CN114088264B - 一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，所述水下脐带缆用于连接水下设备和水上设备；所述水下脐带缆包括外护套、铠装钢丝、内护套、电缆、通信光缆、钢管、三条测应力光纤、三条测温变光纤、分布式光纤应变解调仪、分布式光纤温度解调仪和处理器。本发明可以长时间采集脐带缆运作状态数据，所采集的数据客观性强，能够真实反应脐带缆的实时运作状况，对于长期海底石油气的开采工作有着重要的保障作用。

Description

一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体而言涉及一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆。
背景技术
在深海油气开发中，水下生产系统因其对各种浮式平台和相关海况的适应性、开采方式的高效与经济性以及较为成熟的技术而被广泛应用。水下生产系统将采油树等生产设备安装在海底，是一种能有效提高生产可靠性、节约平台维护成本的开发生产模式，主要由海底生产设备，上部控制模块，脐带缆三部分组成。
水下生产系统是深水油气田的主要开发模式。脐带缆作为连接上部设施和水下生产系统的“生命线”，为水下生产系统阀门执行器提供液压动力源，为水下控制系统提供电力电源；为水下生产系统提供控制信号及传输操作运行状态数据；为水下油井等提供化学药剂的注入通道。
传统的水下生产系统配置光纤的作用一般只用来通信，有些增加了测温以及测应力模块。但只是简单的测量脐带缆周边的温度以及振动，并没有三维重塑的能力以及根据脐带缆的三维形状映射出海水具体深度的水温的能力，因此识别不了具体水下多少深度处发生了事件。
参见图2，脐带缆在使用时，由于自身重量、波浪、海流以及浮体运动等因素，受到较大的拉伸荷载、弯曲荷载以及周期性交变荷载等作用。而且在长期使用的过程中，由于海水的腐蚀，脐带缆会逐渐老化，不及时补救可能会导致短路的严重后果。而且海底有着很多鱼类，会有啃咬脐带缆的风险。因此，在长期作业过程中实时监控脐带缆的状态，以免脐带缆中途损坏，造成重大的经济影响。利用分布式光纤传感技术实时监控脐带缆运作状态，对于保障脐带缆长期正常运作有着重要的保障作用。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有测温，测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，可以长时间采集脐带缆运作状态数据，所采集的数据客观性强，能够真实反应脐带缆的实时运作状况，对于长期海底石油气的开采工作有着重要的保障作用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明实施例提出了一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，所述水下脐带缆用于连接水下设备和水上设备；所述水下脐带缆包括外护套、铠装钢丝、内护套、电缆、通信光缆、钢管、三条测应力光纤、三条测温变光纤、分布式光纤应变解调仪、分布式光纤温度解调仪和处理器；所述电缆用于提供水下设备正常工作所需工作电压；所述通信光缆用于建立水下设备和水上设备之间的通信链路；
所述外护套同心套设在内护套外侧，两者之间构成横截面为环形的第一空隙，若干根铠装钢丝均匀填充在第一空隙内；
所述电缆、通信光缆、钢管、测应力光纤、测温变光纤周向分布在内护套内；三条测应力光纤和三条测温变光纤分别构成三个探测光纤组，每个探测光纤组的测应力光纤和测温变光纤紧密贴合在同一个腔管内；所述电缆、通信光缆、钢管分别设置在探测光纤组之间的第二空隙内；第二空隙内的其他空间由填充物填满；
所述分布式光纤应变解调仪分别与三条测应力光纤连接，用于处理分析三条测应力光纤的反射光数据，定位测应力光纤的形变点和形变程度，还原脐带缆形状，获得缆长和深度的对应关系；
所述分布式光纤温度解调仪用于处理分析三条测温变光纤获取的反射光数据，实时监控光纤的温度变化；
所述处理器用于控制水下设备的工作状态，以及显示脐带缆沿线的温度情况和脐带缆的三维形状。
进一步地，三个探测光纤组分别相隔120°。
进一步地，所述测应力光纤为三合一单模光纤，三根单芯光纤整合在一个腔管中，三根单芯光纤分别相隔120°。
进一步地，所述测温变光纤采用松套单模光纤。
