金學(xué)義 董海濤 何 軻 盛磊祥 許亮斌 王海燕

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201； 2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院 陜西西安 710072；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

深水隔水管是深水油氣鉆探開發(fā)的先決條件，在惡劣的海洋環(huán)境下，易遭遇疲勞失效等事故，導(dǎo)致巨額經(jīng)濟損失和嚴重生態(tài)災(zāi)難。深水隔水管監(jiān)測是科學(xué)分析隔水管穩(wěn)定性、評估其疲勞壽命的前提和基礎(chǔ)，是降低失效風(fēng)險、預(yù)防事故發(fā)生、確保安全服役的重要環(huán)節(jié)，對深水安全作業(yè)具有重要的意義[1-3]。

隔水管監(jiān)測技術(shù)是完整性管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在國外已有多年歷史[4-5]。相關(guān)技術(shù)主要被國外2H 海洋工程公司(2H Offshore)、康斯伯格(Kongsberg)等公司壟斷，技術(shù)使用成本高，核心技術(shù)、數(shù)據(jù)等對國內(nèi)仍持封鎖、保密狀態(tài)。隨著“863”計劃和國家科技重大專項的相繼出臺以及海洋強國戰(zhàn)略的提出，以“奮進號”鉆井平臺南海開鉆為標(biāo)志，中國邁進深水油氣鉆探開發(fā)的新紀元。研究深水隔水管監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，是油氣鉆探邁進深水的必經(jīng)之路，是維護海洋管線服役安全與完整的必然之策。2008年6月，在“南海深海油氣田開發(fā)的關(guān)鍵工程與基礎(chǔ)科學(xué)問題”論壇上，與會專家提出加強海洋管線監(jiān)測技術(shù)以及安全與風(fēng)險管理等方面的研究。隨后由中海油研究總院牽頭立項，西北工業(yè)大學(xué)承擔(dān)技術(shù)攻關(guān)與研制，從“十一五”末期至“十三五”，經(jīng)過各參研單位不懈努力，突破了隔水管多點力學(xué)傳感、參數(shù)檢測與處理、深水無線遙感、低功耗監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)，形成了中國自主知識產(chǎn)權(quán)的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)核心技術(shù)成果[6-10]。研制了一套滿足3 000 m水深多點力學(xué)同步監(jiān)測的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)，打破了長期以來國外的技術(shù)壟斷，并先后在“奮進號”“海洋石油982”“興旺號”等鉆井平臺成功開展了多次千米以上的深水鉆井現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)測，具備了推廣應(yīng)用的條件。

本文根據(jù)中國海洋石油鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析了中國現(xiàn)階段隔水管監(jiān)測系統(tǒng)與國外公司的優(yōu)勢與差距，并就未來的發(fā)展方向給出若干建議，以期促進擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的隔水管監(jiān)測技術(shù)持續(xù)發(fā)展，為深水油氣鉆探開發(fā)提供技術(shù)支持。

1 深水鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)概述

深水鉆井隔水管是連接海上鉆井平臺與海底之間的重要紐帶，在鉆井、完井和修井，生產(chǎn)和回注，輸出/輸入或循環(huán)流體等方面發(fā)揮重要作用[3]。然而隔水管的橫向尺度遠小于縱向尺度，為細長撓性結(jié)構(gòu)體，在大水深條件下其受到波浪、海流等環(huán)境載荷的影響，平臺拖曳、線內(nèi)拖曳、橫向振動、線內(nèi)振動等導(dǎo)致隔水管在水下力學(xué)響應(yīng)復(fù)雜，直接影響到鉆井作業(yè)的安全與高效。為了提高深水鉆井隔水管的安全可靠性，通過科學(xué)的手段來管理和保障安全作業(yè)是必然的選擇，因此隔水管完整性管理[11-13]被重點關(guān)注。隔水管完整性管理是指隔水管整個服役期內(nèi)的一個動態(tài)循環(huán)過程的持續(xù)管理評估，其關(guān)鍵是對在役管線信息的持續(xù)監(jiān)測分析，通過沿管道按一定規(guī)則布放測點，采集重要的信息參數(shù)，獲取管線作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進而分析管線結(jié)構(gòu)缺陷或疲勞、評估所處風(fēng)險等級，做到科學(xué)地防患于未然。

1.1 深水鉆井隔水管監(jiān)測參數(shù)

