一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置及方法，裝置由傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和擾流桿組成，關(guān)于隔水管的管軸呈軸對(duì)稱布置。傳動(dòng)系統(tǒng)的葉輪安裝于隔水管與鉆柱間的環(huán)空中，鉆井液上返時(shí)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿再帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，蝸輪最終驅(qū)動(dòng)擾流桿旋轉(zhuǎn)，擾流桿由支撐系統(tǒng)支撐固定。通過(guò)隔水管兩側(cè)擾流桿的旋轉(zhuǎn)，使隔水管后方尾跡區(qū)變窄，降低了海流作用在隔水管上的繞流升力和阻力，從而實(shí)現(xiàn)渦激振動(dòng)的抑制。本發(fā)明利用鉆井液上返時(shí)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)擾流桿旋轉(zhuǎn)，無(wú)需外部提供能量，實(shí)現(xiàn)了低成本、零耗能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于海洋油氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋石油鉆井中，隔水管是核心部件之一，它構(gòu)建了鉆井平臺(tái)與水下井口的傳輸通道，對(duì)隔離海水、引導(dǎo)鉆具與管柱、循環(huán)鉆井液與完井液、補(bǔ)償鉆井浮體的升降運(yùn)動(dòng)等具有重要作用。隔水管受到風(fēng)、浪、流等復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載，易發(fā)生疲勞失效。其中，波流繞流引起的管體渦激振動(dòng)是隔水管發(fā)生疲勞損傷的主要誘因。渦激振動(dòng)是復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題，尤其當(dāng)旋渦脫落頻率與管柱固有頻率相近時(shí)，還會(huì)引發(fā)渦激共振，造成隔水管斷裂失效，嚴(yán)重影響安全作業(yè)與生態(tài)環(huán)境。因此，有效抑制渦激振動(dòng)是海洋鉆井隔水管安全服役的保障。
[0003]目前，有關(guān)隔水管渦激振動(dòng)的抑制裝置可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是主動(dòng)抑制，即人為從外部施加能量，驅(qū)動(dòng)局部附屬構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，破壞繞流流場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的抑制；另一類(lèi)是被動(dòng)抑制，即通過(guò)在管壁添加附屬結(jié)構(gòu)，改變繞流剖面，使得繞流結(jié)構(gòu)趨于流線型。主動(dòng)抑制由于需要消耗額外的能量，尚未被實(shí)際工程采用。被動(dòng)抑制盡管可以達(dá)到一定的抑制效果，但添加的附屬結(jié)構(gòu)往往增大了繞流阻力，一定程度地改變了管柱自身的重量，且大多數(shù)被動(dòng)抑制結(jié)構(gòu)不能應(yīng)對(duì)方向不斷變化的來(lái)流。能否不消耗額外能量同時(shí)又實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抑制的效果，便成為了渦激振動(dòng)抑制裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)新方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有海洋隔水管渦激振動(dòng)抑制裝置和方法的不足，本發(fā)明提供一種無(wú)需外加能量、構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置及方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置由傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和擾流桿組成，關(guān)于隔水管的管軸呈軸對(duì)稱布置。傳動(dòng)系統(tǒng)包括葉輪、蝸桿、蝸輪、密封軸承各兩個(gè)。