进一步地，所述水下脐带缆包括存储设备，用于存储测应力光纤和测温变光纤获取的反射光数据。
第二方面，本发明实施例提出了一种前述具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：
S1，根据海水深度选择相应的长度的脐带缆；
S2，用脐带缆连接上端生产控制模块与下端生产设备，其中光纤用法兰连接；电缆接上工业用电；
S3，实时解调测温变光纤传回的数据，根据解调结果对测应力光纤进行温度补偿；
S4，通过三条测应力光纤的数据计算得到脐带缆不同长度处的弯曲情况，还原出脐带缆的形态，获得皮长-深度对应关系；
S5，根据皮长-深度对应关系，将温度异常、振动异常、形态异常映射到对应的深度上。
本发明的有益效果是：
(1)传统脐带缆内部是没有集成测温，测振以及测应力光纤的，只加强了脐带缆的工艺制作，出现了问题无法定位问题出现的水下深度以及无法监控水下脐带缆的姿态。
(2)传统脐带缆集成的光纤只用来简单的测试缆周围的温度以及缆周围的振动，而且测温光纤与测应力光纤是分开布置使用的，没有使用测温数据对于测应力数据进行补偿。本方案中的测应力光纤使用了不受应力影响的松套单模光纤测温来对测应力光纤进行温度补偿，测温光纤与测应力光纤是紧密贴合在一起的。
(3)测应力光纤设计成两两间隔120°，根据三根测应力光纤的数据能够还原出脐带缆的扭转方向，进而重塑其水下的形态，借此可以分析出脐带缆的长度与水深的映射关系，配合测温光纤，能够知道具体水深层的温度。
(4)测应力光纤用的是三条单芯光纤组合成的光纤腔管，克服了多芯光纤分布式传感器中各纤芯的串扰问题和扇出问题，以及由此带来的传感器灵敏度下降的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆的结构示意图。
图2为水下脐带缆的损坏原理示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例一
图1是本发明实施例的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆的结构示意图。该水下脐带缆用于连接水下设备和水上设备；所述水下脐带缆包括外护套、铠装钢丝、内护套、电缆、通信光缆、钢管、三条测应力光纤、三条测温变光纤、分布式光纤应变解调仪、分布式光纤温度解调仪和处理器；所述电缆用于提供水下设备正常工作所需工作电压；所述通信光缆用于建立水下设备和水上设备之间的通信链路。
外护套同心套设在内护套外侧，两者之间构成横截面为环形的第一空隙，若干根铠装钢丝均匀填充在第一空隙内。电缆、通信光缆、钢管、测应力光纤、测温变光纤周向分布在内护套内；三条测应力光纤和三条测温变光纤分别构成三个探测光纤组，每个探测光纤组的测应力光纤和测温变光纤紧密贴合在同一个腔管内；所述电缆、通信光缆、钢管分别设置在探测光纤组之间的第二空隙内；第二空隙内的其他空间由填充物填满。
在本实施例中，脐带缆套(包括外护套和内护套)用于保护光纤、电缆等结构并连接水下与水上设备，上端连接生产控制模块，下端连接海底生产设备，实现了在海上控制海下的生产信息与供给，为海下的管汇系统提供能源动力，为下部设备传递控制信号以及为上部生产模块传递传感器数据。
分布式光纤应变解调仪分别与三条测应力光纤连接，用于处理分析三条测应力光纤的反射光数据，定位测应力光纤的形变点和形变程度，还原脐带缆形状，获得缆长和深度的对应关系。分布式光纤温度解调仪用于处理分析三条测温变光纤获取的反射光数据，实时监控光纤的温度变化。示例性地，分布式光纤应变解调仪和分布式光纤温度解调仪可以采用基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术或是相位敏感型光时域反射技术。
处理器用于控制水下设备的工作状态，以及显示脐带缆沿线的温度情况和脐带缆的三维形状。
作为其中的一种优选例，测温光纤采用不受应力影响的松套单模光纤，用于传光，具有良好的韧性，强度高，损耗低，能够准确感应脐带缆温度变化。
作为其中的一种优选例，测应力光纤采用三合一单模光纤，三根单芯光纤整合在一个腔管中，且三根单芯光纤各自相隔120°，解决多芯光纤的串扰问题和扇出问题，提高传感器灵敏度。
示例性地，水下脐带缆还包括存储设备，用于存储测应力光纤和测温变光纤获取的反射光数据。
