中國深水鉆井隔水管監測技術研究進展*

金學義 董海濤 何 軻 盛磊祥 許亮斌 王海燕

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

深水隔水管是深水油氣鉆探開發的先決條件，在惡劣的海洋環境下，易遭遇疲勞失效等事故，導致巨額經濟損失和嚴重生態災難。深水隔水管監測是科學分析隔水管穩定性、評估其疲勞壽命的前提和基礎，是降低失效風險、預防事故發生、確保安全服役的重要環節，對深水安全作業具有重要的意義[1-3]。

隔水管監測技術是完整性管理的關鍵環節，在國外已有多年歷史[4-5]。相關技術主要被國外2H 海洋工程公司(2H Offshore)、康斯伯格(Kongsberg)等公司壟斷，技術使用成本高，核心技術、數據等對國內仍持封鎖、保密狀態。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略的提出，以“奮進號”鉆井平臺南海開鉆為標志，中國邁進深水油氣鉆探開發的新紀元。研究深水隔水管監測關鍵技術，是油氣鉆探邁進深水的必經之路，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的關鍵工程與基礎科學問題”論壇上，與會專家提出加強海洋管線監測技術以及安全與風險管理等方面的研究。隨后由中海油研究總院牽頭立項，西北工業大學承擔技術攻關與研制，從“十一五”末期至“十三五”，經過各參研單位不懈努力，突破了隔水管多點力學傳感、參數檢測與處理、深水無線遙感、低功耗監測等關鍵技術，形成了中國自主知識產權的隔水管監測系統核心技術成果[6-10]。研制了一套滿足3 000 m水深多點力學同步監測的隔水管監測系統，打破了長期以來國外的技術壟斷，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場作業監測，具備了推廣應用的條件。

本文根據中國海洋石油鉆井隔水管監測技術發展現狀，對比分析了中國現階段隔水管監測系統與國外公司的優勢與差距，并就未來的發展方向給出若干建議，以期促進擁有自主知識產權的隔水管監測技術持續發展，為深水油氣鉆探開發提供技術支持。

1 深水鉆井隔水管監測技術概述

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，生產和回注，輸出/輸入或循環流體等方面發揮重要作用[3]。然而隔水管的橫向尺度遠小于縱向尺度，為細長撓性結構體，在大水深條件下其受到波浪、海流等環境載荷的影響，平臺拖曳、線內拖曳、橫向振動、線內振動等導致隔水管在水下力學響應復雜，直接影響到鉆井作業的安全與高效。為了提高深水鉆井隔水管的安全可靠性，通過科學的手段來管理和保障安全作業是必然的選擇，因此隔水管完整性管理[11-13]被重點關注。隔水管完整性管理是指隔水管整個服役期內的一個動態循環過程的持續管理評估，其關鍵是對在役管線信息的持續監測分析，通過沿管道按一定規則布放測點，采集重要的信息參數，獲取管線作業狀態監測數據進而分析管線結構缺陷或疲勞、評估所處風險等級，做到科學地防患于未然。

1.1 深水鉆井隔水管監測參數

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，國內外對隔水管完整性管理主要以渦激疲勞監測[13-14]為主，如挪威船級社(Det Norske Veritas，DNV)、美國石油協會(American Petroleum Institute，API)、麻省理工學院(Massachu-setts Institute of Technology，MIT)等機構已開展了以渦激振動(Vortex-Induced Vibration，VIV)疲勞監測為主的海洋管線完整性管理技術研究。因此深水鉆井隔水管監測參數主要圍繞渦激疲勞監測，監測內容包含結構響應和海洋環境兩類。其中結構響應主要包含應變類參數和運動類參數，需要關注隔水管運動狀態的力學響應、動態響應以及空間姿態剖面等；海洋環境主要關注管線周圍的海流波浪載荷。主要監測參數與傳感方式如下：

