隔水管柱的混合张力调整的利记博彩app

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【专利摘要】增强的隔水管控制系统可采用通过线材耦合到钻井隔水管的电张紧器。电张紧器可提供对张力控制器的快速响应以处理钻井隔水管的定位。增强的隔水管控制系统的电张紧器可在隔水管混合张力调整系统中与液压气动式张紧器组合。增强的隔水管控制系统内的控制器可被配置为将张力分配给电张紧器并且控制电张紧器以调整第一和第二线材的长度。电张紧器可被例如用于抑制涡激振动(VIV)并且控制钻井隔水管反冲。
【专利说明】隔水管柱的混合张力调整
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请要求Wu等人的标题为"Enhanced Riser Control System"并且于2011年 12月22日提交的第61/579, 353号美国临时申请以及Wu等人的标题为"Riser Hybrid Tensioning System"并且于2012年11月12日提交的第61/725, 411号美国临时申请的利 益，这两个申请都通过引用被合并于此。

【技术领域】
[0002] 本公开涉及隔水管控制系统。更具体地讲，本公开涉及一种具有电张紧器的隔水 管张力调整控制系统。

【背景技术】
[0003] 安全和性能是钻井隔水管中的重要考虑因素。随着过去几十年期间在更深的水体 和更恶劣的环境中开发资源的趋势，确保钻井隔水管的安全和性能已变为挑战性任务。
[0004] 隔水管张力调整系统旨在补偿由刚性隔水管柱连接的漂浮的钻机和海底之间的 相对运动。在传统系统中，最广泛使用的隔水管张力调整系统是液压气动式隔水管张力调 整系统，该系统由液压气动式气缸、空气/油储蓄器和气压容器。然而，在液压气动式张力 调整系统中存在缺点。
[0005] 首先，对于某些情况，液压气动式张力调整系统的响应时间太慢。气动系统的相对 较慢的操作导致长的控制响应时间，控制响应时间是发出命令和由张力系统施加力之间的 时间。在某些情况下，诸如在紧急隔水管断开期间，张力改变响应可能太慢。缓慢的、大的 过拉力可加速自由隔水管管道向外，允许它们跳出，并且因此损伤钻机平台和隔水管管道。
[0006] 第二，增加纵向过拉张力，用于抑制破坏性的涡激振动（VIV)的液压气动式张力 调整系统中的传统方法在支撑装备上引起应力，在张力调整系统上增加损耗，并且增加隔 水管管道疲劳。另外，在钻机正在经历大浪状况的同时一对液压气动式张紧器正在接受维 护的情况下，增加纵向过拉张力增加了安全担忧。
[0007] 第三，液压气动式张力调整系统是相对比较复杂并且昂贵的系统，该系统需要大 量的维护并且具有液压流体泄漏的风险。液压气动式张力调整系统包括液压气动式气缸活 塞杆和密封件，所述液压气动式气缸活塞杆和密封件由于各种因素（诸如，涡激振动（VIV) 或由船舶滚动和俯仰引起的不均匀的和非线性的负载）而容易弯曲。这些因素可能引起高 故障风险并且可能需要高维护成本以避免液压流体泄漏和环境污染的风险。另外，复杂的 液压气动式系统包括大体积的空气储蓄器和贮存器，所述空气储蓄器和贮存器消耗钻机上 的有用的平台空间。


【发明内容】

[0008] 相对于仅具有液压气动式张紧器的传统隔水管张力调整系统，具有电张紧器的增 强的隔水管张力调整系统可提供附加的稳定性和性能。该系统可增强深水隔水管系统的总 体安全和可靠性。电张紧器具有比液压气动式张紧器更快的响应时间。利用更快的响应时 间，电张紧器可施加可变张力以提供更准确的起伏补偿控制、更安全的抗反冲控制，并且减 少由涡激振动（VIV)对隔水管柱造成的疲劳损伤。这种隔水管混合张力调整系统还带来用 于简化隔水管操作过程的新功能，诸如（1)新的隔水管位置控制操作模式，（2)船舶运动稳 定器新功能，和（3)在双钻台之间移动隔水管柱的新功能。
