專利名稱:深水隔水管浮力塊閉環控制系統的制作方法
技術領域:
本發明是關于深水隔水管工作狀態控制的閉環系統,具體地說,是關于深 水隔水管浮力塊閉環控制系統,屬于海洋深水鉆井工程的專用控制系統。
背景技術:
隨著我國海洋石油事業的發展,勘探開發領域的不斷擴大,鉆井作業勢必 向深海(水)進軍。由于鉆井環境條件的改變,深水對鉆井作業的影響首當其 沖的是明顯加長的隔水管的穩定問題,隨著水深的增加,隔水管柱的受力狀態 更加惡劣和復雜,有不少浮動鉆井船或平臺由于隔水管系統不能適應和承受巨 大的綜合性外力而使鉆井工作中斷,甚至無法恢復繼續鉆進,造成鉆井失敗, 給海洋鉆井工作造成巨大的損失。北海僅一年之內,直接因隔水管系統而造成 的損失就多達110臺天;而我國海域的石油勘探鉆井工作,由于隔水管系統的 事故而造成停工也多次發生,隔水管隨水深增加而增長,隔水管系統受力狀況 更復雜,其強度、穩定性能否適應深水鉆井要求就成了深水鉆井最主要考慮的 問題。
分析深水與普通水深鉆井作業時隔水管的差別,認為主要表現在深水鉆井 時隔水管增長,海流、涌浪對其影響加大;隔水管自身重量增加,普通隔水 管強度難以滿足實際施工的要求,尤其是深水鉆井作業時提升隔水管的頂部張 力器能力問題,與鉆井工程密切的關鍵技術問題之一是隔水管的安全問題,解 決隔水管的穩定、安全問題,顯得尤為重要,也即是目前深水鉆井急需解決的 關鍵技術之一。目前,國際上采用了多種材料制造隔水管(SPE/IADC 92559),但主要是鋼 制隔水管(X80) (SPE 120077、 SPE 109641)。對于深水用鋼制隔水管則需添加 浮力塊,提供浮力,減小張力器拉力。文獻APIRP16Q 、 IADC/SPE 103338公 開了現行使用的兩種浮力塊空心微球泡沫塑料(syntactic foam)和空氣罐(air can/chamber),其形狀均為圓形,不足之處在于兩種浮力塊長期處于高靜水壓力 作用下會因水滲入而失去浮力效率;過大的波浪載荷導致隔水管變形大、頂部 張力器受載不均、底部球接頭角度超過正常工作限度;過大的渦流誘導振動增 加隔水管的疲勞破壞累積。文獻SPE 96290、 IADC/SPE 112648、 SPE 74534、 IADC/SPE 39295等多篇文章和現場數據證實快速的渦流誘導振動疲勞損傷累 積導致隔水管過早失效;高的拖曳力,大的偏移和過大的隔水管球接頭角度造 成鉆井操作停工。深水環境下,除了隔水管重量引起的頂部伸長增加外,還必 須考慮鉆井液密度造成的內外壓差。作為減輕隔水管上部伸長的浮力塊常采用 的合成泡沫,其強度、浮力效率隨水深的增加而下降;另一方面傳統浮力塊很 難同時做到減小波浪載荷、減小渦流誘導振動以及提供可變浮力。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術存在的缺點,提供一套深水隔水管浮力塊閉 環控制系統,減少深水鉆井作業條件下的海洋環境載荷對隔水管的破壞作用、 減少渦流誘導振動效應,本發明可根據實際的海洋深水環境載荷情況,通過浮 力塊閉環控制系統提供可變浮力,改善隔水管頂部張力器的受力狀況,以適應 海洋深水鉆井復雜環境載荷,提高隔水管抵抗彎曲變形的力學性能,并提高深 水隔水管的抗疲勞破壞能力,減少極限工況條件下的應急解脫次數,增強深水 鉆井作業系統的安全性,提高作業效率,該閉環控制系統采用專業的自動化軟 件控制系統,具有操作方便,注重時效和安全等特點,但可控式導向浮力塊的結構較為復雜。
本發明的技術方案是,本發明深水隔水管浮力塊閉環控制系統包括 一個 流速計,置于海面以下隔水管伸縮接頭下部,測定海面流速;至少三個張力計 量器,置于張力器上,測定頂部張力; 一組可控式導向浮力塊,置于隔水管底 部球接頭上部,隔水管從其中部穿過;兩個球接頭角度測量儀,置于底部球接 頭和頂部球接頭處;數據接收器與上述四套設備相連;數據庫與中央處理電腦 一、水力學模型計算軟件、中央處理電腦二、控制系統軟件相交互;控制系統 軟件與可控式導向浮力塊和空氣壓縮機相連。本發明的關鍵部件是一種可控式 導向浮力塊,該浮力塊由一個安裝在浮力塊頂部的導向環,其內安裝偏轉彈簧; 一個與空氣壓縮機連接的進氣閥; 一個排氣闊和4-6個伸縮支撐環組成;其伸縮 支撐環由伸縮鏈和伸縮臂組成,伸縮臂內安裝伸縮彈簧,其外形呈類橢圓,雙 側面流線型構造,浮力塊膨脹后,長短軸之比恒定,伸縮支撐環曲率恒定,最 大膨脹體積為原始體積的1.5倍。