隔水管管壁上開(kāi)有軸對(duì)稱布置的兩個(gè)圓孔，蝸桿一端從圓孔伸入至隔水管與鉆桿之間的環(huán)形空間中，且伸入環(huán)形空間的蝸桿端部安裝有葉輪，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng);蝸桿與隔水管管壁圓孔間的間隙由密封軸承填充，既實(shí)現(xiàn)密封，又保證蝸桿能夠相對(duì)于隔水管轉(zhuǎn)動(dòng);蝸桿有螺紋的一端在隔水管外與蝸輪的螺紋嚙合，且蝸桿軸與蝸輪軸垂直正交，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)變。支撐系統(tǒng)由上部、下部?jī)蓚€(gè)套環(huán)、四根支撐桿、四個(gè)軸承座、四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承組成。套環(huán)套裝在隔水管的外壁，由兩個(gè)半圓環(huán)形構(gòu)件通過(guò)螺栓連接構(gòu)成;每個(gè)套環(huán)上連接有與隔水管管壁垂直的兩根支撐桿，兩根支撐桿關(guān)于隔水管的管軸呈軸對(duì)稱布置，每根支撐桿末端安裝有一個(gè)軸承座，軸承座中布置有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承;上部套環(huán)支撐桿末端的軸承座開(kāi)口向下，下部套環(huán)支撐桿末端的軸承座開(kāi)口向上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的軸線與隔水管軸線平行。擾流桿為兩端直徑小、中部直徑大的圓柱體，擾流桿的兩端分別安裝于上部、下部套環(huán)支撐桿末端軸承座的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承中；擾流桿上端小直徑柱體外部裝有花鍵，其穿過(guò)蝸輪中心孔并與蝸輪中心孔的花鍵槽嚙合，蝸輪旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)擾流桿旋轉(zhuǎn);安裝在擾流桿上的蝸輪下端面剛好貼合擾流桿上端小直徑與大直徑柱體的臺(tái)階面，可以限定蝸輪在擾流桿軸向的運(yùn)動(dòng)。
[0007]所述的葉輪直徑為隔水管與鉆柱環(huán)空尺寸的1/3?1/2，以保證葉輪在環(huán)空鉆井液上返動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的套環(huán)內(nèi)徑等于隔水管外徑。所述的擾流桿兩端小直徑柱體的直徑等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的內(nèi)徑，擾流桿中部柱體直徑為兩端小直徑柱體直徑的2?3倍；擾流桿長(zhǎng)度等于5?8倍的隔水管外徑;擾流桿上端小直徑柱體外部的花鍵高度大于蝸輪中心孔的花鍵槽高度，以防止蝸輪軸向滑脫。
[0008]采用所述的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)方法，將關(guān)于隔水管軸對(duì)稱布置的兩根擾流桿所在平面垂直于海流流向放置，且擾流桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與隔水管緊鄰一側(cè)的切線速度方向與海流方向相反。當(dāng)隔水管與鉆柱環(huán)空中鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)蝸輪旋轉(zhuǎn)，最后擾流桿在蝸輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。通過(guò)隔水管兩側(cè)擾流桿的旋轉(zhuǎn)，為隔水管的繞流邊界層注入了能量，使隔水管后方尾跡區(qū)變窄，削弱了旋渦脫落強(qiáng)度，減少了隔水管前后壓差，降低了海流作用在隔水管上的繞流升力和阻力，從而實(shí)現(xiàn)渦激振動(dòng)的抑制。
[0009]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0010]1.本發(fā)明裝置可作為一個(gè)基本單元，根據(jù)實(shí)際需要按一定間隔在隔水管上布置多個(gè)單元，以實(shí)現(xiàn)隔水管渦激振動(dòng)的分段抑制；
[0011 ] 2.本發(fā)明的實(shí)施是利用鉆井液上返時(shí)動(dòng)能驅(qū)動(dòng)擾流桿旋轉(zhuǎn)，無(wú)需外部提供能量，實(shí)現(xiàn)了低成本、零耗能。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)圖
[0013]圖2為本發(fā)明裝置的剖視圖