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

2)運動類參數監測。運動類參數包含三維加速度(Acceleration，ACC)、傾角和位移等[8,18-20]，分別由相應的傳感器進行采集，用于分析隔水管渦激振動(VIV)。隔水管的運動和應變可以互算，與應變類參數采集相比，運動類參數采集十分方便，只要將內置微機電系統(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，便可實現數據采集作業，是海洋管線完整性監測應用最廣泛的方法。該方法的不足是評估隔水管疲勞需要大量數據且數據處理過程比較復雜，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據中，一般需要增加傾角和角速率信息以優化數據分析，從而更加準確地對隔水管的VIV動態響應進行分析。

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

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

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

表1 2H Offshore開展的隔水管VIV監測實例情況統計[22]

1.2 深水鉆井隔水管監測模式

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

表2 3種傳輸模式的優缺點比較

圖1 3種監測模式示意圖

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

1.3 深水鉆井隔水管監測數據分析與處理

監測提供了隔水管在實際服役條件下的現場響應數據，但是由于管線材料本構關系和結構損傷演化的非線性與隨機性，真實的結構異常狀態通常隱藏于監測數據之后。數據處理，即挖掘監測數據所蘊藏的結構損傷信息并提取損傷敏感特征，是進一步實現隔水管損傷識別與安全評估的基礎。

運動監測與應變監測是深水隔水管完整性監測的核心，數據方法主要有：

1)應變類數據的處理，將應變轉換為應力，然后利用Miner法則和應力-壽命曲線(S-N曲線)計算疲勞。

2)運動類數據處理方面，因直接監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，FFT)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，FEA)的VIV識別方法、基于模態分解和重構(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模態分解，分析各響應模態的時間分布。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響應模態，并提出復合WMSOBI分析行波振動響應并盲識別疲勞損傷位置。Mukundan提出了響應重構算法[36]，根據加速度數據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]提出經驗正交分解(Proper Orthogonal Decomposition，POD)來識別隔水管VIV的主模態。

3)海流數據以及位置數據主要用于VIV的評估和管線偏移估計。

目前對于監測數據的分析處理手段仍然傳統，事實上隨著信息融合以及人工智能領域的發展，多參數融合、大數據分析將為隔水管監測帶來新的方向，目前國內外典型成果還未見報道。對于此，一方面要加強監測數據的積累，同時應盡早布局相關方向的研究。

2 中國深水鉆井隔水管監測技術進展

2.1 中國深水鉆井隔水管監測技術概述

中國深水鉆井隔水管監測技術研究起步于“十一五”末期，由中海油研究總院牽頭，西北工業大學航海學院海洋智能感知與網絡團隊承擔技術攻關與研制，復合了離線監測模式與水聲無線遙感監測模式，經過“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傳感、參數檢測與處理、深水無線遙感、低功耗監測[6-10,16-17]等關鍵技術，形成了中國自主知識產權的隔水管監測系統核心技術成果。面向應用需求，通過模塊化、集成化設計，研制了1套滿足3 000 m水深多點力學同步監測的隔水管監測系統，打破了長期以來國外的技術壟斷，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場作業監測，已基本具備了推廣應用的條件。系統可通過模塊化集成實現對隔水管的振動、位移、應力、轉角及海流流速等參數的組合監測，平臺中控完整性管理模塊可根據任務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測數據傳輸到平臺完整性管理軟件數據庫，實現對隔水管的在線完整性分析與管理，監測系統的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 深水隔水管監測系統工作原理框圖

2.2 深水鉆井隔水管監測系統性能指標及技術創新

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

表3 監測系統的關鍵性能指標對比

1)監測系統目前耐壓殼體結構可以滿足3 000 m水深工作要求，配備的水聲通信系統最大傳輸距離已超過6 000 m，后續再研制5 000 m深水工作僅需優化耐壓殼體即可。

