在深水钻井中使用混合动力隔水管张力调整系统的抗反冲控制设计技术方案

代替或额外于依靠安装在张紧器上的传感器，隔水管数据记录系统能够被安装在隔水管顶部上，以提供隔水管的实时信息。能够因此使得隔水管反冲检测系统独立于船舶的任何运动。该记录系统能够将隔水管顶部加速度、速率、位置和钢缆张力反馈到控制器中。通过比较在隔水管顶部和船舶本体之间的加速度差异，控制器能够对船舶上发生的事件提供更可靠且更快的检测，从而可能在一秒内检测状况。如果加速度超过特定限制，则电气张紧器能够几乎瞬间减小钢缆张力，从而提供比常规液压气动式张紧器更有效的抗反冲控制。

Anti flushing control design for the use of the tension adjustment system of the hybrid riser in deep water drilling

Instead of relying on sensors installed on the tensioner, the riser data recording system can be installed on the top of the riser to provide real-time information about the riser. It can therefore make the riser recoil detection system independent of any movement of the ship. The recording system can feed the acceleration, rate, position and tension of the top of the riser to the controller. By comparing the acceleration difference between the riser top and the ship body, the controller can provide more reliable and faster detection for the events on the ship, so that it can detect the situation in a second. If the acceleration exceeds a specific limit, the electric tensioner can reduce the tension of the cable almost instantaneously, thereby providing more effective anti recoil control than the conventional hydraulic pneumatic tensioner.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在深水钻井中使用混合动力隔水管张力调整系统的抗反冲控制设计相关申请的交叉引用本申请要求2014年12月16日提交且名称为“Anti-RecoilControlDesignUsingtheNewRiserHybridTensioningSysteminDeepwaterDrilling”的授予Wu等人的美国临时专利申请号62/092,587的优先权的权益，该文献通过引用并入本文中。
本公开涉及隔水管控制系统。更确切地说，本公开涉及具有电气张紧器的隔水管张力调整控制系统。
技术介绍
在钻井隔水管中，安全和性能是重要的考虑因素。随着过去几十年来在更深的水域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成为一项具有挑战性的任务。隔水管张力调整系统旨在补偿在浮动钻机和海床之间的相对运动，浮动钻机和海床通过刚性隔水管柱接合。在常规系统中，大部分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，其由液压气动式气缸、空气/油储蓄器和空气压力容器构成。然而，在液压气动式张力调整系统中存在缺点。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，并且因此损伤钻机台和隔水管管道。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问题。第三，液压气动式张力调整系统是相对复杂且昂贵的系统，该系统需要大量的维护并且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）或由船舶横摇和纵摇引起的不均匀的且非线性负载）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的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有用的占地面积。张紧器的一个重要功能是控制钻井隔水管。钻井隔水管是在水面处的平台（诸如钻井船舶）和水下防喷器（BOP）之间的连接。钻井隔水管流通泥和钻屑，且是用于钻井管道和钻头的外部保护系统。由于极端的操纵或者恶劣的环境状况，计划的或者紧急隔水管断开是很可能的。在该事件期间，通过隔水管张力调整系统向上提升隔水管。存储在长的隔水管柱中的弹性能量被释放，并且隔水管“反冲”。该事件被认为是高风险的，因为所释放的能量的量和重量级的改变速率是巨大的。隔水管张力调整系统的抗反冲操作模式旨在以受控方式执行隔水管反冲过程。然而，上文中描述的液压气动式张力调整系统的慢的响应时间会引起不理想的抗反冲性能。首先，安装在当前液压气动式张紧器上的抗反冲系统难以测试，因为进行测试的唯一方式是执行全长隔水管反冲。如果抗反冲系统不工作，则在这种测试期间可能发生潜在灾难性后果。在该事件中，其将花费数周的工作来回收，且对于运营者和钻井承包商来说都是大的损失。第二，仅依靠安装在船舶上的传感器，对液压气动式张紧器的隔水管反冲检测是无效的，该检测高度取决于船舶运动和其他影响。第三，在紧急断开情况期间液压和气动装备的慢的响应时间是不足的。缓慢地改变的大的过拉力可以使隔水管加速跳出去，和损伤钻台和隔水管管道。
