深海鉆井平臺隔水管監測方法對比研究

張興權 陳巍 秦一飛

摘要：隔水管監測系統主要目的是監測隔水管形狀、受力、上下滑動接頭的角度，通過實時監測關鍵參數，移動平臺位置，確保隔水管處于安全作業范圍，保障了作業安全。通過對比常見的國外供貨商和國內研制的隔水管監測系統的組成、監測參數的獲取、處理，對常見的監測系統進行分析對比，供行業內參考和決策使用。

關鍵詞：隔水管;監測系統;平臺最優位置

中圖分類號：TN929.3 文獻標識碼：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備，當其轉角、伸縮節沖程、應力等超過安全作業允許的臨界值時，隔水管必須停止作業，進而影響了鉆井時效。隔水管系統工作時，影響其工作的參數和因素主要有其自身的重力、剛度、其內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，這些參數共同作用于隔水管，最終體現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。

隔水管監測系統主要目的是監測隔水管形狀、受力、上下滑動接頭的角度，通過實時監測關鍵參數，確保隔水管處于安全作業范圍，保障了作業安全。

1隔水管兩端角度監測計算平臺最優位置

該種方法主要是依據隔水管兩端的角度進行實時監測，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，從而為平臺最優位置計算提供了依據，最終減小隔水管兩端的角度，減少隔水管的受力。

1.1系統組成

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

隔水管監測系統控制臺：人機交互操作的界面，用于監視系統運行參數、配置隔水管參數等，控制臺主機也是測量數據分析的計算平臺。

運動參考單元（MRU）：測量隔水管垂直面上的傾角及平臺運動狀態參數。

信號采集模塊：用于接收并處理各傳感器或其它協同系統數據，根據現場設備接口狀況配置相應的接口。

傾角儀（Inclinometer）：測量隔水管垂直面上的傾角。

水聲通訊設備：主要用于水下傳感器信號傳輸和傳感器供電，包括中間節點的定位。

電纜設備：主要用于用于水下傳感器信號傳輸和傳感器供電，設備除電纜外，還有相應的纜繩收放裝置。1.2監控系統原理

系統通過安裝在上柔性節的垂直運動單元 MRU 測量上柔性節的傾角，和下柔性節的傾角儀測量下柔性節的傾角。傾角儀測量數據通過水聲信標與矢聽器系統的通訊鏈路將測量數據轉發至隔水管監測系統系統主機。根據測得參數推算當前平臺的最優位置及隔水管彎曲狀態，并通過動態畫面的方式在系統人機界面中實時展示。1.3系統功能

（1）最優位置估算。通過上下柔性節角度計算出最優船舶位置，計算平臺安全區域。支持的操作模式包括：鉆探作業、非鉆探帶鉆桿、非鉆探不帶鉆桿和準備斷開。

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

（3）隔水管行程，張力器行程，伸縮節行程監測。系統通過接口與張緊系統連接，獲取張緊器張力信息，計算隔水管張力，包括隔水管頂部張力、下柔性節張力和下隔水管總成接頭張力。系統通過畫面顯示張力信息。系統通過對伸縮節行程的實時測量值，顯示伸縮節行程參數，提供相應的報警功能。

（4）連接器載荷監測。通過底部張緊力測量值和隔水管重量特征參數，系統計算下隔水管總成和防噴器（BOP）的有效張緊力。系統對連接頭載荷參數進行監測，提供相應的報警功能。

（5）隔水管配置及靜態隔水管計算工具。系統提供用戶根據實際情況配置隔水管的功能，用戶可定義隔水管各管節的順序，從數據庫中選擇管節類型進行組合。系統可進行長度計算、重量計算、靜態計算、張力計算等。

（6）事件及報警及數據日志。系統根據預設報警及事件觸發條件觸發相應的報警。系統永久保存報警事件信息，并可將報警事件導出。系統報警分為四個級別：事件（Event）、警告（Warning）、報警（Alarm）和緊急報警（Emergency）。

2隔水管位移監測計算平臺最優位置

圖2所示的隔水管監測系統主要是由聲學多普勒流速計和若干個加速度計組成，流速計主要是測量海流剖面，加速度計是測量隔水管的各個節點的加速度，進而獲取位移，也可以轉換為隔水管的應變。

該種監測方式利用若干隔水管外壁的應變量，測得隔水管的實時最大應變、傾角、偏移量和偏移方向等參數。

該系統的實現精度與上述系統1的精度可以實現基本一致。

其功能包括：

（1）測量并計算隔水管的形狀。隔水管及泥漿的特性都是已知參數，通過測量流剖面的流力，各個隔水管節點處的位移，能夠實施計算出隔水管的真實形狀，進而計算隔水管的應力、疲勞;

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

（3）平臺最優位置。計算獲取了隔水管的實時形狀和兩端角度之后，可以計算出平臺的最優位置，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）事件及報警。系統根據預設報警及事件觸發條件觸發相應的報警。系統永久保存報警事件信息，并可將報警事件導出。系統報警分為三個級別：警告（Warning）、報警（Alarm）和緊急報警（Emergency）。

3結論

通過對兩種隔水管監測系統的對比分析，從其配置、布置、組成、原理、功能等進行了分析，可以看出：

第一種隔水管監測系統組成簡單，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，通過優化計算，得出上下兩個角度最小時的水面平臺位置，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，缺點是不能實時測量和評估隔水管形狀以及應力。

第二種隔水管家側系統，需要沿隔水管額外布置多個角度傳感器、流速儀，最終能夠實時得到隔水管的形狀、應力、兩段的角度，計算得出水面平臺的最優位置。顯然第二種方式水下布置設備較多，安裝復雜，成本大增。

在實際工程中，可以根據需要來選取實際的隔水管監測方式和布置。

參考文獻：

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

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

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

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