CN111188597B - 一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统及方法，该系统包括隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统、激光干涉监测系统、信息融合中心和平台控制中心；平台控制中心在平台附近有台风或其他危险情况时发送台风预警指令到各监测系统；信息隔水管应力应变监测系统对隔水管的应力应变参数进行实时测量；顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量；激光干涉监测系统对隔水管中心偏移量参数进行实时测量；信息融合中心将各实时测量值与参数预警值进行比较，当大于参数预警值时，发送预警信息到平台控制中心；平台控制中心对平台的速度及方向进行调整。本发明可以广泛应用于石油管道监测领域。

Description

一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统及方法

技术领域

本发明属于石油管道监测领域，涉及传感器测量、水下信号检测、水声信号无线传输等理论，特别是涉及一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统及方法。

背景技术

在钻井作业时，隔水管将钻井船(或浮式钻井平台)与海底井口连接在一起。在遭遇台风时，钻井船有时不能继续停留原位。如图1所示，如能提前精准预测台风路径，可以将隔水管自底部隔水管总成(LMRP)与井口防喷器(BOP)连接处断开并回收上甲板，然后使钻井船驶向安全区域。然而，在超深水海域，台风前将隔水管整体回收与台风后将其重新连接都将消耗数天的钻井时间。同时，回收或下放作业必须在较好的环境条件下进行。而常规避台模式下回收所有隔水管，驶离台风轨迹，面对深水、超深水和台风的避台准备时间不足。不适应超深水钻井作业需求。为了减少停工时间，并降低在恶劣环境下的操作风险，将隔水管悬挂在钻井船上并随之一起撤离是目前主要的研究方案。

但在软悬挂状态下进行平台撤离时，需要对悬挂的隔水管进行实时监测，以保证整个平台和隔水管的安全，然而目前国内还尚未出现类似技术，有待进一步研究。

发明内容

针对上述台风期间深水钻井软悬挂隔水管安全监测问题，本发明的目的是提供一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统及方法，能够解决台风等各类危险情况期间，隔水管处于软悬挂状态的实时监测及安全撤离。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其包括隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统、激光干涉监测系统、信息融合中心和平台控制中心；所述平台控制中心在钻井平台附近有台风或其他危险情况时发送台风预警指令到所述隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，令钻井平台进入预警模式；所述隔水管应力应变监测系统对隔水管的应力应变参数进行实时测量并发送到所述信息融合中心；所述顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，并发送到所述信息融合中心；所述激光干涉监测系统对隔水管中心偏移量参数进行实时测量，并发送到所述信息融合中心；所述信息融合中心用于将接收到的各实时测量值与预设的参数预警值进行比较，当实时测量值大于参数预警值时，发送预警信息到所述平台控制中心；所述平台控制中心根据所述预警信息对钻井平台的速度及方向进行调整。

进一步的，所述隔水管应力应变监测系统包括光纤传感子系统和解调子系统；所述光纤传感子系统包括4个FBG应变传感器和1个FBG补偿传感器，各所述FBG应变传感器用于对隔水管的应变进行实时测量，所述FBG补偿传感器用于对隔水管四周的温度和水压进行实时测量；所述解调子系统包括控制电路、光源、解调模块和三端口环形器；所述光源的输出端与所述三端口环形器的1端口相连，所述三端口环形器的2端口通过光纤与所述光纤传感子系统中的各传感器相连，所述三端口环形器的3端口与所述解调模块的输入端相连，所述解调模块的输出端与所述控制电路相连。

进一步的，4个所述FBG应变传感器的敏感方向沿隔水管轴线方向，在隔水管的截面外圆周上间隔90度排布，所述FBG补偿传感器靠近4个所述FBG应变传感器布置。

进一步的，所述顶部柔性接头倾角监测系统包括倾角传感器、RS232/RS485转换器和RS485/RS232转换器；所述倾角传感器设置在软悬挂状态时最顶部隔水管处，用于对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到的测量结果发送到所述RS232/RS485转换器；所述RS232/RS485转换器将测量数据进行转换，得到二进制格式的数据后发送到所述RS485/RS232转换器；所述RS485/RS232转换器将数据发送到所述信息融合中心；所述倾角传感器由所述信息融合中心通过电源线供电。

