深海鉆井平臺隔水管監(jiān)測方法對比研究

張興權(quán) 陳巍 秦一飛

摘要：隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是監(jiān)測隔水管形狀、受力、上下滑動接頭的角度，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，移動平臺位置，確保隔水管處于安全作業(yè)范圍，保障了作業(yè)安全。通過對比常見的國外供貨商和國內(nèi)研制的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的組成、監(jiān)測參數(shù)的獲取、處理，對常見的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行分析對比，供行業(yè)內(nèi)參考和決策使用。

關(guān)鍵詞：隔水管;監(jiān)測系統(tǒng);平臺最優(yōu)位置

中圖分類號：TN929.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0074-02

鉆井隔水管是海底井口與鉆井船的重要連接設(shè)備，當(dāng)其轉(zhuǎn)角、伸縮節(jié)沖程、應(yīng)力等超過安全作業(yè)允許的臨界值時(shí)，隔水管必須停止作業(yè)，進(jìn)而影響了鉆井時(shí)效。隔水管系統(tǒng)工作時(shí)，影響其工作的參數(shù)和因素主要有其自身的重力、剛度、其內(nèi)部流通的高壓泥漿的壓力、振動，上部張緊器的拉力，海平面以下的流力，下部滑動接頭的拉力等，這些參數(shù)共同作用于隔水管，最終體現(xiàn)在隔水管上部滑動接頭角度、下滑動接頭角度、隔水管在深海中的形狀。

隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要目的是監(jiān)測隔水管形狀、受力、上下滑動接頭的角度，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)，確保隔水管處于安全作業(yè)范圍，保障了作業(yè)安全。

1隔水管兩端角度監(jiān)測計(jì)算平臺最優(yōu)位置

該種方法主要是依據(jù)隔水管兩端的角度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，不僅反映了隔水管兩端與上下滑動接頭的連接情況，還反映了隔水管的受力、大致形狀等，從而為平臺最優(yōu)位置計(jì)算提供了依據(jù)，最終減小隔水管兩端的角度，減少隔水管的受力。

1.1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由運(yùn)動參考單元（MRU）、控制臺、信號采集模塊、水聲信標(biāo)、傾角儀（Inclinometer）及其它相關(guān)附件組成（如圖1所示）。

隔水管監(jiān)測系統(tǒng)控制臺：人機(jī)交互操作的界面，用于監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、配置隔水管參數(shù)等，控制臺主機(jī)也是測量數(shù)據(jù)分析的計(jì)算平臺。

運(yùn)動參考單元（MRU）：測量隔水管垂直面上的傾角及平臺運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)。

信號采集模塊：用于接收并處理各傳感器或其它協(xié)同系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備接口狀況配置相應(yīng)的接口。

傾角儀（Inclinometer）：測量隔水管垂直面上的傾角。

水聲通訊設(shè)備：主要用于水下傳感器信號傳輸和傳感器供電，包括中間節(jié)點(diǎn)的定位。

電纜設(shè)備：主要用于用于水下傳感器信號傳輸和傳感器供電，設(shè)備除電纜外，還有相應(yīng)的纜繩收放裝置。1.2監(jiān)控系統(tǒng)原理

系統(tǒng)通過安裝在上柔性節(jié)的垂直運(yùn)動單元 MRU 測量上柔性節(jié)的傾角，和下柔性節(jié)的傾角儀測量下柔性節(jié)的傾角。傾角儀測量數(shù)據(jù)通過水聲信標(biāo)與矢聽器系統(tǒng)的通訊鏈路將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至隔水管監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)主機(jī)。根據(jù)測得參數(shù)推算當(dāng)前平臺的最優(yōu)位置及隔水管彎曲狀態(tài)，并通過動態(tài)畫面的方式在系統(tǒng)人機(jī)界面中實(shí)時(shí)展示。1.3系統(tǒng)功能

（1）最優(yōu)位置估算。通過上下柔性節(jié)角度計(jì)算出最優(yōu)船舶位置，計(jì)算平臺安全區(qū)域。支持的操作模式包括：鉆探作業(yè)、非鉆探帶鉆桿、非鉆探不帶鉆桿和準(zhǔn)備斷開。

（2）張力監(jiān)測。系統(tǒng)通過圖形化的方式顯示張力相關(guān)信息，其中包括：上柔性節(jié)（UFJ）角度、下柔性節(jié)（LFJ）角度、張緊器行程、頂部張力、下柔性節(jié)張力、下隔水管總成接頭張力、船舶位置（北東坐標(biāo)）、最優(yōu)位置偏差。

（3）隔水管行程，張力器行程，伸縮節(jié)行程監(jiān)測。系統(tǒng)通過接口與張緊系統(tǒng)連接，獲取張緊器張力信息，計(jì)算隔水管張力，包括隔水管頂部張力、下柔性節(jié)張力和下隔水管總成接頭張力。系統(tǒng)通過畫面顯示張力信息。系統(tǒng)通過對伸縮節(jié)行程的實(shí)時(shí)測量值，顯示伸縮節(jié)行程參數(shù)，提供相應(yīng)的報(bào)警功能。

