CN103485761A - 一种深海钻井隔水管状态监测系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海石油开发过程中对隔水管状态进行实时监测的技术，属于海洋石油开发领域。本发明安装有信息采集短节的隔水管包括：隔水管本体和安装于隔水管本体上的信息采集短节，在信息采集短节中设置有用于测量水压值的压力传感器、用于测量地理方位值的电子罗盘和用于测量水温的温度传感器，并在短节内壁贴有监测应力变化情况的应力应变片装置和信息处理的CPU处理模块，信号发送模块能向外发送信息；海底基站和信号收集器能接收和发送来自信息采集短节的信号并传输到信息收集处理和控制中心。本发明安装有信息采集短节的隔水管能有效监测钻井过程中的自身状态，提高其应对深海复杂环境的能力。

Description

一种深海钻井隔水管状态监测系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种海洋石油开发过程中对隔水管状态进行实时监测的工作方法。

背景技术

当今社会能源已经成为一个国家发展的主命脉，而有“黑黄金”之称的石油作为一种不可再生资源是世界上最主要的能源和战略物资之一。据有关机构预测，石油天然气在今后五十年间仍将保持其重要地位，我国自进入二十世纪90年代以来，随着国民经济的迅速增长以及国内陆上石油勘探开发量的逐渐减少，石油短缺已经成为一个制约经济发展和影响人民生活的严峻问题，这将导致今后石油开采方向不断朝拥有丰富油气储量的海洋方向发展，而深海钻井平台技术将在海洋油气勘探开发过程中发挥至关重要的支撑作用。

随着海洋油气开采技术的发展，像固定式钻井平台、移动式钻井平台等多种形式的海洋钻井平台已应用到海洋油气勘探开发生产过程中，在这些平台体系中都包含有隔水管这一重要设备系统。隔水管系统上端与海上平台等浮体连接，下端通往海底井口，作为联系钻井平台与海底井口最重要且脆弱的纽带，其整体处于海洋环境之中而极易受到恶劣海洋环境的影响和考验，保持隔水管良好的工作状态对保障正常的海洋油气生产作业活动有着不可替代的作用；同时隔水管系统也是隔开海水，提供井口与钻井平台之间液体传输的通道，主要用于钻井、采油、注水通气和油井维修安装等工序，另外还具有支持节流、压井、辅助管线和引导钻具等作用。

隔水管系统在海洋环境中面临着来自各方面复杂的挑战，当洋流流经该系统时会受到较大的拖曳力和升力而导致隔水管不断变形和产生结构疲劳损伤；当隔水管的旋涡脱落和自身固有频率相接近时，又会产生在较大的流速范围内都保持不变的涡激共振现象，在这种持续的共振作用下隔水管等管道结构就会产生失稳或疲劳破坏，继而影响海洋油气开采作业，甚至带来严重的工程和环境事故。随着国家未来海洋石油开发的方向朝超深水发展的趋势越发显著，隔水管系统的运行条件和状态维护要求以及安全和控制的要求将变得更加苛刻，该系统也更易出现事故，甚至导致非常严重的后果，所以对深海钻井开发过程中隔水管状态的实时监测将变得愈加重要。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种结构简单，操作简便，能够实时监测深海石油钻井开发过程中隔水管的状态参数，并依据监测数据的分析结果及时采取措施对隔水管的工作状态进行有效调整，以增强隔水管系统应对复杂海洋环境的能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，在隔水管本体的两端和中部位置间隔一定距离上安装有信息采集短节，在该短节中设置有至少四个压力监测传感器装置和至少两个温度监测传感器装置，同时还设置有至少四个电子罗盘、至少四块应力应变片装置、至少三个信号发送模块以及一个CPU处理模块。在海底距水下井口一定距离上安装有地理方位固定不变的海底基站，并通过海底电缆将其与隔水管相联系。

