CN 102913151 A
书
明
说
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海上钻机指梁锁闩的位置指示
[0001] 本
申请要求美国临时
专利申请系列号61/515369，申请日为2011年8月5日，标题为"Offshore Drilling Rig Fingerboard Latch Position Indication"的利益，其内容通过引用在各种目的下整体合并于此。
技术领域
[0002] 本
发明涉及钻机指梁，并且，更具体地，涉及用于经由过程控制网络提供实时锁闩位置反馈的指梁锁闩组件。
背景技术
[0003] 油气井钻探系统包括多种类型的管道，通常称为"管件（tubulars)"。管件包括
钻杆、
套管和其它可
螺纹连接的油气井结构。接合的管件的长"柱"，或
钻柱，典型地用于钻井眼和防止钻后井眼的坍陷。典型地，钻柱保存在通常被称为指梁的结构中。典型地，指梁包括延长的
支撑结构或"指梁列"，每ー个都能容纳多个钻柱。典型地，各钻柱分别通过对应的锁闩固定在一个指梁列上，其能够在锁定和解锁位置之间移动。典型地，在海上钻机上，这些管件被竖直的堆叠在指梁中，而锁闩保持所述管件的位置直到需要的时候。
[0004] 在一些指梁中，穿过该指梁的油或气井工人手动地在锁定和解锁位置之间移动所述锁闩，以手动地移动所述锁闩至期望的锁定或解锁位置。由于指梁的极限高度（在有些情况下90英尺高或更高），工人手工操作锁闩是相当危险的。当工人在走过指梁时通过将锁闩踢入或踢出锁
定位置而将锁闩在锁定和解锁位置之间移动的时候，这种实践会特别地危险，而这并非是罕见的作法。
[0005] 为了降低指梁的危险性，一些制造商具有
气动驱动的自动锁闩。相对于上述手动方法，虽然这些锁闩可降低对工人的危险，但它们仍有
缺陷。举例来说，当钻机操作者需要收集和使用ー个管件时，他就要按下控制面板上的按钮，这将提高锁闩至其解锁位置以释放该管件。然而，典型地，传统的气动锁闩控制装置并不向操作者提供锁闩实际位置的反馈。有时，锁闩不会完全升起并达到其在
起重机上的高度，通常难以确认锁闩的实际位置。在这样的情况下，工人通常需要爬上起重机并走出到指梁上去，以确定锁闩的位置。如上所述，指梁的高度势必使之成为危险作业。而且，在某些情况下，钻机操作者没有先确定锁闩位置就再次按下按钮，试图发送另ー个打开它的
信号。这可使得第一锁闩后面的第二锁闩打开，释放它的管柱，其会与未释放的钻杆碰撞。这样的碰撞可损坏指梁，使其不能工作。由于油钻通常离岸有8-10英里远，因此指梁的维修/修理可能是困难和/或费时的。同吋，由于所述碰撞的结果，管道可以被释放并撞在下面的钻机平台上，这可能伤害到人并造成损坏。
[0006] 还应注意，由于它们的功能，任何与指梁连接而使用的设备都易于损坏，这是因为与泥浆和
海水相关联的相对苛刻的条件，例如，当它们被从井中取出并放回指梁以供存储和再使用时可由管件运输。
[0007] 因此，需要有这样的指梁锁闩驱动系统，其解决先有技术有关的缺陷。4发明内容
[0008] 在本发明的ー个方面中，指梁锁闩组件包括锁闩，其被配置用于可操作地接合于指梁，以至少将一个管件锁定地保持在所述指梁上。所述锁闩可在从锁定位置延伸到解锁位置的移动范围内移动。操作地接合于所述锁闩的定位器通信地耦合至过程控制网络 (PCN)。所述定位器被配置为：响应于接收自PCN的信号在移动范围内移动所述锁闩，并基本上实时捕获锁闩的位置数据。所述位置数据包括移动范围内基本上任一点处的锁闩位置。所述定位器还被配置为基本上实时地将捕获的位置数据传输至PCN。
[0009] 在本发明的另ー个方面中，指梁锁闩组件包括锁闩，其被配置用于可操作地接合于指梁，以至少将一个管件锁定地保持在所述指梁上。所述锁闩可在至少从锁定位置延伸到解锁位置的移动范围内移动。操作地接合于所述锁闩的定位器通信地耦合至过程控制网络（PCN)，并且，其大小与形状形成为使得将其容纳在指梁的锁闩通道内。所述定位器被配置为：响应于接收自PCN的信号在移动范围内移动所述锁闩，并捕获锁闩的位置数据，包括锁闩在移动范围内多个点处的位置。所述定位器还被配置为将捕获的位置数据传输至PCN。
