钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置及其控制方法与流程

本发明属于海洋钻井装置技术领域，涉及一种钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，本发明还涉及上述钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的控制方法。

背景技术：

随着油气资源开采转向海洋领域，海洋钻井工程得到越来越广泛的发展，并不断向深海发展。在波浪作用下，半潜式钻井平台、浮式钻井平台和浮式钻井船产生上下升沉运动，这种随波浪周期性上下升沉运动将引起钻杆柱的上下运动，直接影响井底钻压变化、钻井安全及钻井平台的安全。钻柱升沉补偿系统作为特殊的运动补偿装置，可有效的减少上述影响，是深海钻探必不可少的设备。钻柱升沉补偿系统研制过程中补偿功能试验是其研制过程中必不可少的试验项目，不仅是对其设计准确性的验证，更是对其使用安全提供保障，但在工厂用大型试验平台实现模拟升沉运动非常困难。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，解决了现有技术中存在的钻柱升沉补偿系统研制过程中需用大型试验平台模拟升沉运动实现其补偿功能试验的问题。

本发明的另一目的是提供了上述钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，包括有底座、固定安装在底座上的架体以及安装在架体顶部的天车，天车下方设置有游车，游车通过钢丝绳与天车缠绕组成动定滑轮组，底座的两侧还对应分别固定有卷扬机和死绳固定器，钢丝绳的两端绕过天车后分别缠绕在卷扬机上和固定在死绳固定器上，游车下端悬挂有升沉补偿系统本体，升沉补偿系统本体下端连接有模拟负载，升沉补偿系统本体还连接有液气系统；

升沉补偿系统本体上还设置有位移传感器，位移传感器通过电缆连接有控制器，液气系统通过电缆连接控制器，控制器还通过电缆连接有运动模拟器。

本发明第一种技术方案的特征还在于，

升沉补偿系统本体包括有悬挂在游车下端的上支撑架，上支撑架的中心位置对应的正下方设置有下支撑架，模拟负载连接在下支撑架下端，上支撑架的左右两侧呈对称固接有被动补偿液缸的缸体，两个被动补偿液缸远离上支撑架中心的一侧均设置有主动补偿液缸，两个主动补偿液缸的缸体在上支撑架上呈对称固接，被动补偿液缸活塞杆顶部固接有链轮支座，链轮支座上可转动连接有链轮，链轮上缠绕有链条，链条一端固接在上支撑架上，链条的另一端固接在下支撑架上，主动补偿液缸的活塞杆顶部与其位于上支撑架同侧的被动补偿液缸活塞杆顶部的链轮支座固接，被动补偿液缸内置被动补偿液缸位移传感器，主动补偿液缸内置主动补偿液缸位移传感器，被动补偿液缸位移传感器和主动补偿液缸位移传感器均通过电缆连接控制器，被动补偿液缸和主动补偿液缸的塞腔油口均连接液气系统。

液气系统包括油箱ⅰ和电磁比例阀，电磁比例阀设置有两个供油口、一个进油口和一个回油口，电磁比例阀的一个供油口分别连接两个主动补偿液压缸的塞腔油口，另一个供油口分别连接两个主动补偿液压缸的杆腔油口，电磁比例阀的进油口连接有变量泵的出油口，变量泵的进油口及电磁比例阀的回油口还连接油箱ⅰ，电磁比例阀和变量泵还分别通过电缆连接控制器；

液气系统还包括油箱ⅱ和蓄能器，蓄能器内置有活塞，活塞蓄能器内部分为气腔和液腔，蓄能器的液腔连接两个被动补偿液压缸塞腔油口，蓄能器的液腔还连接有定量泵的出油口，油箱ⅱ连接定量泵的进油口；

蓄能器的气腔通过气管连接有工作气瓶组供气口，工作气瓶组的供气口还连接有连接气源。

电磁比例阀的进油口处设置有压力表ⅰ，变量泵和电磁比例阀之间还连接有单向阀ⅰ，变量泵的出油口连接单向阀ⅰ的进油口，单向阀ⅰ的出油口连接电磁比例阀的进油口；电磁比例阀的进油口还连接有溢流阀ⅰ的供油口，溢流阀ⅰ的溢油口连接油箱ⅰ。

蓄能器和定量泵之间还设置有单向阀ⅱ，蓄能器液腔连接单向阀ⅱ的出油口，单向阀ⅱ的进油口连接定量泵的出油口，油箱ⅱ还连接有溢流阀ⅱ的溢油口，溢流阀ⅱ的供油口连接蓄能器的液腔。

