CN107643103A - 自升式钻井平台操船安全实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自升式钻井平台操船安全实时监控系统，包括水深探测设备、气隙高度探测设备、桩腿高度变化探测装置、平台载荷监控装置、倾角探测设备以及对上述设备的信号进行采集的信号采集终端、对信号采集终端采集的收据进行处理及展示的数据处理以及展示终端。与现有技术相比，本发明具有对自升式钻井平台操船过程参数进行实时检测功能，随时掌握平台重大作业时各种状态（拔桩、升降、预压载、钻井）下的变化情况，提高了平台操船的安全等级。这对保证服役多年的自升式平台的安全使用，具有极其重要的现实意义。

Description

自升式钻井平台操船安全实时监控系统

技术领域

本发明涉及一套平台操船安全状态监控系统，尤其是一种对自升式钻井平台移位过程涉及的各数据参数、平台状态、安全信息进行实时监测的系统。

背景技术

目前国内外的自升式平台主要对升降装置进行监测，监测升降过程中的载荷、高度和温度（液压油或电机）及平台倾斜情况，其它数据没有监测。来福士船厂最新建造几条300英尺的平台，也仅仅对升降装置的运转情况进行监测和控制，除设备本身之外的操作过程数据及状况没有监控。

平台建造基本向着两个主要方面考虑,满足越来越严格的安全标准和扩大作业能力。平台就位之前主要评估海底承载能力及海洋环境。这些都是设计人员和管理人员（或工程技术人员）所承担的任务，平台现场操作人员只有把设备参数和实际施工参数人工结合起来，才能知道平台状态参数。这是目前操作人员所面临的困难，也是我们利用智能化的软件将其有机结合起来直观显示出来的工作，这符合装备智能化和信息化的发展趋势。随着海洋钻井市场的开发，钻井平台工作区域跨度加大，海况条件趋于复杂、对物资管理、操船作业、生产指挥等的要求也越来越高；平台移位时间要求越来越短，移位频率越来越高。因此，有必要对海上钻井平台油水库存及压载舱进行实时监测，解放劳动力，提高生产效率。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一套对自升式钻井平台移位过程涉及的各数据参数、平台状态、安全信息进行实时监测的系统。

本发明的主要技术内容是：

自升式钻井平台操船安全实时监控系统，包括：

水深探测设备，可实现对平台船体入水后实时水深值的监测；

气隙高度探测设备，可实现对平台船底至水面高度值的实时监测；

桩腿高度变化探测装置，可实现对平台各桩腿处升降变化的实时监测；

平台载荷监控装置，可实现对平台载荷的实时状态值监测；

倾角探测设备，可实现对平台不同方向上平衡状态的监控；

信号采集终端，可实现对所述水深探测设备、气隙高度探测设备、桩腿高度变化探测装置、平台载荷监控装置以及倾角探测设备的信号进行采集；

数据处理以及展示终端，可实现对信号采集终端采集的收据进行处理及展示，并制定判定条件，准确判断平台状态。

进一步的，所述水深探测设备为超声波水深探测器，所述气隙高度探测设备为超声波气隙探测器，所述桩腿高度变化探测装置包括安装在桩腿马达上的码盘以及监测码盘转动情况的光电传感器；所述平台载荷监控装置为贴装在桩腿齿轮轴上应变传感器，系统将传感器输出的电压值转化为可查看的重量值；所述倾角探测设备为倾斜传感器；所述数据处理以及展示终端包括数据处理模块、无线通讯电路、电源模块以及展示终端。

进一步的，所述水深探测设备采集的水深值数据采用滤波算法处理，即按照实时采集500个数据，并实时展示前500个数，将这500个数据拟合成接近平均值的拟合曲线，第501个数据与这条拟合曲线的第500个数据进行对比，差距在上下1.5m以内，则第501个数据正确，实时展示，502个数据与2至501数据形成的拟合曲线的最后一个值对比，正确则展示，往下依次类推；

所述水深值在平台未入水即气隙大于零或平台入水小于等于0.5米时，保持上一值不变或为人工设置的初始值；平台入水后即入水大于0.5米后，采用经滤波后的实时值 + 吃水深度 ± 当前时刻潮汐值；

