CN108645445A - 一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统 - Google Patents

一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，包括水下耐压仓、监测系统主体、光缆分纤箱和声学应答器；所述水下耐压仓内设置有所述监测系统主体，所述监测系统主体连接所述光缆分纤箱，所述光缆分纤箱用于将所述监测系统主体的多芯光缆进行分接得到若干传感光纤，若干所述传感光纤穿出所述光缆分纤箱径向间隔设置在待测管柱上，所述监测系统主体通过所述传感光纤实时监测和存储所述待测管柱的状态数据；所述监测系统主体还分别连接海面设备和所述声学应答器，所述声学应答器用于所述监测系统主体与所述海面设备之间的通讯，所述海面设备用于提供电能及存储所述待测管柱的状态数据，本发明可以广泛应用于海洋油气监测技术领域中。

Description

一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统
技术领域
本发明是关于一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，属于海洋油气监测技术领域。
背景技术
随着经济的发展和社会的进步，人类对于能源的需求不断增加，石油和天然气作为主要的能源，深受人们关注。随着陆上油气资源的减少，人们把目光投向油气资源丰富的海洋。海洋油气开采技术发展迅速，开采区域也由近岸向远海、深海发展。对于海洋油气资源的开发，每一环节均离不开海底管柱，钻完井环节需要隔水管、油层套管、生产套管，油气集输环节需要海底管道联结海洋油气田的上游和下游，这些管柱通常处于恶劣的工作环境，腐蚀、海流、机械破坏和海床运动等因素都会造成海底管柱的破坏，为海洋油气资源的安全开发运行增添许多不确定因素。如何将海底管柱运行风险降为最低，是海洋油气资源开发所不能避免的一个问题。
海底管柱安全监测方法虽然对保障海底管道安全发挥了重要的作用，但仍然存在许多不足之处，对于远海、深海油气资源开采所采用的长距离海底管柱，如果仍利用常规监测方法进行监测，效率会很低，且这些监测方法无法实现对海底管柱的安全实时监测。目前，海底管柱监测方法通常采用漏磁监测法、涡流监测法、超声波监测法和测井仪器监测法等，但是这些监测方法普遍存在无法对海底管柱进行安全实时监测的不足，这就为海底管柱的破坏留下了隐患。且随着海洋石油开发向远海、深海发展，长距离海底管柱的应用越来越多，利用现有的监测方法，监测一次将花费很长时间，效率非常低，因此研究开发新的适用于深海环境的海底管柱监测系统势在必行。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种监测效率高且能够对海底管柱进行安全实时监测的用于海底管柱的光纤分布式监测系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，包括水下耐压仓、监测系统主体、光缆分纤箱和声学应答器；所述水下耐压仓内设置有所述监测系统主体，所述监测系统主体连接所述光缆分纤箱，所述光缆分纤箱用于将所述监测系统主体的多芯光缆进行分接得到若干传感光纤，若干所述传感光纤穿出所述光缆分纤箱径向间隔设置在待测管柱上，所述监测系统主体通过所述传感光纤实时监测和存储所述待测管柱的状态数据；所述监测系统主体还分别连接海面设备和所述声学应答器，所述声学应答器用于所述监测系统主体与所述海面设备之间的通讯，所述海面设备用于提供电能及存储所述待测管柱的状态数据。
优选地，所述监测系统主体包括分布式光纤解调仪、光纤通信模块、第一继电器、第二继电器、不间断电源模块、蓄电池、电压转换模块、温度传感器和PLC控制器；所述分布式光纤解调仪上设置有所述多芯光缆，实时采集所述待测管柱的状态数据；所述分布式光纤解调仪通过所述光纤通信模块与所述海面设备进行通讯；所述分布式光纤解调仪还通过所述第一继电器并联连接所述不间断电源模块和蓄电池，所述不间断电源模块并联连接所述蓄电池和海面设备，所述不间断电源模块用于将所述海面设备提供的交流电转换为直流电并对所述蓄电池进行充电；所述不间断电源模块和蓄电池均依次通过所述第二继电器和电压转换模块连接所述光纤通信模块，所述电压转换模块用于将所述不间断电源模块或蓄电池提供的直流电转换为供所述光纤通信模块使用的直流电；所述温度传感器用于实时监测所述水下耐压仓内的温度数据；所述PLC控制器分别电连接所述第一继电器、第二继电器、不间断电源模块、蓄电池、温度传感器和声学应答器。
