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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201310391049.X (22)申请日 2013.08.31 G01B 21/32(2006.01) G01B 21/22(2006.01) G01B 21/02(2006.01) (71)申请人 西北工业大学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 127 号 (72)发明人 王海燕 李保军 刘叙含 姚海洋 申晓红 杨伏洲 张鹏飞 赵晓博 张之琛 (74)专利代理机构 西北工业大学专利中心 61204 代理人 顾潮琪 (54) 发明名称 一种隔水管偏移及偏移方向监测方法 (57) 摘要 本发明提供了一种隔水管偏移及偏移方向监 测。
2、方法， 沿隔水管选择 N 监测点， 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， 求监测点的最大应变和偏移方向与参考方向 之间的角度， 将各个监测点的最大应变排序， 得到 最大弯曲应变序列， 据此重构隔水管全局弯曲应 变， 最终计算隔水管偏移和倾角。 本发明节省了费 用， 提高了效率， 降低了监测作业的复杂度。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书10页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104422424 A (43)申请公布日 2015.03.18 CN 104422424 A 1/1 页 2 1.。
3、 一种隔水管偏移及偏移方向监测方法， 其特征在于包括下述步骤 ： 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， zi， zN-1， N3， 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， 与 最大弯曲方向的角度为 第二步， 对于监测点 zi而言， 三个应变传感器所测应变为 ： 其中为监测点 zi的轴向应变，为最大弯曲应变， 为第 1 个应变传感器与最。
4、大弯 曲方向的角度，分别为监测点 zi处三个应变传感器所测应变， 0 i N-1 ； 第三步， 求监测点 zi处的最大应变 偏移方向与参考方向之间的角度 第 四 步， 将 各 个 监 测 点 zi处 的 最 大 应 变 排 序， 得 到 最 大 弯 曲 应 变 序 列 据此重构隔水管全局弯曲应变 max(z) ； 第 五 步，根 据 隔 水 管 全 局 弯 曲 应 变 max(z)，计 算 隔 水 管 偏 移 计算隔水管倾角其中 C0、 C1为常数。 权 利 要 求 书 CN 104422424 A 2 1/10 页 3 一种隔水管偏移及偏移方向监测方法 技术领域 0001 本发明属于海洋油气。
5、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 0002 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。。
6、 0003 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。 0004 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。
7、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。
8、。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。 0005 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。
9、 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 说 明 书 CN 104422424 A 3 2/10 页 4 0006 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。 0007 本发明解决其。
10、技术问题所采用的技术方案包括以下步骤 ： 0008 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， zi， zN-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 ， 与最大弯曲方向的角度为； 0009 第二步， 对于监测点 zi而言， 三个应变传感器所测应变为 ： 0010 0011 其中为监测点 zi的轴向应变，为最大弯曲。
11、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 zi处三个应变传感器所测应变， 0 i N 一 1 ； 0012 第三步， 求监测点 zi处的最大应变 0013 偏移方向与参考方向之间的角度 0014 第 四 步， 将 各 个 监 测 点 zi处 的 最 大 应 变 排 序， 得 到 最 大 弯 曲 应 变 序 列 据此重构隔水管全局弯曲应变 max(z) ； 0015 第 五 步，根 据 隔 水 管 全 局 弯 曲 应 变 max(z)，计 算 隔 水 管 偏 移 计算隔水管倾角其中 C0、 C1为常数。 0016 本发明的有益效果是 ： 0017 1、 只用应变传感器就可。
