CN108915609B - 一种智能海洋钻井隔水管单根 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于:它包含复合隔水管,法兰,信号传输系统,监测系统,能量回收利用系统,故障诊断系统;复合隔水管包括内管、设在内管外的铠装层、设在铠装层外的外管,铠装层由多条钢丝绳螺旋缠绕组成,并预留一条螺旋条,信号传输系统、监测系统以及能量回收利用系统均嵌入隔水管铠装层预留的螺旋空间,增加隔水管单根的“自身感知能力”;本发明结构简单,可靠性高,可自动实现隔水管的实时监测与故障诊断,有效保障隔水管单根的作业安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种隔水管单根,尤其是一种用于海上油气钻井领域的智能隔水管单根。
背景技术
海洋钻井隔水管是连接海底井口与海面平台的重要部件,工作中钻井隔水管收到波浪、海流、平台运动等载荷及运动的激励作用,发生复杂的随机运动,易发生隔水管失效事故,严重影响海洋油气勘探开发作业。为了提高隔水管安全性能,国内外学者开展了隔水管监测与检测研究,通过在隔水管外部布置传感器实时监测隔水管振动信息,通过回收隔水管至钻井平台上开展隔水管缺陷检测,但隔水管监测和检测过程中要布置传感器或回收隔水管,严重影响海洋钻井作业效率。为此,本文在传统的隔水管单根的基础上,通过结构创新设计将隔水管监测与检测等方法融入至隔水管单根中,增加隔水管单根的“自身感知能力”,设计出智能海洋钻井隔水管单根。智能海洋钻井隔水管单根可以实现自身的振动监测、能量回收再利用与故障诊断,同时又避免了传统隔水管监测和检测的低效问题,并有效保障隔水管单根的作业安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简便并能有效解决监测、故障诊断问题的隔水管单根。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于:它包含复合隔水管,法兰,信号传输系统,监测系统,能量回收利用系统,故障诊断系统;
所述复合隔水管包括内管、设在内管外的铠装层、设在铠装层外的外管、螺旋盖;所述内管为碳钢材料;所述铠装层由多条钢丝绳螺旋缠绕组成,与所述内管外壁紧密贴合,所述铠装层与所述内管存在一定的高度差,所述铠装层预留一条螺旋条,所述螺旋盖覆盖在所述预留螺旋条处;所述外管为耐腐蚀合金材料,与所述铠装层外壁紧密贴合,所述外管上下两端各设有一个传输电缆接头盖,所述外管上端的所述传输电缆接头盖沿周向180°设有一个连接电缆接头盖;
所述法兰包括上法兰、下法兰,所述上法兰上端设有一环形凹槽,所述环形凹槽内部设有上圆形感应耦合器,所述上法兰下端设有一对接接头盖,所述对接接头盖与所述环形凹槽之间设有一通孔;所述下法兰下端设有一环形凸槽,所述环形凸槽内部设有下圆形感应耦合器,所述下法兰上端设有一对接接头盖,所述对接接头盖与所述环形凸槽设有一通孔;所述环形凹槽与所述环形凸槽配合,所述上圆形感应耦合器与下圆形感应耦合器对接放置;
所述信号传输系统包括电感线圈、对接电缆和传输电缆,所述电感线圈设置于所述上法兰环形凹槽与所述下法兰环形凸槽的圆形感应耦合器中,所述电感线圈设置对接接头,所述对接接头设置于所述上法兰下端与所述下法兰上端的对接接头盖中;所述传输电缆两端设有传输电缆接头,所述传输电缆接头设置于所述外管上端与所述外管下端的所述传输电缆接头盖中,所述传输电缆接头分别与所述环形凹槽和所述环形凸槽内的所述电感线圈的所述对接接头通过所述对接电缆连接;
所述监测系统包括传感器、传输电缆;所述监测系统的传感器设置在所述铠装层预留螺旋条中,沿着螺旋线均布若干个传感器,所述传感器通过所述传输电缆连接;
所述能量回收利用系统包括压电薄膜、电池、信号放大器、串联电缆,所述压电薄膜设置在所述铠装层预留螺旋条中,与所述传感器交替布置;所述电池与所述信号放大器均设置在所述铠装层预留螺旋条中,所述压电薄膜、电池、信号放大器依次通过所述串联电缆连接,所述串联电缆连接到所述传输电缆上;
所述故障诊断系统包括致动器、连接电缆,所述致动器安装在所述铠装层与所述内管的高度差位置,与所述内管紧密贴合,所述致动器通过所述连接电缆连接,所述连接电缆设有所述连接电缆接头,所述电连接缆接头设置于所述外管上端的所述连接电缆接头盖中。
其特征在于,所述复合隔水管各层之间为粘性联结。
其特征在于,所述上法兰上端的环形凹槽与所述下法兰下端的环形凸槽内安装的圆形感应耦合器,用绝缘填充材料进行密封和绝缘。
