CN206071579U - 深水钻井管具随钻监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种深水钻井管具随钻监测装置，包括：Wi‑Fi路由器，用于为所述深水钻井管具随钻监测装置提供无线局域网；卫星导航移动站，设于钻井平台上；深水钻柱工程参数随钻测量短节，设于钻柱上端，用于测量钻柱上部的拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、三维加速度、钻井液压力及温度；隔水管动力学参数测量短节，设于隔水管上端，用于测量隔水管上部的张拉应力、三轴位移、加速度、液柱压力及温度；深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站，设于钻井平台上，用于钻井管具动力响应实时分析、作业参数分析及管具疲劳分析。本实用新型能够全面监测深水钻井管具状态。

Description

深水钻井管具随钻监测装置

技术领域

本实用新型涉及海洋石油天然气钻井时技术领域，尤其涉及一种深水钻井管具随钻监测装置。

背景技术

深水钻井管具(钻柱和隔水管)的受力状态十分复杂和恶劣。深水钻井管具顶部受运动补偿设备的提拉(张紧)力；上部受风、海浪和海流等海洋环境载荷的随机作用和平台运动的联合作用，引起钻柱与隔水管的耦合接触；隔水管下端由挠性接头铰接，与井口相连；钻柱下部钻头受地层的作用力、井壁与钻柱的接触力，此外钻柱、钻井液和隔水管之间亦存在流固耦合力，导致深水钻井管具运动状态异常复杂。钻井管具通常会产生偏移(最大偏移距离超过100米)、振动、摇摆等不同形式的复杂运动。

为了提高海上钻井作业的科学性和安全性，掌握深水钻井管具的受力状态和运动规律，优化深水钻井作业参数和隔水管顶张力，需要采集深水钻井钻柱的工程参数——钻压、扭矩、弯矩、位移、转速和钻柱内钻井液压力与温度等，以及隔水管的动力学参数——张拉应力、三轴位移与加速度以及隔水管内液柱压力与温度等。

目前，采集深水钻柱工程参数的方法可以分为地面(或近井口)间接采集、地面直接采集和井下直接采集三种。其中，地面间接采集的方法由于成本低而最为常用，但准确性不够。例如，对钻柱扭矩的测量主要是在井口装置或电机轴上进行，无法准确测得钻柱的真实扭矩。对钻柱弯曲应力和位移等参数，地面间接采集的方法更是无法测得。井下直接采集方法具有准确性高的特点，但无法获得受海洋环境载荷影响严重的上部钻柱的工程参数，并且由于井下测量装置工作环境恶劣、服务费用高，致使未能得到普及应用。国际上，国民油井公司的StringSense***可以直接在地面上采集部分钻井工程参数，具体包括扭矩、拉压力、钻速、弯矩、钻柱内压力和振动参数等，但无法采集到深水钻柱重要的运动参数——位移。

隔水管动力参数的测量方式有多种。按测量位置划分，可以分为水面采集和水下采集。其中，水下采集方式可以将传感器沿隔水管直接布置在关键部位进行测量，具有直接高效的特点，但实施复杂困难、费用昂贵；而在水面采集隔水管动力参数具有操作简便、费用低廉的特点，但需要配套的隔水管动力学分析软件。根据数据传输和供电方式不同，又可以将隔水管测量***分为独立监测***、声学监测***和实时监测***三类。其中，独立监测***使用自带的电池组供电测量，然后将测量到的数据存储在***的存储器中，待隔水管回收后从存储器中下载数据和进行分析，此方法成本低，但无法实现实时监测；声学监测***利用水声通信技术，可以实现无线传输测量到的数据，但该技术存在功耗大、生存周期短等问题；实时监测***使用电缆进行供电和传输数据，具有实时可靠的特点，但线路布置会延长隔水管下入时间，并且线路可能损伤，实施难度大。

现有的深水钻井管具测量装置可以测量到的参数包括应力、扭矩、加速度、转角、压力和温度等，但无法采集深水钻井管具重要的运动参数——位移，更无法获得深水钻柱与隔水管之间相互耦合作用的规律。由于深水钻柱和隔水管通过升沉运动补偿装置与钻井平台连接在一起，导致钻柱和隔水管的顶端与钻井平台在水平方向上的运动是同步的，但在竖向上的运动是不同步的，因此钻井平台的运动不能代表深水钻井管具上部的运动。因此，亟需研制新型测量装置，用于测量深水钻井管具的上部位移及其它工程力学参数，并开发相应的实时监测和优化分析方法，指导深水钻井科学施工。

实用新型内容

本实用新型提供一种深水钻井管具随钻监测装置，以解决现有技术中的一项或多项缺失。

本实用新型提供一种深水钻井管具随钻监测装置，包括：Wi-Fi路由器，用于为所述深水钻井管具随钻监测装置提供无线局域网；卫星导航移动站，设于钻井平台上；深水钻柱工程参数随钻测量短节，设于钻柱上端，用于测量钻柱上部的拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、三维加速度、钻井液压力及温度；隔水管动力学参数测量短节，设于隔水管上端，用于测量隔水管上部的张拉应力、三轴位移、加速度、液柱压力及温度；深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站，设于钻井平台上，用于钻井管具动力响应实时分析、作业参数分析及管具疲劳分析。

