深水钻柱的工程参数随钻测量装置的制作方法

本发明涉及海洋石油天然气采集领域，尤指一种可以在钻井过程中对钻柱状态进行实时监测的深水钻柱的工程参数随钻测量装置。

背景技术：

深水钻柱受力状态十分复杂和恶劣。上部受风、海浪、海流和潮汐等海洋环境载荷的随机作用和平台运动的联合作用，引起钻柱与隔水管耦合接触；下部钻头受地层的作用力、井壁与钻柱的接触力；此外，钻井液和钻柱之间亦存在流固耦合力，导致钻柱运动状态异常复杂。钻柱通常会产生偏移(最大偏移距离超过100米)、振动、摇摆等不同形式的复杂运动。为了提高海上钻井作业的科学性和安全性，掌握深水钻柱的受力状态和运动规律，需要采集深水钻柱的工程参数——钻压、扭矩、弯矩、位移、转速和钻柱内钻井液压力与温度等。

目前，获取深水钻柱的工程参数的方法可以分为地面(或近井口)间接采集、地面直接采集和井下直接采集三种。其中，地面间接采集的方法由于成本低而最为常用，但准确性不够。例如，对钻柱扭矩的测量主要是在井口装置或电机轴上进行，无法准确测得钻柱的真实扭矩。对钻柱弯曲应力和位移等参数，地面间接采集的方法更是无法测得。井下直接采集方法具有准确性高的特点，但无法获得受海洋环境载荷影响严重的上部钻柱的工程参数，并且由于井下测量装置工作环境恶劣，服务费用高，因此未能得到普及应用。国际上，国民油井公司的StringSense系统可以直接在地面上采集部分钻井工程参数，具体包括扭矩、拉压力、钻速、弯矩、钻柱内压力和振动参数等，但无法采集到深水钻柱重要的运动参数——位移。由于深水钻柱通过钻柱升沉运动补偿器与钻井平台连接在一起，钻柱的垂直位移与钻井平台的垂直位移不是同步的，因此无法钻井平台的运动不能代表深水钻柱上部的运动。为此亟需研制新型测量装置测试深水钻柱的顶部位移及其它工程参数。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种可以随钻测量深水钻柱上部的拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、振动参数和钻柱内钻井液压力与温度等工程参数的随钻测量系统。

为达上述目的，本发明具体提供一种深水钻柱的工程参数随钻测量装置，所述装置包含：顶驱、钻柱、测量短节、数据传输模块和数据传输模块；所述顶驱用于提供所述钻柱驱动力；所述测量短节顶部与所述顶驱相连，所述测量短节底部与所述钻柱相连，用于在钻井过程中采集钻柱的工程参数；所述数据传输模块分别与所述测量短节和所述数据传输模块相连，用于所述测量短节与所述数据传输模块之间的数据通信；所述数据传输模块用于实时监测所述钻柱的工程参数，对钻柱的工作状态进行实时预警和分析处理。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述装置还包含导航模块，所述导航模块分别与所述数据传输模块、所述测量短节和所述数据传输模块通信连接，用于获取所述钻柱的位移数据并输出。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测量短节包含测试主轴、定位模块、通信模块、存储器、处理模块及测量模块；所述测试主轴为中空管轴；所述定位模块设置于所述测试主轴上并与所述导航模块配合组成ALIGN(实时动基站可变基线定位定向技术)测向系统，用于通过测向及解算处理实时监测钻柱的位移数据；所述测量模块设置于所述测试主轴上，用于采集钻柱的工程参数；所述处理模块分别与所述定位模块、所述通信模块、所述存储器和所述测量模块相连，用于将所述位移数据及所述钻柱的工程参数处理后存储至所述存储器并通过所述通信模块输出至所述数据传输模块。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测量模块包含惯性传感器组合板卡、压力传感器、和温度传感器；所述惯性传感器组合板卡用于采集所述钻柱的三维导航信息；所述压力传感器用于测量所述测量主轴内的钻井液的压力值；所述温度传感器用于测量所述测量主轴内的钻井液的温度值。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测试主轴设有储油腔和中空腔，所述中空腔内设置有橡胶隔离套，所述储油腔通过所述橡胶隔离套与钻柱内钻井液相接，所述压力传感器通过测量所述储油腔内压力值获得所述钻井液的压力值。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测量模块还包含拉压应变片和扭矩应变片；所述拉压应变片和所述扭矩应变片用于测量所述钻柱的拉压应力数据、弯矩数据和扭矩数据。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述拉压应变片和所述扭矩应变片由所述电阻应变片组合构成。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测量模块通过拉压应变片及以下公式获得弯矩数据：

