一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，它包括了浮動天車、齒輪齒條驅動補償裝置、液壓支撐鎖定裝置、導向裝置、被動補償鋼絲繩搖臂機構以及相應的控制系統等部件，齒輪齒條驅動補償系統提升了浮動天車升沉補償的穩定性和可靠性；浮動天車液壓支撐鎖定系統提高了液壓支撐系統的穩定性、增加了緊急情況鎖定功能；導向裝置能夠控制升沉補償中的擺動，使得浮動天車在升沉補償過程中能夠平穩運行；被動補償鋼絲繩搖臂機構可實現被動補償功能，并提高升沉補償運動的能量利用率和補償效率。本發明的有益效果是：改進了天車升沉補償系統，提高了天車補償系統的穩定性、可靠性和補償效率。
【專利說明】
一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統
技術領域
[0001]本發明涉及深水鉆井設備技術領域，特別是一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統。
【背景技術】
[0002]隨著近年來國民經濟的快速發展，我國對油氣資源的需求急劇增加，供需矛盾日益嚴峻，已經成為制約我國未來經濟進一步健康發展的瓶頸難題。為此，國家專門制定了《我國21世紀可持續發展油氣資源戰略規劃》，該規劃的重大戰略目標要求“從全球戰略著目艮，保證油氣資源的長期穩定供給”，必須充分“發揮國內油氣資源的基礎性保障作用”，并保證在今后20年內油氣供應的對外依存度低于60%的安全線。同時《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》也明確提出要“合理開發利用海洋資源，積極發展海洋油氣、海洋運輸、海洋工程裝備制造等新興產業，加強海洋基礎性、前瞻性、關鍵性技術的研發力度”，提高我國海洋科技水平，增強海洋開發利用能力。向深海進軍，進行油氣開發利用已成為我國今后石油戰略的主要發展方向，推動海洋油氣裝備的國產化程度和技術水平，這是我國實施油氣開發走向深海和維護海洋權益的技術基礎。(廖謨圣.中國海洋石油鉆采裝備工業的進展與建議[C].中國海洋油氣國際峰會論文集，2006.周守為，金曉劍，曾恒一，等.海洋石油裝備與設施一支撐起海洋石油工業的平臺[J].中國工程科學，2010，12(5):102-112.劉清友，徐濤.深海鉆井升沉補償裝置國內現狀及發展思路[J].西南石油大學學報(自然科學版)，2014，36(3):1-8.)
在進行深海油氣開發鉆井作業過程中，需要利用浮式鉆井平臺作為作業場地和人員休整基地，由于外界風、浪等自然載荷的作用會使半潛式鉆井平臺發生周期性的升沉運動，該運動將使大鉤所懸掛的鉆柱跟隨平臺一起做往復升沉運動。當鉆井平臺上升位移過大，大鉤帶動鉆柱運動并使鉆頭脫離井底，影響鉆頭的鉆進效率;當鉆井平臺下降位移過大，鉆柱被壓縮導致井底鉆壓大于規定鉆壓，可能壓壞鉆頭或損壞鉆柱，造成鉆井安全隱患。為避免鉆井安全事故的發生和降低鉆井作業成本，需要對深海鉆井平臺所懸掛鉆柱系統的升沉運動采取適當的運動補償措施。
[0003]升沉補償裝置作為深海油氣開發利用過程中的鉆井作業關鍵設備，能夠對因浮式鉆井平臺升沉運動而引起的鉆柱升沉位移進行有效補償，從而保證鉆井作業效率和使用安全，降低鉆井作業周期和成本。浮式鉆井平臺針對鉆柱升沉運動的補償方式主要分為兩種:①在鉆柱管串中增設伸縮鉆桿;②在鉆井平臺上增加各種類型鉆柱升沉補償裝置。伸縮鉆桿由于無法調節井底鉆壓，操作難度大，近年來逐漸被后者所取代。鉆柱升沉補償裝置按照補償過程中動力提供方式可分為被動式、半主動式和主動式三類;按照補償裝置結構類型可分為天車升沉補償裝置、游車大鉤升沉補償裝置、死繩升沉補償裝置和絞車升沉補償裝置四類。
[0004]天車升沉補償裝置作為投入現場實際使用和相關補償技術發展都較早的一類升沉補償裝置，因其技術成熟和安全可靠性高，目前在深水浮式鉆井平臺和鉆井船中得到了廣泛應用。該裝置主要由浮動天車、驅動補償系統、液壓支撐系統(由液壓補償缸總成、液壓管線、控制閥、蓄能器等組成)、導向裝置(由導向輪、導向支撐架等組成)、鋼絲繩搖臂機構以及相應的控制系統等部件組成。
[0005]目前使用的天車升沉補償裝置主要采用液壓驅動補償形式，液壓驅動系統中由于存在大量液壓管路和控制閥門等液壓元器件，使得補償系統對鉆井平臺升沉運動的補償響應存在一定的滯后性，會對天車升沉補償裝置的補償速度與效率產生影響；
由于補償系統中存在大量液壓元器件，使液壓系統在較大壓力情況下易出現泄露，影響補償系統的安全性和使用可靠性，由于液壓系統泄露或液壓閥門管線失效等問題所造成的作業事故，會導致補償系統需要停工檢修，因此增加系統維護難度和整體作業成本。在天車升沉補償運動過程中，有些鉆井作業需要浮動天車被鎖定在某一固定高度位置，便于作業過程中的上、卸扣等操作流程的進行。
[0006]浮動天車在升沉補償運動過程中，對于機械驅動方式的動力端會使位于鉆井井架頂端內的浮動天車產生搖擺，不利于運動補償過程的平穩進行。
