深水钻井隔水管动力学参数测量系统及方法技术领域
本发明涉及海洋石油天然气钻井技术领域，尤其涉及一种深水钻井隔水管动力学
参数测量系统及方法。
背景技术
当前，深水钻井隔水管一般用于海洋油气勘探开发作业时作为连接钻井平台与海
底井口的通道，在隔离海水、引导钻具、循环钻井液、安装水下防喷器、支撑各种控
制管线等方面发挥着重要作用。在强风、波浪、海流和内波流等海洋环境随机载荷、
钻井平台运动以及钻柱-钻井液-隔水管耦合接触的联合作用下，深水钻井隔水管通常
会产生偏移(例如，最大偏移距离可以超过100米)、振动、摇摆等不同形式的复杂运
动，受力状态十分复杂和恶劣。深水钻井隔水管因不能承受如此复杂的应力状态，而
使用寿命降低甚至损坏断裂，给深水油气勘探开发造成重大损失。为了提高深水钻井
作业的科学性和安全性，掌握隔水管的受力状态和运动规律，需要实时采集隔水管的
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参数，
为隔水管的受力分析和安全操作提供必要的信息。
目前，深水钻井隔水管动力学参数测量方式有多种。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，但由于水下环境较为复杂，实施较为困难，且费用
昂贵；而在水面采集方式具有操作简便、费用低廉的特点，但需要开发配套的隔水管
动力学分析软件，难以真实有效的反应水钻井隔水管动力学参数。另外，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。另外，当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式并
不能测量隔水管的位移。
可见，当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式所测量的参数单一，无法测量
隔水管的位移。另外当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式较为繁琐复杂，难以
简单实时的进行深水钻井隔水管动力学参数测量。
发明内容
本发明的实施例提供一种深水钻井隔水管动力学参数测量系统及方法，以解决当
前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式所测量的参数单一，无法测量隔水管的位
移；且测量方式较为繁琐复杂，难以简单实时的进行深水钻井隔水管动力学参数测量
的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种深水钻井隔水管动力学参数测量系统，包括：深水钻井平台，以及设置于所
述深水钻井平台上部的井架和设置于所述深水钻井平台下部的深水钻井隔水管；所述
深水钻井隔水管的上端与一隔水管动力参数测量短节的下端连接；所述隔水管动力参
数测量短节的上端连接一张力接头；所述隔水管动力参数测量短节用于测量深水钻井
隔水管的张拉应力、三轴位移、加速度、隔水管内压力与温度；在所述深水钻井平台
上还设置有卫星导航移动站设备和隔水管实时监测与分析工作站设备；在所述井架上
设置有与所述隔水管动力参数测量短节、卫星导航移动站设备和隔水管实时监测与分
析工作站设备分别通信连接的Wi-Fi路由器。
具体的，所述隔水管动力参数测量短节包括：测量装置主轴、测量装置外壳以及
各隔水管动力参数测量传感器；所述测量装置主轴通过锯齿形销块与测量装置外壳配
合形成密闭空间，使得所述各隔水管动力参数测量传感器封闭于所述密闭空间内。
具体的，所述测量装置主轴和测量装置外壳分别设置有多个螺孔，测量装置主轴
上的螺孔与测量装置外壳上的螺孔通过螺栓连接。
具体的，在所述测量装置外壳的下部装有密封胶圈，以通过所述密封胶圈与所述
测量装置主轴过盈装配。
此外，在所述测量装置外壳侧面设置有防水密封门，所述防水密封门与一盖板配
合密封，形成所述密闭空间。
进一步的，在所述密闭空间内设置有测量信息集成处理板卡；所述测量信息集成
处理板卡分别与设置于所述密闭空间内的连续调频波雷达物位传感器、三轴加速度传
感器、应力传感器电路、应变片、压力传感器、温度传感器、Wi-Fi模块电路、存储
器电路和电缆接头连接。
进一步的，所述Wi-Fi模块电路通过一Wi-Fi天线与所述Wi-Fi路由器通信连接。
此外，所述连续调频波雷达物位传感器安装在所述测量装置外壳的上部；所述连
续调频波雷达物位传感器的雷达波沿连续调频波雷达物位传感器的喇叭正前方向辐
射深水钻井平台的甲板底部。
此外，所述三轴加速度传感器与所述温度传感器安装于测量装置主轴侧面上。
此外，所述应变片为8组直接沿所述测量装置主轴表面均匀展开的应变片；8组
应变片与所述应力传感器电路连接。
此外，所述压力传感器安装于测量装置主轴侧面上，压力传感器包括一油压感应
孔，所述油压感应孔通过油腔与暴露于深水钻井隔水管内环空的橡胶隔离套相连。
此外，在所述测量装置主轴底部连接有测量装置下接头；所述测量装置主轴顶部
