本發(fā)明涉及深海石油鉆井裝備技術領域，尤其涉及一種半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)。

背景技術：

由于深海鉆井船所處的環(huán)境十分復雜，浮動的鉆井船在波浪的作用下，不可避免地產生顯著的升沉搖擺運動，鉆井船隨波浪周期性的上下升沉運動將引起井架及大鉤上懸吊的整個鉆柱周期性上下運動。這樣會引起井底鉆壓的變化，容易導致鉆桿的疲勞損壞，降低鉆頭和鉆桿壽命，嚴重影響鉆井的效率。因此，為了保證鉆井船的正常作業(yè)，就必須對鉆井船的升沉運動采取適當?shù)难a償措施。

然而，目前對升沉補償裝置的研究仍處于理論研究階段，均沒有進入實質性生產應用，且這些研究多集中于整體結構及控制器等方面，未涉及到如何對升沉補償裝置進行控制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術中未涉及到對升沉補償裝置進行控制的技術問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括：

控制器、主動補償控制組件、被動補償控制組件及補償缸組件；

所述補償缸組件至少包含主動補償缸及被動補償缸；

所述控制器與所述主動補償控制組件及所述被動補償控制組件連接，所述主動補償控制組件與所述主動補償缸連接，所述被動補償控制組件與所述被動補償缸連接；

所述被動補償控制組件用于控制所述被動補償缸內的液壓值，所述控制器用于監(jiān)測所述被動補償控制組件對所述被動補償缸的液壓值的控制，并利用監(jiān)測結果向所述主動補償控制組件發(fā)送控制指令，所述主動補償控制組件用于按照所述控制指令控制所述主動補償缸的液壓值。

優(yōu)選地，所述主動補償控制組件包含：液壓油箱、變量泵；

所述液壓油箱與所述變量泵連接，所述變量泵與所述主動補償缸連接及與所述控制器連接；

所述變量泵用于在接收到所述控制器發(fā)送的控制指令之后，將液壓油箱中的液壓油傳輸至所述主動補償缸，和/或，將所述主動補償缸中的液壓油傳輸至所述液壓油箱。

優(yōu)選地，所述主動補償控制組件還包括冷卻系統(tǒng)、沖洗閥；

所述冷卻系統(tǒng)與所述液壓油箱連接，且與所述沖洗閥連接，所述沖洗閥與所述變量泵連接及與主動補償缸連接；

所述冷卻系統(tǒng)用于在所述主動補償缸中的液壓油通過沖洗閥傳輸至液壓油箱之前，對所述液壓油進行冷卻。

優(yōu)選地，所述主動補償控制組件還包括旁通閥，所述旁通閥設置在所述主動補償缸與所述變量泵之間。

優(yōu)選地，所述補償缸組件包含兩個主動補償缸及兩個被動補償缸，且所述主動補償缸與所述被動補償缸均呈軸對稱的形式設置；

所述補償缸組件還包括：位移傳感器，所述位移傳感器位于所述被動補償缸內，用于感應所述被動補償缸內活塞位置的變化，并反饋給所述控制器。

優(yōu)選地，所述補償缸組件還包括：切斷電磁閥、管路切斷閥、第一壓力傳感器，集線箱；

所述位移傳感器、所述切斷電磁閥、管路切斷閥、第一壓力傳感器的一端均與所述集線箱連接，所述切斷電磁閥的另一端與所述管路切斷閥的另一端連接，且第一壓力傳感器的另一端與所述管路切斷閥連接；

所述集線箱還與所述控制器連接，所述管路切斷閥中與所述第一壓力傳感器連接的一端還與所述被動補償控制組件連接。

優(yōu)選地，所述補償缸組件還包括第一固定架和第二固定架；

所述主動補償缸及所述被動補償缸設置在所述第一固定架上，且所述第二固定架固定于所述主動補償缸及被動補償缸的下端。

優(yōu)選地，所述被動補償控制組件包括：

蓄能器、安全閥、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、截止閥、主氣瓶、備用氣瓶、比例方向閥、高壓空氣壓縮機；

