專利名稱：一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及海洋油氣勘探領域所用的隔水管設備，特別是關于一種測試隔水管疲勞性能的多點無線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
隔水管作為連接海底井口與海面作業(yè)平臺的紐帶，在隔離海水、引導鉆具、循環(huán)鉆井液、補償浮式鉆井裝置的升沉運動等方面發(fā)揮重要作用。在深水區(qū)，隔水管是連接海面平臺和海底井口的唯一設備，沒有其他附著物，處于深海(大于1500m)環(huán)境中的頂張力隔水管，在洋流、波浪和海面平臺的振蕩、漂移和起伏運動等多種載荷的共同作用下，將產(chǎn)生交變應力，誘發(fā)隔水管疲勞，降低隔水管使用壽命，甚至斷裂，給深海石油開發(fā)造成重大損失。隔水管疲勞監(jiān)測主要對以下幾方面進行監(jiān)測1、隔水管在正常海況載荷作用下的動態(tài)響應和力學姿態(tài)；2、突發(fā)事件中(海洋環(huán)流，暗流，颶風、臺風)隔水管的動態(tài)響應與疲勞載荷；3、隔水管構件的真實疲勞累積；4、隔水管所處的環(huán)境條件(海洋流速)；5、隔水管兩端球形接頭處的狀態(tài)。隔水管的運動包含渦激振動(VIV)，傾斜和偏移等，VIV是導致隔水管疲勞失效的主要原因。隔水管上下柔性接頭轉角直接關系到鉆井作業(yè)的安全，同時這兩個參數(shù)與鉆井作業(yè)的過程如泥漿密度及環(huán)境載荷等密切相關，是一個變化的參數(shù)，需要在鉆井過程中實時的調(diào)節(jié)。目前主要監(jiān)測設備有加速度傳感器等。隔水管的交變應力(彎矩)，直接關系到隔水管是否能安全的工作，隔水管的底部鉸接區(qū)受力復雜是應變測量的重點位置。監(jiān)測設備主要有電阻應變片，光纖光柵傳感器，測力環(huán)等。海洋流速，流速的測量不僅可以用來驗證隔水管的水動力學分析的模型和理論， 也為下一步的鉆井生產(chǎn)和油田開發(fā)提供寶貴的數(shù)據(jù)。海洋流速測量設備主要有聲學多普勒流速剖面儀(Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP)。其基本原理是多普勒頻移， 核心技術是多普勒回波瞬時頻率估計。監(jiān)測方式有船載式，拖曳式、坐底式、自容式、直讀式等多種形式。用于隔水管疲勞監(jiān)測時，ADCP工作方式主要是拖曳式，在海面平臺上將ADCP 投放到水下。ADCP的主要缺點有ADCP的探測深度依賴于聲學傳感器的功率，當測量深度增大時，ADCP的功率和體積隨之增大，費用和功耗急劇增大。此外深海洋流流速變化緩慢， 只需在不同深度上選擇若干位置進行測量即可，測量整個洋流剖面變得多余。以上特點表明，從費用、功耗和性價比等方面考慮，ADCP不完全適用于隔水管疲勞監(jiān)測，需要新型儀器取代之。不管何種參數(shù)，數(shù)據(jù)必須傳輸?shù)胶Ｃ嫫脚_的數(shù)據(jù)處理中心才能被處理。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸和供電方式不同，目前工程上使用的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要分為單機和實時監(jiān)測系統(tǒng)兩類。單機監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)記錄儀和相應的傳感器組成，其中數(shù)據(jù)記錄儀一般包括中心處理單元、模數(shù)轉換器、數(shù)據(jù)存儲器以及其他輔助元件，這些元件都封裝在堅固的不銹鋼外殼中。數(shù)據(jù)記錄儀與所需的傳感器集成使用，單機監(jiān)測系統(tǒng)使用自帶電池組供電進行測量，數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，測量結束后從存儲器中下載數(shù)據(jù)到計算機進行分析。單機監(jiān)測系統(tǒng)采用綁帶和卡箍將其安裝到隔水管上，等隔水管回收后讀取數(shù)據(jù)或者采用ROV取數(shù)據(jù)并更換電池組。該方法的成本低，但是不能根據(jù)隔水管的響應對相關參數(shù)進行實時的調(diào)整，同時被動式監(jiān)測的難點在于由于隔水管上不同點的監(jiān)測裝置的時鐘漂移，同步測量困難，從而難以確定不同點的相對位置，適用于鉆井隔水管，在ROV安裝傳感器時，由于絞車、ROV和隔水管三者的相對運動，給安裝操作帶來不少難度。實時型監(jiān)測系統(tǒng)，供電和數(shù)據(jù)傳輸都通過電纜實現(xiàn)，對隔水管響應進行連續(xù)監(jiān)測， 數(shù)據(jù)被實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。線路布置會延長隔水管下入時間，并且可能損傷，限制了作業(yè)深度。與單機監(jiān)測系統(tǒng)相比，實時監(jiān)測系統(tǒng)的結構、安裝和接口都十分復雜，成本高，不適用于深水隔水管的監(jiān)測。