蓄能器液腔连接有截止阀ⅴ的一端接口，截止阀ⅴ的另一接口处设置有压力表ⅲ且还通过油管连接溢流阀ⅱ的供油口和单向阀ⅱ的出油口。

蓄能器的气腔连接有截止阀ⅰ，截止阀ⅰ通过气管连接工作气瓶组的供气口，气腔与截止阀ⅰ的连接处还设置有压力表ⅱ。

工作气瓶组的供气口处设置有截止阀，截止阀通过气管并列连接有截止阀ⅱ、截止阀ⅲ和截止阀ⅳ，截止阀ⅲ连接有连接气源，截止阀ⅳ连接有备用气瓶，工作气瓶组的总容积大于备用气瓶的容积。

本发明所采用的第二种技术方案是，钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的控制方法，使用上述钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，启动液气系统的定量泵，打开截止阀ⅴ向蓄能器液腔充液压油，充液量满足被动补偿油缸全行程升沉运动时蓄能器的活塞均在有效行程范围内，然后关闭截止阀ⅴ；

步骤2，打开液气系统的截止阀ⅲ、截止阀ⅳ向备用气瓶充气，充气压力高于升沉补偿系统的被动补偿液缸通过链条提升模拟负载时对应的下腔压力，然后关闭截止阀ⅲ；

步骤3，打开液气系统的工作气瓶组供气口处的截止阀，备用气瓶中的气经截止阀ⅳ进入工作气瓶组中给工作气瓶组充气，因工作气瓶组的容积大于备用气瓶的容积，向工作气瓶组充气过程中要反复重复步骤2，直至工作气瓶组的充气压力高于升沉补偿系统的被动补偿液缸通过链条提升模拟负载时对应的下腔压力，然后关闭截止阀ⅳ；

步骤4，操作卷扬机将升沉补偿系统和模拟负载提升至一定高度并刹车，该高度满足升沉补偿系统上下升沉运动的行程需求；

步骤5，打开液气系统的截止阀ⅰ向由工作气瓶组向蓄能器的气腔内充气，蓄能器内活塞向液腔运动推动液腔内的液压油通过被动补偿液压缸的塞腔油口进入被动补偿液压缸缸体内使被动补偿液缸活塞杆伸出带动链轮支座及链轮升高，链轮转动，链条连接的下支撑架和模拟负载被提升，直至被动补偿液缸的活塞杆伸出至行程中间平衡位置，关闭截止阀ⅰ停止充气；

步骤6，启动液气系统的变量泵，使升沉补偿系统的的主动补偿回路处于待用状态；

步骤7，在运动模拟器上设定升沉运动参数，经过控制器输出信号控制调节变量泵的抽油量和电磁比例阀输出油量，驱动主动补偿液缸进行规律的升沉运动，主动补偿液缸的活塞杆带动链轮支座，链轮支座带动被动补偿液缸活塞杆，使主动补偿液缸驱动被动补偿液缸按照既定的升沉运动规律进行动作，同时被动补偿液缸位移传感器将检测的被动补偿液缸位移信号和主动补偿液缸位移传感器将检测的主动补偿液缸位移信号反馈至控制器，对比控制器输出的控制信号和被动补偿液缸位移传感器检测信号对控制器输出信号进行修正，同时得到钻柱升沉补偿系统的补偿效率，验证被试钻柱升沉补偿系统的补偿功能。

本发明的有益效果是

1、试验所需提升设备只需具备将升沉补偿系统及模拟负载提升至一定高度即可，无需具有将钻柱升沉补偿系统及负载按照既定规律提升进行升沉运动的能力；

2、控制单元直接采用钻柱升沉补偿系统的位移传感器、电磁比例阀和控制器，由控制器向主动补偿液气系统的电磁比例阀发出控制信号，驱动主动补偿液缸进行规律的升沉运动，由于被动补偿液缸与主动补偿液缸刚性连接，则同时驱动被动补偿液缸进行升沉运动，对比被动补偿液缸和主动补偿液缸的位移得到补偿效率，并验证钻柱升沉补偿系统的补偿功能；

3、该试验方法无需额外配置动力设备提供升沉运动，能耗低、操作简便，适用于具有主动补偿或主被动联合补偿功能的天车型、游车型钻柱升沉补偿系统的补偿功能试验；

4、本发明将钻柱升沉补偿系统实际工作中的动静端进行互换，采用逆向试验方法对试验设备的提升能力要求降低，使钻柱升沉补偿系统的补偿功能试验易于实现。

附图说明

图1是本发明钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的结构示意图；

图2是本发明钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的控制方法的控制关系图。

图中，1.天车，2.钢丝绳，3.架体，4.游车，5.升沉补偿系统本体，6.模拟负载，7.底座，8.卷扬机，9.液气系统，10.死绳固定器，11.控制器，12.运动模拟器；

5-1.链轮，5-2.被动补偿液缸，5-3.上支撑架，5-4.主动补偿液缸，5-5.链条，5-6.主动补偿液缸位移传感器，5-7.被动补偿液缸位移传感器，5-8.下支撑架；