12、得出倾角、 偏移、 偏移方向， 最大应变以及最大应变方向， 可不再使用倾角传感器、 ADCP 等传感器或设备， 不仅节省了大量费用、 而且降低监测作业的 说 明 书 CN 104422424 A 4 3/10 页 5 复杂度， 大大提高了效率 ； 0018 2、 在应变测量方面， 采用三个等间隔布放的测点， 与现有方法相比， 减少了一个传 感器， 降低了功耗 ； 0019 3、 利用应变测量偏移量及其偏移方向， 拓宽了应变传感器的应用范围。 附图说明 0020 图 1(a) 是隔水管偏移与偏移方向监测示意图， 图 1(b) 是隔水管倾斜和偏移示意 图 ； 0021 图 2(a) 是应变传感器布。
13、放与排序示意图， 图 2(b) 是图 2(a) 中建立大地坐标示意 图 ； 0022 图 3 是应变监测实例示意图 ； 0023 图4是根据应变拟合的倾角和偏移示意图， 图4(a)中星号为各测点的最大弯曲应 变， 实线为拟合的全局最大弯曲应变， 图 4(b) 为隔水管的全局倾角， 图 4(c) 为隔水管的全 局偏移 ； 隔水管的倾角在 0 5范围， 隔水管的偏移在 0 200m 内， 二者的变化规律与实 际基本相符 ； 0024 图中， 10 表示隔水管， 11 表示海洋钻井平台， 12 表示海底井口， 13 表示海底， 14 表 示洋流， 15 表示隔水管应变监测点， 16 表示应变传感器，。
14、 1、 2、 3 表示对三个应变传感器的编 号， U(z) 为洋流， D 为隔水管外径， 为第 1 个传感器与参考方向的角度， 为第 1 个传感 器与最大弯曲方向的角度， E、 S、 W、 N 分别表示东、 南、 西、 北 4 个方向。 具体实施方式 0025 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明， 本发明包括但不仅限于下述实施 例。 0026 本发明包括以下步骤 ： 0027 第一步， 沿隔水管选择 N 监测点， 监测点数目 N 依隔水管长度而定， 一般不小于 3 个， 并从海底井口至海面平台， 排序为 z0， z1， ， zi， ， zN-1， N 3， 如图 1 所示。例如 500m 。
15、长的隔水管， 可能选择 3 4 个监测点， 1500m 的隔水管， 可能选择 8 10 个监测点， 3000m 长的隔水管， 可能选择 15 20 个监测点。对于每个测点， 在隔水管外壁， 沿隔水管轴向均 匀布放的三个应变传感器， 如图 2(a) 所示。根据海底井口的特点和隔水管裸单根的外形， 在监测点处， 建立大地坐标， 如图 2(b) 所示。E、 S、 W 和 N 分别代表东南西北四个方向， 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。并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 ， 与最大弯曲方向的角度 为 。 0。
16、028 第二步， 获取每个监测点的应变。 在同向洋流和顶张力作用下， 隔水管发生轴向拉 伸和横向弯曲。对于监测点 zi， 0 i N-1 而言， 三个应变传感器所测应变为 ： 0029 说 明 书 CN 104422424 A 5 4/10 页 6 0030 其中为监测点 zi， 0 i N-1 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 zi， 0 i N-1 处， 三个应变 传感器所测应变。 0031 第三步， 求监测点 zi， 0 i N-1 处的最大应变和应变方向。根据公式 (1) 得最 大应变为 ： 0032 0033 偏移方向与参考方向之。
17、间的角度为 ： 0034 0035 第四步， 根据最大弯曲应变序列重构隔水管全局弯曲应 变 max(z)。 0036 第五步， 根据隔水管全局弯曲应变 max(z)， 计算隔水管偏移和倾角， 分别如下 ： 0037 0038 0039 其中 C0、 C1为常数， 由边界条件确定。 0040 以下对发明内容的公式进行详细推导， 并通过实例说明发明效果。 0041 对公式 (1) 的三个等式相加得 ： 0042 0043 而 0044 0045 则轴向应变为 ： 说 明 书 CN 104422424 A 6 5/10 页 7 0046 0047 式中，分别为监测点 zi， 0 i N-1 处的三个。
18、应变传感器所测应变。 0048 由式 (1) 得 ： 0049 0050 对式 (4) 的三个公式平方并求和， 得 0051 0052 根据三角函数公式A 为任意角度， 可得 0053 0054 0055 0056 故， 隔水管的最大弯曲应变为 ： 0057 0058 对于所有监测点， 构造最大弯曲应变数组为利用加权最小方差拟合 法， 拟合隔水管最大弯曲应变与位置的函数， 即 ： 0059 max(z)=f(z) 0060 由公式 0061 0062 式中， 第 1 个应变传感器与隔水管最大弯曲应变的角度， 为监测点 zi， 0 i N-1 处第 1 个应变传感器所测应变， 为监测点 zi， 。
19、0 i N-1 处的轴向应变。 说 明 书 CN 104422424 A 7 6/10 页 8 0063 得最大弯曲应变及其与第一个传感器之间的角度分别为 ： 0064 0065 式中， cos-1为反余弦函数， 为监测点 zi， 0 i N-1 处第 1 个应变传感器所测 应变， 为监测点 zi， 0 j N-1 处的轴向应变。监测点 zi， 0 i N-1 处的最大弯 曲应变。 0066 那么， 最大弯曲应变方向与参考方向的夹角为 ： 0067 0068 式中， 为第 1 个应变传感器与参考方向的角度，分别为监测点 zi， 0 i N-1 处的三个应变传感器所测应变。监测点 zi， 0 i。
