呂 濤 徐長航 陳國明 劉紅兵,3 梁學(xué)滔 劉 飛

(1.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心 山東青島 266580；2.山東海洋工程裝備研究院有限公司 山東青島 266555；3.哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150001)

在海洋平臺上布置鉆修機(jī)模塊以開展鉆完井及修井作業(yè)是海上油氣開采的常規(guī)模式。由于井架的載荷、結(jié)構(gòu)和材料在整個生命周期內(nèi)均存在較大不確定性和變異性，研究其長期服役過程中的結(jié)構(gòu)安全性能具有重要工程意義。此外，海上作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，且在作業(yè)過程中常發(fā)生卡鉆、鉤載過大等應(yīng)急工況，需要建立一套結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測體系以保障其作業(yè)安全。

建立反映井架力學(xué)性能的有限元模型是評估其結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵。常規(guī)模型修正方法主要有矩陣型修正法及參數(shù)型修正法[1-2]?；诮Y(jié)構(gòu)靜、動力測試的有限元模型修正法構(gòu)建了一個包含靜動力信息的目標(biāo)函數(shù)，克服了單獨(dú)運(yùn)用靜力或動力測試數(shù)據(jù)的不足[3]，利用該方法進(jìn)行井架結(jié)構(gòu)安全評估可以為結(jié)構(gòu)評級及監(jiān)測布點(diǎn)優(yōu)化提供支持。國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性[4]、極限承載能力[5]、可靠性[6]等方面開展了大量基礎(chǔ)理論研究，分析了相關(guān)井架設(shè)計及評級規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上對評估方法及流程進(jìn)行了規(guī)范化研究[7]。

目前，針對井架的健康檢測大多為定期開展的結(jié)構(gòu)檢測，工作繁瑣、時效性低[8]。另一方面，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對鉆修機(jī)井架的評定偏重于外觀查測、簡易診斷和一般處置與預(yù)防等幾個方面。從檢測的內(nèi)容來看，主要是井架結(jié)構(gòu)承載構(gòu)件的變形、損傷、磨損、腐蝕等，診斷結(jié)論大多偏重于定性分析，無法對井架的具體狀態(tài)進(jìn)行精確描述[9]。而井架結(jié)構(gòu)是長期服役的大型鋼架結(jié)構(gòu)，實(shí)時判斷其客觀狀態(tài)，不僅與其結(jié)構(gòu)狀態(tài)相關(guān)，而且受作業(yè)工況影響，須對井架結(jié)構(gòu)的作業(yè)過程進(jìn)行更為嚴(yán)格的實(shí)時、在線、長期監(jiān)測。

目前海洋結(jié)構(gòu)物監(jiān)測大多是對某些獨(dú)立信號或參數(shù)的離散收集，而非對多類傳感器信號的實(shí)時采集與同步分析，且對結(jié)構(gòu)作業(yè)過程中健康監(jiān)測、評估預(yù)警方面研究較少[10]。本文通過系統(tǒng)開展監(jiān)測方案優(yōu)化設(shè)計、監(jiān)測數(shù)據(jù)評估方法、實(shí)時監(jiān)測預(yù)警等方面的研究，結(jié)合信息化技術(shù)開發(fā)了一套海洋鉆修機(jī)井架作業(yè)全過程結(jié)構(gòu)承載監(jiān)測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于我國南海文昌A平臺修井機(jī)井架作業(yè)過程，在完成井架評級的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了對井架作業(yè)全過程進(jìn)行有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及預(yù)警。

1 監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 整體方案設(shè)計

海洋鉆修機(jī)井架結(jié)構(gòu)安全承載監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的核心流程如下：通過精確評估井架的力學(xué)性能，合理設(shè)計及優(yōu)化監(jiān)測方案，從而搭建適用于海洋環(huán)境的監(jiān)測硬件系統(tǒng)來采集井架作業(yè)過程的實(shí)時數(shù)據(jù)，最終建立信息化系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)實(shí)時后處理，實(shí)現(xiàn)對井架的實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警，具體包括方案設(shè)計、硬件集成、信息化系統(tǒng)開發(fā)等3個過程要素(圖1)。

