一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，由支撐裝置、海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、隔水管張緊系統(tǒng)、隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。鉆井模擬裝置通過隔水管張緊系統(tǒng)和隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與支撐裝置連接；支撐裝置包括水池和架設(shè)在水池上方的支撐架體；隔水管張緊系統(tǒng)由連接架、張緊環(huán)、鋼絲繩組成，海浪模擬裝置由4個(gè)潛水泵及供水系統(tǒng)組成；鉆井模擬裝置由鉆桿、鉆頭、油缸、油馬達(dá)組成；液壓系統(tǒng)與鉆井模擬裝置的油缸和油馬達(dá)連接在一起，空氣壓縮系統(tǒng)連接在鉆井模擬裝置上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變片、應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀組成。本發(fā)明可模擬深水鉆井時(shí)隔水管遇到的不同工況，適用范圍廣，通用性強(qiáng)。
【專利說明】
一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，屬于海洋石油裝備技術(shù)領(lǐng)域。。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋油氣資源已成為全球能源戰(zhàn)略目標(biāo)的重要組成部分，海洋石油開發(fā)已從淺水向深水和超深水發(fā)展。但受深水區(qū)域鉆采環(huán)境惡劣條件的限制，其對(duì)石油鉆采裝備提出了更高更苛刻的要求。我國的深水石油勘探裝備的研究開發(fā)技術(shù)已經(jīng)成為制約我國深水油氣開發(fā)的瓶頸之一。
[0003]隔水管系統(tǒng)是海洋鉆井裝備中連接海面平臺(tái)與海底油井的紐帶和橋梁，是海洋深水鉆井作業(yè)中最關(guān)鍵的設(shè)備之一。隔水管在工作時(shí)，受到了平臺(tái)的漂移、海浪、海流的共同作用，同時(shí)，也受到了鉆柱、鉆頭等鉆井設(shè)備對(duì)隔水管產(chǎn)生的不規(guī)則激振力，所以，隔水管受力情況十分復(fù)雜。目前，針對(duì)隔水管試驗(yàn)裝置僅能對(duì)其受力做出簡單的模擬，特別是鉆井設(shè)備對(duì)隔水管的激振力也只能人為的進(jìn)行加載，不能模擬鉆頭的工作情況對(duì)隔水管的影響；而且只能模擬海浪對(duì)隔水管的影響，不能模擬海流對(duì)隔水管的影響，更不能模擬海流的組合、變化所產(chǎn)生的影響。所以，尚未有一種試驗(yàn)裝置能夠完全模擬在鉆井過程中，隔水管完整的受力情況。為此，研究出新的試驗(yàn)裝置，更真實(shí)地對(duì)海洋隔水管在鉆井工況下的力學(xué)特性進(jìn)行分析，以期作為深水環(huán)境條件下隔水管強(qiáng)度設(shè)計(jì)的依據(jù)，解決隔水管的穩(wěn)定、安全問題，顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，能夠模擬深水鉆井過程中，隔水管受橫向、縱向和扭矩振動(dòng)等復(fù)雜的受力工況的試驗(yàn)裝置，能夠良好的模擬隔水管在工作時(shí)的各種受力狀態(tài)，有效驗(yàn)證隔水管的可靠性，并能夠?yàn)樯钏@井工況下隔水管力學(xué)特性提供有效的研究手段。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]本發(fā)明一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，由支撐裝置、海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、隔水管張緊系統(tǒng)、隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。所述海浪模擬裝置與支撐裝置的水池連接在一起，鉆井模擬裝置通過隔水管張緊系統(tǒng)和隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與支撐裝置連接，液壓系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)控制鉆井模擬裝置，所有數(shù)據(jù)最終都傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0007]所述支撐裝置是用于鉆桿系統(tǒng)的支撐連接，支撐裝置包括用于進(jìn)行試驗(yàn)的水池和架設(shè)在水池上方的支撐架體;支撐架體通過支撐座固定在水池上方，支撐架體上設(shè)置有連接架與隔水管張緊系統(tǒng)相連。
[0008]所述隔水管張緊系統(tǒng)由連接架、張緊環(huán)、鋼絲繩組成，支撐架體上的連接架通過鋼絲繩和試驗(yàn)用隔水管上的張緊環(huán)相連，張緊環(huán)固定在試驗(yàn)用隔水管上部；隔水管張緊系統(tǒng)是為隔水管裝置在工作時(shí)保持隔水管不受壓提供向上的張緊力。
