基于传感海缆的立管在线监测系统及方法

1.本发明属于立管监测领域，具体涉及一种基于传感海缆的立管在线监测系统及方法。


背景技术：

2.在海洋油气开发领域中，深海立管是油气和可燃冰开采的咽喉，而深海立管又面临腐蚀、高温、高压三大技术挑战。目前，采用的分立式传感器和设备不能满足立管从首至尾实时在线监测，因此需要一种基于传感海缆的立管在线监测系统及方法，可以针对性地解决这些问题，大力地提高相关施工人员以及维护人员的工作效率，让油气开发更加安全可靠。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种基于传感海缆的立管在线监测系统及方法，实现深海立管状态信息从首至尾实时在线监测。
4.为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
5.一种基于传感海缆的立管在线监测系统，包括放缆操作子系统、传感海缆子系统和数据解调子系统；
6.放缆操作子系统，用于利用子母管耦合夹具将传感海缆与立管相耦合并放入目标海域；其中，传感海缆从头至尾间隔集成若干光纤光栅阵列传感器；
7.传感海缆子系统，用于利用传感海缆对立管的状态进行实时监测；
8.数据解调子系统，用于记录并保存传感海缆中的光纤光栅阵列传感器波长的变化，以分析出立管的状态。
9.进一步，子母管耦合夹具包括海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡、立管侧单向半圆凹槽型基座、海缆保护垫圈和橡胶保护垫片；
10.海缆侧单向半圆凹槽型基座上开有和海缆直径相对应的半圆形凹槽，立管侧单向半圆凹槽型基座上开有和立管直径相对应的半圆型凹槽，反向双半圆凹槽型卡上开有两个开口方向相反、直径分别和海缆与立管直径相对应的半圆型凹槽；海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡和立管侧单向半圆凹槽型基座依次连接起来形成两个分别放置海缆和立管的圆柱孔；
11.海缆保护垫圈置于放置海缆的圆柱孔内，橡胶保护垫片置于放置立管的圆柱孔内。
12.进一步，海缆保护垫圈为长条形且长度和海缆周长相适配，其截面为“π”型；海缆侧单向半圆凹槽型基座的半圆形凹槽和反向双半圆凹槽型卡中与海缆直径相对应的半圆形凹槽均设有与“π”型凸起相适配的凹槽；
13.橡胶保护垫片为长条形且长度和立管周长相适配，其截面为“]”型，“]”型两端的凸起卡在立管侧单向半圆凹槽型基座的半圆形凹槽边缘和反向双半圆凹槽型卡中与立管
直径相对应的半圆形凹槽边缘；
14.海缆侧单向半圆凹槽型基座、反向双半圆凹槽型卡和立管侧单向半圆凹槽型基座上设有用于依次连接固定的螺纹孔，三者通过螺栓依次固定连接。
15.进一步，放缆操作子系统的放缆方法如下：
16.立管绕在浮式平台的转盘上，将立管和海缆尾部绑在一起，然后慢慢往目标海域里面下放立管，海缆会随着立管一起下放；到标记的夹具位置就停止下放，开始安装子母管耦合夹具，橡胶保护垫片绕在有位置标记的立管上面，再用立管侧单向半圆凹槽型基座和反向双半圆凹槽型卡将橡胶保护垫片包裹着，并用螺栓固定连接；海缆保护垫圈套在海缆上面，将海缆保护垫圈放置在海缆侧单向半圆凹槽型基座的凹槽上，将海缆侧单向半圆凹槽型基座盖在反向双半圆凹槽型卡上并利用螺栓连接固定；安装好该位置的子母管耦合夹具后继续下放立管，到达下一个标记位置停止下放，安装时要确保海缆处于绷直状态，且海缆和立管平行，重复操作直到完成全部放缆。
17.进一步，传感海缆包括位于中心的加强芯、围绕加强芯绞合的内铠钢丝、包覆在内铠钢丝外侧的铜管、包覆在铜管外侧的聚乙烯绝缘层、围绕聚乙烯绝缘层绞合的外凯钢丝、夹杂在外凯钢丝中的光纤光栅传感单元以及位于最外侧的外被层；其中，光纤光栅传感单元包括不锈钢管和位于不锈钢管内的光纤光栅阵列传感器。
18.进一步，光纤光栅阵列传感器包括温度光纤光栅阵列传感器和应变光纤光栅阵列传感器，温度光纤光栅阵列传感器和应变光纤光栅阵列传感器分别位于不同的不锈钢管内。
19.进一步，光栅为分布式光纤布拉格光栅或弱光栅，反射率为1％～0.0001％。
20.进一步，不锈钢管内的光纤光栅阵列传感器间填充着纤膏。
