本發(fā)明涉及海洋石油天然氣采集領(lǐng)域，尤指一種可以在鉆井過(guò)程中對(duì)鉆柱狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

深水鉆柱受力狀態(tài)十分復(fù)雜和惡劣。上部受風(fēng)、海浪、海流和潮汐等海洋環(huán)境載荷的隨機(jī)作用和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)合作用，引起鉆柱與隔水管耦合接觸；下部鉆頭受地層的作用力、井壁與鉆柱的接觸力；此外，鉆井液和鉆柱之間亦存在流固耦合力，導(dǎo)致鉆柱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)異常復(fù)雜。鉆柱通常會(huì)產(chǎn)生偏移(最大偏移距離超過(guò)100米)、振動(dòng)、搖擺等不同形式的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。為了提高海上鉆井作業(yè)的科學(xué)性和安全性，掌握深水鉆柱的受力狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要采集深水鉆柱的工程參數(shù)——鉆壓、扭矩、彎矩、位移、轉(zhuǎn)速和鉆柱內(nèi)鉆井液壓力與溫度等。

目前，獲取深水鉆柱的工程參數(shù)的方法可以分為地面(或近井口)間接采集、地面直接采集和井下直接采集三種。其中，地面間接采集的方法由于成本低而最為常用，但準(zhǔn)確性不夠。例如，對(duì)鉆柱扭矩的測(cè)量主要是在井口裝置或電機(jī)軸上進(jìn)行，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得鉆柱的真實(shí)扭矩。對(duì)鉆柱彎曲應(yīng)力和位移等參數(shù)，地面間接采集的方法更是無(wú)法測(cè)得。井下直接采集方法具有準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，但無(wú)法獲得受海洋環(huán)境載荷影響嚴(yán)重的上部鉆柱的工程參數(shù)，并且由于井下測(cè)量裝置工作環(huán)境惡劣，服務(wù)費(fèi)用高，因此未能得到普及應(yīng)用。國(guó)際上，國(guó)民油井公司的StringSense系統(tǒng)可以直接在地面上采集部分鉆井工程參數(shù)，具體包括扭矩、拉壓力、鉆速、彎矩、鉆柱內(nèi)壓力和振動(dòng)參數(shù)等，但無(wú)法采集到深水鉆柱重要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)——位移。由于深水鉆柱通過(guò)鉆柱升沉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償器與鉆井平臺(tái)連接在一起，鉆柱的垂直位移與鉆井平臺(tái)的垂直位移不是同步的，因此無(wú)法鉆井平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)不能代表深水鉆柱上部的運(yùn)動(dòng)。為此亟需研制新型測(cè)量裝置測(cè)試深水鉆柱的頂部位移及其它工程參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種可以隨鉆測(cè)量深水鉆柱上部的拉壓應(yīng)力、扭矩、彎矩、位移、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)參數(shù)和鉆柱內(nèi)鉆井液壓力與溫度等工程參數(shù)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

