隔水管柱的混合張力調整的制作方法
【專利摘要】增強的隔水管控制系統可采用通過線材耦合到鉆井隔水管的電張緊器。電張緊器可提供對張力控制器的快速響應以處理鉆井隔水管的定位。增強的隔水管控制系統的電張緊器可在隔水管混合張力調整系統中與液壓氣動式張緊器組合。增強的隔水管控制系統內的控制器可被配置為將張力分配給電張緊器并且控制電張緊器以調整第一和第二線材的長度。電張緊器可被例如用于抑制渦激振動(VIV)并且控制鉆井隔水管反沖。
【專利說明】隔水管柱的混合張力調整
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請要求Wu等人的標題為"Enhanced Riser Control System"并且于2011年 12月22日提交的第61/579, 353號美國臨時申請以及Wu等人的標題為"Riser Hybrid Tensioning System"并且于2012年11月12日提交的第61/725, 411號美國臨時申請的利 益，這兩個申請都通過引用被合并于此。
【技術領域】
[0002] 本公開涉及隔水管控制系統。更具體地講，本公開涉及一種具有電張緊器的隔水 管張力調整控制系統。
【背景技術】
[0003] 安全和性能是鉆井隔水管中的重要考慮因素。隨著過去幾十年期間在更深的水體 和更惡劣的環境中開發資源的趨勢，確保鉆井隔水管的安全和性能已變為挑戰性任務。
[0004] 隔水管張力調整系統旨在補償由剛性隔水管柱連接的漂浮的鉆機和海底之間的 相對運動。在傳統系統中，最廣泛使用的隔水管張力調整系統是液壓氣動式隔水管張力調 整系統，該系統由液壓氣動式氣缸、空氣/油儲蓄器和氣壓容器。然而，在液壓氣動式張力 調整系統中存在缺點。
[0005] 首先，對于某些情況，液壓氣動式張力調整系統的響應時間太慢。氣動系統的相對 較慢的操作導致長的控制響應時間，控制響應時間是發出命令和由張力系統施加力之間的 時間。在某些情況下，諸如在緊急隔水管斷開期間，張力改變響應可能太慢。緩慢的、大的 過拉力可加速自由隔水管管道向外，允許它們跳出，并且因此損傷鉆機平臺和隔水管管道。
[0006] 第二，增加縱向過拉張力，用于抑制破壞性的渦激振動（VIV)的液壓氣動式張力 調整系統中的傳統方法在支撐裝備上引起應力，在張力調整系統上增加損耗，并且增加隔 水管管道疲勞。另外，在鉆機正在經歷大浪狀況的同時一對液壓氣動式張緊器正在接受維 護的情況下，增加縱向過拉張力增加了安全擔憂。
[0007] 第三，液壓氣動式張力調整系統是相對比較復雜并且昂貴的系統，該系統需要大 量的維護并且具有液壓流體泄漏的風險。液壓氣動式張力調整系統包括液壓氣動式氣缸活 塞桿和密封件，所述液壓氣動式氣缸活塞桿和密封件由于各種因素（諸如，渦激振動（VIV) 或由船舶滾動和俯仰引起的不均勻的和非線性的負載）而容易彎曲。這些因素可能引起高 故障風險并且可能需要高維護成本以避免液壓流體泄漏和環境污染的風險。另外，復雜的 液壓氣動式系統包括大體積的空氣儲蓄器和貯存器，所述空氣儲蓄器和貯存器消耗鉆機上 的有用的平臺空間。
【發明內容】
[0008] 相對于僅具有液壓氣動式張緊器的傳統隔水管張力調整系統，具有電張緊器的增 強的隔水管張力調整系統可提供附加的穩定性和性能。該系統可增強深水隔水管系統的總 體安全和可靠性。電張緊器具有比液壓氣動式張緊器更快的響應時間。利用更快的響應時 間，電張緊器可施加可變張力以提供更準確的起伏補償控制、更安全的抗反沖控制，并且減 少由渦激振動（VIV)對隔水管柱造成的疲勞損傷。這種隔水管混合張力調整系統還帶來用 于簡化隔水管操作過程的新功能，諸如（1)新的隔水管位置控制操作模式，（2)船舶運動穩 定器新功能，和（3)在雙鉆臺之間移動隔水管柱的新功能。