一个实施例中，所述深水钻柱工程参数随钻测量短节包括：第一主轴，其上端与顶驱连接，下端与钻柱连接；第一壳体，设于所述第一主轴外壁，形成一工程参数测量元件密封腔体；全球导航卫星***GNSS板卡，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，通过设于所述工程参数测量元件密封腔体外部的全球导航卫星***GNSS天线与所述卫星导航移动站连接；微机电***MEMS惯性传感器组合板卡，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的位移、加速度及转速；拉压应力应变片，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的拉压应力；扭矩应变片，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的扭矩和弯矩；第一压力传感器，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部内钻井液压力；第一温度传感器，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部内钻井液温度；第一Wi-Fi模块，通过第一Wi-Fi天线与所述Wi-Fi路由器连接。

一个实施例中，所述深水钻柱工程参数随钻测量短节还包括：第一测量信息集成处理板卡、第一应力传感器电路板、第一存储器及第一电源模块，设于工程参数测量元件密封腔体内；所述第一应力传感器电路板分别与所述拉压应力应变片、所述扭矩应变片及所述第一压力传感器连接；所述第一测量信息集成处理板卡分别与所述GNSS板卡、所述MEMS惯性传感器组合板卡、所述第一温度传感器、所述第一应力传感器电路板、所述第一Wi-Fi模块连接及所述第一存储器连接；所述第一电源模块用于为所述深水钻柱工程参数随钻测量短节供电。

一个实施例中，所述隔水管动力学参数测量短节包括：第二主轴，其上端与张力接头连接，下端与隔水管连接；第二壳体，设于所述第二主轴外壁，形成一动力学参数测量元件密封腔体；连续调频波雷达物位传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，并通所述动力学参数测量元件密封腔体的开口向钻井平台底部发射雷达波，用于连续监测所述隔水管动力学参数测量短节与钻井平台底部的距离；张拉应力应变片，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部的张拉应力；三轴加速度传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部的加速度；第二压力传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部内液柱压力；第二温度传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部内液柱温度；第二Wi-Fi模块，通过第二Wi-Fi天线与所述Wi-Fi路由器连接。

一个实施例中，所述隔水管动力学参数测量短节还包括：第二测量信息集成处理板卡、第二应力传感器电路板及第二存储器，动力学参数测量元件密封腔体内；所述第二应力传感器电路板分别与所述张拉应力应变片和所述第二压力传感器连接；所述第二测量信息集成处理板卡分别与所述连续调频波雷达物位传感器、所述三轴加速度传感器、所述第二温度传感器、所述第二应力传感器电路板、所述第二存储器及所述第二Wi-Fi模块连接。

一个实施例中，所述第一主轴外壁上设有第一台肩，所述第一壳体环设在所述第一主轴外壁，所述第一壳体的上端通过螺栓固定在所述第一台肩下侧，所述第一壳体的下端和所述第一主轴之间通过密封胶圈密封。

一个实施例中，所述第二主轴的外壁上设有第二台肩，所述第二壳体环设在所述第二主轴外壁，所述第二壳体的上端通过螺栓固定在所述第二台肩下侧，所述第二壳体的下端和所述第二主轴之间通过密封胶圈密封。

本实用新型实施例的深水钻井管具随钻监测装置具有以下优点：能够全面有效的对深水钻井管具上部的状态信息进行实时监测，并在此基础上进行深水管具动力响应分析和作业参数优化分析，帮助钻井工程师掌握深水钻井管具的实际工作状态和进行科学施工，防止深水管具出现复杂事故；可以实时优化隔水管顶张力和钻井作业施工参数，为施工作业人员及时有效地调整钻井施工措施提供依据；利用高精度星际差分GPS技术、惯性导航技术和连续调频波雷达物位传感技术，可以连续稳定地测量到深水钻井管具的上部位移，位移精度能够达到亚米级；数据传输方式选用Wi-Fi技术，可以实现数据实时采集与显示，现场实施便捷；装置结构简单，易于安装和更换，适合批量、系列化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本实用新型一实施例的深水钻井管具随钻监测装置的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中深水钻柱工程参数随钻测量短节的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例中隔水管动力学参数测量短节的结构示意图；

图4是本实用新型一实施例中海洋环境载荷作用下的深水钻井管具动力学分析模型的示意图；

图5是本实用新型一实施例中深水钻柱与隔水管及套管间的接触力学模型示意图；

图6是本实用新型一实施例中深水钻柱与裸眼井壁间的接触力学模型示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

