钻井平台升降控制系统和方法

技术领域

本发明涉及钻井平台技术领域，尤其涉及一种钻井平台升降控制系统和方法。

背景技术

自升式钻井平台属于海上移动平台，主要由一个平台主体和若干个桩腿组成。通过升降装置的动作，实现平台的上升或下降，在此过程中，实施监控桩腿的倾斜非常重要，如果平台工作的海底不平整、土层强度不均匀，在预压载作业时会出现桩靴受偏心力的情况，这会导致桩腿与平台主体接触部分产生很大的弯矩，这种附加弯矩会导致桩腿发生变形。该变形表现为同一桩腿不同主弦管上相同标高的齿条节点相对于同一水平参考面的垂向位移不同，称之为弦相位差。弦相位差反应出了桩腿的姿态及桩腿内部支撑管轴向载荷，为了桩腿及平台的安全，必须将桩腿的弦相位差进行监控并将其控制在合理的范围内。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题，本发明提供一种钻井平台升降控制系统和方法。技术方案如下：

第一方面，提供了一种钻井平台升降控制系统，所述钻井平台包括平台主体以及支撑所述平台主体的若干桩腿，各个所述桩腿包括多个主弦管，每个所述主弦管上设置有对应的升降电机；所述系统包括：多个位移传感器，设置于各个所述主弦管上，用于测量各个所述主弦管的弦相位差；多个扭矩传感器，设置于各个所述主弦管上，用于测量各个所述主弦管的扭矩值；处理器，分别与多个所述位移传感器、多个所述扭矩传感器和所述升降电机连接，用于根据所述弦相位差和所述扭矩值控制所述升降电机的运转。

可选地，所述系统还包括：与所述处理器连接的倾角传感器，设置于所述平台主体上，用于测量所述平台主体的倾角并发送给所述处理器，以使所述处理器根据所述弦相位差、所述扭矩值和所述平台主体的倾角控制所述升降电机的运转。

可选地，所述平台主体的倾角包括以下至少一项：平台主体的俯仰角度、平台主体的滚摆角度。

可选地，所述系统还包括：与所述处理器连接的速度给定模块，所述速度给定模块用于向所述处理器发送扭矩给定主信号，以使所述处理器根据所述扭矩给定主信号、所述弦相位差和所述扭矩值确定目标扭矩值并根据所述目标扭矩值控制所述升降电机的运转。

可选地，所述处理器包括：位移计算模块、扭矩计算模块、倾角计算模块、中央处理模块和扭矩给定模块：所述位移计算模块与多个所述位移传感器连接，用于获取所述主弦管的弦相位差；所述扭矩计算模块与多个所述扭矩传感器连接，用于获取所述主弦管的扭矩值；所述倾角计算模块与所述倾角传感器连接，用于获取所述平台主体的倾角；所述扭矩给定模块与所述速度给定模块连接，用于获取扭矩给定主信号；所述中央处理模块分别与所述位移计算模块、所述扭矩计算模块、所述倾角计算模块和所述扭矩给定模块连接，用于根据所述弦相位差、所述扭矩值和所述倾角确定扭矩附加值并向所述扭矩给定模块发送扭矩给定附加信号，以使所述扭矩给定模块根据所述速度给定模块发送的扭矩给定主信号和所述扭矩给定附加信号控制所述升降电机的运转。

第二方面，提供了一种利用上述任一项所述的钻井平台主体升降控制系统控制钻井平台主体升降的方法，所述方法包括：多个位移传感器测量各个主弦管的弦相位差，并发送给处理器；多个扭矩传感器测量各个所述主弦管的扭矩值，并发送给所述处理器；所述处理器根据所述弦相位差和所述扭矩值控制升降电机运转。

可选地，所述方法还包括：倾角传感器测量平台主体的倾角信息，并发送给所述处理器；所述处理器根据所述弦相位差、所述扭矩值和所述平台主体的倾角控制所述升降电机的运转。

可选地，所述方法还包括：速度给定模块向所述处理器发送扭矩给定主信号，所述处理器根据所述扭矩给定主信号、所述弦相位差和所述扭矩值确定目标扭矩值并根据所述目标扭矩值控制所述升降电机的运转。

