一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台及其位姿平衡方法

申请号 CN201710483770.X 申请日 2017-06-22 公开(公告)号 CN107178343A 公开(公告)日 2017-09-19
申请人 中国地质大学(武汉); 发明人 佘锦华; 丁敏; 吴敏; 林平平; 李倩秋;
摘要 本 发明 公开了一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台及其 位姿 平衡方法,包括Stewart并联机构、钻井装置和测量控制系统,所述Stewart并联机构的下端连接海洋钻井平台,所述Stewart并联机构的上端安装钻井装置,所述钻井装置上安装 钻杆 ,所述测量控制系统控制Stewart并联机构,所述海洋钻井平台在受到 风 浪影响发生晃动时,所述测量控制系统通过控制Stewart并联机构,隔离风浪对钻井装置的影响,进而使钻杆在风浪中保持静止。本发明通过抵消Stewart并联机构在风浪晃动中的偏移,隔离钻井装置受风浪的影响,保证钻杆在钻井过程中不发生移动和倾斜,保证了钻井的 精度 和安全性;而且,提高了钻杆的使用寿命,节约了经济成本,大大提高了钻井效率。
权利要求

1.一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,包括Stewart并联机构、钻井装置和测量控制系统,所述Stewart并联机构的下端连接海洋钻井平台,所述Stewart并联机构的上端安装钻井装置,所述钻井装置上安装钻杆,所述测量控制系统控制Stewart并联机构,所述海洋钻井平台在受到浪影响发生晃动时,所述测量控制系统通过控制Stewart并联机构进行位姿补偿,隔离风浪对钻井装置的影响,进而使钻杆在风浪中保持静止。
2.根据权利要求1所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,所述Stewart并联机构包括底座、平台和液压驱动杆,所述底座固定在海洋钻井平台上,所述平台上安装钻井装置,所述液压驱动杆设在底座和平台之间,所述液压驱动杆的两端分别铰接在底座和平台上,所述底座受风浪影响跟随海洋钻井平台晃动时,所述测量控制系统通过控制液压驱动杆的伸缩运动,调节所述平台的位姿,抵消所述底座晃动发生的偏移,使所述平台始终保持静止,进而所述钻井装置始终保持静止。
3.根据权利要求2所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,所述底座为六边形,所述平台为圆形,所述液压驱动杆的数量为六根,六根液压驱动杆的两端分别通过铰球或铰链铰接在底座和平台上。
4.根据权利要求2所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,所述测量控制系统包括电位计、传感器、驱动系统和控制终端,所述传感器安装在底座上,所述电位计安装在液压驱动杆上,所述传感器和电位计均连接控制终端,所述控制终端控制驱动系统,所述驱动系统驱动液压驱动杆的伸缩运动,所述底座跟随海洋钻井平台在风浪中晃动时,所述传感器测量底座在晃动中的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统驱动液压驱动杆的伸缩运动,所述电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,使所述平台始终保持静止。
5.根据权利要求4所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,所述驱动系统为液压,所述控制终端为工业计算机,所述电位计为滑动变阻器,所述传感器为六自由度运动传感器。
6.根据权利要求4所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,其特征在于,所述Stewart并联机构的平台和底座在钻井开始时平行,且所述平台和底座的中心在同一铅垂线上,假设所述平台位于参考系OP-XPYPZP,所述底座位于参考系OB-XBYBZB;钻井过程中,所述底座的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台相对于底座的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);
受到风浪影响时,所述底座跟随海洋钻井平台的晃动发生偏移,所述底座相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,所述底座上的传感器测量底座的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统控制液压驱动杆的伸缩运动,使所述平台相对底座产生-q的偏移,即所述平台相对底座的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,β′d,γ'd);所述电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,从而调节平台的位姿,使所述平台始终保持静止。
7.一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)选择一个惯性参考系,表示为O-XYZ;
(2)钻井开始时,所述Stewart并联机构的平台和底座平行,且所述平台和底座的中心在同一铅垂线上,假设所述平台位于参考系OP-XPYPZP,所述底座位于参考系OB-XBYBZB;
(3)钻井过程中,所述底座的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台相对于底座的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);受到风浪影响时,底座跟随海洋钻井平台的晃动发生偏移,所述底座相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,所述底座上的传感器测量底座的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统控制液压驱动杆的伸缩运动,使所述平台相对底座产生-q的偏移,即所述平台相对底座的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,β′d,γ'd);
(4)通过电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,从而调节平台的位姿,使所述平台始终保持静止。
8.根据权利要求7所述的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法,其特征在于,所述步骤(3)中,抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆伸缩长度的计算方法为:选取一液压驱动杆与平台的铰接点Pi,在参考系OP-XPYPZP中表示为Pi(xPi,yPi,zPi),在参考系OB-XBYBZB中表示为P′i(x′i,y′i,z′i),并选取同一液压驱动杆与底座的铰接点Bi,在参考系OB-XBYBZB中表示为B(xBi,yBi,zBi);平台相对于底座偏移用矩阵R表示,R为(α'd,β'd,γ'd)的函数,通过旋转和平移变换,得到平台上的铰接点Pi在参考系OB-XBYBZB中的坐标表示Pi'(x′i,y′i,z′i)
则,液压驱动杆伸缩长度为:

