CN112926247B - 悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法、系统及存储介质，包括以下步骤：计算目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；计算监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度；将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置响应参数的功率谱密度；求解每一监测周期目标位置响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值作为动态响应参数在每一监测周期内的峰值预测值，反映在每一监测周期内该动态响应参数的有效值；即得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于加速度振动监测数据的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法、系统及存储介质，属于海洋石油工程和深水油气领域。
背景技术
深水钻井作业中，钻井隔水管是连接海底井口与海面作业平台的重要通道，是深水油气勘探开发的重要设备。隔水管在遇到恶劣天气或工况(如台风、强内波流)时，钻井平台需要紧急撤离，保证人员及设备的安全。
目前常规避台方案是平台解脱并回收全部隔水管后航行至安全区域，待环境条件允许后，将隔水管需要重新下放，重新开始钻井作业。这种方案效率极低，会导致非作业时间增长，从而增加钻井的成本。还存在其他避台方案，例如悬挂撤离避台，当紧急遇到台风天气时，平台回收部分隔水管，未回收的隔水管悬挂于平台，随平台一起航行撤离至安全区域。该方案可以延长钻井作业时间，比常规的回收全部隔水管具备一定的优势；然而，因航速难以提高(推荐最高不超过0.3节航速)，航行撤离效率难以保证，因此该方案作为紧急状态下的备用方案(尤其在台风工况下)，存在一定的安全风险。因此，在悬挂状态和悬挂撤离状态下，隔水管状态监测和预警对于保证和提高恶劣海况下的悬挂隔水管系统的安全状态显得至关重要。但在悬挂和悬挂撤离等应急状态下，钻井隔水管由于现场作业原因，无法安装太多监测传感器或者部分重点关注区域不便安装传感器时，因而导致无法监测整根隔水管状态。
为此，亟需开发一种基于监测数据的隔水管动态响应预测系统，为确保悬挂隔水管作业安全提供决策支持，降低事故的发生，提高海上钻井作业安全。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用隔水管振动加速度监测数据进行悬挂状态下隔水管的动态响应预测方法、系统及存储介质。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，包括以下步骤：
计算目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；
计算监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度；
将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置响应参数的功率谱密度；
求解每一监测周期目标位置响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值作为动态响应参数在每一监测周期内的峰值预测值，反映在每一监测周期内该动态响应参数的有效值；即得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
在一些实施例中，优选地，传递函数的计算过程如下：
①计算隔水管系统的前1～N阶的自振频率；
②对隔水管系统顶端位置处施加含1～N阶自振频率振动信号的加速度正弦激励，
③对隔水管系统进行有限元计算，提取稳定状态后监测位置处的加速度时程数据和目标位置处的响应参数时程数据，均进行傅里叶变换的频域处理后，得到不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值；
④将得到的不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值依次与同等频率下的监测位置的加速度正弦激励幅值进行相除，得到隔水管系统在不同自振频率下的目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数。
在一些实施例中，优选地，监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度的计算过程如下：
将监测位置处的一个监测周期内的实际监测加速度时程数据进行频域化处理，得到监测位置加速度的功率谱密度。
在一些实施例中，优选地，在上述步骤②中，各阶加速度正弦激励的幅值为同一大小值。
在一些实施例中，优选地，响应参数为加速度、位移和/或弯矩。
在一些实施例中，优选地，所述设定值为
第二方面，本发明还提供一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测系统，包括：
传递函数计算模块，被配置为计算目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；
加速度功率谱密度计算模块，被配置为计算监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度；
响应参数功率谱密度计算模块，被配置为将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置响应参数的功率谱密度；
响应参数预测模块，被配置为求解每一监测周期目标位置响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值，得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