圖1 海洋鉆修機(jī)井架結(jié)構(gòu)安全承載監(jiān)測系統(tǒng)整體方案設(shè)計Fig.1 Monitoring scheme design of structure safe bearing capacity for offshore drilling derrick

1)方案設(shè)計：井架工程檢測結(jié)果與基于設(shè)計值建模得到的仿真結(jié)果一般存在較大偏差，這主要是由于有限元模型中采用簡化假定及井架服役過程中局部損傷、整體老化引起的。在綜合有限元分析和靜動力測試的基礎(chǔ)上，引入反演思想，通過對分析模型進(jìn)行修正，建立能夠反映井架工程狀態(tài)的模型，在此基礎(chǔ)上開展正常作業(yè)、應(yīng)急作業(yè)工況下的力學(xué)性能研究，為傳感器布點(diǎn)優(yōu)化和預(yù)警安全閾值的建立提供理論支持。

2)硬件集成：搭建可實(shí)現(xiàn)對影響井架結(jié)構(gòu)安全的各類輸出響應(yīng)同步采集的硬件監(jiān)測體系，并實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測信號進(jìn)行初步濾波、相關(guān)性分析等預(yù)處理。進(jìn)一步采用無線傳感技術(shù)，滿足監(jiān)測的遠(yuǎn)距離、高精度、長期在線、低作業(yè)干涉性的技術(shù)要求。

3)信息化系統(tǒng)開發(fā)：監(jiān)測系統(tǒng)提供了實(shí)時、多特征及海量的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一套高性能的數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)，使系統(tǒng)能高效、可靠地長期在線采集、分析、處理及存儲數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可針對不同類型井架給出監(jiān)測推薦方案，并充分利用由監(jiān)測信息構(gòu)成的井架狀況數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和信息可視化、應(yīng)急預(yù)警功能，進(jìn)一步可為結(jié)構(gòu)損傷及剩余壽命評估提供參考。

1.2 監(jiān)測方案實(shí)施

以南海文昌A平臺修井機(jī)井架為對象(圖2)。該修井機(jī)現(xiàn)已服役9年，采用直立、前開口、無繃?yán)K結(jié)構(gòu)，主要由井架下體、井架上體、天車、人字架、井架支座及二層工作臺等組成，最大鉤載1 350 kN。

圖2 南海文昌A平臺修井機(jī)井架Fig.2 A workover rig derrick in Wenchang,South China Sea

監(jiān)測內(nèi)容分別為井架關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變及結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)，所采用的檢測系統(tǒng)為美國BDI STS-WiFi無線結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)。由于傳感器的布置方案直接影響井架承載能力監(jiān)測及評估結(jié)果的可信度，因此，結(jié)合API規(guī)范[8]及修正模型力學(xué)分析結(jié)果對傳感器布點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化?？紤]了作業(yè)載荷(恒載、立根載荷等)與環(huán)境載荷(風(fēng)載)作用，建立井架有限元模型，并針對標(biāo)準(zhǔn)推薦的靜載荷工況、等候天氣工況、保全設(shè)備工況以及卡鉆過載應(yīng)急工況分別進(jìn)行強(qiáng)度安全校核。由于篇幅所限，僅選取保全設(shè)備工況及卡鉆過載工況下的井架有限元分析結(jié)果(圖3)進(jìn)行示例說明。

圖3 南海文昌A平臺修井機(jī)井架結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析結(jié)果Fig.3 Finite element stress analysis of A workover rig derrick structure in Wenchang,South China Sea

由有限元分析結(jié)果可知，井架保全設(shè)備工況下最大應(yīng)力發(fā)生在井架下體第3橫梁附近，卡鉆過載及靜載荷工況下最大應(yīng)力發(fā)生在上體第3根橫梁附近。各工況下最大應(yīng)力均在井架開口處主承載梁上且具有對稱性。因此，通過有限元分析對測點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，可以將標(biāo)準(zhǔn)推薦的8個測點(diǎn)減少為2個，在不影響監(jiān)測評估精度的基礎(chǔ)上降低了經(jīng)濟(jì)成本。具體布點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 南海文昌A平臺修井機(jī)井架傳感器布點(diǎn)Fig.4 Sensor placement of A workover rig derrick in Wenchang,South China Sea