为了在钻井过程中全面、准确测量深水钻柱的工程参数和隔水管的动力学参数，本实用新型提供一种深水钻井管具随钻监测装置，可以测量深水钻柱上部拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、振动参数和钻柱内钻井液压力与温度等工程参数，以及隔水管上部的张拉应力、三轴位移和加速度以及隔水管内液柱压力与温度等动力学参数。

图1是本实用新型一实施例的深水钻井管具随钻监测装置的结构示意图。如图1所示，本实用新型实施例的深水钻井管具随钻监测装置，可包括：深水钻柱工程参数随钻测量短节7、隔水管动力学参数测量短节8、卫星导航移动站10、深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站9及Wi-Fi路由器11。

Wi-Fi路由器11用于为所述深水钻井管具随钻监测装置提供无线局域网。卫星导航移动站10设于钻井平台1上，可与卫星通信。深水钻柱工程参数随钻测量短节7可设于钻柱4上端，可通过Wi-Fi路由器11与所述卫星导航移动站10连接，用于测量钻柱4上部的拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、三维加速度、钻井液压力及温度。隔水管动力学参数测量短节8可设于隔水管5上端，可通过Wi-Fi路由器11与所述卫星导航移动站10连接，用于测量隔水管5上部的张拉应力、三轴位移、加速度、液柱压力及温度。深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站9可设于钻井平台1上，可通过Wi-Fi路由器11分别与所述深水钻柱工程参数随钻测量短节7和所述隔水管动力学参数测量短节8连接，用于钻井管具动力响应实时分析、作业参数分析及管具疲劳分析。

Wi-Fi路由器11可为深水钻柱工程参数随钻测量短节7、隔水管动力学参数测量短节8、卫星导航移动站10和深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9之间的通信提供无线局域网数据传输服务。这些设备可共同组成一个数据链完整的深水钻井管具随钻监测与优化分析***。

上述钻井液压力及温度是指钻柱4上部内钻井液压力和钻柱4上部内钻井液温度。上述液柱压力及温度是指隔水管5上部内液柱压力和隔水管5上部内液柱温度。

本实用新型实施例中，通过深水钻柱工程参数随钻测量短节能够全面有效测量深水钻井管具上部的工程参数信息，通过隔水管动力学参数测量短节能够全面有效测量深水钻井管具上部的动力学参数信息。利用卫星导航移动站能够获取深水钻井管具上部的位移。通过Wi-Fi路由器能够将测量得到的工程参数和动力学参数直接传输至深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站，以进行深水管具动力响应分析和作业参数优化分析，并实时调控优化测量短节的工作状态。本实用新型实施例的装置能够克服现有技术中无法全面、准确、实时监测及优化深水钻井管具工作状态的困难。

一个实施例中，深水钻柱工程参数随钻测量短节7的上部可与顶驱3连接，下部可与钻柱4连接，除了用于在钻井过程中采集钻压、扭矩、弯矩、位移、转速和钻柱内钻井液压力与温度，还可用于采集深水钻井管具的振动参数等钻柱工程参数。隔水管动力学参数测量短节8的上部可与张力接头12连接，下部可与隔水管5连接。张力接头12上端可连接有一段隔水管。深水钻柱工程参数随钻测量短节7还可安装有隔水管运动补偿装置6，隔水管运动补偿装置6会对钻井管具产生拉紧张力。

卫星导航移动站10设置在钻井平台1上，可以测量到钻井平台1的大地坐标值，进而根据该钻井平台1的大地坐标值可以求得钻井平台1的位移值，例如，在两个不同时刻分别测得钻井平台1的大地坐标值，将后一时刻的大地坐标值减去前一时刻的大地坐标值，可以得到后一时刻相对于前一时刻，钻井平台的位移。卫星导航移动站10可用于提供实时动基站可变基线定位定向技术(ALIGN)服务。

较佳地，卫星导航移动站10可安装在钻井平台相对于周围环境的制高点处，可将卫星导航移动站10设置为动基站。卫星导航移动站10可采用星站差分技术进行定向定位，利用星站差分技术可提高卫星导航移动站10自身的定位精度。本实施例中，利用高精度星际差分GPS(全球卫星定位***)技术可以连续稳定地测量到深水钻井管具的上部位移，位移精度能够达到亚米级。

一个实施例中，深水钻柱工程参数随钻测量短节7可包含GNSS(全球导航卫星***)板卡。卫星导航移动站10与深水钻柱工程参数随钻测量短节7中的GNSS板卡可组成ALIGN测向***。本实施例中，使用实时动基站可变基线定位定向技术(ALIGN)能够获取高精度的深水钻柱工程参数随钻测量短节7的位置坐标信息，然后可进一步求解得到深水钻柱工程参数随钻测量短节7的位移，例如，利用该ALIGN测向***可以测量得到深水钻柱工程参数随钻测量短节7所在位置的大地坐标值，比如，深水钻柱工程参数随钻测量短节7设置在钻柱上端，则可以测量得到钻柱上部的大地坐标值，进而通过计算不同时刻钻柱上部的大地坐标值之间的差值，可以得到钻柱上部的位移，进而根据钻柱上部的位移可以计算得到钻柱上部的转速。