[0009]所述海浪模擬裝置由在水池內(nèi)壁上自上而下分布的4個(gè)潛水栗及供水系統(tǒng)組成；海浪模擬裝置是用來制造和模擬海浪、海流等各種工況下的受力工作環(huán)境。
[0010]所述鉆井模擬裝置由鉆桿、鉆頭、油缸、油馬達(dá)組成，鉆桿位于試驗(yàn)用隔水管內(nèi)部，鉆頭連接在鉆桿下方，可完全模擬在鉆井過程中，鉆桿對(duì)隔水管產(chǎn)生激振力的情況;油馬達(dá)下面設(shè)置有接頭，鉆井模擬裝置通過接頭與支撐裝置連接在一起。
[0011]所述隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由下部撓性裝置組成，下部撓性裝置固定在水池底部，用于放置試驗(yàn)用隔水管，隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是用來模擬隔水管在海浪作用以及平臺(tái)漂移下的偏轉(zhuǎn)情況。
[0012]所述液壓系統(tǒng)與鉆井模擬裝置的油缸和油馬達(dá)連接在一起，能對(duì)油缸和油馬達(dá)進(jìn)行控制;一方面，進(jìn)油管線從油箱出發(fā)，依次與過濾器、油栗、調(diào)壓閥相連，再連接到電控?fù)Q向閥上，最后連接到油缸上。回油管線從油缸出發(fā)，經(jīng)過調(diào)壓閥連接到電控?fù)Q向閥上，再連接到油箱。另一方面，進(jìn)油管線同樣從油箱出發(fā)，依次與過濾器、油栗、調(diào)壓閥相連，再連接到電控?fù)Q向閥上，最后連接到油馬達(dá)上。回油管線從油馬達(dá)出發(fā)，連接到電控?fù)Q向閥上，再連接到油箱。油栗與油栗電機(jī)相連，油栗電機(jī)與油栗電機(jī)控制器相連;油栗電機(jī)控制器與電控?fù)Q向閥一道連接到數(shù)據(jù)采集與控制器上，數(shù)據(jù)采集與控制器與主控工作站相連，受主控工作站控制。所述油缸上還設(shè)有油缸位移傳感器，直接連接到數(shù)據(jù)采集與控制器上。
[0013]所述空氣壓縮系統(tǒng)連接在鉆井模擬裝置的接頭上，由空氣壓縮機(jī)和空氣壓縮機(jī)控制設(shè)備組成;空氣壓縮機(jī)控制設(shè)備與數(shù)據(jù)采集與控制器連接，由主控工作站進(jìn)行控制。
[0014]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變片、應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀組成，應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀與數(shù)據(jù)采集與控制器相連，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺毓ぷ髡旧稀?br>[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是:1、本發(fā)明可以模擬深水鉆井時(shí)隔水管遇到的不同工況，包括不同張緊力、不同流水速度、不同鉆井排量等;4個(gè)至上而下布置的潛水栗，能模擬多種海浪、海流形式，并且通過控制潛水栗的開啟順序和排量，能模擬海流的組合和變化對(duì)隔水管的影響;而且鉆桿下面連接了鉆頭，能模擬鉆進(jìn)過程的工況，因此本發(fā)明可以在水池內(nèi)較為真實(shí)有效的模擬深水鉆井各種工況下隔水管力學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)效果穩(wěn)定可靠。2、本發(fā)明隔水管模型上下端分別采用張緊環(huán)和撓性裝置連接，真實(shí)的模擬了深水鉆井中隔水管的連接方式，而且本發(fā)明中使用的是分節(jié)隔水管，更符合實(shí)際情況，因此，本發(fā)明能真實(shí)反映穩(wěn)定可靠的深水鉆井工況下的力學(xué)特性。3、本發(fā)明中隔水管模型通過鋼絲繩與連接架連接，因此，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩的長度可選取不同尺寸的隔水管模型，因此適用于不同長度的隔水管模型的試驗(yàn)，適用范圍廣，通用性強(qiáng)。同時(shí)，鋼絲繩支撐隔水管等結(jié)構(gòu)重量，連接架固定在支撐架體上，因此隔水管的固定非常牢靠，有利于得到隔水管模型的力學(xué)特性。4、本發(fā)明通過控制與隔水管模型連接的張緊環(huán)，來對(duì)隔水管模型施加不同的張緊力，因此可以開展不同張緊力對(duì)隔水管模型力學(xué)特性的影響規(guī)律的試驗(yàn)研究。5、本發(fā)明還設(shè)有空氣壓縮機(jī)，可開展在海洋鉆井中運(yùn)用空氣鉆井技術(shù)效果的實(shí)驗(yàn)研究。6、本發(fā)明將應(yīng)變片貼于隔水管模型不同的高度位置，并與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，可以在試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確的獲得隔水管模型的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明的液壓控制系統(tǒng)示意圖。
[0018]圖中，1.潛水栗、2.試驗(yàn)用隔水管、3.支撐座、4.張緊環(huán)、5.支撐架體、6.鋼絲繩、7.連接架、8.油缸、9.油馬達(dá)、10.接頭、11.應(yīng)變片、12.鉆桿、13.下部撓性裝置、14.鉆頭、15.巖石、16.水池、17.油缸位移傳感器、18.調(diào)壓閥、19.電控?fù)Q向閥、20.調(diào)壓閥、21.壓力表、