优选地，所述水下耐压仓上设置有第一防水光缆接头，所述光缆分纤箱上设置有第二防水光缆接头，所述监测系统主体依次通过所述第一防水光缆接头和第二防水光缆接头连接所述光缆分纤箱。
优选地，所述水下耐压仓上设置有多口接头，所述多口接头上设置有防水电接头和防水光电混装接头，所述监测系统主体通过所述多口接头和防水电接头连接所述声学应答器，所述监测系统主体还通过所述多口接头和防水光电混装接头经光电湿接头可拆卸连接所述海面设备。
优选地，所述光电湿接头包括光电湿接头母头和光电湿接头公头，所述光电湿接头母头的一端固定设置在光电湿接头板座上，所述光电湿接头板座通过线缆连接所述防水光电混装接头，所述光电湿接头母头的另一端可拆卸连接所述光电湿接头公头的一端，所述光电湿接头公头的另一端经线缆连接所述海面设备。
优选地，所述PLC控制器内设置有参数设定单元、监测模式调整单元、解调仪控制单元和通信控制单元；所述参数设定单元用于预先设定所述温度传感器的温度阈值和所述蓄电池的电压阈值，以及根据监测周期的历史数据或所述声学应答器发送的信号设定所述分布式光纤解调仪每一监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态，并相应发送至所述监测模式调整单元、解调仪控制单元和通信控制单元；所述监测模式调整单元用于根据所述不间断电源模块的交流电状态、所述蓄电池的电压状态、预设的所述蓄电池电压阈值以及所述声学应答器发送的声波信号调整所述分布式光纤解调仪的监测模式，并发送至所述解调仪控制单元和通信控制单元；所述解调仪控制单元用于根据调整的监测模式、所述温度传感器实时监测的温度数据、预设的该监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态和预设的所述温度传感器的温度阈值，通过所述第一继电器控制所述分布式光纤解调仪的开启或关闭；所述通信控制单元用于根据调整的监测模式、所述温度传感器实时监测的温度数据、预设的该监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态和预设的所述温度传感器的温度阈值，通过所述第二继电器控制所述光纤通信模块的开启或关闭。
优选地，其中，所述分布式光纤解调仪的监测模式包括有海面设备时通过所述不间断电源模块提供电能的实时监测模式，以及无海面设备时通过所述蓄电池提供电能的定时自动周期监测模式和省电自动周期监测模式。
优选地，所述分布式光纤解调仪采用光纤光栅解调仪、基于拉曼散射的分布式光纤解调仪或基于布里渊散射的分布式光纤解调仪。
优选地，所述传感光纤采用光纤光栅串、多模传感光纤或单模传感光纤。
优选地，所述水下耐压仓采用耐腐蚀的球形壳体结构。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用监测系统主体，无论是否有海面设备，均能够实现海底管柱的长期监测，将监测系统主体中分布式光纤解调仪的监测模式根据海面设备的有无设计为实时监测模式和自动周期监测模式，监测数据既可以实时上传至海面设备，又可以保存在分布式光纤解调仪中，能够实现对远海、深海的海底管柱的长期监测的功能。2、本发明根据分布式光纤解调仪的不同可以实现对不同参数、不同精度以及不同长度范围的待测管柱的监测，例如隔水管、油层套管、生产套管和海底油气管道等。3、本发明采用PLC控制器切换分布式光纤解调仪的监测模式，并设置了安全阈值，一旦超过该阈值，立即停止工作，进而能够保证系统的安全。4、本发明的监测系统主体可以在监测活动结束后通过ROV进行回收，并重复利用，能够降低监测成本，可以广泛应用于海洋油气监测技术领域中。
附图说明
图1是本发明光纤分布式监测系统的结构示意图；
图2是本发明光纤分布式监测系统中监测系统本体的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本发明提供的用于海底管柱的光纤分布式监测系统，包括水下耐压仓1、监测系统主体2、防水光缆接头对3、光缆分纤箱4、多口接头5、防水电接头6、防水光电混装接头7、声学应答器8、光电湿接头板座9和光电湿接头，其中，防水光缆接头对3包括第一防水光缆接头3-1和第二防水光缆接头3-2，光电湿接头包括光电湿接头母头10-1和光电湿接头公头10-2。
