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CN101815826A - 用于监控升降式钻塔的方法和设备 - Google Patents

用于监控升降式钻塔的方法和设备 Download PDF

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CN101815826A
CN101815826A CN200880110169A CN200880110169A CN101815826A CN 101815826 A CN101815826 A CN 101815826A CN 200880110169 A CN200880110169 A CN 200880110169A CN 200880110169 A CN200880110169 A CN 200880110169A CN 101815826 A CN101815826 A CN 101815826A
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CN
China
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strain
leg
pinion
equipment
signal
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CN200880110169A
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English (en)
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J·S·格兰特
B·兰德斯
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National Oilwell Varco LP
Original Assignee
National Oilwell Varco LP
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Abstract

本发明公开了一种用于监控升降式钻塔的方法和设备，该升降式钻塔包括平台(12)；至少一条腿(14)；至少一根具有齿状齿条(106)的弦杆(104)；和升降设备(100)，该升降设备包括由马达(120)驱动的爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)，用于在至少一条腿(14)上升降所述平台(12)，所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)包括轴(122)和用于与所述齿状齿条(106)啮合的齿轮(108)，其特征在于，至少一个应变传感设备(130)设在所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)上，所述方法包括下述步骤：利用所述应变传感设备(130)获得表示应变的信号，和将所述信号发送至控制系统并处理所述信号，从而产生所述弦杆(104)上的载荷值。

Description

用于监控升降式钻塔的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于监控升降式钻塔和便于升起该升降式钻塔的方法和设备。
背景技术
存在很多类型的主要用于油气井的构建、维护和修理的海上平台。通常称作“升降式平台”的海上平台是具有由升降单元驱动的向下延伸并且接触海底的腿的浮船。“升降式”平台是具有一条或多条腿的任何自升式海上平台或甲板，每条腿包括一根或多根弦杆，所述“升降式”平台用于进行下述多种操作中的任一种，所述操作包括但不限于：钻井、生产、油井维修或其它海上操作或工作，所述“升降式”平台具有被可下降至海底的腿支承的能力，可选地具有通过下述步骤从一个海上位置重新定位至另一海上位置的能力：降低到一浮动位置；运动到一新的海上位置；和再次自升到一升高位置。这种“海上”钻塔和平台是公知的并且通常包括通常安装在多条腿(例如三条或更多条腿)上的钻井钻塔或“船体”，每条腿设有形成支撑脚(腿的“定位桩罐”)的基部。在某些系统中，每条腿具有一根或多根在结构上彼此连接从而形成一个单元(“腿”)的弦杆。现在使用的是具有一到四根弦杆的腿。每根弦杆具有一个或两个(彼此相对的)齿条。每个齿条由一个或更多个小齿轮驱动。钻塔或平台放置在期望的位置处，然后被升高到海面之上的工作高度。钻塔沿着其每条腿的机动化位移(“升起”)将钻塔升高。每条腿可独立于其它腿升高到某种程度，以使得操作者可例如对腿不均匀地穿入海床进行纠正。
钻塔通过驱动每条腿的齿条-小齿轮组相对于每条腿被升高或降低，所述系统通常具有三条腿，所述三条腿在三角形结构的每个角或拐角中布置有三根弦杆和支撑(“弦杆”表示每条腿的每个“构件”)。这种类型的升降系统包括：至少一个细长齿条，所述齿条垂直安装在竖立腿的外侧表面上并且基本上延伸经过该竖立腿的整个长度；和多个与每个齿条啮合的协同作用的小齿轮。每个小齿轮借助于相应马达通过一系列减速齿轮被驱动。当平台由海底上的竖立腿支承时，该支承受升降系统的齿条与小齿轮啮合的影响。以这种方式，在海上操作期间，由平台的自重和环境作用力(诸如风、波浪、涌流和其它作用力)构成的载荷施加在齿条与小齿轮啮合的升降系统上。