可选地，所述方法还包括：位移计算模块接收各个所述位移传感器的信号并确定所述主弦管的弦相位差；扭矩计算模块接收各个所述扭矩传感器的信号并确定所述主弦管的扭矩值；倾角计算模块接收所述倾角传感器的信号并确定所述平台主体的倾角；中央处理模块接收所述弦相位差、所述扭矩值和所述倾角，确定扭矩给定附加信号；扭矩给定模块接收速度给定模块发送的扭矩给定主信号和所述中央处理模块发送的扭矩给定附加信号，确定目标扭矩值并根据所述目标扭矩值控制所述升降电机的运转。

可选地，所述方法还包括：所述处理器监测所述位移传感器、所述扭矩传感器的状态，并在任一所述位移传感器或所述扭矩传感器断电时进行报警；和/或；所述处理器在所述位移传感器、所述扭矩传感器恢复供电时恢复所述位移传感器、所述扭矩传感器断电前的数据。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的钻井平台升降控制系统和方法，能够实时测量各个主弦管的弦相位差和扭矩值，弦相位差和扭矩值分别反映桩腿的姿态信息和受力信息，通过弦相位差和扭矩值控制升降电机的运转，能够调节各个主弦管至相对平衡的位置，使得桩腿保持平衡状态，保持升降平台的稳定性和安全性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附

图中：

图1为本发明一实施例提供的钻井平台升降控制系统的示意图；

图2为本发明一实施例提供的钻井平台桩腿的各个主弦管的俯视图；

图3为本发明一实施例提供的钻井平台桩腿的各个主弦管的主视图；

图4为本发明一实施例提供的钻井平台升降控制系统的示意图；

图5为本发明一实施例提供的获取弦相位差的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通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。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

第一方面，本发明实施例一种钻井平台升降控制系统，如附图1-3所示，钻井平台包括平台主体以及支撑平台主体的若干桩腿，各个桩腿包括多个主弦管，每个主弦管上设置有数个升降电机；该系统包括：多个位移传感器，设置于各个主弦管上，用于测量各个主弦管的弦相位差；多个扭矩传感器，设置于各个主弦管上，用于测量各个主弦管的扭矩值；处理器，分别与多个位移传感器、多个扭矩传感器和升降电机连接，用于根据弦相位差和扭矩值控制升降电机的运转。

本实施例提供的钻井平台升降控制系统，能够实时测量各个主弦管的弦相位差和扭矩值，弦相位差和扭矩值分别反映桩腿的姿态信息和受力信息，通过弦相位差和扭矩值控制升降电机的运转，能够调节各个主弦管至相对平衡的位置，使得桩腿保持平衡状态，保持升降平台的稳定性和安全性。

其中，附图2示出了每个桩腿包括三个主弦管的结构示意图，主弦管分别位于固桩架内且相对设置，固桩架的顶部分别设置有位移传感器以测量主弦管的位移数值，并发送给处理器，使得处理器根据位移传感器的测量值计算主弦管的弦相位差。

可选地，位移传感器可以选用高精度的增量式编码器，机械平均寿命长，分辨率高；抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。

如附图3所示，扭矩传感器设置于固桩架上，以测量主弦管的扭矩并发送给处理器。升降电机设置于固桩架上并与主弦管的齿条传动连接，通过升降电机运转能够控制主弦管的齿条上下移动。

处理器根据弦相位差和扭矩值控制升降电机的运转，可以指处理器基于弦相位差和扭矩值确定各个主弦管的姿态，在控制主弦管升降时对升降电机的输出进行补偿，对多个升降电机进行差速控制，调整多个主弦管至相对水平位置。例如，对于较高的主弦管，调整时升降电机的输出扭矩可以相对较小。相对较低的主弦管，调整时升降电机的输出扭矩可以相对较大。

