半主动升沉补偿装置控制系统的制作方法

本发明涉及深海石油钻井装备技术领域，尤其涉及一种半主动升沉补偿装置控制系统。

背景技术：

由于深海钻井船所处的环境十分复杂，浮动的钻井船在波浪的作用下，不可避免地产生显著的升沉摇摆运动，钻井船随波浪周期性的上下升沉运动将引起井架及大钩上悬吊的整个钻柱周期性上下运动。这样会引起井底钻压的变化，容易导致钻杆的疲劳损坏，降低钻头和钻杆寿命，严重影响钻井的效率。因此，为了保证钻井船的正常作业，就必须对钻井船的升沉运动采取适当的补偿措施。

然而，目前对升沉补偿装置的研究仍处于理论研究阶段，均没有进入实质性生产应用，且这些研究多集中于整体结构及控制器等方面，未涉及到如何对升沉补偿装置进行控制。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种半主动升沉补偿装置控制系统，旨在解决现有技术中未涉及到对升沉补偿装置进行控制的技术问题。

为实现上述目的，本发明第一方面提供一种半主动升沉补偿装置控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

控制器、主动补偿控制组件、被动补偿控制组件及补偿缸组件；

所述补偿缸组件至少包含主动补偿缸及被动补偿缸；

所述控制器与所述主动补偿控制组件及所述被动补偿控制组件连接，所述主动补偿控制组件与所述主动补偿缸连接，所述被动补偿控制组件与所述被动补偿缸连接；

所述被动补偿控制组件用于控制所述被动补偿缸内的液压值，所述控制器用于监测所述被动补偿控制组件对所述被动补偿缸的液压值的控制，并利用监测结果向所述主动补偿控制组件发送控制指令，所述主动补偿控制组件用于按照所述控制指令控制所述主动补偿缸的液压值。

优选地，所述主动补偿控制组件包含：液压油箱、变量泵；

所述液压油箱与所述变量泵连接，所述变量泵与所述主动补偿缸连接及与所述控制器连接；

所述变量泵用于在接收到所述控制器发送的控制指令之后，将液压油箱中的液压油传输至所述主动补偿缸，和/或，将所述主动补偿缸中的液压油传输至所述液压油箱。

优选地，所述主动补偿控制组件还包括冷却系统、冲洗阀；

所述冷却系统与所述液压油箱连接，且与所述冲洗阀连接，所述冲洗阀与所述变量泵连接及与主动补偿缸连接；

所述冷却系统用于在所述主动补偿缸中的液压油通过冲洗阀传输至液压油箱之前，对所述液压油进行冷却。

优选地，所述主动补偿控制组件还包括旁通阀，所述旁通阀设置在所述主动补偿缸与所述变量泵之间。

优选地，所述补偿缸组件包含两个主动补偿缸及两个被动补偿缸，且所述主动补偿缸与所述被动补偿缸均呈轴对称的形式设置；

所述补偿缸组件还包括：位移传感器，所述位移传感器位于所述被动补偿缸内，用于感应所述被动补偿缸内活塞位置的变化，并反馈给所述控制器。

优选地，所述补偿缸组件还包括：切断电磁阀、管路切断阀、第一压力传感器，集线箱；

所述位移传感器、所述切断电磁阀、管路切断阀、第一压力传感器的一端均与所述集线箱连接，所述切断电磁阀的另一端与所述管路切断阀的另一端连接，且第一压力传感器的另一端与所述管路切断阀连接；