2)供電系統可支持監測系統連續工作時間大于60 d(數據監測周期60 min)。

3)底部傾角監測系統具有預警功能，當底部傾角超過設定值后水下裝置自主切換至預警模式，以1 s周期持續向平臺發送實時角度信息。

4)具備定向遙控及監測測點數量可擴展功能。

主要關鍵技術如下：

1)雙向遙控的隔水管多點力學同步監測技術。通過對監測系統進行體系化軟件架構設計，優化了系統各個功能模塊工作模式，采用常規監測模式與預警模式，通過雙向遙控實現功能開啟、切換、關閉等。提升了對重點區域、關鍵參數監測的靈活性，拓展了監測系統的應用功能，提升監測的效率與效能。

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

3)深水FBG應力應變監測技術。建立了溫度和壓力補償條件下的應力、應變理論模型，使用全金屬封裝替代環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。內部封裝結構中雙層膠點的創新設計使得傳感器的設計耐壓達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。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種方式來降低監測系統的功耗，延長系統的使用壽命。系統監測時的功耗為0.075 W，睡眠時的功耗為0.005 W。

5)模塊化集成技術。采用模塊化設計，分別研制了渦激振動測量模塊、轉角監測模塊、流速測量模塊、應力測量模塊、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。在模塊化的基礎上，用戶可以根據需求自由將若干參數組合監測，不僅可以用于隔水管疲勞壽命分析，還可以對管線姿態進行預警。可支持設定離線監測模式和無線遙感監測模式，每個測點最大支持3個外部獨立數據接口。監測系統目前在純離線監測模式下最大支持配置3種獨立的傳感器進行數據采集存儲；離線監測模式下，系統可以自主采存監測數據；無線遙感監測模式可支持2種獨立的傳感器和外伸獨立的水聲傳輸模塊，實時傳輸監測信息至平臺中控完整性管理軟件。通過模塊化設計，在實際應用中可根據任務任意配置多傳感器組合監測設備，監測模式更加靈活，自由度更高。

6)系統耐壓殼體及夾裝工具設計、優化、防腐技術。考慮系統輕量化設計，采用航空鋁材整削加工，通過設置堆場與月池協作的安裝模式，單個測點的月池作業時間不超過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，從2018年“奮進號”試驗結果看，試驗系統回收后無明顯腐蝕。

2.3 監測系統海試情況

隔水管監測系統已先后在“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測作業。

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場測試。試驗目的是設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生的隔水管傾斜進行了傾角實時監測。試驗結果與平臺Konsberg監測系統進行了對比(Konsberg井口傾角測量結果為0°→0.9°→0.1°，樣機水下60 m測試結果為0°→0.85°→0.10°)，驗證了監測數據的有效性。

2)2014年10月至12月，再次于“奮進號” 鉆井平臺，對隔水管監測系統工程樣機(第二代樣機)進行現場測試。該次試驗分別在水下布放VIV+流速監測測點以及應力+VIV監測測點，2個監測測點試驗現場如圖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測裝置，流速監測模塊(ADCP)采用外伸支架的方式安裝以期更準確監測流場變化，應力監測模塊(FBG)通過剛性連接，其監測原理與加裝現場如圖4所示。

圖3 監測測點平臺現場試驗

圖4 布拉格光纖光柵(FBG)的隔水管應力應變監測

測點每間隔1h同步采集隔水管的振動、應力、流速等參數，通過水聲通信機分時傳回監測數據。這是該系統首次在超過千米的水深作業條件下開展的隔水管監測海上試驗，并成功獲取了完整的試驗數據，測試了安裝方法的可行性與實效性、發射系統和接收系統在水中工作的可靠性等，驗證了系統樣機的監測性能，為隔水管監測系統的定型和應用奠定了堅實的基礎。試驗中圍繞信息傳輸的可靠性亦發現了隔水管浮力塊遮擋問題，在隔水管一定姿態下通信鏈路存在不可靠的情況。基于此，后續通過將水聲通信模型分離的方式進行優化，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(水深1 380 m)的“興旺號”鉆井平臺完成了6個測點的同步力學監測作業。此次海試是深水鉆井隔水管監測系統布放測點最多、監測參數最完整的一次全作業周期海上試驗。在模塊化設計下，分離了水聲通信模塊，根據監測任務配置了7 套工程樣機組合監測設備，海上試驗現場如圖5所示。通過采用外伸式通信機，有效地規避了隔水管浮力塊遮擋問題，保證了水下通信機的姿態保持問題，確保穩定地發射和接收數據，同時系統的監測模式也可以更加的靈活。