深水鉆井隔水管疲勞包括波激疲勞和渦激疲勞。波激疲勞主要由波浪循環(huán)載荷和鉆井平臺運動引起；渦激疲勞主要由海流引起。目前，國內(nèi)外對隔水管完整性管理主要以渦激疲勞監(jiān)測[13-14]為主，如挪威船級社(Det Norske Veritas，DNV)、美國石油協(xié)會(American Petroleum Institute，API)、麻省理工學(xué)院(Massachu-setts Institute of Technology，MIT)等機構(gòu)已開展了以渦激振動(Vortex-Induced Vibration，VIV)疲勞監(jiān)測為主的海洋管線完整性管理技術(shù)研究。因此深水鉆井隔水管監(jiān)測參數(shù)主要圍繞渦激疲勞監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包含結(jié)構(gòu)響應(yīng)和海洋環(huán)境兩類。其中結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要包含應(yīng)變類參數(shù)和運動類參數(shù)，需要關(guān)注隔水管運動狀態(tài)的力學(xué)響應(yīng)、動態(tài)響應(yīng)以及空間姿態(tài)剖面等；海洋環(huán)境主要關(guān)注管線周圍的海流波浪載荷。主要監(jiān)測參數(shù)與傳感方式如下：

1)應(yīng)變類參數(shù)監(jiān)測。應(yīng)變類參數(shù)是分析隔水管疲勞壽命的重要參數(shù)，其優(yōu)點在于數(shù)據(jù)量較小、算法簡單，主要包括管道應(yīng)變和彎矩等。目前主要采用的傳感技術(shù)基于電學(xué)應(yīng)變片以及光纖光柵應(yīng)變計兩大類。電學(xué)應(yīng)變片功耗小，但抗干擾能力相對較差，而新型光纖光柵傳感器[15-17]具有傳感動態(tài)范圍大，受水下環(huán)境影響小的優(yōu)勢，在強電磁環(huán)境下也可以穩(wěn)定工作，更加適用于隔水管安全監(jiān)測，其缺點在于安裝復(fù)雜、費用高、功耗較大，多井連續(xù)監(jiān)測的持續(xù)能力不足。目前，國外研制的基于光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)傳感器的隔水管應(yīng)變監(jiān)測儀已取得廣泛應(yīng)用，中國深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)采用布拉格光纖光柵傳感原理。

2)運動類參數(shù)監(jiān)測。運動類參數(shù)包含三維加速度(Acceleration，ACC)、傾角和位移等[8,18-20]，分別由相應(yīng)的傳感器進行采集，用于分析隔水管渦激振動(VIV)。隔水管的運動和應(yīng)變可以互算，與應(yīng)變類參數(shù)采集相比，運動類參數(shù)采集十分方便，只要將內(nèi)置微機電系統(tǒng)(Microelectro Mechanical Systems，MEMS)傳感器及附屬器件的防腐耐壓的密閉罐與隔水管硬連接，便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集作業(yè)，是海洋管線完整性監(jiān)測應(yīng)用最廣泛的方法。該方法的不足是評估隔水管疲勞需要大量數(shù)據(jù)且數(shù)據(jù)處理過程比較復(fù)雜，且由于管線的傾斜和彎曲，重力加速度作為噪聲混雜在所采集的管線加速數(shù)據(jù)中，一般需要增加傾角和角速率信息以優(yōu)化數(shù)據(jù)分析，從而更加準(zhǔn)確地對隔水管的VIV動態(tài)響應(yīng)進行分析。

3)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。風(fēng)浪、海流是反應(yīng)海洋環(huán)境的重要參數(shù)。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測主要是監(jiān)測管線周圍的海流參數(shù)，其中海流流速是被廣泛應(yīng)用于隔水管響應(yīng)分析的重要指標(biāo)，可以用于VIV的評估和管線偏移估算。海流流速監(jiān)測一般分為面流速監(jiān)測和點流速監(jiān)測[20]。聲學(xué)多普勒剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler，ADCP)精度高，能滿足剖面流和點流速測量，是目前監(jiān)測應(yīng)用最廣的儀器，但價格昂貴。

4)位置監(jiān)測。位置監(jiān)測主要監(jiān)測隔水管空間姿態(tài)剖面。目前，位置監(jiān)測主要通過對水下測點實時定位，結(jié)合隔水管傾角、轉(zhuǎn)角和平臺實時GPS位置信息進行計算，給出隔水管空間姿態(tài)剖面。如康斯伯格的4監(jiān)測系統(tǒng)通過平臺浮箱下的雙接收系統(tǒng)完成對測點水聲信號的短基線定位[21]。

由于完整性監(jiān)測是一個全面的、綜合的管理評估過程，信息的完整性是基礎(chǔ)，多參數(shù)同步協(xié)同監(jiān)測是必然要求，測點數(shù)量越多信息越完整，分析結(jié)果越準(zhǔn)確。監(jiān)測測點和監(jiān)測參數(shù)的增多同樣會帶來監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜化與高成本化，如何折衷平臺作業(yè)效率與監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)雜度是該系統(tǒng)面向應(yīng)用的一個重要問題。給出了2H海洋工程公司的隔水管疲勞監(jiān)測實踐情況部分統(tǒng)計[22]如表1所示，其監(jiān)測的隔水管類型包括常規(guī)鉆井隔水管(Drilling Riser，DR)、鋼懸鏈管(Steel Catenary Riser,SCR)、頂部張緊隔水管(Top Tensioned Drilling Riser，TTR)等，最深應(yīng)用2 350 m，其監(jiān)測參數(shù)的選取主要以ACC和應(yīng)變?yōu)楹诵?，輔以ADCP的海流流速、底部以及頂部傾角監(jiān)測，單次測量最多可包括20個ACC測點和5個應(yīng)變測點。