当给定腿的位置改变时，与该腿相关的小齿轮沿相同方向并且以相同的理论速度同时进行操作。直线位移的速度取决于腿上的载荷。当腿倾斜时，具有最小载荷的弦杆通过其马达比其它腿更快地被升高，导致相关腿上的“齿条路程差(rack path differential)”或齿条相位差(或“RPD”)的额外增加。在很多现有技术系统中，钻塔(船体)和“腿”相对于海床的相对位置(系统的几何形状)相对于两组固定参考点进行检测，所述两组固定参考点是钻塔船体的底部和“升降结构”或“升降壳体”的顶部。
正确放置可受很多因素限制：例如操作者的错误放置；存在或出现主要横向的应力或载荷，诸如由于涌流、波浪起伏和/或风引起的那些应力或载荷；腿的脚部的不均匀嵌入；非均匀的或倾斜的基础；或提升马达或制动器上的操作故障。常常很难确定涉及哪些因素。结构上的过大应力，特别是腿上的过大应力，具有损坏腿的风险，可能导致钻塔停工和显著减小钻塔的使用寿命。
“齿条路程差”(给定齿条路程的差，即，对于给定数量的齿条凹口结构上的几何差)是一种水平性缺陷。通常地，当钻塔在现场时，腿被降低，直到它们的尖端搁置在海床上，然后钻塔被升出水面，直至其工作位置。这包括根据海床的性质将尖端一定程度地穿入海床，但是通常腿保持竖直而且仅作用在单元上的作用力保持在设计钻塔时所选定的强度范围内。但是，在某些情况下，海床可以是倾斜的或不平坦的等等，这可导致一水平偏差，一条或更多条腿相对于竖直面的偏差，该偏差在所涉及的一条或多条腿上产生弯曲力矩。如果这些偏差影响两条或三条腿，则这些偏差不是必然彼此平行的，这可使问题复杂化。这种弯曲使载荷在所涉及腿的三根弦杆上变得不相等，腿相对于其导向部处于歪斜位置。该不平衡可能使得不再可能移动钻塔。钻塔于是不得不再次降低至水面高度，到漂浮状态以消除载荷，支承腿从海床收回已获得的穿入部分，然后重新开始升降操作。这可能根据情况的严重性将位置的稍微移动以避免第一着陆区域(footprint)(尽管这种操作通常是不推荐的)与腿的前后运动(比如扩展)以纠正偏差相结合。这种动作显然费时间而且不总是成功的。在某些严重情况下，不得不做出决定以将钻塔从计划的钻井位置运动到离开50-100米的另一位置，重新开始具有同样不确定性的操作。在钻塔不得不定位在固定生产平台旁边时，可能实施后一种解决方案。在这种情况下，仅很小距离的富余可用于升起钻塔。
本发明人意识到，对于既用于监控钻塔腿上的载荷又用于监控腿的位置改变的、有效且有效率的系统和方法的需求已经很久了。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于监控升降式钻塔的方法，所述钻塔包括平台；至少一条腿；至少一根具有齿状齿条的弦杆；和升降设备，所述升降设备包括由马达驱动的爬升小齿轮设备，用于在所述至少一条腿上升降所述平台，所述爬升小齿轮设备包括轴和用于与所述齿状齿条啮合的齿轮，其特征在于，至少一个应变传感设备设在所述爬升小齿轮设备，所述方法包括下述步骤：利用所述应变传感设备获得表示应变的信号，和将所述信号发送至控制系统并处理所述信号，从而产生所述弦杆上的载荷值。
优选地，其中所述应变传感设备位于所述轴上，所述方法包括使用所述应变传感设备来感测所述齿轮中的应变以产生表示应变的信号的步骤。有利地，所述应变传感设备位于所述轴上，所述方法包括使用所述应变传感设备来感测所述轴中的应变以产生表示应变的信号的步骤。
有利地，所述爬升小齿轮设备还包括至少一个另外的齿轮和另外的轴，其中至少一个应变传感设备布置在所述另外的轴上，所述方法包括使用应变传感设备来感测另外的小齿轮中的应变以产生表示应变的信号的步骤。优选地，所述爬升小齿轮设备还包括至少一个另外的齿轮和另外的轴，其中所述至少一个应变传感设备布置在所述另外的齿轮上，所述方法包括使用所述应变传感设备来感测所述另外的齿轮中的应变以产生表示应变的信号的步骤。有利地，所述应变传感设备位于所述齿轮上，所述方法包括使用所述应变传感设备来感测所述齿轮中的应变以产生表示应变的信号的步骤。
有利地，所述至少一个应变传感设备是多个应变仪。优选地，多个应变仪被放置在轴和另外的轴上以便感测所述轴和另外的轴上的应变，从而产生表示应变的信号。有利地，多个应变仪被放置在齿轮和另外的齿轮上以便感测所述齿轮和另外的齿轮上的应变，从而产生表示应变的信号。优选地，有多个轴和齿轮，所述多个轴和齿轮中的至少几个设有应变仪以便感测该多个轴和齿轮中的至少几个中的应变，从而产生表示应变的信号。
优选地，所述方法还包括在显示器上显示弦杆的载荷测量值的步骤。优选地，载荷测量值实时显示在显示器上。
有利地，所述应变传感设备形成载荷监控器的部分。有利地，马达上的载荷被测量，表示马达上的载荷的信号被发送至控制系统。
优选地，所述方法还包括将所述弦杆上的载荷值与规定值相比较的步骤，如果所述弦杆上的载荷值大于所述规定值，则致动警报器。所述规定值可以是完全预定的值，或者可以从历史值中获得，或者可以与其它腿上的载荷相关和根据其它腿上的载荷而改变。
有利地，所述方法还包括保留弦杆上的载荷值的历史记录和使用控制系统获取所述历史记录的步骤。
优选地，所述方法还包括下述步骤：利用旋转测量装置测量齿轮的旋转以获得表示平台相对于腿的直线位移的位移信号，将所述位移信号发送至控制系统并处理所述位移信号，以产生所述平台相对于所述腿的直线位移值。有利地，所述升降设备悬挂在所述平台上的弹性元件中或弹性元件上，所述方法还包括使用距离测量装置测量每个升降设备相对于所述平台的竖直位移的步骤。
有利地，所述方法还包括至少一条第二腿；具有至少一根具有第二齿状齿条的第二弦杆；和第二升降设备，所述第二升降设备包括由第二马达驱动的第二爬升小齿轮设备，用于在所述第二腿上升降所述平台，所述第二爬升小齿轮设备包括第二轴和用于与所述第二齿状齿条啮合的第二齿轮，其特征在于，至少一个第二应变传感设备设在所述第二爬升小齿轮设备上，所述方法包括下述步骤：利用应变传感设备获得表示应变的第二信号，和将所述第二信号发送至控制系统并处理所述第二信号，从而产生所述第二弦杆上的载荷值。