[0009] 根據一個實施例，一種設備包括：第一和第二電張緊器，經由多個線材中的第一和 第二線材以機械方式耦合到鉆井隔水管并且以電氣方式耦合到直流（DC)功率分配總線。 該設備還可包括能量儲存系統和功率耗散器，能量儲存系統和功率耗散器兩者也都耦合到 DC功率分配總線。該設備還可包括：液壓氣動式張緊器，經由所述多個線材中的第三線材 以機械方式耦合到鉆井隔水管。另外，該設備可包括：控制器，被配置為測量由電張緊器和 液壓氣動式張緊器遞送的張力和速度。控制器還可被配置為部分地基于隔水管負載和測量 的液壓氣動式張緊器的張力確定第一和第二電張緊器的張力。控制器可被配置為將張力分 配給第一和第二電張緊器并且控制第一和第二電張緊器以調整第一和第二線材的長度。 [0010] 該設備內的電張緊器可包括：電機，被配置為用作電機或發電機和能量逆變器。能 量逆變器可被耦合到電機并且還耦合到DC功率分配總線。電張緊器還可包括耦合到電機 的齒輪箱并且包括絞盤。絞盤可被耦合到齒輪箱并且可經由鉆井隔水管線材被耦合到鉆井 隔水管。電張緊器內的能量逆變器可將AC能量轉化成DC能量或將DC能量轉化成AC能量。 控制器還可被配置為在多個能量逆變器中調節轉矩和功率流。
[0011] 通過使用能量儲存系統可提高船舶上的能量管理。例如，當電張緊器在船舶的一 半波浪運動中用作發電機以重新產生能量時，能量可被儲存在儲存系統中；反之亦然。
[0012] 一種用于控制隔水管張力調整系統的張力的方法包括：測量由張緊器遞送的張 力。該方法還可包括：部分地基于測量的張力確定多個電張緊器的張力。該方法還可包括： 將確定的張力分配給所述多個電張緊器。該方法還可包括：部分地基于確定的張力控制所 述多個電張緊器。包括將確定的張力分配給所述多個電張緊器的用于控制隔水管張力調整 系統的張力的方法可有助于穩定鉆探船舶中的隔水管。
[0013] 在實施例中，被測量的遞送的張力可以是液壓氣動式張緊器或電張緊器的張力。 在這種實施例中，張力調整系統可以是隔水管混合張力調整系統，該系統是結合電張力調 整系統與液壓氣動式張緊器的隔水管張力調整系統。
[0014] 前面已相當廣泛地概述了本公開的特征和技術優點，以便可更好地理解下面對本 公開的詳細描述。將在下文中描述本公開的附加特征和優點，該附加特征和優點形成本公 開的權利要求的主題。本領域技術人員應該理解，公開的概念和特定實施例可被容易地用 作用于修改或設計實現本公開的相同目的的其它結構的基礎。本領域技術人員還應該意識 至IJ，這種等同構造不脫離如所附權利要求中所闡述的本公開的精神和范圍。根據下面當結 合附圖考慮時的描述，將會更好地理解被視為本公開的特性的關于其組織和操作的方法兩 者的新特征以及另外的目的和優點。然而，要清楚地理解，僅出于圖示和描述的目的提供每 個附圖，并且不意圖作為本公開的限制的定義。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 為了更完整地理解公開的系統和方法，現在參照下面結合附圖做出的描述。
[0016] 圖IA是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管電張力調整系統的頂視圖的框 圖。
[0017] 圖IB是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管混合張力調整系統的頂視圖的框 圖。
[0018] 圖2A是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管張力調整系統的框圖。
[0019] 圖2B是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管張力調整系統的控制器的框圖。
[0020] 圖3A是圖示根據本公開的一個實施例的用于控制隔水管張力調整系統的張力的 方法的流程圖。
[0021] 圖3B是圖示根據本公開的一個實施例的用于控制隔水管張力調整系統內的能量 傳遞的方法的流程圖。
[0022] 圖4A是圖示根據本公開的一個實施例的船舶速度和隔水管張力之間的關系的曲 線圖。