表1 2H Offshore開展的隔水管VIV監(jiān)測實例情況統(tǒng)計[22]

1.2 深水鉆井隔水管監(jiān)測模式

從監(jiān)測模式來講，可通過監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸獲取劃分為離線監(jiān)測、聯(lián)機監(jiān)測和無線遙感監(jiān)測3類[22]。離線監(jiān)測主要采用機械傳輸法，即將固定在隔水管外壁的監(jiān)測設(shè)備由遙控?zé)o人潛水器(Remote Operated Vehicle，ROV)卸載取回或隔水管回收時人工卸載后，將數(shù)據(jù)讀入監(jiān)控中心進行聯(lián)機評估分析，如圖1a所示。聯(lián)機監(jiān)測主要采用有線傳輸法，即數(shù)據(jù)記錄儀采集的數(shù)據(jù)通過電纜或光纜傳輸接入監(jiān)控中心聯(lián)機評估分析，如圖1b所示。無線遙感監(jiān)測采用無線傳輸方法，將數(shù)據(jù)記錄儀所采集的數(shù)據(jù)通過水聲通信的方式傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，如圖1c所示。3種監(jiān)測模式的優(yōu)缺點比較見表2，相較離線監(jiān)測和聯(lián)機監(jiān)測而言，無線遙感模式可以讓隔水管完整性監(jiān)測更加高效便捷，可以降低安裝成本及占用井口時間，是監(jiān)測模式的未來發(fā)展趨勢。

表2 3種傳輸模式的優(yōu)缺點比較

圖1 3種監(jiān)測模式示意圖

國外如2H Offshore、Kongsberg等已建立較為完善的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)，其中對大數(shù)據(jù)量的三維ACC、應(yīng)變參數(shù)，目前仍采用離線模式與聯(lián)機模式；無線遙感目前僅應(yīng)用于隔水管底部撓性接頭轉(zhuǎn)角[23]、防噴器(Blow-out Preventer，BOP)控制[24]和平臺定位[25]等小數(shù)據(jù)量監(jiān)測信息傳輸。盡管國外已實施了多次隔水管的現(xiàn)場監(jiān)測實踐，但是考慮作業(yè)成本，目前隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用推廣仍然不足。在常規(guī)情況下，平臺考慮便捷性一般僅配備動力定位相關(guān)的的無線遙感底部轉(zhuǎn)角、BOP控制和平臺定位系統(tǒng)。然而，隨著作業(yè)水深增加，隔水管的疲勞失效風(fēng)險陡增，隔水管疲勞損傷實時監(jiān)測與評估對現(xiàn)場作業(yè)意義重大，具有準(zhǔn)實時優(yōu)點的無線遙感監(jiān)測在應(yīng)用中更具優(yōu)勢[26-28]。2019年美國通用電氣公司申請了基于無線遙感技術(shù)的隔水管監(jiān)測方法美國專利[29]，但是該方法目前還未見在實際監(jiān)測系統(tǒng)中得到定型應(yīng)用?？紤]多參數(shù)同步協(xié)同監(jiān)測下的數(shù)據(jù)獲取，在時間、帶寬和能耗等資源受限的情況下多測點大數(shù)據(jù)量的水聲傳輸問題仍是無線遙感監(jiān)測面向應(yīng)用的一個挑戰(zhàn)性問題。

1.3 深水鉆井隔水管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與處理

監(jiān)測提供了隔水管在實際服役條件下的現(xiàn)場響應(yīng)數(shù)據(jù)，但是由于管線材料本構(gòu)關(guān)系和結(jié)構(gòu)損傷演化的非線性與隨機性，真實的結(jié)構(gòu)異常狀態(tài)通常隱藏于監(jiān)測數(shù)據(jù)之后。數(shù)據(jù)處理，即挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)所蘊藏的結(jié)構(gòu)損傷信息并提取損傷敏感特征，是進一步實現(xiàn)隔水管損傷識別與安全評估的基礎(chǔ)。

運動監(jiān)測與應(yīng)變監(jiān)測是深水隔水管完整性監(jiān)測的核心，數(shù)據(jù)方法主要有：

1)應(yīng)變類數(shù)據(jù)的處理，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，然后利用Miner法則和應(yīng)力-壽命曲線(S-N曲線)計算疲勞。