所述潮汐值为参照潮汐表中的每天四个时间点的波峰和波谷值，输入四个值后生成拟合曲线，即对应某个时间点的潮汐值。

进一步的，所述气隙探测设备采集的气隙高度值采用滤波算法处理，即按照实时采集500个数据，并实时展示前500个数，将这500个数据拟合成接近平均值的拟合曲线，第501个数据与这条拟合曲线的第500个数据进行对比，差距在上下1.5m以内，则第501个数据正确，实时展示，502个数据与2至501数据形成的拟合曲线的最后一个值对比，正确则展示，往下依次类推；

所述气隙高度值分为平均气隙值和各桩腿处气隙值，平均气隙值采用滤波处理后的气隙探测设备的探测值- 气隙探测设备到甲板的高度- 平台船体高度，气隙值逐渐减小，至为零，后变为吃水深度；各桩腿处气隙值由固定距离值和倾斜角度值得到，计算公式如下：

桩腿处气隙高度计算值=X+a*sinB+b*cosA；其中X为平均气隙值，A、B为横纵方向倾角,a为倾角探测设备到气隙探测设备横向距离，b为倾角探测设备到气隙探测设备纵向距离，*表示两端数据相乘。

进一步的，所述平台载荷监控装置是由微应变传感器及数据接收处理终端组成的测量系统，微应变传感器电压值经过小波滤波算法处理，以去除干扰数据，载荷值的计算通过对平台在进坞桩腿齿轮不受力的状态下，检测微应变传感器值为零点标定值，选取平台仅承受已知桩腿重量情况下的微应变值进行对比，标定单位应变与载荷的对应关系。

进一步的，桩腿高度变化探测装置探测的桩腿高度变化值，桩腿高度变化值 = 选取的光电传感器转动格数 * 码盘间隔，方向通过监测马达转动的正反向来判定。

进一步的，所述监控系统能够通过水深探测设备探测的水深值、气隙高度探测设备探测的气隙高度值、桩腿高度变化探测装置探测的桩腿高度变化值，并结合倾角探测设备探测的平台倾斜度，综合计算得到桩腿入泥深度值及桩靴距海底高度值；系统通过制定的判定条件，准确判断出平台作业状态、降平台过程、平台入水过程、拔桩过程、拔桩完成、拖航过程、插桩过程、压载过程、升平台过程，并对各状态进行三维动态展示。

进一步的，所述桩腿入泥深度值计算方式如下：

平台未入水时，桩腿入泥深度值 = 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度–桩腿处气隙高低值–平均水深值；

平台入水时，桩腿入泥深度值= 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度+ 各桩腿处吃水值–平均水深值。

进一步的，所述监控系统通过监测以及计算的数值能够实现以下判断：

所述的平台状态的判断，作业状态系统判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达无转动，桩腿入泥深度值锁定；降平台过程判断条件为平均气隙值减小且大于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；平台入水过程判断条件为平均气隙减小且小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；拔桩过程判断条件为平均气隙值小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度减小且大于零；拔桩完成判断条件为平均气隙小于零，桩腿入泥小于零；拖航过程判断条件为平均气隙小于零，桩腿桩靴离泥层超过1米；插桩过程判断条件为平均气隙小于1米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿桩靴离泥层小于等于1米或入泥大于零；压载过程判断条件为平均气隙大于零小于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动或停止；升平台过程判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿入泥深度不变。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的效果：具有对自升式钻井平台操船过程参数进行实时检测功能，随时掌握平台重大作业时各种状态（拔桩、升降、预压载、钻井）下的变化情况，提高了平台操船的安全等级。这对保证服役多年的自升式平台的安全使用，具有极其重要的现实意义。自升式钻井平台操船安全实时监控系统的推广应用可为应用者提供可视化的实时船体状态、载荷分布情况、马达工作情况，为操船者提供故障与极限状态预警，便于及时调整操船程序，保证平台随时在安全载荷内作业，有效减少或避免平台因超载荷作业给平台造成的损害，延长设备的使用寿命，避免设备故障造成的平台停工，保证平台生产的安全顺利进行，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1 为本发明所述监控系统整体架构示意图。

