基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置的制作方法

本实用新型是关于一种基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置，涉及海洋石油天然气井钻井领域。

背景技术：

世界海洋石油资源储量丰富，占全球石油资源总量的34％。随着海上油气勘探开发技术的发展，海洋油气产量稳步上升，已成为世界油气产量新的增长源泉，但是海上钻探开采油气资源是典型的高回报、高风险投资项目，一旦钻井平台发生井喷失控事故，将会造成巨大的经济损失、人员伤亡及生态灾难，比如2010年美国墨西哥湾深水地平线钻井平台井喷失控爆炸事故历时87天救援成功，直接经济损失9.3亿美元，造成160公里的海岸受到泄漏原油的污染。

当地层压力预测不准、钻井液密度偏低，人为操作失误等原因导致的井内钻井液压力低于地层压力时，油气流就会涌入钻探的井眼内，当涌入量较大时即井喷。当井喷无法有效控制进一步恶化导致井喷失控时，就会造成钻井平台失火、爆炸等灾难事故，发生井喷事故会造成环境污染和重大经济损失。由于海洋油气资源的特殊性，地层压力预测准确率较低，钻井过程中发生井喷的概率较高，在井喷发生初期迅速有效控制井喷是预防井喷失控事故的最有效手段，井喷发生后需要关闭防喷器读取关井立压、关井套压等参数，重新判断地层压力，而防喷器失效或井口喷势较大人员无法接近井口时，这些参数就不能够有效获取。此时，可以通过间接方法估算地层压力，井喷流体喷流高度是比较可靠的，宝贵的现场参数之一，可以通过井喷流体喷流高度反演计算地层压力，为后续压井作业提供技术保障。当井喷发生同时又无法有效关井时，钻井平台人员需要撤离平台，到达安全位置，井喷流体高度不能直接测量，只能在救援船上或测量船上远程观测，对于这种情况，远距离测量井喷流体液柱高度可以采用以下几种方法：

1、激光电测法

在救援船上，利用激光脉冲测距仪测量救援船与海洋平台之间距离L。利用经纬仪测量井喷流体高点倾角α。根据三角形勾股定理可计算出井喷流体高度H＝L·sinα。但是这种激光脉冲测距仪的使用有很大的限制，被测物体需能强烈反射光电脉冲信号，也就是说这种仪器只能测量海洋平台结构体，不能直接测量井喷液柱。如果海风强烈，液柱偏离平台，会导致测量结果失真；井喷强烈海洋平台丢失，则此方法就失效了。

2、气压测量法

使用无人机携带气压测量仪，测量井喷液柱高点气压值和海平面气压值，利用气压差值，计算井喷液柱高度。这种方法在使用过程中存在诸多弊端，首先无人机无法准确悬停于井喷液柱高点位置，对于高点气压值测量不准；其次井喷位置环境复杂恶劣，对无人机伤害巨大，造成巨大经济损失，故此方法不适用与井喷高度测量。

3、图片像素法

在救援船上，可以借助无人机使用高精度摄像机对井喷液柱进行拍摄，获得固定相机拍摄图片中的灭点信息和特征物参数，利用遗传算法进行参数优解，即可完成高度测量。但是这种测量方式要求图片拥有极高的像素，受距离和海洋气候环境的影响，机器工作时颠簸严重，图片辨析度低，不能保证测量精度，误差较大。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种用于准确测量井喷液柱高度的基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置，该采集装置包括至少三台倾角测量装置、信号调理与预处理装置、数据采集单元和计算机，其中，所有所述倾角测量装置沿观测船的船体方向等间隔固定设置在船体上，且所有所述倾角测量装置沿同一条直线等高度排列；每一所述倾角测量装置用于将获取的角度测量值发送到所述信号调理与预处理装置，所述信号调理与预处理装置将接收的角度测量值进行处理后由所述数据采集采集单元发送到所述计算机。