[0007]鋼絲繩搖臂機構是對浮式鉆井平臺進行升沉運動補償的天車升沉補償裝置中的重要組成部分，鋼絲繩搖臂機構主要對鉆井鋼絲繩起到導向作用以及減少鋼絲繩在鉆井絞車上的纏繞次數，實現降低鋼絲繩的磨損和提高使用壽命的目的。現有該機構并不具備能量存儲和釋放的被動補償功能，但鉆井鋼絲繩所懸掛的鉆柱重量有上百噸，使用天車升沉補償裝置對鉆柱運動補償過程中，鋼絲繩搖臂機構部分具有大量可利用的能量，這部分能量在運動過程中都無法得到利用。
[0008]現有的天車升沉補償系統采用液壓驅動補償形式、液壓支撐系統不具有鎖定功能，且補償過程中會產生搖擺，此外，鋼絲繩搖臂機構運動能量無法加以利用。常規天車升沉補償系統普遍存在浮動天車的補償效率不高，浮動天車在上下往復運動過程中不夠穩定以及各機構的可靠性不高等問題。
【發明內容】
[0009]本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，該裝置使用機械驅動式代替原有補償系統中的液壓驅動式、增加了浮動天車鎖定導向功能以及改進了鋼絲繩搖臂機構被動補償功能，并具有結構簡單、可靠性好、補償效率高和系統響應速度快等優點。
[0010]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，包括井架框架、齒輪齒條驅動補償機構、液壓支撐鎖定機構、導向裝置、具備被動補償功能的被動補償鋼絲繩搖臂機構、浮動天車和游車，所述齒輪齒條驅動補償機構固定安裝在井架框架的頂部，導向裝置安裝在井架框架內，浮動天車滑動安裝在導向裝置上，且能夠沿導向裝置上下浮動，所述液壓支撐鎖定機構安裝在井架框架的底部，并與浮動天車連接，所述液壓支撐鎖定機構能夠在任意位置鎖定浮動天車，所述被動補償鋼絲繩搖臂機構安裝在井架框架的底部兩側，被動補償鋼絲繩搖臂機構與浮動天車連接，所述游車通過鋼絲繩吊裝在浮動天車上，游車上安裝有大鉤。
[0011]所述齒輪齒條驅動補償機構包括定位安裝臺、直齒條軌道一、直齒條軌道二、驅動齒輪一和驅動齒輪二，所述定位安裝臺固定在井架框架的頂部，定位安裝臺上對稱安裝有補償電機一和補償電機二，補償電機一的輸出端與驅動齒輪一傳動連接，補償電機二的輸出端與驅動齒輪二傳動連接，直齒條軌道一和直齒條軌道二背靠背地置于定位安裝臺的一側，直齒條軌道一與驅動齒輪一嗤合，直齒條軌道二與驅動齒輪二嗤合，直齒條軌道一和直齒條軌道二的下端固定在浮動天車的上端。
[0012]所述液壓支撐鎖定機構包括液壓支撐缸一、液壓支撐缸二以及能夠儲存液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的液壓能量的蓄能器，液壓支撐缸一和液壓支撐缸二固定在井架框架的底部，液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的伸縮桿分別對稱支撐在浮動天車的下方，蓄能器分別與液壓支撐缸一和液壓支撐缸二連接。
[0013]所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥一的第二接口與二通蓋板式插裝閥二的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥二的第二接口與蓄能器連接;所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥的第二接口分別與單向變量液壓栗的出口和直動型溢流閥的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥的第三接口與背壓閥的第一接口連接，單向變量液壓栗的入口、直動型溢流閥的第二接口以及背壓閥的第二接口分別與液壓油箱連接，單向變量液壓栗由電動機驅動。
[0014]所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一之間的主管路上安裝有液壓支撐缸無桿腔壓力計，所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥的第一接口之間的主管路上安裝有液壓支撐缸有桿腔壓力計，所述二通蓋板式插裝閥一與二通蓋板式插裝閥二之間安裝有二位二通液壓先導控制換向閥，二通蓋板式插裝閥二的一側安裝有二位二通電磁換向閥。
[0015]所述液壓支撐鎖定機構還包括液壓鎖定回路，所述液壓鎖定回路包括過濾器、二位二通液控換向閥、液壓先導閥、單作用氣動操作閥和氣罐，單作用氣動操作閥的兩端分別與氣罐連通，二位二通液控換向閥的第一控制端與蓄能器連接，過濾器與二位二通液控換向閥的第一接口與過濾器連接，二位二通液控換向閥的第二接口分別與液壓先導閥的第一控制端和液壓油箱連通，液壓先導閥的第二控制端分別與二位二通液控換向閥的第二控制端和第三接口連接，二位二通液控換向閥的第一控制端與單作用氣動操作閥的第一入口連接，過濾器還與單作用氣動操作閥的第二入口連接，單作用氣動操作閥的第一出口與液壓油箱連通，二位二通液控換向閥與液壓先導閥之間的管路上安裝有單向閥，單向閥的入口側與單作用氣動操作閥的第二出口連接，出口側與單作用氣動操作閥的第一控制端連接。