图2 为本发明所述平台在水面以上系统部署结构示意图。

图3 为本发明所述平台在水面以下系统部署结构示意图。

图4 为本发明所述监控系统功能结构示意图。

图5 为本发明所述监控系统平台状态判断条件示意图。

1-信号采集终端；2-光电传感器；3-倾斜传感器；4-超声波气隙探测器；5-超声波水深探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

自升式钻井平台操船安全实时监控系统，包括水深探测设备、气隙高度探测设备、桩腿高度变化探测装置、平台载荷监控装置、倾角探测设备、一体化集中展示机柜、监控单元，所述水深探测设备可实现对平台船体入水后实时水深值的监测；所述气隙高度探测设备可实现对平台船底至水面高度值的实时监测；所述桩腿高度变化探测装置可实现对平台各桩腿处升降变化的实时监测；所述平台载荷监控装置通过分析平台桩腿齿轮轴的微应变，得到平台载荷的实时状态值；所述倾角探测设备可实现对平台不同方向上平衡状态的监控；所述一体化集中展示机柜实现对各终端设备的集成安装以及监控单元的展示；所述监控单元可实现对各平台状态数据、预警信息、历史数据等的实时展示与查看；所述一体化集中展示机柜、监控单元二者用于数据处理以及展示。

平台载荷监控装置，是由微应变传感器及数据接收处理终端组成的测量系统，微应变传感器电压值经过专门开发的小波滤波算法处理，以去除干扰数据，载荷值的计算通过对平台在进坞桩腿齿轮不受力的状态下，检测微应变传感器值为零点标定值，选取平台仅承受桩腿重量（已知）情况下的微应变值进行对比，标定单位应变与载荷的对应关系。

信号采集终端包括数据处理模块、无线通讯电路和电源模块，可同时连接多组编码器，以实现对桩腿高度升降变化的监控。

桩腿高度变化值的计算以单桩腿为例，桩腿高度变化值 = 选取的马达监测传感器转动格数 * 码盘间隔，方向通过监测马达转动的正反向来判定。

水深和气隙探测设备均采用滤波算法，按照实时采集500个数据，并实时展示前500个数，将这500个数据拟合成接近平均值的拟合曲线，第501个数据与这条拟合曲线的第500个数据进行对比，差距在上下1.5m以内，则第501个数据正确，实时展示，502个数据与2至501数据形成的拟合曲线的最后一个值对比，正确则展示，往下依次类推。

水深值在平台未入水（气隙大于零或平台入水小于等于0.5米），保持上一值不变或为人工设置的初始值；平台入水后（入水大于0.5米），采用经滤波后的实时值 + 吃水深度 ± 当前时刻潮汐值。潮汐值为参照潮汐表中的每天四个时间点的波峰和波谷值，输入四个值后，可自动生成拟合曲线，即对应某个时间点的潮汐值。

气隙高度值分为平均气隙值和各桩腿处气隙值，平均气隙值采用滤波处理后的气隙传感器的值- 气隙传感器到甲板的高度- 平台船体高度，气隙值逐渐减小，至为零，后变为吃水深度；各桩腿处气隙值由固定距离值和倾斜角度值得到，另A、B为横纵方向倾角,a为倾角探测设备到气隙探测设备横向距离，b为倾角探测设备到气隙探测设备纵向距离，*表示两端数据相乘，则该桩腿处气隙高度计算值为X+a* sinB +b*cosA。

桩腿入泥深度值，平台未入水时，入泥 = 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度–桩腿处气隙值–平均水深值；平台入水时，入泥 = 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度+ 各桩腿处吃水值–平均水深值，并可间接得到桩靴距海底高度、桩腿下伸高度、距离桩腿顶部高度等。

参见图1-4，一种自升式钻井平台操船安全实时监控系统，包括信号采集终端1、光电传感器2、倾斜传感器3、超声波气隙探测器4以及超声波水深探测器4以及平台中控室，平台中控室内作为数据处理和展示终端，包括监控单元和展示机柜。系统底层数据来源分为以下部分：平台载荷值是通过在桩腿齿轮轴上贴装应变传感器，系统将传感器输出的电压值转化为可查看的重量值；桩腿高度升降变化通过在桩腿马达上安装码盘，采用光电传感器监测码盘转动情况，得到桩腿的高度变化；通过水深传感器探测值、气隙传感器探测值、桩腿高度升降变化，并结合平台倾斜度，综合计算得到桩腿入泥深度及桩靴距海底高度等值；系统通过制定的判定条件，准确判断出平台作业状态、降平台过程、平台入水过程、拔桩过程、拔桩完成、拖航过程、插桩过程、压载过程、升平台过程，并对各状态进行三维动态展示。