[0014]圖3為本發(fā)明裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
[0015]圖4為本發(fā)明裝置的套環(huán)示意圖
[0016]圖5為本發(fā)明裝置的工作原理示意圖
[0017]其中:1.隔水管;2.鉆柱;3.葉輪;4.蝸桿;5.蝸輪;6.密封軸承;7.套環(huán);8.支撐桿；
9.軸承座;10.轉(zhuǎn)動(dòng)軸承;11.擾流桿
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步描述。
[0019]如圖1所示，一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置由傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和擾流桿11組成，關(guān)于隔水管I的管軸呈軸對(duì)稱布置。如圖2、圖3所示，傳動(dòng)系統(tǒng)包括葉輪3、蝸桿4、蝸輪5、密封軸承6各兩個(gè)。隔水管I管壁上開(kāi)有軸對(duì)稱布置的兩個(gè)圓孔，蝸桿4 一端從圓孔伸入至隔水管I與鉆桿2之間的環(huán)形空間中，且伸入環(huán)形空間的蝸桿4端部安裝有葉輪3，葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)蝸桿4轉(zhuǎn)動(dòng);蝸桿4與隔水管I管壁圓孔間的間隙由密封軸承6填充，既實(shí)現(xiàn)密封，又保證蝸桿4能夠相對(duì)于隔水管I轉(zhuǎn)動(dòng);蝸桿4有螺紋的一端在隔水管I外與蝸輪5的螺紋嚙合，且蝸桿4軸與蝸輪5軸垂直正交，蝸桿4轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸輪5轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)變。支撐系統(tǒng)由上部、下部?jī)蓚€(gè)套環(huán)7、四根支撐桿8、四個(gè)軸承座9、四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10組成。套環(huán)7套裝在隔水管I的外壁，由兩個(gè)半圓環(huán)形構(gòu)件通過(guò)螺栓連接構(gòu)成;如圖4所示，每個(gè)套環(huán)7上連接有與隔水管I管壁垂直的兩根支撐桿8，兩根支撐桿8關(guān)于隔水管I的管軸呈軸對(duì)稱布置，每根支撐桿8末端安裝有一個(gè)軸承座9，軸承座9中布置有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10;上部套環(huán)7支撐桿8末端的軸承座9開(kāi)口向下，下部套環(huán)7支撐桿8末端的軸承座9開(kāi)口向上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10的軸線與隔水管I軸線平行。擾流桿11為兩端直徑小、中部直徑大的圓柱體，擾流桿11的兩端分別安裝于上部、下部套環(huán)7支撐桿8末端軸承座9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10中；擾流桿11上端小直徑柱體外部裝有花鍵，其穿過(guò)蝸輪5中心孔并與蝸輪5中心孔的花鍵槽嚙合，蝸輪5旋轉(zhuǎn)可以帶動(dòng)擾流桿11旋轉(zhuǎn);安裝在擾流桿11上的蝸輪5下端面剛好貼合擾流桿11上端小直徑與大直徑柱體的臺(tái)階面，可以限定蝸輪5在擾流桿11軸向的運(yùn)動(dòng)。
[0020]所述的葉輪3直徑為隔水管I與鉆柱2環(huán)空尺寸的1/3?1/2，以保證葉輪3在環(huán)空鉆井液上返動(dòng)能的驅(qū)動(dòng)下自由轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的套環(huán)7內(nèi)徑等于隔水管I外徑。所述的擾流桿11兩端小直徑柱體的直徑等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10的內(nèi)徑，擾流桿11中部柱體直徑為兩端小直徑柱體直徑的2?3倍;擾流桿11長(zhǎng)度等于5?8倍的隔水管I外徑;擾流桿11上端小直徑柱體外部的花鍵高度大于蝸輪5中心孔的花鍵槽高度，以防止蝸輪5軸向滑脫。
