钻杆应力实时监控系统及其预警方法与流程

1.本技术涉及海上施工安全技术领域，特别涉及一种钻杆应力实时监控系统及其预警方法。


背景技术：

2.对海定向钻作为一种海洋管线登陆的施工工艺，具有保护海岸线地貌的作用。在施工过程中，海上的回拖钻机安装在施工船舶上，受到风、浪、流、水深等多种因素影响，船舶会产生六自由度运动，船舶的运动会以外力的形式传导至钻机上，进而对钻机和回拖钻杆受力产生较大影响。
3.当船舶运动导致钻杆受力超过其屈服强度时，钻杆可能发生断裂、弯曲，增加了施工作业的风险。因此有必要对钻杆的受力进行实时的监控，以降低施工作业的风险。然而，相关技术中还没有对钻杆的受力情况进行实时监控的方法或者手段。


技术实现要素：

4.鉴于此，本技术提供一种钻杆应力实时监控系统及其预警方法，可以实时获取钻杆的应力状态，指导作业人员施工，确保钻杆安全，降低施工作业的风险。
5.具体而言，包括以下的技术方案：
6.一方面，本技术实施例提供了一种钻杆应力实时监控系统，所述系统包括：拉力测量单元、水深测量单元和数据处理单元，其中，
7.所述拉力测量单元位于连接有钻杆的钻机上，并配置为实时获取所述钻杆的拉力数据，所述钻机位于测量船上；
8.所述水深测量单元位于所述测量船上，并配置为实时获取所述测量船所在位置的水深数据；
9.所述数据处理单元位于所述测量船上，与所述拉力测量单元和所述水深测量单元均连接，并配置为对所述拉力数据和所述水深数据进行处理后实时输出钻杆应力数据。
10.在一种可能设计中，所述拉力测量单元的一端与所述钻机连接，另一端与所述钻杆连接。
11.在一种可能设计中，所述拉力测量单元包括拉力传感器，
12.所述拉力传感器被配置为实时测量所述钻杆的拉力。
13.在一种可能设计中，所述水深测量单元包括测距探头，
14.所述测距探头位于所述测量船的船舷外侧的海水中。
15.在一种可能设计中，所述拉力测量单元还包括第一数据发送模块，所述水深测量单元包括第二数据发送模块，所述数据处理单元包括数据接收模块；
16.所述第一数据发送模块和所述第二数据发送模块与所述数据接收模块之间信号连接。
17.在一种可能设计中，所述系统还包括：第一数据传输线和第二数据传输线，
18.所述第一数据传输线位于所述拉力测量单元与所述数据处理单元之间；所述第二数据传输线位于所述水深测量单元与所述数据处理单元之间。
19.在一种可能设计中，所述系统还包括：预警单元，
20.所述预警单元位于所述测量船上，所述预警单元与所述数据处理单元连接，并配置为发出报警信息。
21.在一种可能设计中，所述预警单元包括提示灯、蜂鸣器和振动器，
22.所述提示灯可呈现不同的提示颜色，所述振动器可实现不同频率的振动。
23.在一种可能设计中，所述系统还包括：显示单元，
24.所述显示单元位于所述测量船上，与所述数据处理单元连接，并配置为对所述拉力数据、所述水深数据、所述钻杆应力数据、所述报警信息进行显示。
25.另一方面，本技术实施例提供了一种钻杆应力实时监控系统的预警方法，应用于上述一方面所涉及的所述的钻杆应力实时监控系统的数据处理单元中，所述方法包括：
26.根据钻杆应力数据，判断所述钻杆应力数据是否大于第一阈值；
27.如果所述钻杆应力数据小于所述第一阈值，发出安全提示信息；
28.如果所述钻杆应力数据大于所述第一阈值，判断所述钻杆应力数据是否大于第二阈值；
29.如果所述钻杆应力数据小于所述第二阈值，发出第一报警提示信息；
30.如果所述钻杆应力数据大于所述第二阈值，发出第二报警提示信息。
31.本技术实施例提供的技术方案的有益效果至少包括：
32.通过拉力测量单元实时获取钻杆的拉力数据，水深测量单元实时获取测量船所在位置的水深数据，利用数据处理单元对获取到的拉力数据和水深数据进行处理后实时得到钻杆应力数据。操作人员可以根据该钻杆应力数据，实时掌握钻杆的应力状态，判断是否需要或者何时需要对钻杆进行调整或操作，以确保钻杆的安全，降低施工作业的风险，避免回拖钻杆因受力过大而发生断裂或弯曲。
33.另外，本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统操作便捷、对于数据的获取和处理速度快，能够实时反映钻杆应力数据的情况。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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。
35.图1为本技术实施例提供的一种钻杆应力实时监控系统的结构示意图；
36.图2为本技术实施例提供的另一种钻杆应力实时监控系统的结构示意图；
37.图3为本技术实施例提供的一种钻杆应力实时监控系统中预警单元的结构示意图；
38.图4为本技术实施例提供的一种钻杆应力实时监控系统的预警方法的流程图。
39.图中的附图标记分别表示为：