具体工作过程如下：平台在水面以上作业状态时，超声波气隙探测器4测量值经过滤波后，减去固定值，可得到平台的气隙高度值，结合倾斜传感器3测量值，计算得到各个桩腿处的气隙高度值；超声波水深探测器5此状态下不工作，系统水深值为平台出水之前值；光电传感器2实时监测马达转动情况，数据进入信号采集终端1处理，得到桩腿高度变化值；桩腿入泥深度值为桩腿高度值与水深值、气隙值、固定安装高度值的差值；信号采集终端1将上述各数据通过无线传输模式传输到平台中控室的数据接收端。

平台在水面以下作业状态时，超声波气隙探测器4测量值经过滤波后，减去固定值，其绝对值为平台吃水深度值，结合倾斜传感器3测量值，计算得到各个桩腿处的平台吃水深度值；超声波水深探测器5测量值经过滤波后，加入实时的潮汐变化值，得到当前水域的水深值；光电传感器2实时监测马达转动情况，数据进入信号采集终端1处理，得到桩腿高度变化值；桩腿入泥深度值为桩腿高度值与水深值、平台吃水深度、固定安装高度值的差值；信号采集终端1将数据通过无线传输模式传输到平台中控室的数据接收端。

根据采集以及计算的数值，在平台中控室对平台状态进行判断，作业状态6系统判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达无转动，桩腿入泥深度值锁定；降平台过程判断条件为平均气隙值减小且大于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；平台入水过程判断条件为平均气隙减小且小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；拔桩过程判断条件为平均气隙值小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度减小且大于零；拔桩完成判断条件为平均气隙于零，桩腿入泥小于零；拖航过程判断条件为平均气隙小于零，桩腿桩靴离泥层超过1米；插桩过程判断条件为平均气隙小于1米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿桩靴离泥层小于等于1米或入泥大于零；压载过程判断条件为平均气隙大于零小于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动或停止；升平台过程判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿入泥深度不变。

本发明具有对自升式钻井平台操船过程参数进行实时检测功能，随时掌握平台重大作业时各种状态（拔桩、升降、预压载、钻井）下的变化情况，提高了平台操船的安全等级。这对保证服役多年的自升式平台的安全使用，具有极其重要的现实意义。

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的前提下，有可能发明做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，包括：

水深探测设备，可实现对平台船体入水后实时水深值的监测；

气隙高度探测设备，可实现对平台船底至水面高度值的实时监测；

桩腿高度变化探测装置，可实现对平台各桩腿处升降变化的实时监测；

平台载荷监控装置，可实现对平台载荷的实时状态值监测；

倾角探测设备，可实现对平台不同方向上平衡状态的监控；

信号采集终端，可实现对所述水深探测设备、气隙高度探测设备、桩腿高度变化探测装置、平台载荷监控装置以及倾角探测设备的信号进行采集；

数据处理以及展示终端，可实现对信号采集终端采集的收据进行处理及展示，并制定判定条件，准确判断平台状态。

2.根据权利要求1所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述水深探测设备为超声波水深探测器，所述气隙高度探测设备为超声波气隙探测器，所述桩腿高度变化探测装置包括安装在桩腿马达上的码盘以及监测码盘转动情况的光电传感器；所述平台载荷监控装置为贴装在桩腿齿轮轴上应变传感器，系统将传感器输出的电压值转化为可查看的重量值；所述倾角探测设备为倾斜传感器；所述数据处理以及展示终端包括数据处理模块、无线通讯电路、电源模块以及展示终端。

3.根据权利要求1所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述水深探测设备采集的水深值数据采用滤波算法处理，即按照实时采集500个数据，并实时展示前500个数，将这500个数据拟合成接近平均值的拟合曲线，第501个数据与这条拟合曲线的第500个数据进行对比，差距在上下1.5m以内，则第501个数据正确，实时展示，502个数据与2至501数据形成的拟合曲线的最后一个值对比，正确则展示，往下依次类推；