1.3 關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)研究

1.3.1基于參數(shù)反演的模型修正

參數(shù)反演是根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測數(shù)據(jù)(輸出項)反推造成結(jié)構(gòu)響應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、約束等輸入項?；陟o力測試得到的應(yīng)力可以反映局部構(gòu)件的損傷、載荷作用等，而基于動力測試得到的動力學(xué)參數(shù)可以反映結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)特性[11]。采用隨機(jī)減量法對監(jiān)測加速度信號進(jìn)行特征函數(shù)提取，進(jìn)一步應(yīng)用時序分析法、復(fù)指數(shù)法進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)識別，從而得到井架結(jié)構(gòu)固有頻率[12]。進(jìn)一步將固有頻率作為模型整體修正數(shù)據(jù)，并與理論計算得到的固有頻率殘差最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，修正參數(shù)以結(jié)構(gòu)質(zhì)量密度和質(zhì)量分布為主；將靜載測試得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)作為模型局部修正數(shù)據(jù)，并將實(shí)測應(yīng)力與理論計算應(yīng)力殘差作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，修正參數(shù)以結(jié)構(gòu)的彈性模量和剛度為主。

模型修正的實(shí)質(zhì)是以設(shè)計參數(shù)與測試參數(shù)為基礎(chǔ)，在滿足約束條件、相聯(lián)性調(diào)節(jié)、正交條件的基礎(chǔ)上逐步對設(shè)計參數(shù)進(jìn)行迭代，屬于參數(shù)優(yōu)化的范疇，因此引入基于自適應(yīng)遺傳算法[13]進(jìn)行迭代的設(shè)計參數(shù)型修正方法對井架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行修正。工程實(shí)測的井架前兩階固有頻率分別為1.627 9、2.048 2 Hz；模型修正前的前兩階固有頻率分別為1.940 6、2.213 8 Hz；模型修正后的前兩階固有頻率分別為1.780 2、2.030 9 Hz。通過對比可知，修正后的仿真模型和工程結(jié)構(gòu)的最大模態(tài)相對誤差由19.21%下降到9.36%，驗證了模型修正的可靠性。進(jìn)一步對比修正后的有限元模型應(yīng)力計算結(jié)果與工程實(shí)測結(jié)果(表1),可以看出，經(jīng)過聯(lián)合靜動力模型修正后，現(xiàn)場測試應(yīng)力值與對應(yīng)測點(diǎn)單元的有限元計算結(jié)果之間的相對誤差很小，說明加載測試的可靠性高，這也從另一方面驗證了有限元分析結(jié)果的可信度。

表1 井架現(xiàn)場測試應(yīng)力值與修正后有限元計算應(yīng)力值結(jié)果對比Table 1 Stress comparisons between the measured values and the calculated values of the modified finite element model

1.3.2基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始預(yù)應(yīng)力預(yù)測

應(yīng)變傳感器在布點(diǎn)之前，井架承受由自重引起的初始應(yīng)力，因此傳感器布點(diǎn)后實(shí)際檢測到的應(yīng)力值并不是井架真實(shí)應(yīng)力值，而是真實(shí)應(yīng)力值減去初始應(yīng)力值。由不同類型井架的有限元評估結(jié)果顯示，初始應(yīng)力占靜力測試中極限載荷下最大應(yīng)力的10.3%～21.7%，忽略這部分初始應(yīng)力值會造成承載能力評價結(jié)果過高。然而，初始應(yīng)力很難通過測試獲得，為此本文提出在建立井架數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上引入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[14]完成初始應(yīng)力預(yù)測。

通過訓(xùn)練提高BP網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶和預(yù)測能力，根據(jù)系統(tǒng)輸入(不同井架類型參數(shù))輸出序列(井架預(yù)測初始應(yīng)力)確定網(wǎng)絡(luò)輸入層、隱含層、輸出層的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定合適的學(xué)習(xí)速率和神經(jīng)元激勵函數(shù)。根據(jù)輸入向量x，輸入層和隱含層間連接權(quán)wij以及隱含層閾值a，確定隱含層輸出H,即

(i=1,2,…,n;j=1,2,…,l)

(1)

式(1)中:f為隱含層激勵函數(shù);l為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù);n為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，設(shè)定連接權(quán)值wij和輸出層閾值b初始值，進(jìn)一步計算預(yù)測輸出Ok,即