说明书全文

一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台及其位姿平衡

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海上钻探设备技术领域,尤其涉及一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法。

背景技术

[0002] 石油和天然气是人类的重要能源,陆地资源已开采殆尽,而海洋油气储量丰富,已经成为获取石油和天然气的一种主要来源。传统的石油天然气开采方式为,钻井机械直接安装在海洋开采平台上。在海洋环境,浪较小时,海洋开采平台能够抵御其影响,海洋开采平台只会发生微小运动,不会对钻井产生影响。当风浪较大时,海浪和海风能够使海洋开采平台发生平移动和倾斜,从而使钻杆水平移动或者倾斜,影响钻井位置精度和钻进速度。当海浪或者海风较大时,海洋开采平台发生较大幅度的运动而扭断钻杆,不但造成钻杆损毁,而且要重新选择钻井位置。由于传统的海洋开采平台只能抵御小风浪的影响,不能主动补偿海浪或海风造成的影响,特别是使钻杆发生的移动,因此设计一种能够补偿风浪影响的海洋钻井平台十分必要。

发明内容

[0003] 有鉴于此,本发明的实施例提供了一种能抵消晃动偏移,隔离风浪对钻井过程干扰的基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法。
[0004] 本发明的实施例提供一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,包括Stewart并联机构、钻井装置和测量控制系统,所述Stewart并联机构的下端连接海洋钻井平台,所述Stewart并联机构的上端安装钻井装置,所述钻井装置上安装钻杆,所述测量控制系统控制Stewart并联机构,所述海洋钻井平台在受到风浪影响发生晃动时,所述测量控制系统通过控制Stewart并联机构,隔离风浪对钻井装置的影响,进而使钻杆在风浪中保持静止。
[0005] 进一步,所述Stewart并联机构包括底座、平台和液压驱动杆,所述底座固定在海洋钻井平台上,所述平台上安装钻井装置,所述液压驱动杆设在底座和平台之间,所述液压驱动杆的两端分别铰接在底座和平台上,所述底座受风浪影响跟随海洋钻井平台晃动时,所述测量控制系统通过控制液压驱动杆的伸缩运动,调节所述平台的位姿,抵消所述底座晃动发生的偏移,使所述平台始终保持静止,进而所述钻井装置始终保持静止。
[0006] 进一步,所述底座为六边形,所述平台为圆形,所述液压驱动杆的数量为六根,六根液压驱动杆的两端分别通过铰球或铰链铰接在底座和平台上。
[0007] 进一步,所述测量控制系统包括电位计、传感器、驱动系统和控制终端,所述传感器安装在底座上,所述电位计安装在液压驱动杆上,所述传感器和电位计均连接控制终端,所述控制终端控制驱动系统,所述驱动系统驱动液压驱动杆的伸缩运动,所述底座跟随海洋钻井平台在风浪中晃动时,所述传感器测量底座在晃动中的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端通过驱动系统驱动液压驱动杆的伸缩运动抵消所述底座晃动发生的偏移,所述电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统驱动液压驱动杆的伸缩运动,所述电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,使所述平台始终保持静止。
[0008] 进一步,所述驱动系统为液压,所述控制终端为工业计算机,所述电位计为滑动变阻器,所述传感器为六自由度运动传感器。
[0009] 进一步,所述Stewart并联机构的平台和底座在钻井开始时平行,且所述平台和底座的中心在同一铅垂线上,假设所述平台位于参考系OP-XPYPZP,所述底座位于参考系OB-XBYBZB;钻井过程中,所述底座的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台相对于底座的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);受到风浪影响时,所述底座跟随海洋钻井平台的晃动发生偏移,所述底座相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,所述底座上的传感器测量底座的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统控制液压驱动杆的伸缩运动,使所述平台相对底座产生-q的偏移,即所述平台相对底座的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,βd',γ'd);所述电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,从而调节平台的位姿,使所述平台始终保持静止。
[0010] 一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法,包括以下步骤:
[0011] (1)选择一个惯性参考系,表示为O-XYZ;
[0012] (2)钻井开始时,所述Stewart并联机构的平台和底座平行,且所述平台和底座的中心在同一铅垂线上,假设所述平台位于参考系OP-XPYPZP,所述底座位于参考系OB-XBYBZB;
[0013] (3)钻井过程中,所述底座的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台相对于底座的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);受到风浪影响时,底座跟随海洋钻井平台的晃动发生偏移,所述底座相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,所述底座上的传感器测量底座的偏移,并传输给控制终端,所述控制终端根据底座的偏移计算抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆的伸缩长度,并通过驱动系统控制液压驱动杆的伸缩运动,使所述平台相对底座产生-q的偏移,即所述平台相对底座的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,βd',γ'd);
[0014] (4)通过电位计实时测量液压驱动杆在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端,所述控制终端对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统控制液压驱动杆在伸缩运动中的长度,从而调节平台的位姿,使所述平台始终保持静止。
[0015] 进一步,所述步骤(3)中,抵消底座晃动偏移所需液压驱动杆伸缩长度的计算方法为:选取一液压驱动杆与平台的铰接点Pi,在参考系OP-XPYPZP中表示为Pi(xPi,yPi,zPi),在参考系OB-XBYBZB中表示为Pi'(x'i,y'i,z'i),并选取同一液压驱动杆与底座的铰接点Bi,在参考系OB-XBYBZB中表示为B(xBi,yBi,zBi);平台相对于底座偏移用矩阵R表示,R为(α'd,β'd,γ'd)的函数,通过旋转和平移变换,得到平台上的铰接点Pi在参考系OB-XBYBZB中的坐标表示Pi'(x'i,y'i,z'i),
[0016]
[0017] 则,液压驱动杆伸缩长度为:
[0018]
[0019] 与现有技术相比,本发明通过抵消Stewart并联机构在风浪晃动中的偏移,隔离钻井装置受风浪的影响,保证钻杆在钻井过程中不发生移动和倾斜,保证了钻井的精度和安全性;而且,有效避免钻杆在海洋钻井平台发生较大幅度的运动而扭断,不会造成钻杆损毁,避免重新选择钻井位置,提高了钻杆的使用寿命,节约了经济成本,大大提高了钻井效率。附图说明
[0020] 图1是本发明一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的一示意图。
[0021] 图2是图1中一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的部分示意图。
[0022] 图3是图1中液压驱动杆的一示意图。
[0023] 图4是本发明一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台位姿平衡方法的一原理图。