[0010] 在本发明的另一方面中，操作指梁的方法包括将本发明的前述方面的指梁锁闩组件的至少一部分放置于指梁的锁闩通道内。该方法还包括经由过程控制网络（PCN)接收指梁锁闩组件处的信号，以及响应于所述信号，在锁闩的移动范围内移动所述锁闩。所述锁闩组件捕获移动范围内多个点处的锁闩的位置数据，并经由所述PCN传输所捕获的位置数据。
[0011] 这里说明的特征和优点并不全面，而且，特别地，鉴于
附图、
说明书和
权利要求，许多附加的特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。而且，应当注意的是，说明书中所使用的语言主要是为了易读和指导的目的而选择的，并不g在限制本发明主题的范围。
附图说明
[0012] 通过实例而非限制的方式在附图中示出本发明，其中，相似的标记指示相似元件，并且附图中：
[0013] 图IA是海上钻机上的指梁的透视图；
[0014] 图IB是图IA的指梁阵列的俯视图；
[0015] 图2是图IB的一部分指梁阵列的放大图；
[0016] 图3是透视图，其中阴影部分表示可用于本发明的
实施例的锁闩的移动；
[0017] 图4是可用于本发明的不同实施例的气动缸的透视图。
[0018] 图5是包括锁闩通道的指梁的一部分的透视图，本发明的实施例可以安置在其中；和
[0019] 图6A-6D是可用于本发明的实施例的各种替换锁闩的透视图；
[0020] 图7是本发明的锁闩组件的实施例的正视组件图；
[0021] 图8是本发明的替换实施例的彼此联网的多个实例的透视图，其中为了清楚起见去掉了某些部分；
[0022] 图9A是图8的一部分示图的前视图；和5[0023] 图9B是图9A的实施例的侧视图。
具体实施方式
[0024] 在下面的详细说明中，对附图进行參考，形成其一部分，其中通过例图示出可以实践本发明的特定实施例。足够详细地说明这些实施例，以使得本领域技术人员能够实践本发明，并且，应当理解的是，可以使用其它实施例。还应理解的是，可以进行结构的、过程的和系统的改变，而不脱离本发明的精神和范围。此外，没有详细示出公知的结构、
电路和技术，以免影响对本说明的理解。因此，以下详细说明没有限制的意义，而本发明的范围由附加权利要求和它们的等价物定义。
[0025] 大体概述
[0026] 本发明的实施例控制和传输指梁上的自动锁闩的位置。这通过利用安装到指梁组件上的锁闩的定位器而得以实现。这些定位器控制移动并提供气动控制
阀、气动缸和/或气动
活塞的反馈。通过控制装置或主系统，操作者可向所述定位器提供信号/通信，以打开和/或关闭所述锁闩。响应于该
控制信号，所述定位器将打开和/或关闭锁闩，还同时向所述控制装置或主系统提供反馈信号（例如，电的、气动的、
现场总线、
电阻和/或无线等等），其指示锁闩的特定位置，例如打开、关闭或之间的位置。
[0027] 在下面的描述中，为了说明，阐明了大量的特定细节，以提供对本发明的全面理解。然而，很显然，对于本领域技术人员来说，没有这些细节也可实践本发明。
[0028] 术语
[0029] 如这里所使用的，术语"现场总线"和/或"过程控制网络"是指在智能測量和控制设备之间的数字的、双向的多站通信链路，并且用作高级过程控制、远程输入/输出和高速エ厂自动化应用的局域网（LAN)。术语"实时"是指几乎在外部事件发生的同时（例如，毫秒或微秒以内）感测和响应该外部事件，或足够快地启动所述设备以跟上外部过程(例如，足够快以避免丢失由FD产生的数据）。
[0030] 现在參考附图，将更加充分地说明本发明的实施例。这些实施例指的是用于存储多个螺纹管件14 (图1B)的指梁10 (图1A)。每个指梁10具有多个锁闩18，用于将螺纹管件固定于所述指梁。每个锁闩可包括气动缸22 (图3)，其可以气动地驱动以在锁定（关闭）位置和解锁（打开）位置之间移动锁销。在所述关闭位置，锁闩将对应的螺纹管件固定于所述指梁。当所述锁闩被移动至它的打开位置时，可以从所述指梁移开对应的螺纹管件。