每个电阻应变片的灵敏系数均为K，在测量过程中第i个电阻应变片的应变为ε_i，其中钻柱的应变最大的为ε_max，钻柱的弯矩数据为W。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述惯性传感器组合板卡还包含导航接收模块、加速度传感器和陀螺仪；所述陀螺仪用于测量所述钻柱的位移数据；所述加速度传感器用于测量所述钻柱的转速数据及加速度数据；所述导航接收模块用于按预定周期接收所述导航模块输出的所述钻柱的位移数据并根据所述位移数据修正所述陀螺仪所测的位移数据。

在上述深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，优选的，所述测量短节还包含复数个电源模块、防水密封门及防水开关；所述电源模块用于为所述测量短节提供电能；所述防水密封门用于放置所述电源模块；所述防水开关用于控制所述电源模块导通或关闭。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明能够全面有效的对深水钻柱上部的状态信息进行实时监测，帮助钻井工程师掌握钻柱的实际工作状态，及时预判井下复杂情况，有效地调整钻井施工措施，防止深水钻柱在深水环境载荷的影响下出现复杂事故。

2、本发明利用高精度星际差分GPS技术和惯性导航技术，可以连续稳定地测量到深水钻柱的上部位移，位移精度能够达到亚米级。

3、本发明采用GNSS双频测向和陀螺仪惯性导航技术，可以非接触测量钻柱的转速，该方式不破坏钻柱的整体性，安全可靠。

4、本发明系统的数据传输方式选用Wi-Fi技术，现场实施便捷，可以实现数据实时采集与显示。

5、整个系统结构简单，易于安装和更换，适合批量、系列化生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明所提供的深水钻柱的工程参数随钻测量装置结构示意图；

图2为本发明所提供的测量短节结构示意图；

图3为本发明所提供的测量短节的A-A剖面示意图；

图4为本发明所提供的测量短节的B-B剖面示意图。

附图标记

1-深水钻井平台；2-井架；3-顶驱；4-钻柱；5-隔水管；6-隔水管运动补偿装置；7-测量短节；8-导航模块；9-数据传输模块；10-数据传输模块。

7-1-测试主轴；7-2-测试装置外壳；7-3-处理模块；7-4-GNSS板卡；7-5-GNSS天线；7-6-MEMS惯性传感器组合板卡；7-7-拉压应力应变片；7-8-扭矩应变片；7-9-应力传感器电路板；7-10-压力传感器；7-11-温度传感器；7-12-存储器；7-13-电源模块；7-14-密封胶圈；7-15-Wi-Fi模块；7-16-Wi-Fi天线；7-17-螺孔；7-18-螺栓；7-19-橡胶隔离套；7-20-电源模块盒；7-21-防水密封门；7-22-防水开关；7-23-方孔；7-24-盖板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明具体提供一种深水钻柱的工程参数随钻测量装置，所述装置包含：顶驱3、钻柱4、测量短节7、数据传输模块9和数据传输模块10；所述顶驱3用于提供所述钻柱4驱动力；所述测量短节7顶部与所述顶驱3相连，所述测量短节7底部与所述钻柱4相连，用于在钻井过程中采集钻柱4的工程参数；所述数据传输模块9分别与所述测量短节7和所述数据传输模块10相连，用于所述测量短节7与所述数据传输模块10之间的数据通信；所述数据传输模块10用于实时监测所述钻 柱4的工程参数，对钻柱4的工作状态进行实时预警和分析处理。

在上述实施例中，本发明所提供的深水钻柱的工程参数随钻测量装置可如图1所示，通过井架2架设在深水钻井平台1上，底部钻柱采用隔水管5保护，该隔水管5通过隔水管运动补偿装置6与深水钻井平台1相连。其中所述井架2、深水钻井平台1、隔水管5和隔水管运动补偿装置6都为较成熟的现有技术，在此不在详述。

