CN204421880U - 一种深水隔水管转角监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种深水隔水管转角监测系统，其特征在于：它包括转角检测系统、水声信号接收装置和数据监控中心；转角检测系统包括控制器、双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器、水声发射换能器和电源，电源用于进行供电；控制器分别电连接传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器，双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器依次串联连接；水声接收装置包括水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器；水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器依次串联连接；水声发射换能器和水声接收换能器通过水声信道进行通讯；数据监控中心对从水声接收换能器获取的数据进行显示和保存。

Description

一种深水隔水管转角监测系统

技术领域

本实用新型涉及海洋工程和深水石油等领域，特别是关于一种适用于长期服役的深水隔水管转角监测系统。

背景技术

在海洋石油领域，隔水管是连接海底井口与海面作业平台的咽喉要道，其底部柔性接头的转角是钻井作业的重要参数。洋流、平台运动等导致隔水管偏移而产生与竖直方向的夹角，即转角。钻井过程中，转角必须控制在钻井作业安全包络线内，若其超过安全范围，则隔水管与内部钻杆发生摩擦、碰撞，严重危及钻井安全。因此实时监测隔水管底部转角数据，在隔水管结构状态监控与评估、验证设计理论和改进设计规范等方面有重要作用。国外采用倾角测量方法监测隔水管转角，而隔水管倾角数据的检测主要由双轴倾角传感器实现。根据数据传输和供电方式不同，目前工程上使用的隔水管倾角监测系统主要分为独立监测系统、实时监测系统和声学监测系统三类。

独立监测系统由数据记录仪和相应传感器组成，数据记录仪包括中心处理单元、模/数转换器、数据存储器以及其他辅助元件，这些元件都封装在坚固的不锈钢外壳中。数据记录仪与所需传感器集成使用，监测系统使用自带电池组供电进行测量，数据存储在存储器中，测量结束后从存储器中下载数据到计算机进行分析。单机监测系统采用绑带和卡箍将其安装到隔水管上，等隔水管回收后读取数据或者采用水下机器人(ROV)取数据并更换电池组，此方法成本低，但是无法实现实时监测。ROV安装传感器时，由于绞车、ROV和隔水管三者的相对运动，给安装操作也带来不少难度。实时型监测系统，供电和数据传输都通过电缆实现，倾角数据被实时传输到数据处理中心。线路布置会延长隔水管下入时间，并且可能损伤，不适用于深水隔水管监测。与单机监测系统相比，实时监测系统的结构、安装和接口都十分复杂，不适用于深水隔水管的监测。声学监测系统，利用水声通信技术，完成倾角数据的无线传输，但是目前的技术存在功耗大，生存周期短等问题。

另外，现有的倾角监测系统还存在以下问题：1)水平测量问题：无论是单轴还是双轴，一般的倾角传感器只适用于检测对象的水平测量，无法直接测量检测对象的垂直监测；2)功耗大，倾角传感器的功耗一般在数百毫瓦甚至瓦级，在深水中的监测装置由电池供电，是能量受限装置。设备一经使用，电池便难以更换，因此用普通的倾角传感器难以满足低功耗的要求。

发明内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种低功耗的深水隔水管转角监测系统。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种深水隔水管转角监测系统，其特征在于：它包括一转角检测系统、一水声信号接收装置和一设置在海洋石油钻井平台的数据监控中心；所述转角检测系统包括控制器、双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器、水声发射换能器和电源，所述电源用于给各器件进行供电；所述控制器分别电连接所述传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器，所述双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器依次串联连接；所述水声接收装置包括水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器；所述水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器依次串联连接；其中，所述水声发射换能器和水声接收换能器通过水声信道进行通讯；所述数据监控中心对从所述水声接收换能器获取的数据进行显示和保存。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型通过双轴倾角传感器测量隔水管与X轴和Y轴之间的夹角，并通过DSP计算得到隔水管的转角信号，与传输两个轴倾角相比，本实用新型将X轴倾角和Y轴倾角转变为Z轴倾角，直接实现对检测对象的垂直监测。2、本实用新型只需要传输一个轴的数据，使数据量降低了50％。3、由于本实用新型的数据量降低，数据传输时间随之降低，同样的发射功率下，功耗降低，因此在电池能量不变的条件下，提高了监测系统的生存周期。综上所述，本实用新型具有高效、低功耗和寿命长的特点，可以广泛应用于深海环境的隔水管状态监测中。