[0021]采用所述的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)方法，將關(guān)于隔水管I軸對(duì)稱布置的兩根擾流桿11所在平面垂直于海流流向放置，且擾流桿11轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與隔水管I緊鄰一側(cè)的切線速度方向與海流方向相反，如圖5所示。當(dāng)隔水管I與鉆柱2環(huán)空中鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)葉輪3旋轉(zhuǎn)，葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)蝸桿4旋轉(zhuǎn)，蝸桿4旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)蝸輪5旋轉(zhuǎn)，最后擾流桿11在蝸輪5的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。通過(guò)隔水管I兩側(cè)擾流桿11的旋轉(zhuǎn)，為隔水管I的繞流邊界層注入了能量，使隔水管I后方尾跡區(qū)變窄，如圖5所示，削弱了旋渦脫落強(qiáng)度，減少了隔水管I前后壓差，降低了海流作用在隔水管I上的繞流升力和阻力，從而實(shí)現(xiàn)渦激振動(dòng)的抑制。
[0022]實(shí)施例:
[0023]本發(fā)明裝置可以作為一個(gè)基本單元，根據(jù)實(shí)際需要按一定間隔在隔水管I上布置多個(gè)單元，以實(shí)現(xiàn)隔水管I渦激振動(dòng)的分段抑制。實(shí)際安裝時(shí)，先在隔水管I管壁上開(kāi)軸對(duì)稱布置的兩個(gè)圓孔，將蝸桿4一端從圓孔伸入至隔水管I與鉆桿2之間的環(huán)形空間中，并在環(huán)形空間中將葉輪3安裝于蝸桿4的端部。然后，將蝸桿4與隔水管I管壁圓孔間的間隙用密封軸承6填充。在隔水管I外壁間隔套裝上部、下部?jī)蓚€(gè)套環(huán)7，在套環(huán)7支撐桿8末端軸承座9中布置有轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10。將擾流桿11上端小直徑柱體穿過(guò)蝸輪5的中心孔，使擾流桿11上端小直徑柱體插入上部套環(huán)7上支撐桿8末端軸承座9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10圈中，并使擾流桿11上端小直徑柱體外部的花鍵與蝸輪5中心孔的花鍵槽嚙合，同時(shí)使蝸輪5的螺紋與蝸桿4在隔水管I外的螺紋嚙合，且蝸桿4軸與蝸輪5軸垂直正交，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)方向90°的轉(zhuǎn)變。最后，移動(dòng)下部的套環(huán)7，將擾流桿11下端小直徑柱體插入下部套環(huán)7上支撐桿8末端軸承座9的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承10中。安裝后，裝置整體關(guān)于隔水管I的管軸呈軸對(duì)稱布置。
[0024]將安裝有本發(fā)明裝置的隔水管放入海流中，使關(guān)于隔水管I軸對(duì)稱布置的兩根擾流桿11所在平面垂直于海流流向放置，且擾流桿11轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與隔水管I緊鄰一側(cè)的切線速度方向與海流方向相反。開(kāi)鉆后，鉆井液會(huì)在隔水管I與鉆柱2環(huán)空中向上流動(dòng)，驅(qū)動(dòng)葉輪3旋轉(zhuǎn)，葉輪3轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)蝸桿4旋轉(zhuǎn)，蝸桿4旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)蝸輪5旋轉(zhuǎn)，最后擾流桿11在蝸輪5的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。隔水管I兩側(cè)的擾流桿11旋轉(zhuǎn)過(guò)程中為隔水管I的繞流邊界層注入了能量，使隔水管I后方尾跡區(qū)變窄，削弱了旋渦脫落強(qiáng)度，減少了隔水管I前后壓差，降低了海流作用在隔水管I上的繞流升力和阻力，從而實(shí)現(xiàn)渦激振動(dòng)的抑制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置，關(guān)于隔水管(I)的管軸呈軸對(duì)稱布置，其特征在于:由傳動(dòng)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)和擾流桿(11)組成，傳動(dòng)系統(tǒng)包括葉輪(3)、蝸桿(4)、蝸輪(5)、密封軸承(6)各兩個(gè);隔水管(I)管壁上開(kāi)有軸對(duì)稱布置的