2)運動類數(shù)據(jù)處理方面，因直接監(jiān)測隔水管位移存在困難，由加速度積分得到位移依然是目前工程應(yīng)用中最主要的方法。加速度到位移需2次濾波和2次積分。積分擴大低頻誤差，而濾波器的低頻截止頻率，既不能太高將信號濾除，又不能過低而增大誤差。目前的VIV識別主要方法有[30-33]：基于峰度的VIV識別方法、基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform Algorithm，F(xiàn)FT)的VIV識別方法、基于Welch方法的VIV識別、基于有限元分析(Finite Element Analysis，F(xiàn)EA)的VIV識別方法、基于模態(tài)分解和重構(gòu)(Modal Decomposition and Reconstruction，MDR)的VIV識別方法等。此外，B.M.Gravier 等將希爾伯特黃變換(Hilbert-Huang Transform，HHT)[34]用于研究隔水管的響應(yīng)模態(tài)分解，分析各響應(yīng)模態(tài)的時間分布。Huang Chaojun將二階修正小波盲辨識(Wavelet Modified Second Order Blind Identification，WMSOBI)[35]用于分析VIV響應(yīng)模態(tài)，并提出復(fù)合WMSOBI分析行波振動響應(yīng)并盲識別疲勞損傷位置。Mukundan提出了響應(yīng)重構(gòu)算法[36]，根據(jù)加速度數(shù)據(jù)得出隔水管整體的疲勞壽命。H.Mukundan[37]用相同的方法研究高次諧波對隔水管疲勞壽命的影響。T.Srivilairit和L.Manuel[38]提出經(jīng)驗正交分解(Proper Orthogonal Decomposition，POD)來識別隔水管VIV的主模態(tài)。

3)海流數(shù)據(jù)以及位置數(shù)據(jù)主要用于VIV的評估和管線偏移估計。

目前對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理手段仍然傳統(tǒng)，事實上隨著信息融合以及人工智能領(lǐng)域的發(fā)展，多參數(shù)融合、大數(shù)據(jù)分析將為隔水管監(jiān)測帶來新的方向，目前國內(nèi)外典型成果還未見報道。對于此，一方面要加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，同時應(yīng)盡早布局相關(guān)方向的研究。

2 中國深水鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)進展

2.1 中國深水鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)概述

中國深水鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)研究起步于“十一五”末期，由中海油研究總院牽頭，西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院海洋智能感知與網(wǎng)絡(luò)團隊承擔(dān)技術(shù)攻關(guān)與研制，復(fù)合了離線監(jiān)測模式與水聲無線遙感監(jiān)測模式，經(jīng)過“十二五”與“十三五”十多年科技攻堅，先后解決了隔水管多點力學(xué)傳感、參數(shù)檢測與處理、深水無線遙感、低功耗監(jiān)測[6-10,16-17]等關(guān)鍵技術(shù)，形成了中國自主知識產(chǎn)權(quán)的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)核心技術(shù)成果。面向應(yīng)用需求，通過模塊化、集成化設(shè)計，研制了1套滿足3 000 m水深多點力學(xué)同步監(jiān)測的隔水管監(jiān)測系統(tǒng)，打破了長期以來國外的技術(shù)壟斷，并先后在“奮進號”“海洋石油982”“興旺號”等鉆井平臺成功開展了多次千米以上水深的鉆井現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)測，已基本具備了推廣應(yīng)用的條件。系統(tǒng)可通過模塊化集成實現(xiàn)對隔水管的振動、位移、應(yīng)力、轉(zhuǎn)角及海流流速等參數(shù)的組合監(jiān)測，平臺中控完整性管理模塊可根據(jù)任務(wù)生成同步采集與傳輸指令，利用水聲雙向通信機遙控水下各測點將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_完整性管理軟件數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對隔水管的在線完整性分析與管理，監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)工作原理框圖

2.2 深水鉆井隔水管監(jiān)測系統(tǒng)性能指標(biāo)及技術(shù)創(chuàng)新

給出了中國深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)主要性能指標(biāo)與國外2H Offshore與Konsberg監(jiān)測系統(tǒng)的性能指標(biāo)對比，如表3所示。可以看出，在傳感方面，中國自主研發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)已具備全參量的同步傳感能力，相比國外公司產(chǎn)品監(jiān)測參數(shù)更加完整；對于監(jiān)測模式則以水聲無線遙感監(jiān)測模式為主，復(fù)合離線監(jiān)測模式的同步存儲，監(jiān)測模式更加靈活；為了避免與“奮進號”等平臺配備的Konsberg動力定位系統(tǒng)相互干擾，特別區(qū)分了水聲通信的調(diào)制方式與通信頻段。其他主要的功能參數(shù)如下：