与测量装置下接头底部开设有多个对应设置的通孔；所述隔水管动力参数测量短节还
包括多个穿过所述对应设置的通孔的隔水管连接管线。
一种深水钻井隔水管动力学参数测量方法，应用于上述的深水钻井隔水管动力学
参数测量系统，所述深水钻井隔水管动力学参数测量方法包括：
隔水管动力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数；所述深水钻
井隔水管动力学参数包括深水钻井隔水管的张拉应力、三轴位移、加速度、隔水管内
压力与温度；
所述隔水管动力参数测量短节通过Wi-Fi路由器将所述深水钻井隔水管动力学参
数发送给隔水管实时监测与分析工作站设备。
具体的，隔水管动力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数，包
括：
通过连续调频波雷达物位传感器实时测量所述隔水管动力参数测量短节与深水
钻井平台的甲板底部的距离，并确定所述隔水管动力参数测量短节与深水钻井平台的
竖向位移U2；
通过卫星导航移动站设备实时测量深水钻井平台相对地面的竖向位移U1；
根据公式：
U3＝U2+U1
确定所述隔水管动力参数测量短节对地面的竖向位移U3。
此外，根据权利要求13所述的深水钻井隔水管动力学参数测量方法，隔水管动
力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数，包括：
根据三轴加速度传感器实时测量所述深水钻井隔水管上部的加速度信息。
此外，根据权利要求13所述的深水钻井隔水管动力学参数测量方法，隔水管动
力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数，包括：
根据温度传感器实时测量所述深水钻井隔水管上部的温度信息，并将所述温度信
息传送到测量信息集成处理板卡。
此外，隔水管动力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数，包括：
根据所述应力传感器电路及应变片实时采集所述深水钻井隔水管上部的张拉应
力信息；
根据所述张拉应力信息确定深水钻井隔水管上部的张拉应力值，并将所述张拉应
力值传送到测量信息集成处理板卡。
此外，隔水管动力参数测量短节实时测量所述深水钻井隔水管动力学参数，包括：
根据所述压力传感器实时测量所述深水钻井隔水管内的液体压力，并将所述液体
压力传送到测量信息集成处理板卡。
本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量系统及方法，能够通过隔水
管动力参数测量短节实时测量深水钻井隔水管动力学参数，例如深水钻井隔水管的张
拉应力、三轴位移、加速度、隔水管内压力与温度；之后通过Wi-Fi路由器将所述深
水钻井隔水管动力学参数发送给隔水管实时监测与分析工作站设备，从而使得隔水管
实时监测与分析工作站设备能够实时获取和显示分析所述深水钻井隔水管动力学参
数。避免了当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式所测量的参数单一，无法测量
隔水管的位移；且测量方式较为繁琐复杂，难以简单实时的进行深水钻井隔水管动力
学参数测量的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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
是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量系统中的隔水管动
力参数测量短节的结构示意图；
图3为本发明实施例中的隔水管动力参数测量短节的A-A剖面示意图；
图4为本发明实施例中的隔水管动力参数测量短节的B-B剖面示意图；
图5为本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的
所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种深水钻井隔水管动力学参数测量系统，包括：
深水钻井平台101，以及设置于深水钻井平台101上部的井架102和设置于深水钻井
平台101下部的深水钻井隔水管105；深水钻井隔水管105的上端与一隔水管动力参
数测量短节108的下端连接；隔水管动力参数测量短节108的上端连接一张力接头
111；隔水管动力参数测量短节108用于测量深水钻井隔水管105的张拉应力、三轴
位移、加速度、隔水管内压力与温度；在深水钻井平台101上还设置有卫星导航移动
站设备107和隔水管实时监测与分析工作站设备110；在井架102上设置有与隔水管
动力参数测量短节108、卫星导航移动站设备107和隔水管实时监测与分析工作站设
备110分别通信连接的Wi-Fi路由器109。
此外，如图1所示，该深水钻井隔水管105上端还设置有隔水管运动补偿装置
106。另外，在井架102中设置有顶驱装置103，该顶驱装置103通过钻柱104与深