所述蓄能器的一端與所述被動補償缸連接，所述蓄能器的另一端同時與所述安全閥及截止閥連接，所述截止閥與所述主氣瓶連接；

所述第二壓力傳感器的一端與所述控制器連接，另一端連接在所述集線箱與所述截止閥之間的回路上，用于檢測主氣瓶的氣壓值；

所述第三壓力傳感器的一端與所述控制器連接，另一端與所述備用氣瓶連接，用于檢測所述備用氣瓶的氣壓值；

所述比例方向閥設置在所述主氣瓶與所述備用氣瓶之間，與所述主氣瓶及所述備用氣瓶連接，且所述比例方向閥還與所述控制器連接；

所述高壓空氣壓縮機與所述備用氣瓶連接。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)還包括鉆井船升沉傳感系統(tǒng)，所述鉆井船升沉傳感系統(tǒng)與所述控制器連接。

本發(fā)明提供一種半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括控制器、主動補償控制組件、被動補償控制組件、補償缸組件，該補償缸組件至少包含主動補償缸及被動補償缸，該控制器與主動補償控制組件、被動補償控制組件及補償缸組件連接，該主動補償控制組件與該主動補償缸連接，該被動補償控制組件與該被動補償缸連接，該被動補償控制組件用于控制主動補償缸的液壓值，該控制器用于監(jiān)測被動補償控制組件對被動補償缸的液壓值的控制，并利用監(jiān)測結果向主動補償控制組件發(fā)送控制指令，該主動補償控制組件用于按照控制指令控制主動補償缸的液壓值。通過設置被動補償缸，及被動補償控制組件構成的被動補償控制系統(tǒng)，使得能夠通過控制液壓值的方式滿足鉆井時對鉆壓的需求，且通過設置控制器基于被動補償控制組件對被動補償缸的液壓值的控制生成控制指令，對主動補償控制組件及主動補償缸構成的主動補償控制系統(tǒng)進行控制，能夠實現(xiàn)輔助補償，以提示補償?shù)木取?/p>

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明第一實施例中半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明第二實施例中半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)的結構示意圖。

具體實施方式

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點能夠更加的明顯和易懂，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而非全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1，為本發(fā)明第一實施例中半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)的結構示意圖，該控制系統(tǒng)包括：

控制器25、主動補償控制組件101、被動補償控制組件102及補償缸組件103；

所述補償缸組件103至少包含主動補償缸9及被動補償缸10；

所述控制器25與所述主動補償控制組件101、所述被動補償控制組件102及所述補償缸組件103連接，所述主動補償控制組件101與所述主動補償缸9連接，所述被動補償控制組件102與所述被動補償缸10連接；

所述被動補償控制組件102用于控制所述被動補償缸10內的液壓值，所述控制器25用于監(jiān)測所述被動補償控制組件102對所述被動補償缸10的液壓值的控制，并利用監(jiān)測結果向所述主動補償控制組件101發(fā)送控制指令，所述主動補償控制組件101用于按照所述控制指令控制所述主動補償缸9的液壓值。

在本發(fā)明實施例中，上述控制系統(tǒng)應用于鉆井過程中，考慮到浮動的鉆井船在波浪的作用下，不可避免地產生顯著的升沉搖擺運動，且鉆井船隨波浪周期性的上下沉浮運動將引起井架及大鉤上懸吊的整個鉆柱周期性上下運動，從而帶來鉆壓的變化，為了平衡鉆壓的變化，使得鉆壓始終保持在一個所需要的值，可以通過本發(fā)明中的被動補償及主動補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)對鉆壓的補償，以保持鉆壓值不變，具體的，本發(fā)明實施例中的補償缸組件103與上述的井架及大鉤保持相對固定，即在井架及大鉤升沉的過程中，能夠由補償缸組件103產生的補償作用對鉆壓進行補償。