表3 監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)對比

1)監(jiān)測系統(tǒng)目前耐壓殼體結(jié)構(gòu)可以滿足3 000 m水深工作要求，配備的水聲通信系統(tǒng)最大傳輸距離已超過6 000 m，后續(xù)再研制5 000 m深水工作僅需優(yōu)化耐壓殼體即可。

2)供電系統(tǒng)可支持監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)工作時間大于60 d(數(shù)據(jù)監(jiān)測周期60 min)。

3)底部傾角監(jiān)測系統(tǒng)具有預(yù)警功能，當(dāng)?shù)撞績A角超過設(shè)定值后水下裝置自主切換至預(yù)警模式，以1 s周期持續(xù)向平臺發(fā)送實時角度信息。

4)具備定向遙控及監(jiān)測測點數(shù)量可擴展功能。

主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

1)雙向遙控的隔水管多點力學(xué)同步監(jiān)測技術(shù)。通過對監(jiān)測系統(tǒng)進行體系化軟件架構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化了系統(tǒng)各個功能模塊工作模式，采用常規(guī)監(jiān)測模式與預(yù)警模式，通過雙向遙控實現(xiàn)功能開啟、切換、關(guān)閉等。提升了對重點區(qū)域、關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測的靈活性，拓展了監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用功能，提升監(jiān)測的效率與效能。

2)3 000 m水深多測點有限帶寬信息傳輸復(fù)用技術(shù)。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括有限帶寬時分復(fù)用技術(shù)、3 000 m水深耐壓封裝技術(shù)和3 000 m水深通信傳輸技術(shù)。在通信帶寬極窄條件下，采用高效的信號處理技術(shù)，避免了多測點之間的信號干擾，誤碼率仍能夠達到數(shù)據(jù)級通信要求。

3)深水FBG應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)。建立了溫度和壓力補償條件下的應(yīng)力、應(yīng)變理論模型，使用全金屬封裝替代環(huán)氧樹脂封裝試制傳感器，大大改善了傳感器的滯后性和蠕變性。內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)中雙層膠點的創(chuàng)新設(shè)計使得傳感器的設(shè)計耐壓達30 MPa，并使得水壓不會直接作用在光柵上，提高了傳感器的生存能力。

4)水下信息處理裝置的低功耗技術(shù)。通過選擇低功耗的芯片和睡眠/喚醒的低功耗的工作模式2種方式來降低監(jiān)測系統(tǒng)的功耗，延長系統(tǒng)的使用壽命。系統(tǒng)監(jiān)測時的功耗為0.075 W，睡眠時的功耗為0.005 W。

5)模塊化集成技術(shù)。采用模塊化設(shè)計，分別研制了渦激振動測量模塊、轉(zhuǎn)角監(jiān)測模塊、流速測量模塊、應(yīng)力測量模塊、電源模塊、深水垂直通信模塊、平臺顯控模塊、GPS/北斗定位模塊等。在模塊化的基礎(chǔ)上，用戶可以根據(jù)需求自由將若干參數(shù)組合監(jiān)測，不僅可以用于隔水管疲勞壽命分析，還可以對管線姿態(tài)進行預(yù)警?？芍С衷O(shè)定離線監(jiān)測模式和無線遙感監(jiān)測模式，每個測點最大支持3個外部獨立數(shù)據(jù)接口。監(jiān)測系統(tǒng)目前在純離線監(jiān)測模式下最大支持配置3種獨立的傳感器進行數(shù)據(jù)采集存儲；離線監(jiān)測模式下，系統(tǒng)可以自主采存監(jiān)測數(shù)據(jù)；無線遙感監(jiān)測模式可支持2種獨立的傳感器和外伸獨立的水聲傳輸模塊，實時傳輸監(jiān)測信息至平臺中控完整性管理軟件。通過模塊化設(shè)計，在實際應(yīng)用中可根據(jù)任務(wù)任意配置多傳感器組合監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測模式更加靈活，自由度更高。

6)系統(tǒng)耐壓殼體及夾裝工具設(shè)計、優(yōu)化、防腐技術(shù)。考慮系統(tǒng)輕量化設(shè)計，采用航空鋁材整削加工，通過設(shè)置堆場與月池協(xié)作的安裝模式，單個測點的月池作業(yè)時間不超過10 min，大幅降低了井口占用時間；通過對比測試新的防腐蝕保護方法，對各測點均增加陽極保護措施和涂裝技術(shù)，從2018年“奮進號”試驗結(jié)果看，試驗系統(tǒng)回收后無明顯腐蝕。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)海試情況