优选地，所述方法还包括下述步骤：提供齿条路程差监控系统，用于监控每个小齿轮的旋转以提供每根弦杆的每个选定小齿轮与相关联的腿相比较的直线位移的指示，从而指示平台腿的齿条路程差。优选地，该结果将识别每条腿的可能扭转。有利地，位移实时显示在显示器上。优选地，位移的第二历史记录保持在控制系统中并且从控制系统中获取。
本发明还提供一种用于监控升降式钻塔的设备，所述升降式钻塔包括平台；至少一条腿；至少一根具有齿状齿条的弦杆；和升降设备，所述升降设备包括由马达驱动的爬升小齿轮设备，用于在所述至少一条腿上升降所述平台，所述爬升小齿轮设备包括轴和用于与所述齿状齿条啮合的齿轮，其特征在于，至少一个应变传感设备设在所述爬升小齿轮设备上，用于利用所述应变传感设备获得表示应变的信号，和将所述信号发送至控制系统并处理所述信号，从而产生所述弦杆上的载荷值。优选地，所述设备还包括旋转测量装置，用于测量平台相对于腿的直线位移。有利地，所述设备还包括载荷测量装置，用于测量马达上的载荷以产生表示马达上的载荷的马达载荷信号，并且将该马达载荷信号发送至控制系统。优选地，所述设备还包括距离测量装置，用于测量每个升降设备相对于平台的竖直位移。
本发明在至少某些方面公开了用于同时监控平台腿的弦杆的齿条路程差和监控每条腿上的载荷的系统和方法。在某些方面，检测腿位置中的突然改变。
在某些方面，本发明公开了一种用于包括浮式升降系统的升降系统的载荷监控系统和齿条路程差监控系统。
在某些特定方面，本发明公开了一种腿载荷的监控系统，其中齿条小齿轮齿轮系统的轴在轴上具有一个或多个应变传感器，来自所述应变传感器的信息被传送至控制系统(例如任何适当的计算机系统或可编程逻辑控制器或“PLC”)。
在某些方面，本发明公开了用于齿条小齿轮类型的升降系统的载荷监控系统(“PLMS”表示小齿轮载荷监控系统)和齿条路程差读取设备。齿轮系内的小齿轮轴设有应变传感部件，一系列传感器设置用于测量小齿轮轴和其它轴装置的旋转量和方向位移。从轴的应变测量收集的信息(不管是静态的还是动态的)借助于滑动环被传送至接线盒中的静态连接器中，同时被接收在静态连接器中的旋转测量值也被引导至接线盒。所收集到的所有信息被供给到计算机(例如PLC)中，所述计算机可选地具有位于升降系统控制台中或附近的显示器。读数的变化大于规定值，触发视频和/或音频警报器，要求操作者注意，以便实施对各个驱动单元或升降单元的载荷和/或位置的纠正。
在某些特定方面，在“浮式升降系统”的情况下，根据本发明的某些系统包括借助于距离测量装置(例如参见图10的装置D)实现的升降单元相对于平台的竖直位移的另外的测量。从该测量收集到的信息与来自旋转读数的信息相结合并且被供给到计算机中且被处理。
本发明在某些方面公开了一种齿条路程差监控系统，所述齿条路程差监控系统包括检测每根弦杆相对于平台的甲板的相对位置，用于识别：由于不平衡载荷而引起的腿的可能扭转或歪斜；或者由于如上所述的海底条件而产生的影响；和/或弦杆和/或腿相对于甲板的不均匀位移。
本发明在某些方面公开了一种用于监控油田平台腿的弦杆上的载荷的方法，所述弦杆具有相应的齿状齿条，齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起或降下，所述齿条-小齿轮腿升降系统具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与腿的齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述方法包括：为选定弦杆在与选定弦杆相关联的齿条-小齿轮系统的选定小齿轮上设置至少一个应变传感设备，利用该至少一个应变传感设备，感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示选定弦杆上的载荷和选定弦杆的相关联腿上的载荷，并且产生表示所述应变的信号；将所述信号传送至控制系统并处理所述信号，从而产生选定弦杆上的载荷值。
本发明在某些方面公开了一种用于监控油田平台腿上的载荷的方法，而且因此监控总平台载荷，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有至少一个驱动单元，所述至少一个驱动单元中的每一个具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与相应齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述方法包括：提供每根弦杆的载荷监控器，所述载荷监控器在每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，包括用于每个齿条-小齿轮腿升降系统的至少一个驱动单元之一的选定小齿轮；利用每个所述载荷监控器的至少一个应变传感设备，感测所有选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的弦杆上的载荷，并且产生用于腿的每根弦杆的表示所述应变的信号，所述信号包括用于每个驱动单元的信号；将所述信号传送至控制系统；并且处理所述信号以产生每条腿上的载荷值，将每条腿上的载荷相加从而提供平台上的载荷；在控制系统内，将腿载荷值与规定值相比较，和/或将总平台载荷与总平台载荷的规定值相比较，如果任一规定值被超过，为系统操作者产生警报。
本发明在某些方面公开了一种用于监控油田平台腿的弦杆上的载荷的系统，所述系统包括：用于弦杆的每个驱动单元的载荷监控器，该载荷监控器在每个驱动单元的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，用于感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联弦杆上的载荷，并且用于产生表示所述应变的信号；控制系统；用于将所述信号传送至控制系统的传送设备；以及所述控制系统用于处理所述信号以产生所述弦杆上的载荷值。