為達(dá)上述目的，本發(fā)明具體提供一種深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置，所述裝置包含：頂驅(qū)、鉆柱、測(cè)量短節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊；所述頂驅(qū)用于提供所述鉆柱驅(qū)動(dòng)力；所述測(cè)量短節(jié)頂部與所述頂驅(qū)相連，所述測(cè)量短節(jié)底部與所述鉆柱相連，用于在鉆井過(guò)程中采集鉆柱的工程參數(shù)；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊分別與所述測(cè)量短節(jié)和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊相連，用于所述測(cè)量短節(jié)與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的數(shù)據(jù)通信；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述鉆柱的工程參數(shù)，對(duì)鉆柱的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和分析處理。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述裝置還包含導(dǎo)航模塊，所述導(dǎo)航模塊分別與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊、所述測(cè)量短節(jié)和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊通信連接，用于獲取所述鉆柱的位移數(shù)據(jù)并輸出。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)量短節(jié)包含測(cè)試主軸、定位模塊、通信模塊、存儲(chǔ)器、處理模塊及測(cè)量模塊；所述測(cè)試主軸為中空管軸；所述定位模塊設(shè)置于所述測(cè)試主軸上并與所述導(dǎo)航模塊配合組成ALIGN(實(shí)時(shí)動(dòng)基站可變基線定位定向技術(shù))測(cè)向系統(tǒng)，用于通過(guò)測(cè)向及解算處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆柱的位移數(shù)據(jù)；所述測(cè)量模塊設(shè)置于所述測(cè)試主軸上，用于采集鉆柱的工程參數(shù)；所述處理模塊分別與所述定位模塊、所述通信模塊、所述存儲(chǔ)器和所述測(cè)量模塊相連，用于將所述位移數(shù)據(jù)及所述鉆柱的工程參數(shù)處理后存儲(chǔ)至所述存儲(chǔ)器并通過(guò)所述通信模塊輸出至所述數(shù)據(jù)傳輸模塊。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)量模塊包含慣性傳感器組合板卡、壓力傳感器、和溫度傳感器；所述慣性傳感器組合板卡用于采集所述鉆柱的三維導(dǎo)航信息；所述壓力傳感器用于測(cè)量所述測(cè)量主軸內(nèi)的鉆井液的壓力值；所述溫度傳感器用于測(cè)量所述測(cè)量主軸內(nèi)的鉆井液的溫度值。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)試主軸設(shè)有儲(chǔ)油腔和中空腔，所述中空腔內(nèi)設(shè)置有橡膠隔離套，所述儲(chǔ)油腔通過(guò)所述橡膠隔離套與鉆柱內(nèi)鉆井液相接，所述壓力傳感器通過(guò)測(cè)量所述儲(chǔ)油腔內(nèi)壓力值獲得所述鉆井液的壓力值。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)量模塊還包含拉壓應(yīng)變片和扭矩應(yīng)變片；所述拉壓應(yīng)變片和所述扭矩應(yīng)變片用于測(cè)量所述鉆柱的拉壓應(yīng)力數(shù)據(jù)、彎矩?cái)?shù)據(jù)和扭矩?cái)?shù)據(jù)。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述拉壓應(yīng)變片和所述扭矩應(yīng)變片由所述電阻應(yīng)變片組合構(gòu)成。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)量模塊通過(guò)拉壓應(yīng)變片及以下公式獲得彎矩?cái)?shù)據(jù)：

每個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為K，在測(cè)量過(guò)程中第i個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)棣?sub>i，其中鉆柱的應(yīng)變最大的為ε_max，鉆柱的彎矩?cái)?shù)據(jù)為W。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述慣性傳感器組合板卡還包含導(dǎo)航接收模塊、加速度傳感器和陀螺儀；所述陀螺儀用于測(cè)量所述鉆柱的位移數(shù)據(jù)；所述加速度傳感器用于測(cè)量所述鉆柱的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及加速度數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)航接收模塊用于按預(yù)定周期接收所述導(dǎo)航模塊輸出的所述鉆柱的位移數(shù)據(jù)并根據(jù)所述位移數(shù)據(jù)修正所述陀螺儀所測(cè)的位移數(shù)據(jù)。

在上述深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，優(yōu)選的，所述測(cè)量短節(jié)還包含復(fù)數(shù)個(gè)電源模塊、防水密封門及防水開(kāi)關(guān)；所述電源模塊用于為所述測(cè)量短節(jié)提供電能；所述防水密封門用于放置所述電源模塊；所述防水開(kāi)關(guān)用于控制所述電源模塊導(dǎo)通或關(guān)閉。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：

1、本發(fā)明能夠全面有效的對(duì)深水鉆柱上部的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助鉆井工程師掌握鉆柱的實(shí)際工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)判井下復(fù)雜情況，有效地調(diào)整鉆井施工措施，防止深水鉆柱在深水環(huán)境載荷的影響下出現(xiàn)復(fù)雜事故。

2、本發(fā)明利用高精度星際差分GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量到深水鉆柱的上部位移，位移精度能夠達(dá)到亞米級(jí)。

3、本發(fā)明采用GNSS雙頻測(cè)向和陀螺儀慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以非接觸測(cè)量鉆柱的轉(zhuǎn)速，該方式不破壞鉆柱的整體性，安全可靠。

4、本發(fā)明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式選用Wi-Fi技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施便捷，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與顯示。

5、整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝和更換，適合批量、系列化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明所提供的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所提供的測(cè)量短節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所提供的測(cè)量短節(jié)的A-A剖面示意圖；