[0009] 根据一个实施例，一种设备包括：第一和第二电张紧器，经由多个线材中的第一和 第二线材以机械方式耦合到钻井隔水管并且以电气方式耦合到直流（DC)功率分配总线。 该设备还可包括能量储存系统和功率耗散器，能量储存系统和功率耗散器两者也都耦合到 DC功率分配总线。该设备还可包括：液压气动式张紧器，经由所述多个线材中的第三线材 以机械方式耦合到钻井隔水管。另外，该设备可包括：控制器，被配置为测量由电张紧器和 液压气动式张紧器递送的张力和速度。控制器还可被配置为部分地基于隔水管负载和测量 的液压气动式张紧器的张力确定第一和第二电张紧器的张力。控制器可被配置为将张力分 配给第一和第二电张紧器并且控制第一和第二电张紧器以调整第一和第二线材的长度。 [0010] 该设备内的电张紧器可包括：电机，被配置为用作电机或发电机和能量逆变器。能 量逆变器可被耦合到电机并且还耦合到DC功率分配总线。电张紧器还可包括耦合到电机 的齿轮箱并且包括绞盘。绞盘可被耦合到齿轮箱并且可经由钻井隔水管线材被耦合到钻井 隔水管。电张紧器内的能量逆变器可将AC能量转化成DC能量或将DC能量转化成AC能量。 控制器还可被配置为在多个能量逆变器中调节转矩和功率流。
[0011] 通过使用能量储存系统可提高船舶上的能量管理。例如，当电张紧器在船舶的一 半波浪运动中用作发电机以重新产生能量时，能量可被储存在储存系统中；反之亦然。
[0012] 一种用于控制隔水管张力调整系统的张力的方法包括：测量由张紧器递送的张 力。该方法还可包括：部分地基于测量的张力确定多个电张紧器的张力。该方法还可包括： 将确定的张力分配给所述多个电张紧器。该方法还可包括：部分地基于确定的张力控制所 述多个电张紧器。包括将确定的张力分配给所述多个电张紧器的用于控制隔水管张力调整 系统的张力的方法可有助于稳定钻探船舶中的隔水管。
[0013] 在实施例中，被测量的递送的张力可以是液压气动式张紧器或电张紧器的张力。 在这种实施例中，张力调整系统可以是隔水管混合张力调整系统，该系统是结合电张力调 整系统与液压气动式张紧器的隔水管张力调整系统。
[0014] 前面已相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可更好地理解下面对本 公开的详细描述。将在下文中描述本公开的附加特征和优点，该附加特征和优点形成本公 开的权利要求的主题。本领域技术人员应该理解，公开的概念和特定实施例可被容易地用 作用于修改或设计实现本公开的相同目的的其它结构的基础。本领域技术人员还应该意识 至IJ，这种等同构造不脱离如所附权利要求中所阐述的本公开的精神和范围。根据下面当结 合附图考虑时的描述，将会更好地理解被视为本公开的特性的关于其组织和操作的方法两 者的新特征以及另外的目的和优点。然而，要清楚地理解，仅出于图示和描述的目的提供每 个附图，并且不意图作为本公开的限制的定义。

【专利附图】

【附图说明】
[0015] 为了更完整地理解公开的系统和方法，现在参照下面结合附图做出的描述。
[0016] 图IA是图示根据本公开的一个实施例的隔水管电张力调整系统的顶视图的框 图。
[0017] 图IB是图示根据本公开的一个实施例的隔水管混合张力调整系统的顶视图的框 图。
[0018] 图2A是图示根据本公开的一个实施例的隔水管张力调整系统的框图。
[0019] 图2B是图示根据本公开的一个实施例的隔水管张力调整系统的控制器的框图。
[0020] 图3A是图示根据本公开的一个实施例的用于控制隔水管张力调整系统的张力的 方法的流程图。
[0021] 图3B是图示根据本公开的一个实施例的用于控制隔水管张力调整系统内的能量 传递的方法的流程图。
[0022] 图4A是图示根据本公开的一个实施例的船舶速度和隔水管张力之间的关系的曲 线图。
[0023] 图4B是图示根据本公开的一个实施例的船舶速度和隔水管张力之间的关系的曲 线图。
