CN113107465A - 导管架及海洋深水浅层气监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种导管架及海洋深水浅层气监测装置，该导管架包括：隔水管、气体监测装置、通讯机和连接机构，所述连接机构被构造成将所述气体监测装置和所述通讯机安装于隔水管；所述气体监测装置包括监测壳体、气体传感器和防水透气膜，所述监测壳体设有气水分离室和监测室，所述防水透气膜设置于所述气水分离室内，所述防水透气膜被构造成阻止水进入监测室且允许气体进入监测室；所述气体传感器安装于所述监测室；所述通讯机与所述气体传感器电连接，用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。通过本发明，缓解了深水油气勘探开发过程中难以及时了解浅层气泄漏情况的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及海洋钻井设备，尤其涉及一种导管架及海洋深水浅层气监测装置。
背景技术
深水油气勘探开发过程中，时有发生一些危及深水钻井安全的海洋地质灾害事件，深水钻探遇到的情况比较复杂。深水海底浅层常常会存在浅层气、浅层流及天然气水合物等地质灾害，这些会给油气钻探作业带来很大的风险和挑战。浅层气对深水表层钻井造成的风险主要包括井涌、井喷等井筒内的井控风险，另外，一些情况下，浅层气顺着地层裂缝渗透溢出泥线，在深水泥面的温压条件下，在水下井口、井口连接器缝隙处形成水合物，造成水下井口无法解脱。如果浅层气持续逸出，后续钻井作业中下入防喷器系统，可能会在防喷器控制面板、控制管汇处形成水合物，导致钻井平台无法对防喷器进行控制。浅层气一旦大规模持续的泄露，会对海洋油气开发将造成较大的损伤，危及现场作业人员的安全。
目前，为了了解浅层气的泄漏情况，采用的方法通常为：使用探杆收集监测区域的样本，然后在实验室提取，利用气相色谱仪比对，来判断是否发生浅层气泄漏。但是，这种方法检测时间比较长，实时性较差，不利于及时了解监测区域的浅层气的泄漏情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种导管架及海洋深水浅层气监测装置，以缓解深水油气勘探开发过程中难以及时了解浅层气泄漏情况的技术问题。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：
本发明提供一种导管架，包括：隔水管、气体监测装置、通讯机和连接机构，所述连接机构被构造成将所述气体监测装置和所述通讯机安装于隔水管；
所述气体监测装置包括监测壳体、气体传感器和防水透气膜，所述监测壳体设有气水分离室和监测室，所述防水透气膜设置于所述气水分离室内，所述防水透气膜被构造成阻止水进入监测室且允许气体进入监测室；所述气体传感器安装于所述监测室；
所述通讯机与所述气体传感器电连接，用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
在优选的实施方式中，所述气水分离室与所述监测室之间设有隔板，所述隔板上设有多个通道。
在优选的实施方式中，所述气体传感器包括多个球形探头。
在优选的实施方式中，所述通道的上方设有所述球形探头。
在优选的实施方式中，所述防水透气膜与所述隔板之间设有气室。
在优选的实施方式中，所述连接机构包括伸缩杆和固接结构，所述伸缩杆的一端通过所述固接结构安装于隔水管，所述气体监测装置安装于所述伸缩杆的另一端，所述伸缩杆能够沿横向调节长度。
在优选的实施方式中，所述伸缩杆包括多个短节和紧固螺栓，多个所述短节依次套接，相邻两个所述短节之间通过所述紧固螺栓固定。
在优选的实施方式中，所述固接结构包括卡箍、第一连接块和第二连接块，卡箍固接于隔水管，所述第一连接块固接于所述卡箍并且所述第一连接块设有沿竖直方向延伸的T形槽，所述第二连接块设有T形卡块，所述T形卡块嵌设于所述T形槽中；所述伸缩杆与所述第二连接块固接。
在优选的实施方式中，所述气体监测装置包括信号转化装置和信号发射器；所述通讯机包括信号接收器、信号处理模块、功率放大器和信号传输系统，所述气体传感器、所述信号转化装置、所述信号发射器、所述信号接收器、所述信号处理模块、所述功率放大器和所述信号传输系统电连接，所述信号传输系统用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