其特征在于,所述监测系统的传感器为采用上下铝电极和中间PVDF敏感材料组成压电传感器。
其特征在于,所述能量回收利用系统的电池为电容电池,所述压电薄膜产生的电能给所述电容电池供电。
其特征在于,所述故障诊断系统的致动器采用压电陶瓷片。
本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明通过智能海洋钻井隔水管单根设计,将监测系统、能量回收利用系统、故障诊断系统等融入隔水管单根,使隔水管单根具有自身监测和故障诊断能力,可实时监测自身的运行状态及健康状态,保障隔水管单根的运行安全。2、本发明隔水管单根之间通过非接触式电感线圈传输信号,可避免隔水管单根电缆之间的对接和拆卸过程中对信号传输系统的损坏。3、本发明隔水管单根设计成复合管结构,信号传输系统、监测系统以及能量回收利用系统均处于隔水管铠装层预留的密封空间,为监测系统和信息传输系统提供良好的工作环境。4、本发明内置能量回收利用系统,隔水管振动的能量转化为电能,并回收到电源中,为信号放大器进行供电,避免对外部能量的需求。5、本发明隔水管单根内置故障诊断系统,无须进行监测装置的安装与拆卸,即可实现隔水管在平台上的检测。
附图说明
图1为本发明的智能隔水管单根剖面示意图。
图2为本发明的预留螺旋条内部示意图。
图3为本发明的铠装层结构示意图。
图4为本发明的上、下法兰剖面图。
图5为本发明的智能隔水管单根故障诊断示意图。
图中,1复合管,2上法兰,3下法兰,4圆形感应耦合器,5电感线圈,6传感器,7压电薄膜,8致动器,9电缆,10接头,11接头盖,12电源,13信号放大器,14螺旋盖,15信号发生器,16信号处理系统,1-1内管,1-2铠装层,1-3外管,2-1上法兰螺栓孔,2-2环形凹槽,3-1下法兰螺栓孔,3-2环形凸槽,9-1对接电缆,9-2传输电缆,9-3连接电缆,9-4串联电缆,10-1对接接头,10-2传输电缆接头,10-3连接电缆接头,11-1对接接头盖,11-2传输电缆接头盖,11-3连接电缆接头盖。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示,本发明主要包括复合管1,上法兰2,下法兰3,圆形感应耦合器4,电感线圈5,传感器6,压电薄膜7,致动器8,电缆,9,接头10,接头盖11,电源12,信号放大器13,螺旋盖14,信号发生器15,信号处理系统16,内管1-1,铠装层1-2,外管1-3,上法兰螺栓孔2-1,环形凹槽2-2,下法兰螺栓孔3-1,环形凸槽3-2,对接电缆9-1,传输电缆9-2,连接电缆9-3,串联电缆9-4,对接接头10-1,传输电缆接头10-2,连接电缆接头10-3,对接接头盖11-1,传输电缆接头盖11-2,连接电缆接头盖11-3。
如图1、图3所示,本发明的内管1-1与铠装层1-2为粘性联结,铠装层1-2采用若干根钢丝绳组成的螺旋结构,铠装层1-2经过树脂浴后直接缠绕在内管1-1上固化成型,在螺旋结构中预留一个螺旋条的空隙,铠装层1-2与内管1-1存在一定的高度差。外管1-3与铠装层1-2采用粘结剂粘结。在外管1-3一侧上下两端各开设1个传输电缆接头盖11-2,用于放置传输电缆接头10-2,所述外管另一侧上端开设1个连接电缆接头盖11-3,用于放置连接电缆接头10-3。
如图1、图4所示,复合管1与上法兰2设置为一体式,采用焊接方式,上法兰2沿周向设置若干上法兰螺栓孔2-1,复合管1与下法兰3设置为一体式,采用焊接方式,下法兰3沿周向设置若干下法兰螺栓孔3-1,下法兰螺栓孔3-1与上法兰螺栓孔2-1数量与位置相对应。在上法兰2上端开设环形凹槽2-2,在下法兰下端开设环形凸槽3-2。上法兰的环形凹槽2-2和下法兰环形凸槽3-2内部均设有圆形感应耦合器4,在圆形感应耦合器4内安装电感线圈5,上法兰2下端和下法兰3上端各设有1个对接接头盖11-1,电感线圈5接线端部的对接接头10-1放置在对接接头盖11-1中。环形凹槽2-2深度与环形凸槽3-2长度相同,可以实现配合。传输电缆接头10-2与对接接头10-1通过对接电缆9-1对接,对接接头10-1向其感应线圈5传输数据,相连接的隔水管上法兰2与下法兰3中的感应线圈5通过感应原理,产生交变磁场,使后者产生感应电流,实现数据传输。
如图1、图2、图3所示,本发明在隔水管检测的目标位置沿铠装层1-2预留螺旋条每隔一定的距离均匀布置传感器6,传感器6通过传输电缆9-2进行串联。压电薄膜7、电源12与信号放大器13也布置在预留螺旋条内,压电薄膜7与传感器6交替布置,压电薄膜7、电源12、信号放大器13依次通过串联电缆9-4连接,串联电缆9-4再连接到传感器6的传输电缆9-2上,压电薄膜7产生电能后送入电源12中,为信号放大器13进行供电,对传输信号进行放大,最终可将测得的振动数据传至平台。填充螺旋条的螺旋盖14四周有端面,两端有电缆线出口。