具体实施方式

[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0025] 请参考图1和图2,本发明的实施例提供了一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台,包括Stewart并联机构1、钻井装置2和测量控制系统3,所述Stewart并联机构1的下端连接海洋钻井平台4,所述Stewart并联机构1的上端安装钻井装置2,所述钻井装置2上安装钻杆21,所述测量控制系统3控制Stewart并联机构1。海洋钻井平台4在受到风浪影响发生晃动时,所述测量控制系统3通过控制Stewart并联机构1进行位姿补偿,隔离风浪对钻井装置2的影响,进而使钻杆21在风浪中保持静止。
[0026] 请参考图1和图3,Stewart并联机构1包括底座11、平台12和液压驱动杆13,在一实施例中,底座11为六边形,所述平台12为圆形,所述液压驱动杆13的数量为六根,所述底座11固定在海洋钻井平台4上,所述平台12上安装钻井装置2,所述液压驱动杆13设在底座11和平台12之间,所述液压驱动杆13的两端分别铰接在底座11和平台12上,在一实施例中,六根液压驱动杆13的两端分别通过铰球或铰链铰接在底座11和平台12上。由于钻井装置2重量较大,液压驱动杆13具有较大的承载,采用液压驱动杆13能满足实际工程需要,底座11受风浪影响跟随海洋钻井平台4晃动时,所述测量控制系统3通过控制液压驱动杆13的伸缩运动,调节所述平台12的位姿,抵消所述底座11晃动发生的偏移,使所述平台12始终保持静止,进而所述钻井装置2始终保持静止。
[0027] 测量控制系统3包括电位计31、传感器32、驱动系统33和控制终端34,在一实施例中,驱动系统33为液压泵,所述控制终端34为工业计算机,所述电位计31为滑动变阻器,所述传感器32为六自由度运动传感器,传感器32安装在底座11上,所述电位计31安装在液压驱动杆13上,所述传感器32和电位计31均连接控制终端34,所述控制终端34控制驱动系统33,所述驱动系统33驱动液压驱动杆13的伸缩运动。底座11跟随海洋钻井平台4在风浪中晃动时,所述传感器32测量底座11在晃动中的偏移,并传输给控制终端34,所述控制终端34根据底座11的偏移计算抵消底座11晃动偏移所需液压驱动杆13的伸缩长度,并通过驱动系统
33驱动液压驱动杆13的伸缩运动,所述电位计31实时测量液压驱动杆13在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端34,所述控制终端34对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统33控制液压驱动杆13在伸缩运动中的长度,使所述平台12始终保持静止。
[0028] 请参考图4,Stewart并联机构1的平台12和底座11在钻井开始时平行,且所述平台12和底座11的中心在同一铅垂线上,假设所述平台12位于参考系OP-XPYPZP,所述底座11位于参考系OB-XBYBZB;钻井过程中,所述底座11的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座11的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台12相对于底座11的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);受到风浪影响时,底座11跟随海洋钻井平台
12的晃动发生偏移,所述底座11相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,如果不控制液压驱动杆的伸缩运动调整平台12至期望位置,则钻井装置2会跟随底座11发生偏移,偏移量为q,为了使得钻井装置2始终保持静止,所述底座11上的传感器32测量底座11的偏移,并传输给控制终端34,所述控制终端根据底座11的偏移计算抵消底座11晃动偏移所需液压驱动杆13的伸缩长度,并通过驱动系统33控制液压驱动杆13的伸缩运动,使所述平台12相对底座11产生-q的偏移,即所述平台12相对底座11的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,βd',γ'd);通过电位计31实时测量液压驱动杆13在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端