[0024] 图4C是图示根据本公开的一个实施例的由隔水管混合张力调整系统中的电张紧 器和液压气动式张紧器施加的张力的曲线图。
[0025] 图5是图示根据本公开的一个实施例的隔水管混合张力调整系统内的能量的路 由的框图。
[0026] 图6是图示根据本公开的一个实施例的能量储存装置的控制方案的框图。
[0027] 图7A是图示根据本公开的一个实施例的当隔水管柱正在从第一钻台向第二钻台 移动时的具有电张紧器的双活动船舶的侧视图和顶视图的框图。
[0028] 图7B是图示根据本公开的一个实施例的当隔水管柱正在从第二钻台向第一钻台 移动时的具有电张紧器的双活动船舶的侧视图和底视图的框图。

【具体实施方式】
[0029] 通过使用电部件控制隔水管的张力可提高深水隔水管张力调整系统的安全和性 能。隔水管混合张力调整系统可把隔水管电张力调整系统与已有的液压气动式张紧器结合 以相对于传统隔水管张力调整系统提高安全和功能。隔水管张力调整系统也可仅包括电张 紧器。电部件（诸如，电机器）能够提供几毫秒的范围中的控制响应，该控制响应几乎是瞬 时控制响应。使用电部件通过允许张力调整系统更快地对不同状况做出响应而允许提高安 全和功能的快速响应。此外，隔水管混合张力调整系统的附加功能可提供增强的操作模式 以解决在深水隔水管张力调整系统上遇到的许多问题。
[0030] 图IA是图示根据本公开的一个实施例的隔水管电张力调整系统150的顶视图的 框图。隔水管130可通过绳索耦合到电张紧器110-117。虽然图IA描绘具有八个电张紧器 110-117的电隔水管张力调整系统150,但电隔水管张力调整系统150不限于这个特定数量 的电张紧器110-117。例如，在另一实施例中，电隔水管张力调整系统可包括四个电张紧器。
[0031] 图IB是图示根据本公开的一个实施例的隔水管混合张力调整系统100的顶视图 的框图。隔水管130可通过绳索耦合到电张紧器110-113和液压气动式张紧器120-123。 电张紧器110-113和液压气动式张紧器120-123可一起形成隔水管混合张力调整系统100。 虽然已经详述了仅采用液压气动式隔水管张紧器120-123的隔水管张力调整系统的许多 缺点，但液压气动式张紧器120-123可被用在隔水管混合张力调整系统100中以利用液压 气动式张紧器120-123的优点。例如，具有液压气动式张紧器120-123的隔水管混合张力 调整系统100可具有良好的可靠性，因为液压气动式张紧器120-123是与外部系统没有能 量交换的无源自持系统。另外，隔水管混合张力调整系统100可更好地抵抗外部系统的干 扰和波动。电隔水管张紧器110-113增加许多优点，诸如以高准确性递送动态可变转矩、提 供快速控制响应并且更容易安装。隔水管混合张力调整系统100可因此受益于液压气动式 张力调整系统120-123和电张紧器110-113的组合优点。
[0032] 虽然图IB描绘了具有四个电张紧器110-113和四个液压气动式张紧器120-123 的隔水管混合张力调整系统100,但隔水管混合张力调整系统不限于这个特定数量的电张 紧器和液压气动式张紧器。例如，在另一实施例中，隔水管混合张力调整系统可包括六个液 压气动式张紧器和四个电张紧器。
[0033] 图2A是图示根据本公开的一个实施例的隔水管张力调整系统200的框图。张力 调整系统200可被用于控制将电张紧器210耦合到钻井隔水管230的线材231的张力。虽 然仅图示一个电张紧器210,但可存在附加的电张紧器，诸如以上图IA中所示的。
[0034] 电张紧器210可被耦合到公共DC功率分配总线270,可与其它电张紧器共享该公 共DC功率分配总线270。DC总线270为流入和流出张力调整系统200的能量以及为其它 功率装置提供物理链路。DC总线270可被耦合到有源前端（AFE)整流器260, AFE整流器 260转换来自由一个或多个发电机274供电的AC总线272的功率。AFE整流器260的功率 模块可由功率管理系统250通过AFE控制器260a控制。