本发明在某些方面公开了一种用于监控油田平台腿的系统，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有多个驱动单元，每个驱动单元具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与弦杆的齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述系统包括：用于每个驱动单元的载荷监控器，该载荷监控器在驱动单元的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，用于感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的弦杆上的载荷，并且用于产生表示所述应变的信号；控制系统；用于将所述信号传送至控制系统的传送设备；所述控制系统用于处理所述信号以产生每条腿上的腿载荷值和平台上的平台载荷值；所述控制系统用于将所述值与用于腿载荷的规定值和用于平台载荷的规定值相比较，如果用于腿载荷或用于平台载荷中的任一规定值被超过，则控制系统用于为系统操作者产生警报。
这些系统和方法可既提供对腿齿条路程差的监控又提供对腿载荷的监控。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参照附图通过举例的方式进行描述，附图中：
图1是根据本发明的钻塔设备的示意性侧视图；
图2是图1所示的钻塔设备的示意性俯视图；
图3是图1所示的钻塔设备部分的侧视图；
图4是根据本发明的钻塔腿部分和升降单元的透视图；
图5是图4所示的升降单元的齿轮系部分的视图；
图6是图4所示的升降单元部件的示意图；
图6A是图6所示的升降单元部件处于壳体中的透视图；
图6B是图6A所示的升降单元部件和壳体的放大图；
图6C是图6所示的升降单元部件的透视图；
图6D是图6所示的升降单元部件的透视图；
图7是根据本发明的系统的示意图；
图8是根据本发明的设备部件的示意图；
图9是根据本发明的设备部件的示意图；
图10是根据本发明的系统的示意图。
具体实施方式
图1和2示出了一种根据本发明的升降式钻塔10，所述升降式钻塔包括具有三条腿的驳船式船体12，每条腿由附图标记14表示，所述腿均可动地穿过船体12延伸到桩腿通孔16内，其中至少一组齿条齿18附接至每条腿14上。船体12腿14支承在竖直位置中。当钻塔10到达其预定位置时，腿14被降下，直到与海底牢固地接合。腿14上的继续举升将船体12升高到水体13之上的标称高度，用于进行预加载操作。在完成预加载后，举升继续进行，直到船体12的底部到达海面之上的高度，例如大于在恶劣的海洋风暴期间所预见的最大波浪高度。船体12的主甲板上可配备有进行例如钻井、生产或油井维修操作所必需设施，比如钻架20、旋臂梁和升高的管架22、控制室27、直升机机场28、工作人员起居舱29以及通用起重机30。
升降式钻塔10的船体12的举升通过工业公知的很多不同技术来实现。根据本发明的一种形式的举升系统与根据本发明的齿条小齿轮举升系统一起使用。举升小齿轮32容纳在升降框架34中，在所述升降框架上或内的是具有驱动机构和齿轮系的用于驱动该举升小齿轮32的驱动设备(电驱动设备或液压驱动设备)。举升小齿轮32啮合腿弦杆36上的齿条齿18。小齿轮32沿一个方向的旋转使腿14相对于船体12向上运动，而小齿轮32沿相反方向的旋转使腿14相对于船体12降下。上部引导结构38安装在升降框架34之上，并且用作上部引导/支承结构以控制腿14的位置。上部引导结构38通过支撑梁39被横向支承回到船体或甲板12。每条腿14具有一根或多根大致竖直延伸的腿弦杆36，所述腿弦杆通过适当的支撑在结构上结合在一起。对于所示的实施例，齿条齿18设在每条腿14的四根弦杆的两侧。对于较小的平台，腿构件可包括在其上具有一个或多个齿状齿条18的单条腿或腿弦杆。锁定设备40可选地将腿锁定到位。
系统中的一个小齿轮，例如驱动小齿轮32，在其上具有至少一个应变仪50(未示出)，用于在静态或动态条件下测量小齿轮32上的载荷。小齿轮轴上的应变用来表示升降单元的载荷，升降单元的载荷用来表示相应腿上的载荷，相应腿上的载荷用来表示平台上的载荷。控制系统54包括用于每条腿的控制系统54a，所述控制系统54在一个方面经由滑动环组件与每个应变仪50连通。一个或多个应变仪可包括通过用于与所述一个或多个应变仪连通的设备的系统等直接连接至控制系统54a；可选地，每个应变仪可连接至与系统54a连通的接线盒58。控制系统54还与带有显示器59升降系统控制台56连通，所述显示器显示每个小齿轮(例如驱动小齿轮32)上的载荷(在一个方面，实时显示)。
图4示出了根据本发明的钻塔部分的放大图，所述钻塔包括具有弦杆104的腿102(局部显示，例如类似于图1的腿14)，所述弦杆均具有相应齿状齿条106。升降单元100(用于每根弦杆的一个升降单元)具有与齿条106啮合的、间隔开的爬升小齿轮108。马达120经由联轴器121使小齿轮122旋转，小齿轮122使齿轮系124中的其它机构(齿轮、小齿轮等，在图4中未显示)旋转。制动器126为马达120提供选择性制动。每个小齿轮122在其上具有至少一个应变仪130(类似于图3的应变仪50)，所述至少一个应变仪与适当的一个或多个接线盒和/或控制系统连通(可使用两个、三个、四个或更多个应变仪，对于根据本发明的任一实施例的任何小齿轮或轴来说也是如此)。
图5示出了升降单元100和齿轮系124的一个实施例的一些部件的分解图。马达120驱动小齿轮122，小齿轮的在轴122s上的齿轮122a与相邻的小齿轮组件132的齿轮啮合，依此类推，对于其余小齿轮组件133、134和135来说，均与相应齿轮啮合。