进一步地，每一台所述倾角测量装置均包括支架、活动臂、高点观测镜、角度测量传感器、动镜、小型望远镜和固定镜；所述结构支架背面活动连接所述活动臂，所述活动臂顶端固定设置所述高点观测镜，所述活动臂上还设置有所述角度测量传感器；所述结构支架上端设置有用于容置所述高点观测镜的通孔；所述结构支架上活动设置所述动镜，所述结构支架上还固定设置有小型望远镜和固定镜，且所述小型望远镜和固定镜位于同一水平直线；其中，所述固定镜能够将依次经所述高点观测镜和动镜反射的井喷流体液柱最高点水平进入所述小型望远镜。

进一步地，所述结构支架和活动臂的底部均设置为弧形，且所述活动臂的底部与所述结构支架的底部相切，所述活动臂底部向前延伸设置有防止所述活动臂与所述结构支架发生前后晃动的弧形限位块。

进一步地，所述动镜采用起到聚光调焦增大显示的凸透镜，所述固定镜采用半透半反的平面镜。

进一步地，所述小型望远镜的放大倍数为10～60倍，长度为所述结构支架高度的1/2，镜筒目镜直径为所述结构支架高度的1/8。

进一步地，所述活动臂上设置有用于通过旋转与所述结构支架进行固定的螺丝。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本实用新型将难以直接测量的液柱高度转化为倾角测量，此过程只需测量井喷液柱高点角度，不需测量到平台实际距离，减小因恶劣海况给激光脉冲仪测量距离带来的环境误差，克服直接距离测量受环境影响大，误差严重的弊端。本实用新型的角度测量与观测船航向、航速无关，无需观测船停船观测，设备使用便利，操作简单，可以广泛应用于海洋石油天然气井钻井井喷流体液柱高度测量中。

附图说明

图1是本实用新型的测量装置结构示意图；

图2是本实用新型的倾角测量装置结构示意图；

图3是本实用新型的倾角测量装置测量原理示意图；

图4是本实用新型的液柱高度计算原理图；

图5是本实用新型中船体摇动示意图，其中，图5中的(a)为船体发生横摇示意图，图5中的(b)为船体发生纵倾示意图；

图6是本实用新型井喷事故点处于三观测点连线的延长线上时的液柱高度计算原理图；

图7是本实用新型船体航向处于以井喷事故点为圆心，之间距离为半径的圆周切线上的液柱高度计算原理图。

具体实施方式

以下结合附图来对本实用新型进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供的基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置，包括至少三台倾角测量装置1(本实施例的倾角测量装置1数量为三台，以此为例)、一信号调理与预处理装置2、一数据采集单元3和一计算机4，其中，三台倾角测量装置1沿观测船的船体方向等间隔固定设置在船体上，且三台倾角测量装置1 沿同一条直线等高度排列。

如图2所示，每一台倾角测量装置1均包括结构支架11、活动臂12、高点观测镜 13、角度测量传感器14、动镜15、小型望远镜16和固定镜17。结构支架11背面活动连接活动臂12，活动臂12顶端固定设置高点观测镜13，高点观测镜13为用于观测井喷液柱最高点的反射镜。活动臂12上还固定设置有角度测量传感器14。结构支架 11上端设置有用于容置高点观测镜13的通孔，高点观测镜13可以在上述通孔内转动。结构支架11上活动设置有动镜14，动镜14可以采用凸透镜，动镜14可以在一定范围内转动起到聚光调焦增大显示，提高清晰度的作用。结构支架11上还固定设置有小型望远镜16和固定镜17，需要保证小型望远镜16和固定镜17位于同一水平直线上。其中，固定镜17可以采用半透半反的平面镜，保证能够将依次经高点观测镜13和动镜14反射的井喷流体液柱最高点水平进入小型望远镜16。

每一角度测量传感器14均连接信号调理与预处理装置2，每一角度测量传感器14 获取角度测量值发送到信号调理与预处理装置2，信号调理与预处理装置2将接收的角度测量值进行处理后由数据采集采集单元3发送到计算机4，其中，信号调理与预处理装置2可以采用现有的装置，用于去除杂波影响，增强有效信号强度，最大限度的减小风力或人为因素对测量结果的影响。