圖4為本發(fā)明所提供的測(cè)量短節(jié)的B-B剖面示意圖。

附圖標(biāo)記

1-深水鉆井平臺(tái)；2-井架；3-頂驅(qū)；4-鉆柱；5-隔水管；6-隔水管運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置；7-測(cè)量短節(jié)；8-導(dǎo)航模塊；9-數(shù)據(jù)傳輸模塊；10-數(shù)據(jù)傳輸模塊。

7-1-測(cè)試主軸；7-2-測(cè)試裝置外殼；7-3-處理模塊；7-4-GNSS板卡；7-5-GNSS天線；7-6-MEMS慣性傳感器組合板卡；7-7-拉壓應(yīng)力應(yīng)變片；7-8-扭矩應(yīng)變片；7-9-應(yīng)力傳感器電路板；7-10-壓力傳感器；7-11-溫度傳感器；7-12-存儲(chǔ)器；7-13-電源模塊；7-14-密封膠圈；7-15-Wi-Fi模塊；7-16-Wi-Fi天線；7-17-螺孔；7-18-螺栓；7-19-橡膠隔離套；7-20-電源模塊盒；7-21-防水密封門；7-22-防水開(kāi)關(guān)；7-23-方孔；7-24-蓋板。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

如圖1所示，本發(fā)明具體提供一種深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置，所述裝置包含：頂驅(qū)3、鉆柱4、測(cè)量短節(jié)7、數(shù)據(jù)傳輸模塊9和數(shù)據(jù)傳輸模塊10；所述頂驅(qū)3用于提供所述鉆柱4驅(qū)動(dòng)力；所述測(cè)量短節(jié)7頂部與所述頂驅(qū)3相連，所述測(cè)量短節(jié)7底部與所述鉆柱4相連，用于在鉆井過(guò)程中采集鉆柱4的工程參數(shù)；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊9分別與所述測(cè)量短節(jié)7和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊10相連，用于所述測(cè)量短節(jié)7與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊10之間的數(shù)據(jù)通信；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊10用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述鉆 柱4的工程參數(shù)，對(duì)鉆柱4的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和分析處理。

在上述實(shí)施例中，本發(fā)明所提供的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置可如圖1所示，通過(guò)井架2架設(shè)在深水鉆井平臺(tái)1上，底部鉆柱采用隔水管5保護(hù)，該隔水管5通過(guò)隔水管運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置6與深水鉆井平臺(tái)1相連。其中所述井架2、深水鉆井平臺(tái)1、隔水管5和隔水管運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償裝置6都為較成熟的現(xiàn)有技術(shù)，在此不在詳述。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述裝置還包含導(dǎo)航模塊8，所述導(dǎo)航模塊8分別與所述數(shù)據(jù)傳輸模塊9、所述測(cè)量短節(jié)7和所述數(shù)據(jù)傳輸模塊10通信連接，用于獲取所述鉆柱4的位移數(shù)據(jù)并輸出；所述數(shù)據(jù)傳輸模塊10根據(jù)所述位移數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控所述深水鉆柱的位移參數(shù)。

由上述實(shí)施例可知，本申請(qǐng)所提供的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置中，測(cè)量短節(jié)7為實(shí)際采集鉆柱多向工程參數(shù)的采集設(shè)備，如圖2所示，其中所述測(cè)量短節(jié)具體包含測(cè)試主軸7-1、定位模塊7-4、通信模塊7-15、存儲(chǔ)器7-12、處理模塊7-3及測(cè)量模塊；所述測(cè)試主軸7-1為中空管軸；所述定位模塊7-4設(shè)置于所述測(cè)試主軸7-4上并與所述導(dǎo)航模塊配合組成ALIGN(實(shí)時(shí)動(dòng)基站可變基線定位定向技術(shù))測(cè)向系統(tǒng)，用于通過(guò)測(cè)向及解算處理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆柱的位移數(shù)據(jù)；所述測(cè)量模塊設(shè)置于所述測(cè)試主軸7-1上，用于采集鉆柱的工程參數(shù)；所述處理模塊7-3分別與所述定位模塊7-4、所述通信模塊7-15、所述存儲(chǔ)器7-12和所述測(cè)量模塊相連，用于將所述位移數(shù)據(jù)及所述鉆柱的工程參數(shù)處理后存儲(chǔ)至所述存儲(chǔ)器7-12并通過(guò)所述通信模7-15塊輸出至所述數(shù)據(jù)傳輸模塊。所述頂驅(qū)與所述鉆柱為現(xiàn)有的深水鉆柱裝置中的動(dòng)力系統(tǒng)和鉆柱，為此，本發(fā)明在此并不對(duì)其做限制。