其中，在井架及大鉤升沉的過程中，補償缸組件103中的被動補償缸10內的液壓值將會隨著井架及大鉤升沉帶來的鉆壓的變化而產生變化，且被動補償控制組件102中將基于該變化對被動補償缸10內的液壓值進行補償，以使得鉆壓能夠保持在所需要的鉆壓值，同時，控制器25將檢測被動補償缸10內的液壓油的變化，并基于該變化及其他的參數(shù)如鉆井船升沉傳感系統(tǒng)24的信號以及鉆壓信號等確定控制指令，并將該控制指令發(fā)送給主動補償控制組件101，由該主動補償控制組件101基于該控制指令對主動補償缸9內的液壓油進行控制，以實現(xiàn)更加精確的補償。

在本發(fā)明實施例中，主動補償控制組件101及主動補償缸9構成主動補償控制系統(tǒng)，被動補償控制組件102及被動補償缸10構成了被動補償控制系統(tǒng)，通過被動補償控制系統(tǒng)實現(xiàn)對鉆壓的被動補償，通過主動補償控制系統(tǒng)實現(xiàn)對鉆壓的主動補償，使得補償?shù)木雀?，且主動補償與被動補償結合的方式即為半主動升沉補償?？梢岳斫獾氖?，對鉆壓的補償是以被動補償為主，以主動補償為輔，主動補償?shù)姆绞街饕菫榱颂岣哐a償?shù)木龋?，若需要補償?shù)你@壓為126，則被動補償能夠達到補償110，主動補償則補償16。

基于第一實施例，請參閱圖2，為本發(fā)明第二實施例中半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)的結構示意圖，該控制系統(tǒng)包括第一實施例中的控制器25、主動補償控制組件101、被動補償控制組件102及補償缸組件103，且與第一實施例中描述的內容相同，此處不再贅述。

在本發(fā)明實施例中，主動補償控制組件101包含：液壓油箱1、變量泵3；

液壓油箱1與變量泵3連接，變量泵3與主動補償缸9連接及與控制器25連接；

變量泵3用于在接收到控制器25發(fā)送的控制指令之后，將液壓油箱1中的液壓油傳輸至主動補償缸9，和/或，將主動補償缸9中的液壓油傳輸至液壓油箱1。

在本發(fā)明實施例中，主動補償控制組件101還包括冷卻系統(tǒng)2、沖洗閥4；

冷卻系統(tǒng)2與液壓油箱1連接，且與沖洗閥4連接，沖洗閥4與變量泵3連接及與主動補償缸9連接；

冷卻系統(tǒng)2用于在主動補償缸9中的液壓油通過沖洗閥4傳輸至液壓油箱1之前，對液壓油進行冷卻。

在本發(fā)明實施例中，主動補償控制組件101還包括旁通閥5，旁通閥5設置在主動補償缸9與變量泵3之間。

在本發(fā)明實施例中，補償缸組件103包含兩個主動補償缸9及兩個被動補償缸10，且主動補償缸9與被動補償缸10均呈軸對稱的形式設置；

補償缸組件103還包括：位移傳感器8，所述位移傳感器8位于所述被動補償缸10內，用于感應所述被動補償缸10內活塞位置的變化，并反饋給所述控制器25。

在本發(fā)明實施例中，補償缸組件103還包括：

切斷電磁閥11、管路切斷閥12、第一壓力傳感器13，集線箱14；

位移傳感器8、切斷電磁閥11、管路切斷閥12、第一壓力傳感器13的一端均與集線箱14連接，切斷電磁閥11的另一端與管路切斷閥12的另一端連接，且第一壓力傳感器13的另一端與管路切斷閥12連接；

