海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統技術方案

本發明專利技術公開了一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，該系統包括鉆井補償絞車、自動送鉆絞車、液壓盤剎、拉力傳感器、平臺加速度傳感器、旋轉編碼器及PLC控制器，其中，鉆井補償絞車連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器置于游車下方，平臺加速度傳感器固定在鉆井平臺上，旋轉編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連，拉力傳感器、平臺加速度傳感器和旋轉編碼器的電信號接入PLC控制器，PLC控制器輸出控制信號與矢量變頻系統連接。本發明專利技術利用兩臺絞車帶動游動系統分別實現升沉補償與自動送鉆功能，實現了海洋鉆井運動的解耦控制；利用柱塞馬達、柱塞泵與液氣蓄能器裝置實現了對鉆柱重力勢能的回收利用，降低了補償絞車的能耗。

【技術實現步驟摘要】

：本專利技術涉及一種海洋石油鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，是一種以電液控制技術為特征的機電液聯合驅動裝置。
技術介紹
：海洋浮式鉆井平臺及鉆井設備會隨著海浪進行上下往復運動，引起鉆壓不斷變化，降低了鉆頭和鉆桿壽命，海況異常惡劣時，鉆機甚至無法正常工作。升沉補償系統是保障深海浮式鉆井平臺正常作業以及提高工作效率和質量的重要裝備之一，其綜合性能的好壞直接影響著海洋石油的開發成本。升沉補償系統是集機、電、氣、液、自動控制、智能檢測為一體的復雜裝備，具有高技術、高投入、高風險等特點。升沉補償系統按照其安裝位置可以分為：天車升沉補償裝置、鋼絲繩升沉補償裝置、游車和大鉤間的升沉補償裝置以及絞車升沉補償裝置；其中絞車升沉補償技術作為一項新技術，具有其獨特的性能優勢，包括鉆井效率高、傳動簡單、設備重心低、平臺載荷與占用空間少的等性能優勢，逐漸受到業內關注。近年來，國外對海上鉆井補償絞車的研究已經取得較大的進展，并且已有電動鉆井補償絞車產品面世，采用多臺大功率交流電機直接驅動絞車進行正反轉，從而帶動游車大鉤上下運動，實現對平臺升沉的補償，但系統的功率與能耗較大。一般的海洋鉆井工作由常規鉆井絞車與傳統液壓缸式升沉補償系統共同完成，鉆井絞車主要完成鉆機的起下鉆作業與鉆進過程中的自動送鉆功能，液壓缸式升沉補償系統一般安裝在游車大鉤或者天車上，完成鉆進過程中的鉆柱升沉補償功能；而絞車升沉補償系統需要同時完成升沉補償與自動送鉆兩種運動控制功能，因此補償絞車的運動控制存在耦合的問題。
技術實現思路
：本專利技術的目的是要提供一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，以滿足海洋石油鉆井的性能要求，實現對升沉補償及自動送鉆運動的解耦控制，同時降低系統能耗、提高海洋鉆井工作效率。為實現上述目的，本專利技術的總體構思：在鉆井鋼絲繩的快繩端布置一臺鉆井補償絞車，在鉆井鋼絲繩的死繩端布置一臺自動送鉆絞車，鉆井補償絞車帶動游車實現升沉補償運動，自動送鉆絞車緩慢下放游車實現恒鉆壓或恒鉆速送鉆，通過布置兩臺絞車實現了兩種運動的解耦控制與聯合運動；在鉆井補償絞車上設置液氣能量回收裝置，利用液壓馬達與液壓泵周期性回收與釋放負載重力勢能，降低了補償絞車的能耗。本專利技術所述的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，包括鉆井補償絞車、自動送鉆絞車、拉力傳感器、平臺加速度傳感器、旋轉編碼器、PLC控制器、矢量變頻系統，其中，鉆井補償絞車連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器置于游車下方，平臺加速度傳感器固定在鉆井平臺上，旋轉編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連，拉力傳感器、平臺加速度傳感器和旋轉編碼器的電信號接入PLC控制器，PLC控制器輸出控制信號與矢量變頻系統連接。所述鉆井補償絞車包括單級齒輪減速器、變頻電機、聯軸器、液壓盤剎、柱塞泵、柱塞馬達、電磁換向閥、液氣轉換器、高壓氣瓶、油箱和滾筒，其中，變頻電機、柱塞泵、柱塞馬達通過聯軸器與單級減速器外圈小齒輪分別相連，單級減速器的大齒輪通過聯軸器與滾筒相連，柱塞泵、柱塞馬達通過電磁換向閥與液氣轉換器相連，液氣轉換器與高壓氣瓶相連；當鉆井補償絞車下放負載時，柱塞泵處于工作狀態、柱塞馬達處于浮動狀態，回收負載重力勢能；補償絞車舉升負載時，柱塞馬達處于工作狀態、柱塞泵處于浮動狀態，釋放能量。本專利技術所采用的技術方案是在由三相異步電機、二級圓柱齒輪減速器、送鉆電機、擺線減速器、聯軸器、滾筒、液壓盤剎、死繩拉力傳感器所構成的常規鉆井絞車的基礎上加入升沉補償功能，將二級圓柱齒輪減速器替換為具有多個輸入軸的單級齒輪減速器，將三相異步電機替換為變頻電機，還增加了柱塞馬達、柱塞泵、液氣蓄能器裝置；將送鉆電機、擺線減速器分離出來組成自動送鉆絞車，安裝在死繩端；系統還增加了平臺加速度傳感器、負載拉力傳感器、絞車軸旋轉編碼器與PLC控制器。在鉆井鋼絲繩的快繩側安裝一臺鉆井補償絞車，在死繩側安裝一臺自動送鉆絞車，加速度傳感器與平臺固聯，拉力傳感器安裝在游車下方，旋轉編碼器與鉆井補償絞車的滾筒軸相連。在鉆井補償絞車中，變頻電機、柱塞泵、柱塞馬達通過聯軸器與單級減速器外圈小齒輪相連，沿周向布置，單級減速器的大齒輪通過聯軸器與滾筒相連，柱塞泵、柱塞馬達與液氣蓄能器裝置相連。本專利技術與現有技術相比，具有下列有益效果：1.具備起下鉆、自動送鉆等常規鉆井功能，同時具備鉆井平臺升沉補償功能，不需要單獨的液壓升沉補償裝置，具有工作效率高、升沉補償行程不受限制、鋼絲繩壽命長、簡化平臺結構等諸多優勢。2.配備液氣能量回收裝置，液氣蓄能器裝置通過柱塞馬達與柱塞泵對升沉補償過程中的負載重力勢能進行周期性的回收與釋放，降低了系統能耗。3.采用雙絞車運動控制系統，PLC控制器根據平臺加速度傳感器與絞車軸旋轉編碼器的信號，通過控制矢量變頻系統，驅動鉆井補償絞車正反轉來實現升沉補償功能；PLC控制器根據拉力傳感器的鉆壓信號，通過控制矢量變頻系統，驅動自動送鉆絞車實現恒鉆壓或恒鉆速下放負載，使游車大鉤完成邊補償、邊送鉆的聯合運動，實現了兩種運動的解耦控制。附圖說明：下面結合附圖和實施例來進一步描述本專利技術。圖1是本專利技術所提出的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統結構示意圖；圖2是本專利技術所提出的鉆井補償絞車的原理圖。圖中：1—天車；2—游車；3—拉力傳感器；4—自動送鉆絞車；5—鉆井補償絞車；6—平臺加速度傳感器；7—PLC控制器；8—矢量變頻系統；9—旋轉編碼器；10—單級齒輪減速器；11—小齒輪；12—變頻電機；13—大齒輪；14—聯軸器；15—液壓盤剎；16—柱塞泵；17—柱塞馬達；18—電磁換向閥；19—液氣轉換器；20—高壓氣瓶；21—油箱；22—滾筒。具體實施方式：如圖1所示，海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統主要包括鉆井補償絞車5、自動送鉆絞車4、拉力傳感器3、平臺加速度傳感器6、旋轉編碼器9、PLC控制器7、矢量變頻系統8；安裝時，鉆井補償絞車5與自動送鉆絞車4分別連接在鉆井鋼絲繩的快繩與死繩端，拉力傳感器3置于游車2的下方，平臺加速度傳感器6固定在鉆井平臺上，旋轉編碼器9與鉆井補償絞車5的滾筒軸相連，拉力傳感器3、平臺加速度傳感器6、旋轉編碼器9的電信號接入PLC控制器7，PLC控制器7的控制信號與矢量變頻系統8電連接。如圖2所示，鉆井補償絞車5主要包括單級齒輪減速器10、變頻電機12、聯軸器14、液壓盤剎15、柱塞泵16、柱塞馬達17、滾筒22；安裝時，變頻電機12本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，包括鉆井補償絞車(5)、自動送鉆絞車(4)、拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)、旋轉編碼器(9)、PLC控制器(7)、矢量變頻系統(8)，其特征在于，鉆井補償絞車(5)連接在鉆井鋼絲繩的快繩端，自動送鉆絞車(4)與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器(3)置于游車(2)下方，平臺加速度傳感器(6)固定在鉆井平臺上，旋轉編碼器(9)與鉆井補償絞車(5)的滾筒軸相連，拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)和旋轉編碼器(9)的電信號接入PLC控制器(7)，PLC控制器(7)輸出控制信號與矢量變頻系統(8)連接。