(2)

式(2)中：m為輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)。

通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輸出和期望輸出計算網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差e。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測誤差e及式(3)～(6)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值wij、wjk以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)閾值a、b的更新，即

(i=1,2,…，n；j=1,2,…l)

(3)

(j=1,2,…,l;k=1,2,…,m)

(4)

(j=1,2,…,l)

(5)

(6)

式(3)～(6)中:′為數(shù)據(jù)的更新;β為學(xué)習(xí)速率。

這樣，根據(jù)所設(shè)定的閾值控制整個網(wǎng)絡(luò)層間的迭代計算，最終輸出滿足預(yù)測精度的相關(guān)初始應(yīng)力值。

結(jié)合有限元分析結(jié)果以及各類型井架結(jié)構(gòu)調(diào)研結(jié)果，將以下幾種參數(shù)作為自變量：上下體類型、測點(diǎn)位置、初始鉤載、有效繩數(shù)、上體質(zhì)量、下體質(zhì)量、二層臺質(zhì)量、天車質(zhì)量、截面長寬厚、偏心位置。應(yīng)用有限元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，考慮不同條件參數(shù)的不同組合，提取監(jiān)測點(diǎn)桿件上的3個應(yīng)力分力，即軸向應(yīng)力以及平面2個方向的彎曲應(yīng)力。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練后分別輸出監(jiān)測點(diǎn)位置的3個預(yù)應(yīng)力。由于篇幅所限，僅給出工程實(shí)例的井架測點(diǎn)位置軸向應(yīng)力預(yù)測值與目標(biāo)值對比(圖5)，以及綜合應(yīng)力預(yù)測值相對誤差(圖6)。經(jīng)分析，訓(xùn)練成功的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值對于1202個測試樣本的計算值誤差較小，相對誤差在±2.5%之內(nèi)，驗證了所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以很好地學(xué)習(xí)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力隨質(zhì)量、截面等參數(shù)的變化規(guī)律，在不對井架進(jìn)行精細(xì)有限元評估的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精確預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)初始應(yīng)力。

圖5 井架監(jiān)測點(diǎn)位置軸向應(yīng)力預(yù)測值與目標(biāo)值對比Fig.5 Axial stress comparison of prediction value and target value at monitoring point

圖6 井架監(jiān)測點(diǎn)位置綜合應(yīng)力預(yù)測值相對誤差Fig.6 Relative error of comprehensive stress predicted value at monitoring point

將預(yù)測模型應(yīng)用于修井機(jī)井架的初始應(yīng)力預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如表2所示，可以看出井架自重和所受恒載在井架上、下體對應(yīng)測點(diǎn)引起的軸向應(yīng)力分別為-23.626、-26.307 MPa，與有限元精細(xì)模型計算得到的初始應(yīng)力相對誤差分別僅為0.63%、0.80%。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測井架初始應(yīng)力Table 2 Prediction of initial stress of derrick using BP neural network

2 信息化系統(tǒng)開發(fā)

采用C/S(客戶端/服務(wù)器)模式進(jìn)行海洋鉆修機(jī)井架承載能力監(jiān)測評定信息化系統(tǒng)的開發(fā)，依據(jù)具有針對性的井架結(jié)構(gòu)安全承載能力監(jiān)測與評定分析方法[8-9]，結(jié)合監(jiān)測硬件系統(tǒng)對海洋鉆修機(jī)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體評估與實(shí)時監(jiān)測管理。該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是通過采集并實(shí)時處理能夠反映海洋鉆修機(jī)井架結(jié)構(gòu)承載能力狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)井架承載性能評級、關(guān)鍵構(gòu)件安全性能評估、承載能力實(shí)時監(jiān)測以及安全預(yù)警等多種功能，從而為井架正常安全作業(yè)以及養(yǎng)護(hù)與維修提供可靠的科學(xué)依據(jù)。該系統(tǒng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫層、井架監(jiān)測方案設(shè)計層、井架承載能力鉆前評定與實(shí)時監(jiān)測層等3個層次結(jié)構(gòu)，具體工作流程如圖7所示。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫層主要包括鉆修機(jī)井架基本信息庫、狀態(tài)性能數(shù)據(jù)庫、維修數(shù)據(jù)庫、事故數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫、檢測數(shù)據(jù)庫等，還包括對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理、查詢、更新、交換的數(shù)據(jù)操作平臺。這些數(shù)據(jù)是構(gòu)成鉆修機(jī)井架監(jiān)測分析數(shù)字化系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性、有效性、實(shí)時性程度直接決定了海洋鉆修機(jī)井架承載能力監(jiān)測與評估信息化系統(tǒng)的有效性。