集線箱14還與控制器25連接，管路切斷閥12中與第一壓力傳感器13連接的一端還與被動補償控制組件102連接。

在本發(fā)明實施例中，補償缸組件103還包括第一固定架6和第二固定架7；

主動補償缸9及被動補償缸10設置在第一固定架6上，且第二固定架7固定于主動補償缸9及被動補償缸10的下端。

在本發(fā)明實施例中，被動補償控制組件102包括：

蓄能器15、安全閥16、第二壓力傳感器17、第三壓力傳感器23、截止閥18、主氣瓶19、備用氣瓶20、比例方向閥21、高壓空氣壓縮機22；

蓄能器15的一端與被動補償缸10連接，蓄能器15的另一端同時與安全閥16及截止閥18連接，截止閥18與主氣瓶19連接；具體的，蓄能器15的另一端是分出兩條支線，一條支線與安全閥16連接，另一條支線與截止閥18連接。

第二壓力傳感器17的一端與控制器25連接，另一端連接在集線箱14與截止閥18之間的回路上，用于檢測主氣瓶19的氣壓值；

第三壓力傳感器23的一端與控制器25連接，另一端與備用氣瓶20連接，用于檢測備用氣瓶20的氣壓值；

比例方向閥21設置在主氣瓶19與備用氣瓶20之間，與主氣瓶19及備用氣瓶20連接，且比例方向閥21還與控制器25連接；

高壓空氣壓縮機22與備用氣瓶20連接。

在本發(fā)明實施例中，控制系統(tǒng)還包括鉆井船升沉傳感系統(tǒng)24，鉆井船升沉傳感系統(tǒng)24與控制器25連接。

基于上述描述，可確定，上述控制系統(tǒng)包含：液壓油箱1，冷卻系統(tǒng)2，變量泵3，沖洗閥4，旁通閥5，第一固定架6，第二固定架7，位移傳感器8，主動補償缸9，被動補償缸10，切斷電磁閥11，管路切斷閥12，第一壓力傳感器13，集線箱14，蓄能器15，安全閥16，第二壓力傳感器17，截止閥18，主氣瓶19，備用氣瓶20，比例方向閥21，高壓空氣壓縮機22，第三壓力傳感器23，鉆井船升沉傳感系統(tǒng)24，控制器25。

在本發(fā)明實施例中，通過控制器25能夠實現(xiàn)主動補償控制系統(tǒng)及被動補償控制系統(tǒng)的集中控制，該控制器25可以是可編程邏輯控制器，選用西門子s7-400邏輯課編程控制器。

其中，通過設置第二壓力傳感器17及第三壓力傳感器23，使得能夠利用第二壓力傳感器17檢測主氣瓶19的氣壓值，及利用第三壓力傳感器23檢測備用氣瓶20的氣壓值，且第二壓力傳感器17及第三壓力傳感器23檢測到的氣壓值均將發(fā)送給控制器25，控制器25在接收到之后，比較第二壓力傳感器17與第三壓力傳感器23感應到的氣壓值之間的差值，且在該差值小于預設第一數(shù)值時，則表明主氣瓶19中的壓力值偏小，控制器25將調節(jié)比例方向閥21，使得比例方向閥21的開度增大，以便備用氣瓶20中的壓縮空氣向主氣瓶19中轉移，以增大主氣瓶19內的壓力值，若該差值大于預設第二數(shù)值時，則表明主氣瓶19中的壓力值偏大，此時，控制器25將調節(jié)比例方向閥21，使得比例方向閥21的開度減小，以便主氣瓶19中的壓力值減小。通過上述方式，能夠使得主氣瓶19中的壓力值處于預設壓力范圍內。需要說明的是，上述調節(jié)是在第三壓力傳感器23感應到的氣壓值在大于預設第三數(shù)值的情況下實現(xiàn)的。

在本發(fā)明實施例中，被動補償控制組件102中的蓄能器15中包含活塞，活塞能夠在壓力的作用下上下浮動，且蓄能器15中與被動補償缸10連接的一側中是液壓油，而與截止閥18連接的一側是壓縮空氣。