第三方面，本发明还提供一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现本发明第一方面所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法。
第四方面，本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现本发明第一方面所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法。
本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：本发明提供的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，利用监测位置的加速度监测数据和传递函数对悬挂状态的隔水管动态响应参数进行预测，从而能够为确保悬挂隔水管作业安全提供决策支持，降低事故的发生，提高海上钻井作业安全。
附图说明
图1为本发明利用监测位置加速度传感器数据计算隔水管目标位置处的动态响应示意图。
图2为本发明的目标位置响应参数的传递函数计算原理图。
图3为本发明的目标位置响应参数的传递函数计算流程框图。
图4为本发明的一个监测周期内的利用传递函数计算得到目标位置的响应参数的预测峰值的流程框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
本公开一实施例提供一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，确定隔水管系统的监测位置A(例如监测传感器位置)和需要预测的目标位置B；
S2：计算目标位置B的响应参数和监测位置A的加速度之间的传递函数；
S3：计算监测位置A的实际加速度监测数据的功率谱密度；
S4：将上述步骤S2中的传递函数和上述步骤S3中监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置B响应参数的功率谱密度；
S5：求解每一监测周期目标位置B响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值(优选为)作为动态响应参数在每一监测周期内的峰值预测值，反映在每一监测周期内该动态响应参数的有效值，即得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
在一些实施例中，优选地，如图2、图3所示，在上述步骤S2中，传递函数的计算过程如下：
①计算隔水管系统的前1～N阶(一般可为20或30阶)的自振频率。一般可利用商业有限元软件进行计算；
②对隔水管系统顶端位置处施加含1～N阶自振频率振动信号的加速度正弦激励，各阶加速度正弦激励的幅值可为同一大小值；
③对隔水管系统进行有限元计算，提取稳定状态后监测位置A处的加速度时程数据和目标位置B处的响应参数(如加速度、位移、弯矩等)时程数据，均进行傅里叶变换的频域处理后，得到不同自振频率下的目标位置B处的响应参数幅值；
④将得到的不同自振频率下的目标位置B处的响应参数幅值依次与同等频率下的监测位置A的加速度正弦激励幅值进行相除，得到隔水管系统在不同自振频率下的目标位置B的响应参数和监测位置A的加速度之间的传递函数。
在一些实施例中，优选地，可利用有限元软件(如Flexcom、OrcaFlex或自编计算软件等)计算目标位置B的响应参数和监测位置A的加速度之间的传递函数，其中，可利用有限元软件计算隔水管系统的前1～N阶(一般可为20或30阶)的自振频率。
在一些实施例中，优选地，在上述步骤S3中，监测位置A的实际加速度监测数据的功率谱密度的计算过程如下：
将监测位置A处的一个监测周期内的实际监测加速度时程数据进行频域化处理，得到加速度的功率谱密度，如图1中所示的加速度功率谱密度函数曲线。
由于隔水管系统振动加速度在水平方向存在两个自由度，因此可将加速度分布折算为沿隔水管系统圆截面按45度间隔分布的8个点位处的等效加速度，进行频域化处理，得到八个方向的加速度功率谱密度。
在一些实施例中，优选地，监测位置A处的实际监测加速度功率谱密度与传递函数相乘计算得到目标位置B处的响应参数(如加速度、位移、弯矩等)功率谱密度，如图1中所示的相应参数功率谱密度函数曲线。若将加速度分布折算为沿隔水管系统圆截面按45度间隔分布的8个点位处的等效加速度，则可得到八个方向的加速度功率谱密度，相应地可得到8个方向的响应参数功率谱密度。
在现有悬挂撤离避台方案中，若在悬挂或者悬挂撤离状态时，波浪和海流为引起钻井隔水管振动的主要原因，波浪也会引起船舶的振动，而船舶的振动也会传播到钻水管上，钻井隔水管监测位置(监测传感器设置)较多(如5～10处)，相应的目标位置则可选择更多(如20～40处甚至更多)，利用钻井隔水管上多个监测位置处的振动加速度监测数据结合本发明的方法，可对悬挂或悬挂航线状态下波浪或海流引起的钻井隔水管振动动态响应进行精确度较高的预测，从而能够为确保悬挂隔水管作业安全提供决策支持，降低事故的发生，提高海上钻井作业安全。此外，本发明的方法亦可用于正常钻井连接状态的隔水管响应预测。
实施例2
上述实施例1提供了一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，与之相对应地，本实施例提供一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测系统。本实施例提供的预测系统可以实施实施例1的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，该系统可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，该系统可以包括集成的或分开的功能模块或功能单元来执行实施例1各方法中的对应步骤。由于本实施例的评价系统基本相似于方法实施例，所以本实施例描述过程比较简单，相关之处可以参见实施例1的部分说明即可，本实施例的评价系统仅仅是示意性的。
本实施例提供的一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测系统，包括：
传递函数计算模块，被配置为计算目标位置B的响应参数和监测位置A的加速度之间的传递函数；