[0016]所述導向裝置包括直線導軌、導向輪和軸向導軌支撐架，直線導軌豎直安裝在井架框架上，直線導軌與井架框架之間通過軸向導軌支撐架固定，導向輪安裝在浮動天車上，導向輪與直線導軌配合。
[0017]所述直線導軌包括安裝在井架框架一側的直線導軌一和直線導軌二、安裝在井架框架另一側的直線導軌三和直線導軌四，導向輪包括與直線導軌一對應的導向輪一，與直線導軌二對應的導向輪二、與直線導軌三對應的導向輪三以及與直線導軌四對應的導向輪四，導向輪一通過導向輪軸一安裝在浮動天車上，導向輪二通過導向輪軸二安裝在浮動天車上，導向輪三通過導向輪軸三安裝在浮動天車上，導向輪四通過導向輪軸四安裝在浮動天車上。
[0018]所述被動補償鋼絲繩搖臂機構包括搖臂支撐缸一、搖臂支撐缸二、搖臂支撐缸三、搖臂支撐缸四、搖臂導向輪一、搖臂導向輪二、液壓缸一和液壓缸二，搖臂支撐缸一的下端鉸接安裝在快繩導向輪上，快速導向輪安裝在井架框架的一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪一，搖臂導向輪一還與搖臂支撐缸二的一端鉸接，搖臂支撐缸二的另一端與浮動天車鉸接相連，搖臂導向輪一還與液壓缸一的一端鉸接，液壓缸一的另一端鉸接在井架框架上，搖臂支撐缸四的下端鉸接安裝在死繩導向輪上，死繩導向輪安裝在井架框架的另一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪二，搖臂導向輪二還與搖臂支撐缸三的一端鉸接，搖臂支撐缸三的另一端與浮動天車鉸接相連，搖臂導向輪二還與液壓缸二的一端鉸接，液壓缸二的另一端鉸接在井架框架上，快繩繞過快繩導向輪和搖臂導向輪一后，進入浮動天車和游車的滾輪進行纏繞，死繩繞過死繩導向輪和搖臂導向輪二后，進入浮動天車和游車的滾輪進行纏繞。
[0019]所述液壓缸一的一側還設置有蓄能器一，蓄能器一與液壓缸一的無桿腔連接，所述液壓缸二的一側還設置有蓄能器二，蓄能器二與液壓缸二的無桿腔連接。
[0020]本發明具有以下優點:
1、本發明為半主動補償式的天車升沉補償系統，兼具有被動補償式和主動補償式兩類補償裝置系統的優點，因此，該類補償裝置系統可實現被動補償和主動補償的兩大功能。
[0021]2、當浮動天車處于鎖定狀態時，天車升沉補償裝置不對浮動天車產生主動驅動力作用，浮動天車靜負載由雙液壓支撐缸系統承載，此時通過氣液蓄能器存儲能量；當天車升沉補償裝置處于補償過程時，該部分能量被釋放，能夠有效減輕齒輪齒條驅動補償系統在嚙合過程中所承受的負載，保證機械驅動部分的有效工作。浮動天車及其所懸掛負載在升沉補償路徑中的任意位置被鎖定，即使在遭遇鉆桿斷裂或者液壓回路中供油軟管破裂漏油情況時，也能自動進行關閉。
[0022]3、直線導軌上下兩端固定在井架上部外框架上，導向輪與直線導軌之間形成相互擠壓，并與浮動天車相連，可實現對天車升沉補償裝置在運動補償過程中的導向作用，并在導軌非接觸側設置軸向導軌支撐架。
[0023]4、天車升沉補償裝置的浮動天車在運動補償過程中通過鉆井鋼絲繩在搖臂導向輪上收縮移動對液壓缸活塞桿產生的壓力，同時使氣液蓄能器中儲氣罐的氣體被壓縮而實現能量的存儲，并能通過氣液蓄能器釋放上一過程中所存儲的能量，使液壓缸活塞桿推動鋼絲繩運動，對浮動天車的升沉運動進行被動補償。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發明的結構不意圖；
圖2為本發明齒輪齒條驅動補償系統結構示意圖；
圖3為液壓支撐系統原理圖；
圖4為液壓支撐系統回路圖；
圖5為液壓鎖定回路圖；
圖6為導向裝置安裝位置示意圖；
圖7為導向裝置結構示意圖；
圖8為被動補償鋼絲繩搖臂機構結構示意圖；
圖9為液壓缸-蓄能器連接示意圖；
圖中:1-井架框架，2-浮動天車，3-齒輪齒條驅動補償機構，4-液壓支撐鎖定機構，5-導向裝置，6-被動補償鋼絲繩搖臂機構，7-游車，8-鋼絲繩，9-定位安裝，10-直齒條軌道一，11-直齒條軌道二，12-驅動齒輪一，13-驅動齒輪二，14-補償電機一，15-補償電機二，16-液壓支撐缸一，17-液壓支撐缸二，18-蓄能器，19-二通蓋板式插裝閥一，20-二通蓋板式插裝閥二，21-三位四通電液比例換向閥，22-單向變量液壓栗，23-直動型溢流閥，24-背壓閥，25-電動機，26-液壓支撐缸無桿腔壓力計，27-液壓支撐缸有桿腔壓力計，28-二位二通液壓先導控制換向閥，29-二位二通電磁換向閥，30-液壓油箱，31-過濾器，32-二位二通液控換向閥，33-液壓先導閥，34-單作用氣動操作閥，35-氣罐，36-直線導軌，37-導向輪，38-軸向導軌支撐架，39-直線導軌一，40-直線導軌二，41-直線導軌三，42-直線導軌四，43-導向輪一，44-導向輪二，45-導向輪三，46-導向輪四，47-導向輪軸一，48-導向輪軸二，49-導向輪軸三，50-導向輪軸四，51-搖臂支撐缸一，52-搖臂支撐缸二，53-搖臂支撐缸三，54-搖臂支撐缸四，55-搖臂導向輪一，56-搖臂導向輪二，57-液壓缸一，58-液壓缸二，59-快繩導向輪，60-死繩導向輪，61-快繩，62-死繩，63-蓄能器一，64-蓄能器二。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。
