CN103556991A - 深水钻井数据测量与记录系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水钻井数据测量与记录系统及方法。深水钻井数据测量与记录系统包括测量发射装置和接收装置，测量发射装置内的壳体中设置有：采集并处理泥浆或油气的速度及含气率的信息、得到测量数据的检测装置；记录装置；将测量数据发至接收装置的回传装置；实时监测测量数据、判断其是否超出阈值、在超出阈值时控制检测装置加快信息采集频率、控制记录装置保存测量数据、控制回传装置向接收装置发送测量数据的控制装置。本发明对测量数据进行实时采集和分析，传输速度比现有的泥浆脉冲方式快，且比平台处数据采集设备的测量数据获取率高。当发生重大事故时可维持数据获取功能，并通过水下机器人等载体搭载的数据接收装置实现数据回传。

Description

深水钻井数据测量与记录系统及方法

技术领域

本发明涉及深水钻井应用技术领域，尤其涉及一种深水钻井数据测量与记录系统及方法。

背景技术

2010年4月，在美国墨西哥湾，BP石油公司租用的“深水地平线”钻井平台井喷爆炸着火，事故造成17人重伤、11人死亡，造成墨西哥湾及沿岸地区严重污染。事故发生之后，由于钻井平台发生爆炸倾覆，现场数据毁坏程度很大，无法及时、准确分析事故原因。另外原油从海底井口不断喷出，井口无计量装置，因而无法对原油泄漏量进行准确估算，这给后期救援、环境污染评估及污染物处理带来很多麻烦。

即使在一个正常钻进的钻井周期内，由于现有井下随钻测量数据传输方式大多采用泥浆脉冲方式，传输速度相当低，使得井下流体流动参数数据获取率极低。虽然钻井平台隔水管出口处可实现高速数据采集，但是由于深水钻井条件下，泥线深度处压力较大，流体流动特征参数与平台出口处有较大差别，尤其发生恶性事故以后，平台数据采集系统处于瘫痪状态，监测数据获取率接近零。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的深水钻井数据测量与记录系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种深水钻井数据测量与记录系统，包括安装在钻井井口处的测量发射装置和安装于可下潜至井口附近的载体上的、具有防爆外壳的接收装置，测量发射装置包括一壳体，壳体中设置有：

采集并处理流经井口处环形空间中的泥浆或油气的速度及含气率的信息，以得到测量数据的检测装置

与检测装置相连接、用于存储测量数据的记录装置；

与记录装置相连接、用于与接收装置通信并将记录装置中的测量数据发送至接收装置的回传装置；

分别与检测装置、记录装置、回传装置相连接，且用于实时监测测量数据、判断测量数据是否超出阈值、并在测量数据超出阈值时控制检测装置加快信息采集频率、控制记录装置强制保存测量数据、并发出指令控制回传装置向接收装置发送测量数据的控制装置。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，检测装置包括：

用于检测泥浆或油气的速度及含气率的信息并输出测量信号的检测探头；

与检测探头相连接、用于处理测量数据的数据分析电路；以及

用于将测量数据模数转换为测量数据、并将测量数据发送至记录装置和控制装置的模数转换电路。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，检测探头为多普勒发射接收探头。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，记录装置包括：

用于存储测量数据的数据存储模块；

用于对数据存储模块存储的测量数据做时间标记的时钟发生模块；以及

与检测装置及回传装置分别相连接、用于与检测装置及回传装置进行数据通信的数据存取接口。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，回传装置包括：

根据控制装置的指令开启、用于向接收装置发送引导信号并引导接收装置向测量发射装置靠近的定位信号发射电路；

根据控制装置的指令开启、用于在测量发射装置与记录装置之间建立高速数据传输通道的通道建立电路；

在接收装置与测量发射装置的距离小于20米时与接收装置握手、将记录装置内的测量数据向接收装置传输的数据回传请求电路。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，接收装置包括：

接收定位信号发射电路的引导信号并控制载体带动接收装置靠近测量发射装置的引导控制电路；

在接收装置与测量发射装置的距离小于20米时与数据回传请求电路握手、接收测量数据的数据接收请求电路；以及

用于存储测量数据的数据存储单元。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，还包括用于向测量发射装置内各装置供电的供电装置，供电装置包括主电池组和备用电池组。