一个实施例中，深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站9还可用于实时显示深水钻井管具测量数据，例如，深水钻柱工程参数随钻测量短节7和隔水管动力学参数测量短节8的测量结果。深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9可充当深水钻井管具测量***的上位机，用于实时监控和优化分析深水钻井管具的工程参数，对深水钻井管具工作状态进行实时识别和预警处理。本实施例中，通过Wi-Fi技术将测量数据直接传输到钻井平台上的深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站，进行实时显示和优化分析，能够使辅助工程技术人员及时了解和掌握深水钻井管具的实际工作状况。

图2是本实用新型一实施例中深水钻柱工程参数随钻测量短节的结构示意图。结合图1和图2所示，深水钻柱工程参数随钻测量短节7可包括：第一主轴7-1、第一壳体7-2、GNSS板卡7-4、GNSS天线7-5、MEMS惯性传感器组合板卡7-6、拉压应力应变片7-7、扭矩应变片7-8、第一压力传感器7-10、第一温度传感器7-11、第一Wi-Fi模块7-15及第一Wi-Fi天线7-16。深水钻柱工程参数随钻测量短节7中的各部分可以根据需要以不同的方式进行装配。

第一主轴7-1的上端与顶驱3连接，下端与钻柱4连接。第一壳体7-2可设于第一主轴7-1外壁，形成一工程参数测量元件密封腔体。GNSS板卡7-4设于该工程参数测量元件密封腔体内部，通过设于该工程参数测量元件密封腔体外部的GNSS天线7-5与卫星导航移动站10连接。MEMS惯性传感器组合板卡7-6设于该工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱4上部的位移、加速度及转速。拉压应力应变片7-7设于该工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱4上部的拉压应力。扭矩应变片7-8设于该工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱4上部的扭矩和弯矩。第一压力传感器7-10设于该工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱4上部内钻井液压力。第一温度传感器7-11设于该工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱4上部内钻井液温度。第一Wi-Fi模块7-15通过第一Wi-Fi天线7-16与Wi-Fi路由器11连接。

本实施例中，通过MEMS惯性传感器组合板卡能够连续稳定地测量测量钻柱上部的位移、加速度及转速，测量位移精度高。GNSS板卡7-4可外接GNSS天线7-5，与卫星导航移动站10共同组成实时动基站可变基线定位定向测量***，可以用于实时监测深水钻柱上部的位移、转速和转向GNSS板卡，GNSS板卡7-4与卫星导航移动站可组成ALIGN测向***，能够有效获取深水钻柱工程参数随钻测量短节7的位移和转速。

一个实施例中，深水钻柱工程参数随钻测量短节7还可包括：第一测量信息集成处理板卡7-3、第一应力传感器电路板7-9、第一存储器7-12及第一电源模块7-13，可设于该工程参数测量元件密封腔体内。第一应力传感器电路板7-9可与深水钻柱工程参数随钻测量短节7中的多个应力传感器连接，例如，第一应力传感器电路板7-9分别与拉压应力应变片7-7、扭矩应变片7-8及第一压力传感器7-10连接，第一应力传感器电路板7-9可对上述传感器和应变片的测量信号进行处理。第一测量信息集成处理板卡7-3可以与深水钻柱工程参数随钻测量短节7中多个其他模块连接，例如，第一测量信息集成处理板卡7-3可以分别与GNSS板卡7-4、MEMS惯性传感器组合板卡7-6、第一温度传感器7-11、第一Wi-Fi模块7-15、第一应力传感器电路板7-9及第一存储器7-12连接。通过第一测量信息集成处理板卡7-3可以对将采集到的信号进行进一步处理，例如放大处理；通过第一测量信息集成处理板卡7-3与第一存储器7-12连接连接，可以将测量数据存储起来；通过第一测量信息集成处理板卡7-3与第一Wi-Fi模块7-15可以将测量数据传输到深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9；第一测量信息集成处理板卡7-3可以用于控制深水钻柱工程参数随钻测量短节7中的传感器，例如控制信号采集频率、控制启停等。第一存储器7-12可以通过存储器电路与第一测量信息集成处理板卡7-3连接。通过第一存储器7-12可将深水钻柱工程参数随钻测量短节7测量的数据存储起来，以备需要时提取使用。第一电源模块7-13可为深水钻柱工程参数随钻测量短节7供电，例如为第一测量信息集成处理板卡7-3、第一应力传感器电路板7-9、拉压应力应变片7-7、扭矩应变片7-8及第一压力传感器7-10等需要供电的模块供电。例如，第一电源模块7-13可电池。通过设置在深水钻柱工程参数随钻测量短节7内的第一电源模块7-13为其供电，而不用外部电源供电，可以防止钻柱工作时缠绕电线或电缆。一个实施例中，第一电源模块7-13可以设置在电池盒内，电池盒可固定在壳体内壁上。第一存储器7-12可以设置在电池盒内。其他实施例中，第一测量信息集成处理板卡7-3、第一应力传感器电路板7-9、第一存储器7-12及第一电源模块7-13可以设置在深水钻柱工程参数随钻测量短节7之外。