21.进一步，内铠钢丝由两层钢丝绞合而成，内铠钢丝的两层钢丝间填充着阻水胶；外凯钢丝与光纤光栅传感单元间填充着沥青，外被层由聚丙烯绳绞合制成，聚丙烯绳间填充着沥青。
22.一种利用上述的基于传感海缆的立管在线监测系统实现的基于传感海缆的立管在线监测方法，包括以下步骤：
23.使用若干子母管耦合夹具将传感海缆与立管相耦合，当立管遭遇外在载荷而产生变形时，传感海缆会同时产生相应的变形，传感海缆中该位置的阵列光纤光栅的波长会发生变化，通过外在载荷对立管产生的影响而获得传感海缆中光纤光栅阵列传感器的波长变化数据，通过波分复用技术和时分复用技术配合使用，监测海缆的应变情况及温度变化情况；
24.立管应变与海缆应变之间的耦合关系如下：
[0025][0026][0027]
式中，εf为海缆中光纤的应变，εc为海缆的应变，εr为立管的应变，θ为海缆中光单元绞合的角度，h为夹具厚度，q为立管与海缆直径比，η为耦合效率，s为夹具预紧程度。
[0028]
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0029]
本发明可以实时监测海洋立管从首至尾的应变状况以及温度变化状况，将立管的状态变化耦合至附着于立管旁的传感海缆上，通过传感海缆的状态变化实时监测海洋立管的状态变化，为油气开发提供更加安全可靠的基础，让海洋勘探作业更加踏实放心。
附图说明
[0030]
图1为基于传感海缆的立管在线监测系统框图；
[0031]
图2为子母管耦合夹具的安装示意图；
[0032]
图3为海缆结构示意图；
[0033]
图4为子母管耦合夹具的主视图；
[0034]
图5为海缆侧单向半圆形凹槽型基座示意图；
[0035]
图6为子母管耦合夹具的立体图；
[0036]
图7为海缆保护垫圈示意图；
[0037]
图8为橡胶保护垫片示意图。
[0038]
图中：1-子母管耦合夹具，2-立管，3-海缆，11-立管侧单向半圆形凹槽型基座，12-反向双半圆形凹槽型卡，13-海缆侧单向半圆形凹槽型基座，14-海缆保护垫圈，15-橡胶保护垫片，16-凹槽，17-螺纹孔，301-温度光纤光栅阵列传感单元，302-纤膏，303-应力光纤光栅阵列传感单元，304-不锈钢管，305-内凯钢丝，306-阻水胶，307-加强芯，308-铜管，309-聚乙烯绝缘层，310-外凯钢丝，311-内沥青，312-外被层，313-外沥青。
具体实施方式
[0039]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0040]
本发明的基于传感海缆的立管在线监测系统，如图1所示，包括：
[0041]
放缆操作子系统：将传感海缆3放入目标海域，并由子母管耦合夹具1安装于立管2旁，如图2所示，以备立管状态的后续监测；
[0042]
传感海缆子系统：通过传感海缆3对立管2的状态进行实时监测；
[0043]
数据解调子系统：记录并保存传感海缆中的光纤光栅阵列波长的变化，以备后续立管的状态分析。
[0044]
其中，子母管耦合夹具1，包括海缆侧单向半圆凹槽型基座13、反向双半圆凹槽型卡12、立管侧单向半圆凹槽型基座11、海缆保护垫圈14和橡胶保护垫片15；
[0045]
如图4、图5和图6所示，海缆侧单向半圆凹槽型基座13上开有和海缆3直径相对应的半圆形凹槽，立管侧单向半圆凹槽型基座11上开有和立管2直径相对应的半圆型凹槽，反向双半圆凹槽型卡12上开有两个开口方向相反、直径分别和海缆3与立管2直径相对应的半圆型凹槽；海缆侧单向半圆凹槽型基座13、反向双半圆凹槽型卡12和立管侧单向半圆凹槽型基座11依次连接起来形成两个分别放置海缆和立管的圆柱孔。海缆侧单向半圆凹槽型基座13、反向双半圆凹槽型卡12和立管侧单向半圆凹槽型基座11上设有用于依次连接固定的螺纹孔17，三者通过螺栓依次固定连接。
[0046]
如图7和图8所示，海缆保护垫圈14置于放置海缆的圆柱孔内，橡胶保护垫片15置于放置立管的圆柱孔内。海缆保护垫圈14为长条形且长度和海缆周长相适配，其截面为“π”型；海缆侧单向半圆凹槽型基座13的半圆形凹槽和反向双半圆凹槽型卡12中与海缆直径相对应的半圆形凹槽均设有与“π”型凸起相适配的凹槽16。橡胶保护垫片15为长条形且长度和立管周长相适配，其截面为“]”型，“]”型两端的凸起卡在立管侧单向半圆凹槽型基座11的半圆形凹槽边缘和反向双半圆凹槽型卡12中与立管直径相对应的半圆形凹槽边缘。