所述集线箱还与所述控制器连接，所述管路切断阀中与所述第一压力传感器连接的一端还与所述被动补偿控制组件连接。

优选地，所述补偿缸组件还包括第一固定架和第二固定架；

所述主动补偿缸及所述被动补偿缸设置在所述第一固定架上，且所述第二固定架固定于所述主动补偿缸及被动补偿缸的下端。

优选地，所述被动补偿控制组件包括：

蓄能器、安全阀、第二压力传感器、第三压力传感器、截止阀、主气瓶、备用气瓶、比例方向阀、高压空气压缩机；

所述蓄能器的一端与所述被动补偿缸连接，所述蓄能器的另一端同时与所述安全阀及截止阀连接，所述截止阀与所述主气瓶连接；

所述第二压力传感器的一端与所述控制器连接，另一端连接在所述集线箱与所述截止阀之间的回路上，用于检测主气瓶的气压值；

所述第三压力传感器的一端与所述控制器连接，另一端与所述备用气瓶连接，用于检测所述备用气瓶的气压值；

所述比例方向阀设置在所述主气瓶与所述备用气瓶之间，与所述主气瓶及所述备用气瓶连接，且所述比例方向阀还与所述控制器连接；

所述高压空气压缩机与所述备用气瓶连接。

优选地，所述控制系统还包括钻井船升沉传感系统，所述钻井船升沉传感系统与所述控制器连接。

本发明提供一种半主动升沉补偿装置控制系统，该控制系统包括控制器、主动补偿控制组件、被动补偿控制组件、补偿缸组件，该补偿缸组件至少包含主动补偿缸及被动补偿缸，该控制器与主动补偿控制组件、被动补偿控制组件及补偿缸组件连接，该主动补偿控制组件与该主动补偿缸连接，该被动补偿控制组件与该被动补偿缸连接，该被动补偿控制组件用于控制主动补偿缸的液压值，该控制器用于监测被动补偿控制组件对被动补偿缸的液压值的控制，并利用监测结果向主动补偿控制组件发送控制指令，该主动补偿控制组件用于按照控制指令控制主动补偿缸的液压值。通过设置被动补偿缸，及被动补偿控制组件构成的被动补偿控制系统，使得能够通过控制液压值的方式满足钻井时对钻压的需求，且通过设置控制器基于被动补偿控制组件对被动补偿缸的液压值的控制生成控制指令，对主动补偿控制组件及主动补偿缸构成的主动补偿控制系统进行控制，能够实现辅助补偿，以提示补偿的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例中半主动升沉补偿装置控制系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中半主动升沉补偿装置控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，为本发明第一实施例中半主动升沉补偿装置控制系统的结构示意图，该控制系统包括：

控制器25、主动补偿控制组件101、被动补偿控制组件102及补偿缸组件103；

所述补偿缸组件103至少包含主动补偿缸9及被动补偿缸10；

所述控制器25与所述主动补偿控制组件101、所述被动补偿控制组件102及所述补偿缸组件103连接，所述主动补偿控制组件101与所述主动补偿缸9连接，所述被动补偿控制组件102与所述被动补偿缸10连接；

所述被动补偿控制组件102用于控制所述被动补偿缸10内的液压值，所述控制器25用于监测所述被动补偿控制组件102对所述被动补偿缸10的液压值的控制，并利用监测结果向所述主动补偿控制组件101发送控制指令，所述主动补偿控制组件101用于按照所述控制指令控制所述主动补偿缸9的液压值。

在本发明实施例中，上述控制系统应用于钻井过程中，考虑到浮动的钻井船在波浪的作用下，不可避免地产生显著的升沉摇摆运动，且钻井船随波浪周期性的上下沉浮运动将引起井架及大钩上悬吊的整个钻柱周期性上下运动，从而带来钻压的变化，为了平衡钻压的变化，使得钻压始终保持在一个所需要的值，可以通过本发明中的被动补偿及主动补偿的方式实现对钻压的补偿，以保持钻压值不变，具体的，本发明实施例中的补偿缸组件103与上述的井架及大钩保持相对固定，即在井架及大钩升沉的过程中，能够由补偿缸组件103产生的补偿作用对钻压进行补偿。

其中，在井架及大钩升沉的过程中，补偿缸组件103中的被动补偿缸10内的液压值将会随着井架及大钩升沉带来的钻压的变化而产生变化，且被动补偿控制组件102中将基于该变化对被动补偿缸10内的液压值进行补偿，以使得钻压能够保持在所需要的钻压值，同时，控制器25将检测被动补偿缸10内的液压油的变化，并基于该变化及其他的参数如钻井船升沉传感系统24的信号以及钻压信号等确定控制指令，并将该控制指令发送给主动补偿控制组件101，由该主动补偿控制组件101基于该控制指令对主动补偿缸9内的液压油进行控制，以实现更加精确的补偿。