當鉆機隨波浪下沉時，鉆壓將增大，此時需要減小鉆壓，具體的：鉆機隨波浪下沉時，帶動被動補償缸向下運動，此時大鉤所承受的負載減小，作用在被動補償缸活塞下的液壓油上，液壓油的壓力降低(即液壓值降低)，此時，控制器25將輸出控制指令到比例方向閥21，使備用氣瓶20與主氣瓶19連通，備用氣瓶20中的壓縮空氣向主氣瓶19內補充，使主氣瓶19內的氣壓升高，蓄能器15中的壓縮空氣的承載力增大，使得蓄能器中的液壓油回流至被動補償缸，被動補償缸中的活塞上浮，使得鉆柱上浮，鉆壓相應減小，在鉆壓減小到指定值時，比例方向閥21回位，以保持鉆壓平衡。

當鉆機隨波浪升起時，鉆壓將減小，此時需要增大鉆壓，具體的，鉆機隨波浪升起時，帶動被動補償缸向上運動，這時大鉤所承受的負載加大，作用在被動補償缸活塞下的液壓油上，液壓油的壓力升高，且液壓油通過管路進入蓄能器，在蓄能器內通過活塞壓縮壓縮空氣，此時，控制器25輸出信號到比例方向閥21，使主氣瓶19內的壓縮空氣通過比例方向閥21排出一部分到大氣中，氣瓶內的氣壓降低，蓄能器15中的壓縮空氣的承載力減小，使得被動補償缸活塞向下伸出，使鉆柱下沉，鉆壓相應增大，且在鉆壓增大到指定值時，比例方向閥21回位，以保持鉆壓平衡。

其中，被動補償缸10在鉆井工作的過程中，隨著鉆井船的沉浮將液壓油傳輸至蓄能器15中，或者將從蓄能器15中抽取液壓油，將使得蓄能器15中液壓油產生的壓力值發(fā)生改變，為了使得鉆壓能夠保持平衡，主氣瓶19將基于蓄能器15中液壓油的壓力值的變化向蓄能器15中輸入壓縮空氣，或者從蓄能器15中抽取壓縮空氣，以使得蓄能器15中的活塞上下的壓力值能夠保持平衡，以實現(xiàn)鉆壓平衡。

其中，控制器25還將利用第三壓力傳感器23感應到的備用氣瓶20的壓力值確定備用氣瓶20中的壓力值是否小于預設第三數(shù)值，若備用氣瓶20的壓力值小于該預設第三數(shù)值，則控制器25將向高壓空氣壓縮機22發(fā)送控制指令，該高壓空氣壓縮機22在接收到控制指令之后，將向備用氣瓶20中補充壓縮空氣，以增大備用氣瓶20的壓力值，同時，控制器25還將實時獲取第三壓力傳感器23發(fā)送的備用氣瓶20內的壓力值，在檢測到該備用氣瓶20內的壓力值大于或等于預設的第四數(shù)值時，將向高壓空氣壓縮機22發(fā)送停止指令，以停止增大備用氣瓶20內的壓力值。

其中，安全閥16是用于保護蓄能器15的，避免蓄能器15內壓縮空氣壓力過大，例如，在蓄能器15中的壓縮空氣的壓力值大于預設的壓力值時，通過安全閥16釋放蓄能器15中的壓縮空氣。

其中，截止閥18也是用于保護蓄能器15的，避免向蓄能器15中輸入過多的壓縮空氣導致蓄能器15中的壓縮空氣的壓力值過大。例如，在被動補償缸10出現(xiàn)故障時，通過打開截止閥18，以避免繼續(xù)向蓄能器15中輸入壓縮空氣。