本发明提供一种海洋深水浅层气监测装置，应用于上述的导管架，所述海洋深水浅层气监测装置包括：气体监测装置、通讯机和连接机构，所述连接机构被构造成将所述气体监测装置和所述通讯机安装于隔水管；
所述气体监测装置包括监测壳体、气体传感器和防水透气膜，所述监测壳体设有气水分离室和监测室，所述防水透气膜被构造成阻止水进入监测室且允许气体进入监测室；所述气体传感器安装于所述监测室；
所述通讯机与所述气体传感器电连接，用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
本发明的特点及优点是：
本发明提供的导管架中，气体监测装置和通讯机随隔水管一起下入到水下，海水可以进入到气水分离室，在防水透气膜的过滤作用下，水被阻止进入到监测室，海水中的气体可以透过防水透气膜进入到监测室中，监测室中的气体传感器对气体进行检测，并通过通讯机将检测信号传递至钻进平台。
该导管架能够实现在钻井作业过程中，实时监测浅部地层浅层气泄漏逸出情况和水合物分解的情况，为现场作业提供预警作用，保证在浅层气小范围逸散时及时发现逸散情况，方便施工人员及时做好应对措施，避免不可控的情况发生，保证深水钻井作业的安全。并且，该导管架可作为深水浅层地质灾害预测及控制系统的一部分，保障现场作业安全，减少海洋作业事故的发生，为安全的钻井施工、高效地开发油气田提供技术保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的海洋深水浅层气监测装置与隔水管的连接示意图；
图2为图1的正视图；
图3为本发明提供的海洋深水浅层气监测装置中的气体监测装置的结构示意图；
图4为本发明提供的海洋深水浅层气监测装置中的伸缩杆的结构示意图；
图5为本发明提供的海洋深水浅层气监测装置中的通讯机的结构示意图；
图6为隔水管的结构示意图。
附图标号说明：
10、隔水管；
101、下法兰；102、隔水管螺栓；103、隔水管螺母；104、液压管线；105、主体；106、辅助管线安装支架；
20、气体监测装置；
21、监测壳体；22、气水分离室；221、气室；23、监测室；24、隔板；25、通道；
261、气体传感器；262、球形探头；263、信号转化装置；264、信号发射器；
27、防水透气膜；
30、通讯机；31、信号接收器；32、信号处理模块；33、功率放大器；34、信号传输系统；35、电缆；
361、电池；362、电源管理系统；
371、通讯机壳体；372、螺钉；373、吊环；
40、连接机构；
41、伸缩杆；411、短节；412、凸起部；413、紧固螺栓；
42、固接结构；
421、第一连接块；4211、T形槽；422、第二连接块；4221、T形卡块；423、卡箍；424、卡箍螺栓。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
实施例一
本发明提供了一种导管架，如图1-图3所示，该导管架包括：隔水管10、气体监测装置20、通讯机30和连接机构40，连接机构40被构造成将气体监测装置20和通讯机30安装于隔水管10；气体监测装置20包括监测壳体21、气体传感器261和防水透气膜27，监测壳体21设有气水分离室22和监测室23，防水透气膜27被构造成阻止水进入监测室23且允许气体进入监测室23；气体传感器261安装于监测室23；通讯机30与气体传感器261电连接，用于将传感器的监测信息向钻井平台传递。
气体监测装置20和通讯机30随隔水管10一起下入到水下，海水可以进入到气水分离室22，在防水透气膜27的过滤作用下，水被阻止进入到监测室23，海水中的气体可以透过防水透气膜27进入到监测室23中，监测室23中的气体传感器261对气体进行检测，并通过通讯机30将检测信号传递至钻进平台。
该导管架能够实现在钻井作业过程中，实时监测浅部地层浅层气泄漏逸出情况和水合物分解的情况，为现场作业提供预警作用，保证在浅层气小范围逸散时及时发现逸散情况，方便施工人员及时做好应对措施，避免不可控的情况发生，保证深水钻井作业的安全。并且，该导管架可作为深水浅层地质灾害预测及控制系统的一部分，保障现场作业安全，减少海洋作业事故的发生，为安全的钻井施工、高效地开发油气田提供技术保障。