水钻井隔水管105相接。该卫星导航移动站设备107可以与卫星进行通讯。
进一步的，如图2、图3、图4所示，隔水管动力参数测量短节108包括：测量
装置主轴201、测量装置外壳202以及各隔水管动力参数测量传感器；测量装置主轴
201通过锯齿形销块与测量装置外壳202配合形成密闭空间300，能够承受一定的扭
矩，使得各隔水管动力参数测量传感器封闭于密闭空间300内。
进一步的，测量装置主轴201和测量装置外壳202分别设置有多个螺孔219，测
量装置主轴201上的螺孔与测量装置外壳202上的螺孔通过螺栓220连接。
进一步的，在测量装置外壳202的下部装有密封胶圈218，以通过密封胶圈218
与测量装置主轴201过盈装配，既起到密封作用，又不承受扭矩和轴向力，保证测量
装置主轴201的应力状态不受测量装置外壳202影响。
此外，在测量装置外壳202侧面设置有防水密封门217，防水密封门217与一盖
板配合密封，形成密闭空间300。
进一步的，在密闭空间300内设置有测量信息集成处理板卡205；测量信息集成
处理板卡205分别与设置于密闭空间300内的连续调频波雷达物位传感器206、三轴
加速度传感器207、应力传感器电路208、应变片209、压力传感器210、温度传感器
211、Wi-Fi模块电路212、存储器电路213和电缆接头215连接。
进一步的，Wi-Fi模块电路212通过一Wi-Fi天线214与Wi-Fi路由器109通信
连接。
具体的，连续调频波雷达物位传感器206安装在测量装置外壳202的上部；连续
调频波雷达物位传感器206的雷达波沿连续调频波雷达物位传感器的喇叭正前方向
辐射深水钻井平台101的甲板底部。
另外，三轴加速度传感器207与温度传感器211安装于测量装置主轴201侧面上。
此外，应变片209可以为8组直接沿测量装置主轴201表面均匀展开(从0°至
360°)的应变片209；该8组应变片209与应力传感器电路208连接。此处的应变
片209的组合方式采用0°和90°两种角度组合而成。
此外，压力传感器210安装于测量装置主轴201侧面上，压力传感器210包括一
油压感应孔，油压感应孔通过油腔与暴露于深水钻井隔水管105内环空的橡胶隔离套
相连(图中未示出)。
此外，在测量装置主轴201底部连接有测量装置下接头203；测量装置主轴201
顶部与测量装置下接头203底部开设有多个对应设置的通孔；隔水管动力参数测量短
节108还包括多个穿过对应设置的通孔的隔水管连接管线204。
为了使本领域的技术人员更好的了解本发明实施例中的隔水管动力参数测量短
节的结构，下面列举一个隔水管动力参数测量短节的装配实例：
1)加工好测量装置主轴201和测量装置外壳202。
2)在测量装置主轴201上，粘贴应变片209和温度传感器211，安装三轴加速度
传感器207。在测量装置主轴的开孔里安装橡胶隔离套，注入液压油，安装压力传感
器210。
3)在测量装置外壳202上，安装测量信息集成处理板卡205、应力传感器电路208、
Wi-Fi模块电路212、存储器电路213和密封胶圈218。
4)将测量装置外壳202套接到测量装置主轴201上，在各个螺孔219安装螺栓220
并上紧。
5)通过防水密封门217，用数据线将连续调频波雷达物位传感器206、三轴加速
度传感器207、应力传感器电路208、应变片209、压力传感器210、温度传感器211、
Wi-Fi模块电路212、存储器电路213和电缆接头215等连接到测量信息集成处理板
卡205。将Wi-Fi天线214连接到Wi-Fi模块电路212上。然后，将盖板安装到防水
密封门217上，用螺丝上紧，使测量装置主轴201和测量装置外壳202完全密封。
本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量系统，能够通过隔水管动力
参数测量短节实时测量深水钻井隔水管动力学参数，例如深水钻井隔水管的张拉应
力、三轴位移、加速度、隔水管内压力与温度；之后通过Wi-Fi路由器将所述深水钻
井隔水管动力学参数发送给隔水管实时监测与分析工作站设备，从而使得隔水管实时
监测与分析工作站设备能够实时获取和显示分析所述深水钻井隔水管动力学参数。避
免了当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式所测量的参数单一，无法测量隔水管
的位移；且测量方式较为繁琐复杂，难以简单实时的进行深水钻井隔水管动力学参数
测量的问题。
对应于上述深水钻井隔水管动力学参数测量系统的实施例，如图5所示，本发明
实施例提供一种深水钻井隔水管动力学参数测量方法，应用于上述的深水钻井隔水管
动力学参数测量系统，该深水钻井隔水管动力学参数测量方法包括：
步骤401、隔水管动力参数测量短节实时测量深水钻井隔水管动力学参数。
具体的，深水钻井隔水管动力学参数包括深水钻井隔水管的张拉应力、三轴位移、
加速度、隔水管内压力与温度。