20、 N-1 处的最大弯曲应 变。 0069 根据材料力学可知， 附图 1 所示的坐标系中， 在轴向位置 z 处， 隔水管偏移与弯矩 满足 ： 0070 0071 其中， EI 为隔水管弯曲刚度， M(z) 为隔水管弯矩， XH(z) 为隔水管偏移， XH(z)是 偏移的二次导数。 0072 隔水管偏移与倾角满足 ： 0073 0074 其中 XH(z) 为隔水管的偏移， (z) 为隔水管倾角。 0075 隔水管的应变为 ： 0076 0077 其中 D 为隔水管外径， (z) 为曲率半径。 0078 曲率与弯矩满足 ： 0079 0080 其中 EI 为隔水管弯曲刚度， M(z) 为隔水管弯矩。。
21、 0081 将公式 (18)、 (19) 带入公式 (16)， 得 0082 0083 则隔水管偏移和倾角与最大弯曲应变分别为 ： 说 明 书 CN 104422424 A 8 7/10 页 9 0084 0085 0086 其中 D 为隔水管外径， max(z) 为隔水管最大弯曲应变函数， C0、 C1为常数， 由边界 条件确定。 0087 假设隔水管长度3000m， 外径为53.3cm， 处于3000m水中， 在洋流、 顶张力等载荷下 发生弯曲。每 200m 一个测点， 共 16 个测点。所有测点均与参考方向的角度为 25， 如图 3 所示。各测点所测应变如表格 1 和表格 2 所示。 0。
22、088 表格 1、 各测点三个应变传感器所测应变 0089 0090 表 2、 各测点三个应变传感器所测应变 0091 0092 根据公式 (12)， 结合表格 1 和表格 2 的应变数据， 可得， 各测点最大弯曲应变的数 值如表格 3 和表格 4 所示。根据公式 (14)， 最大应变与第 1 个应变传感器的夹角为 45， 根据公式 (15)， 最大应变与参考方向的角度为 -20， 即东偏南方向 20。 0093 表格 3、 各测点的最大弯曲应变 0094 说 明 书 CN 104422424 A 9 8/10 页 10 0095 根据表 3 和表格 4 中各测点最大弯曲应变数据， 拟合隔水管。
23、弯曲应变全局的方程 为 ： 0096 0097 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0098 在初始条件， 偏移为 XH(0)=0 的条件下， 根据公式 (21) 和 (22)， 则隔水管的偏移 为 ： 0099 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0100 在初始倾角为 0的条件下， 隔水管的倾角为 ： 0101 0102 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0103 隔水管各测点的最大弯曲应变， 全局最大弯曲应变、 全局倾角和整体偏移如图 4 所示， 图中纵坐标为隔水管长度， 0m 为海底井口， 3000m 为海面平台。图 4(a) 中星号为各 测点的最大弯曲应变， 实线。
24、为拟合的全局最大弯曲应变， 图 4(b) 为隔水管的全局倾角， 图 4(c) 为隔水管的全局偏移。隔水管的倾角在 0 5范围， 隔水管的偏移在 0 200m 内， 二者的变化规律与实际基本相符。 0104 实施例 ： 0105 采用发明效果部分所给数据 ： 假设隔水管长度 3000m， 外径为 53.3cm， 处于 3000m 水中， 在洋流、 顶张力等载荷下发生弯曲。每 200m 一个测点， 共 16 个测点。所有测点均与 参考方向的角度为 25， 如图 3 所示。各测点所测应变如表格 1 和表格 2 所示。 0106 表格 5、 各测点三个应变传感器所测应变 0107 说 明 书 CN 1。
25、04422424 A 10 9/10 页 11 0108 表 6、 各测点三个应变传感器所测应变 0109 0110 根据公式 (12)， 结合表格 5 和表格 6 的应变数据， 可得， 各测点最大弯曲应变的数 值如表格 7 和表格 8 所示。根据公式 (14)， 最大应变与第 1 个应变传感器的夹角为 45， 根据公式 (15)， 最大应变与参考方向的角度为 -20， 即东偏南方向 20。 0111 表格 7、 各测点的最大弯曲应变 0112 0113 表格 8、 各测点的最大弯曲应变 0114 0115 根据表 3 和表格 4 中各测点最大弯曲应变数据， 拟合隔水管弯曲应变全局的方程 为 。
26、： 0116 说 明 书 CN 104422424 A 11 10/10 页 12 0117 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0118 在初始条件， 偏移为 XH(0) 0 的条件下， 根据公式 (21) 和 (22)， 则隔水管的偏移 为 ： 0119 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0120 在初始倾角为 0的条件下， 隔水管的倾角为 ： 0121 0122 式中， L 为隔水管长度， 0 z L。 0123 隔水管各测点的最大弯曲应变， 全局最大弯曲应变、 全局倾角和整体偏移如图 4 所示。 0124 实施实例表明， 只采用应变传感器就可得出倾角、 偏移、 偏移方向， 最大应变以及 最大应变方向， 可不再使用倾角传感器、 ADCP 等传感器或设备， 不仅节省了大量费用、 而且 降低监测作业的复杂度， 大大提高了效率。 说 明 书 CN 104422424 A 12 1/3 页 13 图 1(a) 说 明 书 附 图 CN 104422424 A 13 2/3 页 14 图 1(b) 图 2(a) 图 2(b) 说 明 书 附 图 CN 104422424 A 14 3/3 页 15 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104422424 A 15 。