[0026]如圖1所示，一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，包括井架框架
1、齒輪齒條驅動補償機構3、液壓支撐鎖定機構4、導向裝置5、具備被動補償功能的被動補償鋼絲繩8搖臂機構6、浮動天車2和游車7，所述齒輪齒條驅動補償機構3固定安裝在井架框架I的頂部，導向裝置5安裝在井架框架I內，浮動天車2滑動安裝在導向裝置5上，且能夠沿導向裝置5上下浮動，所述液壓支撐鎖定機構4安裝在井架框架I的底部，并與浮動天車2連接，所述液壓支撐鎖定機構4能夠在任意位置鎖定浮動天車2，所述被動補償鋼絲繩8搖臂機構6安裝在井架框架I的底部兩側，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6與浮動天車2連接，所述游車7通過鋼絲繩8吊裝在浮動天車2上，游車7上安裝有大鉤。
[0027]如圖2所示，所述齒輪齒條驅動補償機構3包括定位安裝臺9、直齒條軌道一10、直齒條軌道二 11、驅動齒輪一 12和驅動齒輪二 13，所述定位安裝臺9固定在井架框架I的頂部，定位安裝臺9上對稱安裝有補償電機一 14和補償電機二 15，補償電機一14的輸出端與驅動齒輪一 12傳動連接，補償電機二 15的輸出端與驅動齒輪二 13傳動連接，直齒條軌道一 10和直齒條軌道二 11背靠背地置于定位安裝臺9的一側，直齒條軌道一 10與驅動齒輪一 12嚙合，直齒條軌道二 11與驅動齒輪二 13嚙合，直齒條軌道一 10和直齒條軌道二 11的下端固定在浮動天車2的上端。在天車升沉補償運動過程中，補償電機一 14和補償電機二 15在相關補償數據的輸入控制下，啟動并帶動驅動齒輪一 12和驅動齒輪二 13轉動，使得直齒條軌道一 10和直齒條軌道二 11相對于驅動齒輪一 12和驅動齒輪二 13上下運動，實現對浮動天車2及通過鋼絲繩8所懸掛管柱的升沉補償運動，通過補償電機一 14和補償電機二 15的正反轉運動和機械轉速快慢可以控制與直齒條相連的浮動天車2的補償運動方向和補償位移。使用補償電機一 14和補償電機二 15提供浮動天車2上下運動的機械能，并使用驅動齒輪和直齒條軌道的配合，實現提高天車補償效率和精度的目的。
[0028]如圖3所示，所述液壓支撐鎖定機構4包括液壓支撐缸一 16、液壓支撐缸二 17以及能夠儲存液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17的液壓能量的蓄能器18，液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17固定在井架框架I的底部，液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17的伸縮桿分別對稱支撐在浮動天車2的下方，蓄能器18分別與液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17連接。當浮動天車2處于鎖定狀態時，天車升沉補償裝置不對浮動天車2產生主動驅動力作用，浮動天車2靜負載由液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17組成的雙液壓支撐缸系統承載，此時通過蓄能器18存儲能量；當天車升沉補償裝置處于補償過程時，該部分能量被釋放，能夠有效減輕齒輪齒條驅動補償系統在嚙合過程中所承受的負載，保證機械驅動部分的有效工作。
[0029]如圖4所示，所述液壓支撐缸一16和液壓支撐缸二 17的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一 19的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥一 19的第二接口與二通蓋板式插裝閥二 20的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥二 20的第二接口與蓄能器18連接;所述液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥21的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥21的第二接口分別與單向變量液壓栗22的出口和直動型溢流閥23的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥21的第三接口與背壓閥24的第一接口連接，單向變量液壓栗22的入口、直動型溢流閥23的第二接口以及背壓閥24的第二接口分別與液壓油箱30連接，單向變量液壓栗22由電動機25驅動。采用三位四通電液比例換向閥21作為連接液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17的有桿腔壓力和單向變量液壓栗22出口壓力的控制閥。相比較僅采用栗控方式的液壓回路，由于在天車升沉補償裝置的運動補償過程中，單向變量液壓栗22有時會出現入口進油壓力大于出口液壓支撐缸有桿腔內液壓油壓力的情況，使得液壓栗的工作工況轉變為帶動電動機25處于發電狀態的液壓馬達工況，此過程中會將一部分能量消耗在電動機25電阻發熱上，降低了系統能量利用率和電動機25的可靠性。因此，本設計中的液壓支撐缸液壓回路系統采用栗控加閥控的方式，避免使液壓栗處于液壓馬達狀態，能夠有效提高能量利用率。