在上述實(shí)施例中，所述測(cè)量短節(jié)還包含復(fù)數(shù)個(gè)電源模塊7-13、防水密封門7-21及防水開(kāi)關(guān)7-22；所述電源模塊7-13用于為所述測(cè)量短節(jié)提供電能；所述防水密封門7-21用于放置所述電源模塊7-13；所述防水開(kāi)關(guān)7-22用于控制所述電源模塊7-13導(dǎo)通或關(guān)閉。

在上述實(shí)施例中，所述測(cè)量模塊包含慣性傳感器組合板卡7-6、壓力傳感器7-10、和溫度傳感器7-11；所述慣性傳感器組合板卡7-6用于采集所述鉆柱的三維導(dǎo)航信息；所述壓力傳感器7-10用于測(cè)量所述測(cè)量主軸內(nèi)的鉆井液的壓力值；所述溫度傳感器7-11設(shè)置于所述測(cè)試主軸7-1內(nèi)，用于測(cè)量所述測(cè)量主軸7-1內(nèi)的鉆井液的溫度值。所述測(cè)試主軸7-1內(nèi)設(shè)有儲(chǔ)油腔和中空腔，所述中空腔內(nèi)設(shè)置有橡膠隔離套7-19，所 述儲(chǔ)油腔通過(guò)所述橡膠隔離套7-19與鉆柱內(nèi)鉆井液相接，所述壓力傳感器7-10通過(guò)測(cè)量所述儲(chǔ)油腔內(nèi)壓力值獲得所述鉆井液的壓力值。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實(shí)施例中，所述慣性傳感器組合板卡7-6還包含導(dǎo)航接收模塊、加速度傳感器和陀螺儀；所述陀螺儀用于測(cè)量所述鉆柱的位移數(shù)據(jù)；所述加速度傳感器用于測(cè)量所述鉆柱的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)及加速度數(shù)據(jù)；所述導(dǎo)航接收模塊用于按預(yù)定周期接收所述導(dǎo)航模塊輸出的所述鉆柱的位移數(shù)據(jù)并根據(jù)所述位移數(shù)據(jù)修正所述陀螺儀所測(cè)的位移數(shù)據(jù)。

其中，所述測(cè)量模塊還包含拉壓應(yīng)變片和扭矩應(yīng)變片；所述拉壓應(yīng)變片和所述扭矩應(yīng)變片用于測(cè)量所述鉆柱的拉壓應(yīng)力數(shù)據(jù)、彎矩?cái)?shù)據(jù)和扭矩?cái)?shù)據(jù)；所述拉壓應(yīng)變片和所述扭矩應(yīng)變片由所述電阻應(yīng)變片組合構(gòu)成；通過(guò)所述拉壓應(yīng)變片和所述扭矩應(yīng)變片可分別測(cè)得拉壓應(yīng)力數(shù)據(jù)和扭矩?cái)?shù)據(jù)，至于彎矩?cái)?shù)據(jù)則通過(guò)拉壓應(yīng)變片及以下公式獲得：

每個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為K，在測(cè)量過(guò)程中第i個(gè)電阻應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)棣?sub>i，其中鉆柱的應(yīng)變最大的為ε_max，鉆柱的彎矩?cái)?shù)據(jù)為W。