本发明中安装在隔水管本体中的信息采集短节，短节中设置的压力监测传感器装置用于在海洋石油钻井过程中对隔水管周围不同水深的水压变化情况进行监测；短节中设置的温度监测传感器装置，用于对隔水管周围的海水温度进行测量；短节中设置的电子罗盘，用于在洋流作用下对隔水管的地理方位变化情况进行监测；短节中设置的应力应变片装置，用于对隔水管在洋流作用下的伸缩变形量进行测量。最后将各类传感器装置所测得的压力值、温度值、方位值以及自身的变形量值通过针脚线路中的内置线路及时传递到CPU处理模块，由其对监测数据进行分类存储和打包，再传输给信号发射模块向外发送。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，在短节中的压力监测传感器装置、温度监测传感器装置、电子罗盘、应力应变片装置、CPU处理模块和信号发送模块之间进行传输的信号为电信号，而信号发送模块将从CPU处理模块传输过来的电信号转换为声波信号后再向外发送。

由于采用上述结构，各传感器装置工作时所用电能来源于隔水管与海上钻井平台相连接的电缆，输送信号采用电信号且能在隔水管内置线路中拥有很快的传送速度，能够迅速将所测信号向CPU处理模块传输。信号发送模块将电信号转换成声波信号后再向外发送，该类信号能在海水中传播较远的距离并保持较高的完整度，避免了采用电磁信号进行传输时出现的信号衰减失真和传输距离受到限制的问题。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，所述安装在距离水下井口一定距离且地理方位固定不变的海底基站，其接收从信息采集短节中信号发送模块发送的声波信号，并将该声波信号转化为电信号后进行分时间段分类存储，再通过与隔水管相连接的海底电缆向海上钻井平台传送。

由于采用了上述结构，安装在信息采集短节中的各类传感器所测状态信息能顺利实现向海上钻井平台进行传输，并保证隔水管状态信息的及时准确。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，所述信息采集短节中信号发送模块的信息发送方向分为两部分：一部分为距离海面较近的隔水管状态信息，该信息由安装在海上钻井平台船底处的信号收集器接收，转换成电信号直接传输到海上钻井平台；另一部分为距离海面较远的隔水状态信息，该信息由海底基站接收，转换成电信号后通过海底电缆再向海上钻井平台传输。

由于采用了上述结构，使隔水管的状态信息得到更加全面的传输，避免采用单一信息传输-接收方向时出现的信息失真和时间滞后，保证隔水管状态信息的准确性和及时性。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，所述海底基站向海上钻井平台传送的状态信息由钻井平台上的信息收集处理和控制中心进行处理和分析，并根据监测数据的分析结果向中控室发出调整隔水管状态的动作响应。

由于采用上述结构，使得隔水管在水下不同深度的状态信息得到及时监测和了解，并以所传输数据为依据对隔水管状态进行调整，使调控得到有效响应并避免隔水管在海水作用下出现破坏性变形，提高隔水管抵御水下恶劣环境影响的能力。

本发明中的安装有信息采集短节的隔水管工作方法，其特征在于：在进行海洋石油勘探开发过程中，深海海面下的隔水管遇到较大洋流作用或其他因素影响时，需要对隔水管的状态信息进行监测并根据分析结果采取措施对状态进行及时调整，其工作方法如下：

101.信息采集短节（3）中的压力监测传感器装置（3-1g）对该段隔水管附近不同深度的海水水压值进行测量；温度监测传感器装置（3-1m）对该段隔水管周围海水的水温值进行测量；电子罗盘（3-1j）对该段隔水管在海水作用下变形后的地理方位值进行测量；应力应变片装置（3-1d）对隔水管的自身应力变形情况进行测量。

102.将信息采集短节（3）中各传感器装置所测数据通过针脚线路（3-1i）中的内置线路（3-1n）以电信号形式输送给CPU处理模块（3-1f），由其对所有数据进行分类存储和打包，再传送到信号发射模块（3-1e）。