[0035] 电张紧器210可包括变频驱动器（VFD) 211以将能量从AC转化为DC或从DC转化 为AC。VFD类型逆变器211可由张力控制器202通过VFD控制器211a控制。在一个方向 上，逆变器211可将来自DC总线270的DC能量转换成供电张紧器210使用的AC能量。在 另一方向上，逆变器211可将来自电张紧器210的AC能量转换成传递到DC总线270上的 DC能量。
[0036] 电张紧器210还可包括电机212,电机212由线材231耦合到滑轮214并且耦合到 隔水管230。电机212可以是例如高转矩低速机器。电机212可以是直接驱动电机，诸如 轴向磁通永磁盘式电机。电机212可由VFD 211控制。位置传感器（PS) 216可被f禹合到 电张紧器210以测量电机旋转位置231并且将该位置报告给张力控制器202。温度传感器 218可位于电机218里面或位于电机218上并且将反馈提供给VFD控制器211a。例如，当 由传感器218测量的温度超过安全水平时，可增加辅助冷却系统的循环，或者电机212可被 关闭以降低它的温度。
[0037] 在诸如图IA中图示的全电张力调整系统中，多个电张紧器可通过线材231被耦合 到隔水管230。当张力调整系统200是诸如图IB中图示的混合系统时，系统200可包括具 有关联的控制器252a的液压气动式张紧器252。虽然仅图示一个液压气动式张紧器252， 但多个液压气动式张紧器可通过线材231被耦合到隔水管230。控制器252a也可与张力控 制器202通信。
[0038] 张力控制器202可被配置为执行混合或电隔水管张力调整系统内的许多任务，并 且将反馈提供给功率管理控制器250。例如，控制器202可为了不同控制目的通过不同控制 算法调节电机212中的转矩。作为另一例子，控制器202可被用作负载共享控制器，该负载 共享控制器在液压气动式张紧器252和电张紧器210之间分配张力。另外，控制器202可 被配置为动态地控制线材231张力。为了监测和控制目的，电张紧器210、液压气动式张紧 器252、隔水管230和在其上采用隔水管张力调整系统的钻探船舶的状态反馈可被发送给 控制器202。替代地，控制器202可使用不同控制算法计算用于电张紧器和液压气动式张紧 器两者的参考信号。该算法可部分地基于相对于海底的隔水管顶部和钻探船舶起伏相对位 置、相对于运动参考单元（MRU) 232 (船舶（未示出）上的MRU)的速度和加速度以及电张 紧器210和液压气动式张紧器252的张力测量值。此外，控制器202可被配置为监测进入 和离开电张紧器202的能量的路由并且将这个能量信号发送到功率管理控制器250中。
[0039] 功率管理控制器250可被配置为监测DC总线270电压和AC总线272频率。另 夕卜，控制器250可协调其它功率部件（诸如，电张紧器210、超级电容器组222和功率耗散器 242)之间的功率。
[0040] 返回参照图2A，在普通操作中，具有隔水管混合张力调整系统的钻探船舶可经历 波浪运动，波浪运动将大量功率传递给电张紧器210和/或从电张紧器210传递大量功率。 例如，当船舶经历使船舶向上移动的波浪时，电张紧器210可消耗来自钻机功率网络250的 能量。由电张紧器210消耗的能量可处于兆焦耳范围中，并且所需的峰值功率可因此处于 兆瓦特范围中。当船舶经历使船舶向下移动的波浪时，电张紧器210可将相同的功率释放 回至DC总线270上。可利用元件222和242补偿来自波浪的功率波动。也就是说，通过由 能量储存元件222储存返回到DC总线270的能量或在能量耗散元件242中耗散该能量。