22.油栗、23.過濾器、24.油栗電機(jī)、25.油箱、26.油栗電機(jī)控制器、27.數(shù)據(jù)采集與控制器、28.主控工作站、29.應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀、30.空氣壓縮機(jī)控制系統(tǒng)、31.空氣壓縮機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1、圖2所示，本發(fā)明一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，由支撐裝置、海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、隔水管張緊系統(tǒng)、隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。所述海浪模擬裝置與支撐裝置的水池連接在一起，鉆井模擬裝置通過隔水管張緊系統(tǒng)和隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與支撐裝置連接，液壓系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)控制鉆井模擬裝置，所有數(shù)據(jù)最終都傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
[0021]所述支撐裝置是用于鉆桿系統(tǒng)的支撐連接，支撐裝置包括用于進(jìn)行試驗(yàn)的水池16和架設(shè)在水池16上方的支撐架體5，支撐架體5通過支撐座3固定在水池16上方;支撐架體5上設(shè)置有連接架7，從而與隔水管張緊系統(tǒng)相連。
[0022]所述隔水管張緊系統(tǒng)由連接架7、張緊環(huán)4、鋼絲繩6組成，支撐架體5上的連接架7通過鋼絲繩6和試驗(yàn)用隔水管2上的張緊環(huán)4相連，張緊環(huán)4固定在試驗(yàn)用隔水管2上部；隔水管張緊系統(tǒng)是為隔水管裝置在工作時(shí)保持隔水管不受壓提供向上的張緊力。
[0023]所述海浪模擬裝置由在水池內(nèi)壁上自上而下分布的4個(gè)潛水栗I及供水系統(tǒng)組成；海浪模擬裝置是用來制造和模擬海浪、海流等各種工況下的受力工作環(huán)境。
[0024]所述鉆井模擬裝置由鉆桿12、鉆頭14、油缸8、油馬達(dá)9組成，鉆桿12位于試驗(yàn)用隔水管2內(nèi)部，鉆頭14連接在鉆桿12下方，可完全模擬在鉆井過程中，鉆桿對(duì)隔水管產(chǎn)生激振力的情況。油馬達(dá)9下面設(shè)置有接頭，鉆井模擬裝置通過接頭與支撐裝置連接在一起。
[0025]所述隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由下部撓性裝置13組成，下部撓性裝置13固定在水池16底部，用于放置試驗(yàn)用隔水管2;隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是用來模擬隔水管在海浪作用以及平臺(tái)漂移下的偏轉(zhuǎn)情況。
[0026]所述液壓系統(tǒng)與鉆井模擬裝置的油缸8和油馬達(dá)9連接在一起，能對(duì)油缸8和油馬達(dá)9進(jìn)行控制；一方面，進(jìn)油管線從油箱25出發(fā)，依次與過濾器23、油栗22、調(diào)壓閥20相連，再連接到電控?fù)Q向閥19上，最后連接到油缸8上?；赜凸芫€從油缸8出發(fā)，經(jīng)過調(diào)壓閥18連接到電控?fù)Q向閥19上，再連接到油箱25。另一方面，進(jìn)油管線同樣從油箱25出發(fā)，依次與過濾器
23、油栗22、調(diào)壓閥20相連，再連接到電控?fù)Q向閥19上，最后連接到油馬達(dá)9上?；赜凸芫€從油馬達(dá)9出發(fā)，連接到電控?fù)Q向閥19上，再連接到油箱25。所述油栗22與油栗電機(jī)24相連，油栗電機(jī)24與油栗電機(jī)控制器26相連;油栗電機(jī)控制器26與電控?fù)Q向閥19 一道連接到數(shù)據(jù)采集與控制器27上，數(shù)據(jù)采集與控制器27與主控工作站28相連，受主控工作站28控制。所述油缸8上還設(shè)有油缸位移傳感器17，直接連接到數(shù)據(jù)采集與控制器27上。
[0027]所述空氣壓縮系統(tǒng)連接在鉆井模擬裝置的接頭10上，由空氣壓縮機(jī)31和空氣壓縮機(jī)控制裝置30組成；空氣壓縮機(jī)控裝置30與數(shù)據(jù)采集與控制器27連接，由主控工作站28進(jìn)行控制。