小齿轮组件132-135均具有用于与相邻组件啮合的齿轮和齿轮分别安装在其上的轴(132s-135s)。任一个和所有小齿轮组件的任一根和所有轴可在其上具有一个、两个、三个、四个或更多个与适当的接线盒和/或控制系统连通的应变仪(类似于应变仪50或130)。作为一个实例，而且是非限制性实例，示出了轴134s上的应变仪134g且示出了轴135s上的应变仪135g。使用任何适当的马达和任何适当的齿轮系来驱动爬升小齿轮108在本发明的范围内。齿轮系的齿轮和轴承受载荷，除非钻塔或平台具有用于保持固定到位的腿的单独结构。
图6示意性地示出了图4和5所示设备的部件。应变仪130连接至滑动环142，所述滑动环将信号发送至接线盒144内的信号调节器/传送器145(参见图6A)。信号传送器145将来自滑动环142的信号转换成输出量，该输出量通过接线盒58传送到可编程逻辑控制器(“PLC”)，可编程逻辑控制器的输出量可包括数字、图像和/或警报信号，所述信号可被引导至钻塔上的显示装置和/或平台的主控制器。系统(例如具有一个或多个可编程逻辑控制器154的系统150)接收来自调节器/传送器145的信号，该调节器/传送器145接收来自应变仪130(在一个方面，使用围绕轴间隔开的十六个应变仪)的信号。旋转传感器设备(例如图8的140或210)检测轴上的标记、隆起或凹陷141，从而提供轴122s的旋转方向和旋转圈数的指示。该旋转作为齿轮系的部分，与小齿轮108(参见图5)上的旋转成正比，小齿轮108上的旋转转换成齿条106相对于平台12(图1)的直线位移，因此，被转换成直线尺寸的信号被发送至显示器152(或图3的显示器59)，当该信号与来自钻塔上的其它升降单元的其它类似读数相比较时，该信号可给出钻塔上的所有弦杆之间的任何齿条路程差的指示。滑动环组件142经由接线盒144将信号发送至控制系统150。基于应变仪的输出量和/或旋转传感器的输出量的结果显示在可选的显示器152上。
升降单元100可相对于其相应齿条(和腿)稍微地既上下运动又与水平面偏离一角度(例如2度)运动。在一个方面，升降单元100安装在壳体或框架161中的减振垫162和164之间，以便在升降单元和钻塔甲板170之间提供很小的“浮动”距离。为了测量该运动(浮动距离)，一个、两个或更多个位置转换器组件165(其可测量两点之间的距离)被放置在甲板170和升降单元100之间。组件165一方面具有弹簧加载的、电缆致动的、数字位移转换器，所述位移转换器附接至甲板或升降单元，而电缆端部附接至甲板170或升降单元100的相对部分；当附接在点163处的电缆166从转换器中拉出或缩回转换器中(参见图6B)时，距离被测量并且表示测量值的信号连同旋转传感器设备140的信号被传送，如上所述，产生平台和腿弦杆之间的实际位移的测量值。电缆166连接至位置转换器组件167，所述位置转换器组件向控制系统(例如系统150或54)直接提供或经由接线盒提供表示升降单元位置的信号(并且因此提供任一升降单元随时间的运动)。位置传感器组件167具有输入/输出连接件(例如图10的电缆303)。电缆166的延伸量表示升降单元相对于框架161的相对距离。
图7示意性地图示了根据本发明的监控系统171，所述监控系统用于监控钻塔升降单元的齿轮系的小齿轮轴上的载荷，并且用于监控根据本发明的齿条路程差。由于平台、平台的腿和腿的升降单元上的载荷(应变)被传送至升降单元的齿轮系(齿轮系的小齿轮总是承受载荷)，测量齿轮系的小齿轮轴上的载荷提供腿上和平台上的载荷指示。小齿轮轴上的应变仪既在静态条件下又动态条件下提供表示载荷的信号。从应变仪传送至控制系统的信号可在由控制系统处理之后产生警告或警报。
如图7所示，对于载荷监控功能172，用于弦杆C的每个升降单元J具有与相应可编程逻辑控制器(PLC)172(或使用多个PLC)连通的相应接线盒JB。示出了三个升降单元J用于三弦杆腿(例如，在根据本发明的其它系统中每条腿有四个单元)。由于齿轮系的驱动小齿轮总是与相应齿条啮合，齿条的位移(运动)以及因此腿的位移可通过监控齿轮系的小齿轮轴的旋转而被检测。旋转量及其旋转方向可通过使用具有与轴相邻的接近传感器组178的系统174而被测量，所述接近传感器组178用于检测旋转轴上(或者放在齿轮的齿附近，并且免受油或其它润滑剂的侵蚀)的隆起和/或凹陷。每个系统178经由接线盒JX与可编程逻辑控制器177连通。图7中的数字171表示载荷监控系统。
载荷测量值和位移测量值的实时显示在显示器184上提供。通过将测量值相对于时间的记录保留在PLC或其它存储装置或具有升降系统控制台181的控制系统180中，可获取和显示先前的测量值。警告或警报经由警报设备182(例如音频、视频或音频和视频)提供。
图8和9示意性图示了根据本发明的不同方法和结构，所述方法和结构用于测量旋转轴上的应变和用于测量轴的旋转。如图8所示，轴200(例如升降单元的齿轮系的任一轴)具有两个间隔开的紧固到该轴上的齿轮201、202。应变仪204在齿轮201、202之间围绕轴200的整个圆周间隔开(在受扭矩影响的区域中，即扭矩在轴上产生扭转的区域，并且所产生的应变被应变仪204读到)。来自应变仪204的导线206被固定(例如利用粘合剂，例如环氧树脂)至轴200的外部，并且连接至滑动环214的输入端，然后连接至输出导线208，所述输出导线然后连接至一个或多个接线盒(未示出，例如，类似于图3的接线盒)。旋转传感器装置210感测轴200中的凹口212(或者，可选地，感测轴上的任一齿轮的齿轮齿的间距)，并且将基于所述感测的表示轴旋转的信号经由导线209传送至接线盒中的信号转换器213。连接至滑动环的导线将滑动环214连接至控制系统(例如经由接线盒)。可选地，齿轮上的凹口、凹入、凹陷或隆起可被旋转传感器感测到。保持托架222将滑动环保持到位。