在本發(fā)明一優(yōu)選的實(shí)施例中，測(cè)量短節(jié)可包括測(cè)試主軸、測(cè)試裝置外殼、GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))板卡及其天線、MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))慣性傳感器組合板卡、Wi-Fi模塊及其天線、電阻應(yīng)變片、壓力傳感器、溫度傳感器、測(cè)量處理電路板、存儲(chǔ)器和電源等模塊。其中，GNSS板卡用于測(cè)量深水鉆柱上部高精度坐標(biāo)值，進(jìn)而求取深水鉆柱上部位移。MEMS慣性傳感器組合板卡可以提供穩(wěn)定的深水鉆柱上部三維位移、加速度和轉(zhuǎn)速信息，特別在當(dāng)GNSS信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，該板卡可以提供穩(wěn)定、連續(xù)的三維導(dǎo)航信息。在測(cè)試裝置主軸上粘貼有多組電阻應(yīng)變片，組成多個(gè)電橋，與保護(hù)橋上的測(cè)量電路板連接，用于測(cè)量鉆柱的拉壓應(yīng)力、彎矩和扭矩。在測(cè)試裝置主軸開(kāi)有一中空腔，中間用橡膠隔離套隔開(kāi)，一邊與鉆柱內(nèi)鉆井液連通，一邊與儲(chǔ)油腔連通。鉆井液壓力傳感器與相應(yīng)的儲(chǔ)油腔連通，用于測(cè)量鉆井液壓力。測(cè)試主軸內(nèi)粘貼有溫度傳感器，用于測(cè)量鉆井液溫度。該短節(jié)設(shè)計(jì)有多組電池盒，因此可以放置多組蓄電池，能夠?yàn)檎麄€(gè)測(cè)量短節(jié)提供充足的電源，而且更換方便。測(cè)量短節(jié)中可在測(cè)試主軸上部加工錐形內(nèi)螺紋，下部加工錐形外螺紋，再將所述測(cè)試主軸的上部連接頂驅(qū)保護(hù)接頭，下部連接鉆柱。

為更清楚的說(shuō)明本發(fā)明所提供的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置，以下以實(shí)際工作設(shè)備為例，對(duì)上述實(shí)施例做詳細(xì)說(shuō)明，請(qǐng)參考圖1所示，本發(fā)明所提供的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置具體可包括測(cè)量短節(jié)7、導(dǎo)航模塊8、數(shù)據(jù)傳輸模塊9和數(shù)據(jù)傳輸模塊10，這些設(shè)備共同組成一個(gè)數(shù)據(jù)鏈完整的深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置。其中，測(cè)量短節(jié)7的上部與頂驅(qū)3連接、下部與鉆柱4連接，用于在鉆井過(guò)程中采集鉆壓、扭矩、彎矩、位移、轉(zhuǎn)速和鉆柱內(nèi)鉆井液壓力與溫度等鉆柱的工程參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊9用于為測(cè)量短節(jié)7與導(dǎo)航模塊8和數(shù)據(jù)傳輸模塊10之間的通信提供無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。導(dǎo)航模塊8安裝在鉆井平臺(tái)相對(duì)于周圍環(huán)境制高點(diǎn)處，將其設(shè)置為動(dòng)基站，利用星站差分技術(shù)提高自身的定位精度，與GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))板卡組成ALIGN測(cè)向系統(tǒng)，使用實(shí)時(shí)動(dòng)基站可變基線定位定向技術(shù)(ALIGN)獲取高精度的測(cè)量短節(jié)位置坐標(biāo)信息，然后可進(jìn)一步求解得到測(cè)量短節(jié)的位移和轉(zhuǎn)速。數(shù)據(jù)傳輸模塊10充當(dāng)深水鉆柱的工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置的上位機(jī)，用于實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控鉆柱的工程參數(shù)，對(duì)鉆柱工程狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警和分析處理。

在本發(fā)明所提供的深水鉆柱工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置，通過(guò)測(cè)量短節(jié)、導(dǎo)航模塊、通信模塊和管理模塊等設(shè)備共同組成一個(gè)數(shù)據(jù)鏈完整的深水鉆柱工程參數(shù)隨鉆測(cè)量裝置，不僅可以采集和存儲(chǔ)深水鉆柱的工程參數(shù)，而且通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)可以將測(cè)量數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)姐@井平臺(tái)上的管理模塊，實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)鉆柱工程參數(shù)，輔助工程技術(shù)人員及時(shí)了解和掌握深水鉆柱的實(shí)際工作狀況。