圖5 監測系統多傳感組合集成的監測現場

本次海試完成了對隔水管下放、連接、鉆井作業、拖航和提升各階段的實時監測，利用時分復用技術實時獲取了各測點在所有階段完整的VIV、應力、底部轉角、流速、上部撓性接頭轉角以及井口方位等數據，并且實現了與隔水管完整性管理軟件之間的實時監測數據的準確傳遞，通過對峰度和頻譜分析可觀測到隔水管在不同時刻發生了多模態VIV振動。底部傾角數據，3 min采集1次，正常情況下每小時傳輸1次，預警狀態下，連續發送。從7月29日到8月16日的全周期角度監測數據如圖6所示，在整個海試期間，隔水管底部轉角一直在安全范圍內，沒有預警情況發生。可以看到設備入水、下隔水管、BOP坐底、常規作業、臺風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監測系統數據進行了對比驗證。以水下2號測點為例，給出全周期監測的隔水管每日應力統計情況如圖7所示。監測結果表明：在下放及回收隔水管時應力總體波動較大，BOP坐底后相對應力波動較小，隔水管底部(測點2)應力監測結果總體小于上部(測點4)應力監測結果。

圖6 作業期間隔水管底部傾角的監測結果及對比驗證

圖7 作業期間隔水管應力監測情況

此外，依托相關技術基礎，進一步推廣應用于海底管線懸跨監測[40]、防臺風應急狀態下的隔水管軟懸掛監測[41]、水下溢流監測等。“十三五”期間核心突破了雙向遙控關鍵技術，通過設計平臺中控與各監測測點上下行無線通信遙控傳輸協議體系，大大增加了對重點區域監測的靈活性。在此基礎上，以美國石油協會API標準定型監測系統各模塊，并在“奮進號”“海洋石油982”等鉆井平臺成功開展了3次應用試驗，目前正在積極開展多井連續監測、軟懸掛防臺應急監測[42]等應用驗證。

2.4 隔水管典型狀態下的VIV分析

由圖6可知，隔水管在入水下放、連接作業等狀態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，BOP坐底期間狀態有明顯的躍變，連接狀態(常規作業)時角度波動相對較大。因此本節圍繞實測監測數據，分別對隔水管入水下放中間狀態、BOP對接懸掛狀態以及常規作業期間的連接狀態進行VIV分析，認知完整作業期間隔水管典型狀態下的VIV激勵特性。給出了隔水管系統的固有頻率如表4所示，其為評估固有頻率是否被VIV激勵的依據。

表4 深水鉆井隔水管系統的固有頻率

1)隔水管入水下放狀態的VIV分析。

選取測點BOP位于中間深度時的一組監測數據，采樣頻率5 Hz，分別對加速度傳感器水平x軸(ACCX)和y軸(ACCY)加速度數據進行角度旋轉，結合流速數據對其進行分析，搜索VIV特征參數，分析每個旋轉角度對應的信號頻譜特征和數量，信號頻率不滿足VIV的約束條件。因此，此時隔水管未發生VIV現象。

2)隔水管懸掛狀態下的VIV分析。

當全部隔水管單根、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。對x、y軸加速度數據其進行旋轉分析，搜索VIV特征參數。當旋轉角度為86°時，對其進行特征提取，結果見表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，其他參數不滿足VIV約束條件。最后根據ACCX-F1和ACCY-F1，重構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判別，發現其介于第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。識別結果為隔水管VIV發生鎖定(Lock-in)現象。