在本实施例的一些可选的实现方式中，该系统还包括：与处理器连接的倾角传感器，设置于平台主体上，用于测量平台主体的倾角并发送给处理器，以使处理器根据弦相位差、扭矩值和平台主体的倾角控制升降电机的运转。如此设置，将平台主体的倾斜信息加入到升降电机的升降控制，使得调节结束后平台主体能够保持水平，提高平台稳定性。

上述平台主体的倾角包括以下至少一项：平台主体的俯仰角度、平台主体的滚摆角度。如此，测量维度较为全面，调节结果更加可靠。

其中，在水平面内建立XY坐标系，上述平台主体的俯仰角度可以指绕X轴的转动角度，平台主体的滚摆角度，可以指绕Y轴的转动角度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，系统还包括：与处理器连接的速度给定模块，速度给定模块用于向处理器发送扭矩给定主信号，以使处理器根据扭矩给定主信号、弦相位差和扭矩值确定目标扭矩值并根据目标扭矩值控制升降电机的运转。

如此设置，上述根据弦相位差、扭矩值和平台主体的倾角确定的为升降过程中的修正值，对于各个主弦管的最终调整位置，需由速度给定模块进行给定，也即，通过扭矩给定附加信号对扭矩给定主信号进行修正，既能调节桩腿的位置，又能使各个主弦管之间保持稳定。

在本实施例的一些可选的实现方式中，如附图4所示，处理器包括：位移计算模块、扭矩计算模块、倾角计算模块、中央处理模块和扭矩给定模块：

位移计算模块与多个位移传感器连接，用于获取主弦管的弦相位差；

扭矩计算模块与多个扭矩传感器连接，用于获取主弦管的扭矩值；

倾角计算模块与倾角传感器连接，用于获取平台主体的倾角；

扭矩给定模块与速度给定模块连接，用于获取扭矩给定主信号；

中央处理模块分别与位移计算模块、扭矩计算模块、倾角计算模块和扭矩给定模块连接，用于根据弦相位差、扭矩值和倾角确定扭矩附加值并向扭矩给定模块发送扭矩给定附加信号，以使扭矩给定模块根据速度给定模块发送的扭矩给定主信号和扭矩给定附加信号控制升降电机的运转。

上述位移计算模块与多个位移传感器连接，用于获取主弦管的弦相位差的计算过程可以如附图5所示，首先读取三个位移传感器的数据并分别记作A_HEIGHT、B_HEIGHT、C_HEIGHT。

如果A_HEIGHTB_HEIGHT且A_HEIGHT

如果A_HEIGHTC_HEIGHT，则主弦管B_HEIGHT的RPD值为0，主弦管A_HEIGHT的RPD值为B_HEIGHT-A_HEIGHT，主弦管C_HEIGHT的RPD值为B_HEIGHT-C_HEIGHT。

如果A_HEIGHT>B_HEIGHT且A_HEIGHT>C_HEIGHT，则主弦管A_HEIGHT的RPD值为0，主弦管B_HEIGHT的RPD值为A_HEIGHT-B_HEIGHT，主弦管C_HEIGHT的RPD值为A_HEIGHT-C_HEIGHT。

在一实施例中，钻井平台升降控制的完整过程如下：

位移传感器A，B，C通信连接于位移计算计算，向位移计算模块发送位移数据，位移计算模块计算主弦管A，B，C的弦相位差。

扭矩计算模块将扭矩传感器A，B，C输出的4-20mA信号经过运算后得出主弦管A，B，C的扭矩值，从而得出此时主弦管A，B，C的受力情况。

倾角传感器采集平台俯仰信息、平台滚摆信息，通过通信网络传递至倾角计算模块，倾角计算模块内部建立坐标系，俯仰数据作为X轴，滚摆数据作为Y轴，经计算后得出此时平台的姿态信息，即平台倾角信息。倾角计算模块通过高精度的AD采集倾角传感器的原始电位，通过使用去噪算法，滤除不稳定的数据，得到某一时刻最为稳定准确的数据。