本实施例在使用的脐带缆内添加了测温变光纤以及测应力光纤，两种光纤紧贴，各有三根，两两间隔120°。测温变光纤对测应力光纤进行温度补偿，两种光纤是紧密贴合在一起的。温度与形变都会引起光相位的变化，而温度与形变都是利用相位解调出的，将测温光纤与测应力光纤紧密贴合在一起就能测出测应力光纤的温度，继而可以去除温变带来的相位变化的影响。
实施例二
本发明实施例提出了一种前述具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆的工作方法，包括以下步骤：
S1，根据海水深度选择相应的长度的脐带缆。例如选择长度为300m的脐带缆，内置的电缆、通信光缆、测应力光纤和测温光纤的长度也为300m。采用的激光器的波长为1550nm，脉宽为32ns,泵浦电流为500mA；分布式光纤应变解调仪可以采用BOTDA或φ—OTDR。
S2，用脐带缆连接上端生产控制模块与下端生产设备，其中光纤用法兰连接；电缆接上工业用电。
S3，实时解调测温变光纤传回的数据，根据解调结果对测应力光纤进行温度补偿。
S4，通过三条测应力光纤的数据计算得到脐带缆不同长度处的弯曲情况，还原出脐带缆的形态，获得皮长-深度对应关系。
S5，根据皮长-深度对应关系，将温度异常、振动异常、形态异常映射到对应的深度上，供控制者决策和采取措施。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，所述水下脐带缆用于连接水下设备和水上设备；所述水下脐带缆包括外护套、铠装钢丝、内护套、电缆、通信光缆、钢管、三条测应力光纤、三条测温变光纤、分布式光纤应变解调仪、分布式光纤温度解调仪和处理器；所述电缆用于提供水下设备正常工作所需工作电压；所述通信光缆用于建立水下设备和水上设备之间的通信链路；
所述外护套同心套设在内护套外侧，两者之间构成横截面为环形的第一空隙，若干根铠装钢丝均匀填充在第一空隙内；
所述电缆、通信光缆、钢管、测应力光纤、测温变光纤周向分布在内护套内；三条测应力光纤和三条测温变光纤分别构成三个探测光纤组，每个探测光纤组的测应力光纤和测温变光纤紧密贴合在同一个腔管内；所述电缆、通信光缆、钢管分别设置在探测光纤组之间的第二空隙内；第二空隙内的其他空间由填充物填满；
所述分布式光纤应变解调仪分别与三条测应力光纤连接，用于处理分析三条测应力光纤的反射光数据，定位测应力光纤的形变点和形变程度，还原脐带缆形状，获得缆长和深度的对应关系；
所述分布式光纤温度解调仪用于处理分析三条测温变光纤获取的反射光数据，实时监控光纤的温度变化；
所述处理器用于控制水下设备的工作状态，以及显示脐带缆沿线的温度情况和脐带缆的三维形状。
2.根据权利要求1所述的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，三个探测光纤组分别相隔120°。
3.根据权利要求1所述的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，所述测应力光纤为三合一单模光纤，三根单芯光纤整合在一个腔管中，三根单芯光纤分别相隔120°。
4.根据权利要求1所述的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，所述测温变光纤采用松套单模光纤。
5.根据权利要求1所述的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆，其特征在于，所述水下脐带缆包括存储设备，用于存储测应力光纤和测温变光纤获取的反射光数据。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的具有测温测振以及三维形状重塑能力的水下脐带缆的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：
S1，根据海水深度选择相应的长度的脐带缆；
S2，用脐带缆连接上端生产控制模块与下端生产设备，其中光纤用法兰连接；电缆接上工业用电；
S3，实时解调测温变光纤传回的数据，根据解调结果对测应力光纤进行温度补偿；
S4，通过三条测应力光纤的数据计算得到脐带缆不同长度处的弯曲情况，还原出脐带缆的形态，获得缆长-深度对应关系；
S5，根据缆长-深度对应关系，将温度异常、振动异常、形态异常映射到对应的深度上。
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