本發明深水隔水管浮力塊閉環控制系統設計原理是海洋深水環境載荷作 用大小及方向的改變使浮力塊頂部導向環受力情況發生改變,導向環驅動浮力 塊調整到最小海洋環境載荷位置,即隔水管系統受到最小海洋環境載荷,此時, 浮力塊迎水面和過水面均處于可控式導向浮力塊的流線型側面位置,可有效減 小水流激動和渦流誘導振動;在惡劣海況條件下(如風海流速度過大,海浪波 高過大、存在暗流和潮汐),可根據中央處理系統的決策信息向可控式導向浮力 塊中注入氣體,氣壓驅動浮力塊的伸縮支撐環伸長,浮力塊膨脹,提供的浮力 增加,從而緩解張力器應力集中效應,降低底部球接頭角度,且新型浮力塊在 選材方面,選用可膨脹材料來彌補因長期處于高靜水壓力下而失去浮力效率的 不良影響。本發明與現有隔水管控制系統相比,具有以下原創性①本發明首次提出 深水隔水管浮力塊閉環控制系統的方法,即運用系統控制思想,人機交互式的 對隔水管系統進行實時、動態的監測、調整和維護;②本發明首次對浮力塊設 計運用雙側面流線型、可自動伸縮和導向可控式三個創新設計思路。
本發明與現有隔水管系統相比,具有以下技術優勢①改變原有浮力塊不 可控制、并會隨水深的增加失去浮力效率的不良影響,通過自動化控制系統, 實時、動態調整浮力塊的迎水面方向和提供的浮力能力,使隔水管系統始終保 持最佳工作狀態;②根據流體動力學原理,改進浮力塊的外形特征,采用雙流 線型側面減少水流激動和渦流誘導振動帶來的動力損壞;③浮力塊頂部安裝導 向環,其最大過水外徑始終處于浮力塊的短軸,有效減小海洋環境載荷; 為 浮力塊添加伸縮臂和伸縮鏈,根據控制系統提供的海洋環境載荷的大小,自動 伸縮,其量可調,浮力塊外部選用可膨脹材料,根據不同的海洋環境載荷,通 過控制浮力塊的伸縮,提供可變浮力,緩解惡劣海況下張力器應力集中和底部 球接頭角度增大的壓力。基于上述幾點有益效果,本發明能顯著增強惡劣海況 下隔水管操作的安全性和可靠性,有效提高隔水管使用壽命和作業效率。
的關鍵在于可控式導向浮力塊的制造,從可控式導向浮力塊的每個部件來講, 我國現有的工業技術水平能夠實現。
圖1是深水隔水管浮力塊閉環控制系統工作流程圖; 圖2是深水隔水管系統變形示意圖; 圖3是可控式導向浮力塊立體圖;圖4是可控式導向浮力塊平面圖; 圖5是可控式導向浮力塊俯視圖6是可控式導向浮力塊伸縮支撐環示意圖(伸長狀態)。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明依據本發明提出的深水隔水管浮力塊閉環控制系統 的細節及工作流程。
圖1、圖2中,數據接收器與流速計、張力計量器、可控式導向浮力塊(3)、 球接頭角度測量儀相連,數據接收器與數據庫相連,數據庫與中央處理電腦一、 水力學模型計算軟件、中央處理電腦二、控制系統軟件相交互,控制系統軟件 與空氣壓縮機和可控式導向浮力塊(3)相連。系統運行,流速計、張力計量器、 可控式導向浮力塊(3)、球接頭角度測量儀檢測海況和隔水管(2),上部球接 頭(1),下部球接頭(4)及張力器的工作情況,將數據傳給數據接收器,存入 數據庫,利用水力學模型計算軟件在中央處理電腦一中進行工況載荷運算,將 計算結果傳給數據庫和中央處理電腦二,通過控制系統軟件分析、判斷,若隔 水管系統處于正常工作條件則不做出決策,若達到或超過臨界狀態,控制系統 軟件控制空氣壓縮機工作,通過圖3的進氣閥(5)向可控式導向浮力塊(3) 注氣,伸縮臂(9)和伸縮支撐環(10)伸長,可控式導向浮力塊(3)膨脹, 以提供所需浮力;海況恢復后,控制系統軟件控制可控式導向浮力塊(3)的排 氣閥(7)排出給定氣體量,浮力塊收縮,隔水管系統回到原始平衡狀態,實現 實時、動態控制隔水管工作狀態的目的。
深水海洋環境載荷的確定可由自主研發的專門的"隔水管受力分析及強度 評價軟件"專業軟件包來完成。海浪力、海流力及海風等環境載荷作用改變時,圖3的偏轉彈簧(6)受力,導向環(8)驅使浮力塊轉動到最小海洋環境載荷 位置,由專業模擬軟件進行載荷評價,給出定量化的載荷值,計算隔水管安全 作業所需的頂部張力大小,進而確定所需的浮力量。 一方面,可控式導向浮力 塊比傳統浮力塊更能減小隔水管的海洋環境載荷,即減小隔水管系統的橫向變 形、彎曲程度和底部球接頭角度;另一方面,浮力塊的雙側面流線型結構的前 端迎水面減少水流激動、后端過水面減少渦流誘導振動,即減少隔水管系統的 振動幅度,從而降低隔水管疲勞破壞累積速率,提高隔水管的抗疲勞破壞能力。 若向浮力塊中注氣,圖3,圖5的進氣閥(5)打開,圖4,圖5,圖6中的 伸縮彈簧(11)伸長,推動伸縮臂(9)和伸縮支撐環(10)中的伸縮鏈(12) 打開,浮力塊膨脹,提供更大浮力;若需排氣,則排氣閥(7)緩慢打開,排除 給定氣體量,伸縮支撐環(10)收縮,關閉排氣閥(7),實現動態改變浮力的 目的。