井架監(jiān)測方案設(shè)計層包括井架測點(diǎn)布置優(yōu)化，該層包含井架模型數(shù)據(jù)庫，對不同類型的井架傳感器布點(diǎn)位置提供參考，從有限元分析最優(yōu)測點(diǎn)推薦、歷史測點(diǎn)推薦、損傷井架測點(diǎn)推薦等3個方面對測點(diǎn)布置提出方案，并考慮現(xiàn)場傳感器安裝的局限性，對無法安裝在最優(yōu)位置的測點(diǎn)提供檢測結(jié)果偏差曲線。

井架承載能力評定基于國內(nèi)外現(xiàn)有井架評級規(guī)范。與傳統(tǒng)靜力測試不同的是，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在不影響正常作業(yè)的前提下完成井架等級實(shí)時評定(圖8)。

井架承載能力實(shí)時監(jiān)測層重點(diǎn)針對不同正常鉆井工況、突發(fā)應(yīng)急工況，可實(shí)現(xiàn)井架承載能力實(shí)時監(jiān)測，并從關(guān)鍵構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩個方面對井架作業(yè)過程的安全性能進(jìn)行實(shí)時分析和評估。

圖7 井架承載能力監(jiān)測與評定信息化系統(tǒng)工作流程Fig.7 Information system workflow of derrick bearing capacity monitoring and evaluation

圖8 井架承載能力監(jiān)測與評定信息化系統(tǒng)界面Fig.8 Information system interface of derrick bearing capacity monitoring and evaluation

3 工程應(yīng)用

3.1 承載能力等級評定

依據(jù)相關(guān)規(guī)范[9]，井架承載能力等級評定須在靜力測試的基礎(chǔ)上完成，但由于測試會對鉆完井作業(yè)產(chǎn)生影響，因此必須在井架作業(yè)前完成。本文建立的監(jiān)測系統(tǒng)由于選取的載荷為井架作業(yè)載荷，因此與井架作業(yè)互不影響，且結(jié)合信息化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)井架評級的實(shí)時性。

針對南海文昌A平臺修井機(jī)井架，靜力測試中加載載荷須大于設(shè)計載荷的25%，井架的設(shè)計載荷為1 350 kN。在下隔水套管工況時，井架不承受轉(zhuǎn)矩,所受載荷穩(wěn)定，且隨著下隔水管長度的增加載荷線性增加，因此將該工況作為評價承載能力的測試工況，分別選取大鉤載荷為351、392、433、474、517、698、830、874、920、960 kN等10種載荷工況為評級工況。由于篇幅所限，僅選取系統(tǒng)實(shí)時采集到的井架上體4個傳感器應(yīng)變變化曲線(圖9)及后處理得到的B3271傳感器載荷-應(yīng)變曲線(圖10)進(jìn)行分析說明。

由圖9可得，隨著隔水管下放深度的增加，最大應(yīng)變呈線性增加，且在各應(yīng)變峰值區(qū)域存在平穩(wěn)的區(qū)間，該區(qū)間井架載荷可認(rèn)為是恒定的，適用于井架評級。從圖10可以看出，各測點(diǎn)載荷-應(yīng)變關(guān)系曲線線性關(guān)系良好，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99以上，驗證了所測數(shù)據(jù)的精度較高以及將隔水管下放動力過程作為承載能力評級工況的可行性。為了對井架承載能力進(jìn)行精確評估，利用各測點(diǎn)應(yīng)變-載荷的回歸關(guān)系對測試結(jié)果進(jìn)行了線性外推，得出在額定載荷1 350 kN 作用下的最大綜合應(yīng)力為142.3 MPa，其強(qiáng)度校核系數(shù)為0.728，因此該平臺修井機(jī)井架評級為A級。