9-1.电磁比例阀，9-2.压力表ⅰ，9-3.单向阀ⅰ，9-4.溢流阀ⅰ，9-5.变量泵，9-6.压力表ⅱ，9-7.截止阀ⅰ，9-8.油箱ⅰ，9-9.蓄能器，9-10.截止阀ⅱ，9-11.截止阀ⅲ，9-12.气源，9-13.截止阀ⅳ，9-14.工作气瓶组，9-15.备用气瓶，9-16.截止阀ⅴ，9-17.压力表ⅲ，9-18.溢流阀ⅱ，9-19.单向阀ⅱ，9-20.定量泵，9-21.油箱ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，结构如图1所示，包括有底座7、固定安装在底座7上的架体3以及安装在架体3顶部的天车1，天车1下方设置有游车4，游车4通过钢丝绳2与天车1缠绕组成动定滑轮组，底座7的两侧还对应分别固定有卷扬机8和死绳固定器10，钢丝绳2的两端绕过天车1后分别缠绕在卷扬机8上和固定在死绳固定器10上，游车4下端悬挂有升沉补偿系统本体5，升沉补偿系统本体5下端连接有模拟负载6，升沉补偿系统本体5还连接有液气系统9；

如图2所示，升沉补偿系统本体5上还设置有位移传感器，位移传感器通过电缆连接有控制器11，液气系统9通过电缆连接控制器11，控制器11还通过电缆连接有运动模拟器12。

升沉补偿系统本体5包括有悬挂在游车4下端的上支撑架5-3，上支撑架5-3的中心位置对应的正下方设置有下支撑架5-8，模拟负载6连接在下支撑架5-8下端，上支撑架5-3的左右两侧呈对称固接有被动补偿液缸5-2的缸体，两个被动补偿液缸5-2远离上支撑架5-3中心的一侧均设置有主动补偿液缸5-4，两个主动补偿液缸5-4的缸体在上支撑架5-3上呈对称固接，被动补偿液缸5-2活塞杆顶部固接有链轮支座，链轮支座上可转动连接有链轮5-1，链轮5-1上缠绕有链条5-5，链条5-5一端固接在上支撑架5-3上，链条5-5的另一端固接在下支撑架5-8上，主动补偿液缸5-4的活塞杆顶部与其位于上支撑架5-3同侧的被动补偿液缸5-2活塞杆顶部的链轮支座固接，被动补偿液缸5-2内置被动补偿液缸位移传感器5-7，主动补偿液缸5-4内置主动补偿液缸位移传感器5-6，被动补偿液缸位移传感器5-7和主动补偿液缸位移传感器5-6均通过电缆连接控制器11，被动补偿液缸5-2和主动补偿液缸5-4的塞腔油口均连接液气系统9。

液气系统9包括油箱ⅰ9-8和电磁比例阀9-1，电磁比例阀9-1设置有两个供油口、一个进油口和一个回油口，电磁比例阀9-1的一个供油口分别连接两个主动补偿液压缸5-4的塞腔油口，另一个供油口分别连接两个主动补偿液压缸5-4的杆腔油口，电磁比例阀9-1的进油口连接有变量泵9-5的出油口，变量泵9-5的进油口及电磁比例阀9-1的回油口还连接油箱ⅰ9-8，电磁比例阀9-1和变量泵9-5还分别通过电缆连接控制器11；电磁比例阀9-1的进油口处设置有压力表ⅰ9-2，变量泵9-5和电磁比例阀9-1之间还连接有单向阀ⅰ9-3，变量泵9-5的出油口连接单向阀ⅰ9-3的进油口，单向阀ⅰ9-3的出油口连接电磁比例阀9-1的进油口；电磁比例阀9-1的进油口还连接有溢流阀ⅰ9-4的供油口，溢流阀ⅰ9-4的溢油口连接油箱ⅰ9-8；

液气系统9还包括油箱ⅱ9-21和蓄能器9-9，蓄能器9-9内置有活塞，活塞蓄能器9-9内部分为气腔和液腔，蓄能器9-9的液腔连接两个被动补偿液压缸5-2塞腔油口，蓄能器9-9的液腔还连接有定量泵9-20的出油口，油箱ⅱ9-21连接定量泵9-20的进油口；蓄能器9-9和定量泵9-20之间还设置有单向阀ⅱ9-19，蓄能器9-9液腔连接单向阀ⅱ9-19的出油口，单向阀ⅱ9-19的进油口连接定量泵9-20的出油口，油箱ⅱ9-21还连接有溢流阀ⅱ9-18的溢油口，溢流阀ⅱ9-18的供油口连接蓄能器9-9的液腔；