40.1-拉力测量单元，101-第一数据发送模块，
41.2-水深测量单元，201-第二数据发送模块，
42.3-数据处理单元，301-数据接收模块，
43.4-钻杆，
44.5-钻机，
45.6-测量船，
46.7-第一数据传输线，
47.8-第二数据传输线，
48.9-预警单元，91-提示灯，92-蜂鸣器，93-振动器，
49.10-显示单元，
50.11-第三数据传输线，
51.12-第四数据传输线。
52.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
53.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
54.除非另有定义，本技术实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
55.为使本技术的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
56.对海定向钻作为一种海洋管线登陆的施工工艺，具有保护海岸线地貌的作用。在施工过程中，海上的回拖钻机安装在施工船舶上，受到风、浪、流、水深等多种因素影响，船舶会产生六自由度运动，船舶的运动会以外力的形式传导至钻机上，进而对钻机和回拖钻杆受力产生较大影响。
57.当船舶运动导致钻杆受力超过其屈服强度时，钻杆可能发生断裂、弯曲，增加了施工作业的风险。
58.另外，由于钻杆在回拖过程中处于悬浮状态，一端连接回拖钻机，另一端连接水下管线，钻杆是整个系统的薄弱环节，并且也是决定管线回拖成败的关键部件。
59.综上，有必要对钻杆的受力进行实时的监控，以降低施工作业的风险。
60.然而，相关技术中还没有对钻杆的受力情况进行实时监控的方法或者手段。
61.为了实现对钻杆的受力情况进行实时监控，本技术实施例提供了一种钻杆应力实时监控系统，其结构示意图如图1所示。
62.参见图1，该系统包括：拉力测量单元1、水深测量单元2和数据处理单元3。
63.其中，拉力测量单元1位于连接有钻杆4的钻机5上，并配置为实时获取钻杆4的拉力数据，钻机5位于测量船6上；
64.水深测量单元2位于测量船6上，并配置为实时获取测量船6所在位置的水深数据；
65.数据处理单元3位于测量船6上，与拉力测量单元1和水深测量单元2均连接，并配置为对拉力数据和水深数据进行处理后实时输出钻杆应力数据。
66.本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统的工作原理为：
67.通过拉力测量单元1实时获取钻杆4的拉力数据，水深测量单元2实时获取测量船6所在位置的水深数据，利用数据处理单元3对获取到的拉力数据和水深数据进行处理后实时得到钻杆应力数据。
68.因此，本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统利用拉力测量单元1、水深测量单元2和数据处理单元3，可以在登陆定向钻海上回拖作业过程中，实时判断和监控在不同海况、不同水深、不同拉力的相互作用下的回拖钻杆的应力状态，使得操作人员可以根据该钻杆应力数据，实时掌握钻杆的应力状态，判断是否需要或者何时需要对钻杆4进行调整或操作，以确保钻杆4的安全，降低施工作业的风险，避免回拖钻杆4因受力过大而发生断裂或弯曲。
69.另外，本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统操作便捷、对于数据的获取和处理速度快，能够实时反映钻杆应力数据的情况。
70.下面对本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统的结构进行进一步地描述说明：
71.在一种可能设计中，为了便于实时获取钻杆4的拉力数据，拉力测量单元1的一端与钻机5连接，另一端与钻杆4连接，即相当于拉力测量单元1位于钻机5与钻杆4之间。
72.在一种可能设计中，拉力测量单元1包括拉力传感器。
73.其中，拉力传感器被配置为实时测量钻杆4的拉力。在这里，拉力传感器也叫做电阻应变式传感器，它可以将物理信号转换为电信号以便进行准确测量。其工作原理为：弹性体(弹性元件，敏感梁)在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力变换为电信号的过程。
74.在一种可能设计中，为了便于钻机5的固定，钻机5位于钻机支架(图中未显示)上，钻机支架固定在测量船6上。
75.在一种可能设计中，水深测量单元2包括测距探头。
76.其中，测距探头位于测量船6的船舷外侧的海水中，利用测距探头测取得到测量船6所在位置的水深数据。
77.可选的，测距探头可以为测距传感器。
78.可选的，测距传感器可以为超声波测距传感器或激光测距传感器或红外线测距传感器或雷达测距传感器。