發(fā)明內(nèi)容基于上述情況，本實用新型提出了一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)。緊密結合深海石油開發(fā)的要求，重點研究隔水管疲勞參數(shù)監(jiān)測方法和監(jiān)測數(shù)據(jù)無線實時傳輸技術， 實現(xiàn)多點多參數(shù)無線實時監(jiān)測，突破深水環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)，確保深水隔水管的安全。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取以下技術方案一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，由參數(shù)監(jiān)測部分、信息傳輸部分和信息接收部分構成，其特征在于參數(shù)監(jiān)測部分由多套傳感器組構成，沿隔水管分布在海面下多個監(jiān)測點上，分別采集各監(jiān)測點處隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速，所述多套傳感器組由雙CPU工控機控制，CPU主機包含單片機，CPU從機包含數(shù)字信號處理器，兩CPU之間通信通過HPI并行接口 ；信息傳輸部分包括水聲發(fā)射換能器、垂直水聲信道、水聲接收換能器；信息接收部分包括前置模擬放大電路板、帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器，前置模擬放大電路板包括三極管放大電路和運算放大電路，帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器包括自動增益控制、帶通隔離和后置放大電路。所述參數(shù)監(jiān)測部分將各監(jiān)測點處隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速進行采集，并將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行信源編碼、糾錯編碼后，采用頻分復用+時分復用的方法對信號進行調(diào)制。測量所述加速度的傳感器采用三軸加速度傳感器。所述三級管放大電路中采用2SC2458 NPN管實現(xiàn)三級前置放大。所述運算放大電路中采用TL082進行運算放大。設置自動增益控制環(huán)路，通過自動增益控制環(huán)路使信號增益控制在一定范圍內(nèi)， 在環(huán)路外，帶通濾波之后接一放大電路使最終輸出信號達到A/D滿量程。所述自動增益控制環(huán)路中，將二極管接在反饋電路中。所述帶通濾波器為六階橢圓濾波器，由六階橢圓高通和六階橢圓低通濾波器組成，其中六階高通為二階VCVS高通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成，六階低通濾波器由二階VCVS低通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成。本實用新型由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本實用新型參數(shù)監(jiān)測部分采用多套傳感器組沿隔水管布置，測量點多，可以對不同水深的隔水管進行加速度、應力、傾角、海洋流速等參數(shù)測量。2、本實用新型針對海洋深水垂直信道遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g特點，并根據(jù)深水鉆井隔水管監(jiān)測的項目需求，采用的信息傳輸系統(tǒng)為深水垂直水聲信道，進行水下隔水管的參數(shù)檢測和數(shù)據(jù)傳輸，依靠電池供電，因此要求功耗低、可靠性高以及誤碼率低。其相位穩(wěn)定性很好，很適合使用相位相干調(diào)制的方法，并且多徑擴展很小可以忽略不記。3、海面信息接收部分采用前置放大和自動增益控制帶通濾波，可以多點實時無線監(jiān)測水下各監(jiān)測點的多種疲勞參數(shù)，同時，海面信息接收部分還可對水下監(jiān)測部分進行遙控，控制其信息采集的時間間隔、采樣頻率等，以減少水下部分的能耗，延長使用壽命。

[0019]圖1是本實用新型的系統(tǒng)布置圖；[0020]圖2是參數(shù)監(jiān)測部分處理框圖；[0021]圖3是信息傳輸部分處理框圖；[0022]圖4是信息接收部分處理框圖；[0023]圖5是交流放大原理圖；[0024]圖6是線性檢波電路原理圖；[0025]圖7是線性檢波電路輸入與輸出波形圖[0026]圖8是積分器電路原理圖；[0027]圖9是直流放大原理圖；[0028]圖10是自動增益控制電路原理圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型的進行詳細的描述。本實用新型所涉及的隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為三個部分參數(shù)監(jiān)測部分、信息傳輸部分和信息接收部分，如圖1所示，隔水管1 一端連接在海底井口上，另一端連接在鉆井平臺上；參數(shù)監(jiān)測部分由多套傳感器組2構成，沿隔水管1分布在海面下多個監(jiān)測點上，分別采集各監(jiān)測點處隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速等參數(shù)；在井上設置有信息接收部分。參數(shù)監(jiān)測部分將各監(jiān)測點處隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速等參數(shù)進行采集，并將各種監(jiān)測數(shù)據(jù)分別進行信源編碼、糾錯編碼后，采用頻分復用+時分復用的方法對信號進行調(diào)制。