技术实现思路
相比在常规液压气动式张力调整系统中表现出来地，额外于改进的测试能力，在隔水管上通过混合动力张力调整系统实施的抗反冲控制设计可以在钻井隔水管断开的情况下提供更鲁棒的控制和精度。在钻井隔水管断开的情况下改进的控制和精度可以增强深水隔水管系统的总体安全和可靠性，同时额外允许在相对安全的情况下测试不同断开情形。尤其，相比液压气动式张紧器，电气张紧器具有更快速的响应时间和更大的控制精度。可以有利地采用快速反应时间来执行抗反冲功能。用于隔水管混合动力张力调整系统的该抗反冲控制设计在控制中提供增加的精度和灵活性，以及用于测试情形的额外可能性，因此增强可靠性和安全性。系统可包括钻井隔水管、船舶、联接到船舶的第一数据记录系统、联接到钻井隔水管的顶部的第二数据记录系统、经由线材的阵列联接到钻井隔水管的电气张紧器阵列、经由一个或多个线材联接到钻井隔水管的一个或多个液压气动式张紧器，和控制器，其联接到并控制张紧器和从第一和第二数据记录系统接收数据。第一数据记录系统发送关于船舶本身的加速度、速率和位置的数据到控制器。第二数据记录系统发送关于钻井隔水管的顶部的加速度、速率和位置的数据到控制器。控制器然后基于关于钻井隔水管的顶部的数据和关于钻井隔水管的恒定的性能的数据估计整个钻井隔水管的性能。贯穿该文件所提及的船舶可以指的是船只、平台、或任何其他能够在海上使用的结构或载具。在钻井隔水管从防喷器断开时，抗反冲系统的第一目标是在低位水下隔水管总成、或钻井隔水管的底部和防喷器之间创建尽可能大的距离。为实现该效果，在关于钻井隔水管相对于防喷器的位置的加速度、速率和位置的数据指示断开已经发生时，控制器被配置成引起电气张紧器施加最大张力至其联接到的线材，以便尽可能快地在钻井隔水管和防喷器之间创建最大距离。目标是防止在低位水下隔水管总成和防喷器之间的碰撞。然而在已经施加最大张力之后，钻井隔水管的顶部可能与船舶碰撞的风险上升。控制器被配置成比较第一数据与第二数据，所述第一数据关于船舶的加速度、速率和位置，所述第二数据关于钻井隔水管的顶部的加速度、速率和位置。通过该比较，控制器能够计算在钻井隔水管的顶部的加速度和船舶的加速度之间的差异，以便确定碰撞是否即将到来。如果计算示出碰撞即将发生，则控制器被配置成引起电气张紧器减少施加到其联接到的线材的张力，以便减慢隔水管的加速度并因此避免碰撞。然后，在已经避免在钻井隔水管的顶部和船舶之间的碰撞的风险之后，控制器将比较关于钻井隔水管的位置的第二数据与钻井隔水管的期望位置，和引起电气张紧器缓慢地增加施加到线材的张力，以便将钻井隔水管带到期望位置中。一些液压气动式张紧器具有抗反冲阀，其能够用于在断开情况下对抗反冲。在所提出的混合动力抗反冲系统中，控制器能够保持液压气动式张紧器的抗反冲阀打开，以便增强系统的控制和可预测性。然而，在控制器确定碰撞即将发生且电气张紧器的抗反冲能力可能不足以防止其时，控制器可以关闭液压气动式张紧器的抗反冲阀，以便补充电气张紧器的抗反冲能力。包括本文中所述的特征的系统可以允许增强的测试能力，因为电气张紧器相比常规液压气动式张紧器允许大得多的精度。控制器能够被配置成引起电气张紧器施加张力到其附接到的线材，以便将钻井隔水管收回到小于其将在完全断开情况下的程度。这可允许以比在常规纯粹液压气动式系统中所呈现的少得多的风险测试系统的抗反冲能力，因为在从防喷器部分地收回钻井隔水管时所施加的力远小于将在完全断开中呈现的力。根据一个实施例，装置包括第一电气张紧器和第二电气张紧器，其经由多个线材中的第一和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，其包括：船舶；钻井隔水管；联接到所述钻井隔水管的多个线材；经由所述多个线材中的第一线材和第二线材联接到所述钻井隔水管的第一电气张紧器和第二电气张紧器；联接到所述船舶的第一数据记录系统，其被配置成生成关于所述船舶的性能的第一数据；联接到所述钻井隔水管的第二数据记录系统，其被配置成生成关于所述隔水管的性能的第二数据；以及控制器，其联接到所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器，并且联接到所述第一数据记录系统和所述第二数据记录系统，且被配置成执行包括下述的步骤：从所述第一数据记录系统接收所述第一数据；从所述第二数据记录系统接收所述第二数据；比较所述第一数据与所述第二数据；至少部分地基于所述第一数据与所述第二数据的所述比较来确定用于所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器的张力，以控制所述钻井隔水管关于参考点的位置；以及控制所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器，以将所述确定的张力施加到所述第一线材和所述第二线材。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.16 US 62/0925871.一种装置，其包括：船舶；钻井隔水管；联接到所述钻井隔水管的多个线材；经由所述多个线材中的第一线材和第二线材联接到所述钻井隔水管的第一电气张紧器和第二电气张紧器；联接到所述船舶的第一数据记录系统，其被配置成生成关于所述船舶的性能的第一数据；联接到所述钻井隔水管的第二数据记录系统，其被配置成生成关于所述隔水管的性能的第二数据；以及控制器，其联接到所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器，并且联接到所述第一数据记录系统和所述第二数据记录系统，且被配置成执行包括下述的步骤：从所述第一数据记录系统接收所述第一数据；从所述第二数据记录系统接收所述第二数据；比较所述第一数据与所述第二数据；至少部分地基于所述第一数据与所述第二数据的所述比较来确定用于所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器的张力，以控制所述钻井隔水管关于参考点的位置；以及控制所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器，以将所述确定的张力施加到所述第一线材和所述第二线材。