如图1、图2、图5所示,本发明在铠装层1-2与内管1-1的高度差位置,沿周向等间距设置若干致动器8,致动器8通过连接电缆9-3串联,连接电缆9-3设有连接电缆接头10-3,连接电缆接头10-3设置于外管1-3上端的连接电缆接头盖11-3中;平台上进行隔水管故障诊断,将信号发生器15等设备连接完成后,连接至与连接电缆接头10-3对接,将信号处理系统16连接完成后,并连接至外管1-3上的传输电缆接头10-2,无须额外拆卸安装设备,即可实现隔水管的故障诊断。
本发明装配顺序为:将铠装层经过树脂浴后直接缠绕在内管上固化成型,在螺旋结构中预留一个螺旋条的空隙,在预留螺旋条空隙中,每隔一定的距离均匀布置传感器和压电薄膜,各个传感器通过传输电缆串联,传输电缆两端设有传输电缆接头。压电薄膜与传感器交替布置,在螺旋条底部布置电源、信号放大器,并通过串联电缆连接,将各个压电薄膜、电源、信号放大器依次连接,再将串联电缆连接到传感器的传输电缆上。之后将填充螺旋条的螺旋盖覆盖在预留螺旋条处,形成一个完整的铠装层。压电陶瓷致动器安装在铠装层与内管的高度差位置,与内管紧密贴合,并通过连接电缆串联,连接电缆设有连接电缆接头。将外管与铠装层采用粘结剂粘结,传输电缆接头安装到外管上下两端的传输电缆接头盖中,连接电缆接头安装到外管连接电缆接头盖中。
在上法兰凹槽内安装圆形感应耦合器,在圆形感应耦合器内安装电感线圈,电感线圈的对接接头安装到上法兰下端的对接接头接头盖中,电感线圈设置的对接接头安装到对接接头盖中。在下法兰凸槽内安装圆形感应耦合器,在圆形感应耦合器内安装电感线圈,电感线圈的对接接头安装到下法兰上端的对接接头接头盖中,电感线圈设置的对接接头安装到对接接头盖中。将上下法兰与复合管进行焊接,并将传输电缆接头与对接接头通过对接电缆对接。之后与普通隔水管安装一样,将安装好的智能海洋钻井复合隔水管单根,通过法兰螺栓接连安装即可。当对隔水管进行故障诊断时,将信号发射器等设备连接,并与外管上的连接电缆接头对接,将信号处理系统的设备连接,并与外管上的传输电缆接头对接,无须额外拆卸安装设备,即可实现隔水管的故障诊断。
Claims (4)
1.一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于:它包含复合隔水管,法兰,信号传输系统,监测系统,能量回收利用系统,故障诊断系统;
所述复合隔水管包括内管、设在内管外的铠装层、设在铠装层外的外管、螺旋盖;所述内管为碳钢材料;所述铠装层由多条钢丝绳螺旋缠绕组成,与所述内管外壁紧密贴合,所述铠装层与所述内管存在一定的高度差,所述铠装层预留一条螺旋条,所述螺旋盖覆盖在所述预留螺旋条处;所述外管为耐腐蚀合金材料,与所述铠装层外壁紧密贴合,所述外管上下两端各设有一个传输电缆接头盖,所述外管上端的所述传输电缆接头盖沿周向180°设有一个连接电缆接头盖;
所述监测系统包括传感器、传输电缆;所述监测系统的所述传感器设置在所述铠装层预留螺旋条中,沿着螺旋线均布若干个传感器,所述传感器通过所述传输电缆连接;
所述能量回收利用系统包括压电薄膜、电池、信号放大器、串联电缆,所述压电薄膜设置在所述铠装层预留螺旋条中,与所述传感器交替布置;所述电池与所述信号放大器均设置在所述铠装层预留螺旋条中,所述压电薄膜、电池、信号放大器依次通过所述串联电缆连接,所述串联电缆连接到所述传输电缆上;
所述故障诊断系统包括致动器、连接电缆,所述致动器安装在所述铠装层与所述内管的高度差位置,与所述内管紧密贴合,所述致动器通过所述连接电缆连接,所述连接电缆设有所述连接电缆接头,所述连接电缆接头设置于所述外管上端的所述连接电缆接头盖中。
2.根据权利要求1所述一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于,所述复合隔水管各层之间为粘性联结。
3.根据权利要求1所述一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于,所述能量回收利用系统的电池为电容电池,所述压电薄膜产生的电能给所述电容电池供电。
4.根据权利要求1所述一种智能海洋钻井隔水管单根,其特征在于,所述故障诊断系统的致动器采用压电陶瓷片。
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