隔水管監(jiān)測系統(tǒng)已先后在“奮進號”“海洋石油982”和“興旺號”等鉆井平臺完成了多次千米以上水深的監(jiān)測作業(yè)。

1)2012年7月于“奮進號”鉆井平臺，通過操控平臺移動對第一代原型樣機進行現(xiàn)場測試。試驗?zāi)康氖窃O(shè)計鉆井平臺通過移動對隔水管傾角進行測試——平臺向前移動約12m，傾角變化大約為1°。試驗人員通過無線遙感方式對平臺移動產(chǎn)生的隔水管傾斜進行了傾角實時監(jiān)測。試驗結(jié)果與平臺Konsberg監(jiān)測系統(tǒng)進行了對比(Konsberg井口傾角測量結(jié)果為0°→0.9°→0.1°，樣機水下60 m測試結(jié)果為0°→0.85°→0.10°)，驗證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

2)2014年10月至12月，再次于“奮進號” 鉆井平臺，對隔水管監(jiān)測系統(tǒng)工程樣機(第二代樣機)進行現(xiàn)場測試。該次試驗分別在水下布放VIV+流速監(jiān)測測點以及應(yīng)力+VIV監(jiān)測測點，2個監(jiān)測測點試驗現(xiàn)場如圖3所示。VIV傳感模塊、無線通信模塊、水下控制模型以及電源模塊集成為一個監(jiān)測裝置，流速監(jiān)測模塊(ADCP)采用外伸支架的方式安裝以期更準(zhǔn)確監(jiān)測流場變化，應(yīng)力監(jiān)測模塊(FBG)通過剛性連接，其監(jiān)測原理與加裝現(xiàn)場如圖4所示。

圖3 監(jiān)測測點平臺現(xiàn)場試驗

圖4 布拉格光纖光柵(FBG)的隔水管應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

測點每間隔1h同步采集隔水管的振動、應(yīng)力、流速等參數(shù)，通過水聲通信機分時傳回監(jiān)測數(shù)據(jù)。這是該系統(tǒng)首次在超過千米的水深作業(yè)條件下開展的隔水管監(jiān)測海上試驗，并成功獲取了完整的試驗數(shù)據(jù)，測試了安裝方法的可行性與實效性、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)在水中工作的可靠性等，驗證了系統(tǒng)樣機的監(jiān)測性能，為隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的定型和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。試驗中圍繞信息傳輸?shù)目煽啃砸喟l(fā)現(xiàn)了隔水管浮力塊遮擋問題，在隔水管一定姿態(tài)下通信鏈路存在不可靠的情況?；诖?，后續(xù)通過將水聲通信模型分離的方式進行優(yōu)化，利用固定外伸式支架解決了遮擋的問題。

3)2015年7月25日至8月16日對正在進行鉆井作業(yè)(水深1 380 m)的“興旺號”鉆井平臺完成了6個測點的同步力學(xué)監(jiān)測作業(yè)。此次海試是深水鉆井隔水管監(jiān)測系統(tǒng)布放測點最多、監(jiān)測參數(shù)最完整的一次全作業(yè)周期海上試驗。在模塊化設(shè)計下，分離了水聲通信模塊，根據(jù)監(jiān)測任務(wù)配置了7 套工程樣機組合監(jiān)測設(shè)備，海上試驗現(xiàn)場如圖5所示。通過采用外伸式通信機，有效地規(guī)避了隔水管浮力塊遮擋問題，保證了水下通信機的姿態(tài)保持問題，確保穩(wěn)定地發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)的監(jiān)測模式也可以更加的靈活。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)多傳感組合集成的監(jiān)測現(xiàn)場

本次海試完成了對隔水管下放、連接、鉆井作業(yè)、拖航和提升各階段的實時監(jiān)測，利用時分復(fù)用技術(shù)實時獲取了各測點在所有階段完整的VIV、應(yīng)力、底部轉(zhuǎn)角、流速、上部撓性接頭轉(zhuǎn)角以及井口方位等數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)了與隔水管完整性管理軟件之間的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞，通過對峰度和頻譜分析可觀測到隔水管在不同時刻發(fā)生了多模態(tài)VIV振動。底部傾角數(shù)據(jù)，3 min采集1次，正常情況下每小時傳輸1次，預(yù)警狀態(tài)下，連續(xù)發(fā)送。從7月29日到8月16日的全周期角度監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，在整個海試期間，隔水管底部轉(zhuǎn)角一直在安全范圍內(nèi)，沒有預(yù)警情況發(fā)生?？梢钥吹皆O(shè)備入水、下隔水管、BOP坐底、常規(guī)作業(yè)、臺風(fēng)影響和起隔水管整個過程中角度變化情況，同時在過程中與平臺Konsberg監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行了對比驗證。以水下2號測點為例，給出全周期監(jiān)測的隔水管每日應(yīng)力統(tǒng)計情況如圖7所示。監(jiān)測結(jié)果表明：在下放及回收隔水管時應(yīng)力總體波動較大，BOP坐底后相對應(yīng)力波動較小，隔水管底部(測點2)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果總體小于上部(測點4)應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果。

