并与浮动天车2相连，可实现对天车升沉补偿装置在运动补偿过程中的导向作用，同时，由于直线导轨36长度较长，在直线导轨36非接触侧设置轴向导轨支撑架38，导向装置5能够有效避免浮动天车2产生较大的横向摆动。
[0034]如图7所示，所述直线导轨36包括安装在井架框架I 一侧的直线导轨一 39和直线导轨二 40、安装在井架框架I另一侧的直线导轨三41和直线导轨四42，导向轮37包括与直线导轨一 39对应的导向轮一 43，与直线导轨二 40对应的导向轮二 44、与直线导轨三41对应的导向轮三45以及与直线导轨四42对应的导向轮四46，导向轮一 43通过导向轮轴一 47安装在浮动天车2上，导向轮二 44通过导向轮轴二 48安装在浮动天车2上，导向轮三45通过导向轮轴三49安装在浮动天车2上，导向轮四46通过导向轮50轴四安装在浮动天车2上。
[0035]如图8所示，所述被动补偿钢丝绳8摇臂机构6包括摇臂支撑缸一51、摇臂支撑缸二52、摇臂支撑缸三53、摇臂支撑缸四54、摇臂导向轮一 55、摇臂导向轮二 56、液压缸一 57和液压缸二58，摇臂支撑缸一51的下端铰接安装在快绳导向轮59上，快速导向轮安装在井架框架I的一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮一 55，摇臂导向轮一 55还与摇臂支撑缸二 52的一端铰接，摇臂支撑缸二 52的另一端与浮动天车2铰接相连，摇臂导向轮一 55还与液压缸一 57的一端铰接，液压缸一 57的另一端铰接在井架框架I上，摇臂支撑缸四54的下端铰接安装在死绳导向轮60上，死绳导向轮60安装在井架框架I的另一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮二56，摇臂导向轮二 56还与摇臂支撑缸三53的一端铰接，摇臂支撑缸三53的另一端与浮动天车2铰接相连，摇臂导向轮二 56还与液压缸二 58的一端铰接，液压缸二 58的另一端铰接在井架框架I上，快绳61绕过快绳导向轮59和摇臂导向轮一 55后，进入浮动天车2和游车7的滚轮进行缠绕，死绳62绕过死绳导向轮60和摇臂导向轮二 56后，进入浮动天车2和游车7的滚轮进行缠绕。摇臂导向轮一 55和摇臂导向轮二 56在保证快绳61和死绳62确定运动轨迹的情况下，有助于减轻快绳61和死绳62在升沉补偿运动过程中的磨损，同时摇臂支撑杆一、摇臂支撑杆二和摇臂支撑杆三、摇臂支撑杆四可绕移动铰进行灵活转动。蓄能器一 63和蓄能器二64分别安装在液压缸一57和液压缸二 58缸体下部一侧并进行内缸体相连通。
[0036]如图8和图9所示，所述液压缸一 57的一侧还设置有蓄能器一 63，蓄能器一 63与液压缸一 57的无杆腔连接，所述液压缸二 58的一侧还设置有蓄能器二 64，蓄能器二 64与液压缸二58的无杆腔连接，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6在被动补偿过程中，由液压缸活塞杆、钢丝绳8、液压缸内液压油和蓄能器中气体组成了一个完整的能量存储与释放循环系统。天车升沉补偿装置的浮动天车2在运动补偿过程中，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6的被动补偿能量，主要来源于通过钢丝绳8在摇臂导向轮37上收缩移动对液压缸活塞杆产生的压力，同时使蓄能器中储气罐35的气体被压缩而实现能量的存储，并能通过蓄能器释放上一过程中所存储的能量，使液压缸活塞杆推动钢丝绳8运动，对浮动天车2的升沉运动进行被动补偿。
[0037]被动补偿式钢丝绳8摇臂机构的被动补偿过程具体如下:浮式钻井平台在海洋环境载荷作用下，在升沉运动平面内产生向上的升沉运动时，天车升沉补偿装置的浮动天车2在机械驱动机构驱动下，通过液压支撑缸和驱动齿轮与直齿条轮齿的啮合驱动，使得浮动天车2在导向装置5的导轨内实现向下运动以对产生的位移进行运动补偿，此时被动补偿钢丝绳8摇臂机构6中的两幅移动铰向内进行收缩运动，由于钻井钢丝绳8所悬挂的浮动天车2重量较大，使其在摇臂运动过程中对摇臂导向轮一55和摇臂导向轮二56产生较大压力，通过移动铰与摇臂导向轮一 55和摇臂导向轮二 56相连的液压缸一 57和液压缸二 58受压力时产生收缩，对与液压缸一57和液压缸二 58相互连接的蓄能器一63和蓄能器二 64中气体进行压缩，并利用蓄能器一63和蓄能器二64实现能量的储存；当浮式钻井平台产生向下的运动时，需要浮动天车2向上运动进行运动补偿，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6的移动铰随之向外展出，此时蓄能器一 63和蓄能器二 64释放前一运动过程中储存的能量，用于推动液压缸一57和液压缸二 58向外运动，通过摇臂导向轮一 55和摇臂导向轮二 56带动钢丝绳8所悬挂的浮动天车2向上运动，减轻外界补偿能量的供给。