气体监测装置20对气体进行捕获和实时监测。在一实施方式中，防水透气膜27设置于气水分离室22内，海水先进入气水分离室22，海水流经防水透气膜27，气体在气水分离室22完成水气分离，实现对海水进行过滤，海水中的气体穿过防水透气膜27，并流向监测室23。优选地，监测室23位于气水分离室22的上方，气水分离室22的下部设有开口，海水从下部被吸入，海水中的气体穿过防水透气膜27继续向上进入监测室23。
进一步地，气水分离室22与监测室23之间设有隔板24，隔板24上设有多个通道25，气体穿过防水透气膜27后，通过通道25穿过隔板24，从而流入到监测室23中，隔板24和通道25可以使气体分布得更均匀，有利于气体传感器261对气体进行检测。如图3所示，防水透气膜27布置在气水分离室22的下部，防水透气膜27与隔板24之间设有气室221，海水中的气体穿过防水透气膜27后，进入到气室221中，气室221起到缓存的作用的，有利于气体均匀稳定地经各个通道25流入监测室23。优选地，气体监测装置20包括多个上下间隔分布的防水透气膜27。
在本发明的一实施方式中，气体传感器261包括多个球形探头262。进入监测室23的气体与球形探头262接触，球形探头262增大了接触面积，方便更好地识别待检测气体。如图3所示，通道25的上方设有球形探头262，气体通过球形探头262流向监测室23，首先接触到球形探头262，有利于提高监测的灵敏性。优选地，球形探头262与隔板24上的通道25一一对应。气体传感器261可以采用高灵敏度甲烷探测器(Methane Sensor)标准型(ClassicMETS),可用于长期观测，耐压深度4000米，可在数秒内迅速反应。
在本发明的一实施方式中，连接机构40包括伸缩杆41和固接结构42，伸缩杆41的一端通过固接结构42安装于隔水管10，气体监测装置20安装于伸缩杆41的另一端，伸缩杆41能够沿横向调节长度。通过调节伸缩杆41的长度，可以调整气体监测装置20与隔水管10的距离，探测不同位置的浅层气。在安装该导管架前或者在安装气体监测装置20和通讯机30前，可以先确定所需探测的距离范围，以确定伸缩杆41的长度。
进一步地，伸缩杆41包括多个短节411和紧固螺栓413，多个短节411依次套接，相邻两个短节411之间通过紧固螺栓413固定。如图4所示，相邻两个短节411中，外径较小的短节411穿设于外径较大的短节411，两者可以相对滑动，以调整伸缩杆41的长度；外径较大的短节411上连接有紧固螺栓413，紧固螺栓413与外径较小的短节411抵接时，可以阻止两者发生相对滑动，从而对伸缩杆41的长度进行锁定。更进一步地，外径较小的短节411的外壁上设有多个凸起部412，外径较大的短节411的内壁设有与该凸起部412相配合的滑槽，凸起部412可以在滑槽中沿轴向滑动；当紧固螺栓413延伸至相邻两个凸起部412之间时，可以实现阻止两者发生相对滑动。
在本发明的一实施方式中，固接结构42包括卡箍423、第一连接块421和第二连接块422，卡箍423固接于隔水管10，第一连接块421固接于卡箍423并且第一连接块421设有沿竖直方向延伸的T形槽4211，第二连接块422设有T形卡块4221，T形卡块4221嵌设于T形槽4211中；伸缩杆41与第二连接块422固接。第一连接块421与第二连接块422，通过T形槽4211和T形卡块4221实现连接，一方面方便拆装，另一方面可以使连接更为牢固，不容易发生滑落。第一连接块421与第二连接块422可以通过螺栓实现紧固。
如图1所示，卡箍423通过卡箍螺栓424实现紧固于隔水管10的侧壁，可以沿隔水管10的轴向调整卡箍423的位置，以实现调整气体监测装置20的高度。具体地，卡箍423包括两个半圆环体，两个半圆环体采用卡箍螺栓424连接，其中一侧的半圆环体上焊接有第一连接块421。ROV(Remote Operated Vehicle，遥控无人潜水器)在水下观测，可将情况反映至水上，当观测到位置不合适时，可对卡箍423的位置进行调整。
如图1所示，通讯机30通过固接结构42固定于隔水管10，固接结构42包括卡箍423、第一连接块421和第二连接块422，卡箍423固接于隔水管10，第一连接块421固接于卡箍423并且第一连接块421设有沿竖直方向延伸的T形槽4211，第二连接块422设有T形卡块4221，T形卡块4221嵌设于T形槽4211中；通讯机30与第二连接块422固接。