103.信号发送模块（3-1e）将CPU处理模块（3-1f）传送来的电信号转换成声波信号，其信号发送方向分为两类：一类距离海面较近的隔水管段状态信息朝海上钻井平台（6）船底处设置的信号收集器（5）发送；另一类距离海面较远的隔水管段状态信息朝海底基站（1）发送；

104.海底基站（1）将接收的声波信号转换为电信号后通过与隔水管系统相连的海底电缆（8）向海上钻井平台传送。由于海底基站的地理方位固定不变，以此作为基准能保证在海水作用下处于不断变化中的隔水管方位信息得到准确测定；

105.位于海上钻井平台（6）船底处的信号收集器（5）接收到距离海面较近的隔水管段状态声波信息后，将其转换为电信号直接传送到海上钻井平台（6）。

106.海上钻井平台（6）上的信息收集处理和控制中心（7）将从海底基站（1）和船底信号收集器（5）传送的信号进行收集整理和综合分析，得到整个隔水管系统的状态信息，并及时采取措施对隔水管状态进行调整，以增强其应对深海水下复杂环境影响的能力。

由于采用了上述方法，能够在深海钻井过程中对隔水管的状态信息进行有效的实时监控。在工作过程中当隔水管遇较大变化洋流等其他海洋复杂因素作用时，需要对其状态进行调整时，该套方法能够实时得到整套隔水管系统的状态信息并依据数据分析结果迅速做出反应，提高隔水管应对深海复杂环境的能力而达到防止其出现大变形导致断裂等严重事故的发生，从而保证深海石油钻井过程中系统的安全使用。该工作方法具有简单可行，操作简便，反应迅速，各传感器装置对隔水管系统状态信息测量精确和传递及时等特点，在数据信息传递过程中信号方向采用单向通信，同时在海水中实现电信号与声波信号的相互转换，使信号在海水中的可传递距离增加，能有效保证数据信息的完整性和准确性。

综上所述，由于采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的安装有信息采集短节的隔水管，能够全面有效的对深海石油开发过程中隔水管的状态信息进行实时监测，且各传感器装置测量的数据信息在隔水管-海底基站-海上钻井平台三者之间能实现高速度传递和高准确度，使海上钻井平台能有效地采取措施及时调整隔水管的状态，防止隔水管在海水影响下出现断裂等其他严重事故；

2、本发明的安装有信息采集短节的隔水管，采用电信号-声波信号的相互转换传输，传输速度快，耗时少，且在海水中的传输距离远和信息失真度小，对水下隔水管的状态变化反应迅速，由此形成一整套监测与处理系统，能够有效地预防隔水管较危险事故的发生等；

3、本发明的安装有信息采集短节的隔水管的工作方法，该方法简单可行，操作简便，反应迅速，能够有效地监控深海隔水管的状态变化信息，能依据实时数据分析结果迅速实现对隔水管做出调整，保证深海钻井过程中整套隔水管系统的安全使用。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明中安装有信息采集短节的隔水管系统的结构示意图；