深水钻柱工程参数随钻测量短节7的第一主轴7-1可为多种形状，可通过多种不同方式安装至钻井管具。第一壳体7-2可环设在所述第一主轴外壁，例如，第一主轴7-1为圆筒形状，其上端可设置有内螺纹，可与顶驱3上的外螺纹连接，其下端可设有外螺纹，可与钻柱4上的内螺纹连接。第一主轴7-1的内部可与顶驱3及钻柱4内部连通，以此可允许钻井液通过。

深水钻柱工程参数随钻测量短节7的第一壳体7-2可以为多种结构，可通过多种不同方式固定在第一主轴7-1外壁上，深水钻柱工程参数随钻测量短节7内的各元件可以设置在容置空间内的不同位置。一个实施例中，如图2所示，第一壳体7-2可为圆筒状结构，上下两端可设有中间开有圆孔的盖，盖上的圆孔允许第一主轴7-1穿过。较佳地，第一壳体7-2和第一主轴7-1组装在一起，形成密封的工程参数测量元件密封腔体。

一个实施例中，第一主轴7-1外壁上设有第一台肩，第一壳体7-2可环设在所述第一主轴外壁，第一壳体7-2的上端通过螺栓固定在第一台肩下侧，第一壳体7-2的下端和第一主轴7-1之间通过密封胶圈7-14密封。具体地，例如，第一壳体7-2上盖的面可与第一台肩齐平，第一台肩上和第一壳体7-2上合适的位置可设有螺孔7-17，通过螺栓7-18穿过螺孔，可将第一壳体7-2固定在所述第一台肩下侧。GNSS天线7-5设在第一主轴7-1的外壁，具体地，可设于该第一台肩上。Wi-Fi天线7-16可设于该第一台肩上。第一壳体7-2的下盖和第一主轴7-1之间可通过胶圈7-14密封，如此一来，既可以形成封闭腔体，又不承受扭矩和轴向力。第一壳体7-2的侧壁下部可设有方孔7-23，该方孔7-23可通过盖板7-24密封。GNSS天线7-5可对称分布于第一主轴7-1两侧第一台肩上。

一个实施例中，MEMS惯性传感器组合板卡7-6、拉压应力应变片7-7、扭矩应变片7-8及第一温度传感器7-11等元件可以设置在该工程参数测量元件密封腔体内第一主轴7-1的外壁上，以此，可以精确测量钻井管具上部的拉力、扭矩、温度等工程参数。一个实施例中，第一Wi-Fi模块7-15等元件可以设置在第一壳体7-2的各内壁上。

另一些实施例中，深水钻柱工程参数随钻测量短节7还可包括应力传感器电路板7-9，以对深水钻柱工程参数随钻测量短节7中各传感器采集的应力信号进行处理。应力传感器电路板7-9可以设置在第一壳体7-2的各内壁上，例如，与第一主轴7-1相对侧的第一壳体7-2的内壁上。一个实施例中，第一压力传感器7-10可通过第一主轴7-1侧壁的孔内测量钻井液压力，第一压力传感器7-10和第一主轴7-1侧壁的孔之间可通过橡胶隔离套7-19密封。

图3是本实用新型一实施例中隔水管动力学参数测量短节的结构示意图。结合图1和图3所示，隔水管动力学参数测量短节8可包括：第二主轴8-1、第二壳体8-2、连续调频波雷达物位传感器8-6、张拉应力应变片8-9、三轴加速度传感器8-7、第二压力传感器8-10、第二温度传感器8-11、第二Wi-Fi模块8-12及第二Wi-Fi天线8-14。隔水管动力学参数测量短节8中的各部分可以根据需要以不同的方式进行装配。

第二主轴8-1，其上端与张力接头12连接，下端与隔水管5连接。第二壳体8-2，设于第二主轴8-1外壁，形成一动力学参数测量元件密封腔体。连续调频波雷达物位传感器8-6，设于该动力学参数测量元件密封腔体内部，并通所述动力学参数测量元件密封腔体的开口向钻井平台底部发射雷达波，能够连续测量隔水管动力学参数测量短节8与钻井平台1底部的距离，例如，测量隔水管动力学参数测量短节8设置在隔水管上部，则连续调频波雷达物位传感器8-6可以测量得到隔水管上部与钻井平台底部的距离，结合上述卫星导航移动站10测量的钻井平台的大地坐标(或钻井平台位移)的竖直分量(或钻井平台竖直位移)，可以计算得到隔水管上部的竖直位移，然后可以将上述卫星导航移动站10测量的钻井平台的水平位移作为隔水管上部的水平位移，根据隔水管上部的竖直位移和隔水管上部的水平位移可以计算得到隔水管上部的三轴位移。张拉应力应变片8-9设于该动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管5上部的张拉应力。三轴加速度传感器8-7设于该动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管5上部的加速度。第二压力传感器8-10设于该动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管5上部内液柱压力。第二温度传感器8-11设于该动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部内液柱温度。第二Wi-Fi模块8-12，通过第二Wi-Fi天线8-14与Wi-Fi路由器11连接。