[0030]所述液壓支撐缸一16和液壓支撐缸的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一 19之間的主管路上安裝有液壓支撐缸無桿腔壓力計26，所述液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥21的第一接口之間的主管路上安裝有液壓支撐缸有桿腔壓力計27，所述二通蓋板式插裝閥一 19與二通蓋板式插裝閥二 20之間安裝有二位二通液壓先導控制換向閥28，二通蓋板式插裝閥二20的一側安裝有二位二通電磁換向閥29。在該液壓系統回路中，當液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二 17的有桿腔需要供液時，回路中的單向變量液壓栗22在電動機25帶動下處于工作狀態，此時單向變量液壓栗22出口壓力大于其入口壓力；當通過液壓支撐缸有桿腔壓力計27發現有桿腔內壓力增大時，表明液壓支撐缸內活塞相對于缸體向上移動了一段距離，三位四通電液比例換向閥21處于工作狀態，將液壓支撐缸有桿腔與液壓油箱30之間的回路接通，使得有桿腔內液壓油液通過三位四通電液比例換向閥21和背壓閥24流回液壓油箱30;當單向變量液壓栗22和液壓支撐缸之間的回路被截斷時，此時液壓栗流量為零，將可有效避免液壓馬達工況的出現。在天車升沉補償裝置進行運動補償過程中，液壓支撐缸無桿腔與蓄能器18相連接，由于管路中液壓油液流量較大，將二通蓋板式插裝閥中的錐閥作為主控元件插裝在液壓油路中，再結合液壓回路中的兩組換向閥，實現用小流量工作油液來控制大流量工作油液的方式，具有流動阻力小、流通能力大、密封性好、動作速度快和可靠度高的特點。當鉆柱處于正常鉆井過程中時，截止閥打開，二位二通電磁換向閥29關閉，二通蓋板式插裝閥二20打開，二位二通液壓先導控制換向閥28在液壓力作用下被關閉，與其連接的二通蓋板式插裝閥一 19打開，此時蓄能器18就與兩組液壓支撐缸的無桿腔相連通。當在機械驅動機構提供主動驅動力的作用下，對浮動天車2進行向上的運動補償時，需要兩組液壓支撐缸中活塞相對于缸體向上運動產生液壓推力，蓄能器18通過截止閥和兩個二通蓋板式插裝閥向兩組液壓支撐缸無桿腔沖入油液。與此同時，三位四通電液比例換向閥21的閥芯工作在右位，兩組液壓支撐缸有桿腔中液壓油通過三位四通電液比例換向閥21和背壓閥24流入到液壓油箱30中，使得兩組液壓支撐缸無桿腔內液壓力大于有桿腔內液壓力，缸體中的活塞在兩腔室壓力差的作用下，對浮動天車2產生有效推力，用以減輕機械驅動機構中驅動力的輸入，保證天車升沉補償裝置的可靠運動。
[0031]當需要使用天車升沉補償裝置對井底鉆壓進行調整過程中，可利用液壓支撐缸缸體內液壓油壓力進行有效調節。在此過程中，鉆井平臺操作人員收到調節鉆壓的指令后，向控制電動機25轉速的控制器發出轉速調整命令，電動機25通過帶動單向變量液壓栗22的排量發生改變，使得流入到液壓支撐缸有桿腔內的液壓油流量變化，從而實現對井底鉆壓的調節作用。
[0032]如圖5所示，所述液壓支撐鎖定機構4還包括液壓鎖定回路，所述液壓鎖定回路包括過濾器31、二位二通液控換向閥32、液壓先導閥33、單作用氣動操作閥34和氣罐35，單作用氣動操作閥34的兩端分別與氣罐35連通，二位二通液控換向閥32的第一控制端與蓄能器18連接，過濾器31與二位二通液控換向閥32的第一接口與過濾器31連接，二位二通液控換向閥32的第二接口分別與液壓先導閥33的第一控制端和液壓油箱30連通，液壓先導閥33的第二控制端分別與二位二通液控換向閥32的第二控制端和第三接口連接，二位二通液控換向閥32的第一控制端與單作用氣動操作閥34的第一入口連接，過濾器31還與單作用氣動操作閥34的第二入口連接，單作用氣動操作閥34的第一出口與液壓油箱30連通，二位二通液控換向閥32與液壓先導閥33之間的管路上安裝有單向閥，單向閥的入口側與單作用氣動操作閥34的第二出口連接，出口側與單作用氣動操作閥34的第一控制端連接。液壓系統回路中的二位二通液壓先導控制換向閥28處，設置兩組組合式液壓鎖定/減速閥與二位二通液壓先導控制換向閥28共同組成液壓鎖定回路，此兩組閥組合能夠使得浮動天車2及其所懸掛負載在升沉補償路徑中的任意位置被鎖定，即使在遭遇鉆桿斷裂或者液壓回路中供油軟管破裂漏油情況時，也能自動進行關閉。單作用氣動操作閥34兩端與氣罐35相連通，由氣罐35實現其開閉。