CN111812208B - 一种海洋自升式平台插桩压载监测装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开了一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，该海洋自升式平台包括甲板、桩腿和安装于桩腿底端的桩靴；该装置包括：监测单元和信号处理分析单元；监测单元安装于桩靴上，用于在海洋自升式平台进行插桩时实时向桩靴底部以下的地层发射探测信号，并接收关于探测信号的返回信号；信号处理单元安装于甲板的甲板面以上，用于接收该返回信号，并根据返回信号分析桩靴底部以下的地质分层情况。通过该实施例方案，实现了对桩靴底部土体分层的变化进行实时监测，实时指导海上自升式钻井平台插桩、压载施工过程。
Description
技术领域
本文涉及海洋和近海工程中可移动平台就位技术，尤指一种海洋自升式平台插桩压载监测装置。
背景技术
海洋自升式平台是一种近海移动式平台，在海洋油气勘探、开采和风电安装领域应用广泛。海洋自升式平台通过插桩压载作业，将桩靴贯入到海底一定深度来获得稳定的地基基础，以保证平台的正常作业。
目前的插桩压载技术，通常为：在自升式平台就位前，先进行海洋地质调查取得目标地点的地质情况，再通过分析计算预测平台插桩的过程曲线、入泥深度和穿刺风险。平台人员以此为参考，控制钻井平台进行插桩作业。
但由于地质情况的复杂性和不确定性，这种前期预测方法通常存在较大偏差，导致插桩过程存在风险。同时该方法仅针对插桩压载过程，无法对平台作业期间的穿刺进行预测。
发明内容
本申请实施例提供了一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，能够对桩靴底部土体分层的变化进行实时监测，指导海上自升式钻井平台插桩、压载施工过程。
本申请实施例提供了一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，所述海洋自升式平台可以包括甲板、桩腿和安装于所述桩腿底端的桩靴；所述装置可以包括：监测单元和信号处理分析单元；
所述监测单元，可以安装于所述桩靴上，可以用于在所述海洋自升式平台进行插桩时实时向所述桩靴底部以下的地层发射探测信号，并接收关于所述探测信号的返回信号；
所述信号处理单元，可以安装于所述甲板的甲板面以上，可以用于接收所述返回信号，并根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况。
在本申请的示例性实施例中，所述监测单元可以包括至少一个声波发射器和至少一个声波接收器；
所述声波发射器，可以用于向所述桩靴底部以下的地层发射声波，作为所述探测信号；
所述声波接收器，可以用于接收发射声波经地层反射后的返回声波，并将所述返回声波作为所述返回信号。
在本申请的示例性实施例中，所述信号处理单元根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况可以包括：根据所述返回声波之间的接收时间差计算所述地质分层情况；其中，不同的地层对应不同的接收时间差。
在本申请的示例性实施例中，所述声波接收器，还可以用于接收由于所述桩靴的压力作用于地层中的硬壳层时引起所述硬壳层内应力的变化而产生的声信号；
所述信号处理单元，还可以用于接收所述声信号，并根据所述声信号判断所述硬壳层是否临近断裂。
在本申请的示例性实施例中，所述信号处理单元根据所述声信号判断所述硬壳层是否临近断裂可以包括：
将所述声信号与预存的一个或多个断裂声音信号相比较，当所述声信号与所述一个或多个断裂声音信号中的任意一个或多个断裂声音信号相匹配时，判定所述硬壳层处于临近断裂的状态。
在本申请的示例性实施例中，所述声波发射器为多个，和/或所述声波接收器为多个；
所述声波发射器和/或所述声波接收器组成阵列。
在本申请的示例性实施例中，多个声波接收器组成三分量声波接收器阵列，
所述三分量声波接收器阵列的工作频率范围可以包括：4kHz～8kHz。
在本申请的示例性实施例中，所述声波接收器可以紧贴或者贯穿所述桩靴的下底板。
