[发明专利]一种隔水管偏移及偏移方向监测方法

说明书

技术领域

本发明属于海洋油气勘探开发领域，涉及材料力学、流固耦合振动、微积分、传感器技术等相关学科。

背景技术

作为连接海底井口与海面作业平台的纽带，隔水管在隔离海水、引导钻具、循环钻井液、补偿浮式钻井装置的升沉运动等方面发挥重要作用。无论深海油气开采采用何种浮式系统方案，隔水管都是海洋石油天然气开采必不可少的设备，同时也是薄弱易损的构件之一。处于深水环境中的隔水管，在洋流、波浪和海面平台的振荡、漂移和起伏运动等多种载荷的共同作用下，不仅产生较大的偏移，而且将产生交变应力，诱发隔水管疲劳，降低隔水管使用寿命，甚至断裂，引发次生灾害，给深海石油开发造成重大损失。

确保服役期间隔水管的安全和完整性，必须对隔水管的倾角和偏移量进行监测。通过偏移量和倾角可知海面平台偏离海底井口的状态，以确保其在安全范围内。

目前隔水管的倾角监测主要用倾角传感器实现。由于隔水管的上下振荡，使得基于加速度的倾角传感器所测倾角存在较大误差。偏移监测存在多种方法，其本质是先监测洋流剖面，然后根据非线形静力学方程，用有限元的方法计算得出。各种方法直接的差异是，算法复杂度和精度的不同。此类监测方法将隔水管进行理想化处理，最终的数值结果与真实值之间存在较大的误差。此外海洋流速的测量也存在误差，该误差在计算过程中将会放大。用于深水洋流测量的设备主要为声学多普勒流速剖面仪(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)。其基本原理是多普勒频移，核心技术是多普勒回波瞬时频率估计。监测方式有船载式，拖曳式、坐底式、自容式、直读式等多种形式。用于隔水管疲劳监测时，ADCP工作方式主要是拖曳式，在海面平台上将ADCP投放到水下。ADCP的主要缺点有：ADCP的探测深度依赖于声学传感器的功率，当测量深度增大时，ADCP的功率和体积随之增大，费用和功耗急剧增大。此外深海洋流流速变化缓慢，只需在不同深度上选择若干位置进行测量即可，测量整个洋流剖面变得多余。以上特点表明，从费用、功耗和性价比等方面考虑，ADCP不完全适用于隔水管疲劳监测。

此外，隔水管疲劳监测包含运动监测和应变监测。运动监测类主要是监测隔水管加速度然后通过复杂的数学变换转换为隔水管的应力应变参数。该方法便于监测但后续处理比较复杂。应变类监测是直接监测隔水管的应变应力参数，数据处理十分简单。虽然存在各种挑战，但2H offshore等国际海洋石油巨头已研制出基于FBG光纤光栅的应变检测设备。Fugro的FBG应变监测设备，采用沿隔水管横截面正交布放4个传感器和一个光纤温度传感器。Thunder Horse的应力应变监测设备用8个传感器串联。设备因配有坚固的保护外壳弥补了方法在安全可靠性上的缺陷。SMARTEC、INTEGRIstick等产品基于光纤微位移传感器，存在的缺陷是难以测得TTR的最大应变，更无法监测最大应变的方位。

发明内容

为了克服现有技术误差大、功耗大、算法实现复杂的不足，本发明提供一种基于应变的深水隔水管偏移量及偏移方向监测方法，仅利用若干隔水管外壁的应变量，就可得出隔水管的最大应变，倾角，偏移量和偏移方向等参数，能够节省费用，提高效率，降低监测作业的复杂度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，沿隔水管选择N监测点，并从海底井口至海面平台排序为z₀，z₁，…，z_i，…，z_N-1，N之3，对于每个监测点，在隔水管外壁沿隔水管轴向均匀布放的三个应变传感器，在监测点处建立大地坐标，以东为参考方向，隔水管圆心为原点，角度逆时针为正，顺时针为负；将三个应变传感器按逆时针被编号为1、2、3，其中第1个传感器与参考方向的角度为α，与最大弯曲方向的角度为；

第二步，对于监测点z_i而言，三个应变传感器所测应变为：

其中为监测点z_i的轴向应变，为最大弯曲应变，为第1个应变传感器与最大弯曲方向的角度，分别为监测点z_i处三个应变传感器所测应变，0≤i≤N一1；