水下耐压仓1采用耐腐蚀的球形壳体结构，水下耐压仓1内设置有监测系统主体2，水下耐压仓1上设置有第一防水光缆接头3-1，光缆分纤箱4上设置有第二防水光缆接头3-2，监测系统主体2通过第一防水光缆接头3-1和第二防水光缆接头3-2连接光缆分纤箱4，光缆分纤箱4用于将监测系统主体2的多芯光缆进行分接得到若干传感光纤2-1，若干传感光纤2-1穿出光缆分纤箱4径向间隔设置在待测管柱11上，监测系统主体2通过传感光纤2-1实时监测和存储待测管柱11的状态数据。
水下耐压仓1上还设置有多口接头5，多口接头5连接监测系统主体2，多口接头5上设置有防水电接头6和防水光电混装接头7，防水电接头6连接声学应答器8，声学应答器8用于监测系统主体2与海面设备之间的通讯。防水光电混装接头7连接光电湿接头板座9，光电湿接头板座9上设置有光电湿接头母头10-1，光电湿接头母头10-1可拆卸连接光电湿接头公头10-2，监测系统主体2依次通过多口接头5、防水光电混装接头7、光电湿接头母头10-1和光电湿接头公头10-2经海底铠装线缆12可拆卸连接海面设备，海面设备用于提供电能以及存储待测管柱11的状态数据。
如图2所示，监测系统主体2包括分布式光纤解调仪2-2、光纤通信模块2-3、第一继电器2-4、第二继电器2-5、不间断电源模块2-6、蓄电池2-7、电压转换模块2-8、温度传感器2-9和PLC控制器2-10，通过不间断电源模块2-6或蓄电池2-7为监测系统主体2的各用电部件供电。分布式光纤解调仪2-2上设置有上述多芯光缆，分布式光纤解调仪2-2用于通过经光缆分纤箱4分接得到的若干传感光纤2-1实时采集待测管柱11的温度、应变和振动等状态数据。分布式光纤解调仪2-2通过光纤通信模块2-3连接海面设备，光纤通信模块2-3用于将待测管柱11的状态数据传递至海面设备。分布式光纤解调仪2-2还通过第一继电器2-4并联连接不间断电源模块2-6和蓄电池2-7，不间断电源模块2-6还并联连接蓄电池2-7和海面设备，用于将海面设备提供的220V交流电转换为24V直流电并对蓄电池2-7进行充电。不间断电源模块2-6和蓄电池2-7均依次通过第二继电器2-5和电压转换模块2-8连接光纤通信模块2-3，电压转换模块2-8用于将不间断电源模块2-6或蓄电池2-7提供的24V直流电转换为供光纤通信模块2-3使用的5V直流电。温度传感器2-9用于实时监测水下耐压仓1内的温度数据。PLC控制器2-10分别电连接第一继电器2-4、第二继电器2-5、不间断电源模块2-6、蓄电池2-7、温度传感器2-9和声学应答器8。
在一个优选的实施例中，PLC控制器2-10内设置有参数设定单元、监测模式调整单元、解调仪控制单元和通信控制单元。
参数设定单元用于预先设定温度传感器2-9的温度阈值和蓄电池2-7的电压阈值，以及根据监测周期的历史数据或声学应答器8发送的信号设定分布式光纤解调仪2-2每一监测模式下监测系统主体2内各部件的工作状态(例如通过不间断电源模块2-6或蓄电池2-7为各用电部件供电、分布式光纤解调仪2-2的开启或关闭等)，并将预设的蓄电池2-7电压阈值发送至监测模式调整单元，将预设的温度传感器2-9温度阈值和每一监测模式下监测系统主体2内各部件的工作状态发送至解调仪控制单元和通信控制单元，其中，监测模式包括有海面设备时通过不间断电源模块2-6提供电能的实时监测模式，以及无海面设备时通过蓄电池2-7提供电能的定时自动周期监测模式和省电自动周期监测模式。
监测模式调整单元用于根据不间断电源模块2-6的交流电状态、蓄电池2-7的电压状态、预设的蓄电池2-7电压阈值以及声学应答器8发送的声波信号调整分布式光纤解调仪2-2的监测模式，并发送至解调仪控制单元和通信控制单元。
解调仪控制单元用于根据调整的监测模式、温度传感器2-9实时监测的温度数据、预设的该监测模式下监测系统主体2内各部件的工作状态和预设的温度传感器2-9温度阈值，通过第一继电器2-4控制分布式光纤解调仪2-2的开启或关闭。
通信控制单元用于根据调整的监测模式、温度传感器2-9实时监测的温度数据、预设的该监测模式下监测系统主体2内各部件的工作状态和预设的温度传感器2-9温度阈值，通过第二继电器2-5控制光纤通信模块2-3的开启或关闭。