權利要求
1. 一套深水隔水管浮力塊閉環控制系統,包括一個流速計、至少三個張力計量器、一組可控式導向浮力塊、兩個球接頭角度測量儀、數據接收器、數據庫、中央處理電腦一、水力學模型計算軟件、中央處理電腦二、控制系統軟件和一臺空氣壓縮機,其特征是數據接收器與流速計、張力計量器、可控式導向浮力塊、球接頭角度測量儀相連接,數據接收器與數據庫相連,數據庫與中央處理電腦一、水力學模型計算軟件、中央處理電腦二和控制系統軟件相交互,控制系統軟件與空氣壓縮機和可控式導向浮力塊相連;該閉環控制系統的關鍵部件是一組可控式導向浮力塊(3),該浮力塊包括進氣閥(5)、偏轉彈簧(6)、排氣閥(7)、導向環(8)、伸縮臂(9)、伸縮支撐環(10)、伸縮彈簧(11)、伸縮鏈構(12)成,其特征是該浮力塊橫截面呈類橢圓形狀,雙側面流線型構造。
2. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 該系統的工作方式是流速計、張力計量器、可控式導向浮力塊(3)和球接頭 角度測量儀將數據傳給數據接收器,存入數據庫,在中央處理電腦一中運用 水力學模型計算軟件進行海洋環境載荷計算,數據傳入數據庫和中央處理電 腦二,由控制系統軟件生成決策信息,控制空氣壓縮機和可控式導向浮力塊 工作,與該閉環控制系統相同或相似的方法均在該權利保護范圍內。
3. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 可控式導向浮力塊(3)由進氣閥(5)、偏轉彈簧(6)、排氣閥(7)、導向環(8)、伸縮臂(9)、伸縮支撐環(10)伸縮彈簧(11)、伸縮鏈(12)構成, 導向環(8)位于浮力塊頂部,與隔水管(2)相交的環形區域,偏轉彈簧(5) 置于其內,進氣閥(5)和排氣閥(7)位于浮力塊頂部,每個浮力塊有4-6個伸縮支撐環(10)。
4. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 所述的空氣壓縮機與可控式導向浮力塊(3)的進氣閥(5)連接。
5. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 所述的控制系統與可控式導向浮力塊(3)的排氣閥(7)連接。
6. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 所述的可控式導向浮力塊(3)橫截面呈類橢圓形狀,雙側面流線型構造。
7. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 所述的可控式導向浮力塊(3)的最大膨脹體積為原始體積的1.5倍。
8. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 每個可控式導向浮力塊有4-6個伸縮支撐環(10),每個伸縮支撐環有4-6個 伸縮臂(9),伸縮臂內安裝伸縮彈簧(11),相鄰兩臂之間由伸縮鏈(12)連 接,浮力塊兩端的伸縮支撐環的伸長率小于中部伸縮支撐環的伸長率。
9. 根據權利要求1所述的深水隔水管浮力塊閉環控制系統,其特征在于, 伸縮臂(9)長、短軸之比保持定值,伸縮鏈(12)曲率恒定。
全文摘要
本發明涉及一套深水隔水管浮力塊閉環控制系統,屬于海洋深水鉆井工程領域專用控制系統,旨在提供一套增強隔水管抵抗彎曲變形和抗疲勞破壞力學性能,提高深水鉆井作業安全性和作業效率的浮力塊閉環控制系統。它包括數據接收器與一個流速計、至少三個張力計量器、一組可控式導向浮力塊、兩個球接頭角度測量儀相連,數據庫與中央處理電腦一、水力學模型計算軟件、中央處理電腦二、控制系統軟件相交互、控制系統軟件與空氣壓縮機和可控式導向浮力塊相連,其關鍵部件是一種新型流線型可控式導向浮力塊。其技術方案要點是根據實際海洋環境載荷計算數據,通過控制系統軟件控制可控式導向浮力塊提供的浮力大小,實現動態控制隔水管系統工作狀態的目的。
文檔編號E21B44/00GK101509379SQ20091005863
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月17日 優先權日2009年3月17日
發明者劉運榮, 虎 王, 石曉兵, 章浩炯, 兵 黃 申請人:西南石油大學