在本申请的示例性实施例中，所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置还可以包括信号电缆；所述监测单元和所述信号处理单元通过所述信号电缆进行信号传输；
其中，所述信号电缆从所述桩靴的底部穿出，并沿所述桩腿向上延伸至所述桩腿的顶部；
在所述信号电缆上每个预设距离设置有至少一个防水插头。
在本申请的示例性实施例中，在所述海洋自升式平台就位后，并且所述甲板起升到预定的插桩压载位置后，所述信号处理单元与位于所述甲板以上且距离所述甲板最近的防水插头相连。
与相关技术相比，本申请实施例包括所述海洋自升式平台可以包括甲板、桩腿和安装于所述桩腿底端的桩靴；所述装置可以包括：监测单元和信号处理分析单元；所述监测单元，可以安装于所述桩靴上，可以用于在所述海洋自升式平台进行插桩时实时向所述桩靴底部以下的地层发射探测信号，并接收关于所述探测信号的返回信号；所述信号处理单元，可以安装于所述甲板的甲板面以上，可以用于接收所述返回信号，并根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况。通过该实施例方案，实现了对桩靴底部土体分层的变化进行实时监测，实时指导海上自升式钻井平台插桩、压载施工过程。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请实施例的海洋自升式平台插桩压载监测装置示意图。
具体实施方式
本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。
本申请实施例提供了一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，如图1所示，所述海洋自升式平台可以包括甲板6、桩腿7和安装于所述桩腿7底端的桩靴3；所述装置可以包括：监测单元1和信号处理分析单元2；
所述监测单元1，可以安装于所述桩靴3上，可以用于在所述海洋自升式平台进行插桩时实时向所述桩靴底部以下的地层发射探测信号，并接收关于所述探测信号的返回信号；
所述信号处理单元2，可以安装于所述甲板6的甲板面以上，可以用于接收所述返回信号，并根据所述返回信号分析所述桩靴3底部以下的地质分层情况。
为了便于理解本申请实施例方案，首先对海洋自升式平台插桩压载过程进行介绍。目前，在自升式平台就位前，先由物探船到达目标地点，通过测量得到目标地点的地质情况，特别是海底泥线4以下40m内每层土的参数，然后通过计算分析得到对应层土的承载力P，绘制插桩入泥曲线。当平台压载量P’大于P时，则认为桩靴3穿过该层土，进入下一层，直到地基承载力P＝平台最大压载量Pmax,，即为最终入泥深度。特别地，当存在硬壳层时，硬壳层承载力P1大于下一层基承载力P2，存在穿刺风险。根据平台压载量P’与硬壳层承载力P1的比值，可以确定穿刺安全系数，最终对穿刺的可能性进行评价。平台根据预测的入泥曲线和穿刺风险，制定和实施插桩压载方案。
由于这种预测方法是基于未扰动地层进行的，且忽略了土层之间的相互作用，而实际插桩过程中土层会发生挤压、回流、穿刺等多种现象，引起土土分层变化，导致实际入泥深度与预测的偏差。
在本申请的示例性实施例中，本申请实施例提出了一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，如图1所示，该装置可以包括监测单元1和信号处理分析单元2，其中：所述监测单元1可以安装于自升式平台桩靴3上，所述信号处理单元2可以安装于所述甲板6的甲板面以上。
在本申请的示例性实施例中，所述监测单元1可以包括至少一个声波发射器12和至少一个声波接收器11；
所述声波发射器12，可以用于向所述桩靴3底部以下的地层发射声波，作为所述探测信号；
所述声波接收器11，可以用于接收发射声波经地层反射后的返回声波，并将所述返回声波作为所述返回信号。
在本申请的示例性实施例中，可以由安装在桩靴3的下底板31的声波发射器12发出声波，经过地层反射后(即返回声波)被声波接收器11接收，信号经处理后由信号电缆5传输至位于甲板6表面以上的信号处理单元2。
