专利名称：基于水声的隔水管监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海洋钻井平台隔水管用的动态响应监测系统，具体涉及一种基于水 声的隔水管监测系统。
(二)
背景技术：
隔水管是用来隔离钻井设备和海水的一种管道，它从海底井口装置一直延伸到钻井船， 管与管之间是通过隔水管接头紧密连接的。在海洋深水钻井过程中，操作者是通过隔水管来 完成钻井任务的。由于海洋工程逐歩向深海发展，在钻井过程中，隔水管的涡激振动等带来 的疲劳越来越突出。而由于海洋环境的复杂性和分析中的不确定因素的增多，这些现象在理 论上并不能得到可靠的解。因此，有必要进行隔水管监测，以得到隔水管的真实响应。目前 隔水管监测系统主要有两种
1. 自主监测
自主监测，这种监测方式是在沿隔水管深度方向布置独立的监测单元，各个^元独立的 工作，测得的数据(加速度信号等)被存储在各自的存储器中。每个监测单元中含有独立的 电池用以提供能量，此外还包括传感器(加速度计等)，电路板，存储器。每个单元的外壳是 圆柱型金属密闭容器。监测单元的布置可以是在隔水管安装前进行，也可以在已经安装好的
隔水管上通过水下机器人(ROV)来布置。同样测得的数据可以在隔水管收回时取回单元， 也可以用ROV来收回。自主监测的优点是监测单元的结构构造相对简单，造价相对较低，而
且便于回收和检修。
2. 实时监测
实时监测，这种监测方法与自主监测的主要区别是将传感器测得的数据通过电缆实时的 传到平台甲板上，由于可以通过电缆对各个监测单元可以同时控制，因此测得的数据的同步 性更好。此外，由于通过电缆可以为监测单元提供电能，这样就解决了电池的小容量的局限 性的问题，可以进行大量数据的采集。实时监测为隔水管的作业提供参考，如在危险情况下， 可采取适当措施进行缓解。当然，实时监测也有其不足之处，那就是在布置电缆时带来的困 难。由于电缆的布置需要附加的费用和较贵的装备，因此给隔水管的施工带来的很大的复杂 度。在巳安装的隔水管上布置电缆的难度更大，这也是实时监测的缺点之一。
(三) 发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能够适应深海海钻井环境，实现监测数据实时传输，安 装方便并且造价低廉的基于水声的隔水管监测系统。
本实用新型的目的是这样实现的该监测系统主要由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分主要包括相互连接的监测单元、信号传输系统和信号处理系统，软件部分主要包括设置 在硬件部分内的控制模块、水上部分的信号采集模块与分析系统模块，硬件部分通过水声进 行隔水管监测信号的实时传输，软件部分进一步处理得到隔水管的应力位移。 本实用新型还有这样一些技术特征
1、 所述的监测单元包括分别布置在龙骨接头的上部和下部的监测单元Kl和K2、监测涡
激振动布置的监测单元R4、 R5和R6、直接测量隔水管低端应力接头附近应变的监测单元 Rl-R3、用于隔水管的定位监测的监测单元L3与L2和安装在低端应力接头处的监测单元Ll;
2、 所述的监测单元包括设置在金属密封外壳内相互连接的电路板、电池、传感器、换 能器和监测水介质的水听器，换能器电信号连接水听器和信号传输系统；
3、 所述的信号传输系统连接信号处理系统，信号处理系统包括依次连接的信号采集放 大仪、滤波模块、模数转换模块、并串转换接口、 DSP调制解调器和显示单元；
4、 所述的金属密封外壳上含有两组密封圈。
本实用新型提供了一种基于水声信号传输的深海隔水管监测系统。该监测系统主要由硬 件和软件两部分组成，其中硬件部分主要包括监测单元，信号传输系统和信号处理系统。监 测单元主要由金属密封外壳，电路板，电池，传感器，以及换能器等组成。其信号传输是使 用换能器和水听器，通过海水这一介质进行信号传输的。信号处理系统主要指专门的电子计 算机，以及信号采集放大仪器等。软件部分主要包括控制电路内部芯片的编程，水上部分的
