[发明专利]一种深水半潜式钻井平台的海浪补偿装置的控制方法

摘要

本发明公开了一种深水半潜式钻井平台的海浪补偿装置，包括设置在钻井平台下船体上的并露出海平面的三个呈等边三角形状分布的刚性立柱，刚性立柱上表面通过球铰连接有液压缸，液压缸的活塞杆端部通过销轴与上工作台的下表面设置的轴承座相连接，液压缸与液压控制系统相连接且各个液压缸由液压控制系统单独控制。本发明提供了一种上述深水半潜式钻井平台的海浪补偿装置的控制方法。本深水半潜式钻井平台的海浪补偿装置能够有效地补偿上平台主甲板的垂荡运动以及横摇和纵摇、从而保证深海钻井过程中钻头与井底的恒定接触。

主权项

一种深水半潜式钻井平台的海浪补偿装置的控制方法，该方法基于如下海浪补偿装置，包括设置在钻井平台下船体上的并露出海平面的三个呈等边三角形状分布的刚性立柱，刚性立柱上表面通过球铰连接有液压缸，液压缸的活塞杆端部通过销轴与上工作台的下表面设置的轴承座相连接，液压缸与液压控制系统相连接且各个液压缸由液压控制系统单独控制，其控制步骤为：a、测量海面环境参数：采用安装在上工作台上的风速风向传感器测量风速及风向，并把数据传送给计算机；采用声学波浪仪测量平台工作海域的海平面高度、海浪波高及波浪周期，并把数据传送给计算机；采用流速、流向仪测量平台工作海域的水流速度及方向，并把所测参数传送给计算机；采用拉力传感器测量锚泊系统张力，并把所测参数传送给计算机；b、通过计算机运用有限元软件根据步骤a所测参数计算出上工作台在该环境下、在一个设定周期t内的理论运动姿态，并计算出上工作台上正对三个刚性立柱的外接圆圆心处位置的运动晃角θ、摆动周期T及竖直方向的位移h的曲线，在周期t内从各曲线上均匀取m点，其各点的数值序列分别表示为θ＝{θ1，θ2…θm}，T＝{T1，T2…Tm}，h＝{h1，h2…hm}，c、若步骤b所得出的平台综合运动晃角所得出的m个值都达到θi(i＝1，2…m)＜2°且步骤b所得出的摆动周期的m个值都达到Ti(i＝1，2…m)＞10s，直接转至步骤h；如不满足执行步骤d；d、在周期t的第i(i＝1，2…m)个时间段内，根据在海浪补偿装置的数学模型上设立的坐标系、上工作台在ti周期内的运动晃角θi(i＝1，2…m)及竖直方向位移hi(i＝1，2…m)，由计算机计算出各个立柱与上工作台连接点之间的距离，接着分别控制各液压缸活塞杆伸缩使得调整后液压缸总长达到上述距离值，从而实现对ti周期内的理论运动轨迹的反向补偿，完成上工作台前馈初调平；液压缸活塞杆需伸缩量值的具体计算采用如下数学模型：将该海洋平台模型简化为上下完全相等的两个等边三角形，设三根立柱的外接圆半径为r，靠近上工作台的三根销轴的外接圆为R，A1B1，A2B2，A3B3分别是连接上工作台和三根立柱的三个分支，取等边三角形A1A2A3的外接圆的圆心O为固定坐标系的坐标原点，OA1为固定坐标系X0轴的方向，其Y0轴平行于A2A3，Z0轴由右手法则垂直于上工作台平面向上，建立固定坐标系O‑X0Y0Z0，由上工作台运动晃角θi及竖直方向位移hi，可以得到下船体绕固定坐标系X0轴的旋转角度为α，绕固定坐标系Y0轴的旋转角度为β，绕Z0轴的旋转角度为γ，沿Z方向的平动位移为ZB，设A1B1长度为L1，A2B2长度为L2，A3B3长度为L3，液压缸活塞杆调整后需使L1、L2、L3满足如下要求：L12＝(r·cosβ‑R)2+(ZB‑r·sinβ)2L22=(R2-r2cosβ+32r·sinα·sinβ)2+(32r·cosα-32R)2+(r2sinβ+32r·sinα·cosβ+ZB)2]]>L32=(R2-r2cosβ-32r·sinα·sinβ)2+(32r·cosα-32R)2+(r2sinβ+32r·sinα·cosβ-ZB)2]]>e、平台横摇、纵摇和垂荡运动姿态检测：通过安装在上工作台上在对应于三根立柱的外接圆的中心位置处的三轴陀螺仪实时测量平台三个方向的倾角，并把数据传送给计算机，经坐标变换，计算出平台三个方向综合的运动晃角θ’和摆动周期T’；f、计算机以平台气隙高度平面为参考面，选择三轴陀螺仪安装点为坐标系的原点，将平台综合运动晃角θ’与0°进行对比分析，由δ＝θ’‑0°计算出上工作台实时运动晃角误差δ，g、反馈补偿装置控制：将上工作台运动晃角误差δ与步骤d中ti+1周期的平台晃角θi+1(i＝1，2…m)进行叠加，得出综合运动误差ξ＝θi+1+δ；根据上工作台综合运动晃角误差ξ及步骤d中ti+1周期位移hi+1，由计算机计算出各个立柱与上工作台连接点之间的距离，接着分别控制各液压缸活塞杆伸缩使得调整后液压缸总长达到上述距离值，从而实现对上工作台运动姿态进行反馈修正；采用数学模型与步骤d中一致，由上工作台综合运动晃角误差ξ及竖直方向位移hi+1，可以得到下船体绕固定坐标系X0轴的旋转角度为α'，绕固定坐标系Y0轴的旋转角度为β'，绕Z0轴的旋转角度为γ'，沿Z方向的平动位移为ZB'，设此时A1B1长度为L1'，A2B2长度为L2'，A3B3长度为L3'，液压缸活塞杆调整后需使L1'、L2'、L3'需满足如下要求：L1'2＝(r·cosβ'‑R)2+(ZB'‑r·sinβ')2L2′2=(R2-r2cosβ′+32r·sinα′·sinβ′)2+(32r·cosα′-32R)2+(r2sinβ′+32r·sinα′·cosβ′+ZB′)2]]>L3′2=(R2-r2cosβ′-32r·sinα′·sinβ′)2+(32r·cosα′-32R)2+(r2sinβ′+32r·sinα′·cosβ′-ZB′)2]]>h、当i<m时，令i＝i+1，进行下一次的步骤d‑f的循环，直至步骤d‑f的循环执行共m次；当i＝m时,进行下一步骤；i、重复步骤a‑h。