在本发明实施例中，主动补偿控制组件101及主动补偿缸9构成主动补偿控制系统，被动补偿控制组件102及被动补偿缸10构成了被动补偿控制系统，通过被动补偿控制系统实现对钻压的被动补偿，通过主动补偿控制系统实现对钻压的主动补偿，使得补偿的精度更高，且主动补偿与被动补偿结合的方式即为半主动升沉补偿。可以理解的是，对钻压的补偿是以被动补偿为主，以主动补偿为辅，主动补偿的方式主要是为了提高补偿的精度，例如，若需要补偿的钻压为126，则被动补偿能够达到补偿110，主动补偿则补偿16。

基于第一实施例，请参阅图2，为本发明第二实施例中半主动升沉补偿装置控制系统的结构示意图，该控制系统包括第一实施例中的控制器25、主动补偿控制组件101、被动补偿控制组件102及补偿缸组件103，且与第一实施例中描述的内容相同，此处不再赘述。

在本发明实施例中，主动补偿控制组件101包含：液压油箱1、变量泵3；

液压油箱1与变量泵3连接，变量泵3与主动补偿缸9连接及与控制器25连接；

变量泵3用于在接收到控制器25发送的控制指令之后，将液压油箱1中的液压油传输至主动补偿缸9，和/或，将主动补偿缸9中的液压油传输至液压油箱1。

在本发明实施例中，主动补偿控制组件101还包括冷却系统2、冲洗阀4；

冷却系统2与液压油箱1连接，且与冲洗阀4连接，冲洗阀4与变量泵3连接及与主动补偿缸9连接；

冷却系统2用于在主动补偿缸9中的液压油通过冲洗阀4传输至液压油箱1之前，对液压油进行冷却。

在本发明实施例中，主动补偿控制组件101还包括旁通阀5，旁通阀5设置在主动补偿缸9与变量泵3之间。

在本发明实施例中，补偿缸组件103包含两个主动补偿缸9及两个被动补偿缸10，且主动补偿缸9与被动补偿缸10均呈轴对称的形式设置；

补偿缸组件103还包括：位移传感器8，所述位移传感器8位于所述被动补偿缸10内，用于感应所述被动补偿缸10内活塞位置的变化，并反馈给所述控制器25。

在本发明实施例中，补偿缸组件103还包括：

切断电磁阀11、管路切断阀12、第一压力传感器13，集线箱14；

位移传感器8、切断电磁阀11、管路切断阀12、第一压力传感器13的一端均与集线箱14连接，切断电磁阀11的另一端与管路切断阀12的另一端连接，且第一压力传感器13的另一端与管路切断阀12连接；

集线箱14还与控制器25连接，管路切断阀12中与第一压力传感器13连接的一端还与被动补偿控制组件102连接。

在本发明实施例中，补偿缸组件103还包括第一固定架6和第二固定架7；

主动补偿缸9及被动补偿缸10设置在第一固定架6上，且第二固定架7固定于主动补偿缸9及被动补偿缸10的下端。

在本发明实施例中，被动补偿控制组件102包括：

蓄能器15、安全阀16、第二压力传感器17、第三压力传感器23、截止阀18、主气瓶19、备用气瓶20、比例方向阀21、高压空气压缩机22；

蓄能器15的一端与被动补偿缸10连接，蓄能器15的另一端同时与安全阀16及截止阀18连接，截止阀18与主气瓶19连接；具体的，蓄能器15的另一端是分出两条支线，一条支线与安全阀16连接，另一条支线与截止阀18连接。

第二压力传感器17的一端与控制器25连接，另一端连接在集线箱14与截止阀18之间的回路上，用于检测主气瓶19的气压值；

第三压力传感器23的一端与控制器25连接，另一端与备用气瓶20连接，用于检测备用气瓶20的气压值；

比例方向阀21设置在主气瓶19与备用气瓶20之间，与主气瓶19及备用气瓶20连接，且比例方向阀21还与控制器25连接；

高压空气压缩机22与备用气瓶20连接。

在本发明实施例中，控制系统还包括钻井船升沉传感系统24，钻井船升沉传感系统24与控制器25连接。

基于上述描述，可确定，上述控制系统包含：液压油箱1，冷却系统2，变量泵3，冲洗阀4，旁通阀5，第一固定架6，第二固定架7，位移传感器8，主动补偿缸9，被动补偿缸10，切断电磁阀11，管路切断阀12，第一压力传感器13，集线箱14，蓄能器15，安全阀16，第二压力传感器17，截止阀18，主气瓶19，备用气瓶20，比例方向阀21，高压空气压缩机22，第三压力传感器23，钻井船升沉传感系统24，控制器25。