表5 懸掛狀態隔水管數據的特征提取結果

圖8 懸掛狀態鉆井隔水管VIV識別結果

3)隔水管連接狀態下的VIV分析。

選取多組監測數據，分別對其x、y軸加速度數據進行旋轉分析，搜索并提取VIV特征參數，其中存在未識別VIV狀態，如圖9所示，分別為其中4組識別的VIV結果重構。可以看出，其加速度軌跡表現為不同的形態，其中圖9b不能稱為嚴格意義上的VIV，從圖9d中，可以發現一種水滴形狀的VIV加速度軌跡，其與文獻[39]中VIV模型試驗結果相符。

圖9 連接狀態鉆井隔水管VIV識別結果

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

3 中國深水隔水管監測技術的發展思考

經過十多年的發展，圍繞中國深水隔水管監測技術研究已取得矚目的成果，中國自主知識產權的深水隔水管監測系統也即將邁入產業化發展。在分析國外相關技術，并結合我們在海上試驗現場的經驗與教訓，以及中國海洋石油工業的發展趨勢，在今后的工作中，給出以下發展的思考與建議。

3.1 監測設備小型化與輕型化

監測設備的小型化與輕型化是需要著重考慮的問題，主要考慮數據監測以及設備安裝兩方面。對于數據監測，隔水管自身的質量與附加質量是分析隔水管的動態響應特別是渦激振動的重要參數。因為監測設備硬連接于管線外壁，增加了相應位置的附加質量，將影響管線的動態響應，所以為保證動靜態響應不失真，監測設備的質量應盡可能小。設備的安裝必須滿足可靠性、簡便性及安全性等3個指標。首先，監測設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，設備務必要便于操作；最后，隔水管處于運動中，監測設備的體積與質量過大將會導致其安裝和拆卸極為不便，裝卸過程中一旦發生裝備墜落，撞擊到其他部件，也將造成嚴重事故。

3.2 監測智能化

近年來，隨著“數字海洋”向“智慧海洋”的快速推進，更高效、更智能的監測方式成為未來發展趨勢。從發展的角度看，智能監測是深水隔水管監測的未來方向。2020年，國家自然科學基金委將《油氣領域人工智能基礎理論與關鍵技術》列入重點項目領域指南，這吹響了中國對油氣開發智能監測的新號角。在中國當前深水隔水管監測系統的基礎上，新的智能在線監測技術發展需要被重視，在科技進步不斷發展的同時，著眼未來發展方向的提前布局是中國趕超國外海洋強國的必由之路。綜合國內外發展現狀，對于監測數據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域的快速發展，隔水管完整性監測智能化發展必將要成為新的方向。發展智能化在線監測的前提是大數據的累積，但是現階段實測數據的積累仍然很少，這需要加大監測系統在各石油平臺的應用推廣，同時對智能在線監測的相關研究也要盡早布局。

4 結束語

隔水管監測是為深水油氣鉆采提供安全保障的一項前瞻性的跨學科技術。本文圍繞中國深水鉆井隔水管監測技術發展與應用，系統地介紹了深水隔水管監測技術的進展情況。多次監測作業的成功實施不僅為深水鉆井隔水管的安全作業提供了可靠的技術保障，也為隔水管的完整性管理提供了寶貴的基礎數據。“十三五”期間，雙向遙控關鍵技術取得突破，通過設計平臺中控與各監測測點上下行無線通信遙控傳輸協議體系，大大增加了對重點區域監測的靈活性，拓展監測系統的應用功能，提升了監測的效率與效能。此外，依托相關技術基礎，進一步推廣應用于海底管線懸跨監測、防臺風應急狀態下的隔水管軟懸掛監測、水下溢流監測等。今后將進一步加強監測系統及其技術成果的應用推廣，積極布局開展對智能在線監測的相關研究。