还提供一种深水钻井数据测量与记录方法，利用权利要求至中任一项的深水钻井数据测量与记录系统进行如下步骤：

S1：控制装置实时监测检测装置检测到的测量数据；

S2：控制装置判断测量数据是否超过阈值，当未超过阈值时，继续执行步骤S1，当测量数据超出阈值时，执行步骤S3；

S3：控制装置控制检测装置加快测量数据采集频率，控制记录装置强制保存测量数据，并向回传装置发送指令，使回传装置与接收装置通信并进行测量数据传输。

本发明的深水钻井数据测量与记录方法，步骤S3中，在回传装置向接收装置测量数据传输完毕后，回传装置向接收装置发送成功信号，接收装置控制载体返回水面或地面。

实施本发明的有益效果是：本发明的深水钻井数据测量与记录系统及方法对泥浆或油气流动参数的测量数据进行实时采集和分析，传输速度比现有的泥浆脉冲方式快，且比平台处数据采集设备的测量数据获取率高。当发生重大事故时，可维持数据获取功能，并通过水下机器人等载体搭载的数据接收装置实现数据回传。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明深水钻井数据测量与记录系统的模块示意图；

图2是本发明深水钻井数据测量与记录系统中测量数据的分析示意图；

图3是本发明深水钻井数据测量与记录方法的流程示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明的深水钻井数据测量与记录系统，用于记录钻井平台一个正常钻井周期内，或者发生井喷、钻井平台倾覆等恶性事故的非正常钻井全过程以及其后一定时间段内，流经井口位置环形空间中的泥浆和/或油气流动状态。

如图1所示，本发明的深水钻井数据测量与记录系统包括测量发射装置800和接收装置500。其中，测量发射装置800固定安装在钻井井口处，接收装置500安装于可下潜至井口附近的载体上，且接收装置500具有防爆外壳。本发明深水钻井数据测量与记录系统中的各装置功能相对独立，由有线信号线、无线信号传输机制和供电电缆结合成为一个功能完整的系统。

测量发射装置800中包括一壳体，壳体中设置有检测装置100、记录装置200、回传装置400、控制装置300和供电装置600。

检测装置100安装于井口外部，用于通过非接触式测量方式测量流经井口处环形空间中的泥浆或油气的速度及含气率的信息。可以理解地，检测装置100可直接安装在井口侧壁，随井口安装过程下入泥线处；或者，对于井口已安装到位的检测装置100，还可采用水下安装机器人或其他方式将检测装置100固定在井口侧壁。检测装置100包括检测探头110、数据分析电路120和模数转换电路130。

其中，检测探头110用于检测泥浆或油气的速度及含气率的信息并输出测量信号。本发明实施例中的检测探头110为多普勒发射接收探头。可以理解地，多普勒发射接收探头可包括多普勒发射和多普勒接收两部分，二者配合进行信息测量。

数据分析电路120与检测探头110相连接，用于处理检测探头100的测量信号。可以理解地，数据分析电路120为多普勒多相流动信号分析电路，将测量信号由模拟量转换为数字量。如图2所示的实验数据可知：纯液相泥浆的多普勒速度测量信号的概率密度分布函数中心值与含气泥浆两相流的多普勒速度测量信号的概率密度分布函数中心值有偏差，偏差的大小对应含气率的大小。由此可得泥线处井口位置环形空间内泥浆或油气的含气率大小。

再如图1所示，模数转换电路130用于将测量信号模数转换为测量数据，并将测量数据发送至记录装置200和控制装置300。

记录装置200与检测装置100相连接，用于存储检测装置100所采集的测量数据。

记录装置200包括数据存储模块220、时钟发生模块210和数据存取接口230。

其中，数据存储模块220用于存储测量数据。可以理解地，数据存储模块220采用大容量磁性数据记录介质对时钟发生模块210产生的时间和由检测装置100输出的速度数据段和含气率数据段等数据进行记录，数据存储模块220的存储容量满足一年的测量数据存储。