單作用氣動操作閥34可通過手柄進行人工操作，該操作閥的右端位置為關閉狀態，左端位置為打開狀態，中間位置為自動狀態。當單作用氣動操作閥34手柄處于右端位置時，液壓鎖定閥被關閉，兩組液壓支撐缸中的液壓油流入液壓油缸的回路被截斷，使得液壓支撐缸活塞桿被固定在升沉補償路徑的鎖定位置處；當單作用氣動操作閥34手柄處于左端位置處時，液壓支撐缸兩腔室到液壓油缸的回路處于暢通狀態；當單作用氣動操作閥34手柄從左端位置移動到中間位置時，液壓支撐缸的液壓回路處于暢通狀態，并可保證當浮動天車2突然變化時，能夠自動關閉液壓鎖定閥；當單作用氣動操作閥34手柄從右端移動至中間位置時，液壓鎖定閥仍然處于關閉狀態，此時的液壓回路中的回油速度會加快。如果需要進行自動操作時，需要將單作用氣動操作閥34手柄移動至左端位置處，并保持該狀態幾秒后再將手柄移動到單作用氣動操作閥34中間位置處。
[0033]如圖6所示，所述導向裝置5包括直線導軌36、導向輪37和軸向導軌支撐架38，直線導軌36豎直安裝在井架框架I上，直線導軌36與井架框架I之間通過軸向導軌支撐架38固定，導向輪37安裝在浮動天車2上，導向輪37與直線導軌36配合。直線導軌36上下兩端固定在井架框架I上，導向輪37與直線導軌36之間形成相互擠壓，并與浮動天車2相連，可實現對天車升沉補償裝置在運動補償過程中的導向作用，同時，由于直線導軌36長度較長，在直線導軌36非接觸側設置軸向導軌支撐架38，導向裝置5能夠有效避免浮動天車2產生較大的橫向擺動。
[0034]如圖7所示，所述直線導軌36包括安裝在井架框架I 一側的直線導軌一 39和直線導軌二 40、安裝在井架框架I另一側的直線導軌三41和直線導軌四42，導向輪37包括與直線導軌一 39對應的導向輪一 43，與直線導軌二 40對應的導向輪二 44、與直線導軌三41對應的導向輪三45以及與直線導軌四42對應的導向輪四46，導向輪一 43通過導向輪軸一 47安裝在浮動天車2上，導向輪二 44通過導向輪軸二 48安裝在浮動天車2上，導向輪三45通過導向輪軸三49安裝在浮動天車2上，導向輪四46通過導向輪50軸四安裝在浮動天車2上。
[0035]如圖8所示，所述被動補償鋼絲繩8搖臂機構6包括搖臂支撐缸一51、搖臂支撐缸二52、搖臂支撐缸三53、搖臂支撐缸四54、搖臂導向輪一 55、搖臂導向輪二 56、液壓缸一 57和液壓缸二58，搖臂支撐缸一51的下端鉸接安裝在快繩導向輪59上，快速導向輪安裝在井架框架I的一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪一 55，搖臂導向輪一 55還與搖臂支撐缸二 52的一端鉸接，搖臂支撐缸二 52的另一端與浮動天車2鉸接相連，搖臂導向輪一 55還與液壓缸一 57的一端鉸接，液壓缸一 57的另一端鉸接在井架框架I上，搖臂支撐缸四54的下端鉸接安裝在死繩導向輪60上，死繩導向輪60安裝在井架框架I的另一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪二56，搖臂導向輪二 56還與搖臂支撐缸三53的一端鉸接，搖臂支撐缸三53的另一端與浮動天車2鉸接相連，搖臂導向輪二 56還與液壓缸二 58的一端鉸接，液壓缸二 58的另一端鉸接在井架框架I上，快繩61繞過快繩導向輪59和搖臂導向輪一 55后，進入浮動天車2和游車7的滾輪進行纏繞，死繩62繞過死繩導向輪60和搖臂導向輪二 56后，進入浮動天車2和游車7的滾輪進行纏繞。搖臂導向輪一 55和搖臂導向輪二 56在保證快繩61和死繩62確定運動軌跡的情況下，有助于減輕快繩61和死繩62在升沉補償運動過程中的磨損，同時搖臂支撐桿一、搖臂支撐桿二和搖臂支撐桿三、搖臂支撐桿四可繞移動鉸進行靈活轉動。蓄能器一 63和蓄能器二64分別安裝在液壓缸一57和液壓缸二 58缸體下部一側并進行內缸體相連通。
[0036]如圖8和圖9所示，所述液壓缸一 57的一側還設置有蓄能器一 63，蓄能器一 63與液壓缸一 57的無桿腔連接，所述液壓缸二 58的一側還設置有蓄能器二 64，蓄能器二 64與液壓缸二58的無桿腔連接，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6在被動補償過程中，由液壓缸活塞桿、鋼絲繩8、液壓缸內液壓油和蓄能器中氣體組成了一個完整的能量存儲與釋放循環系統。天車升沉補償裝置的浮動天車2在運動補償過程中，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6的被動補償能量，主要來源于通過鋼絲繩8在搖臂導向輪37上收縮移動對液壓缸活塞桿產生的壓力，同時使蓄能器中儲氣罐35的氣體被壓縮而實現能量的存儲，并能通過蓄能器釋放上一過程中所存儲的能量，使液壓缸活塞桿推動鋼絲繩8運動，對浮動天車2的升沉運動進行被動補償。