优选地，结构支架11和活动臂12底部均设置为弧形，且活动臂12的底部与结构支架11的底部相切，活动臂12的底部向前延伸设置有弧形限位块121，弧形限位块 121为了防止活动臂12与结构支架11发生前后晃动。

优选地，小型望远镜16的放大倍数可以选用10～60倍，大小应适应结构支架11 大小，长度约为结构支架11高度的1/2，镜筒目镜直径约为结构支架11高度的1/8。

优选地，活动臂12可以设置有固定螺丝，在观测角度调整完毕后，旋转固定螺丝将活动臂12固定在结构支架11上，减小因手动操作造成的人为误差。

优选地，结构支架11上还可以设置有若干减重孔18和手握孔19。

优选地，角度测量传感器14可以采用50Hz交变信号，每一秒钟可以输出50次角度测量值，即可以计算50次井喷流体液柱高度。

优选地，数据采集单元3还采集观测船体自身传感器用于反映观测船船体状态数据，船体状态数据包括船体甲板高度h，船体吃水深度h1，角度测量传感器的高度h2，船体横摇角度θ1和船体纵倾角度θ2，保证船体状态数据与倾角数据处于同一时刻，船体自身传感器为观测船本身具备的传感器，在此不再赘述。

下面通过具体实施例详细说明本实用新型的基于船体自由度海上钻井井喷流体液柱高度采集装置的使用过程，具体为：

1、如图1所示，将三台倾角测量装置1固定安装在观测船的船体上，三台倾角测量装置1等间隔沿船体方向同一直线排列。

2、将各倾角测量装置1分别连接信号调理与预处理装置2，并将信号调理与预处理装置2、数据采集单元3和计算机4依次连接，并对各个设备进行开机自检。

3、如图3所示，将三台倾角测量装置1的小型望远镜16均水平放置，同时对准井喷流体低点位置，调节活动臂12使高点观测镜13对准井喷流体高点位置，转动动镜14使光线水平传入小型望远镜11，此时井喷流体液柱所成角度为δ，活动臂12转过角度为ω，经计算δ＝2ω，角度测量传感器14实时将采集的角度测量值发送到信号调理与预处理装置2，信号调理与预处理装置2将采集的信号处理后通过数据采集单元3发送到计算机4，同时计算机4还通过数据采集单元3获取观测船的船体状态信息。

4、计算机4用于对角度测量值和船体状态信息进行处理，得到井喷流体液柱高度数据，具体过程为：

如图3、图4所示，观测点间距为d，船体甲板高度h，吃水为h1，角度测量传感器高度为h2，从观测船上3个观测点观测倾角值分别为α1，α2，α3。根据三角函数基本定理可得：

在三角形ABD与三角形ACD中分别应用余弦定理可得：

联立式(2)与式(3)可得：

联立式(1)与式(4)可得角度测量传感器以上高度H为：

所以，井喷液柱总高度H总为：

考虑船体发生横摇，如图5中的(a)所示，横摇角度为θ1，倾角测量装置所测角度变为原角度加横摇角度，故计算时应减去横摇角度，所以考虑到船体横摇井喷液柱高度 H总为：

考虑船体发生纵倾，如图5中的(b)所示，纵倾角度为θ2，倾角测量装置不同处于同一水平线上，所以考虑船体纵倾井喷液柱高度H总为：

进一步地，如图6所示，若井喷事故点处于三观测点连线的延长线上时，根据三角函数相关变化，只需要任意两个观测点角度数据即可完成高度测量，例如取A，B 两个观测点计算：

L1与L2间间隔为d，因此有

L1-L2＝d (10)

将公式(9)带入公式(10)中得

同理，取B，C两点得计算公式为：

同理，取A，C两点的计算公式为：

进一步地，若船体航向处于以井喷事故点为圆心，之间距离为半径的圆周切线上，只需中间观测点与边缘任意一个观测点测量角度数据即可完成高度测量，如图7所示， A为边缘任意一个观测点，B为中间观测点，具体过程为：

AB＝d，带入直角三角形ABD中，可得：

求解公式(16)得：

综上得到高度计算公式为

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。