附图说明

图1是本实用新型的转角检测方法原理示意图；

图2是本实用新型的隔水管倾角监测系统结构示意图；

图3是本实用新型的隔水管倾角监测系统安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本实用新型进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。

目前，海洋油气钻井向3000m甚至更深的海域进军。与浅水区相比，深海环境更恶劣，沿隔水管长度方向流体速度大小变化明显，由于扩大拖曳而增大隔水管变形产生较大位移和转角，导致隔水管结构疲劳损伤。实时获取隔水管的转角，保证隔水管工作在安全范围内，是深水石油作业亟需破解的难题。

如图1所示，以隔水管底部挠性节点为原点，竖直向上为Z轴，X轴和Y轴位于过原点并垂直于Z轴的平面内，X轴、Y轴和Z轴相互垂直。在水下隔水管底部井口位置，利用双轴倾角传感器检测隔水管的两个水平倾角(隔水管分别与X轴与Y轴的夹角)，并通过转角检测方法将两个水平倾角转换为隔水管的转角(隔水管与Z轴方向的夹角)，转角检测方法的原理为：

假设利用双轴倾角传感器的两个测量轴OA、OB测得与水平面的夹角分别为α和β(隔水管分别与X轴与Y轴的夹角)，OAB所在平面与OXY所在平面的交线为P，两平面的夹角为∠MOM'，则平面OAB的倾角，即与OZ轴的夹角(隔水管的转角)γ＝90-∠MOM'。

点A、B在水平面的投影分别为C、D，在直线P上的投影分别为E、F。显然∠MOM'＝∠AEC,∠MOM'＝∠BFD，则有

$\sin (\∠\mathrm{AEC})=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{AE}}---\left(1\right)$

$\sin (\∠\mathrm{BFD})=\frac{\mathrm{BD}}{\mathrm{BF}}---\left(2\right)$

又

$\sin \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{AC}}{\mathrm{OA}}$

$\sin \mathrm{\β}=\frac{\mathrm{BD}}{\mathrm{OB}}---\left(3\right)$

因∠AOB为直角，则有：

$\sin \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{BF}}{\mathrm{OB}}---\left(4\right)$

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{AE}}{\mathrm{OA}}$

结合上述公式得：

由sin²θ+cos²θ＝1,得sin²(90°-γ)＝sin²α+sin²β

即：

$\mathrm{\γ}=\arccos \left(\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\α}+{\sin }^2\mathrm{\β}}\right)---\left(7\right)$

通过上述公式可知，只要双轴倾角传感器测量得到隔水管与X轴和Y轴的两个倾角，便可以计算得到隔水管的转角。

如图2所示，基于上述转角检测方法的原理，本实用新型提出隔水管倾角监测系统，它包括一转角检测系统1、一水声信号接收装置2和一设置在海洋石油钻井平台的数据监控中心3，转角检测系统1用于获得隔水管的转角数据并将其通过水声信道发送到水声信号接收装置2，水声信号接收装置2接收隔水管的转角数据进行处理并将其发送到数据监控中心3进行显示和保存；其中，转角检测系统1包括控制器11、双轴倾角传感器12、DSP13、信源编码器14、信道编码器15、调制器16、功率放大器17、水声发射换能器18和电源(图中未示出)；控制器11分别电连接传感器12、DSP13、信源编码器14、信道编码器15、调制器16、功率放大器17和水声发射换能器18控制各器件的工作状态和工作时间，双轴倾角传感器12、DSP13、信源编码器14、信道编码器15、调制器16、功率放大器17和水声发射换能器18依次串联连接，电源用于为上述器件进行供电；水声接收装置2包括水声接收换能器21、滤波器22、功率放大器23、解调器24和解码器25；水声接收换能器21、滤波器22、功率放大器23、解调器24和解码器25依次串联连接；其中，水声发射换能器18和水声接收换能器21通过水声信道进行通讯。