再請(qǐng)參考圖2至圖4所示，上述測(cè)量短節(jié)7主要可由測(cè)試主軸7-1、測(cè)試裝置外殼7-2和相關(guān)鉆柱工程參數(shù)測(cè)量傳感器等組成。測(cè)試主軸7-1主體切削出鋸齒狀銷塊，可以和測(cè)試裝置外殼7-2無(wú)縫配合，能夠承受一定的扭矩。此外，測(cè)試主軸7-1和測(cè)試裝置外殼7-2鉆有12個(gè)螺孔7-17，通過(guò)螺栓7-18進(jìn)行連接。測(cè)試裝置外殼7-2的下部裝有密封膠圈7-14，與測(cè)試主軸7-1過(guò)盈裝配，既起到密封作用，又不承受扭矩和軸向力，以此保證測(cè)試主軸7-1的應(yīng)力狀態(tài)不受測(cè)試裝置外殼7-2的影響。

處理模塊7-3是測(cè)量短節(jié)7的控制中心，與定位模塊7-4、測(cè)量模塊、存儲(chǔ)器7-12、通信模塊7-15以及電源模塊7-13等相連。處理模塊7-3對(duì)裝置中各傳感器采集到的信息進(jìn)行集中處理，對(duì)不同的傳感器信息分別進(jìn)行編碼，分別將之存入到存儲(chǔ)器7-12中并傳輸給通信模塊7-15，再由通信模塊7-15的Wi-Fi天線7-16將信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸模塊9，數(shù)據(jù)傳輸模塊9進(jìn)一步將信號(hào)傳送至管理模塊10，在管理模塊10上進(jìn) 行實(shí)時(shí)顯示與解釋處理。反之，亦可通過(guò)管理模塊10向處理模塊7-3下達(dá)各種指令，控制各個(gè)傳感器的信號(hào)采集時(shí)間和采集頻率等。

其中，定位模塊7-4為可GNSS板卡；通信模塊7-15可為Wi-Fi模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊9可為無(wú)線Wi-Fi路由器；測(cè)量模塊具體可包含：MEMS慣性傳感器組合板卡7-6，應(yīng)力傳感器電路板7-9，壓力傳感器7-10，溫度傳感器7-11。

在上述實(shí)施例中，定位模塊7-4即GNSS板卡7-4安裝在測(cè)試裝置外殼7-2的內(nèi)壁上部，外接對(duì)稱分布于測(cè)試主軸兩側(cè)臺(tái)肩上的GNSS天線7-5，與衛(wèi)星導(dǎo)航移動(dòng)站8共同組成實(shí)時(shí)動(dòng)基站可變基線定位定向測(cè)量系統(tǒng)。GNSS板卡7-4能夠同時(shí)使用GPS、GLONASS、BDS的雙頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)向和RTK解算，使用實(shí)時(shí)動(dòng)基站可變基線定位定向技術(shù)(ALIGN)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆柱上部的位移、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。

MEMS慣性傳感器組合板卡7-6直接安裝在測(cè)試主軸7-1上。MEMS慣性傳感器組合板卡7-6內(nèi)裝有GNSS接收機(jī)、加速度傳感器和陀螺儀，可以提供連續(xù)穩(wěn)定的深水鉆柱上部三維位移、加速度和轉(zhuǎn)速信息。當(dāng)GNSS板卡7-4無(wú)法接收到衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)時(shí)，可以利用MEMS慣性傳感器組合板卡7-6提供三維慣性導(dǎo)航信息。

拉壓應(yīng)力應(yīng)變片7-7和扭矩應(yīng)變片7-8粘貼在測(cè)試主軸7-1上，沿測(cè)試主軸7-1表面0～360°展開(kāi)，共8組，如圖2和圖4所示。根據(jù)材料力學(xué)拉壓和扭轉(zhuǎn)測(cè)量原理，拉壓應(yīng)力應(yīng)變片的粘貼方式采用0°和90°兩種角度組合應(yīng)變片的方法，扭矩應(yīng)變片的粘貼方式采用±45°兩種角度組合應(yīng)變片的方法。

彎矩則通過(guò)對(duì)拉壓應(yīng)變片測(cè)量到的位移進(jìn)行分析后計(jì)算獲得。具體方法如下：在測(cè)量短節(jié)的8組拉壓應(yīng)變片中，假設(shè)每個(gè)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均為K，在隨鉆測(cè)量過(guò)程中第i個(gè)拉壓應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)棣?sub>i，其中應(yīng)變最大的為ε_max，則彎矩可以按以下公式近似求得:

壓力傳感器7-10安裝在測(cè)試主軸7-1上，如圖2所示，它有一個(gè)油壓感應(yīng)孔，通過(guò)油腔，與暴露于鉆柱內(nèi)環(huán)空的橡膠隔離套相連，從而測(cè)得環(huán)空壓力。壓力傳感器7-10與處理模塊7-3相連，將測(cè)得的鉆井液壓力信號(hào)傳遞給處理模塊7-3上的單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一處理。溫度傳感器7-11直接粘貼在測(cè)試主軸7-1上，其信號(hào)線與處理模塊7-3相連，可以直接將采集到的溫度信號(hào)傳遞給處理模塊7-3。

測(cè)量短節(jié)7可設(shè)計(jì)3個(gè)電源模塊盒。電源模塊盒7-20安裝防水密封門7-21并配 備旋鈕控制開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)方便。存儲(chǔ)器7-12和電源模塊7-13存儲(chǔ)在電源模塊盒7-20內(nèi)，配置的電源模塊可以為測(cè)量裝置提供充足的電源，裝卸方便。同時(shí)，配置防水電源開(kāi)關(guān)7-22，用于控制電源模塊與處理模塊7-3的導(dǎo)通。

測(cè)量短節(jié)7的裝配流程如下：

1)加工好測(cè)試主軸7-1和測(cè)試裝置外殼7-2。

2)在測(cè)試主軸7-1上，粘貼拉壓應(yīng)力應(yīng)變片7-7、扭矩應(yīng)變片7-8和溫度傳感器7-11，安裝MEMS慣性傳感器組合板卡7-6、GNSS天線7-5和Wi-Fi天線7-16。安裝橡膠隔離套7-19，注入液壓油，安裝壓力傳感器7-10。

3)在測(cè)試裝置外殼7-2上，安裝處理模塊7-3-、GNSS板卡7-4、應(yīng)力傳感器電路板7-9、Wi-Fi模塊和密封膠圈7-14。

4)將測(cè)試裝置外殼7-2套接到測(cè)試主軸7-1上，在各個(gè)螺孔7-17安裝螺栓7-18并上緊。

5)通過(guò)方孔7-23，將GNSS板卡7-4、MEMS慣性傳感器組合板卡7-6、應(yīng)力傳感器電路板7-9-、壓力傳感器7-10、溫度傳感器7-11、存儲(chǔ)器7-12、Wi-Fi模塊7-15以及電源模塊7-13連接到處理模塊7-3。將GNSS天線7-5連接到GNSS板卡7-4。將Wi-Fi天線7-16連接到Wi-Fi模塊7-15。然后，將蓋板7-24安裝到方孔7-23上，用螺絲上緊，使測(cè)試主軸7-1和測(cè)試裝置外殼7-2完全密封。

6)在各個(gè)電源模塊盒里7-20分別安裝上電源模塊。在存儲(chǔ)器7-12的卡托里安裝上存儲(chǔ)卡。在電源模塊盒7-20上安裝防水密封門7-21并擰緊旋鈕控制開(kāi)關(guān)。安裝防水電源開(kāi)關(guān)7-22。

本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：

1、本發(fā)明能夠全面有效的對(duì)深水鉆柱上部的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助鉆井工程師掌握鉆柱的實(shí)際工作狀態(tài)，及時(shí)預(yù)判井下復(fù)雜情況，有效地調(diào)整鉆井施工措施，防止深水鉆柱在深水環(huán)境載荷的影響下出現(xiàn)復(fù)雜事故。

2、本發(fā)明利用高精度星際差分GPS技術(shù)和慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量到深水鉆柱的上部位移，位移精度能夠達(dá)到亞米級(jí)。

3、本發(fā)明采用GNSS雙頻測(cè)向和陀螺儀慣性導(dǎo)航技術(shù)，可以非接觸測(cè)量鉆柱的轉(zhuǎn)速，該方式不破壞鉆柱的整體性，安全可靠。

4、本發(fā)明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式選用Wi-Fi技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施便捷，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)采集與顯示。

5、整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝和更換，適合批量、系列化生產(chǎn)。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。