[0031] 如图1A、1B和2中最佳示出，根据本发明的一个实施例的指梁10包括多个延长的支撑结构12 (在下文中为指梁列12)，每个均能够容纳多个螺纹管件14。各指梁列12包括相邻的结构（销）16，横向定距离分布，以容纳多个螺纹管件14于其中。在所述实施例中，每个指梁列12容纳十四个螺纹管件14。然而，在其它实施例中，每个指梁列12可以容纳任何适当数目的螺纹管件14。请注意，图IB的最左边的指梁列12中所示的螺纹管件上的数字I到14和每个指梁列12中最上面的螺纹管件上的数字I到12仅仅是为了參考而示出的。
[0032] 如上所述，每个指梁列12包括多个对应的锁闩18。锁闩18基本上可以是本领域技术人员已知的任何指梁锁闩，如可根据本发明的教导而进行
修改。在所述实施例中，每个锁闩18将对应的螺纹管件14固定于它对应的指梁列12内。然而，在其它实施例中，每个锁闩18可以用来将ー个以上的螺纹管件14固定于指梁列12。
[0033] 现在转到图3，每个锁闩18包括臂20，其枢轴地安装于架23，用于在它的所示的(还有图IB和2中所示的）锁定/闭合位置和它的如图20’的阴影所示的解锁/打开位置之间移动。在所述锁定位置，锁闩18接合它对应的螺纹管件14(图2)，以将螺纹管件14固定在指梁列12内。在所述解锁位置，锁闩18放开它对应的螺纹管件14，以允许螺纹管件14从它的指梁列12上移开。在所述解锁位置，锁闩18还允许将螺纹管件14插入到它对应的指梁列12中，其中，然后可以通过将锁闩18从解锁位置移动到锁定位置来将其固定。
[0034] 如所示，通过气动缸22，锁闩18可以在锁定和解锁位置之间移动，所述气动缸被配置为在锁定和解锁位置之间机械地驱动（旋转）锁闩臂20。举例来说，如图4所示，在这里所示和所述的特定实施例中，汽缸22的活塞24在处于锁定位置时被伸展，而在如24'所示的锁定位置时则被收缩。活塞24的一端可因此以任何便利的方式枢轴地耦合至臂20，例如，以如图3和6A-6D所示的机械联动机构25，来实行所述锁定和解锁。
[0035] 基本上可以使用任何期望的机械紧固装置，例如
铆接、螺纹
紧固件（如所示）、
焊接、压合或它们的组合，来将每个锁闩18安装在它对应的指梁列12上。在所述实施例中，每个锁闩18可以通过将其一部分插入指梁列12中的开ロ（锁闩通道）40(图5)中而被固定于它对应的指梁列12上。在所示实施例中，为了容纳在类似的被形成大小和形状的锁闩通道40内，形成架23的大小和形状，例如，达到其凸缘部分29。每个锁闩18可因此被插入锁闩通道40，直到凸缘29接合指梁12的上表面。一旦达到完全插入，每个锁闩18可以通过ー个或多个上述机械紧固装置而固定于指梁列12，例如通过所示凸缘29的螺纹紧固件27。
[0036] 应当理解的是，基本上任何配置的锁闩都可用于本发明的不同实施例。如这里所教导的，可以修改各种锁闩的非限制实例，以在本发明的实施例中使用，如图6A-6D的118、218,318和418所示。如上所示和所述，这些锁闩可全部包括气动缸，可以不脱离本发明的范围而使用本领域技术人员已知的基本上任何其它驱动设备，包括电カ地和/或液压操作的设备。如所示，图6A-6D的锁闩基本上彼此相似，但是对于锁闩臂120、220、320和420的使用来说，不同的应用可能希望不同尺寸和形状的锁闩臂。
[0037] 现在转到图7，本发明的实施例包括具有如上所述的锁闩18的锁闩组件26，其安装有定位器30,例如可从Invensys系统公司（Foxboro,MA)获得的SRD991气动定位器。如所示，定位器30经由L
支架32被紧固在锁闩18上，例如，使用围绕气动缸22圆周方向延伸的卡箍34。还如所示，汽缸22的一端的活塞24枢轴地耦合至机械联动机构25，而所述汽缸的另一端31固定于地面33。
[0038] 现在转到图8-9B，显示为锁闩组件26 '的本发明的替换实施例包括修改的定位器30'。多个组件26'显示为彼此
串联，例如在指梁10(1Α-2)内的典型装置中。为了清楚，旋转臂20(图3)已经从这些图中略去。在这些实施例中，定位器30'可以包括上述SRD991，被修改以符合架23对面的汽缸锁闩的（例如底部）一端31处的