加速度功率谱密度计算模块，被配置为计算监测位置A的实际加速度监测数据的功率谱密度；
响应参数功率谱密度计算模块，被配置为将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置B响应参数的功率谱密度；
响应参数预测模块，被配置为求解每一监测周期目标位置B响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值，得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
实施例3
本实施例提供一种实现本实施例1所提供的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的预测方法。
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行本实施例1所提供的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法。
优选地，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
优选地，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例4
本实施例1的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的预测方法的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；
计算监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度；
将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置响应参数的功率谱密度；
求解每一监测周期目标位置响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值作为动态响应参数在每一监测周期内的峰值预测值，反映在每一监测周期内该动态响应参数的有效值；即得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数；
传递函数的计算过程如下：
①计算隔水管系统的前1～N阶的自振频率；
②对隔水管系统顶端位置处施加含1～N阶自振频率振动信号的加速度正弦激励，
③对隔水管系统进行有限元计算，提取稳定状态后监测位置处的加速度时程数据和目标位置处的响应参数时程数据，均进行傅里叶变换的频域处理后，得到不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值；
④将得到的不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值依次与同等频率下的监测位置的加速度正弦激励幅值进行相除，得到隔水管系统在不同自振频率下的目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数。
2.如权利要求1所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，其特征在于，监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度的计算过程如下：
将监测位置处的一个监测周期内的实际监测加速度时程数据进行频域化处理，得到监测位置加速度的功率谱密度。
3.如权利要求1所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，其特征在于：在上述步骤②中，各阶加速度正弦激励的幅值为同一大小值。
4.如权利要求1所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，其特征在于：响应参数为加速度、位移和/或弯矩。
5.如权利要求1所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法，其特征在于：所述设定值为
6.一种悬挂状态钻井隔水管动态响应预测系统，其特征在于，包括：
传递函数计算模块，被配置为计算目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；传递函数的计算过程如下：
①计算隔水管系统的前1～N阶的自振频率；
②对隔水管系统顶端位置处施加含1～N阶自振频率振动信号的加速度正弦激励，
③对隔水管系统进行有限元计算，提取稳定状态后监测位置处的加速度时程数据和目标位置处的响应参数时程数据，均进行傅里叶变换的频域处理后，得到不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值；
④将得到的不同自振频率下的目标位置处的响应参数幅值依次与同等频率下的监测位置的加速度正弦激励幅值进行相除，得到隔水管系统在不同自振频率下的目标位置的响应参数和监测位置的加速度之间的传递函数；
加速度功率谱密度计算模块，被配置为计算监测位置的实际加速度监测数据的功率谱密度；
响应参数功率谱密度计算模块，被配置为将传递函数和监测位置的加速度功率谱密度相乘得到目标位置响应参数的功率谱密度；
响应参数预测模块，被配置为求解每一监测周期目标位置响应参数的功率谱密度的均方根值，并乘以设定值，得到隔水管系统悬挂期间的动态响应预测参数。
7.一种处理设备，所述处理设备至少包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序时执行以实现根据权利要求1到5任一项所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法。
8.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令可被处理器执行以实现权利要求1到5任一项所述的悬挂状态钻井隔水管动态响应预测方法。
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