图2是本发明中的信息采集短节的结构示意图；

图3是图2中的A-A视图；

图4是图2中的B-B视图；

图5是本发明的安装有信息采集短节的隔水管的工作流程图。

图中标记：1-1-第一海底基站、1-2-第二海底基站、1-3-第三海底基站、2-水下防喷器组、3-1-第一信息采集短节、3-1a-下接头、3-1b-主筒体、3-1c-中心筒、3-1d1-第一应力应变片装置、3-1d2-第二应力应变片装置、3-1e-信号发送模块、3-1f-CPU处理模块、3-1g-压力监测传感器装置、3-1h-电缆、3-1i-针脚线路、3-1j-电子罗盘、3-1k-上接头、3-1l-节流管线、3-1m-温度监测传感器装置、3-1n-内置线路、3-1p-压井管线、3-2-第二信息采集短节、3-3-第三信息采集短节、4-隔水管本体、5-1-第一信号收集器、5-2-第二信号收集器、6-海上钻井平台、7-信息收集处理和控制中心、8-海底电缆。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书包括任何附加权利要求、摘要和附图中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管，如图1、图2、图3和图4所示，隔水管本体4下端与水下防喷器组2相连接，上端与海上钻井平台6相连接，且在隔水管本体上设置有信息采集短节3，在距水下井口一定距离上设置有海底基站1。信息采集短节3被安装于隔水管本体的两端附近和中部位置用于对整个隔水管状态信息进行监测，也可根据实际需要和处于不同水深的隔水管具体长度要求选择在中部间隔一定距离上安装满足监测要求所需数量的信息采集短节。信息采集短节3的结构分为上接头3-1k、主筒体3-1b、中心筒3-1c和下接头3-1a，上接头3-1k和下接头3-1a与隔水管本体4实现有效连接且信息采集短节中空与隔水管本体中空相贯通，中心筒3-1c的作用主要是保证信息采集短节3中内部空间与主筒体3-1b形成能保证有效密封的环环形空间，用以防止各类传感器装置和内置线路3-1n中的电缆线直接与海水相接触。电子罗盘3-1j、温度监测传感器装置3-1m和压力监测传感器装置3-1g分两层布置在信息采集短节3中主筒体3-1b预先设计加工好的安装孔中，压力监测传感器装置3-1g布置在主筒体3-1b位于同一层的安装孔中，用以对该段隔水管周围不同深度的海水压力数据进行监测；电子罗盘3-1j和温度监测传感器装置3-1m布置在同一层安装孔中，电子罗盘3-1j用于对该段隔水管在洋流等海洋环境作用下地理方位变化情况进行监测，温度监测传感器装置3-1m用于对隔水管段周围的海水温度进行测量；中心筒3-1c与主筒体3-1b形成的密封环形空间中位于主筒体内壁处设置有应力应变片装置3-1d，用于对隔水管在海水作用下自身的应力变形情况监测。在信息采集短节3中的各类传感器装置所用电能由通过针脚线路3-1i的隔水管电缆3-1h供应，隔水管中的电缆线与海水钻井平台上的主电站相连接。

信息采集短节3中的压力监测传感器装置3-1g、电子罗盘3-1j、温度监测传感器装置3-1m和应力应变片装置3-1d四类传感器装置将所测得的各类信息通过内置线路3-1n传送到CPU处理模块3-1f，由其对数据进行分类分时间段打包存储，数据处理完成后再传送到信号发送模块3-1e，由其将接收到的电信号转换成声波信号后向外发送，在海水中声波信号的传输距离比电信号远且不易衰减，能保证较好的完整性和准确性。

信号发送模块3-1e的数据信息发送方向分为两部分：一部分朝向海底基站1，另一部分朝向安装于海上钻井平台6船底的信号收集器5。距离海面较近的隔水管段状态信息由信息采集短节3发送到信号收集器5，距离海面较远的隔水管段状态信息由信息采集短节3发送到海底基站1，采用两种不同方向的信息发送方式能更好地保证状态数据信息传递的准确性和完整性，避免采用单一方向时产生的时间延迟和信息误差。

海底基站1和信号收集器5接收到信号发送模块3-1e发送的声波信号后转换成电信号，再通过与海上钻井平台6相连接的电缆进行传送到信息收集处理和控制中心7，由其对所接收到包含隔水管状态信息的电信号进行处理和综合分析，得到不同时间段内位于不同水深处的隔水管完整状态信息，并依据数据分析结果发出隔水管状态调整指令。

本发明中采用的信息采集短节，结构简单，使用方便，操作简便，能够及时全面的监测水下隔水管的状态信息，采用电信号-声波信号相互转换的信号传送方式，能大大增加信号在海水中的传输距离，同时保证隔水管状态信息传递的及时性和准确性，使隔水管在面对深海复杂环境时能及时有效地防止事故的发生，确保深海石油钻井过程的连续、安全、可靠。

本发明的安装有信息采集短节的隔水管的工作方法，如图5所示，在深海石油钻井开发过程中，处于大洋之下的隔水管系统遇到较大变化洋流等海洋环境因素影响时，需要依据隔水管的监测数据对隔水管状态进行及时调整，其操作方法采用以下步骤完成：