本实施例中，通过连续调频波雷达物位传感器能够连续监测隔水管动力学参数测量短节8与钻井平台1底部的距离，进而可求解出隔水管动力学参数测量短节8相对钻井平台的竖向位移，结合卫星导航移动站10能够测量到的钻井平台位移信息，可求解出隔水管动力学参数测量短节8相对大地的竖向位移和水平位移。三轴加速度传感器8-7可以用来监测涡激、隔水管与钻柱碰撞等引起的振动。而且，连续调频波雷达物位传感器有助于连续稳定地测量到深水钻井管具的上部位移。

一个实施例中，隔水管动力学参数测量短节8还可包括：第二测量信息集成处理板卡8-5、第二应力传感器电路板8-8及第二存储器8-13，可设于该动力学参数测量元件密封腔体内。第二应力传感器电路板8-8可以与隔水管动力学参数测量短节8中传感器连接，例如，第二应力传感器电路板8-8可以与张拉应力应变片8-9和第二压力传感器8-10连接。第二应力传感器电路板8-8可以对传感器采集的物理信号进行处理，得到所需的测量数据。第二测量信息集成处理板卡8-5可以与隔水管动力学参数测量短节8中其他各模块连接，例如，第二测量信息集成处理板卡8-5可以分别与连续调频波雷达物位传感器8-6、三轴加速度传感器8-7、第二温度传感器8-11、第二Wi-Fi模块8-12、第二存储器8-13及第二应力传感器电路板8-8等连接。第二测量信息集成处理板卡8-5可以用于控制隔水管动力学参数测量短节8中多个传感器，例如可控制连续调频波雷达物位传感器8-6、三轴加速度传感器8-7、第二温度传感器8-11工作状态，例如信号采集频率、控制传感器启停等。第二测量信息集成处理板卡8-5与第二存储器8-13连接，可以将测量数据存储起来。第二测量信息集成处理板卡8-5与第二Wi-Fi模块8-12连接，可以将测量数据传输至深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9。第二测量信息集成处理板卡8-5可以用于处理隔水管动力学参数测量短节8中多种元件采集的信号，得到所需的测量结果。第二存储器8-13可以通过存储器电路与第二测量信息集成处理板卡8-5连接。第二存储器8-13可以存储隔水管动力学参数测量短节8的测量结果，以待需要时使用。一个实施例中，隔水管动力学参数测量短节8可进一步包括电缆8-15，该电缆8-15可与隔水管动力学参数测量短节8中需要供电的模块连接，例如可与第二测量信息集成处理板卡8-5、连续调频波雷达物位传感器8-6、三轴加速度传感器8-7、第二温度传感器8-11及第二应力传感器电路板8-8等连接，可用于为隔水管动力学参数测量短节8中的模块供电。另一实施例中电缆8-15还可用于传输数据。其他实施例中，第二测量信息集成处理板卡8-5、第二应力传感器电路板8-8及第二存储器8-13可设于隔水管动力学参数测量短节8之外。

隔水管动力学参数测量短节8的第二主轴8-1可为多种形状，可通过多种不同方式安装至钻井管具。例如，第二主轴8-1可圆筒形状，下端可以设有下接头8-3，并可通过该下接头8-3连接至隔水管5。

隔水管动力学参数测量短节8可包括多个隔水管连接管线8-4。隔水管连接管线8-4可穿过设置在下接头8-3和第二主轴8-1上沿的通孔。隔水管动力学参数测量短节8可以包括防水密封门8-17和密封胶圈8-18，用于密封封闭该动力学参数测量元件密封腔体。防水密封门8-17与其上的盖板配合密封，可以形成密封腔体。通过密封胶圈8-18与第二主轴8-1过盈装配，既可以起到密封作用，又不承受扭矩和轴向力。

一个实施例中，再如图3所示，所述第二主轴8-1可设有第二台肩，第二壳体8-2可环设在第二主轴8-1外壁，第二壳体8-2的上端通过螺栓固定在第二台肩下侧，第二壳体8-2的下端和所述第二主轴8-1之间可通过密封胶圈8-18密封。具体地，例如，第二壳体8-2可为圆筒状结构，上下两端可以设有中间带圆孔的盖，上下两圆孔允许第二主轴8-1穿过。第二壳体8-2的上盖可与第二主轴8-1的第二台肩齐平，并在上盖和第二台肩上合适位置设置螺孔8-16，可通过螺栓穿过该螺孔8-16，以将第二壳体8-2固定在第二台肩下侧。一个实施例中，隔水管动力学参数测量短节8可包括电缆8-15，以将测量结果传输出来。图3中，A、B折线为制图标记。