在本发明一优选的实施例中，所述装置还包含导航模块8，所述导航模块8分别与所述数据传输模块9、所述测量短节7和所述数据传输模块10通信连接，用于获取所述钻柱4的位移数据并输出；所述数据传输模块10根据所述位移数据实时监控所述深水钻柱的位移参数。

由上述实施例可知，本申请所提供的深水钻柱的工程参数随钻测量装置中，测量短节7为实际采集钻柱多向工程参数的采集设备，如图2所示，其中所述测量短节具体包含测试主轴7-1、定位模块7-4、通信模块7-15、存储器7-12、处理模块7-3及测量模块；所述测试主轴7-1为中空管轴；所述定位模块7-4设置于所述测试主轴7-4上并与所述导航模块配合组成ALIGN(实时动基站可变基线定位定向技术)测向系统，用于通过测向及解算处理实时监测钻柱的位移数据；所述测量模块设置于所述测试主轴7-1上，用于采集钻柱的工程参数；所述处理模块7-3分别与所述定位模块7-4、所述通信模块7-15、所述存储器7-12和所述测量模块相连，用于将所述位移数据及所述钻柱的工程参数处理后存储至所述存储器7-12并通过所述通信模7-15块输出至所述数据传输模块。所述顶驱与所述钻柱为现有的深水钻柱装置中的动力系统和钻柱，为此，本发明在此并不对其做限制。

在上述实施例中，所述测量短节还包含复数个电源模块7-13、防水密封门7-21及防水开关7-22；所述电源模块7-13用于为所述测量短节提供电能；所述防水密封门7-21用于放置所述电源模块7-13；所述防水开关7-22用于控制所述电源模块7-13导通或关闭。

在上述实施例中，所述测量模块包含惯性传感器组合板卡7-6、压力传感器7-10、和温度传感器7-11；所述惯性传感器组合板卡7-6用于采集所述钻柱的三维导航信息；所述压力传感器7-10用于测量所述测量主轴内的钻井液的压力值；所述温度传感器7-11设置于所述测试主轴7-1内，用于测量所述测量主轴7-1内的钻井液的温度值。所述测试主轴7-1内设有储油腔和中空腔，所述中空腔内设置有橡胶隔离套7-19，所 述储油腔通过所述橡胶隔离套7-19与钻柱内钻井液相接，所述压力传感器7-10通过测量所述储油腔内压力值获得所述钻井液的压力值。

在本发明一优选的实施例中，所述惯性传感器组合板卡7-6还包含导航接收模块、加速度传感器和陀螺仪；所述陀螺仪用于测量所述钻柱的位移数据；所述加速度传感器用于测量所述钻柱的转速数据及加速度数据；所述导航接收模块用于按预定周期接收所述导航模块输出的所述钻柱的位移数据并根据所述位移数据修正所述陀螺仪所测的位移数据。

其中，所述测量模块还包含拉压应变片和扭矩应变片；所述拉压应变片和所述扭矩应变片用于测量所述钻柱的拉压应力数据、弯矩数据和扭矩数据；所述拉压应变片和所述扭矩应变片由所述电阻应变片组合构成；通过所述拉压应变片和所述扭矩应变片可分别测得拉压应力数据和扭矩数据，至于弯矩数据则通过拉压应变片及以下公式获得：

每个电阻应变片的灵敏系数均为K，在测量过程中第i个电阻应变片的应变为ε_i，其中钻柱的应变最大的为ε_max，钻柱的弯矩数据为W。

在本发明一优选的实施例中，测量短节可包括测试主轴、测试装置外壳、GNSS(全球导航卫星系统)板卡及其天线、MEMS(微机电系统)惯性传感器组合板卡、Wi-Fi模块及其天线、电阻应变片、压力传感器、温度传感器、测量处理电路板、存储器和电源等模块。其中，GNSS板卡用于测量深水钻柱上部高精度坐标值，进而求取深水钻柱上部位移。MEMS惯性传感器组合板卡可以提供稳定的深水钻柱上部三维位移、加速度和转速信息，特别在当GNSS信号不稳定时，该板卡可以提供稳定、连续的三维导航信息。在测试装置主轴上粘贴有多组电阻应变片，组成多个电桥，与保护桥上的测量电路板连接，用于测量钻柱的拉压应力、弯矩和扭矩。在测试装置主轴开有一中空腔，中间用橡胶隔离套隔开，一边与钻柱内钻井液连通，一边与储油腔连通。钻井液压力传感器与相应的储油腔连通，用于测量钻井液压力。测试主轴内粘贴有温度传感器，用于测量钻井液温度。该短节设计有多组电池盒，因此可以放置多组蓄电池，能够为整个测量短节提供充足的电源，而且更换方便。测量短节中可在测试主轴上部加工锥形内螺纹，下部加工锥形外螺纹，再将所述测试主轴的上部连接顶驱保护接头，下部连接钻柱。

