船载浮动钻井设施和用于操作船载浮动钻井设施的方法

摘要

本发明涉及船载浮动钻井设施并涉及用于操作船载浮动钻井设施的方法，所述船载浮动钻井设施包括用于放出和卷绕钻绳的绞车（2），包括用于动态定位所述船载浮动钻井设施的多个推进器（3），并且包括用于操作所述推进器（3）和所述绞车（2）的至少一个发电机（1）。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于操作船载浮动钻井设施的方法，该船载浮动钻井设施包括用于放出和卷绕钻绳的绞车、包括用于动态定位船载浮动钻井设施的多个推进器，并包括用于操作推进器和绞车的至少一个发电机。本发明进一步涉及一种船载浮动钻井设施，包括用于放出和卷绕钻绳的绞车、包括用于动态定位船载浮动钻井设施的多个推进器，并包括用于操作推进器和绞车的至少一个发电机。

背景技术

船载浮动钻井设施（如钻探船或半潜式钻井平台）是已配备有钻井装备的海运船。船载浮动钻井设施通常用于深水中新油井或天然气井的勘探钻井，但还能够用于科研钻井。它们能够在高达3500-4000 m的水深钻井。大多数船载浮动钻井设施配备有动态系统，以保持在井上方的位置。

动态定位系统为计算机控制系统，以通过使用自带螺旋桨和推进器来自动保持船载浮动钻井设施的位置和航向。位置参考传感器结合运动传感器、风力传感器和陀螺仪，对动态定位系统的计算机提供有关影响其位置的环境力的大小和方向的信息。

动态定位系统中工作的计算机程序包含船载浮动钻井设施的数学模型，其包括有关船载浮动钻井设施的风和海流阻力以及船载浮动钻井设施的推进器的位置的信息。该知识结合传感器信息，允许计算机计算每个推进器所需的转向角和推进器输出。这允许在由于水深、海底管线或钻井装备密集或其他问题而不能下锚和锚定的海中进行操作。

动态定位或者可以是绝对的，这是因为船载浮动钻井设施的位置锁定在海底上方的一个固定点，或者可以是相对于某种移动物体（如船只或其他水下交通工具）而言的。船载浮动钻井设施还能够被定位在朝向风、波浪和水流的有利角度。

这种船载浮动钻井设施包括用于放出和卷绕钻绳的绞车，因而，绞车可包括至少一个驱动器。而且，船载浮动钻井设施包括多个螺旋桨或推进器，用于对船载浮动钻井设施进行动态定位。进一步地，船载浮动钻井设施包括一个或更多发电机，用于产生操作推进器和绞车的电流。

船载浮动石油钻井设施（例如半潜式钻井平台或钻探船）趋向于具有有效升沉补偿的电操作绞车。这用于在钻井期间在钻头上保持恒定压力。这产生了对处于海浪频率的大振动负载的需要。

迄今为止，通过从船载发电机获得功率并消耗制动电阻器中的制动能量已解决了该问题。这消耗了制动电阻器中的大量能量。而且，这对发电机产生了可变负载，因而燃料效率低下，而且还产生了电压和频率不稳定的可能性。

发明内容

待解决的问题是要提供一种用于操作船载浮动钻井设施的方法以及一种船载浮动钻井设施，其实现了在推进器和绞车操作期间使得来自船载浮动钻井设施发电机的功率取出（power pull）尽可能保持稳定，并因而使得能能实现船载浮动钻井设施的低燃料消耗。

本发明的问题通过具有权利要求1所述特征的用于操作船载浮动钻井设施的方法、以及通过具有权利要求10所述特征的船载浮动钻井设施而得以解决。本发明的优点、特征、细节、方面和效果由从属权利要求、说明书和附图给出。结合用于操作船载浮动钻井设施的方法描述的特征和细节同样适用于船载浮动钻井设施，反之亦然。