參數(shù)監(jiān)測部分硬件電路用雙CPU主從結構設計，主機包含了單片機、外圍接口及電源控制電路，完成系統(tǒng)的工作控制及結果輸出功能；從機包含以DSP為主的數(shù)據(jù)處理及編碼輸出電路，其功能主要是對各傳感器組采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理并編碼輸出。雙CPU之間通信是通過HPI (host port interface)并行接口，傳輸速度最高可以達到50MB/S，本系統(tǒng)的功耗消耗主要集中在DSP上，而正常情況下，只有單片機在工作，當需要做FFT等運算量大的運算時，喚醒DSP，DSP上電開始工作，這樣的設計大大延長了系統(tǒng)水下工作的時間，節(jié)約了系統(tǒng)的功耗以及系統(tǒng)成本。位于每個監(jiān)測點處的傳感器組2，根據(jù)功能和作用不同，分為數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)射模塊。如圖2所示，采集的數(shù)據(jù)參數(shù)有隔水管渦激振動的加速度、隔水管傾角，彎曲應力以及海洋流速。各參數(shù)由相應的傳感器采集，整個工作在上述單片機構成的控制模塊下工作。數(shù)據(jù)發(fā)射模塊主要負責各參數(shù)信息的編碼和調(diào)制，加速度傳感器21 (本實用新型中使用三軸加速度傳感器)、應力傳感器22、流速傳感器23以及傾角傳感器M采集到的參數(shù)由單片機25進行二進制編碼后，經(jīng)調(diào)制電路沈處理轉換成模擬信號，發(fā)送到前級放大電路 27、匹配網(wǎng)絡電路觀、功率擴展電路四依次進行處理，最后傳給發(fā)射換能器31進行信息傳輸。單片機25由DSP數(shù)字信號處理器30控制。如圖3所示，信息傳輸部分包括水聲發(fā)射換能器31、水聲信道32、水聲接收換能器 33。數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將調(diào)制后的模擬信息發(fā)送給發(fā)射換能器31后，發(fā)射換能器31將模擬信號轉換成聲信號通過垂直水聲信道32傳輸?shù)轿挥诤Ｃ娓浇慕邮論Q能器33，接收換能器 33完成對聲換能器接收到的模擬信號的調(diào)理和放大等預處理功能。如圖4所示，信息接收部分主要包括前置模擬放大電路板、帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器等。考慮到低功耗的要求，前置模擬放大電路板包括三極管放大電路和運算放大電路共兩級放大電路，由于水聲接收換能器自身擁有放大電路，故水下接收部分實際由三級放大電路組成，其中換能器部分放大5倍，三極管放大電路放大約6. 7倍，運算放大電路放大3倍。水下接收部分共放大100倍，接收信號5 μ V 200 μ V經(jīng)水下電路放大輸出變?yōu)?. 5mV 20mV。帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器包括自動增益控制、帶通和后置放大電路，帶通濾波器為六階橢圓濾波器，由六階橢圓高通和六階橢圓低通濾波器組成，其中六階高通為二階VCVS高通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成，六階低通濾波器由二階VCVS低通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成。通過自動增益控制(AGC)環(huán)路使信號增益控制在一定范圍內(nèi)，在環(huán)路外，帶通濾波器之后接一放大電路使最終輸出信號達到A/ D滿量程。由圖4可知，接收換能器33接收到的信號，經(jīng)前置放大、自動增益控制、帶通濾波、隔離后，在自動增益控制環(huán)路范圍外的信號再次經(jīng)過放大隔離輸出合理的模擬信號，由工控機解調(diào)解碼等后續(xù)處理。同時，海面信息接收部分還可對水下監(jiān)測部分進行遙控，控制其信息采集的時間間隔、采樣頻率等，以減少水下部分的能耗，延長使用壽命。上述的三級管放大電路中采用2SCM58NPN管實現(xiàn)三級前置放大2SC2458的低噪聲特性可以避免對輸入小信號的干擾。除前置放大外，各級交流放大器均采用TL082運算放大器構成放大電路。TL082具有低噪聲、低功耗、寬供電電壓等優(yōu)點。且在實際應用中，電路簡單，性能穩(wěn)定，設計成的同相放大器如圖5所示，設計放大倍數(shù)為
RA=I+-^(1)由于設計的水聲接收換能器的有效頻率范圍為7. 5kHz 12. 5kHz，直接設計帶通濾波器難度比較大，且實際性能也不盡如人意，故采用“高通濾波器+低通濾波器”的方法來組合實現(xiàn)這個帶通濾波器。自動增益控制模塊中，檢波器用普通的二極管檢波電路實現(xiàn)檢波，會伴隨很大的非線性失真。產(chǎn)生非線性失真的原因在于二極管的單向導電特性的非理想性。將二極管接在運算放大器的反饋電路中，可以在被檢波信號幅度的相當寬廣的范圍內(nèi)，實現(xiàn)十分精確的線性檢波。圖6為線性檢波電路，圖7為當輸入電壓Vi為正弦波時，輸出電壓V。的波形。 在圖6所示電路中，二極管導通電壓對檢波特性的不良影響被大大削弱了。其效果相當于將導通縮減至原值的A分之一。[0041 ] RC積分器的主要作用是把檢波器輸出的交流信號，變換成直流信號。如圖8所示， 當信號由弱變強時，信號經(jīng)過Rl向Cl兩端積累，Cl處在充電狀態(tài)，使得Cl兩端變壓變大。 當信號由強變?nèi)鯐r，Cl通過R2放電，Cl處在放電狀態(tài)，使得Cl兩端變壓變小。直流放大器如圖9所示，它與交流放大器的原理相同，放大倍數(shù)為