[0023] 圖4B是圖示根據本公開的一個實施例的船舶速度和隔水管張力之間的關系的曲 線圖。
[0024] 圖4C是圖示根據本公開的一個實施例的由隔水管混合張力調整系統中的電張緊 器和液壓氣動式張緊器施加的張力的曲線圖。
[0025] 圖5是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管混合張力調整系統內的能量的路 由的框圖。
[0026] 圖6是圖示根據本公開的一個實施例的能量儲存裝置的控制方案的框圖。
[0027] 圖7A是圖示根據本公開的一個實施例的當隔水管柱正在從第一鉆臺向第二鉆臺 移動時的具有電張緊器的雙活動船舶的側視圖和頂視圖的框圖。
[0028] 圖7B是圖示根據本公開的一個實施例的當隔水管柱正在從第二鉆臺向第一鉆臺 移動時的具有電張緊器的雙活動船舶的側視圖和底視圖的框圖。
【具體實施方式】
[0029] 通過使用電部件控制隔水管的張力可提高深水隔水管張力調整系統的安全和性 能。隔水管混合張力調整系統可把隔水管電張力調整系統與已有的液壓氣動式張緊器結合 以相對于傳統隔水管張力調整系統提高安全和功能。隔水管張力調整系統也可僅包括電張 緊器。電部件（諸如，電機器）能夠提供幾毫秒的范圍中的控制響應，該控制響應幾乎是瞬 時控制響應。使用電部件通過允許張力調整系統更快地對不同狀況做出響應而允許提高安 全和功能的快速響應。此外，隔水管混合張力調整系統的附加功能可提供增強的操作模式 以解決在深水隔水管張力調整系統上遇到的許多問題。
[0030] 圖IA是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管電張力調整系統150的頂視圖的 框圖。隔水管130可通過繩索耦合到電張緊器110-117。雖然圖IA描繪具有八個電張緊器 110-117的電隔水管張力調整系統150,但電隔水管張力調整系統150不限于這個特定數量 的電張緊器110-117。例如，在另一實施例中，電隔水管張力調整系統可包括四個電張緊器。
[0031] 圖IB是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管混合張力調整系統100的頂視圖 的框圖。隔水管130可通過繩索耦合到電張緊器110-113和液壓氣動式張緊器120-123。 電張緊器110-113和液壓氣動式張緊器120-123可一起形成隔水管混合張力調整系統100。 雖然已經詳述了僅采用液壓氣動式隔水管張緊器120-123的隔水管張力調整系統的許多 缺點，但液壓氣動式張緊器120-123可被用在隔水管混合張力調整系統100中以利用液壓 氣動式張緊器120-123的優點。例如，具有液壓氣動式張緊器120-123的隔水管混合張力 調整系統100可具有良好的可靠性，因為液壓氣動式張緊器120-123是與外部系統沒有能 量交換的無源自持系統。另外，隔水管混合張力調整系統100可更好地抵抗外部系統的干 擾和波動。電隔水管張緊器110-113增加許多優點，諸如以高準確性遞送動態可變轉矩、提 供快速控制響應并且更容易安裝。隔水管混合張力調整系統100可因此受益于液壓氣動式 張力調整系統120-123和電張緊器110-113的組合優點。
[0032] 雖然圖IB描繪了具有四個電張緊器110-113和四個液壓氣動式張緊器120-123 的隔水管混合張力調整系統100,但隔水管混合張力調整系統不限于這個特定數量的電張 緊器和液壓氣動式張緊器。例如，在另一實施例中，隔水管混合張力調整系統可包括六個液 壓氣動式張緊器和四個電張緊器。
[0033] 圖2A是圖示根據本公開的一個實施例的隔水管張力調整系統200的框圖。張力 調整系統200可被用于控制將電張緊器210耦合到鉆井隔水管230的線材231的張力。雖 然僅圖示一個電張緊器210,但可存在附加的電張緊器，諸如以上圖IA中所示的。