根据本发明的第一方面，上述问题通过用于操作船载浮动钻井设施的方法得以解决，该船载浮动钻井设施包括用于放出和卷绕钻绳的绞车，包括用于动态定位船载浮动钻井设施的多个推进器，并包括用于操作推进器和绞车的至少一个发电机，其中所述方法的特征在于以下步骤：

a）测量绞车在至少一定时段内的功率消耗，确定绞车在至少一定时段内的功率振荡和功率消耗的大小，

b）基于绞车的功率消耗的测量结果生成功率振荡信号，因而，功率振荡信号代表绞车在一定时段内的功率振荡和功率消耗的大小，

c）生成反振荡信号，该反振荡信号代表具有与绞车的功率振荡相反相位特性的功率振荡，

d）将所述反振荡信号分配到所述推进器，

e）调节推进器的功率消耗以适应所述反振荡信号。

必须收集有关绞车功率消耗的信息。这可在预定时段内或在全部时间内进行。在测量绞车的功率消耗后，绞车的功率振荡和功率消耗的大小根据测量结果而被确定。在此确定之后，基于绞车的功率消耗的测量结果来生成功率振荡信号，因而，功率振荡信号代表了绞车在一定时段内的功率振荡和功率消耗的大小。基于此功率振荡信号，已生成了用于推进器的反振荡信号并将其分配到各个推进器。这意味着，在下一步骤中生成了反振荡信号，该反振荡信号代表了具有与绞车的功率振荡信号相反相位特性的功率振荡。此反振荡信号然后被分配到推进器，并且调节推进器的功率消耗以适应反振荡信号。反振荡信号使推进器将其负载消耗改变成与绞车相反的相位和类似的大小。通过此方式，平均推力不受影响。推进器上的负载变化对将船载浮动钻井设施保持在稳定位置的能力不会有任何影响。

用于动态定位的推进器和所述绞车的钻井驱动器被互连为使得来自发电机的功率取出被保持得尽可能稳定。这是通过从绞车生成代表功率振荡的信号来完成的。此功率振荡信号被叠加在用于推进器的控制信号上，调节推进器的功率消耗到与绞车相反的相位，因而产生从发电机传输的恒定功率。绞车驱动器中的功率振荡能至少部分地由波浪引起。绞车驱动器中的功率振荡能进一步地由水流引起。

由于海浪周期典型为7-10 s，因而这种大小的推力变化将不会明显影响定位系统。进一步地，推进器所需要的功率将很大程度上与具有大浪的天气条件和绞车随后的高功率振荡有关。这对于使负载振荡变平坦提供了良好的基础。

推进器的反振荡信号被布置成使其遵从有关动态定位等级（DP等级）的调节。

这种用于操作船载浮动钻井设施的方法的主要优点在于，发电机具有更加恒定的负载，这减少了燃料消耗，并且由于峰值功率和稳定负载较低，使得船载浮动钻井设施能够利用更少数量的运转发电机来操作，更加减少了操作成本。绞车可包括驱动器。绞车的驱动器可被视为是钻井驱动器，因为它被用在钻井操作中。例如，绞车的驱动器可为船载浮动钻井设施的钻井驱动器系统的一部分。绞车的钻井驱动器可包括一个或更多电机。

根据本发明的一个优选改进，该方法的特征在于，船载浮动钻井设施的控制单元（特别是动态定位控制单元）至少执行上述方法的步骤b）、c）和d）。绞车的功率消耗能够由测量装置在规定时段内进行测量。绞车在规定时段内的功率振荡和功率消耗的大小的确定同样由控制单元完成。在确定绞车的功率振荡和功率消耗的大小之后，由控制单元生成功率振荡信号。已知功率振荡信号，控制单元能够生成反振荡信号，其代表了相同或类似大小的负载消耗以及具有与绞车的功率振荡信号相反相位特性的功率振荡。在生成反振荡信号之后，反振荡信号由控制单元分配至推进器。推进器根据反振荡信号调节它们的功率振荡。因而，当绞车不从至少一个发电机获得功率时，推进器从船载浮动钻井设施的所述至少一个发电机获得它们的功率。因而，来自一个或更多发电机的功率取出能够在该时间内被分别保持得非常稳定或恒定。

进一步地，有一种用于操作船载浮动钻井设施的方法是优选的，其中所述至少一个发电机产生电流，并将电流供给到船载浮动钻井设施的输电线路，以操作绞车和推进器。所述至少一个发电机将电流供给到船载输电线路中，其将电流分配到绞车（特别是钻井驱动器或钻头）以及分配到推进器。