[0038]本发明的工作过程如下:对钻柱升沉运动进行补偿过程中，当浮式钻井平台或钻井船随波浪上升时，会导致大钩及游车7载荷增加，带动液压支撑锁定机构4中液压支撑缸一16和液压支撑缸二 17内活塞杆向外运动，使蓄能器18中气体发生膨胀，由此驱动浮动天车2相对于井架框架I向上运动，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6向外扩展，张紧快绳61，补偿大钩和钻柱由于浮式钻井平台或钻井船上升产生的运动位移。当浮式钻井平台或钻井船随波浪下降时，会导致大钩载荷减小，带动液压支撑锁定机构4中液压支撑缸一 16和液压支撑缸二17内活塞杆向内运动，使得蓄能器18中气体被压缩，由此驱动浮动天车2相对井架框架I向下运动，被动补偿钢丝绳8摇臂机构6向内收缩，放松钻井快绳61，补偿游车7和大钩与钻柱由于浮式钻井平台或钻井船下降产生的运动位移。
[0039]同时，天车升沉补偿装置还可实现以下功能:①司钻人员可通过调节位于钻井平台工作甲板上的压力调节阀来改变补偿液压缸的压力，能够实现快速调节井底钻压的功能;②当进行正常钻井作业时，若将液压支撑锁定机构4中补偿液压缸内活塞杆对浮动天车2的推力调节到略低于大钩载荷的范围内，使浮动天车2能够沿着导向装置5向下移动，能够实现自动进尺功能，当浮动天车2向下运行到最低点时，位于工作甲板上的司钻人员可通过放松钻井绞车上的快绳61，使游车7和大钩继续向下移动，实现自动送钻功能;③通过液压支撑锁定机构4中设置的液压锁定汇率，在进行起下钻作业时，可将浮动天车2锁在井架框架I顶部，使浮动天车2不能随钻柱一起运动，保证天车升沉装置对钻柱升沉运动的有效补偿和钻井作业的顺利进行。
【主权项】
1.一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:包括井架框架、齿轮齿条驱动补偿机构、液压支撑锁定机构、导向装置、具备被动补偿功能的被动补偿钢丝绳摇臂机构、浮动天车和游车，所述齿轮齿条驱动补偿机构固定安装在井架框架的顶部，导向装置安装在井架框架内，浮动天车滑动安装在导向装置上，且能够沿导向装置上下浮动，所述液压支撑锁定机构安装在井架框架的底部，并与浮动天车连接，所述液压支撑锁定机构能够在任意位置锁定浮动天车，所述被动补偿钢丝绳摇臂机构安装在井架框架的底部两侧，被动补偿钢丝绳摇臂机构与浮动天车连接，所述游车通过钢丝绳吊装在浮动天车上，游车上安装有大钩。2.根据权利要求1所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述齿轮齿条驱动补偿机构包括定位安装台、直齿条轨道一、直齿条轨道二、驱动齿轮一和驱动齿轮二，所述定位安装台固定在井架框架的顶部，定位安装台上对称安装有补偿电机一和补偿电机二，补偿电机一的输出端与驱动齿轮一传动连接，补偿电机二的输出端与驱动齿轮二传动连接，直齿条轨道一和直齿条轨道二背靠背地置于定位安装台的一侧，直齿条轨道一与驱动齿轮一嗤合，直齿条轨道二与驱动齿轮二嗤合，直齿条轨道一和直齿条轨道二的下端固定在浮动天车的上端。3.根据权利要求1所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述液压支撑锁定机构包括液压支撑缸一、液压支撑缸二以及能够储存液压支撑缸一和液压支撑缸二的液压能量的蓄能器，液压支撑缸一和液压支撑缸二固定在井架框架的底部，液压支撑缸一和液压支撑缸二的伸缩杆分别对称支撑在浮动天车的下方，蓄能器分别与液压支撑缸一和液压支撑缸二连接。4.根据权利要求3所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述液压支撑缸一和液压支撑缸二的无杆腔与二通盖板式插装阀一的第一接口连接，二通盖板式插装阀一的第二接口与二通盖板式插装阀二的第一接口连接，二通盖板式插装阀二的第二接口与蓄能器连接;所述液压支撑缸一和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀的第二接口分别与单向变量液压栗的出口和直动型溢流阀的第一接口连接，三位四通电液比例换向阀的第三接口与背压阀的第一接口连接，单向变量液压栗的入口、直动型溢流阀的第二接口以及背压阀的第二接口分别与液压油箱连接，单向变量液压栗由电动机驱动。