所述水深值在平台未入水即气隙大于零或平台入水小于等于0.5米时，保持上一值不变或为人工设置的初始值；平台入水后即入水大于0.5米后，采用经滤波后的实时值 + 吃水深度 ± 当前时刻潮汐值；

所述潮汐值为参照潮汐表中的每天四个时间点的波峰和波谷值，输入四个值后生成拟合曲线，即对应某个时间点的潮汐值。

4.根据权利要求1所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述气隙探测设备采集的气隙高度值采用滤波算法处理，即按照实时采集500个数据，并实时展示前500个数，将这500个数据拟合成接近平均值的拟合曲线，第501个数据与这条拟合曲线的第500个数据进行对比，差距在上下1.5m以内，则第501个数据正确，实时展示，502个数据与2至501数据形成的拟合曲线的最后一个值对比，正确则展示，往下依次类推；

所述气隙高度值分为平均气隙值和各桩腿处气隙值，平均气隙值采用滤波处理后的气隙探测设备的探测值- 气隙探测设备到甲板的高度- 平台船体高度，气隙值逐渐减小，至为零，后变为吃水深度；各桩腿处气隙值由固定距离值和倾斜角度值得到，计算公式如下：

桩腿处气隙高度计算值=X+a*sinB+b*cosA；其中X为平均气隙值，A、B为横纵方向倾角,a为倾角探测设备到气隙探测设备横向距离，b为倾角探测设备到气隙探测设备纵向距离，*表示两端数据相乘。

5.根据权利要求1所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述平台载荷监控装置是由微应变传感器及数据接收处理终端组成的测量系统，微应变传感器电压值经过小波滤波算法处理，以去除干扰数据，载荷值的计算通过对平台在进坞桩腿齿轮不受力的状态下，检测微应变传感器值为零点标定值，选取平台仅承受已知桩腿重量情况下的微应变值进行对比，标定单位应变与载荷的对应关系。

6.根据权利要求2所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，桩腿高度变化探测装置探测的桩腿高度变化值，桩腿高度变化值 = 选取的光电传感器转动格数* 码盘间隔，方向通过监测马达转动的正反向来判定。

7.根据权利要求1-6任一所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述监控系统能够通过水深探测设备探测的水深值、气隙高度探测设备探测的气隙高度值、桩腿高度变化探测装置探测的桩腿高度变化值，并结合倾角探测设备探测的平台倾斜度，综合计算得到桩腿入泥深度值及桩靴距海底高度值；系统通过制定的判定条件，准确判断出平台作业状态、降平台过程、平台入水过程、拔桩过程、拔桩完成、拖航过程、插桩过程、压载过程、升平台过程，并对各状态进行三维动态展示。

8.根据权利要求7所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述桩腿入泥深度值计算方式如下：

平台未入水时，桩腿入泥深度值 = 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度–桩腿处气隙高低值–平均水深值；

平台入水时，桩腿入泥深度值= 桩腿高度变化探测装置位置高度+ 桩腿高度变化值–船身高度+ 各桩腿处吃水值–平均水深值。

9.根据权利要求8所述的自升式钻井平台操船安全实时监控系统，其特征在于，所述监控系统通过监测以及计算的数值能够实现以下判断：

所述的平台状态的判断， 作业状态系统判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达无转动，桩腿入泥深度值锁定；降平台过程判断条件为平均气隙值减小且大于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；平台入水过程判断条件为平均气隙减小且小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度锁定；拔桩过程判断条件为平均气隙值小于零，桩腿高度变化监测马达反向转动，桩腿入泥深度减小且大于零；拔桩完成判断条件为平均气隙小于零，桩腿入泥小于零；拖航过程判断条件为平均气隙小于零，桩腿桩靴离泥层超过1米；插桩过程判断条件为平均气隙小于1米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿桩靴离泥层小于等于1米或入泥大于零；压载过程判断条件为平均气隙大于零小于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动或停止；升平台过程判断条件为平均气隙大于2米，桩腿高度变化监测马达正向转动，桩腿入泥深度不变。