另外，有一种方法是优选的，其特征在于，在绞车放出或卷绕钻绳期间，绞车的电机使绞车的钻绳减速。这确保了钻绳（其也被称为钻索）不会被磨损。

有利地，在钻绳减速期间由绞车电机生成的能量由至少一个四象限变流器馈送到船载浮动钻井设施的输电线路中。这实现了由绞车电机生成的能量在船载浮动钻井设施的输电线路中的再循环。这减少了额外能量的需求并节省了额外能量的成本。波浪能够由绞车进行补偿，并且相对恒定的力能够被施加到钻绳。例如，如果船载浮动钻井设施被波浪升高，则绞车能够放出钻绳。

根据船载浮动钻井设施的设备布置，绞车可配备有至少一个四象限变流器，使得制动能量能够重新馈送到船载浮动钻井设施的输电线路中，或者替代性地，绞车可配备有配备有制动电阻器和半波整流器，使得仅仅能够实现有效功率振荡的补偿。因此，有一种方法是有利的，其中至少一个制动电阻器和至少一个半波整流器补偿了绞车和/或推进器所需功率的振荡。

绞车和推进器还可连接到一个或更多DC总线。更进一步地，这可被组合，而且可根据船上的总体负载情况来进行该操作。

有利地，使用了至少四个推进器，其中每个推进器能够转动大约360度（角度），特别是在基本平行于水面的平面中转动。推进器有利地被布置在船载浮动钻井设施的每个拐角部。

进一步地，有一种用于操作船载浮动钻井设施的方法是优选的，其中，用于动态定位船载浮动钻井设施的多个推进器由船载浮动钻井设施的动态定位系统的位置参考传感器、运动传感器、风力传感器和/或陀螺仪馈送。

动态定位系统能够将船载浮动钻井设施的位置保持在井上方。动态定位系统是计算机控制系统，以通过使用推进器和/或螺旋桨来自动保持船载浮动钻井设施的位置和航向。位置参考传感器结合运动传感器、风力传感器和陀螺仪，为动态定位系统的计算机提供有关船载浮动钻井设施的位置以及影响其位置的环境力的大小和方向的信息。

工作于动态定位系统中的计算机程序包含船载浮动钻井设施的数学模型，其包括有关船载浮动钻井设施的风和海流阻力以及船载浮动钻井设施的推进器和/或螺旋桨的位置的信息。这一知识结合传感器信息，允许计算机计算每个推进器的所需转向角和推进器输出。这允许在由于水深、海底管线或钻井装备密集或其他问题而不能下锚和锚定的海中进行操作。

动态定位或者可以是绝对的，因为船载浮动钻井设施的位置被锁定在海底上方的固定点，或者可以是相对于移动物体（如船只或其他水下交通工具）而言的。船载浮动钻井设施还能够以朝向风、波浪和水流的有利角度被定位。

根据本发明的第二方面，所述问题通过船载浮动钻井设施得以解决，其包括用于放出和卷绕钻绳的绞车，包括用于动态定位船载浮动钻井设施的多个推进器，并包括用于操作推进器和绞车的至少一个发电机，其中，船载浮动钻井设施包括：测量单元，用于测量绞车在至少一定时段内的功率消耗；用于确定绞车在至少一定时段内的功率振荡和功率消耗大小的装置；第一生成单元，用于基于绞车的功率消耗的测量结果生成功率振荡信号，因而，功率振荡信号代表了绞车在至少一定时段内的功率振荡和功率消耗的大小；第二生成单元，用于生成反振荡信号，该反振荡信号代表了具有与绞车的功率振荡信号相反相位特性的功率振荡；分配单元，用于将反振荡信号分配到推进器；以及调节装置，用于根据反振荡信号调节推进器的功率消耗。绞车能够包括至少一个驱动器，特别是钻井驱动器。

这种船载浮动钻井设施的发电机以恒定负载操作。负载的更小的变化减少了发电机的燃料消耗，并因此减少了船载浮动钻井设施的燃料消耗。由于峰值功率和稳定的负载更低，使得船载浮动钻井设施能够以更少数量的运转发电机来操作，从而更加减少了操作成本。