[0034] 電張緊器210可被耦合到公共DC功率分配總線270,可與其它電張緊器共享該公 共DC功率分配總線270。DC總線270為流入和流出張力調整系統200的能量以及為其它 功率裝置提供物理鏈路。DC總線270可被耦合到有源前端（AFE)整流器260, AFE整流器 260轉換來自由一個或多個發電機274供電的AC總線272的功率。AFE整流器260的功率 模塊可由功率管理系統250通過AFE控制器260a控制。
[0035] 電張緊器210可包括變頻驅動器（VFD) 211以將能量從AC轉化為DC或從DC轉化 為AC。VFD類型逆變器211可由張力控制器202通過VFD控制器211a控制。在一個方向 上，逆變器211可將來自DC總線270的DC能量轉換成供電張緊器210使用的AC能量。在 另一方向上，逆變器211可將來自電張緊器210的AC能量轉換成傳遞到DC總線270上的 DC能量。
[0036] 電張緊器210還可包括電機212,電機212由線材231耦合到滑輪214并且耦合到 隔水管230。電機212可以是例如高轉矩低速機器。電機212可以是直接驅動電機，諸如 軸向磁通永磁盤式電機。電機212可由VFD 211控制。位置傳感器（PS) 216可被f禹合到 電張緊器210以測量電機旋轉位置231并且將該位置報告給張力控制器202。溫度傳感器 218可位于電機218里面或位于電機218上并且將反饋提供給VFD控制器211a。例如，當 由傳感器218測量的溫度超過安全水平時，可增加輔助冷卻系統的循環，或者電機212可被 關閉以降低它的溫度。
[0037] 在諸如圖IA中圖示的全電張力調整系統中，多個電張緊器可通過線材231被耦合 到隔水管230。當張力調整系統200是諸如圖IB中圖示的混合系統時，系統200可包括具 有關聯的控制器252a的液壓氣動式張緊器252。雖然僅圖示一個液壓氣動式張緊器252， 但多個液壓氣動式張緊器可通過線材231被耦合到隔水管230。控制器252a也可與張力控 制器202通信。
[0038] 張力控制器202可被配置為執行混合或電隔水管張力調整系統內的許多任務，并 且將反饋提供給功率管理控制器250。例如，控制器202可為了不同控制目的通過不同控制 算法調節電機212中的轉矩。作為另一例子，控制器202可被用作負載共享控制器，該負載 共享控制器在液壓氣動式張緊器252和電張緊器210之間分配張力。另外，控制器202可 被配置為動態地控制線材231張力。為了監測和控制目的，電張緊器210、液壓氣動式張緊 器252、隔水管230和在其上采用隔水管張力調整系統的鉆探船舶的狀態反饋可被發送給 控制器202。替代地，控制器202可使用不同控制算法計算用于電張緊器和液壓氣動式張緊 器兩者的參考信號。該算法可部分地基于相對于海底的隔水管頂部和鉆探船舶起伏相對位 置、相對于運動參考單元（MRU) 232 (船舶（未示出）上的MRU)的速度和加速度以及電張 緊器210和液壓氣動式張緊器252的張力測量值。此外，控制器202可被配置為監測進入 和離開電張緊器202的能量的路由并且將這個能量信號發送到功率管理控制器250中。
[0039] 功率管理控制器250可被配置為監測DC總線270電壓和AC總線272頻率。另 夕卜，控制器250可協調其它功率部件（諸如，電張緊器210、超級電容器組222和功率耗散器 242)之間的功率。
[0040] 返回參照圖2A，在普通操作中，具有隔水管混合張力調整系統的鉆探船舶可經歷 波浪運動，波浪運動將大量功率傳遞給電張緊器210和/或從電張緊器210傳遞大量功率。 例如，當船舶經歷使船舶向上移動的波浪時，電張緊器210可消耗來自鉆機功率網絡250的 能量。由電張緊器210消耗的能量可處于兆焦耳范圍中，并且所需的峰值功率可因此處于 兆瓦特范圍中。當船舶經歷使船舶向下移動的波浪時，電張緊器210可將相同的功率釋放 回至DC總線270上。可利用元件222和242補償來自波浪的功率波動。也就是說，通過由 能量儲存元件222儲存返回到DC總線270的能量或在能量耗散元件242中耗散該能量。