[0041] 能量储存元件220可被耦合到DC总线270。每个能量储存元件222可被耦合到 DC/DC功率斩波器（DDPC) 221。用于能量储存元件220的能量储存装置222的特定数量和 类型可取决于应用特定参数，诸如使用的船舶的类型或可用于能量储存元件220的空间。 能量储存装置222可以是例如超级电容器组（UCB)、电池组或飞轮。当UCB被用于能量储存 装置222时，可选择UCB以具有这样的容量，即该容量是最重要的海洋状态准则的船舶起伏 和UCB的容量额定值下降的五倍两者中的最大值的至少1. 2倍。
[0042] 张力调整系统200还可包括功率耗散器242,功率耗散器242通过单向功率斩波器 241耦合到DC总线270。单向功率斩波器241可调节由功率耗散器242耗散的能量的量。 功率耗散器242可以是消耗能量的任何装置（诸如，电阻器或散热器）。当能量储存装置 222完全充电时或者当UCB的工作电压超过最大工作电压时，功率管理系统250内的操作算 法可将能量路由至功率耗散器242中。
[0043] 图3A示出图示根据本公开的一个实施例的用于控制隔水管张力调整系统的张力 的方法300的流程图。方法300在方框302开始于测量由隔水管张力调整系统内的张紧器 递送的张力。测量的张力可以是由液压气动式张紧器或电张紧器递送的张力。在一个实施 例中，控制器（诸如，图2A的控制器202)可接收由液压气动式张紧器或电张紧器递送的张 力反馈信号以获得由液压气动式张紧器或电张紧器递送的测量的张力。在某些实施例中， 多个液压气动式张紧器和/或电张紧器可由控制器监测。在一个实施例中，控制器（诸如， 图2A的控制器202)可测量由液压气动式张紧器或电张紧器递送的张力，同时在张紧器中。
[0044] 在方框304,可部分地基于在方框302测量的张力确定多个电张紧器的预期张力。 可被用于确定多个电张紧器的预期张力的其它参数包括由液压气动式张紧器或电张紧器 递送的张力、整个隔水管张力调整系统的总共需要的张力、隔水管混合张力调整系统中的 液压气动式张紧器的总数和/或该系统中的电张紧器的总数。另外，图2A的控制器202可 被配置为部分地基于监测的钻探船舶的参数（诸如，船舶上的液压气动式张紧器和电张紧 器的总数）确定电张紧器的预期张力。
[0045] 在方框306,方框304的预期张力可被分配给所述多个电张紧器。所述多个电张紧 器可随后被控制以通过均匀地转入或转出耦合到所述多个电张紧器的相应电张紧器的线 材来递送所确定的张力。
[0046] 根据一个实施例，可使用下面的等式计算一个电张紧器或多个电张紧器的预期张 力：

【权利要求】
1. 一种设备，包括： 直流值C)功率分配总线； 钻井隔水管； 多个线材，禪合到钻井隔水管； 第一和第二电张紧器，经由所述多个线材中的第一和第二线材禪合到钻井隔水管并且 禪合到功率分配总线；和 控制器，被配置为： 将张力分配给第一和第二电张紧器；W及 控制第一和第二电张紧器W调整第一和第二线材的张力。
2. 如权利要求1所述的设备，还包括： 液压气动式张紧器，经由所述多个线材中的第H线材禪合到钻井隔水管； 其中所述控制器还被配置为： 测量由液压气动式张紧器和电张紧器递送的张力；W及 部分地基于所测量的液压气动式张紧器和电张紧器的张力确定第一和第二电张紧器 的张力。
3. 如权利要求2所述的设备，其中所述控制器还基于下面的至少一项确定第一和第二 电张紧器的张力： 钻探船舶起伏相对位置； 钻探船舶速度和加速度；和 张力测量值。
4. 如权利要求1所述的设备，还包括： 能量储存系统，禪合到DC功率分配总线；和 功率耗散器，禪合到DC功率分配总线。
5. 如权利要求4所述的设备，其中所述能量储存系统包括： 能量储存装置；和 双向功率转换器，禪合到能量储存装置和DC功率分配总线。
6. 如权利要求4所述的设备，还包括；单向功率转换器，禪合到功率耗散器和DC功率 分配总线。
7. 如权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置为在主动起伏补偿模式下通过 调整所述多个线材的长度W补偿船舶起伏运动来控制下部海洋隔水管总成和防喷器之间 的距离。