在本發(fā)明實施例中，被動補償缸10中設置了活塞，該活塞漂浮在被動補償缸10中的液壓油的表層，且被動補償缸10中的位移傳感器8將檢測到該活塞的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括位移和速度，且將位移傳感器8將檢測到的數(shù)據(jù)通過集線箱14發(fā)送給控制器25，控制器25在接收到該數(shù)據(jù)之后，將利用該數(shù)據(jù)、接收到的鉆井船升沉傳感系統(tǒng)24的信號及接收到的鉆井系統(tǒng)發(fā)送的鉆壓信號，確定主動補償數(shù)據(jù)，并生成包含該主動補償數(shù)據(jù)的控制指令，控制器25將該控制指令發(fā)送給主動補償控制組件101中的變量泵3。其中，被動補償缸10中活塞的數(shù)據(jù)可以反映被動補償缸中液壓值的變化，同時也可以反映被動補償控制組件對該被動補償缸的液壓值的控制。

其中，主動補償數(shù)據(jù)是指控制主動補償缸的數(shù)據(jù)，且主動補償缸的控制是由變量泵實現(xiàn)的，即變量泵的控制注入主動補償缸的液壓油油量。在設定時間δt內有以下:

其中，變量泵流量即為上述的主動補償數(shù)據(jù)。升沉位移為被動補償缸中的活塞因為鉆井船的升沉所產生的位移，被動補償位移是指被動補償控制組件對被動補償缸中的液壓值的控制，使得被動補償缸中的活塞產生的位移。且主動補償缸工作腔面積是預先保存在控制器中的。

其中，變量泵3在接收到該控制指令之后，將獲取該控制指令中的主動補償數(shù)據(jù)，并按照該主動補償數(shù)據(jù)將液壓油箱1中的液壓油傳輸至主動補償缸9中，或者將主動補償缸9中的液壓油抽取至液壓油箱1中，以使得主動補償缸9伸出或縮回，以達到輔助補償，以提高補償精度。且通過利用被動補償缸10中位移傳感器8檢測到的數(shù)據(jù)對主動補償缸9進行控制，能夠確保主動補償與被動補償?shù)耐健?/p>

其中，變量泵3在將主動補償缸9中的液壓油抽取至液壓油箱1之前，需要由沖洗閥4及冷卻系統(tǒng)2對液壓油進行冷卻。該沖洗閥4及該冷卻系統(tǒng)2構成了沖洗回路。

其中，沖洗閥4包括換向閥和低壓溢油閥組成，依靠高壓端的壓力推動閥芯，將低壓端的液壓油送至冷卻系統(tǒng)2，由冷卻系統(tǒng)2對液壓油進行冷卻之后，回到液壓油箱1。

在本發(fā)明實施例中，當主動補償系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，旁通閥5將打開，主動補償缸9進回油管路導通，使得主動補償缸9處于浮動狀態(tài)，并不影響被動補償系統(tǒng)的單獨使用。且控制器25還將實時檢測第一傳感器13，該第一傳感器13用于檢測被動補償缸10中的壓力值，且將檢測到的壓力值發(fā)送給控制器25，控制器25將確定該壓力值是否大于預設值，若該壓力值大于預設值，則控制器25將向切斷電磁閥11及管路切斷閥12發(fā)送切斷信號，以使得切斷電磁閥11及管路切斷閥12所在的回路斷開，使得被動補償缸10內的液體封閉，避免安全事故的發(fā)生。

基于第二實施例中的控制系統(tǒng)，本發(fā)明實施例中采用變量泵3直接控制主動補償缸9，可以使得控制更加靈敏，響應更快，且結構簡單，系統(tǒng)可靠性強，工作效率高，可以降低能耗，且旁通閥5、切斷電磁閥11及管路切斷閥12的設計，可以有效提高抗風險能力，安全性更高。

需要說明的是，在圖2中，線條與線條相交的位置處若有黑點，則表明該處即為線條與線條的連接點，是具體連接關系的，若線條與線條相交的位置沒有黑點，則表明該處并非連接點，線條之間是互相獨立的。

在上述實施例中，對各個實施例的描述都各有側重，某個實施例中沒有詳述的部分，可以參見其它實施例的相關描述。

以上為對本發(fā)明所提供的一種半主動升沉補償裝置控制系統(tǒng)的描述，對于本領域的技術人員，依據(jù)本發(fā)明實施例的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。