在一个优选的实施例中，分布式光纤解调仪2-2可以采用光纤光栅解调仪、基于拉曼散射的分布式光纤解调仪或基于布里渊散射的分布式光纤解调仪。
在一个优选的实施例中，传感光纤2-1可以采用光纤光栅串、多模传感光纤或单模传感光纤。
由于在深水、远海条件下，海面设备不可能长期停留，所以针对有海面设备时对应的实时监测模式，以及无海面设备时对应的定时自动周期监测模式和省电自动周期监测模式，通过具体实施例详细说明本发明用于海底管柱的光纤分布式监测系统的使用过程。
有海面设备时：
1)将光电湿接头公头10-2通过ROV(水下机器人)连接光电湿接头母头10-1，海面设备通过海底铠装线缆12经光电湿接头和防水光电混装接头7引入到监测系统主体2内的不间断电源模块2-6上，不间断电源模块2-6将海面设备提供的220V交流电转换为24V的直流电为PLC控制器2-10供电以及为蓄电池2-7充电。
2)当不间断电源模块2-6为交流电上电状态时，PLC控制器2-10调整监测模式为实时监测模式，并根据设定的该监测模式下监测系统主体2内各部件的工作状态，通过第一继电器2-4和第二继电器2-5控制分布式光纤解调仪2-2和光纤通信模块2-3开启，此时，通过不间断电源模块2-6为各用电部件供电。
3)待测管柱11的状态数据通过分布式光纤解调仪2-2经光纤通信模块2-3发送至海面设备进行存储。
4)温度传感器2-9实时监测水下耐压仓1的内部温度，特别是存在发热的部件，若水下耐压仓1的内部温度超过预设的温度阈值，则PLC控制器2-10通过第一继电器2-4和第二继电器2-5控制分布式光纤解调仪2-2和光纤通信模块2-3停止工作。
无海面设备时：
1)不间断电源模块2-6为交流电失电状态，蓄电池2-7开始为各用电部件供电，PLC控制器2-10调整监测模式为定时自动周期监测模式，根据预设的对应工作状态通过第一继电器2-4控制分布式光纤解调仪2-2的定时开启或关闭，从而实现周期性监测，并通过第二继电器2-5控制光纤通信模块2-3关闭，待测管柱11的状态数据直接存储在分布式光纤解调仪2-2内。
2)当蓄电池2-7的电压低于预设的电压阈值时，PLC控制器2-10调整监测模式为省电自动周期监测模式，即可以增加分布式光纤解调仪2-2的关闭时长或减少分布式光纤解调仪2-2的开启时长。
3)当温度传感器2-9实时监测的水下耐压仓1内部温度超过预设的温度阈值时，PLC控制器2-10通过第一继电器2-4控制分布式光纤解调仪2-2关闭。
4)当蓄电池2-7电量耗尽时，PLC控制器2-10通过声学应答器8发送信号至海面，海面设备接收该信号后可及时连接监测系统主体2为蓄电池2-7充电并进行实时监测模式下的监测过程。
5)监测过程结束后，通过ROV回收存储在分布式光纤解调仪2-2内的状态数据。
6)使用人员还可以通过海面设备向声学应答器8发送命令信号，声学应答器8将该命令信号发送至PLC控制器2-10，PLC控制器2-10再根据命令信号改变监测系统主体2中各部件的工作状态或停止分布式光纤解调仪2-2的监测工作。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，包括水下耐压仓、监测系统主体、光缆分纤箱和声学应答器；
所述水下耐压仓内设置有所述监测系统主体，所述监测系统主体连接所述光缆分纤箱，所述光缆分纤箱用于将所述监测系统主体的多芯光缆进行分接得到若干传感光纤，若干所述传感光纤穿出所述光缆分纤箱径向间隔设置在待测管柱上，所述监测系统主体通过所述传感光纤实时监测和存储所述待测管柱的状态数据；
所述监测系统主体还分别连接海面设备和所述声学应答器，所述声学应答器用于所述监测系统主体与所述海面设备之间的通讯，所述海面设备用于提供电能及存储所述待测管柱的状态数据。
2.如权利要求1所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述监测系统主体包括分布式光纤解调仪、光纤通信模块、第一继电器、第二继电器、不间断电源模块、蓄电池、电压转换模块、温度传感器和PLC控制器；
所述分布式光纤解调仪上设置有所述多芯光缆，实时采集所述待测管柱的状态数据；
所述分布式光纤解调仪通过所述光纤通信模块与所述海面设备进行通讯；