信号采集与分析系统。隔水管监测的内容包括涡激振动(涡激振动)诱导的疲劳破坏监测、
底部应力接头角度监测、隔水管定位监测和泥线以下套管的疲劳破坏监测。本实用新型的意 义在于在现有隔水管监测系统的研究成果下，寻找一种可以实时传输测得数据、可靠性高、 安装方便、费用相对低廉的隔水管监测系统，从而保障作业期间隔水管的安全性。
本实用新型根据深海钻井作业工作环境的特殊性，设计出一种基于水声的监测系统。在 这种监测方式中，各监测单元内除了有各类传感器，电路板之外，还包括一个主要的设备换 能器。换能器与安装在平台上的水听器一起组成了一套信号收发系统。这种监测单元是靠自 身的电池供电的，经过一个使用周期要进行回收更换电池。这样，与各类传感器测得的原始 数据可通过水声传输系统传到平台表面，进行实时的监测。基于水声的监测系统的优点是， 相对于自主是监测他的信号同步性要好的多，相对于实时监测他在安装和回收方面更加方便， 省去的电缆的布置。该系统通过水声进行隔水管监测数据的传输，可以通过控制命令按需要 随时调取传感器测得的信号。该系统采用电池供电，省去了电缆的布置，因此可节省很多的
安装时间并降低安装的复杂度，降低建造即安装成本。隔水管监测的主要内容包括涡激振 动(涡激振动)诱导的疲劳破坏监测、底部应力接头角度监测、隔水管定位监测和泥线以下套管的疲劳破坏监测。
涡激振动(涡激振动)诱导疲劳监测目前在隔水管涡激振动疲劳设计中有很多的不确 定因素，如焊接处的疲劳特性的不确定性、海流速度的不确定性以及一些在涡激振动软件中 使用的各种假设等等。由此，隔水管的涡激振动疲劳设计非常的保守。利用在隔水管上不同 点布置的应变计来测量各点处的应变值，由应变的变化过程再经过一定的处理就可以计算隔 水管的疲劳破坏。 一套理想的涡激振动监测系统可以与材料焊接的测试一同来降低隔水管疲 劳设计中的保守度，使设计更加合理化。
底部应力接头角度监测为了缓解隔水管底部大弯矩总用，通常采用相对隔水管材料较 软的应力接头，应力接头有一定的柔韧性，有很好的抗弯曲破坏能力。通常应力接头的截面 属性是沿长度渐变的，在其上端与相连接的隔水管的抗弯刚度(EI)相同。由于弯矩沿深度 方向逐渐增大，EI沿这长度方向也逐渐增大，到低端达到最大值。由于应力接头偏离竖直方 向的角度较大，内部的钻杆容易与隔水管的内壁接触。在钻井作业时，钻杆对隔水管的磨损 可能会特别严重，因此要对底部应以接头的角度进行监测以保证隔水管的安全。 一套直接的 倾角监测系统可以测量底部应力接头的角度，通常使用一对倾角计来实现监测。
隔水管的定位监测为了提高钻井作业的安全性，有必要设置一套基于水声技术的隔水 管定位系统，用以确定在断开状态或安装过程中隔水管端部的位置。在隔水管安装过程中， 通过该系统提供的隔水管位置数据可以有效的防止与周围隔水管发生碰撞，同时也可以引导 隔水管与目标井口进行更快速的对接，提高作业的效率。由于隔水管定位监测系统可以实现 更大的流速变化范围隔水管的安装，从而使隔水管的操作范围扩大，可以在更复杂的环境中 安装隔水管。
泥线下套管的疲劳破坏监测研究表明，在淤泥线以下的套管处将会发生很大的弯曲变 形。为避免严重的破坏，有必要进行泥线以下套管的疲劳破坏监测，监测方法通常是在套管 上布置应变片测量其工作过程中的应变，通过进一歩的处理得到其疲劳损伤。此外，测得的 应变数据还可以为设计过程中淤泥的数值模拟提供信息反馈，有利于以后的设计工作。
本实用新型的特点有
1、 基于水声的隔水管监测系统括硬件和软件两部分，其特征在于它使用换能器和水听 器通过水声进行隔水管监测信号的实时传输。由传感器测得的信号(如加速度、应变和倾角 等)能过根据需要传输到水面平台上，通过计算机软件的进一步处理得到隔水管的应力位移。