101.信息采集短节（3）中的压力监测传感器装置（3-1g）对该段隔水管附近不同深度的海水水压值进行测量；温度监测传感器装置（3-1m）对该段隔水管周围海水的水温值进行测量；电子罗盘（3-1j）对该段隔水管在海水作用下变形后的地理方位值进行测量；应力应变片装置（3-1d）对隔水管的自身应力变形情况进行测量。

102.将信息采集短节（3）中各传感器装置所测数据通过针脚线路（3-1i）中的内置线路（3-1n）以电信号形式输送给CPU处理模块（3-1f），由其对所有数据进行分类存储和打包，再传送到信号发射模块（3-1e）。

103.信号发送模块（3-1e）将CPU处理模块（3-1f）传送来的电信号转换成声波信号，其信号发送方向分为两类：一类距离海面较近的隔水管段状态信息朝海上钻井平台（6）船底处设置的信号收集器（5）发送；另一类距离海面较远的隔水管段状态信息朝海底基站（1）发送；

104.海底基站（1）将接收的声波信号转换为电信号后通过与隔水管系统相连的海底电缆（8）向海上钻井平台传送。由于海底基站的地理方位固定不变，以此作为基准能保证在海水作用下处于不断变化中的隔水管方位信息得到准确测定；

105.位于海上钻井平台（6）船底处的信号收集器（5）接收到距离海面较近的隔水管段状态声波信息后，将其转换为电信号直接传送到海上钻井平台（6）。

106.海上钻井平台（6）上的信息收集处理和控制中心（7）将从海底基站（1）和船底信号收集器（5）传送的信号进行收集整理和综合分析，得到整个隔水管系统的状态信息，并及时采取措施对隔水管状态进行调整，以增强其应对深海水下复杂环境影响的能力。

由于采用了上述工作方法，能够有效地监控深海钻井过程中隔水管系统在不同水深处所处的状态。在海洋钻井施工过程中，当隔水管系统遇较大变化洋流等海洋环境因素作用时能够迅速依据所监测的数据分析结果对其状态进行调整，提高隔水管应对深海复杂环境的能力，防止隔水管出现诸如大变形而断裂等危险事故，保证深海石油钻井过程中隔水管系统的安全使用。该工作方法同时具有简单可行，操作简便和各传感器装置对隔水管状态信息测量精确全面，传递及时等特点，该方法在海水中能实现电信号与声波信号的转换，使信号的可传递距离增加，具有一定的现实可行性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：它包括海底基站（1），信息采集短节（3），隔水管本体（4），信号收集器（5），信息收集处理和控制中心（7）和海底电缆（8）；隔水管本体（4）的底部与水下防喷器组（2）相连接，顶部与海上钻井平台（6）相连接，在邻近水下防喷器组（2）和海上钻井平台（6）的隔水管两端位置以及隔水管系统中部位置间隔一定距离上安装有一定数量的信息采集短节（3），便于对隔水管的状态信息进行及时监测；在距水下井口一定距离上设置有至少三个海底基站（1），在海上钻井平台（6）船底处设置有一定数量的信号收集器（5），用于对信息采集短节（3）发送的数据进行接收和传输；在海上钻井平台（6）上设置有信息收集处理和控制中心（7），用于对收集到的水下隔水管状态信息进行处理。

2.如权利要求1所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述信息采集短节（3）设置有至少四个压力监测传感器装置（3-1g）和至少两个温度监测传感器装置（3-1m），同时还设置有至少四个电子罗盘（3-1j）和至少四块应力应变片装置（3-1d），用于对隔水管的状态进行监测。

3.如权利要求1所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述信息采集短节（3）设置有一个CPU处理模块（3-1f）和至少三个信号发送模块（3-1e），用于对隔水管的状态信息进行处理和发送。