8. 如权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置为在润激振动（VIV)抑制模式 下控制第一和第二电张紧器W施加动态的张力从而减少所述多个线材的线材中的谐振状 况。
9. 如权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置为在抗反冲模式下控制第一和 第二电张紧器W动态控制钻井隔水管上的上拉力。
10. 如权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置为控制第一和第二电张紧器 W控制水中的船舶位置W便在船舶从第一井中也到第二不同井中也的移动期间消除钻井 隔水管中的质量弹黃效应。
11. 如权利要求1所述的设备，其中所述控制器还被配置为调整第一和第二线材的长 度W将钻井隔水管重新定位在双活动钻探船舶的不同钻台上。
12. 如权利要求1所述的设备，还包括： 位置传感器，禪合到电张紧器并且禪合到所述控制器； 运动参考单元（MRU)，禪合到电张紧器并且禪合到所述控制器，其中所述控制器被配置 为部分地基于从位置传感器和运动参考单元接收的数据控制第一和第二电张紧器，其中所 述控制器包括： 第一比例积分微分（PID)控制器，执行内反馈环；和 第二比例积分微分（PID)控制器，执行外反馈环。
13. -种方法，包括： 测量由张紧器递送的张力； 部分地基于所测量的张力确定多个电张紧器的张力； 将所确定的张力分配给所述多个电张紧器；W及 部分地基于所确定的张力控制所述多个电张紧器。
14. 如权利要求13所述的方法，其中测量由张紧器递送的张力包括测量由液压气动式 张紧器递送的张力。
15. 如权利要求13所述的方法，其中控制所述多个电张紧器的步骤包括在主动起伏补 偿模式中补偿船舶起伏运动。
16. 如权利要求13所述的方法，其中控制所述多个电张紧器的步骤包括在润激振动 (VIV)抑制模式中减少线材中的谐振状况。
17. 如权利要求13所述的方法，其中控制所述多个电张紧器的步骤包括在抗反冲模式 中动态控制钻井隔水管上的上拉力。
18. 如权利要求13所述的方法，还包括： 将能量从能量储存装置传递到所述多个电张紧器中的电张紧器；W及 将来自所述多个电张紧器中的电张紧器的能量储存在能量储存装置中。
19. 如权利要求18所述的方法，其中从能量储存装置传递能量包括： 转出禪合到电张紧器的线材； 将能量从能量储存装置传递到公共DC功率分配总线上； 将能量从公共DC功率分配总线上的DC能量转化成AC能量；W及 将电能转换成势能。
20. 如权利要求18所述的方法，其中储存来自所述多个电张紧器中的电张紧器的能量 包括： 转入禪合到电张紧器的线材； 将势能转换成交流电能量； 将交流能量转化成直流能量；W及 将直流能量储存在能量储存装置中。
21. 如权利要求18所述的方法，还包括通过下面的步骤获得波浪能量： 当船舶下降时，施加来自所述多个电张紧器的较大张力；W及 当船舶上升时，施加来自所述多个电张紧器的较小张力。
22. 如权利要求18所述的方法，还包括；基于充电状态、功率、电压和电流中的至少一 个管理能量储存装置中的能量。
23. 如权利要求13所述的方法，其中确定多个电张紧器的张力还基于下面的至少一 项： 由液压气动式张紧器递送的张力； 整个系统的总的需要的张力； 所述系统中的液压气动式张紧器的总数；和 所述系统中的电张紧器的总数。
【文档编号】E21B17/01GK104471180SQ201280070292
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2012年12月14日 优先权日:2011年12月22日
【发明者】吴 Y., P. K. 布杰奥 E. 申请人:越洋塞科外汇合营有限公司