有关绞车的功率消耗的信息将能够被收集。这能够由船载浮动钻井设施的测量单元在预定时段内或在整个时间内完成。测量单元包括至少一个传感器，用于测量绞车的功率消耗。在测量了绞车的功率消耗之后，绞车的功率振荡和功率消耗的大小由确定装置根据测量结果而确定。第一生成单元基于绞车的功率消耗的测量结果生成功率振荡信号，因而，该功率振荡信号代表了绞车在至少一定时段内的所确定的功率振荡和功率消耗的大小。第二生成单元生成反振荡信号，该反振荡信号代表了具有与绞车的功率振荡信号相反相位特性的功率振荡。此反振荡信号由分配单元分配到推进器。在得到反振荡信号之后，调节装置根据反振荡信号调节推进器的功率消耗。反振荡信号使得推进器以与绞车相反的相位和类似大小来改变它们的负载消耗。通过此方式，平均推力不受影响。推进器上的负载变化对将船载浮动钻井设施保持在稳定位置的能力没有任何影响。

根据本发发明一个进一步的有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中，测量单元、第一和第二生成单元以及分配单元为船载浮动钻井设施的控制单元的一部分。该控制单元可以是动态定位控制单元。该控制单元使得能够对来自船载浮动钻井设施的发电机的功率取出进行控制。控制单元能够进一步包括测量单元和/或调节装置。

所述至少一个发电机产生电流，并将电流供给到船载浮动钻井设施的输电线路，以操作绞车和推进器。所述至少一个发电机包括用于将电流供给到船载输电线路的装置，以将电流分配到绞车（特别是钻井驱动器或钻头），并分配到推进器。

根据本发发明的另一有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中绞车包括驱动器，该驱动器包括一个或更多电机，用于放出或卷绕钻绳。

在有效升沉补偿期间，当船载浮动钻井设施被海浪升高时，钻绳由于所附接钻索的重力牵拉而被放出。绞车的电机可用于使绞车的钻绳减速。电机能够通过从电机中吸取电能而被制动，即，绞车的电机作为发电机操作。这样，海浪的能量能够被转换成电能。

除了所述（一个或更多个）发电机之外，海浪的由绞车驱动器转换成电能的能量能够用于操作船载浮动钻井设施的推进器或其他用电装置。燃料消耗因而通过对波浪能量的再次利用而被减少。

因此，根据本发明进一步的有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中船载浮动钻井设施包括用于将能量供给到船载浮动钻井设施的输电线路中的至少一个四象限变流器，该能量在钻绳减速期间由绞车的一个或更多电机生成。

海浪的由一个或更多电机转换成电能的能量更进一步地能够由至少一个四象限变流器转换，以使得电能能够馈送到输电线路中。特别地，四象限变流器可使所生成的电能的频率适应于船载浮动钻井设施的输电线路。

根据船载浮动钻井设施的设备布置，绞车可配备有至少一个四象限变流器，使得制动能量能够被重新馈送到船载浮动钻井设施的输电线路中，或者替代性地，绞车可配备有制动电阻器和半波整流器，使得仅能够补偿有效功率的振荡。因此，根据本发明一个进一步的有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中，该船载浮动钻井设施包括至少一个制动电阻器和至少半波整流器，用于补偿绞车和/或推进器所需功率的振荡。

根据本发明的另一有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中该船载浮动钻井设施的绞车和推进器连接到至少一个DC总线。

所述船载浮动钻井设施例如可为某种船舶，如半潜式钻井平台或钻探船。

所述船载浮动钻井设施包括大直径的钢筒、制动器、电源（如至少一个发电机）和相匹配的辅助装置。绞车的主要功能是要以受控方式放出和卷绕钻绳，该钻绳为大直径的钢索。钻绳卷在定滑轮（或称天车）和动滑轮（或称移动块）上，以便以“滑轮组”或“滑车”的方式获得机械优点。钻绳的这种放出和卷绕使得动滑轮（以及悬挂在其下方的任何物件）下降到井眼中或从井眼中升高。钻绳的放出由重力提供功率，卷绕有利地由电机或柴油机提供功率。