为更清楚的说明本发明所提供的深水钻柱的工程参数随钻测量装置，以下以实际工作设备为例，对上述实施例做详细说明，请参考图1所示，本发明所提供的深水钻柱的工程参数随钻测量装置具体可包括测量短节7、导航模块8、数据传输模块9和数据传输模块10，这些设备共同组成一个数据链完整的深水钻柱的工程参数随钻测量装置。其中，测量短节7的上部与顶驱3连接、下部与钻柱4连接，用于在钻井过程中采集钻压、扭矩、弯矩、位移、转速和钻柱内钻井液压力与温度等钻柱的工程参数。数据传输模块9用于为测量短节7与导航模块8和数据传输模块10之间的通信提供无线局域网数据传输服务。导航模块8安装在钻井平台相对于周围环境制高点处，将其设置为动基站，利用星站差分技术提高自身的定位精度，与GNSS(全球导航卫星系统)板卡组成ALIGN测向系统，使用实时动基站可变基线定位定向技术(ALIGN)获取高精度的测量短节位置坐标信息，然后可进一步求解得到测量短节的位移和转速。数据传输模块10充当深水钻柱的工程参数随钻测量装置的上位机，用于实时显示和监控钻柱的工程参数，对钻柱工程状态进行实时预警和分析处理。

在本发明所提供的深水钻柱工程参数随钻测量装置，通过测量短节、导航模块、通信模块和管理模块等设备共同组成一个数据链完整的深水钻柱工程参数随钻测量装置，不仅可以采集和存储深水钻柱的工程参数，而且通过无线通信技术可以将测量数据直接传输到钻井平台上的管理模块，实时显示和监测钻柱工程参数，辅助工程技术人员及时了解和掌握深水钻柱的实际工作状况。

再请参考图2至图4所示，上述测量短节7主要可由测试主轴7-1、测试装置外壳7-2和相关钻柱工程参数测量传感器等组成。测试主轴7-1主体切削出锯齿状销块，可以和测试装置外壳7-2无缝配合，能够承受一定的扭矩。此外，测试主轴7-1和测试装置外壳7-2钻有12个螺孔7-17，通过螺栓7-18进行连接。测试装置外壳7-2的下部装有密封胶圈7-14，与测试主轴7-1过盈装配，既起到密封作用，又不承受扭矩和轴向力，以此保证测试主轴7-1的应力状态不受测试装置外壳7-2的影响。

处理模块7-3是测量短节7的控制中心，与定位模块7-4、测量模块、存储器7-12、通信模块7-15以及电源模块7-13等相连。处理模块7-3对装置中各传感器采集到的信息进行集中处理，对不同的传感器信息分别进行编码，分别将之存入到存储器7-12中并传输给通信模块7-15，再由通信模块7-15的Wi-Fi天线7-16将信号发送至数据传输模块9，数据传输模块9进一步将信号传送至管理模块10，在管理模块10上进 行实时显示与解释处理。反之，亦可通过管理模块10向处理模块7-3下达各种指令，控制各个传感器的信号采集时间和采集频率等。

其中，定位模块7-4为可GNSS板卡；通信模块7-15可为Wi-Fi模块；数据传输模块9可为无线Wi-Fi路由器；测量模块具体可包含：MEMS惯性传感器组合板卡7-6，应力传感器电路板7-9，压力传感器7-10，温度传感器7-11。

在上述实施例中，定位模块7-4即GNSS板卡7-4安装在测试装置外壳7-2的内壁上部，外接对称分布于测试主轴两侧台肩上的GNSS天线7-5，与卫星导航移动站8共同组成实时动基站可变基线定位定向测量系统。GNSS板卡7-4能够同时使用GPS、GLONASS、BDS的双频信号进行测向和RTK解算，使用实时动基站可变基线定位定向技术(ALIGN)实时监测钻柱上部的位移、转速和转向。