所述分布式光纤解调仪还通过所述第一继电器并联连接所述不间断电源模块和蓄电池，所述不间断电源模块并联连接所述蓄电池和海面设备，所述不间断电源模块用于将所述海面设备提供的交流电转换为直流电并对所述蓄电池进行充电；
所述不间断电源模块和蓄电池均依次通过所述第二继电器和电压转换模块连接所述光纤通信模块，所述电压转换模块用于将所述不间断电源模块或蓄电池提供的直流电转换为供所述光纤通信模块使用的直流电；
所述温度传感器用于实时监测所述水下耐压仓内的温度数据；
所述PLC控制器分别电连接所述第一继电器、第二继电器、不间断电源模块、蓄电池、温度传感器和声学应答器。
3.如权利要求1所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述水下耐压仓上设置有第一防水光缆接头，所述光缆分纤箱上设置有第二防水光缆接头，所述监测系统主体依次通过所述第一防水光缆接头和第二防水光缆接头连接所述光缆分纤箱。
4.如权利要求1所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述水下耐压仓上设置有多口接头，所述多口接头上设置有防水电接头和防水光电混装接头，所述监测系统主体通过所述多口接头和防水电接头连接所述声学应答器，所述监测系统主体还通过所述多口接头和防水光电混装接头经光电湿接头可拆卸连接所述海面设备。
5.如权利要求4所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述光电湿接头包括光电湿接头母头和光电湿接头公头，所述光电湿接头母头的一端固定设置在光电湿接头板座上，所述光电湿接头板座通过线缆连接所述防水光电混装接头，所述光电湿接头母头的另一端可拆卸连接所述光电湿接头公头的一端，所述光电湿接头公头的另一端经线缆连接所述海面设备。
6.如权利要求2所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述PLC控制器内设置有参数设定单元、监测模式调整单元、解调仪控制单元和通信控制单元；
所述参数设定单元用于预先设定所述温度传感器的温度阈值和所述蓄电池的电压阈值，以及根据监测周期的历史数据或所述声学应答器发送的信号设定所述分布式光纤解调仪每一监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态，并相应发送至所述监测模式调整单元、解调仪控制单元和通信控制单元；
所述监测模式调整单元用于根据所述不间断电源模块的交流电状态、所述蓄电池的电压状态、预设的所述蓄电池电压阈值以及所述声学应答器发送的声波信号调整所述分布式光纤解调仪的监测模式，并发送至所述解调仪控制单元和通信控制单元；
所述解调仪控制单元用于根据调整的监测模式、所述温度传感器实时监测的温度数据、预设的该监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态和预设的所述温度传感器的温度阈值，通过所述第一继电器控制所述分布式光纤解调仪的开启或关闭；
所述通信控制单元用于根据调整的监测模式、所述温度传感器实时监测的温度数据、预设的该监测模式下所述监测系统主体内各部件的工作状态和预设的所述温度传感器的温度阈值，通过所述第二继电器控制所述光纤通信模块的开启或关闭。
7.如权利要求6所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，其中，所述分布式光纤解调仪的监测模式包括有海面设备时通过所述不间断电源模块提供电能的实时监测模式，以及无海面设备时通过所述蓄电池提供电能的定时自动周期监测模式和省电自动周期监测模式。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述分布式光纤解调仪采用光纤光栅解调仪、基于拉曼散射的分布式光纤解调仪或基于布里渊散射的分布式光纤解调仪。
9.如权利要求1至7任一项所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述传感光纤采用光纤光栅串、多模传感光纤或单模传感光纤。
10.如权利要求1至7任一项所述的一种用于海底管柱的光纤分布式监测系统，其特征在于，所述水下耐压仓采用耐腐蚀的球形壳体结构。
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