隔水管动力学参数测量短节8中各元件可以设置在动力学参数测量元件密封腔体中的多个不同位置。例如，三轴加速度传感器8-7、应变片8-9、压力传感器8-10、温度传感器8-11可设置在动力学参数测量元件密封腔体内第二主轴8-1的外壁上。连续调频波雷达物位传感器8-6可设置在动力学参数测量元件密封腔体内上部。连续调频波雷达物位传感器8-6的雷达波沿连续调频波雷达物位传感器的喇叭正前方辐射深水钻井平台1的甲板底部/钻井平台底部。

深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9上可配置深水钻井管具随钻监测与优化分析软件，可以具有管具测量数据实时显示功能，还可以具有管具动力响应实时分析、作业参数优化分析及疲劳分析等功能。深水钻井管具随钻监测与优化分析软件的功能模块可包括：隔水管优化配置模块、钻具组合优化设计模块、管具强度分析模块、管具模态分析模块、管具疲劳分析模块、管具可靠性分析模块、管具测量远程监控模块、管具数据采集与显示模块、管具动力响应实时分析模块、作业窗口实时分析模块、隔水管顶张力优化分析模块和钻井作业施工参数优化分析模块等，利用不同模块可以进行相应的数据采集、显示、分析等处理。

这些设备共同组成一个数据链完整的深水钻井管具随钻监测与优化分析***，不仅可以采集和存储深水钻井管具的工程参数，而且通过Wi-Fi技术可以将测量数据直接传输到钻井平台上的深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站，进行实时显示和优化分析，辅助工程技术人员及时了解和掌握深水钻井管具的实际工作状况。

本实用新型实施例的深水钻井管具随钻监测与优化分析***的装配与操作可如下：

(1)在隔水管串上端安装隔水管动力学参数测量短节8。

(2)在钻柱上端安装深水钻柱工程参数随钻测量短节7。

(3)在钻井平台上架设无线Wi-Fi路由器11、卫星导航移动站10和深水钻井管具随钻监测与分析工作站9。

(4)通过无线Wi-Fi路由器11，将深水钻柱工程参数随钻测量短节7、隔水管动力学参数测量短节8、卫星导航移动站10和深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9联网。

(5)通过深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9控制隔水管动力学参数测量短节8和深水钻柱工程参数随钻测量短节7上各种传感器的采集频率、启停时间等，并对采集的参数进行实时显示。

(6)操作深水钻井管具随钻监测与优化分析工作站9工作站上的深水钻井管具优化设计与监测分析软件，进行管具动力响应实时分析、隔水管顶张力优化分析、钻井作业施工参数优化分析和管具可靠性实时分析等。

一个实施例中，对深水钻井管具动力响应实时分析。图4是本实用新型一实施例中海洋环境载荷作用下的深水钻井管具动力学分析模型的示意图。如图4所示。钻柱4和隔水管4上端位于海平面209以上，隔水管5下部可通过挠性接头204与BOP防喷器组205连接。泥线206以下有套管207和裸眼段208。钻柱4和隔水管4的结构模型可采用的ABAQUS软件的Pipe单元表示。可以将深水钻柱工程参数随钻测量短节7采集到的位移、张应力、扭矩、弯矩和加速度数据作为图4中钻柱A点的位移、张应力、扭矩、弯矩和加速度的输入值。可以将隔水管动力学参数测量短节8采集到的位移、张应力和加速度数据作为图4中隔水管B点的位移、张应力和加速度输入值。将风载荷模型201、波浪载荷模型203和海流载荷模型202作为深水钻井管具动力响应分析的边界条件，代入深水钻井管具动力学分析模型。图4中，X和Z表示两个相互垂直的坐标轴，C、D、E、F表示深水钻井管具上的多个不同位置。同时，可假设钻柱与隔水管和套管的接触为硬接触，图5是本实用新型一实施例中深水钻柱与隔水管及套管间的接触力学模型示意图。如图5所示，钻柱与隔水管及套管未接触时301接触压力为零，当它们接触时302可视作硬碰撞接触。钻柱与裸眼井段的接触模型较为复杂。图6是本实用新型一实施例中深水钻柱与裸眼井壁间的接触力学模型示意图。如图6所示，可用指数型接触模型表示钻柱与裸眼井段的接触关系，深水钻柱与裸眼井壁间的接触压力指数式增长，初始阶段303具有初始刚度K_i，最终阶段304具有最终刚度K_f。该模型能够考虑井壁坍塌和泥饼对钻柱与井壁接触压力的影响。通过上述步骤建立深水钻井管具动力学分析模型，再提交到ABAQUS软件进行动力学分析，可以计算出深水钻井管具在海洋环境载荷和钻井平台运动联合作用下的动态力学响应。