该导管架可以在水下完成气体的采集检测和信号传输，当气体监测装置20实时监测到气体后，会将信号传输到通讯机30，在通讯机30内继续完成信号的转化传输工作。通讯机30与气体监测装置20通过电缆35连接。通讯机30采用无线传播方式，将信号传播到钻井平台上，供监控主机观察。在本发明的一实施方式中，该气体监测装置20包括信号转化装置263和信号发射器264，气体传感器261识别气体的种类浓度等信息，在信号转化装置263中完成信号转化，将信号通过信号发射器264传递给通讯机30。通过通讯机30，将气体传感器261的信号传输到水面的控制室，通讯机30包括信号接收器31、信号处理模块32、功率放大器33和信号传输系统34，气体传感器261、信号转化装置263、信号发射器264、信号接收器31、信号处理模块32、功率放大器33和信号传输系统34电连接，信号传输系统34用于将传感器的监测信息向钻井平台传递。
信号接收器31负责接收来自气体实时监测仪部分的发射来的信号。信号传输系统34能将完成处理的信号传输到钻井平台上，用于监控主机实时监测水下浅层气情况。信号处理模块32，能够对接收到信号进行处理。
通讯机30包括吊环373、螺钉372和通讯机壳体371，通讯机壳体371包括中空的内腔，两端设有开口，具有耐压性能良好和耐腐蚀的特点。吊环373焊接在通讯机30外壳上，用于通讯机30的吊装运输。螺钉372连接通讯机30侧壁和上顶盖。通讯机30的工作环境在水下，具有耐高压、耐腐蚀和密封性良好的外壳。
通讯机壳体371的内部安装有通讯调制器、控制系统、功率放大器33和数据采集系统。控制系统对通讯调制器、功率放大器33、数据采集系统的连接与相互配合进行控制，作为通讯机30内的枢纽。通讯调制器通过数字信号处理技术，将低频信号调制到高频信号中，以进行信号传输。功率放大器33能将小功率的调制信号转变到更高功率的信号，使信号能更好地传输。数据采集系统，采集从气体监测装置20传输的数据。
通讯机30还包括电池361和电源管理系统362，电源管理系统362能够将电池361的电压进行转化，转化为稳定的电压供应给通讯机30各个部件，其中的继电器稳定性高，功率大，有利于减少能源浪费。电池361负责给通讯机30供电，能够维持通讯机30在水下的正常工作。
如图5所示，通讯机30外壳的内腔内分为上下两个区域，电池361设于下部，为整个通讯机30提供所需要的电能；信号接收器31、信号处理模块32、功率放大器33和信号传输系统34均设于上部。
隔水管10的主要作用是隔离海水，为海洋钻井提供钻井液循环的通道25。如图6所示，隔水管10包括下法兰101、隔水管螺栓102、隔水管螺母103、液压管线104、主体105和辅助管线安装支架106。隔水管10的主体采用高强度圆管，隔水管10的主体的外部设有节流管线、压井管线和浮力件。相邻隔水管10之间可通过法兰连接。
该导管架的工作过程包括：(1)将气体监测装置20、通讯机30安装在隔水管10上，随隔水管10一起下入；(2)到达指定位置后，ROV可根据情况调整卡箍423的位置，使气体监测装置20处在合适位置；(3)小面积泄露的浅层气通过气水分离室22，进入监测室23，气体传感器261测得浅层气的浓度等信息，完成气体的捕获与采集；(4)信号转化装置263将传感器内的信号进行转化，传输给信号发射器264；信号发射器264将信号发射至通讯机30；(5)通讯机30内的信号接收器31接收信号，经功率放大器33放大信号功率，信号处理模块32对其进行处理，随后将稳定清晰的信号通过传输系统传输至钻井平台的监控主机。
该导管架能监测到到低浓度的浅层气，精度比较高；气体监测装置20、通讯机30都设置在水面以下，克服了检测时间长的缺陷，能够实时监测到钻井作业时小面积小范围的浅层气逸出情况。
实施例二
本发明提供了一种海洋深水浅层气监测装置，应用于上述的导管架，海洋深水浅层气监测装置包括：气体监测装置20、通讯机30和连接机构40，连接机构40被构造成将气体监测装置20和通讯机30安装于隔水管10；气体监测装置20包括监测壳体21、气体传感器261和防水透气膜27，监测壳体21设有气水分离室22和监测室23，防水透气膜27被构造成阻止水进入监测室23且允许气体进入监测室23；气体传感器261安装于监测室23；通讯机30与气体传感器261电连接，用于将传感器的监测信息向钻井平台传递。