[0047]
放缆方法如下：立管2绕在浮式平台的转盘上，例如放缆船以及滚筒，将立管2和海缆3尾部用轧带绑在一起，然后慢慢往海洋里面下放立管2，海缆3会随着立管2一起下放，到了标记的夹具位置就停止下放；开始安装子母管耦合夹具1，橡胶保护垫片15绕在有位置标记的立管2上面，再用立管侧单向半圆凹槽型基座11和反向双半圆凹槽型卡12将橡胶保护垫片15包裹着，并用螺栓固定连接；海缆保护垫圈14套在海缆上面，将海缆保护垫圈14放置海缆侧单向半圆凹槽型基座13的限位凹槽16上，将海缆侧单向半圆凹槽型基座13盖在反向双半圆凹槽型卡12上利用螺栓连接固定；安装好该位置的夹具后继续下放立管2，到达下一个标记位置停止下放，安装时要确保海缆3处于绷直状态，且海缆3和立管2平行，重复操作直到完成全部安装。
[0048]
如图3所示，传感海缆是集成若干光纤光栅传感阵列的海缆，可以传感外界的信息，探测立管的变形与温度变化情况。海缆3包括位于中心的加强芯307、围绕加强芯307绞合的内铠钢丝305、包覆在内铠钢丝305上的铜管308、聚乙烯绝缘层309、光纤光栅传感单元、外凯钢丝310和位于最外侧的外被层312。其中，内铠钢丝305绞合在加强芯307的外层，铜管308套在内铠钢丝305的外层，铜管308与光纤光栅传感单元间隔着聚乙烯绝缘层309，外凯钢丝310绞合在光纤光栅传感单元外。
[0049]
进一步的，内铠钢丝305由两层钢丝绞合而成，采用了先进的激光焊接造管和精确的铠装技术，为光纤提供了足够的空间和机械特性。双层内凯钢丝间填充着阻水胶306。
[0050]
进一步的，光纤光栅传感单元由两种不同的光纤光栅阵列传感器间隔环绕放置。具体的，光纤光栅传感单元由温度光纤光栅阵列传感器301、应变光纤光栅阵列传感器303和不锈钢管304构成，温度光纤光栅阵列传感器301和应变光纤光栅阵列传感器303分别位于不同的不锈钢管304内。光纤光栅传感单元中的不锈钢管304中的光纤光栅阵列传感器间填充着纤膏302。光纤光栅阵列是分布式光纤光栅阵列或者大容量弱光纤光栅阵列，可以监测立管从首至尾的状态；光栅是分布式光纤布拉格光栅或者弱光栅，其反射率为1％～0.0001％。
[0051]
进一步的，不锈钢管304与外凯钢丝310绞合缠绕，且外凯钢丝310与光纤光栅传感单元间填充着内沥青311。
[0052]
进一步的，外被层312由聚丙烯绳绞合制成，聚丙烯绳间填充着外沥青313。
[0053]
本发明还提供一种利用上述的基于传感海缆的立管在线监测系统实现的基于传感海缆的立管在线监测方法，具体为：
[0054]
使用若干夹具将该海缆固定于海洋立管旁，形式如子母管，当立管遭遇海洋涌浪或者船锚撞击等外在载荷而产生变形，附着予立管上的该海缆同时会产生相应的变形，该海缆中的阵列光纤光栅的波长便会发生变化，通过外在载荷对立管产生的影响而获得海缆中阵列光纤光栅传感器的波长变化数据集，可以通过波分复用技术和时分复用技术配合使
用，根据返回脉冲信号获取外界载荷信号；其次可以通过深度学习研究两者之间的关系，可以通过海缆中阵列光纤光栅传感器获得的数据分别监测海缆的应变情况及温度变化情况。
[0055]
采用了立管-海缆形变耦合技术，将立管的形变与温度变化状况较好地耦合到新型传感海缆上，通过海缆可以直观的反映立管的状态变化。立管应变与海缆应变之间的耦合关系如下：
[0056][0057][0058]
式中，εf为海缆中光纤的应变，εc为海缆的应变，εr为立管的应变，θ为海缆中光单元绞合的角度，h为夹具厚度，q为立管与海缆直径比，η为耦合效率，s为夹具预紧程度。由此可求出立管应变，立管温度同海缆的温度，可直接获得。
[0059]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0060]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。