34,所述控制终端34对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统33控制液压驱动杆13在伸缩运动中的长度,从而调节平台12的位姿,使所述平台12始终保持静止。
[0029] 请参考图4,一种基于Stewart并联机构的海洋钻井平台的位姿平衡方法,包括以下步骤:
[0030] (1)选择一个惯性参考系,表示为O-XYZ;
[0031] (2)钻井开始时,所述Stewart并联机构的平台12和底座11平行,且所述平台12和底座11的中心在同一铅垂线上,假设所述平台12位于参考系OP-XPYPZP,所述底座11位于参考系OB-XBYBZB;
[0032] (3)钻井过程中,所述底座11的期望工作位置为qd=(xd,yd,zd,0,0,0),所述底座11的实际工作位置为qb=(xb,yb,zb,αb,βb,γb),在没有风浪时,所述平台12相对于底座11的位置为qPB=(xPB,yPB,zPB,αPB,βPB,γPB);受到风浪影响时,底座11跟随海洋钻井平台12的晃动发生偏移,所述底座11相对于期望工作位置的偏移为q=qb-qd,如果不控制液压驱动杆的伸缩运动调整平台12至期望位置,则钻井装置2会跟随底座11发生偏移,偏移量为q,为了使得钻井装置2始终保持静止,所述底座11上的传感器32测量底座11的偏移,并传输给控制终端34,所述控制终端根据底座11的偏移计算抵消底座11晃动偏移所需液压驱动杆13的伸缩长度,并通过驱动系统33控制液压驱动杆13的伸缩运动,使所述平台12相对底座11产生-q的偏移,即所述平台12相对底座11的位置为q'd=qPB-q=(x'd,y'd,z'd,α'd,βd',γ'd);
[0033] 抵消底座11晃动偏移所需液压驱动杆13伸缩长度的计算方法为:选取一液压驱动杆13与平台12的铰接点Pi,在参考系OP-XPYPZP中表示为Pi(xPi,yPi,zPi),在参考系OB-XBYBZB中表示为Pi'(x'i,y'i,z'i),并选取同一液压驱动杆13与底座11的铰接点Bi,在参考系OB-XBYBZB中表示为B(xBi,yBi,zBi);平台12相对于底座11偏移用矩阵R表示,R为(α'd,β'd,γ'd)的函数,通过旋转和平移变换,得到平台12上的铰接点Pi在参考系OB-XBYBZB中的坐标表示Pi'(x'i,y'i,z'i),
[0034]
[0035] 则,液压驱动杆13伸缩长度为:
[0036]
[0037] (4)通过电位计31实时测量液压驱动杆13在伸缩运动中的长度变化,并传输给控制终端34,所述控制终端34对偏移的抵消进行判断,并进一步通过驱动系统33控制液压驱动杆13在伸缩运动中的长度,从而调节平台12的位姿,使所述平台12始终保持静止,保证钻井的精度、效率和安全性。
[0038] 本发明通过抵消Stewart并联机构在风浪晃动中的偏移,隔离钻井装置受风浪的影响,保证钻杆在钻井过程中不发生移动和倾斜,保证了钻井的精度和安全性;而且,有效避免钻杆在海洋钻井平台发生较大幅度的运动而扭断,不会造成钻杆损毁,避免重新选择钻井位置,提高了钻杆的使用寿命,节约了经济成本,大大提高了钻井效率。
[0039] 在本文中,所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的,只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解,所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
[0040] 在不冲突的情况下,本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0041] 以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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