MEMS惯性传感器组合板卡7-6直接安装在测试主轴7-1上。MEMS惯性传感器组合板卡7-6内装有GNSS接收机、加速度传感器和陀螺仪，可以提供连续稳定的深水钻柱上部三维位移、加速度和转速信息。当GNSS板卡7-4无法接收到卫星导航信号时，可以利用MEMS惯性传感器组合板卡7-6提供三维惯性导航信息。

拉压应力应变片7-7和扭矩应变片7-8粘贴在测试主轴7-1上，沿测试主轴7-1表面0～360°展开，共8组，如图2和图4所示。根据材料力学拉压和扭转测量原理，拉压应力应变片的粘贴方式采用0°和90°两种角度组合应变片的方法，扭矩应变片的粘贴方式采用±45°两种角度组合应变片的方法。

弯矩则通过对拉压应变片测量到的位移进行分析后计算获得。具体方法如下：在测量短节的8组拉压应变片中，假设每个应变片的灵敏系数均为K，在随钻测量过程中第i个拉压应变片的应变为ε_i，其中应变最大的为ε_max，则弯矩可以按以下公式近似求得:

压力传感器7-10安装在测试主轴7-1上，如图2所示，它有一个油压感应孔，通过油腔，与暴露于钻柱内环空的橡胶隔离套相连，从而测得环空压力。压力传感器7-10与处理模块7-3相连，将测得的钻井液压力信号传递给处理模块7-3上的单片机进行统一处理。温度传感器7-11直接粘贴在测试主轴7-1上，其信号线与处理模块7-3相连，可以直接将采集到的温度信号传递给处理模块7-3。

测量短节7可设计3个电源模块盒。电源模块盒7-20安装防水密封门7-21并配 备旋钮控制开关，开关方便。存储器7-12和电源模块7-13存储在电源模块盒7-20内，配置的电源模块可以为测量装置提供充足的电源，装卸方便。同时，配置防水电源开关7-22，用于控制电源模块与处理模块7-3的导通。

测量短节7的装配流程如下：

1)加工好测试主轴7-1和测试装置外壳7-2。

2)在测试主轴7-1上，粘贴拉压应力应变片7-7、扭矩应变片7-8和温度传感器7-11，安装MEMS惯性传感器组合板卡7-6、GNSS天线7-5和Wi-Fi天线7-16。安装橡胶隔离套7-19，注入液压油，安装压力传感器7-10。

3)在测试装置外壳7-2上，安装处理模块7-3-、GNSS板卡7-4、应力传感器电路板7-9、Wi-Fi模块和密封胶圈7-14。

4)将测试装置外壳7-2套接到测试主轴7-1上，在各个螺孔7-17安装螺栓7-18并上紧。

5)通过方孔7-23，将GNSS板卡7-4、MEMS惯性传感器组合板卡7-6、应力传感器电路板7-9-、压力传感器7-10、温度传感器7-11、存储器7-12、Wi-Fi模块7-15以及电源模块7-13连接到处理模块7-3。将GNSS天线7-5连接到GNSS板卡7-4。将Wi-Fi天线7-16连接到Wi-Fi模块7-15。然后，将盖板7-24安装到方孔7-23上，用螺丝上紧，使测试主轴7-1和测试装置外壳7-2完全密封。

6)在各个电源模块盒里7-20分别安装上电源模块。在存储器7-12的卡托里安装上存储卡。在电源模块盒7-20上安装防水密封门7-21并拧紧旋钮控制开关。安装防水电源开关7-22。

本发明的有益技术效果在于：

1、本发明能够全面有效的对深水钻柱上部的状态信息进行实时监测，帮助钻井工程师掌握钻柱的实际工作状态，及时预判井下复杂情况，有效地调整钻井施工措施，防止深水钻柱在深水环境载荷的影响下出现复杂事故。

2、本发明利用高精度星际差分GPS技术和惯性导航技术，可以连续稳定地测量到深水钻柱的上部位移，位移精度能够达到亚米级。

3、本发明采用GNSS双频测向和陀螺仪惯性导航技术，可以非接触测量钻柱的转速，该方式不破坏钻柱的整体性，安全可靠。

4、本发明系统的数据传输方式选用Wi-Fi技术，现场实施便捷，可以实现数据 实时采集与显示。

5、整个系统结构简单，易于安装和更换，适合批量、系列化生产。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。