5.根据权利要求4所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述液压支撑缸一和液压支撑缸的无杆腔与二通盖板式插装阀一之间的主管路上安装有液压支撑缸无杆腔压力计，所述液压支撑缸一和液压支撑缸的有杆腔与三位四通电液比例换向阀的第一接口之间的主管路上安装有液压支撑缸有杆腔压力计，所述二通盖板式插装阀一与二通盖板式插装阀二之间安装有二位二通液压先导控制换向阀，二通盖板式插装阀二的一侧安装有二位二通电磁换向阀。6.根据权利要求1或3所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述液压支撑锁定机构还包括液压锁定回路，所述液压锁定回路包括过滤器、二位二通液控换向阀、液压先导阀、单作用气动操作阀和气罐，单作用气动操作阀的两端分别与气罐连通，二位二通液控换向阀的第一控制端与蓄能器连接，过滤器与二位二通液控换向阀的第一接口与过滤器连接，二位二通液控换向阀的第二接口分别与液压先导阀的第一控制端和液压油箱连通，液压先导阀的第二控制端分别与二位二通液控换向阀的第二控制端和第三接口连接，二位二通液控换向阀的第一控制端与单作用气动操作阀的第一入口连接，过滤器还与单作用气动操作阀的第二入口连接，单作用气动操作阀的第一出口与液压油箱连通，二位二通液控换向阀与液压先导阀之间的管路上安装有单向阀，单向阀的入口侧与单作用气动操作阀的第二出口连接，出口侧与单作用气动操作阀的第一控制端连接。7.根据权利要求1所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述导向装置包括直线导轨、导向轮和轴向导轨支撑架，直线导轨竖直安装在井架框架上，直线导轨与井架框架之间通过轴向导轨支撑架固定，导向轮安装在浮动天车上，导向轮与直线导轨配合。8.根据权利要求7所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述直线导轨包括安装在井架框架一侧的直线导轨一和直线导轨二、安装在井架框架另一侧的直线导轨三和直线导轨四，导向轮包括与直线导轨一对应的导向轮一，与直线导轨二对应的导向轮二、与直线导轨三对应的导向轮三以及与直线导轨四对应的导向轮四，导向轮一通过导向轮轴一安装在浮动天车上，导向轮二通过导向轮轴二安装在浮动天车上，导向轮三通过导向轮轴三安装在浮动天车上，导向轮四通过导向轮轴四安装在浮动天车上。9.根据权利要求1所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述被动补偿钢丝绳摇臂机构包括摇臂支撑缸一、摇臂支撑缸二、摇臂支撑缸三、摇臂支撑缸四、摇臂导向轮一、摇臂导向轮二、液压缸一和液压缸二，摇臂支撑缸一的下端铰接安装在快绳导向轮上，快速导向轮安装在井架框架的一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮一，摇臂导向轮一还与摇臂支撑缸二的一端铰接，摇臂支撑缸二的另一端与浮动天车铰接相连，摇臂导向轮一还与液压缸一的一端铰接，液压缸一的另一端铰接在井架框架上，摇臂支撑缸四的下端铰接安装在死绳导向轮上，死绳导向轮安装在井架框架的另一侧，上端铰接安装有摇臂导向轮二，摇臂导向轮二还与摇臂支撑缸三的一端铰接，摇臂支撑缸三的另一端与浮动天车铰接相连，摇臂导向轮二还与液压缸二的一端铰接，液压缸二的另一端铰接在井架框架上，快绳绕过快绳导向轮和摇臂导向轮一后，进入浮动天车和游车的滚轮进行缠绕，死绳绕过死绳导向轮和摇臂导向轮二后，进入浮动天车和游车的滚轮进行缠绕。10.根据权利要求9所述一种用于深水钻井作业的半主动式天车升沉补偿系统，其特征在于:所述液压缸一的一侧还设置有蓄能器一，蓄能器一与液压缸一的无杆腔连接，所述液压缸二的一侧还设置有蓄能器二，蓄能器二与液压缸二的无杆腔连接。
【文档编号】E21B19/09GK106089127SQ201610595540
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610595540.8, CN 106089127 A, CN 106089127A, CN 201610595540, CN-A-106089127, CN106089127 A, CN106089127A, CN201610595540, CN201610595540.8
【发明人】刘清友, 唐煊赫, 徐涛, 朱海燕, 陶雷
【申请人】西南石油大学