[0041] 能量儲存元件220可被耦合到DC總線270。每個能量儲存元件222可被耦合到 DC/DC功率斬波器（DDPC) 221。用于能量儲存元件220的能量儲存裝置222的特定數量和 類型可取決于應用特定參數，諸如使用的船舶的類型或可用于能量儲存元件220的空間。 能量儲存裝置222可以是例如超級電容器組（UCB)、電池組或飛輪。當UCB被用于能量儲存 裝置222時，可選擇UCB以具有這樣的容量，即該容量是最重要的海洋狀態準則的船舶起伏 和UCB的容量額定值下降的五倍兩者中的最大值的至少1. 2倍。
[0042] 張力調整系統200還可包括功率耗散器242,功率耗散器242通過單向功率斬波器 241耦合到DC總線270。單向功率斬波器241可調節由功率耗散器242耗散的能量的量。 功率耗散器242可以是消耗能量的任何裝置（諸如，電阻器或散熱器）。當能量儲存裝置 222完全充電時或者當UCB的工作電壓超過最大工作電壓時，功率管理系統250內的操作算 法可將能量路由至功率耗散器242中。
[0043] 圖3A示出圖示根據本公開的一個實施例的用于控制隔水管張力調整系統的張力 的方法300的流程圖。方法300在方框302開始于測量由隔水管張力調整系統內的張緊器 遞送的張力。測量的張力可以是由液壓氣動式張緊器或電張緊器遞送的張力。在一個實施 例中，控制器（諸如，圖2A的控制器202)可接收由液壓氣動式張緊器或電張緊器遞送的張 力反饋信號以獲得由液壓氣動式張緊器或電張緊器遞送的測量的張力。在某些實施例中， 多個液壓氣動式張緊器和/或電張緊器可由控制器監測。在一個實施例中，控制器（諸如， 圖2A的控制器202)可測量由液壓氣動式張緊器或電張緊器遞送的張力，同時在張緊器中。
[0044] 在方框304,可部分地基于在方框302測量的張力確定多個電張緊器的預期張力。 可被用于確定多個電張緊器的預期張力的其它參數包括由液壓氣動式張緊器或電張緊器 遞送的張力、整個隔水管張力調整系統的總共需要的張力、隔水管混合張力調整系統中的 液壓氣動式張緊器的總數和/或該系統中的電張緊器的總數。另外，圖2A的控制器202可 被配置為部分地基于監測的鉆探船舶的參數（諸如，船舶上的液壓氣動式張緊器和電張緊 器的總數）確定電張緊器的預期張力。
[0045] 在方框306,方框304的預期張力可被分配給所述多個電張緊器。所述多個電張緊 器可隨后被控制以通過均勻地轉入或轉出耦合到所述多個電張緊器的相應電張緊器的線 材來遞送所確定的張力。
[0046] 根據一個實施例，可使用下面的等式計算一個電張緊器或多個電張緊器的預期張 力：
【權利要求】
1. 一種設備，包括： 直流值C)功率分配總線； 鉆井隔水管； 多個線材，禪合到鉆井隔水管； 第一和第二電張緊器，經由所述多個線材中的第一和第二線材禪合到鉆井隔水管并且 禪合到功率分配總線；和 控制器，被配置為： 將張力分配給第一和第二電張緊器；W及 控制第一和第二電張緊器W調整第一和第二線材的張力。
2. 如權利要求1所述的設備，還包括： 液壓氣動式張緊器，經由所述多個線材中的第H線材禪合到鉆井隔水管； 其中所述控制器還被配置為： 測量由液壓氣動式張緊器和電張緊器遞送的張力；W及 部分地基于所測量的液壓氣動式張緊器和電張緊器的張力確定第一和第二電張緊器 的張力。
3. 如權利要求2所述的設備，其中所述控制器還基于下面的至少一項確定第一和第二 電張緊器的張力： 鉆探船舶起伏相對位置； 鉆探船舶速度和加速度；和 張力測量值。
4. 如權利要求1所述的設備，還包括： 能量儲存系統，禪合到DC功率分配總線；和 功率耗散器，禪合到DC功率分配總線。
5. 如權利要求4所述的設備，其中所述能量儲存系統包括： 能量儲存裝置；和 雙向功率轉換器，禪合到能量儲存裝置和DC功率分配總線。