【技術特征摘要】
1.一種海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，包括鉆井補償絞車(5)、自
動送鉆絞車(4)、拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)、旋轉編碼器(9)、PLC
控制器(7)、矢量變頻系統(8)，其特征在于，鉆井補償絞車(5)連接在鉆井鋼絲
繩的快繩端，自動送鉆絞車(4)與鉆井鋼絲繩的死繩端連接，拉力傳感器(3)置于
游車(2)下方，平臺加速度傳感器(6)固定在鉆井平臺上，旋轉編碼器(9)與鉆
井補償絞車(5)的滾筒軸相連，拉力傳感器(3)、平臺加速度傳感器(6)和旋轉編
碼器(9)的電信號接入PLC控制器(7)，PLC控制器(7)輸出控制信號與矢量變
頻系統(8)連接。
2.根據權利要求1所述的海洋鉆井雙絞車升沉補償及自動送鉆系統，其特征在
于，所述鉆井補償絞車(5)包括單級齒輪減速器(10)、變頻電機(12)、聯軸器(14)、
液壓盤剎(15)、柱塞泵(16)、柱塞馬達...

【專利技術屬性】
技術研發人員：黃魯蒙，張彥廷，孟德超，呂秋云，張磊，葛政，劉振東，
申請(專利權)人：中國石油大學華東，
類型：發明
國別省市：山東;37