所述钻井驱动器能够包括船载浮动钻井设施的所有驱动器，这些驱动器对钻出井眼而言是必须的。因此，钻井驱动器能够包括绞车的驱动器、一个或更多顶部驱动器、起锚机驱动器等。钻井驱动器和钻头用于钻出井眼。所述船载浮动驱动设施能够包括各种部件，如泥浆桶、钻架或桅杆、泥浆泵、绞车、转盘或顶部驱动器、钻绳或钻索、发电设备以及辅助设备。所述船载浮动钻井设施的起重机构为大型绞盘，其放出或收回钻绳，因而使钻杆和钻头升高或降低。

根据本发明的另一有利改进，提供了一种船载浮动钻井设施，其中，该船载浮动钻井设施包括一动态定位系统，该动态定位系统具有位置参考传感器、运动传感器、风力传感器和/或陀螺仪，以向推进器进行馈送，从而将该船载浮动钻井设施保持就位。

所述动态定位系统能够保持船载浮动钻井设施在井上方的位置。所述动态定位系统为计算机控制系统，以通过使用推进器和/或螺旋桨自动保持船载浮动钻井设施的位置和航向。位置参考传感器结合运动传感器、风力传感器和陀螺仪，对动态定位系统的计算机提供有关影响船载浮动钻井设施的位置以及影响其位置的环境力的大小和方向的信息。

在所述动态定位系统中工作的计算机程序包含所述船载浮动钻井设施的数学模型，其包括有关船载浮动钻井设施的风和海流阻力以及船载浮动钻井设施的推进器和/或螺旋桨的位置的信息。此知识结合传感器信息，允许计算机计算每个推进器的所需转向角和推进器输出。这允许在由于水深、海底管线或钻井装备密集或其他问题而不能下锚和锚定的海中进行操作。

动态定位或者可以是绝对的，因为船载浮动钻井设施的位置被锁定在海底上方的一个固定点，或者可以是相对于某种移动物体（如船只或其他水下交通工具）而言的。船载浮动钻井设施还能够被定位造朝向风、波浪和水流的有利角度。

附图说明

现在将参照附图再次详细描述本发明，附图中：

图1示出了根据本发明的船载浮动钻井设施的第一功率供应的示意图，

图2示出了根据本发明的船载浮动钻井设施的第二功率供应的示意图，

具有相同功能和操作模式的元件在图1至图2中提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1和图2例示出了船载浮动钻井设施（如半潜式钻井平台或钻探船）的功率供应系统10的两个不同实施例。绞车2和推进器3从发电机1获得功率。为了从发电机1得到恒定和稳定的功率取出，控制单元互连在发电机1与绞车2和推进器3之间。用于动态定位的推进器3和绞车2的钻井驱动器互连，以使来自发电机2的功率取出被保持得尽可能稳定。这通过从绞车2产生代表功率振荡的信号而实现。此功率振荡信号被叠加在推进器3的控制信号上，并且调节推进器3的功率消耗以适应与绞车2相反的相位，因而生成从发电机1输送的恒定功率。

在图1中，AC总线用于传递振荡功率。这要求必须配备整流器6，以沿两个方向供给能量。四象限变流器5和控制单元4互连在发电机1与绞车2及推进器3之间。四象限变流器5和控制单元4使得制动能量能够被重新馈送到船载浮动钻井设施的输电线路。这意味着，在绞车2放出或卷绕钻绳期间，绞车2的电机使绞车2的钻绳减速。此制动能量由四象限变流器5供给到船载浮动钻井设施的输电线路中。这使得由绞车2的电机生成的能量能够再循环到船载浮动钻井设施的输电线路中。这减少了额外能量的需要，且节省了额外能量的成本。波浪能够通过绞车2得到补偿，而相对恒定的力能够被施加到钻绳。

在图2中，DC总线用于交换振荡能量。这使得功率供应系统10更加简单，并且能够使用常规的二极管或可控硅整流器6。这些半波整流器6和一控制单元4互连在发电机1与绞车2及推进器3之间。半波整流器6、控制单元4和制动电阻器使得能够补偿有效功率的振荡。