蓄能器9-9的气腔蓄能器9-9的气腔通过气管连接有工作气瓶组9-14的供气口，工作气瓶组9-14的供气口还连接有连接气源9-12；蓄能器9-9液腔连接有截止阀ⅴ9-16的一端接口，截止阀ⅴ9-16的另一接口处设置有压力表ⅲ9-17且还通过油管连接溢流阀ⅱ9-18的供油口和单向阀ⅱ9-19的出油口；蓄能器9-9的气腔连接有截止阀ⅰ9-7，截止阀ⅰ9-7通过气管连接工作气瓶组9-14的供气口，气腔与截止阀ⅰ9-7的连接处还设置有压力表ⅱ9-6；工作气瓶组9-14的供气口处设置有截止阀，截止阀通过气管并列连接有截止阀ⅱ9-10、截止阀ⅲ9-11和截止阀ⅳ9-13，截止阀ⅲ9-11连接有连接气源9-12，截止阀ⅳ9-13连接有备用气瓶9-15，工作气瓶组9-14的总容积大于备用气瓶9-15的容积。

本发明的卷扬机8选用液压绞车或电驱动绞车，电磁比例阀9-1为三位四通电磁比例阀，可选用电液比例阀。

本发明钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置的控制方法，使用上述钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1，启动液气系统9的定量泵9-20，打开截止阀ⅴ9-16向蓄能器9-9液腔充液压油，充液量满足被动补偿油缸5-2全行程升沉运动时蓄能器9-9的活塞均在有效行程范围内，然后关闭截止阀ⅴ9-16；

步骤2，打开液气系统9的截止阀ⅲ9-11、截止阀ⅳ9-13向备用气瓶9-15充气，充气压力高于升沉补偿系统5的被动补偿液缸5-2通过链条5-5提升模拟负载6时对应的下腔压力，然后关闭截止阀ⅲ9-11；

步骤3，打开液气系统9的工作气瓶组9-14供气口处的截止阀，备用气瓶9-15中的气经截止阀ⅳ9-13进入工作气瓶组9-14中给工作气瓶组9-14充气，因工作气瓶组9-14的容积大于备用气瓶9-15的容积，向工作气瓶组9-14充气过程中要反复重复步骤2，直至工作气瓶组9-14的充气压力高于升沉补偿系统5的被动补偿液缸5-2通过链条5-5提升模拟负载6时对应的下腔压力，然后关闭截止阀ⅳ9-13；

步骤4，操作卷扬机8将升沉补偿系统5和模拟负载6提升至一定高度并刹车，该高度满足升沉补偿系统5上下升沉运动的行程需求；

步骤5，打开液气系统9的截止阀ⅰ9-7向由工作气瓶组9-14向蓄能器9-9的气腔内充气，蓄能器9-9内活塞向液腔运动推动液腔内的液压油通过被动补偿液压缸5-2的塞腔油口进入被动补偿液压缸5-2缸体内使被动补偿液缸5-2活塞杆伸出带动链轮支座及链轮5-1升高，链轮5-1转动，链条5-5连接的下支撑架5-8和模拟负载6被提升，直至被动补偿液缸5-2的活塞杆伸出至行程中间平衡位置，关闭截止阀ⅰ9-7停止充气；

步骤6，启动液气系统9的变量泵9-5，使升沉补偿系统的5的主动补偿回路处于待用状态；

步骤7，在运动模拟器12上设定升沉运动参数，经过控制器11输出信号控制调节变量泵9-5的抽油量和电磁比例阀9-1输出油量，驱动主动补偿液缸5-4进行规律的升沉运动，主动补偿液缸5-4的活塞杆带动链轮支座，链轮支座带动被动补偿液缸5-2活塞杆，使主动补偿液缸5-4驱动被动补偿液缸5-2按照既定的升沉运动规律进行动作，同时被动补偿液缸位移传感器5-7将检测的被动补偿液缸5-2位移信号和主动补偿液缸位移传感器5-6将检测的主动补偿液缸5-4位移信号反馈至控制器11，对比控制器11输出的控制信号和被动补偿液缸位移传感器5-7检测信号对控制器11输出信号进行修正，同时得到钻柱升沉补偿系统5的补偿效率，验证被试钻柱升沉补偿系统的补偿功能。

本发明的钻柱升沉补偿系统的补偿功能逆向试验装置，解决了钻柱升沉补偿系统研制过程中需用大型试验平台模拟升沉运动实现其补偿功能试验的问题。试验时将钻柱升沉补偿系统的动静端状态与实际工况中互换，通过模拟发生器向系统输入试验要求的升沉运动信号，由控制器控制主动补偿系统带动被动补偿系统进行升沉运动，采用该逆向试验方法大大降低了钻柱升沉补偿系统补偿功能试验时对试验设备提升能力的要求，能耗低、操作简便。该补偿功能逆向试验方法可适用于具有主动补偿或主被动联合补偿功能的天车型、游车型钻柱升沉补偿系统的补偿功能试验。