如图9所示，马达M的轴250(类似于图4的马达120)具有紧固到该轴上的齿轮252和一系列围绕轴250间隔开的应变仪254。来自应变仪254的导线256穿过孔258进入滑动环260。轴250上的凹口262被旋转传感器装置264感测到。来自旋转传感器264的输出导线连接至与控制系统S(如在此所述的任一控制系统)连通的接线盒270。保持托架274将滑动环260的静止端保持到位。轴250的受扭矩影响的区域是位于连轴器251和齿轮252之间的区域。马达M具有制动器B(类似于图4的制动器126)。
图10示出了根据本发明的用于平台腿A的系统300，所述平台具有三条腿A、B、C。系统300包括的部件、装置和元件用表示上述相同部分等的附图标记表示并且用这些相同的附图标记来识别。腿B和C均具有与系统300类似的系统系统302(腿B)和系统304(腿C)。
因此，本发明在至少某些实施例中提供了一种用于监控油田平台的腿的方法，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿条，平台包括齿条-小齿轮腿升降系统，所述齿条-小齿轮腿升降系统具有马达和带有用于每条腿的小齿轮的齿轮系统，用于将腿向上升起，所述方法包括：提供每条腿的载荷监控器，所述载荷监控器在所述齿条-小齿轮系统的选定小齿轮上具有应变传感设备，所述选定小齿轮与平台的特定腿相关联；提供用于监控每个选定小齿轮的旋转的齿条路程差监控系统，以提供选定小齿轮和与其相关联的腿相比较的直线位移的指示，从而指示出用于平台腿的齿条的齿条路程差。
本发明在一些实施例但不必是所有实施例中公开了一种用于监控油田平台腿的弦杆上的载荷的方法，所述腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，每条腿具有用于将腿升起或降下的齿条-小齿轮腿升降系统，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与腿的齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述方法包括：为选定弦杆在与选定弦杆相关联的所述齿条-小齿轮系统的选定小齿轮上设置至少一个应变传感设备；利用所述至少一个应变传感设备，感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示选定弦杆上的载荷和选定弦杆的相关联腿上的载荷，并且产生表示所述应变的信号；将所述信号传送至控制系统并处理所述信号，从而产生选定弦杆上的载荷值。所述方法可按任何可能的组合具有下述特征中的一项或多项：其中至少一个应变传感设备是多个应变仪；测量齿条-小齿轮腿升降系统的多个小齿轮上的载荷；在显示器上显示用于选定弦杆的载荷测量值；和实时显示载荷测量值。
本发明在一些实施例但不必是所有实施例中公开了一种用于监控油田平台腿上的载荷的方法，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，用于每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有至少一个驱动单元，所述至少一个驱动单元中的每一个具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与相应齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述方法包括：提供每根弦杆的载荷监控器，所述载荷监控器在每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，包括用于每个齿条-小齿轮腿升降系统的至少一个驱动单元之一的选定小齿轮；利用每个所述载荷监控器的至少一个应变传感设备，感测所有选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的弦杆上的载荷，并且产生用于腿的每根弦杆的表示所述应变的信号；将所述信号传送至控制系统并且处理所述信号，以产生每条腿上的载荷值；在控制系统内，将所述值与规定值相比较；如果所述规定值被超过，为系统操作者产生警报；其中至少一个应变传感设备是多个应变仪；其中警报器是视频警报器和声音警报器之一；在显示器上显示用于每个驱动器和/或每条腿的载荷测量值；其中每条腿的载荷测量值被实时显示；保留每条腿的载荷测量值的历史记录；利用控制系统，提供对历史载荷测量值的获取；其中对于每条腿，控制系统包括用于处理表示载荷的信号的可编程逻辑控制器，特定腿的每个可编程逻辑控制器与所述腿的每根弦杆的至少一个应变传感设备通过导线连通，用可编程逻辑控制器处理表示载荷的信号；保留用于每根弦杆和/或每条腿的所有信号和/或载荷测量值的历史记录；利用控制系统，提供对历史载荷测量值的获取；使用距离测量装置测量每个腿升降系统相对于油田平台的竖直位移；提供齿条路程差监控系统，用于监控每个选定小齿轮的旋转以提供每根弦杆的每个选定小齿轮和与其相关联的腿相比较的直线位移指示，以指示平台腿的齿条路程差；其中油田平台具有甲板，所述方法还包括检测每根弦杆相对于甲板的相对位置，从而识别每条腿的可能扭转；其中每条腿具有与其相关联的测量设备，用于测量每根弦杆和平台之间的实际位移，所述方法还包括将信号从每个测量设备提供至控制系统的相关联的可编程逻辑控制器，用于确定每根弦杆和平台之间的位移；提供每根弦杆和平台之间的位移的实时显示；在控制系统中保留所述位移的第二历史记录；和/或利用控制系统，提供对第二历史记录的获取。
