深水钻井管具随钻监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种深水钻井管具随钻监测装置及方法，该装置包括：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。本发明专利技术能够全面监测深水钻井管具状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及海洋石油天然气钻井时
，尤其涉及一种深水钻井管具随钻监测装置及方法。
技术介绍
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系统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系统分为独立监测系统、声学监测系统和实时监测系统三类。其中，独立监测系统使用自带的电池组供电测量，然后将测量到的数据存储在系统的存储器中，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；声学监测系统利用水声通信技术，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；实时监测系统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。
技术实现思路
本专利技术提供一种深水钻井管具随钻监测装置及方法，以解决现有技术中的一项或多项缺失。本专利技术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；全球导航卫星系统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系统GNSS天线与所述卫星导航移动站连接；微机电系统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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；全球导航卫星系统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系统GNSS天线与所述卫星导航移动站连接；微机电系统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...

【专利技术属性】
技术研发人员：连志龙，周英操，董宇华，蒋宏伟，霍宗强，李牧，杨尧焜，许磊，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团公司，中国石油集团钻井工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11