[0037]被動補償式鋼絲繩8搖臂機構的被動補償過程具體如下:浮式鉆井平臺在海洋環境載荷作用下，在升沉運動平面內產生向上的升沉運動時，天車升沉補償裝置的浮動天車2在機械驅動機構驅動下，通過液壓支撐缸和驅動齒輪與直齒條輪齒的嚙合驅動，使得浮動天車2在導向裝置5的導軌內實現向下運動以對產生的位移進行運動補償，此時被動補償鋼絲繩8搖臂機構6中的兩幅移動鉸向內進行收縮運動，由于鉆井鋼絲繩8所懸掛的浮動天車2重量較大，使其在搖臂運動過程中對搖臂導向輪一55和搖臂導向輪二56產生較大壓力，通過移動鉸與搖臂導向輪一 55和搖臂導向輪二 56相連的液壓缸一 57和液壓缸二 58受壓力時產生收縮，對與液壓缸一57和液壓缸二 58相互連接的蓄能器一63和蓄能器二 64中氣體進行壓縮，并利用蓄能器一63和蓄能器二64實現能量的儲存；當浮式鉆井平臺產生向下的運動時，需要浮動天車2向上運動進行運動補償，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6的移動鉸隨之向外展出，此時蓄能器一 63和蓄能器二 64釋放前一運動過程中儲存的能量，用于推動液壓缸一57和液壓缸二 58向外運動，通過搖臂導向輪一 55和搖臂導向輪二 56帶動鋼絲繩8所懸掛的浮動天車2向上運動，減輕外界補償能量的供給。
[0038]本發明的工作過程如下:對鉆柱升沉運動進行補償過程中，當浮式鉆井平臺或鉆井船隨波浪上升時，會導致大鉤及游車7載荷增加，帶動液壓支撐鎖定機構4中液壓支撐缸一16和液壓支撐缸二 17內活塞桿向外運動，使蓄能器18中氣體發生膨脹，由此驅動浮動天車2相對于井架框架I向上運動，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6向外擴展，張緊快繩61，補償大鉤和鉆柱由于浮式鉆井平臺或鉆井船上升產生的運動位移。當浮式鉆井平臺或鉆井船隨波浪下降時，會導致大鉤載荷減小，帶動液壓支撐鎖定機構4中液壓支撐缸一 16和液壓支撐缸二17內活塞桿向內運動，使得蓄能器18中氣體被壓縮，由此驅動浮動天車2相對井架框架I向下運動，被動補償鋼絲繩8搖臂機構6向內收縮，放松鉆井快繩61，補償游車7和大鉤與鉆柱由于浮式鉆井平臺或鉆井船下降產生的運動位移。
[0039]同時，天車升沉補償裝置還可實現以下功能:①司鉆人員可通過調節位于鉆井平臺工作甲板上的壓力調節閥來改變補償液壓缸的壓力，能夠實現快速調節井底鉆壓的功能;②當進行正常鉆井作業時，若將液壓支撐鎖定機構4中補償液壓缸內活塞桿對浮動天車2的推力調節到略低于大鉤載荷的范圍內，使浮動天車2能夠沿著導向裝置5向下移動，能夠實現自動進尺功能，當浮動天車2向下運行到最低點時，位于工作甲板上的司鉆人員可通過放松鉆井絞車上的快繩61，使游車7和大鉤繼續向下移動，實現自動送鉆功能;③通過液壓支撐鎖定機構4中設置的液壓鎖定匯率，在進行起下鉆作業時，可將浮動天車2鎖在井架框架I頂部，使浮動天車2不能隨鉆柱一起運動，保證天車升沉裝置對鉆柱升沉運動的有效補償和鉆井作業的順利進行。
【主權項】
1.一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:包括井架框架、齒輪齒條驅動補償機構、液壓支撐鎖定機構、導向裝置、具備被動補償功能的被動補償鋼絲繩搖臂機構、浮動天車和游車，所述齒輪齒條驅動補償機構固定安裝在井架框架的頂部，導向裝置安裝在井架框架內，浮動天車滑動安裝在導向裝置上，且能夠沿導向裝置上下浮動，所述液壓支撐鎖定機構安裝在井架框架的底部，并與浮動天車連接，所述液壓支撐鎖定機構能夠在任意位置鎖定浮動天車，所述被動補償鋼絲繩搖臂機構安裝在井架框架的底部兩側，被動補償鋼絲繩搖臂機構與浮動天車連接，所述游車通過鋼絲繩吊裝在浮動天車上，游車上安裝有大鉤。2.根據權利要求1所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述齒輪齒條驅動補償機構包括定位安裝臺、直齒條軌道一、直齒條軌道二、驅動齒輪一和驅動齒輪二，所述定位安裝臺固定在井架框架的頂部，定位安裝臺上對稱安裝有補償電機一和補償電機二，補償電機一的輸出端與驅動齒輪一傳動連接，補償電機二的輸出端與驅動齒輪二傳動連接，直齒條軌道一和直齒條軌道二背靠背地置于定位安裝臺的一側，直齒條軌道一與驅動齒輪一嗤合，直齒條軌道二與驅動齒輪二嗤合，直齒條軌道一和直齒條軌道二的下端固定在浮動天車的上端。3.根據權利要求1所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述液壓支撐鎖定機構包括液壓支撐缸一、液壓支撐缸二以及能夠儲存液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的液壓能量的蓄能器，液壓支撐缸一和液壓支撐缸二固定在井架框架的底部，液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的伸縮桿分別對稱支撐在浮動天車的下方，蓄能器分別與液壓支撐缸一和液壓支撐缸二連接。4.