（4）連接器載荷監(jiān)測。通過底部張緊力測量值和隔水管重量特征參數(shù)，系統(tǒng)計(jì)算下隔水管總成和防噴器（BOP）的有效張緊力。系統(tǒng)對連接頭載荷參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，提供相應(yīng)的報(bào)警功能。

（5）隔水管配置及靜態(tài)隔水管計(jì)算工具。系統(tǒng)提供用戶根據(jù)實(shí)際情況配置隔水管的功能，用戶可定義隔水管各管節(jié)的順序，從數(shù)據(jù)庫中選擇管節(jié)類型進(jìn)行組合。系統(tǒng)可進(jìn)行長度計(jì)算、重量計(jì)算、靜態(tài)計(jì)算、張力計(jì)算等。

（6）事件及報(bào)警及數(shù)據(jù)日志。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)報(bào)警及事件觸發(fā)條件觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警。系統(tǒng)永久保存報(bào)警事件信息，并可將報(bào)警事件導(dǎo)出。系統(tǒng)報(bào)警分為四個(gè)級別：事件（Event）、警告（Warning）、報(bào)警（Alarm）和緊急報(bào)警（Emergency）。

2隔水管位移監(jiān)測計(jì)算平臺最優(yōu)位置

圖2所示的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要是由聲學(xué)多普勒流速計(jì)和若干個(gè)加速度計(jì)組成，流速計(jì)主要是測量海流剖面，加速度計(jì)是測量隔水管的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的加速度，進(jìn)而獲取位移，也可以轉(zhuǎn)換為隔水管的應(yīng)變。

該種監(jiān)測方式利用若干隔水管外壁的應(yīng)變量，測得隔水管的實(shí)時(shí)最大應(yīng)變、傾角、偏移量和偏移方向等參數(shù)。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)精度與上述系統(tǒng)1的精度可以實(shí)現(xiàn)基本一致。

其功能包括：

（1）測量并計(jì)算隔水管的形狀。隔水管及泥漿的特性都是已知參數(shù)，通過測量流剖面的流力，各個(gè)隔水管節(jié)點(diǎn)處的位移，能夠?qū)嵤┯?jì)算出隔水管的真實(shí)形狀，進(jìn)而計(jì)算隔水管的應(yīng)力、疲勞;

（2）隔水管兩段的角度。通過測量平臺的位置和艏相，計(jì)算獲取隔水管的形狀之后，可以計(jì)算出隔水管上下柔性連接點(diǎn)的角度;

（3）平臺最優(yōu)位置。計(jì)算獲取了隔水管的實(shí)時(shí)形狀和兩端角度之后，可以計(jì)算出平臺的最優(yōu)位置，使隔水管受到的變形最小，兩端角度最小，增加隔水管的使用壽命;

（4）事件及報(bào)警。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)報(bào)警及事件觸發(fā)條件觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警。系統(tǒng)永久保存報(bào)警事件信息，并可將報(bào)警事件導(dǎo)出。系統(tǒng)報(bào)警分為三個(gè)級別：警告（Warning）、報(bào)警（Alarm）和緊急報(bào)警（Emergency）。

3結(jié)論

通過對兩種隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的對比分析，從其配置、布置、組成、原理、功能等進(jìn)行了分析，可以看出：

第一種隔水管監(jiān)測系統(tǒng)組成簡單，從平臺上引入張緊器行程及張力、鉆井泥漿流速計(jì)配重、平臺位置和艏相信號，另外只需要測量獲取隔水管兩端的角度，通過優(yōu)化計(jì)算，得出上下兩個(gè)角度最小時(shí)的水面平臺位置，隔水管兩端的角度信號可以通過無線方式上傳;該方法安裝、布線簡單，成本低，缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)測量和評估隔水管形狀以及應(yīng)力。

第二種隔水管家側(cè)系統(tǒng)，需要沿隔水管額外布置多個(gè)角度傳感器、流速儀，最終能夠?qū)崟r(shí)得到隔水管的形狀、應(yīng)力、兩段的角度，計(jì)算得出水面平臺的最優(yōu)位置。顯然第二種方式水下布置設(shè)備較多，安裝復(fù)雜，成本大增。

在實(shí)際工程中，可以根據(jù)需要來選取實(shí)際的隔水管監(jiān)測方式和布置。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟祥瑜.深水鉆井隔水管監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)研究[D].中國石油大學(xué)（華東），2015.

[2] 劉秀全 ， 邱娜 ， 王向磊 ， 暢元江 ， 陳國明;基于斷裂力學(xué)的深水鉆井隔水管疲勞失效評估[J].石油工程建設(shè)，2020（S1）。

[3]暢元江，楊煥麗，劉秀全等.深水鉆井隔水管-井口系統(tǒng)渦激疲勞詳細(xì)分析[J].石油學(xué)報(bào)，2014，35（1）：146-151.

[4]盛磊祥 ， 許亮斌 ，金學(xué)義 ， 等.鉆井隔水管渦激振動監(jiān)測裝置海上試驗(yàn)[J].中國海上油氣 ， 2021， 33（1）：140-143.