4.如权利要求1或2或3所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述压力监测传感器装置（3-1g）主要用于监测该段隔水管附近所处海洋不同水深处的水压值，并将该值输送到CPU处理模块（3-1f）；所述的温度监测传感器装置（3-1m）主要用于监测该段隔水管周围海洋的水温值，并将该值输送到CPU处理模块（3-1f）；所述的的电子罗盘（3-1j）主要用于测量该段隔水管在海水作用下的地理方位值，并将该值输送到CPU处理模块（3-1f）；所述的应力应变片装置（3-1d）主要对隔水管在海水作用下隔水管本体（4）的变形情况进行测量，并将该变形量输送到CPU处理模块（3-1f）。

5.如权利要求1或2或3所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述的各传感器装置与CPU处理模块（3-1f）之间通过外部电缆（3-1h）和信息采集短节（3）中的内置线路（3-1n）进行连接。

6.如权利要求1或3所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述CPU处理模块（3-1f）对各传感器装置的数据进行分类打包存储，通过信号发送模块（3-1e）向海底基站（1）和信号收集器（5）进行发送，在信息发送传递过程中，信号发送模块（3-1e）发送的信号为声波信号。

7.如权利要求1或3所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述海底基站（1）接收到信息采集短节（3）中信号发送模块（3-1e）发送的信号后通过海底电缆（8）向海上钻井平台（6）进行传输。

8.如权利要求1所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述信息收集处理和控制中心（7）对从海上基站（1）和信息收集器（5）传送的数据信息进行综合处理并加以分析，根据分析结果发出对隔水管状态进行调整的命令措施。

9.如权利要求1或7所述的安装有信息采集短节的隔水管，其特征在于：所述的海底基站（1）相对隔水管本体（4）按一定地理方位角度分布在海底，同时将从信号发射模块（3-1e）接收到的声波信号转为电信号后再向海上钻井平台（6）进行传送。

10.一种如权利要求1至9中任一项所述的安装有信息采集短节的隔水管的工作方法，其特征在于：在进行海洋石油勘探开发过程中，处于深海海面以下的隔水管遇到较大洋流作用时，需要依据各类传感器所采集的状态数据对隔水管采取措施进行及时调整，其工作方法如下：

101.信息采集短节（3）中压力监测传感器装置（3-1g）对该段隔水管附近所处海洋不同水深处的水压值进行测量；温度监测传感器装置（3-1m）对该段隔水管周围海洋的水温值进行测量；电子罗盘（3-1j）对该段隔水管的地理方位值测量；应力应变片装置（3-1d）对隔水管在海水作用下的变形情况进行测量；

102.将信息采集短节（3）中各传感器装置所测量的数据通过针脚线路（3-1i）中的内置线路（3-1n）以电信号形式输送到CPU处理模块（3-1f），由其对所得数据进行分类存储和打包，再传送到信号发射模块（3-1e）；

103.信号发送模块（3-1e）将CPU处理模块（3-1f）传送来的电信号转换成声波信号，该信号的发送方向分为两类：一类距离海面较近的隔水管段状态信息朝海上钻井平台（6）船底处设置的信号收集器（5）发送；另一类距离海面较远的隔水管段状态信息朝海底基站（1）发送；

104.拥有海底地理定位功能的海底基站（1）将接收的声波信号转换为电信号并通过与隔水管相联系的海底电缆（8）向海上钻井平台（6）传送，由于海底基站的地理方位固定不变，以此作为基准能保证处于不断变化中的隔水管方位信息得到准确测定；

105.海上钻井平台（6）船底处设置的信号收集器（5）接收到距离海面较近的隔水管段状态声波信息，将其转换为电信号后直接传送到信息收集处理和控制中心（7）；

106.海上钻井平台（6）上设置的信息收集处理和控制中心（7）将从海底基站（1）和船底信号收集器（5）传送的信号进行综合分析后得到整个隔水管系统的状态信息，并及时采取措施对隔水管状态进行调整，以应对深海水下洋流等因素对隔水管的影响。

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