如图3所示，基于上述隔水管倾角监测系统，本实用新型的具体使用过程为：

1、隔水管4入水前，在隔水管4的预定位置上安装双轴倾角传感器12，隔水管4抵达海底井口5后，控制器11发射信号控制双轴倾角传感器12开始工作，双轴倾角传感器12测量隔水管4与X轴和Y轴之间的夹角α和β，并将测量得到的倾斜角度信号α和β发送到DSP13，DSP13根据预设公式(7)计算得到隔水管4的转角信号γ，并将隔水管4的转角信号依次在信源编码器14和信道编码器15中完成信源编码和信道编码，经过编码后的信号进入信号调制器16进行调制，并将调制后的信号发送到功率放大器17进行功率放大，并将功率放大后的信号经水声发射换能器18将包含有隔水管转角信息的电信号转换为声信号并进行发射，声信号经水声信道进行传播。

2、将水声信号接收装置2吊设在海面以下某个位置(本实用新型实施例中将水声信号接收装置吊射在海平面以下50m左右，但是不限于此，只要能够接收到信号即可)，用于接收隔水管4转角信号，具体为：水声接收换能器21将从水声信道接收的包含有隔水管转角信息的声信号转换为电信号发送到滤波器22，滤波器22用于滤除混杂在电信号中的干扰噪声(隔水管疲劳信息)，滤波后的电信号经功率放大器23放大后依次发送到解调器24和解码器25分别进行解调和解码得到隔水管转角数据，并将其发送到数据监控中心3。

3、数据监控中心3对接收的隔水管转角数据进行显示和保存，平台工作人员可以根据数据控中心3显示的隔水管转角信息确定作业状态。

下面通过具体实施例定量分析对比本实用新型和现有装置的电源功耗。

假设本实用新型的电源由表1所示参数的电池进行组合完成。假定既有的倾角数据长度为2000bits，本实用新型中的倾角数据长度为1000bits。

表1 型号ER34615M电池性能

本实用新型的耗电由三部分构成：1)双轴倾角传感器12；2)DSP13、信源编码器14、信道编码器15和调制器16；3)功率放大器17和水声发射换能器18。本实用新型所涉及的各部分功耗如下：

(1)双轴倾角传感器12：

电源，10V，100mA,3分钟工作一次，每次工作2分钟，每小时工作20次，连续工作60天。工作时间：20х24х60х2/60＝960小时。实际耗电：960х100х10^-3＝96Ah。

(2)DSP13、信源编码器14、信道编码器15和调制器16：

电源，7.2V，20mA，3分钟工作一次，连续工作2个月，每次工作3分钟(数据保存时间+冗余)。工作时间：20х24х60х3/60＝720小时。实际耗电：720х20х10^-3＝14.4Ah

(3)功率放大器17和水声发射换能器18：

电源，42V，1A，3分钟工作一次，一小时工作20次，连续工作2个月；其实际耗电与发送数据量有关，最大的原始二进制数据量：1000bits，纠错编码后为1750bits(7,4汉明编码)，码元信息发射耗时：1750х0.004/60＝0.117min。工作时间：20х24х60х0.117/60＝56.16小时。实际耗电：56.16х1＝56.16Ah。

本实用新型的上述三个部分与现有技术的能耗对比如表2所示：

表2 本实用新型与现有技术能耗对比图

根据表2可知，本实用新型在功率放大器17和水声发射换能器18两个方面极大地降低了系统的功耗。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中方法的各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims (1)

1.一种深水隔水管转角监测系统，其特征在于：它包括一转角检测系统、一水声信号接收装置和一设置在海洋石油钻井平台的数据监控中心；

所述转角检测系统包括控制器、双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器、水声发射换能器和电源，所述电源用于给各器件进行供电；所述控制器分别电连接所述传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器，所述双轴倾角传感器、DSP、信源编码器、信道编码器、调制器、功率放大器和水声发射换能器依次串联连接；

所述水声接收装置包括水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器；所述水声接收换能器、滤波器、功率放大器、解调器和解码器依次串联连接；其中，所述水声发射换能器和水声接收换能器通过水声信道进行通讯；所述数据监控中心对从所述水声接收换能器获取的数据进行显示和保存。