进一步的，所述激光干涉监测系统包括测距传感器组和数据处理单元；所述测距传感器组包括间隔设置在隔水管外壁的第一～第四激光测距传感器，所述第一～第四激光测距传感器用于对隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离进行测量；所述第一～第四激光测距传感器通过通信总线与数据处理单元相连，采用ModBus RTU通信协议与数据处理单元进行通信；所述数据处理单元集成设置在其中一所述激光测距传感器内，用于根据测量得到的隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离计算得到隔水管中心偏移量参数，并发送至所述信息融合中心。

进一步的，所述第一激光测距传感器和第三激光测距传感器的连线与第二激光测距传感器和第四激光测距传感器的连线分别为穿过隔水管中心的两条相互正交的直线。

进一步的，各所述激光测距传感器的采样频率为5Hz。

本发明的另一个方面，是提供一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统的监测方法，其包括以下步骤：

1)开启台风预警指令：当钻井平台附近有台风或其他危险情况靠近时，平台控制中心将台风预警指令发送至隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，钻井平台进入预警模式；

2)隔水管应力应变监测系统对隔水管应力应变数据进行实时采集，并计算得到隔水管的实时应力应变参数；

3)顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到隔水管顶部饶性接头与垂直方向的夹角；

4)激光干涉监测系统对隔水管外壁与钻井平台参考面的垂直距离进行实时测量，并根据实时测量结果计算得到隔水管的中心偏移量参数；

5)隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统分别将测距参数实时传输给信息融合中心，由信息融合中心根据接收到的实时参数测量值进行预警判断；

6)平台控制中心根据接收到的预警信息调整钻井平台的速度及方向。

进一步的，所述步骤4)中，隔水管的中心偏移量参数的计算公式为：

其中，d1、d2、d3、d4分别为四个激光测距传感器的测量距离，R为钻井平台参考面的半径，r为隔水管的半径。

进一步的，所述步骤5)中，信息融合中心根据接收到的实时参数测量值进行预警判断的方法，包括以下步骤：

5.1)根据钻井平台的承受能力或安全条件，分别设立隔水管光纤应力应变分系统、顶部转角传感分系统、激光干涉分系统的参数预警值；

5.2)将三个分系统的实测值与参数预警值进行比较，当实时测量值大于预警值时，信息融合中心发送预警信息到平台控制中心。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明提出的软悬挂状态下的隔水管安全监测系统。可实时计算软悬挂状态隔水管的受力情况及各类参数，实现对悬挂状态隔水管的安全监测。对于平台的移动控制具有一定的反馈作用，有助于台风期间软悬挂的隔水管和钻井平台进行安全撤离。软悬挂状态下的隔水管安全监测系统的开发，可以对软悬挂隔水管的状态实现实时监测，保证钻井作业安全顺利进行，规避台风等各类危险情况，对钻井安全、高效作业、规避风险有着重要的经济意义和社会意义。