根據權利要求3所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸二的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥一的第二接口與二通蓋板式插裝閥二的第一接口連接，二通蓋板式插裝閥二的第二接口與蓄能器連接;所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥的第二接口分別與單向變量液壓栗的出口和直動型溢流閥的第一接口連接，三位四通電液比例換向閥的第三接口與背壓閥的第一接口連接，單向變量液壓栗的入口、直動型溢流閥的第二接口以及背壓閥的第二接口分別與液壓油箱連接，單向變量液壓栗由電動機驅動。5.根據權利要求4所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的無桿腔與二通蓋板式插裝閥一之間的主管路上安裝有液壓支撐缸無桿腔壓力計，所述液壓支撐缸一和液壓支撐缸的有桿腔與三位四通電液比例換向閥的第一接口之間的主管路上安裝有液壓支撐缸有桿腔壓力計，所述二通蓋板式插裝閥一與二通蓋板式插裝閥二之間安裝有二位二通液壓先導控制換向閥，二通蓋板式插裝閥二的一側安裝有二位二通電磁換向閥。6.根據權利要求1或3所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述液壓支撐鎖定機構還包括液壓鎖定回路，所述液壓鎖定回路包括過濾器、二位二通液控換向閥、液壓先導閥、單作用氣動操作閥和氣罐，單作用氣動操作閥的兩端分別與氣罐連通，二位二通液控換向閥的第一控制端與蓄能器連接，過濾器與二位二通液控換向閥的第一接口與過濾器連接，二位二通液控換向閥的第二接口分別與液壓先導閥的第一控制端和液壓油箱連通，液壓先導閥的第二控制端分別與二位二通液控換向閥的第二控制端和第三接口連接，二位二通液控換向閥的第一控制端與單作用氣動操作閥的第一入口連接，過濾器還與單作用氣動操作閥的第二入口連接，單作用氣動操作閥的第一出口與液壓油箱連通，二位二通液控換向閥與液壓先導閥之間的管路上安裝有單向閥，單向閥的入口側與單作用氣動操作閥的第二出口連接，出口側與單作用氣動操作閥的第一控制端連接。7.根據權利要求1所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述導向裝置包括直線導軌、導向輪和軸向導軌支撐架，直線導軌豎直安裝在井架框架上，直線導軌與井架框架之間通過軸向導軌支撐架固定，導向輪安裝在浮動天車上，導向輪與直線導軌配合。8.根據權利要求7所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述直線導軌包括安裝在井架框架一側的直線導軌一和直線導軌二、安裝在井架框架另一側的直線導軌三和直線導軌四，導向輪包括與直線導軌一對應的導向輪一，與直線導軌二對應的導向輪二、與直線導軌三對應的導向輪三以及與直線導軌四對應的導向輪四，導向輪一通過導向輪軸一安裝在浮動天車上，導向輪二通過導向輪軸二安裝在浮動天車上，導向輪三通過導向輪軸三安裝在浮動天車上，導向輪四通過導向輪軸四安裝在浮動天車上。9.根據權利要求1所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述被動補償鋼絲繩搖臂機構包括搖臂支撐缸一、搖臂支撐缸二、搖臂支撐缸三、搖臂支撐缸四、搖臂導向輪一、搖臂導向輪二、液壓缸一和液壓缸二，搖臂支撐缸一的下端鉸接安裝在快繩導向輪上，快速導向輪安裝在井架框架的一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪一，搖臂導向輪一還與搖臂支撐缸二的一端鉸接，搖臂支撐缸二的另一端與浮動天車鉸接相連，搖臂導向輪一還與液壓缸一的一端鉸接，液壓缸一的另一端鉸接在井架框架上，搖臂支撐缸四的下端鉸接安裝在死繩導向輪上，死繩導向輪安裝在井架框架的另一側，上端鉸接安裝有搖臂導向輪二，搖臂導向輪二還與搖臂支撐缸三的一端鉸接，搖臂支撐缸三的另一端與浮動天車鉸接相連，搖臂導向輪二還與液壓缸二的一端鉸接，液壓缸二的另一端鉸接在井架框架上，快繩繞過快繩導向輪和搖臂導向輪一后，進入浮動天車和游車的滾輪進行纏繞，死繩繞過死繩導向輪和搖臂導向輪二后，進入浮動天車和游車的滾輪進行纏繞。10.根據權利要求9所述一種用于深水鉆井作業的半主動式天車升沉補償系統，其特征在于:所述液壓缸一的一側還設置有蓄能器一，蓄能器一與液壓缸一的無桿腔連接，所述液壓缸二的一側還設置有蓄能器二，蓄能器二與液壓缸二的無桿腔連接。
【文檔編號】E21B19/09GK106089127SQ201610595540
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月27日 公開號201610595540.8, CN 106089127 A, CN 106089127A, CN 201610595540, CN-A-106089127, CN106089127 A, CN106089127A, CN201610595540, CN201610595540.8
【發明人】劉清友, 唐煊赫, 徐濤, 朱海燕, 陶雷
【申請人】西南石油大學