在本发明实施例中，通过控制器25能够实现主动补偿控制系统及被动补偿控制系统的集中控制，该控制器25可以是可编程逻辑控制器，选用西门子s7-400逻辑课编程控制器。

其中，通过设置第二压力传感器17及第三压力传感器23，使得能够利用第二压力传感器17检测主气瓶19的气压值，及利用第三压力传感器23检测备用气瓶20的气压值，且第二压力传感器17及第三压力传感器23检测到的气压值均将发送给控制器25，控制器25在接收到之后，比较第二压力传感器17与第三压力传感器23感应到的气压值之间的差值，且在该差值小于预设第一数值时，则表明主气瓶19中的压力值偏小，控制器25将调节比例方向阀21，使得比例方向阀21的开度增大，以便备用气瓶20中的压缩空气向主气瓶19中转移，以增大主气瓶19内的压力值，若该差值大于预设第二数值时，则表明主气瓶19中的压力值偏大，此时，控制器25将调节比例方向阀21，使得比例方向阀21的开度减小，以便主气瓶19中的压力值减小。通过上述方式，能够使得主气瓶19中的压力值处于预设压力范围内。需要说明的是，上述调节是在第三压力传感器23感应到的气压值在大于预设第三数值的情况下实现的。

在本发明实施例中，被动补偿控制组件102中的蓄能器15中包含活塞，活塞能够在压力的作用下上下浮动，且蓄能器15中与被动补偿缸10连接的一侧中是液压油，而与截止阀18连接的一侧是压缩空气。

当钻机随波浪下沉时，钻压将增大，此时需要减小钻压，具体的：钻机随波浪下沉时，带动被动补偿缸向下运动，此时大钩所承受的负载减小，作用在被动补偿缸活塞下的液压油上，液压油的压力降低(即液压值降低)，此时，控制器25将输出控制指令到比例方向阀21，使备用气瓶20与主气瓶19连通，备用气瓶20中的压缩空气向主气瓶19内补充，使主气瓶19内的气压升高，蓄能器15中的压缩空气的承载力增大，使得蓄能器中的液压油回流至被动补偿缸，被动补偿缸中的活塞上浮，使得钻柱上浮，钻压相应减小，在钻压减小到指定值时，比例方向阀21回位，以保持钻压平衡。

当钻机随波浪升起时，钻压将减小，此时需要增大钻压，具体的，钻机随波浪升起时，带动被动补偿缸向上运动，这时大钩所承受的负载加大，作用在被动补偿缸活塞下的液压油上，液压油的压力升高，且液压油通过管路进入蓄能器，在蓄能器内通过活塞压缩压缩空气，此时，控制器25输出信号到比例方向阀21，使主气瓶19内的压缩空气通过比例方向阀21排出一部分到大气中，气瓶内的气压降低，蓄能器15中的压缩空气的承载力减小，使得被动补偿缸活塞向下伸出，使钻柱下沉，钻压相应增大，且在钻压增大到指定值时，比例方向阀21回位，以保持钻压平衡。

其中，被动补偿缸10在钻井工作的过程中，随着钻井船的沉浮将液压油传输至蓄能器15中，或者将从蓄能器15中抽取液压油，将使得蓄能器15中液压油产生的压力值发生改变，为了使得钻压能够保持平衡，主气瓶19将基于蓄能器15中液压油的压力值的变化向蓄能器15中输入压缩空气，或者从蓄能器15中抽取压缩空气，以使得蓄能器15中的活塞上下的压力值能够保持平衡，以实现钻压平衡。

其中，控制器25还将利用第三压力传感器23感应到的备用气瓶20的压力值确定备用气瓶20中的压力值是否小于预设第三数值，若备用气瓶20的压力值小于该预设第三数值，则控制器25将向高压空气压缩机22发送控制指令，该高压空气压缩机22在接收到控制指令之后，将向备用气瓶20中补充压缩空气，以增大备用气瓶20的压力值，同时，控制器25还将实时获取第三压力传感器23发送的备用气瓶20内的压力值，在检测到该备用气瓶20内的压力值大于或等于预设的第四数值时，将向高压空气压缩机22发送停止指令，以停止增大备用气瓶20内的压力值。