附图说明

图1是软悬挂隔水管状态示意图；

图2是本发明隔水管应力应变监测系统框图；

图3是本发明顶部柔性接头倾角监测系统框图；

图4a是本发明激光测距传感器组通信网络；

图4b是本发明激光测距传感器在隔水管上的部署示意图；

图5是本发明方法流程图；

图6是本发明激光测距传感器组剖面图；

图中各标号如下：1、钻台面；2、悬挂楔块；3、钢丝绳；4、常规悬挂卡盘；5、内环滑动托盘；6、外环固定托盘；7、导引滑轨；8、滑轮和活塞杆；9、液压缸；10、分流器外罩；11、小尺寸隔水管；12、隔水管单根的接头法兰；13、常规隔水管单根；14、下饶性接头；15、下部隔水管总成；16、防喷器系统；17、井口系统；18、FBG应变传感器；19、FBG补偿传感器；20、隔水管；21、控制电路；22、光源、23、解调模块；24、环形器；25、倾角传感器；26、RS232/RS485转换器；27、RS485/RS232转换器；28、测距传感器组；29、数据处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提供的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其包括隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统、激光干涉监测系统、信息融合中心和平台控制中心。其中，平台控制中心在钻井平台附近有台风或其他危险情况时发送台风预警指令到隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，令钻井平台进入预警模式；隔水管应力应变监测系统接收到台风预警指令后，对隔水管的应力应变参数进行实时测量并发送到信息融合中心；顶部柔性接头倾角监测系统接收到台风预警指令后，对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，并发送到信息融合中心；激光干涉监测系统接收到台风预警指令后，对隔水管中心偏移量参数进行实时测量，并发送到信息融合中心；信息融合中心用于将接收到的各实时测量值与预设的参数预警值进行比较，当实时测量值大于参数预警值时，发送预警信息到平台控制中心；平台控制中心根据该预警信息对钻井平台的速度及方向进行调整，以确保台风期间软悬挂状态下的隔水管和钻井平台进行安全撤离。

进一步的，如图2所示，隔水管应力应变监测系统包括光纤传感子系统和解调子系统。其中，光纤传感子系统包括顺次串接的4个FBG应变传感器18和1个FBG补偿传感器19，各FBG应变传感器18用于对隔水管20的应变进行实时测量，FBG补偿传感器18用于对隔水管20附近的温度和水压进行实时测量；解调子系统包括控制电路21、光源22、解调模块23和三端口环形器24；光源22的输出端与环形器24的1端口相连，环形器24的2端口通过光纤与光纤传感子系统相连，环形器24的3端口与解调模块23的输入端相连，解调模块23的输出端与控制电路21相连。解调模块23探测，通过对5个FBG反射谱采样，并经过相应的信号处理和数据分析，获取各反射谱的中心波长，从而获得每个传感器的波长漂移量，进一步计算出隔水管的应力应变参数。

进一步的，光纤传感子系统中，4个FBG应变传感器18的敏感方向沿隔水管20轴线方向，在隔水管20的截面外圆周上间隔90度排布，FBG补偿传感器19靠近4个FBG应变传感器18布置。

进一步的，如图3所示，顶部柔性接头倾角监测系统包括倾角传感器25、RS232/RS485转换器26和RS485/RS232转换器27。其中，倾角传感器25设置在软悬挂状态时最顶部隔水管处，用于对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到的测量结果发送到RS232/RS485转换器26；RS232/RS485转换器26将测量数据进行转换，得到二进制格式的数据后发送到RS485/RS232转换器27；RS485/RS232转换器27将数据发送到信息融合中心；信息融合中心通过电源线为倾角传感器25供电。通过设置RS232/RS485转换器26以及RS485/RS232转换器27，是为了通过格式转换实现信息远距离传输，提高信息传输的可靠性，更加适用于具有较大空间的钻井平台。

进一步的，如图4a和图4b所示，激光干涉监测系统包括测距传感器组28和数据处理单元29。其中，测距传感器组28包括间隔设置在隔水管20外壁的第一～第四共四个激光测距传感器，各激光测距传感器用于对隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离进行测量；各激光测距传感器通过通信总线与数据处理单元相连，采用ModBus RTU通信协议与数据处理单元进行通信；数据处理单元29与其中一激光测距传感器集成设置，用于根据测量得到的隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离计算得到隔水管中心偏移量参数，并将隔水管中心偏移量参数通过通信总线传送到信息融合中心。

进一步的，第一激光测距传感器和第三激光测距传感器的连线与第二激光测距传感器和第四激光测距传感器的连线分别为穿过隔水管中心的两条相互正交的直线。

进一步的，各激光测距传感器的采样频率为5Hz。

如图5所示，基于上述软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，本发明还提供一种软悬挂状态下的隔水管安全监测方法，包括以下步骤：