本发明在一些实施例但不必是所有实施例中公开了一种用于监控油田平台腿上的载荷的方法，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，用于每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有多个驱动单元，每个驱动单元具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与相应齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述方法包括：提供每根弦杆的每个驱动单元的载荷监控器，所述载荷监控器在每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统的每个驱动单元的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备；利用每个应变传感设备，感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的腿上的载荷，产生与每根弦杆的每个驱动单元相关的表示应变的信号；将所述信号传送至控制系统并处理所述信号，以产生每条腿上的载荷值和用于包括平台上的总载荷的平台载荷的总载荷值；在显示器上实时显示任何感测到的载荷和/或平台载荷和/或每条腿的测量值；在控制系统内，将所述值与用于每条腿的规定值和用于平台的规定值相比较，如果用于任何单条腿或用于总平台载荷的所述规定值被超过，为系统操作者产生警报；其中至少一个应变传感设备是多个应变仪；利用控制系统保持用于每条腿和用于平台载荷的载荷测量值的第一历史记录，提供对第一历史载荷记录的获取；对于每条腿，控制系统包括用于处理表示载荷的信号的可编程逻辑控制器，每个可编程逻辑控制器与至少一个应变传感设备通过导线连通；利用可编程逻辑控制器处理表示载荷的信号；提供齿条路程差监控系统，用于指示平台腿的齿状齿条的齿条路程差。其中油田平台具有甲板，检测每根弦杆相对于甲板的相对位置，从而识别每条腿的可能扭转；提供每根弦杆和平台之间的位移的实时显示；在控制系统中保留每根弦杆和平台之间的位移的第二历史记录；以及利用控制系统，提供对第二历史记录的获取。
本发明在一些实施例但不必是所有实施例中公开了一种用于监控油田平台腿的弦杆上的载荷的系统，所述弦杆具有相应的齿状齿条，用于每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，齿条-小齿轮腿升降系统具有多个驱动单元，每个驱动单元具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述系统包括：用于每个驱动单元的载荷监控器，该载荷监控器在每个驱动单元的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，用于感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的弦杆上的载荷，并且产生表示所述应变的信号；控制系统；用于将所述信号传送至控制系统的传送设备；以及所述控制系统用于处理所述信号以产生所述弦杆上的载荷值。
本发明在一些实施例但不必是所有实施例中公开了一种用于监控油田平台腿的系统，所述平台具有多条腿，每条腿具有多根弦杆，每根弦杆具有相应的齿状齿条，用于每根弦杆的齿条-小齿轮腿升降系统用于将腿升起和降下，每个齿条-小齿轮腿升降系统具有多个驱动单元，每个驱动单元具有马达、带有小齿轮的齿轮系统和用于与弦杆的齿状齿条啮合的爬升小齿轮，所述系统包括：每个驱动单元的载荷监控器，该载荷监控器在驱动单元的选定小齿轮上具有至少一个应变传感设备，用于感测选定小齿轮上的应变，所述应变表示相关联的弦杆上的载荷，并且用于产生表示所述应变的信号；控制系统；用于将所述信号传送至控制系统的传送设备；控制系统用于处理所述信号以产生每条腿上的腿载荷值和平台上的平台载荷；所述控制系统用于将所述值与用于腿载荷的规定值和用于平台载荷的规定值相比较，如果用于腿载荷或者用于平台载荷中的任一规定值被超过，控制系统用于为系统操作者产生警报。这种系统可按任何可能的组合具有下述特征中的一个或一些：至少一个应变传感设备是多个应变仪；对于每条腿，控制系统包括用于处理表示载荷的信号的可编程逻辑控制器，每个可编程逻辑控制器与用于相应腿的所有应变传感设备通过导线连通，可编程逻辑控制器用于处理表示载荷的信号；齿条路程差监控系统用于检测每根弦杆相对于油田平台的甲板的相对位置，从而识别每条腿的可能扭转，并且用于将信号从每个测量设备提供至控制系统的相关联的可编程逻辑控制器，用于确定每根弦杆和平台之间的位移；和/或在控制系统中保留每根弦杆和平台之间的位移的历史记录；以及控制系统用于提供对该历史记录的获取。

Claims (16)

1.一种用于监控升降式钻塔的方法，所述钻塔包括平台(12)；至少一条腿(14)；至少一根具有齿状齿条(106)的弦杆(104)；和升降设备(100)，所述升降设备(100)包括由马达(120)驱动的爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)，用于在所述至少一条腿(14)上升降所述平台(12)，所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)包括轴(122)和用于与所述齿状齿条(106)啮合的齿轮(108)，其特征在于，至少一个应变传感设备(130)设在所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)上，所述方法包括下述步骤：利用所述应变传感设备(130)获得表示应变的信号，和将所述信号发送至控制系统并处理所述信号，从而产生所述弦杆(104)上的载荷值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述应变传感设备(130)位于所述轴(122)上，所述方法包括使用所述应变传感设备(130)来感测所述轴(122)中的应变以产生所述表示应变的信号的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)还包括至少一个另外的齿轮和另外的轴(132-135)，其中所述至少一个应变传感设备(130)布置在所述另外的轴(132-135)上，所述方法包括使用所述应变传感设备(130)来感测所述另外的小齿轮(122)中的应变以产生所述表示应变的信号的步骤。