圖6 作業(yè)期間隔水管底部傾角的監(jiān)測結(jié)果及對比驗證

圖7 作業(yè)期間隔水管應(yīng)力監(jiān)測情況

此外，依托相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，進一步推廣應(yīng)用于海底管線懸跨監(jiān)測[40]、防臺風(fēng)應(yīng)急狀態(tài)下的隔水管軟懸掛監(jiān)測[41]、水下溢流監(jiān)測等。“十三五”期間核心突破了雙向遙控關(guān)鍵技術(shù)，通過設(shè)計平臺中控與各監(jiān)測測點上下行無線通信遙控傳輸協(xié)議體系，大大增加了對重點區(qū)域監(jiān)測的靈活性。在此基礎(chǔ)上，以美國石油協(xié)會API標(biāo)準(zhǔn)定型監(jiān)測系統(tǒng)各模塊，并在“奮進號”“海洋石油982”等鉆井平臺成功開展了3次應(yīng)用試驗，目前正在積極開展多井連續(xù)監(jiān)測、軟懸掛防臺應(yīng)急監(jiān)測[42]等應(yīng)用驗證。

2.4 隔水管典型狀態(tài)下的VIV分析

由圖6可知，隔水管在入水下放、連接作業(yè)等狀態(tài)下底部傾角變化具有明顯的差異性，其中隔水管下放過程中角度變化相對平穩(wěn)，BOP坐底期間狀態(tài)有明顯的躍變，連接狀態(tài)(常規(guī)作業(yè))時角度波動相對較大。因此本節(jié)圍繞實測監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對隔水管入水下放中間狀態(tài)、BOP對接懸掛狀態(tài)以及常規(guī)作業(yè)期間的連接狀態(tài)進行VIV分析，認知完整作業(yè)期間隔水管典型狀態(tài)下的VIV激勵特性。給出了隔水管系統(tǒng)的固有頻率如表4所示，其為評估固有頻率是否被VIV激勵的依據(jù)。

表4 深水鉆井隔水管系統(tǒng)的固有頻率

1)隔水管入水下放狀態(tài)的VIV分析。

選取測點BOP位于中間深度時的一組監(jiān)測數(shù)據(jù)，采樣頻率5 Hz，分別對加速度傳感器水平x軸(ACCX)和y軸(ACCY)加速度數(shù)據(jù)進行角度旋轉(zhuǎn)，結(jié)合流速數(shù)據(jù)對其進行分析，搜索VIV特征參數(shù)，分析每個旋轉(zhuǎn)角度對應(yīng)的信號頻譜特征和數(shù)量，信號頻率不滿足VIV的約束條件。因此，此時隔水管未發(fā)生VIV現(xiàn)象。

2)隔水管懸掛狀態(tài)下的VIV分析。

當(dāng)全部隔水管單根、配長安裝完畢，BOP位于井口附近，尚未與井口連接時，即為懸掛狀態(tài)。對x、y軸加速度數(shù)據(jù)其進行旋轉(zhuǎn)分析，搜索VIV特征參數(shù)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為86°時，對其進行特征提取，結(jié)果見表5，表中F1、F2代表頻率(Hz)；A1、A2代表加速度振幅(m/s2)。根據(jù)流速特征，對其進一步分析，可知ACCX-F1約為ACCY-F1的8倍，可知其是ACCY-F1的8次諧波，進而斷定ACCY-F1為垂直海流方向(CF方向)振動，ACCX-F1為海流流向(IL方向)振動，其他參數(shù)不滿足VIV約束條件。最后根據(jù)ACCX-F1和ACCY-F1，重構(gòu)VIV如圖8所示，將其CF方向振動頻率與表格4中的隔水管固有頻率對比進行模態(tài)判別，發(fā)現(xiàn)其介于第1～2階固有頻率之間，與第1階固有頻率相距較近，所以第1階固有頻率被激勵而參與VIV。同理，IL方向振動頻率近似等于第19階固有頻率，所以第18～20階固有頻率可能被激勵。識別結(jié)果為隔水管VIV發(fā)生鎖定(Lock-in)現(xiàn)象。

表5 懸掛狀態(tài)隔水管數(shù)據(jù)的特征提取結(jié)果

圖8 懸掛狀態(tài)鉆井隔水管VIV識別結(jié)果

3)隔水管連接狀態(tài)下的VIV分析。

選取多組監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對其x、y軸加速度數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn)分析，搜索并提取VIV特征參數(shù)，其中存在未識別VIV狀態(tài)，如圖9所示，分別為其中4組識別的VIV結(jié)果重構(gòu)。可以看出，其加速度軌跡表現(xiàn)為不同的形態(tài)，其中圖9b不能稱為嚴格意義上的VIV，從圖9d中，可以發(fā)現(xiàn)一種水滴形狀的VIV加速度軌跡，其與文獻[39]中VIV模型試驗結(jié)果相符。