2、 其特征在于隔水管监测单元包括监测单元主要由金属密封外壳，电路板，电池，传 感器，以及换能器等组成。工作过程中所需能能量由自身电池提供，工作频率由检测单元中 预设的控制电路来控制。
3、 其金属密封外壳上含有两组密封圈，其安装和回收是使用水下机器人(ROV)来完成的。隔水管监测的主要内容包括涡激振动(涡激振动)诱导的疲劳破坏监测、底部应力接 头角度监测、隔水管定位监测和泥线以下套管的疲劳破坏监测。
图1为本实用新型具体实施方式
基于水声的隔水管监测系统整体布置图； 图2为具体实施方式
各监测单元的信号采集并向水面传输流程图 图3为具体实施方式
水面信号接收及处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明
结合附图，本实施例主要由硬件和软件两部分组成，其中硬件部分主要包括相互连接的 监测单元、信号传输系统和信号处理系统，软件部分主要包括设置在硬件部分内的控制模块、 水上部分的信号采集模块与分析系统模块，硬件部分通过水声进行隔水管监测信号的实时传 输，软件部分进一步处理得到隔水管的应力位移。监测单元包括设置在金属密封外壳内相互 连接的电路板、电池、传感器、换能器和监测水介质的水听器，换能器电信号连接水听器和 信号传输系统；信号传输系统连接信号处理系统，信号处理系统包括依次连接的信号采集放 大仪、滤波模块、模数转换模块、并串转换接口、 DSP调制解调器和显示单元。本实施例使 用换能器和水听器6通过水声进行隔水管监测信号的实时传输。由传感器测得的信号(如加
速度、应变和倾角等)能过根据需要传输到水面平台上，通过计算机软件的进一歩处理得到 隔水管的应力位移。
结合图1:监测单元包括分别布置在龙骨接头的上部和下部的Kl和K2单元、监测涡激 振动布置的R4、 R5和R6单元、直接测量隔水管低端应力接头附近应变的R卜R3单元、用于 隔水管的定位监测的L3与L2单元和安装在低端应力接头处的Ll单元。
1) K单元包括分别布置在龙骨接头的上部和下部的K1和K2监测单元，通过取两个单元 中倾角计的角度差可以获得龙骨接头的倾角值。水声信号收发器接收信号并发出休眠和唤醒 的命令给个监测单元中的水声调制解调器，它和K单元通过两个单独的电缆与平台上的信号 处理系统相连，电缆可用于电能的提供和信号的传输。K单元也是涡激振动监测的重要组成 部分。
2) R4、 R5和R6是完全为监测涡激振动而布置的监测单元，他们被布置在隔水管的跨中
附近，确切的位置要经过分析进行优化。由于他们彼此间距很大，仅由三个应变计不足以确
定应变沿隔水管在该范围内的分布情况，因此这些单元中没有应变计。另外一个原因是，在
隔水管的顶部如龙骨接头处，隔水管容易受到平台运动的影响而发生较大的运动与变形;在隔
水管的底部由于张力的减小，隔水管也容易较大的变形，因此在这两个部位要布置应变计来
6直接监测其应变(也就是疲劳)。这三个监测单元将与其他监测单元一起可以得到隔水管的总 体的涡激振动响应。
3) 由R1-R3测得的数据由R3中的调制解调器实时的传到平台甲板5。这就提供了水声 调制解调器的富余度，如果一个出故障，其他的两个可以补上去，不会造成数据的丢失。选 R3单元为主要单元的原因是它距水面4更浅，数据传输的相对较快，电池能量的消耗相对较 小，而且降低了信号传输使用频率的数目。
4) R1 R3单元的功能是直接测量隔水管低端应力接头附近的应变。低端应力接头由于处 于隔水管张力最小位置，是涡激振动疲劳损伤的重要区域。在隔水管断开状态时(风暴自存 或安装时)，R广R3单元可以提供隔水管下部的曲率，从而有效防止与其他管线的碰撞。
5) Ll单元被安装在低端应力接头处，L2安装在隔水管与井口的连接处。将L1和L2两 个监测单元测得的角度取差值便可得到低端应力接头处的倾角。数据由Ll通过水声调制解调 器传到水面平台上，同时也将泥线3下测量套管2的应变计1的数据传到水面。当隔水管处 于断开状态时，L3与L2用于隔水管的定位监测。