權利要求1.一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，由參數(shù)監(jiān)測部分、信息傳輸部分和信息接收部分構成，其特征在于參數(shù)監(jiān)測部分由多套傳感器組構成，沿隔水管分布在海面下多個監(jiān)測點上，分別采集各監(jiān)測點處隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速，所述多套傳感器組由雙CPU工控機控制，CPU主機包含單片機，CPU從機包含數(shù)字信號處理器，兩CPU之間通信通過HPI并行接口 ；信息傳輸部分包括水聲發(fā)射換能器、垂直水聲信道、水聲接收換能器；信息接收部分包括前置模擬放大電路板、帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器，前置模擬放大電路板包括三極管放大電路和運算放大電路，帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器包括自動增益控制、帶通隔離和后置放大電路。
2.如權利要求1所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于測量所述加速度的傳感器采用三軸加速度傳感器。
3.如權利要求1所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述三級管放大電路中采用2SC2458 NPN管實現(xiàn)三級前置放大。
4.如權利要求2所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述三級管放大電路中采用2SC2458 NPN管實現(xiàn)三級前置放大。
5.如權利要求1或2或3或4所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于 所述運算放大電路中采用TL082進行運算放大。
6.如權利要求1或2或3或4所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于 設置自動增益控制環(huán)路，通過自動增益控制環(huán)路使信號增益控制在一定范圍內(nèi)，在環(huán)路外， 帶通濾波之后接一放大電路使最終輸出信號達到A/D滿量程。
7.如權利要求5所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于設置自動增益控制環(huán)路，通過自動增益控制環(huán)路使信號增益控制在一定范圍內(nèi)，在環(huán)路外，帶通濾波之后接一放大電路使最終輸出信號達到A/D滿量程。
8.如權利要求7所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述自動增益控制環(huán)路中，將二極管接在反饋電路中。
9.如權利要求1或2或3或4所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于 所述帶通濾波器為六階橢圓濾波器，由六階橢圓高通和六階橢圓低通濾波器組成，其中六階高通為二階VCVS高通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成，六階低通濾波器由二階VCVS 低通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成。
10.如權利要求7或8所述的一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述帶通濾波器為六階橢圓濾波器，由六階橢圓高通和六階橢圓低通濾波器組成，其中六階高通為二階VCVS高通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成，六階低通濾波器由二階VCVS低通濾波器接四階VCVS帶阻濾波器組成。
專利摘要本實用新型涉及一種隔水管疲勞多點無線監(jiān)測系統(tǒng)，由參數(shù)監(jiān)測部分、信息傳輸部分和信息接收部分構成，參數(shù)監(jiān)測部分由多套傳感器組構成，沿隔水管分布在海面下多個監(jiān)測點上，采集隔水管的加速度、應力、傾角以及海洋流速；信息傳輸部分包括水聲發(fā)射換能器、垂直水聲信道、水聲接收換能器；信息接收部分包括前置模擬放大電路板、帶有自動增益控制的模擬帶通濾波器，前置模擬放大電路板包括三極管放大和運算放大電路，模擬帶通濾波器包括自動增益控制、帶通隔離和后置放大電路。本實用新型采用多套傳感器組沿隔水管布置，可實現(xiàn)多點實時無線監(jiān)測疲勞性能，同時，海面信息接收部分還可對水下監(jiān)測部分進行遙控，控制采集時間、采樣頻率等，以減少水下部分的能耗。
文檔編號G01M13/00GK202066671SQ201120001419
公開日2011年12月7日 申請日期2011年1月5日 優(yōu)先權日2011年1月5日
發(fā)明者何軻, 朱夢陽, 李保軍, 楊伏洲, 王海燕, 申曉紅, 白峻, 蔣世全, 許亮斌, 鄧欣 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 西北工業(yè)大學