圖9 南海文昌A平臺修井機(jī)井架上體4個傳感器不同載荷作用下應(yīng)變實(shí)時曲線Fig.9 Real-time strain curves of four sensors on the upper derrick under different loads in A workover rig derrick of Wenchang,South China Sea

圖10 南海文昌A平臺修井機(jī)B3271傳感器應(yīng)變與載荷對應(yīng)關(guān)系Fig.10 Corresponding relationship between strain and load of B3271 sensor in a workover rig derrick of Wenchang,South China Sea

3.2 井架實(shí)時監(jiān)測

集成實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)與信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時追蹤作業(yè)全過程井架各力學(xué)性能的變化情況，進(jìn)一步指導(dǎo)作業(yè)參數(shù)的設(shè)定，保證鉆井作業(yè)的可控性。通過基于修正模型的井架評估得到不同工況下結(jié)構(gòu)安全預(yù)警閾值，通過預(yù)警系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)過程中出現(xiàn)超出設(shè)計范圍的參數(shù)，從而避免鉆井作業(yè)過程中出現(xiàn)的事故。依據(jù)井架工作性能將預(yù)警系統(tǒng)劃分為四級狀態(tài)[15]。

在南海文昌A平臺修井機(jī)井架作業(yè)過程中，其最大大鉤鉤載出現(xiàn)在下φ70.2 cm(30 in)隔水導(dǎo)管時(鉆進(jìn)深度236 m，作業(yè)時長28.5 h)，最大鉤載960 kN。本文建立的信息化系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測曲線為2個監(jiān)測點(diǎn)的強(qiáng)度UC值和穩(wěn)定性UC值,運(yùn)行時取二者中值較大的一項作為工作狀態(tài)判斷，當(dāng)UC<0.7時，為正常狀態(tài)，測點(diǎn)顏色指示為綠色，表示作業(yè)正常；當(dāng)0.7≤UC<0.9時,為一級告警狀態(tài)，測點(diǎn)顏色指示為藍(lán)色，表示應(yīng)力達(dá)到一級報警，提醒操作人員注意；當(dāng)0.9≤UC<1時，為二級告警狀態(tài)，測點(diǎn)顏色指示為黃色，表示實(shí)測應(yīng)力接近許用應(yīng)力，提醒操作人員必須減輕大鉤載荷；當(dāng)UC≥1時，為三級告警狀態(tài)，測點(diǎn)顏色指示為紅色，這時表示應(yīng)力超過安全值或者發(fā)生了異常情況，操作人員立即停鉆并采取應(yīng)急安全措施。這樣，在不影響該平臺修井機(jī)井架作業(yè)情況下實(shí)現(xiàn)了對井架作業(yè)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測，并且在確保結(jié)構(gòu)安全前提下有效指導(dǎo)了卡鉆，鉤載過大等應(yīng)急工況下的井架作業(yè)。

4 結(jié)論

為保障海洋鉆修井機(jī)井架作業(yè)過程中的結(jié)構(gòu)安全，以南海文昌A平臺修井機(jī)井架為對象，從監(jiān)測方案設(shè)計與實(shí)施、關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)研究、信息化系統(tǒng)開發(fā)及工程應(yīng)用等方面開展了研究，結(jié)果表明：采用結(jié)合靜動力測試的模型修正方法，可以實(shí)現(xiàn)存在缺陷井架的結(jié)構(gòu)狀態(tài)精確識別與安全評估；針對初始應(yīng)力難以獲取這一難題，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型形成初始應(yīng)力預(yù)測方法是可行的，且具有較高預(yù)測精度；基于C/S模式開發(fā)的井架承載能力實(shí)時監(jiān)測與評定信息化系統(tǒng)，與相關(guān)硬件設(shè)備有較好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)多類型信息實(shí)時采集、數(shù)據(jù)庫管理、監(jiān)測方案制定、井架承載能力等級評定以及結(jié)構(gòu)實(shí)時監(jiān)測預(yù)警等功能，在不影響井架作業(yè)情況下可以監(jiān)測井架作業(yè)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)健康狀況，并且在確保結(jié)構(gòu)安全前提下指導(dǎo)卡鉆、鉤載過大等應(yīng)急工況下的井架作業(yè)。