79.当测距传感器为超声波测距传感器时，其工作原理为通过超声波发射器向海底发射超声波,在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到海底就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，即可测定水深。
80.当测距传感器为激光测距传感器是，其工作原理为先由激光二极管对准海底发射激光脉冲，经海底反射后激光向各方向散射，部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统
接收后成像到雪崩光电二极管上，其中雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定水深。
81.可选的，对于数据处理单元3与拉力测量单元1和水深测量单元2之间的连接，可以有以下两种实现方式：
82.在第一种实现方式中，参见图1，拉力测量单元1还包括第一数据发送模块101，水深测量单元2包括第二数据发送模块201，数据处理单元3包括数据接收模块301。
83.其中，第一数据发送模块101和第二数据发送模块201与数据接收模块301之间信号连接。
84.如此设置，使得拉力测量单元1测取得到的钻杆4的拉力数据可以以数字信号的形式发送给数据处理单元3，实现拉力测量单元1与数据处理单元3之间的无线通讯。
85.同时，使得水深测量单元2测取得到的测量船6所在位置的水深数据可以以数字信号的形式发送给数据处理单元3，实现水深测量单元2与数据处理大那样3之间的无线通讯。
86.在第二种实现方式中，参见图2，本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统还包括：第一数据传输线7和第二数据传输线8。
87.其中，第一数据传输线7位于拉力测量单元1与数据处理单元3之间，实现拉力测量单元1与数据处理单元3之间的有线通讯。
88.第二数据传输线8位于水深测量单元2与数据处理单元3之间，实现水深测量单元2与数据处理单元3之间的有线通讯。
89.可以理解的是，第一数据传输线7和第二数据传输线8均具有防水防腐蚀的壳体，以确保拉力测量单元1与数据处理单元3之间或者水深测量单元2与数据处理单元3之间通讯的持续性。
90.在一种可能设计中，数据处理单元3内具有offpipe软件建立起来的计算模型数据库，其中模型数据库中的模型可以是根据历史的钻杆拉力数据和测量船所在位置的水深数据建立起来的钻杆应力模型。通过向钻杆应力模型中代入拉力数据和水深数据后，可以模拟得到与拉力数据和水深数据对应的钻杆应力数据。
91.在上述结构的基础上，参见图1，本技术实施例所提供的钻杆应力实时监控系统还包括：预警单元9。
92.其中，预警单元9位于测量船6上，预警单元9与数据处理单元3连接，并配置为发出报警信息。
93.通过设置报警单元9，使得更为有效便捷地提醒操作人员注意钻杆的应力状态，避免钻杆在多种因素的综合作用下发生变形或损坏。
94.当数据处理单元3根据拉力数据和水深数据处理得到钻杆应力数据后，不仅可以将钻杆应力数据实时输出，便于操作人员获取，而且会将钻杆应力数据与设定的应力阈值进行比较后向预警单元9发送预警信息，以便预警单元9根据预警信息确定是否发出报警信息。
95.具体地，当钻杆应力数据小于设定的应力阈值时，说明此时的钻杆处于安全状态；当钻杆应力数据大于设定的应力阈值时，说明此时的钻杆处于危险状态，有必要引起操作人员的注意，使得操作人员可以根据钻杆应力数据判断是否需要对钻杆进行施工操作，以
确保钻杆的安全。
96.在一种可能设计中，参见图3，预警单元9可以包括提示灯91、蜂鸣器92和振动器93。
97.其中，提示灯91可呈现不同的提示颜色，振动器93可实现不同频率的振动。
98.可选的，提示灯91可以呈现绿色、黄色和红色三种不同颜色。
99.具体地，当提示灯91呈现绿色时，说明此时钻杆应力数据小于设定的应力阈值，钻杆处于安全状态；当提示灯91呈黄色时，说明此时钻杆应力数据大于设定的应力阈值，钻杆处于需要引起操作人员实时观测的状态；当提示灯91呈红色时，说明此时钻杆应力数据远大于设定的应力阈值，操作人员需要对钻杆进行施工做操，以确保钻杆的安全。
100.可选的，振动器93可以实现第一振动频率和第二振动频率的振动，其中第二振动频率的取值大于第一振动频率的取值。
101.当提示灯91呈黄色时，振动器93进行第一振动频率的振动；当提示灯91呈红色时，振动器93进行第二振动频率的振动。
102.可选的，对于数据处理单元3与预警单元9之间的连接，可以采用数据传输线的连接方式进行连接。
103.具体地，参见图1，第三数据传输线11位于预警单元9与数据处理单元3之间，可以实现预警单元9与数据处理单元3之间的有线通讯，确保通讯的快速、实时。