6) 由于相距很近，沿套管布置的应变计可以测得应变沿套管的分布情况。根据应变应力 的关系，因此可以测得套管的疲劳损伤。本实施例中应用三组应变计，每组由4个应变计组 成，沿隔水管的周向间隔90。布置。各组应变计在泥线下30英尺处左右，各组间距15英寸。
结合图2:
水下传感器/调制解调器/换能器单元和传感器/声学调制解调器是系统设计中的重要部 分。它用于收集振动信息并传送到水面，包括三维加速度传感器、DSP调制解调器和换能器。
传感器能够收集微小的振动信号并转换为电信号。通过模拟-数字转换器，可以得到DPS 能够处理的数字信号。DSP同时作为传感器的控制器、数据存储器以及换能器的调制解调器。 换能器能够发送声信号到水面单元或者从其接收指令。不同于传感器，换能器既能将振动转 换为电信号又能将电信号转换为振动。当指令从水面发送后，由值班电路唤醒DSP。
整个单元工作于两种状态运行与待机。当处于待机状态时DSP和传感器将休眠以减少 功耗。通过值班电路，有两种方式唤醒系统由于异常的海流和通过水面发出的指令。所以 可以称为"按需运行"，这将有效节约能量，同时大部分时间只有值班电路工作以监听信号。
结合图3:
水面信号接收及处理流程图类似于水下监测单元的信号采集流程图。由于该单元位于水 面，所以无需考虑能量供给问题。可以通过使用计算机对数据进行傅立叶变换，就可以得到 各个监控点的频谱图。水面单元的功能是从水下单元接收信号以及解调从水下传感器接收测
量数据。
权利要求1、一种基于水声的隔水管监测系统，它包括硬件和软件两部分组成，其特征在于硬件部分主要包括相互连接的监测单元、信号传输系统和信号处理系统，软件部分主要包括设置在硬件部分内的控制模块、水上部分的信号采集模块与分析系统模块，硬件部分通过水声进行隔水管监测信号的实时传输，软件部分进一步处理得到隔水管的应力位移。
2、 根据权利要求1所述的基于水声的隔水管监测系统，其特征在于所述的监测单元包括分别 布置在龙骨接头的上部和下部的监测单元K1和K2、监测涡激振动布置的监测单元R4、 R5 和R6、直接测量隔水管低端应力接头附近应变的监测单元R1-R3、用于隔水管的定位监测 的监测单元L3与L2和安装在低端应力接头处的监测单元Ll。
3、 根据权利要求2所述的基于水声的隔水管监测系统，其特征在于所述的监测单元包括设置 在金属密封外壳内相互连接的电路板、电池、传感器、换能器和监测水介质的水听器，换 能器电信号连接水听器和信号传输系统。
4、 根据权利要求3所述的基于水声的隔水管监测系统，其特征在于所述的信号传输系统连接 信号处理系统，信号处理系统包括依次连接的信号采集放大仪、滤波模块、模数转换模块、 并串转换接口、 DSP调制解调器和显示单元。
5、 根据权利要求4所述的基于水声的隔水管监测系统，其特征在于所述的金属密封外壳上含 有两组密封圈。
专利摘要本实用新型提供了一种基于水声的隔水管监测系统。它包括硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括相互连接的监测单元、信号传输系统和信号处理系统，软件部分主要包括设置在硬件部分内的控制模块、水上部分的信号采集模块与分析系统模块，硬件部分通过水声进行隔水管监测信号的实时传输，软件部分进一步处理得到隔水管的应力位移。本实用新型的有益效果在于在现有隔水管监测系统的研究成果下，寻找一种可以实时传输测得数据、可靠性高、安装方便、费用相对低廉的隔水管监测系统，从而保障作业期间隔水管的安全性。
文档编号E21B47/00GK201292834SQ20082009105
公开日2009年8月19日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者周维星, 伟 戴, 勇 白 申请人:抚州市临川白勇海洋工程有限公司;佘运玖