圖9 連接狀態(tài)鉆井隔水管VIV識別結(jié)果

海上試驗結(jié)果表明：深水隔水管服役期間，VIV的發(fā)生是概率事件，非必然事件，但發(fā)生的概率較高。其中，隔水管VIV發(fā)生是概率事件的結(jié)論與BP[27]的監(jiān)測結(jié)論相同。

3 中國深水隔水管監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展思考

經(jīng)過十多年的發(fā)展，圍繞中國深水隔水管監(jiān)測技術(shù)研究已取得矚目的成果，中國自主知識產(chǎn)權(quán)的深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)也即將邁入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。在分析國外相關(guān)技術(shù)，并結(jié)合我們在海上試驗現(xiàn)場的經(jīng)驗與教訓(xùn)，以及中國海洋石油工業(yè)的發(fā)展趨勢，在今后的工作中，給出以下發(fā)展的思考與建議。

3.1 監(jiān)測設(shè)備小型化與輕型化

監(jiān)測設(shè)備的小型化與輕型化是需要著重考慮的問題，主要考慮數(shù)據(jù)監(jiān)測以及設(shè)備安裝兩方面。對于數(shù)據(jù)監(jiān)測，隔水管自身的質(zhì)量與附加質(zhì)量是分析隔水管的動態(tài)響應(yīng)特別是渦激振動的重要參數(shù)。因為監(jiān)測設(shè)備硬連接于管線外壁，增加了相應(yīng)位置的附加質(zhì)量，將影響管線的動態(tài)響應(yīng)，所以為保證動靜態(tài)響應(yīng)不失真，監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量應(yīng)盡可能小。設(shè)備的安裝必須滿足可靠性、簡便性及安全性等3個指標(biāo)。首先，監(jiān)測設(shè)備與管線之間確保硬連接，在管線長期運動中不松動、不脫落；其次，海洋工程的作業(yè)計費以分鐘為單位，價格高昂，縮短安裝時間就是提高效益，設(shè)備務(wù)必要便于操作；最后，隔水管處于運動中，監(jiān)測設(shè)備的體積與質(zhì)量過大將會導(dǎo)致其安裝和拆卸極為不便，裝卸過程中一旦發(fā)生裝備墜落，撞擊到其他部件，也將造成嚴重事故。

3.2 監(jiān)測智能化

近年來，隨著“數(shù)字海洋”向“智慧海洋”的快速推進，更高效、更智能的監(jiān)測方式成為未來發(fā)展趨勢。從發(fā)展的角度看，智能監(jiān)測是深水隔水管監(jiān)測的未來方向。2020年，國家自然科學(xué)基金委將《油氣領(lǐng)域人工智能基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)》列入重點項目領(lǐng)域指南，這吹響了中國對油氣開發(fā)智能監(jiān)測的新號角。在中國當(dāng)前深水隔水管監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，新的智能在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展需要被重視，在科技進步不斷發(fā)展的同時，著眼未來發(fā)展方向的提前布局是中國趕超國外海洋強國的必由之路。綜合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理手段仍然比較單一，事實上隨著信息融合以及人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，隔水管完整性監(jiān)測智能化發(fā)展必將要成為新的方向。發(fā)展智能化在線監(jiān)測的前提是大數(shù)據(jù)的累積，但是現(xiàn)階段實測數(shù)據(jù)的積累仍然很少，這需要加大監(jiān)測系統(tǒng)在各石油平臺的應(yīng)用推廣，同時對智能在線監(jiān)測的相關(guān)研究也要盡早布局。

4 結(jié)束語

隔水管監(jiān)測是為深水油氣鉆采提供安全保障的一項前瞻性的跨學(xué)科技術(shù)。本文圍繞中國深水鉆井隔水管監(jiān)測技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，系統(tǒng)地介紹了深水隔水管監(jiān)測技術(shù)的進展情況。多次監(jiān)測作業(yè)的成功實施不僅為深水鉆井隔水管的安全作業(yè)提供了可靠的技術(shù)保障，也為隔水管的完整性管理提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?！笆濉逼陂g，雙向遙控關(guān)鍵技術(shù)取得突破，通過設(shè)計平臺中控與各監(jiān)測測點上下行無線通信遙控傳輸協(xié)議體系，大大增加了對重點區(qū)域監(jiān)測的靈活性，拓展監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用功能，提升了監(jiān)測的效率與效能。此外，依托相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，進一步推廣應(yīng)用于海底管線懸跨監(jiān)測、防臺風(fēng)應(yīng)急狀態(tài)下的隔水管軟懸掛監(jiān)測、水下溢流監(jiān)測等。今后將進一步加強監(jiān)測系統(tǒng)及其技術(shù)成果的應(yīng)用推廣，積極布局開展對智能在線監(jiān)測的相關(guān)研究。