1)开启台风预警指令：当钻井平台附近有台风或其他危险情况靠近时，平台控制中心将台风预警指令发送至隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，钻井平台进入预警模式，钻井平台可以进行软悬挂状态撤离台风水区域。

2)隔水管应力应变监测系统对隔水管应力应变数据进行实时采集，并计算得到隔水管的实时准确应力应变参数F。

具体的，包括以下步骤：

2.1)各FBG应变传感器分别采集反射回的窄带光波的波长数据作为初始波长，并根据初始波长漂移量初步计算出隔水管的最大应力和弯矩，计算方法为本领域技术人员公知方法，本发明在此不再赘述；

2.2)根据补偿传感器采集到的波长漂移量对4个FBG应变传感器进行温度和压力补偿，计算得到隔水管的实时准确应力应变参数F。

3)顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到隔水管顶部饶性接头与垂直方向的夹角θ。

在台风期间，钻井平台处于移动状态，导致隔水管顶部的柔性接头产生较大的倾斜，本发明通过倾角传感器测量隔水管顶部饶性接头与垂直方向的夹角θ。

4)激光干涉监测系统对隔水管外壁与钻井平台参考面的垂直距离进行实时测量，并根据实时测量结果计算得到隔水管的中心偏移量参数。

如图6所示，为激光测距传感器组剖面图。由该图可知，隔水管距离垂直正中心偏移量的计算公式为：

其中，d1、d2、d3、d4分别为四个激光测距传感器的测量距离，R为钻井平台参考面的半径，r为隔水管的半径。

5)隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统分别将测距参数实时传输给信息融合中心，由信息融合中心根据接收到的实时参数值进行预警判断。

光纤应力应变分系统采用水声通信将计算得到的隔水管应力应变参数值F实时传输至信息融合中心，顶部转角传感系统和激光干涉分系统均采用RS485协议将测量得到的角度θ和偏移量x、y经过线缆传输至信息融合中心。信息融合中心根据接收到的实时参数测量值进行预警判断，判断方法为：

5.1)根据钻井平台的承受能力或安全条件，分别设立隔水管光纤应力应变分系统、顶部转角传感分系统、激光干涉分系统的参数预警值；

5.2)将三个分系统的实测值与参数预警值进行比较，当实时测量值大于预警值时，信息融合中心发送预警信息到平台控制中心。

6)信息融合中心将预警信息发送给平台控制中心，由平台控制中心根据接收到的数据调整钻井平台的速度及方向，避免隔水管碰撞及其他事故的发生。

以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：其包括隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统、激光干涉监测系统、信息融合中心和平台控制中心；

所述平台控制中心在钻井平台附近有台风或其他危险情况时发送台风预警指令到所述隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，令钻井平台进入预警模式；

所述隔水管应力应变监测系统对隔水管的应力应变参数进行实时测量并发送到所述信息融合中心；

所述顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，并发送到所述信息融合中心；

所述激光干涉监测系统对隔水管中心偏移量参数进行实时测量，并发送到所述信息融合中心；

所述信息融合中心用于将接收到的各实时测量值与其对应的各个预设参数预警值进行比较，当实时测量值大于参数预警值时，发送预警信息到所述平台控制中心；

所述平台控制中心根据所述预警信息对钻井平台的速度及方向进行调整。

2.如权利要求1所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：所述隔水管应力应变监测系统包括光纤传感子系统和解调子系统；

所述光纤传感子系统包括4个FBG应变传感器和1个FBG补偿传感器，各所述FBG应变传感器用于对隔水管的应变进行实时测量，所述FBG补偿传感器用于对隔水管四周的温度和水压进行实时测量；