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)还包括至少一个另外的齿轮和另外的轴(132-135)，其中所述至少一个应变传感设备(130)布置在所述另外的齿轮上，所述方法包括使用所述应变传感设备(130)来感测所述另外的齿轮中的应变以产生所述表示应变的信号的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述应变传感设备(130)位于所述齿轮(108)上，所述方法包括使用所述应变传感设备(130)来感测所述齿轮(108)中的应变以产生所述表示应变的信号的步骤。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个应变传感设备(130)是多个应变仪。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括在显示器中显示所述弦杆(106)的载荷测量值的步骤。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述至少一个应变传感设备(130)形成载荷监控器的部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将所述弦杆(104)上的所述载荷值与一规定值相对比的步骤，如果所述弦杆(104)上的所述载荷值大于所述规定值，则致动警报器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括下述步骤：保留所述弦杆(104)上的载荷值的历史记录和使用所述控制系统获取所述历史记录。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括下述步骤：利用旋转测量装置(104)测量所述齿轮(108)的旋转，以获得表示所述平台(12)相对于所述腿(14)的直线位移的位移信号；将所述位移信号发送至所述控制系统；和处理所述位移信号以产生所述平台(12)相对于所述腿(14)的直线位移值。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述升降设备(100)悬挂在所述平台(12)上的弹性元件(164)中或该弹性元件上，所述方法还包括下述步骤：使用距离测量装置(165-167)测量每个升降设备(100)相对于所述平台(12)的竖直位移。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述马达(120)上的载荷被测量，表示所述马达上的所述载荷的信号被发送至所述控制系统。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括至少一个第二腿(14)；至少一根具有第二齿状齿条(106)的第二弦杆(104)；和第二升降设备(100)，所述第二升降设备包括由第二马达(120)驱动的第二爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)，用于在所述第二腿(14)上升降所述平台(12)，所述第二爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)包括第二轴(122)和用于与所述第二齿状齿条(106)啮合的第二齿轮(108)，其特征在于，至少一个第二应变传感设备(130)设在所述第二爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)上，所述方法包括下述步骤：利用所述应变传感设备(130)获得表示应变的第二信号，和将所述第二信号发送至控制系统并处理所述第二信号，从而产生所述第二弦杆(104)上的载荷值。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括下述步骤：提供齿条路程差监控系统，用于监控每个小齿轮的旋转以提供每根弦杆的每个选定小齿轮和与该弦杆相关联的腿相比较的直线位移的指示，从而指示平台腿的齿条路程差。
16.一种用于监控升降式钻塔的设备，所述升降式钻塔包括平台(12)；至少一条腿(14)；至少一根具有齿状齿条(106)的弦杆(104)；和升降设备(100)，所述升降设备包括由马达(120)驱动的爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)，用于在所述至少一条腿(14)上升降所述平台(12)，所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)包括轴(122)和用于与所述齿状齿条(106)啮合的齿轮(108)，其特征在于，至少一个应变传感设备(130)设在所述爬升小齿轮设备(108、121、122s、122a、161)上，用于利用所述应变传感设备(130)获得表示应变的信号，和将所述信号发送至控制系统并处理所述信号，从而产生所述弦杆(104)上的载荷值。
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