本实用新型实施例的深水钻井管具随钻监测装置具有以下优点：能够全面有效的对深水钻井管具上部的状态信息进行实时监测，并在此基础上进行深水管具动力响应分析和作业参数优化分析，帮助钻井工程师掌握深水钻井管具的实际工作状态和进行科学施工，防止深水管具出现复杂事故；可以实时优化隔水管顶张力和钻井作业施工参数，为施工作业人员及时有效地调整钻井施工措施提供依据；利用高精度星际差分GPS技术、惯性导航技术和连续调频波雷达物位传感技术，可以连续稳定地测量到深水钻井管具的上部位移，位移精度能够达到亚米级；数据传输方式选用Wi-Fi技术，可以实现数据实时采集与显示，现场实施便捷；装置结构简单，易于安装和更换，适合批量、系列化生产。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本实用新型的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，包括：

Wi-Fi路由器，用于为所述深水钻井管具随钻监测装置提供无线局域网；

卫星导航移动站，设于钻井平台上；

深水钻柱工程参数随钻测量短节，设于钻柱上端，用于测量钻柱上部的拉压应力、扭矩、弯矩、位移、转速、三维加速度、钻井液压力及温度；

隔水管动力学参数测量短节，设于隔水管上端，用于测量隔水管上部的张拉应力、三轴位移、加速度、液柱压力及温度；

深水钻井管具随钻监测及优化分析工作站，设于钻井平台上，用于钻井管具动力响应实时分析、作业参数分析及管具疲劳分析。

2.如权利要求1所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述深水钻柱工程参数随钻测量短节包括：

第一主轴，其上端与顶驱连接，下端与钻柱连接；

第一壳体，设于所述第一主轴外壁，形成一工程参数测量元件密封腔体；

全球导航卫星***GNSS板卡，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，通过设于所述工程参数测量元件密封腔体外部的全球导航卫星***GNSS天线与所述卫星导航移动站连接；

微机电***MEMS惯性传感器组合板卡，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的位移、加速度及转速；

拉压应力应变片，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的拉压应力；

扭矩应变片，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部的扭矩和弯矩；

第一压力传感器，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部内钻井液压力；

第一温度传感器，设于所述工程参数测量元件密封腔体内部，用于测量钻柱上部内钻井液温度；

第一Wi-Fi模块，通过第一Wi-Fi天线与所述Wi-Fi路由器连接。

3.如权利要求2所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述深水钻柱工程参数随钻测量短节还包括：第一测量信息集成处理板卡、第一应力传感器电路板、第一存储器及第一电源模块，设于工程参数测量元件密封腔体内；所述第一应力传感器电路板分别与所述拉压应力应变片、所述扭矩应变片及所述第一压力传感器连接；所述第一测量信息集成处理板卡分别与所述GNSS板卡、所述MEMS惯性传感器组合板卡、所述第一温度传感器、所述第一应力传感器电路板、所述第一Wi-Fi模块连接及所述第一存储器连接；所述第一电源模块用于为所述深水钻柱工程参数随钻测量短节供电。

4.如权利要求1所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述隔水管动力学参数测量短节包括：

第二主轴，其上端与张力接头连接，下端与隔水管连接；

第二壳体，设于所述第二主轴外壁，形成一动力学参数测量元件密封腔体；

连续调频波雷达物位传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，并通所述动力学参数测量元件密封腔体的开口向钻井平台底部发射雷达波，用于连续监测所述隔水管动力学参数测量短节与钻井平台底部的距离；

张拉应力应变片，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部的张拉应力；

三轴加速度传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部的加速度；

第二压力传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部内液柱压力；

第二温度传感器，设于所述动力学参数测量元件密封腔体内部，用于测量隔水管上部内液柱温度；

第二Wi-Fi模块，通过第二Wi-Fi天线与所述Wi-Fi路由器连接。

5.如权利要求4所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述隔水管动力学参数测量短节还包括：第二测量信息集成处理板卡、第二应力传感器电路板及第二存储器，动力学参数测量元件密封腔体内；所述第二应力传感器电路板分别与所述张拉应力应变片和所述第二压力传感器连接；所述第二测量信息集成处理板卡分别与所述连续调频波雷达物位传感器、所述三轴加速度传感器、所述第二温度传感器、所述第二应力传感器电路板、所述第二存储器及所述第二Wi-Fi模块连接。

6.如权利要求2所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述第一主轴外壁上设有第一台肩，所述第一壳体环设在所述第一主轴外壁，所述第一壳体的上端通过螺栓固定在所述第一台肩下侧，所述第一壳体的下端和所述第一主轴之间通过密封胶圈密封。

7.如权利要求4所述的深水钻井管具随钻监测装置，其特征在于，所述第二主轴的外壁上设有第二台肩，所述第二壳体环设在所述第二主轴外壁，所述第二壳体的上端通过螺栓固定在所述第二台肩下侧，所述第二壳体的下端和所述第二主轴之间通过密封胶圈密封。