时钟发生模块210用于对数据存储模块220存储的测量数据做时间标记。可以理解地，时钟发生模块210采用高精度晶振芯片进行计时。

数据存取接口230与检测装置100及回传装置400分别相连接，用于与检测装置100及回传装置400进行数据通信。可以理解地，记录装置200通过数据存取接口230接收检测装置100检测到的测量数据，以及将存储在数据存储模块220中的测量数据传送回传装置400。数据存取接口230与检测装置100和回传装置400分别通过信号电缆组连接。

回传装置400与记录装置200相连接，用于与接收装置500通信并将记录装置200中的数据发送至接收装置500。

回传装置400包括定位信号发射电路430、通道建立电路410、数据回传请求电路420。

其中，定位信号发射电路430根据控制装置300的指令开启，用于向接收装置500发送引导信号并引导接收装置500向测量发射装置800靠近。可以理解地，引导信号的发射范围较大。

通道建立电路410根据控制装置300的指令开启，用于在测量发射装置800与记录装置200之间建立高速数据传输通道。

数据回传请求电路420在接收装置500与测量发射装置800的距离小于20米时与接收装置500握手，并将记录装置200内的测量数据向接收装置500传输。

控制装置300分别与检测装置100、记录装置200、回传装置400相连接，用于判断钻井过程中是否发生事故并通过指令控制系统运行。控制装置300实时监测检测装置100所检测的测量数据，判断测量数据是否超出阈值，并在测量数据超出阈值时控制检测装置100加快测量数据采集频率，控制记录装置200强制保存测量数据，并发出指令控制回传装置400向接收装置500发送测量数据。可以理解地，阈值为预定的泥浆或油气的速度及含气率的极限值。

接收装置500包括引导控制电路510、数据接收请求电路520和数据存储单元530。

其中，引导控制电路510用于接收定位信号发射电路430的引导信号并控制载体带动接收装置500靠近测量发射装置800。

数据接收请求电路520用于在接收装置500与测量发射装置800的距离足够近的情况下，进行双向无线通讯，实现无线数据传输速度测试、身份验证等功能，确定回传装置400与接收装置500可以建立安全、高速、稳定的无线数据传输通道后与数据回传请求电路420握手，数据回传请求电路420将记录装置200中的测量数据按照一定顺序向接收装置500发送，数据接收请求电路520将接收到的测量数据存储在数据存储单元530。可以理解地，当接收装置500与测量发射装置800的距离小于20米时，为足够近的情况。

当测量数据传输完成后，回传装置400向接收装置500发送成功信号，接收装置500控制所在载体返回水面或地面。

数据存储单元530用于存储测量数据。

供电装置600用于向测量发射装置800内各装置供电，包括主电池组和备用电池组。可以理解地，供电装置600内主电池组和备用电池组均为高容量、耐低温的电池组。供电装置600在控制装置300的控制下对深水钻井数据测量与记录系统内各装置供电，可满足系统连续一年工作的电量供给。在出现特殊情况时，供电装置600进入休眠状态，以保证回传装置400实现全部数据回传的电力需求。

如图3所示，本发明的深水钻井数据测量与记录方法利用本发明的深水钻井数据测量与记录系统来进行如下步骤：

S1：控制装置300实时监测检测装置100检测到的测量数据。其中，由检测装置100中的数模转换电路将检测到的测量数据实时发送至控制装置300。

S2：控制装置300判断测量数据是否超过阈值，当未超过阈值时，继续执行步骤S1，当测量数据超出阈值时，执行步骤S3。可以理解地，阈值为预定的泥浆或油气流动参数数据为含气率和/或流动速度的极限值。

S3：控制装置300控制检测装置100加快测量数据采集频率，此时已进入特殊状态，检测装置100采集特殊状态中泥浆或油气流动参数的密集测量数据；控制记录装置200强制保存测量数据，并向回传装置400发送指令，使回传装置400与接收装置500通信并进行测量数据传输。在回传装置400向接收装置500数据传输完毕后，回传装置400向接收装置500发送成功信号，接收装置500控制载体返回水面或地面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干个改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，包括安装在钻井井口处的测量发射装置（800）和安装于可下潜至所述井口附近的载体上的、具有防爆外壳的接收装置（500），所述测量发射装置（800）包括一壳体，所述壳体中设置有：