其中，安全阀16是用于保护蓄能器15的，避免蓄能器15内压缩空气压力过大，例如，在蓄能器15中的压缩空气的压力值大于预设的压力值时，通过安全阀16释放蓄能器15中的压缩空气。

其中，截止阀18也是用于保护蓄能器15的，避免向蓄能器15中输入过多的压缩空气导致蓄能器15中的压缩空气的压力值过大。例如，在被动补偿缸10出现故障时，通过打开截止阀18，以避免继续向蓄能器15中输入压缩空气。

在本发明实施例中，被动补偿缸10中设置了活塞，该活塞漂浮在被动补偿缸10中的液压油的表层，且被动补偿缸10中的位移传感器8将检测到该活塞的数据，数据包括位移和速度，且将位移传感器8将检测到的数据通过集线箱14发送给控制器25，控制器25在接收到该数据之后，将利用该数据、接收到的钻井船升沉传感系统24的信号及接收到的钻井系统发送的钻压信号，确定主动补偿数据，并生成包含该主动补偿数据的控制指令，控制器25将该控制指令发送给主动补偿控制组件101中的变量泵3。其中，被动补偿缸10中活塞的数据可以反映被动补偿缸中液压值的变化，同时也可以反映被动补偿控制组件对该被动补偿缸的液压值的控制。

其中，主动补偿数据是指控制主动补偿缸的数据，且主动补偿缸的控制是由变量泵实现的，即变量泵的控制注入主动补偿缸的液压油油量。在设定时间δt内有以下:

其中，变量泵流量即为上述的主动补偿数据。升沉位移为被动补偿缸中的活塞因为钻井船的升沉所产生的位移，被动补偿位移是指被动补偿控制组件对被动补偿缸中的液压值的控制，使得被动补偿缸中的活塞产生的位移。且主动补偿缸工作腔面积是预先保存在控制器中的。

其中，变量泵3在接收到该控制指令之后，将获取该控制指令中的主动补偿数据，并按照该主动补偿数据将液压油箱1中的液压油传输至主动补偿缸9中，或者将主动补偿缸9中的液压油抽取至液压油箱1中，以使得主动补偿缸9伸出或缩回，以达到辅助补偿，以提高补偿精度。且通过利用被动补偿缸10中位移传感器8检测到的数据对主动补偿缸9进行控制，能够确保主动补偿与被动补偿的同步。

其中，变量泵3在将主动补偿缸9中的液压油抽取至液压油箱1之前，需要由冲洗阀4及冷却系统2对液压油进行冷却。该冲洗阀4及该冷却系统2构成了冲洗回路。

其中，冲洗阀4包括换向阀和低压溢油阀组成，依靠高压端的压力推动阀芯，将低压端的液压油送至冷却系统2，由冷却系统2对液压油进行冷却之后，回到液压油箱1。

在本发明实施例中，当主动补偿系统出现故障时，旁通阀5将打开，主动补偿缸9进回油管路导通，使得主动补偿缸9处于浮动状态，并不影响被动补偿系统的单独使用。且控制器25还将实时检测第一传感器13，该第一传感器13用于检测被动补偿缸10中的压力值，且将检测到的压力值发送给控制器25，控制器25将确定该压力值是否大于预设值，若该压力值大于预设值，则控制器25将向切断电磁阀11及管路切断阀12发送切断信号，以使得切断电磁阀11及管路切断阀12所在的回路断开，使得被动补偿缸10内的液体封闭，避免安全事故的发生。

基于第二实施例中的控制系统，本发明实施例中采用变量泵3直接控制主动补偿缸9，可以使得控制更加灵敏，响应更快，且结构简单，系统可靠性强，工作效率高，可以降低能耗，且旁通阀5、切断电磁阀11及管路切断阀12的设计，可以有效提高抗风险能力，安全性更高。

需要说明的是，在图2中，线条与线条相交的位置处若有黑点，则表明该处即为线条与线条的连接点，是具体连接关系的，若线条与线条相交的位置没有黑点，则表明该处并非连接点，线条之间是互相独立的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的一种半主动升沉补偿装置控制系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。