箱体，从而提供相对紧凑的组件，其大小和形状被形成以符合传统的指梁10的锁闩通道40 (图5)，如上所述。这样的安装配置有效地将定位器30'收纳在指梁10内，以帮助保护定位器30'避免受到与石油钻机操作相关的相对苛刻的环境条件的损害，如上所述。定位器30'基本上类似于上文所示和所述的定位器30，可是可以对其进行修改以排除对SRD991的商业型式通用的机载显示器/用户接ロ。代替地，可以提供一个或多个端ロ（未示出），以使得用户能够将 便携式的显示器/用户接ロ插入组件26’，例如，用于初始设置和/或诊断。可替换地，可以远距离地完成设置和诊断，例如，经由下述过程控制网络（PCN)连接42。
[0039] 还如所示，在特定实施例中在指梁10内被路由的PCN和气动源线路42和44连接至定位器30'。气动线路46将每个定位器30'气动地连接至它对应的汽缸22。因此，在所示实施例中，线路42、44和46全部被配置为设置在指梁10内，以帮助它们避免受到所述苛刻的环境条件的损害。
[0040] 在这里所示和所述的不同的实施例中，所述定位器30、30'被配置为向用户提供反馈，以指示何时各锁闩18、118等等被设置在其锁定和解锁位置，还指示在锁定和解锁位置之间的其移动范围内的多个点处的锁闩位置。可以使用ー个或多个位置
传感器50 (图4)来提供这样的反馈。在特定实施例中，传感器50可以包括ー个或多个用于确认锁闩的特定分立位置的限位
开关，例如，在任一端（锁定和解锁位置）和/或它的移动范围内的中间范围位置。传感器50还可以包括ー个或多个电位计，比如可以设置在汽缸22内部，以提供对应于锁闩的移动范围的基本上任何位置的信号。在特定实施例中，所述电位计可以是传统的电阻性（模拟）设备，被配置为产生信号，其可以由所述定位器转换成适于经由PCN线路42而传输的
数字信号。而且，可以使用电位计和限位开关的组合，例如，使用用于校准电位计的限位开关。应当理解的是，在这些实施例中，可以使用本领域技术人员已知的基本上任何种类的传感器，而不脱离本发明的范围。然而，特定的实施例使用被配置为直接接合锁闩的可移动部分的传感器。可以以
接触或非接触的方式实行这样的直接接合，例如，使用传统的限位开关，和/或使用非接触设备，比如传统的电感、电容、
磁性和
光电传感器等等。此外，在特定的实施例中，连同定位器30'和一部分锁闩18、118等等，所述传感器50被设置以收纳在锁闩通道以内，例如，如上所述，通过将传感器50放置在汽缸22内部。
[0041] 应当注意的是，定位器30、30'可被配置为使用エ业自动化领域技术人员已知的基本上任何通信协议经由网络连接42来进行通信。可使用的协议的实例包括Profibus、ModBus、FOUNDATION现场总线、HART、以太网和传统的4_20ma
模拟信号等等及其组合。此外，既可以使用有线协议也可以使用无线协议，也可使用非电的（例如气动的）发信号方法。在这点上，虽然网络连接42显示为硬线电连接，但可使用本领域技术人员已知的基本上任何种类的连接，包括无线的或非电カ的（例如气动的）连接，而不脱离本发明的范围。在特定的实施例中，定位器30、30'可被配置为基本上实时地经由PCN 42传输锁闩位置数据，例如，以向PCN操作者提供基本上实时的位置信息。定位器30、30'可将这个信息送入网络42，和/或可以响应于经由PCN发送的
请求而提供这个实时信息。
[0042] 已经说明了本发明的锁闩组件的典型实施例，下面将參考表I说明根据本发明的示例方法。如其中所示，在70，至少一部分指梁锁闩组件26、26'等等被容纳在指梁的锁闩通道内。在72，所述指梁锁闩组件经由PCN接收信号。在74，响应于信号而移动所述锁闩，并且锁闩的位置数据在其移动范围内的多点处被捕获76。在78，所述锁闩组件经由PCN传输所捕获的数据。
[0043] 该方法的可选方面示于表II的80-86,并包括80捕获在移动范围内基本上任一点处的位置数据；82使用电位计来捕获位置数据；84将定位器设置在锁円通道内；和86，基本上实时地实行捕获76和传输78。[0044]
[0046] 在前面的说明书中，为了说明和解释已经參考特定的典型实施例描述了本发明。它的目的不是要穷举或将本发明限制于所公开的严格形式。根据本公开，可以做出许多修改和变化。要强调的是本发明的范围不受本详细说明的限制，而是由所附的权利要求限制。
[0047] 还应当理解的是，这里所述的针对实施例之一而说明的任何特征同样地可以应用于这里所述的任何其它实施例，而不脱离本发明的范围。