在本申请的示例性实施例中，所述监测单元还可以包括信号放大器和信号稳定器。信号放大器和信号稳定器可以对返回声波进行信号放大和稳定处理，并将经过放大和稳定以后的信号通过信号电缆5传输至信号处理单元2。所述信号处理单元2可以用于对该信号进行处理分析，得到桩靴3的底部的地质分层情况，从而对插桩压载的安全性预判提供指导。
在本申请的示例性实施例中，所述信号处理单元2根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况可以包括：根据所述返回声波之间的接收时间差计算所述地质分层情况；其中，不同的地层对应不同的接收时间差。
在本申请的示例性实施例中，由于声音在不同土层(即地层)中的传播速度不同，根据收到的返回声波信号的时间差(即接收时间差)，信号处理单元2可以计算出桩靴3下部的土体分层情况，并可以将其显示给使用者，从而对插桩压载的安全性预判提供指导。
在本申请的示例性实施例中，所述声波接收器11，还可以用于接收由于所述桩靴3的压力作用于地层中的硬壳层41时引起所述硬壳层41内应力的变化而产生的声信号；
所述信号处理单元2，还可以用于接收所述声信号，并根据所述声信号判断所述硬壳层41是否临近断裂。
在本申请的示例性实施例中，所述信号处理单元2根据所述声信号判断所述硬壳层41是否临近断裂可以包括：
将所述声信号与预存的一个或多个断裂声音信号相比较，当所述声信号与所述一个或多个断裂声音信号中的任意一个或多个断裂声音信号相匹配时，判定所述硬壳层41处于临近断裂的状态。
在本申请的示例性实施例中，对于有穿刺风险的地层，桩靴3压力作用于硬壳层41时，引起硬壳层41内应力的变化，产生声发射信号。信号通过地层传输到桩靴3底部，被声波接收器11捕捉，并传输到信号处理分析单元2；信号处理分析单元2对声发射信号进行处理分析，评价硬壳层是否临近断裂状态42，从而对平台穿刺提供早期预警。
在本申请的示例性实施例中，所述信号处理单元2还可以根据返回声波信号之间的接收时间差判断所述硬壳层是否已经断裂；其中，所述硬壳层的断裂处的返回声波与非断裂处的返回声波时间差不同。
在本申请的示例性实施例中，所述声波发射器12可以为多个，和/或所述声波接收器11可以为多个；
所述声波发射器12和/或所述声波接收器11可以组成阵列。
在本申请的示例性实施例中，多个声波接收器11可以组成三分量声波接收器阵列，
所述三分量声波接收器阵列的工作频率范围可以包括：4kHz～8kHz。
在本申请的示例性实施例中，一个监测单元1可包含多个声波发射器12和声波接收器11，声波发射器12和声波接收器11可以成线性排列或环状排列，实现对桩靴3底部土体的二维或三维探测。
在本申请的示例性实施例中，声波探测距离可以满足10-20m，探测精度可以满足小于0.5m。
在本申请的示例性实施例中，所述声波接收器可以紧贴或者贯穿所述桩靴的下底板。
在本申请的示例性实施例中，声波发射器12和声波接收器11贯穿桩靴3底部钢板，可以减小声波经过钢板时的衰减。
在本申请的示例性实施例中，所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置还可以包括信号电缆5；所述监测单元1和所述信号处理单元2通过所述信号电缆5进行信号传输；
其中，所述信号电缆5从所述桩靴3的底部穿出，并沿所述桩腿7向上延伸至所述桩腿7的顶部；
在所述信号电缆5上每个预设距离设置有至少一个防水插头51。
在本申请的示例性实施例中，在所述海洋自升式平台就位后，并且所述甲板6起升到预定的插桩压载位置后，所述信号处理单元2可以与位于所述甲板6以上且距离所述甲板6最近的防水插头51相连。
在本申请的示例性实施例中，由于海洋自升式平台升降船时船体需沿着桩腿(未画出)上下移动，即甲板6的表面到海底泥线4的距离是变化的，所述信号处理单元2安装于甲板6以上，可随自升式平台主船体进行上下移动，以适应不同水深下的插桩压载作业。为了将桩靴3底部信号传输至甲板6以上，信号电缆5可以从桩靴3底部穿出后沿桩腿7向上延伸至桩腿7顶部，在信号电缆5上每间隔一定距离(如预设距离)可以布置一个防水插头51，其中一个防水插头51可以由甲板6上的电缆52连接到信号处理单元2。当海洋自升式平台就位后，甲板6可以起升到预定插桩压载位置，信号处理单元2可以通过距离甲板最近的防水插头51与监测单元1相连接，以适应不同水深下的作业要求。