中央处理模块综合分析位移计算模块、扭矩计算模块与倾角计算模块送来的主弦管的弦相位差信息、主弦管受力信息、平台倾角信息，综合计算出为将主弦杆弦相位差控制在合理范围内的最佳扭矩值，并通过通信网络传递至扭矩给定模块。

中央处理模块传递至定扭矩给定模块的信息为扭矩给定附加信号。速度给定模块传递至扭矩给定模块的信息为扭矩给定主信号。扭矩给定模块综合处理扭矩给定主信号与扭矩给定附加信号，运算后得出最终的扭矩给定值，通过接触器控制自耦变压器的输出电压值，从而分配给升降电机A，B，C不同的扭矩值。

本实施例中，处理器还可以监测位移传感器、扭矩传感器的状态，并在任一位移传感器或扭矩传感器断电时进行报警；和/或；处理器在位移传感器、扭矩传感器恢复供电时恢复位移传感器、扭矩传感器断电前的数据，对传感器进行自检。

如此设置，使得控制系统在出现故障时能够快速报警，便于快速检修排除故障。且恢复供电后能够快速投入使用，提高生产效率。

第二方面，本发明实施例提供了一种利用上述任一项的钻井平台主体升降控制系统控制钻井平台主体升降的方法，方法包括：

多个位移传感器测量各个主弦管的弦相位差，并发送给处理器；

多个扭矩传感器测量各个主弦管的扭矩值，并发送给处理器；

处理器根据弦相位差和扭矩值控制升降电机运转。

本实施例提供的钻井平台升降控制方法，能够实时测量各个主弦管的弦相位差和扭矩值，弦相位差和扭矩值分别反映桩腿的姿态信息和受力信息，通过弦相位差和扭矩值控制升降电机的运转，能够调节各个主弦管至相对平衡的位置，使得桩腿保持相对平衡状态，保持升降平台的稳定性和安全性。

可选地，该方法还包括：倾角传感器测量平台主体的倾角信息，并发送给处理器；处理器根据弦相位差、扭矩值和平台主体的倾角控制升降电机的运转。

如此设置，将平台主体的倾斜信息加入到升降电机的升降控制，使得调节结束后平台主体能够保持水平，提高平台稳定性。

可选地，该方法还包括：速度给定模块向处理器发送扭矩给定主信号，处理器根据扭矩给定主信号、弦相位差和扭矩值确定目标扭矩值并根据目标扭矩值控制升降电机的运转。

如此设置，上述根据弦相位差、扭矩值和平台主体的倾角确定的为升降过程中的修正值，对于各个主弦管的最终调整位置，需由速度给定模块进行给定，也即，通过扭矩给定附加信号对扭矩给定主信号进行修正，既能调节桩腿的位置，又能使各个主弦管之间保持稳定。

可选地，该方法还包括：

位移计算模块接收各个位移传感器的信号并确定主弦管的弦相位差；

扭矩计算模块接收各个扭矩传感器的信号并确定主弦管的扭矩值；

倾角计算模块接收倾角传感器的信号并确定平台主体的倾角；

中央处理模块接收弦相位差、扭矩值和倾角，确定扭矩给定附加信号；

扭矩给定模块接收速度给定模块发送的扭矩给定主信号和中央处理模块发送的扭矩给定附加信号，确定目标扭矩值并根据目标扭矩值控制升降电机的运转。

如此设置，处理器各模块相互配合，控制升降电机的运转。

可选地，上述方法还包括：

处理器监测位移传感器、扭矩传感器的状态，并在任一位移传感器或扭矩传感器断电时进行报警；和/或；处理器在位移传感器、扭矩传感器恢复供电时恢复位移传感器、扭矩传感器断电前的数据，对传感器进行自检。

如此设置，使得控制系统在出现故障时能够快速报警，便于快速检修排除故障。且恢复供电后能够快速投入使用，提高生产效率。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。