所述解调子系统包括控制电路、光源、解调模块和三端口环形器；所述光源的输出端与所述三端口环形器的1端口相连，所述三端口环形器的2端口通过光纤与所述光纤传感子系统中的各传感器相连，所述三端口环形器的3端口与所述解调模块的输入端相连，所述解调模块的输出端与所述控制电路相连。

3.如权利要求2所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：4个所述FBG应变传感器的敏感方向沿隔水管轴线方向，在隔水管的截面外圆周上间隔90度排布，所述FBG补偿传感器靠近4个所述FBG应变传感器布置。

4.如权利要求1所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：所述顶部柔性接头倾角监测系统包括倾角传感器、RS232/RS485转换器和RS485/RS232转换器；

所述倾角传感器设置在软悬挂状态时最顶部隔水管处，用于对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到的测量结果发送到所述RS232/RS485转换器；

所述RS232/RS485转换器将测量数据进行转换，得到二进制格式的数据后发送到所述RS485/RS232转换器；

所述RS485/RS232转换器将数据发送到所述信息融合中心；

所述倾角传感器由所述信息融合中心通过电源线供电。

5.如权利要求1所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：所述激光干涉监测系统包括测距传感器组和数据处理单元；

所述测距传感器组包括间隔设置在隔水管外壁的第一～第四激光测距传感器，所述第一～第四激光测距传感器用于对隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离进行测量；

所述第一～第四激光测距传感器通过通信总线与数据处理单元相连，采用ModBus RTU通信协议与数据处理单元进行通信；所述数据处理单元集成设置在其中一所述激光测距传感器内，用于根据测量得到的隔水管外壁到钻井平台参考面之间的垂直距离计算得到隔水管中心偏移量参数，并发送至所述信息融合中心。

6.如权利要求5所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：所述第一激光测距传感器和第三激光测距传感器的连线与第二激光测距传感器和第四激光测距传感器的连线分别为穿过隔水管中心的两条相互正交的直线。

7.如权利要求5所述的一种软悬挂状态下的隔水管安全监测系统，其特征在于：各所述激光测距传感器的采样频率为5Hz。

8.一种采用如权利要求1～7任一项所述软悬挂状态下的隔水管安全监测系统的隔水管安全监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）开启台风预警指令：当钻井平台附近有台风或其他危险情况靠近时，平台控制中心将台风预警指令发送至隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统，钻井平台进入预警模式；

2）隔水管应力应变监测系统对隔水管应力应变数据进行实时采集，并计算得到隔水管的实时应力应变参数；

3）顶部柔性接头倾角监测系统对隔水管顶部饶性接头偏角参数进行实时测量，得到隔水管顶部饶性接头与垂直方向的夹角；

4）激光干涉监测系统对隔水管外壁与钻井平台参考面的垂直距离进行实时测量，并根据实时测量结果计算得到隔水管的中心偏移量参数；

5）隔水管应力应变监测系统、顶部柔性接头倾角监测系统和激光干涉监测系统分别将隔水管的实时应力应变参数、隔水管顶部饶性接头与垂直方向的夹角和隔水管的中心偏移量参数实时传输给信息融合中心，由信息融合中心根据接收到的实时参数测量值进行预警判断；

6）平台控制中心根据接收到的预警信息调整钻井平台的速度及方向。

9.如权利要求8所述的一种隔水管安全监测方法，其特征在于：步骤4）中，隔水管的中心偏移量参数的计算公式为：

其中，d1、d2、d3、d4分别为四个激光测距传感器的测量距离，R为钻井平台参考面的半径，r为隔水管的半径。

10.如权利要求8所述的一种隔水管安全监测方法，其特征在于：步骤5）中，信息融合中心根据接收到的实时参数测量值进行预警判断的方法，包括以下步骤：

5.1）根据钻井平台的承受能力或安全条件，分别设立隔水管光纤应力应变分系统、顶部转角传感分系统、激光干涉分系统的参数预警值；

5.2）将三个分系统的实测值与参数预警值进行比较，当实测值大于预警值时，信息融合中心发送预警信息到平台控制中心。

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