在本申请的示例性实施例中，随着海洋自升式平台上下移动，可以手动切换到距离最近的防水插头51。
在本申请的示例性实施例中，所述监测单元1可采用电池供电，或采用与上述信号电缆5形式相同的电缆供电。
在本申请的示例性实施例中，插桩压载监测装置可采用主动探测和被动监听两种方式，实时监测插桩压载过程中桩靴下部土体的分层变化情况，从而对预测结果进行调整，克服了现有技术根据原位土预测而产生的偏差，大大提高自升式平台插桩压载预测的准确性和作业的安全性。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
Claims (8)
1.一种海洋自升式平台插桩压载监测装置，所述海洋自升式平台包括甲板、桩腿和安装于所述桩腿底端的桩靴；其特征在于，所述装置包括：监测单元、信号处理单元和信号电缆；
所述监测单元，安装于设置于海底泥中的所述桩靴上，用于在所述海洋自升式平台上下移动进行插桩压载时实时向所述桩靴底部以下的地层发射探测信号，并接收关于所述探测信号的返回信号；
所述信号处理单元，安装于所述甲板的甲板面以上，用于接收所述返回信号，并根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况，
其中，所述监测单元和所述信号处理单元通过所述信号电缆进行信号传输；
其中，所述信号电缆从所述桩靴的底部穿出，并沿所述桩腿向上延伸至所述桩腿的顶部；
在所述信号电缆上每个预设距离设置有至少一个防水插头，其中一个防水插头能够由所述信号电缆连接到所述信号处理单元；
其中，在所述海洋自升式平台就位后，并且所述甲板起升到预定的插桩压载位置后，所述信号处理单元与位于所述甲板以上并且距离所述甲板最近的防水插头相连。
2.根据权利要求1所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述监测单元包括至少一个声波发射器和至少一个声波接收器；
所述声波发射器，用于向所述桩靴底部以下的地层发射声波，作为所述探测信号；
所述声波接收器，用于接收发射声波经地层反射后的返回声波，并将所述返回声波作为所述返回信号。
3.根据权利要求2所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述信号处理单元根据所述返回信号分析所述桩靴底部以下的地质分层情况包括：根据所述返回声波之间的接收时间差计算所述地质分层情况；其中，不同的地层对应不同的接收时间差。
4.根据权利要求2所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述声波接收器，还用于接收由于所述桩靴的压力作用于地层中的硬壳层时引起所述硬壳层内应力的变化而产生的声信号；
所述信号处理单元，还用于接收所述声信号，并根据所述声信号判断所述硬壳层是否临近断裂。
5.根据权利要求4所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述信号处理单元根据所述声信号判断所述硬壳层是否临近断裂包括：
将所述声信号与预存的一个或多个断裂声音信号相比较，当所述声信号与所述一个或多个断裂声音信号中的任意一个或多个断裂声音信号相匹配时，判定所述硬壳层处于临近断裂的状态。
6.根据权利要求2-5任意一项所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述声波发射器为多个，和/或所述声波接收器为多个；
所述声波发射器和/或所述声波接收器组成阵列。
7.根据权利要求6所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，多个声波接收器组成三分量声波接收器阵列，
所述三分量声波接收器阵列的工作频率范围包括：4kHz～8kHz。
8.根据权利要求2-5任意一项所述的海洋自升式平台插桩压载监测装置，其特征在于，所述声波接收器紧贴或者贯穿所述桩靴的下底板。
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