104.在一种可能设计中，参见图1，本技术实施例所提供的钻杆应力实时监控系统还包括：显示单元10。
105.其中，显示单元10位于测量船6上，与数据处理单元3连接，并配置为对拉力数据、水深数据、钻杆应力数据、报警信息进行显示，以便操作人员直观的获取拉力数据、水深数据、钻杆应力数据以及报警信息。
106.可选的，显示单元10可以为液晶显示屏。
107.可选的，对于显示单元10与数据处理单元3之间的连接，也可以采用数据传输线的连接方式进行连接。
108.具体地，参见图1，第四数据传输线11位于显示单元10与数据处理单元3之间，可以实现显示单元10与数据处理单元3之间的有线通讯，确保通讯的快速、实时。
109.在一种可能设计中，本技术实施例所提供的钻杆应力实时监控系统还包括：电源(图中未显示)。
110.其中，电源位于测量船6上，并与数据处理单元3、预警单元9和显示单元10连接，为处理单元3、预警单元9和显示单元10提供电力支持。
111.可选的，电源为220v交流电。
112.可选的，电源与数据处理单元3、预警单元9和显示单元10之间可以分别通过电源线连接。
113.在一种可能示例中，操作人员可以在配置测量船6时设置本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统，具体地：
114.将钻机支架固定在测量船6上，用于支撑固定钻机5及拉力测量单元1；
115.将拉力测量单元1固定在钻机支架上，使得拉力测量单元1的一端与钻机5的尾端连接，另一端与钻杆4连接，用于测量钻杆4所承受的实时拉力；
116.将水深测量单元2固定在测量船6的船舷外侧，使得水深测量单元2的测距探头置于水中，用于测量测量船6所在位置的实时水深；
117.将数据处理单元3通过第一数据传输线7与拉力测量单元1连接；
118.将数据处理单元3通过第二数据传输线8与水深测量单元2连接；
119.当需要使用本技术实施例所提供的钻杆应力实时监控系统时，操作人员可以通过显示单元10直观的获取拉力数据、水深数据、钻杆应力数据以及报警信息等，具体实现方式已在上述实施例中进行了详细地描述，此处不再赘述。
120.本技术实施例还提供了一种钻杆应力实时监控系统的预警方法，应用于上述提及的钻杆应力实时监控系统的数据处理单元中，其方法流程图如图4所示。
121.该方法包括以下步骤：
122.步骤401，根据钻杆应力数据，判断钻杆应力数据是否大于第一阈值。
123.可选的，第一阈值可以根据操作人员的经验进行设定，在此不作具体限定。
124.举例来说，第一阈值可以为0.4倍的钻杆所能承受的最大应力。
125.步骤402，如果钻杆应力数据小于第一阈值，发出安全提示信息。
126.当钻杆应力数据小于第一阈值时，说明钻杆处于合理的受力范围内，此时的钻杆处于安全状态，向预警单元和显示单元发出该安全提示信息。
127.当预警单元接收到该安全提示信息时，可以通过指示灯呈现绿色来向操作人员直观进行展示。当显示单元接收到该安全提示信息时，可以通过直接显示钻杆应力数据的取值来向操作人员进行显示。
128.步骤403，如果钻杆应力数据大于第一阈值，判断钻杆应力数据是否大于第二阈值。
129.当钻杆应力数据大于第一阈值时，说明钻杆超出了合理的受力范围，需要引起操作人员的注意。
130.可选的，第二阈值可以根据操作人员的经验进行设定，在此不作具体限定。
131.举例来说，第二阈值可以为0.72倍的钻杆所能承受的最大应力。
132.步骤404，如果钻杆应力数据小于第二阈值，发出第一报警提示信息。
133.当钻杆应力数据仅大于第一阈值而小于第二阈值时，说明钻杆虽然超出了合理的受力范围，但是未超过其屈服强度，发生断裂、弯曲或者其他损坏的情况的可能性较小，但是需要实时关注钻杆的状态，判断是否需要对钻杆进行施工操作。
134.步骤405，如果钻杆应力数据大于第二阈值，发出第二报警提示信息。
135.当钻杆应力数据大于第二阈值时，说明钻杆超过了其屈服强度，随时有发生断裂、弯曲或者其他损害的情况的可能，需要操作人员立刻进行施工操作，以调整钻杆的应力状态，确保钻杆的安全。
136.因此，本技术实施例提供的钻杆应力实时监控系统的预警方法，可以根据实时得到的钻杆应力数据得到安全提示信息或者第一报警提示信息或者第二报警提示信息，可以更好地指导操作人员进行施工操作，以确保钻杆的安全。
137.在本技术中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
138.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的本技术后，将容易想到本技术的
其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
139.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。