2.根据权利要求1所述的装置，其还包括：液压气动式张紧器，其经由所述多个线材中的第三线材联接到所述钻井隔水管，其中，所述控制器还被配置成控制所述液压气动式张紧器以调整所述第三线材的张力。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述液压气动式张紧器包括抗反冲阀。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器被配置成控制所述液压气动式张紧器的所述抗反冲阀在隔水管反冲过程期间保持打开，以增强隔水管系统的可预测性。5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器还被配置成关闭所述液压气动式张紧器的所述抗反冲阀，以补充所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器的抗反冲能力。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第二数据包括下述中的至少一者：所述钻井隔水管的顶部的加速度；所述钻井隔水管的所述顶部的速率；所述钻井隔水管的所述顶部的位置；和张力测量值，以及其中，所述第一数据包括下述中的至少一者：所述船舶的加速度；所述船舶的速率；和所述船舶的位置。7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成调整所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器的所述张力，以在低位水下隔水管总成和防喷器之间断开的情况下，控制在所述低位水下隔水管总成和所述防喷器之间的距离。8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成调整所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器的所述张力，以在低位水下隔水管总成和防喷器之间断开的情况下，控制在所述钻井隔水管和所述船舶的底板之间的距离。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成，在检测到在低位水下隔水管总成和防喷器之间的断开时，分配最大张力到所述第一线材和所述第二线材一时间段，所述时间段至少部分地基于所述防喷器的位置和所述第二数据计算。10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于所述第一数据和所述第二数据减小施加到所述第一线材和所述第二线材的所述张力，以便防止所述钻井隔水管撞击所述船舶的底板。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一数据包括船舶的加速度，且所述第二数据包括所述钻井隔水管的顶部的加速度，并且其中，所述控制器还被配置成比较所述船舶的所述加速度与所述钻井隔水管的所述顶部的所述加速度，以便检测可能的碰撞。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器还被配置成，如果所述钻井隔水管的所述顶部的所述加速度和所述船舶的所述加速度之间的差异超过阈值，则减小施加到所述第一线材和所述第二线材的所述张力。13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成，至少部分地基于期望的钻井隔水管位置和所述第二数据，增加施加到所述第一线材和所述第二线材的所述张力一时间段，以便将所述钻井隔水管移动到所述期望的钻井隔水管位置中。14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成，在处于测试模式中时，将低位水下隔水管总成从防喷器收回到小于在全收回中呈现的距离。15.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于可调整的控制参数调整所述低位水下隔水管总成的收回程度。16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成至少部分地基于所述第一数据与所述第二数据的实时比较，控制所述第一电气张紧器和所述第二电气张紧器，以在抗反冲模式中动态地调整在所述钻井隔水管上的朝上的牵拉力。17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成通过应用优化控制技术来控制所述第一线材和所述第二线材的所述张力。18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述参考位置包括下述中的至少一者：所述钻井船舶、沿着隔水管柱的节点、另一单独的船舶、和海床。19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器被配置成根据下述中的至少一者控制所述钻井隔水管的位置：PID控制环路、线性二次高斯控制环路、H-∞控制环路、和非线性控制环路。20.一种方法，其包括：接收关于船舶的性能的第一数据；接收关于钻井隔水管的性能的第二数据；比较所述第一数据与所述第二数据；至少部分地基于所述第一数据与所述第二数据的所述比较，确定用于多个电气张紧器的张力，以控制所述钻井隔水管关于参考点的位置；以及控制多个电气张紧器，以将所述确定的张力施加到多个线材。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一数据包括下述中的至少一者：所述船舶的加速度；所述船舶的速率；和所述船舶的位置。22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二数据包括下述中的至少一者：所述钻井隔水管的加速度；所述钻井隔水管...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y吴，EPK布热奥，
申请(专利权)人：越洋塞科外汇合营有限公司，
类型：发明
国别省市：开曼群岛,KY