兩個(gè)圓孔，蝸桿(4)一端從圓孔伸入至隔水管(I)與鉆桿(2)之間的環(huán)形空間中，且伸入環(huán)形空間的蝸桿(4)端部安裝有葉輪(3);蝸桿(4)與隔水管(I)管壁圓孔間的間隙由密封軸承(6)填充;蝸桿(4)有螺紋的一端在隔水管(I)外與蝸輪(5)的螺紋嚙合，且蝸桿(4)軸與蝸輪(5)軸垂直正交；支撐系統(tǒng)由上部、下部?jī)蓚€(gè)套環(huán)(7)、四根支撐桿(8)、四個(gè)軸承座(9)、四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承(10)組成;套環(huán)(7)套裝在隔水管(I)的外壁，由兩個(gè)半圓環(huán)形構(gòu)件通過(guò)螺栓連接構(gòu)成;每個(gè)套環(huán)(7)上連接有與隔水管(I)管壁垂直的兩根支撐桿(8)，兩根支撐桿(8)關(guān)于隔水管(I)的管軸呈軸對(duì)稱布置，每根支撐桿(8)末端安裝有一個(gè)軸承座(9)，軸承座(9)中布置有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承(10);上部套環(huán)(7)支撐桿(8)末端的軸承座(9)開(kāi)口向下，下部套環(huán)(7)支撐桿(8)末端的軸承座(9)開(kāi)口向上，轉(zhuǎn)動(dòng)軸承(10)的軸線與隔水管(I)軸線平行;擾流桿(11)為兩端直徑小、中部直徑大的圓柱體，擾流桿(11)的兩端分別安裝于上部、下部套環(huán)(7)支撐桿(8)末端軸承座(9)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承(10)中；擾流桿(II)上端小直徑柱體外部裝有花鍵，其穿過(guò)蝸輪(5)中心孔并與蝸輪(5)中心孔的花鍵槽嚙合;安裝在擾流桿(11)上的蝸輪(5)下端面貼合擾流桿(11)上端小直徑與大直徑柱體的臺(tái)階面。2.如權(quán)利要求1所述的一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置，其特征在于:葉輪(3)直徑為隔水管(I)與鉆柱(2)環(huán)空尺寸的1/3?1/2。3.如權(quán)利要求1所述的一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置，其特征在于:擾流桿(11)兩端小直徑柱體的直徑等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸承(10)的內(nèi)徑，擾流桿(11)中部柱體直徑為兩端小直徑柱體直徑的2?3倍;擾流桿(11)長(zhǎng)度等于5?8倍的隔水管(I)外徑;擾流桿(11)上端小直徑柱體外部的花鍵高度大于蝸輪(5)中心孔的花鍵槽高度。4.利用如權(quán)利要求1所述的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)裝置可以提供一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動(dòng)方法，其特征在于:兩根擾流桿(I I)所在平面垂直于海流流向放置，且擾流桿(11)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與隔水管(I)緊鄰一側(cè)的切線速度方向與海流方向相反；當(dāng)隔水管(I)與鉆柱(2)環(huán)空中鉆井液向上流動(dòng)時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)葉輪(3)旋轉(zhuǎn)，葉輪(3)轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)蝸桿(4)旋轉(zhuǎn)，蝸桿(4)旋轉(zhuǎn)又帶動(dòng)蝸輪(5)旋轉(zhuǎn)，最后擾流桿(11)在蝸輪(5)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn);通過(guò)隔水管(I)兩側(cè)擾流桿(11)的旋轉(zhuǎn)，為隔水管(I)的繞流邊界層注入了能量，使隔水管(I)后方尾跡區(qū)變窄，削弱了旋渦脫落強(qiáng)度，減少了隔水管(I)前后壓差，降低了海流作用在隔水管(I)上的繞流升力和阻力，從而實(shí)現(xiàn)渦激振動(dòng)的抑制。
【文檔編號(hào)】E21B17/10GK106089121SQ201610430980
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】朱紅鈞, 孫兆鑫, 湯連東, 牛義康
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)