6. 如權利要求4所述的設備，還包括；單向功率轉換器，禪合到功率耗散器和DC功率 分配總線。
7. 如權利要求1所述的設備，其中所述控制器還被配置為在主動起伏補償模式下通過 調整所述多個線材的長度W補償船舶起伏運動來控制下部海洋隔水管總成和防噴器之間 的距離。
8. 如權利要求1所述的設備，其中所述控制器還被配置為在潤激振動（VIV)抑制模式 下控制第一和第二電張緊器W施加動態的張力從而減少所述多個線材的線材中的諧振狀 況。
9. 如權利要求1所述的設備，其中所述控制器還被配置為在抗反沖模式下控制第一和 第二電張緊器W動態控制鉆井隔水管上的上拉力。
10. 如權利要求1所述的設備，其中所述控制器還被配置為控制第一和第二電張緊器 W控制水中的船舶位置W便在船舶從第一井中也到第二不同井中也的移動期間消除鉆井 隔水管中的質量彈黃效應。
11. 如權利要求1所述的設備，其中所述控制器還被配置為調整第一和第二線材的長 度W將鉆井隔水管重新定位在雙活動鉆探船舶的不同鉆臺上。
12. 如權利要求1所述的設備，還包括： 位置傳感器，禪合到電張緊器并且禪合到所述控制器； 運動參考單元（MRU)，禪合到電張緊器并且禪合到所述控制器，其中所述控制器被配置 為部分地基于從位置傳感器和運動參考單元接收的數據控制第一和第二電張緊器，其中所 述控制器包括： 第一比例積分微分（PID)控制器，執行內反饋環；和 第二比例積分微分（PID)控制器，執行外反饋環。
13. -種方法，包括： 測量由張緊器遞送的張力； 部分地基于所測量的張力確定多個電張緊器的張力； 將所確定的張力分配給所述多個電張緊器；W及 部分地基于所確定的張力控制所述多個電張緊器。
14. 如權利要求13所述的方法，其中測量由張緊器遞送的張力包括測量由液壓氣動式 張緊器遞送的張力。
15. 如權利要求13所述的方法，其中控制所述多個電張緊器的步驟包括在主動起伏補 償模式中補償船舶起伏運動。
16. 如權利要求13所述的方法，其中控制所述多個電張緊器的步驟包括在潤激振動 (VIV)抑制模式中減少線材中的諧振狀況。
17. 如權利要求13所述的方法，其中控制所述多個電張緊器的步驟包括在抗反沖模式 中動態控制鉆井隔水管上的上拉力。
18. 如權利要求13所述的方法，還包括： 將能量從能量儲存裝置傳遞到所述多個電張緊器中的電張緊器；W及 將來自所述多個電張緊器中的電張緊器的能量儲存在能量儲存裝置中。
19. 如權利要求18所述的方法，其中從能量儲存裝置傳遞能量包括： 轉出禪合到電張緊器的線材； 將能量從能量儲存裝置傳遞到公共DC功率分配總線上； 將能量從公共DC功率分配總線上的DC能量轉化成AC能量；W及 將電能轉換成勢能。
20. 如權利要求18所述的方法，其中儲存來自所述多個電張緊器中的電張緊器的能量 包括： 轉入禪合到電張緊器的線材； 將勢能轉換成交流電能量； 將交流能量轉化成直流能量；W及 將直流能量儲存在能量儲存裝置中。
21. 如權利要求18所述的方法，還包括通過下面的步驟獲得波浪能量： 當船舶下降時，施加來自所述多個電張緊器的較大張力；W及 當船舶上升時，施加來自所述多個電張緊器的較小張力。
22. 如權利要求18所述的方法，還包括；基于充電狀態、功率、電壓和電流中的至少一 個管理能量儲存裝置中的能量。
23. 如權利要求13所述的方法，其中確定多個電張緊器的張力還基于下面的至少一 項： 由液壓氣動式張緊器遞送的張力； 整個系統的總的需要的張力； 所述系統中的液壓氣動式張緊器的總數；和 所述系統中的電張緊器的總數。
【文檔編號】E21B17/01GK104471180SQ201280070292
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2012年12月14日 優先權日:2011年12月22日
【發明者】吳 Y., P. K. 布杰奧 E. 申請人:越洋塞科外匯合營有限公司