步骤402、隔水管动力参数测量短节通过Wi-Fi路由器将深水钻井隔水管动力学
参数发送给隔水管实时监测与分析工作站设备。
之后，隔水管实时监测与分析工作站设备可以实时获取和显示分析所述深水钻井
隔水管动力学参数，从而可以辅助工程技术人员了解和掌握隔水管的实际工作状况，
及时采取有效的措施将隔水管的张力调整至合理值，防止其出现大变形破坏或疲劳断
裂等事故，提高隔水管应对深水钻井复杂环境的能力。
值得说明的是，上述的步骤401中的隔水管动力参数测量短节实时测量深水钻井
隔水管动力学参数，可以包括如下过程：
①通过连续调频波雷达物位传感器实时测量隔水管动力参数测量短节与深水钻
井平台的甲板底部的距离，并确定隔水管动力参数测量短节与深水钻井平台的竖向位
移U2。通过卫星导航移动站设备实时测量深水钻井平台相对地面的竖向位移U1。根
据公式：U3＝U2+U1确定隔水管动力参数测量短节对地面的竖向位移U3。
此步骤中，本发明实施例利用高精度星际差分GPS技术和连续调频波雷达物位
传感，可以连续稳定地测量到隔水管上部相对地面的位移，位移精度能够达到亚米级。
②根据三轴加速度传感器实时测量深水钻井隔水管上部的加速度信息。
该加速度信息可以表征涡激、隔水管与钻柱碰撞等引起的振动。
③根据温度传感器实时测量深水钻井隔水管上部的温度信息，并将温度信息传送
到测量信息集成处理板卡。
④根据应力传感器电路及应变片实时采集深水钻井隔水管上部的张拉应力信息。
根据张拉应力信息确定深水钻井隔水管上部的张拉应力值，并将张拉应力值传送到测
量信息集成处理板卡。
⑤根据压力传感器实时测量深水钻井隔水管内的液体压力，并将液体压力传送到
测量信息集成处理板卡。
测量信息集成处理板卡可以对装置中各传感器采集到的信息进行集中处理，对不
同的传感器信息分别进行编码，分别存入存储器电路中的存储其中，并传输到Wi-Fi
模块。此外，隔水管实时监测与分析工作站设备也可以向测量信息集成处理板卡下达
控制指令，以控制各传感器的信号采集时间及采集频率等。
本发明实施例提供的深水钻井隔水管动力学参数测量方法，能够通过隔水管动力
参数测量短节实时测量深水钻井隔水管动力学参数，例如深水钻井隔水管的张拉应
力、三轴位移、加速度、隔水管内压力与温度；之后通过Wi-Fi路由器将所述深水钻
井隔水管动力学参数发送给隔水管实时监测与分析工作站设备，从而使得隔水管实时
监测与分析工作站设备能够实时获取和显示分析所述深水钻井隔水管动力学参数。避
免了当前的深水钻井隔水管动力学参数测量方式所测量的参数单一，无法测量隔水管
的位移；且测量方式较为繁琐复杂，难以简单实时的进行深水钻井隔水管动力学参数
测量的问题。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程
序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件
方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序
代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)
上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流
程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的
每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些
计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设
备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执
行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方
框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包
括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一
个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计
算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算
机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或
方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例
的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术
人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，
本说明书内容不应理解为对本发明的限制。