将该海洋深水浅层气监测装置安装到导管架中的隔水管10上，气体监测装置20和通讯机30随隔水管10一起下入到水下，海水可以进入到气水分离室22，在防水透气膜27的过滤作用下，水被阻止进入到监测室23，海水中的气体可以透过防水透气膜27进入到监测室23中，监测室23中的气体传感器261对气体进行检测，并通过通讯机30将检测信号传递至钻进平台。
通过该海洋深水浅层气监测装置，能够实现在钻井作业过程中，实时监测浅部地层浅层气泄漏逸出情况和水合物分解的情况，为现场作业提供预警作用，保证在浅层气小范围逸散时及时发现逸散情况，方便施工人员及时做好应对措施，避免不可控的情况发生，保证深水钻井作业的安全。并且，该海洋深水浅层气监测装置可作为深水浅层地质灾害预测及控制系统的一部分，保障现场作业安全，减少海洋作业事故的发生，为安全的钻井施工、高效地开发油气田提供技术保障。该海洋深水浅层气监测装置具有安装拆卸方便、使用简单、结构合理、精度高的特点；并且耐压、耐腐蚀性能良好。
以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种导管架，其特征在于，包括：隔水管、气体监测装置、通讯机和连接机构，所述连接机构被构造成将所述气体监测装置和所述通讯机安装于隔水管；
所述气体监测装置包括监测壳体、气体传感器和防水透气膜，所述监测壳体设有气水分离室和监测室，所述防水透气膜设置于所述气水分离室内，所述防水透气膜被构造成阻止水进入监测室且允许气体进入监测室；所述气体传感器安装于所述监测室；
所述通讯机与所述气体传感器电连接，用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
2.根据权利要求1所述的导管架，其特征在于，所述气水分离室与所述监测室之间设有隔板，所述隔板上设有多个通道。
3.根据权利要求2所述的导管架，其特征在于，所述气体传感器包括多个球形探头。
4.根据权利要求3所述的导管架，其特征在于，所述通道的上方设有所述球形探头。
5.根据权利要求2所述的导管架，其特征在于，所述防水透气膜与所述隔板之间设有气室。
6.根据权利要求5所述的导管架，其特征在于，所述连接机构包括伸缩杆和固接结构，所述伸缩杆的一端通过所述固接结构安装于隔水管，所述气体监测装置安装于所述伸缩杆的另一端，所述伸缩杆能够沿横向调节长度。
7.根据权利要求6所述的导管架，其特征在于，所述伸缩杆包括多个短节和紧固螺栓，多个所述短节依次套接，相邻两个所述短节之间通过所述紧固螺栓固定。
8.根据权利要求6所述的导管架，其特征在于，所述固接结构包括卡箍、第一连接块和第二连接块，卡箍固接于隔水管，所述第一连接块固接于所述卡箍并且所述第一连接块设有沿竖直方向延伸的T形槽，所述第二连接块设有T形卡块，所述T形卡块嵌设于所述T形槽中；所述伸缩杆与所述第二连接块固接。
9.根据权利要求1所述的导管架，其特征在于，所述气体监测装置包括信号转化装置和信号发射器；所述通讯机包括信号接收器、信号处理模块、功率放大器和信号传输系统，所述气体传感器、所述信号转化装置、所述信号发射器、所述信号接收器、所述信号处理模块、所述功率放大器和所述信号传输系统电连接，所述信号传输系统用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
10.一种海洋深水浅层气监测装置，其特征在于，应用于权利要求1-9中任一项所述的导管架，所述海洋深水浅层气监测装置包括：气体监测装置、通讯机和连接机构，所述连接机构被构造成将所述气体监测装置和所述通讯机安装于隔水管；
所述气体监测装置包括监测壳体、气体传感器和防水透气膜，所述监测壳体设有气水分离室和监测室，所述防水透气膜被构造成阻止水进入监测室且允许气体进入监测室；所述气体传感器安装于所述监测室；
所述通讯机与所述气体传感器电连接，用于将所述传感器的监测信息向钻井平台传递。
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