[0028]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變片11、應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀29組成，應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀29與數(shù)據(jù)采集與控制器27相連，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺毓ぷ髡?8上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，由支撐裝置、海浪模擬裝置、鉆井模擬裝置、隔水管張緊系統(tǒng)、隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、空氣壓縮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，其特征在于:所述海浪模擬裝置與支撐裝置的水池連接在一起，鉆井模擬裝置通過隔水管張緊系統(tǒng)和隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與支撐裝置連接;液壓系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)控制鉆井模擬裝置，所有數(shù)據(jù)最終都傳入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中；所述支撐裝置是用于鉆桿系統(tǒng)的支撐連接，支撐裝置包括用于進(jìn)行試驗(yàn)的水池(16)和架設(shè)在水池(16)上方的支撐架體(5)，支撐架體(5)通過支撐座(3)固定在水池(16)上方;支撐架體(5)上設(shè)置有連接架(7)，從而與隔水管張緊系統(tǒng)相連;所述隔水管張緊系統(tǒng)由連接架(7)、張緊環(huán)(4)、鋼絲繩(6)組成，支撐架體(5)上的連接架(7)通過鋼絲繩(6)和試驗(yàn)用隔水管(2)上的張緊環(huán)(4)相連，張緊環(huán)(4)固定在試驗(yàn)用隔水管(2)上部;所述海浪模擬裝置由在水池內(nèi)壁上自上而下分布的(4)個(gè)潛水栗(I)及供水系統(tǒng)組成;所述鉆井模擬裝置由鉆桿(12)、鉆頭(14)、油缸(8)、油馬達(dá)(9)組成，鉆桿(12)位于試驗(yàn)用隔水管(2)內(nèi)部，鉆頭(14)連接在鉆桿(12)下方，可完全模擬在鉆井過程中，鉆桿對(duì)隔水管產(chǎn)生激振力的情況;所述隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由下部撓性裝置(13)組成，下部撓性裝置(13)固定在水池(16)底部，用于放置試驗(yàn)用隔水管(2)，隔水管偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是用來模擬隔水管在海浪作用以及平臺(tái)漂移下的偏轉(zhuǎn)情況;所述液壓系統(tǒng)與鉆井模擬裝置的油缸(8)和油馬達(dá)(9)連接在一起，能對(duì)油缸(8)和油馬達(dá)(9)進(jìn)行控制;所述空氣壓縮系統(tǒng)連接在鉆井模擬裝置的接頭(10)上，由空氣壓縮機(jī)(31)和空氣壓縮機(jī)控制裝置(30)組成;空氣壓縮機(jī)控裝置(30)與數(shù)據(jù)采集與控制器(27)連接，由主控工作站(28)進(jìn)行控制;所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)變片(U)、應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀(29)組成，應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集儀(29)與數(shù)據(jù)采集與控制器(27)相連，數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺毓ぷ髡?28)上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于:油馬達(dá)(9)下面設(shè)置有接頭，鉆井模擬裝置通過接頭與支撐裝置連接在一起。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模擬深水鉆井工況下隔水管力學(xué)特性的試驗(yàn)裝置，其特征在于:一方面，進(jìn)油管線從油箱(25)出發(fā)，依次與過濾器(23)、油栗(22)、調(diào)壓閥(20)相連，再連接到電控?fù)Q向閥(19)上，最后連接到油缸(8)上；回油管線從油缸(8)出發(fā)，經(jīng)過調(diào)壓閥(18)連接到電控?fù)Q向閥(19)上，再連接到油箱(25);另一方面，進(jìn)油管線同樣從油箱(25)出發(fā)，依次與過濾器(23)、油栗(22)、調(diào)壓閥(20)相連，再連接到電控?fù)Q向閥(19)上，最后連接到油馬達(dá)(9)上；回油管線從油馬達(dá)(9)出發(fā)，連接到電控?fù)Q向閥(19)上，再連接到油箱(25);所述油栗(22)與油栗電機(jī)(24)相連，油栗電機(jī)(19)與油栗電機(jī)控制器(26)相連;油栗電機(jī)控制器(26)與電控?fù)Q向閥(19) 一道連接到數(shù)據(jù)采集與控制器(27)上，數(shù)據(jù)采集與控制器(27)與主控工作站(28)相連，受主控工作站(28)控制;所述油缸(8)上還設(shè)有油缸位移傳感器(17)，直接連接到數(shù)據(jù)采集與控制器(27)上。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK105890869SQ201610186515
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年3月29日
【發(fā)明人】王定亞, 黃志強(qiáng), 李東洋, 黃凌峰, 張波
【申請(qǐng)人】西南石油大學(xué)