采集并处理流经所述井口处环形空间中的泥浆或油气的速度及含气率的信息，以得到测量数据的检测装置（100）；

与所述检测装置（100）相连接、用于存储所述测量数据的记录装置（200）；

与所述记录装置（200）相连接、用于与所述接收装置（500）通信并将所述记录装置（200）中的测量数据发送至所述接收装置（500）的回传装置（400）；

分别与所述检测装置（100）、所述记录装置（200）、所述回传装置（400）相连接，且用于实时监测所述测量数据、判断所述测量数据是否超出阈值、并在所述测量数据超出所述阈值时控制所述检测装置（100）加快信息采集频率、控制所述记录装置（200）强制保存所述测量数据、并发出指令控制所述回传装置（400）向所述接收装置（500）发送所述测量数据的控制装置（300）。

2.根据权利要求1所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，所述检测装置（100）包括：

用于检测所述泥浆或油气的速度及含气率的信息并输出测量信号的检测探头（110）；

与所述检测探头（110）相连接、用于处理所述测量信号的数据分析电路（120）；以及

用于将所述测量信号模数转换为所述测量数据、并将所述测量数据发送至所述记录装置（200）和所述控制装置（300）的模数转换电路（130）。

3.根据权利要求2所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，所述检测探头（110）为多普勒发射接收探头。

4.根据权利要求1所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，所述记录装置（200）包括：

用于存储所述测量数据的数据存储模块（220）；

用于对所述数据存储模块（220）存储的所述测量数据做时间标记的时钟发生模块（210）；以及

与所述检测装置（100）及所述回传装置（400）分别相连接、用于与所述检测装置（100）及所述回传装置（400）进行数据通信的数据存取接口（230）。

5.根据权利要求1所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，所述回传装置（400）包括：

根据所述控制装置（300）的所述指令开启、用于向所述接收装置（500）发送引导信号并引导所述接收装置（500）向所述测量发射装置（800）靠近的定位信号发射电路（430）；

根据所述控制装置（300）的所述指令开启、用于在所述测量发射装置（800）与所述记录装置（200）之间建立高速数据传输通道的通道建立电路（410）；

在所述接收装置（500）与所述测量发射装置（800）的距离小于20米时与所述接收装置（500）握手、将所述记录装置（200）内的所述测量数据向所述接收装置（500）传输的数据回传请求电路（420）。

6.根据权利要求5所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，所述接收装置（500）包括：

接收所述定位信号发射电路（430）的所述引导信号并控制所述载体带动所述接收装置（500）靠近所述测量发射装置（800）的引导控制电路（510）；

在所述接收装置（500）与所述测量发射装置（800）的距离小于20米时与所述数据回传请求电路（420）握手、接收所述测量数据的数据接收请求电路（520）；以及

用于存储所述测量数据的数据存储单元（530）。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的深水钻井数据测量与记录系统，其特征在于，还包括用于向所述测量发射装置（800）内各装置供电的供电装置（600），所述供电装置（600）包括主电池组（610）和备用电池组（620）。

8.一种深水钻井数据测量与记录方法，其特征在于，利用权利要求1至7中任一项所述的深水钻井数据测量与记录系统进行如下步骤：

S1：控制装置（300）实时监测检测装置（100）检测到的测量数据；

S2：控制装置（300）判断所述测量数据是否超过阈值，当未超过阈值时，继续执行步骤S1，当所述测量数据超出阈值时，执行步骤S3；

S3：控制装置（300）控制所述检测装置（100）加快测量数据采集频率，控制所述记录装置（200）强制保存所述测量数据，并向回传装置（400）发送指令，使回传装置（400）与接收装置（500）通信并进行测量数据传输。

9.根据权利要求8所述的深水钻井数据测量与记录方法，其特征在于，所述步骤S3中，在所述回传装置（400）向所述接收装置（500）测量数据传输完毕后，所述回传装置（400）向所述接收装置（500）发送成功信号，所述接收装置（500）控制所述载体返回水面或地面。

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