专利名称：水下井口系统加载试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及模拟实验装置，尤其是模拟深水钻井的水下井口系统稳定性的试
验装置。
背景技术：
全世界未发现的海上油气储量有90%潜伏在水深超过IOOOm以下的地层，所以深水钻井技术水平关系着深海油气勘探开发的步伐。对于海洋深水钻井工程而言，钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂，容易出现常规的钻井工程难以克服的技术难题，因此深 水钻井技术的发展是影响未来石油发展的重要因素。目前，深水钻井时采用的水下井口系统一般由钻井隔水管、防喷器以及井口头组成，深水钻井时水下井口承受的作用力主要来自由于隔水管底部接头处的竖向和横向反力、防喷器组及悬挂套管串的重力、作用于防喷器组及井口的横向波流力、海底土层对套管的竖向和横向阻力等。这些作用力的共同作用可能引起井口下陷或倾斜，当井口承受的弯矩值超出设计极限时将存遭受破坏。在施工作业方面临的首要问题就是在哪里打井，也就是海底井场选择的问题。海底井场的选择往往要面对以下几个问题1)海洋钻井隔水导管水平方向受到复杂的海流力、波浪力及其他力的作用，因此，需要对井口进行稳定性分析，判断在风浪流等水平载荷的作用下是否会发生倾覆、失稳，而导管-海底土间的相互作用决定了井口的横向相应问题。但海底土特性变化多样，从软粘土、粉质粘土、硬粘土到砂质粉土、粉质细沙、中砂和粗砂等，而且在不同的海区、海域，土特性也会有很大的差别。因此，研究不同特性的海底土对导管横向响应的影响，对导管的稳定性分析具有重要的意义。2)如何安全有效的固定导管问题。深水钻井往往要将几十吨甚至上百吨的海底防喷器安装在海底的导管上，因此海底导管附近地层的属性是否能够为防喷器提供支撑，是能否安全开展后续施工作业的前提。因此在进行井场选择的时候要着重考虑导管与地层的承重能力，确保后续钻井施工安全。3)导管的下入深度过浅，则可能造成套管柱下陷失稳等事故；若下入深度过大，则造成经济上的浪费。所以需要对导管承载能力进行计算分析，研究导管下入深度的确定方法。4)由于深水海底情况复杂，以上几种情况往往会同时出现，因此要根据地质资料等现场数据，权衡选择一种科学合理的施工方案，保证钻井施工的顺利进行。虽然国外有关文献提出了井口存在的稳定性问题，但是并没有建立针对该问题的理论分析方法。同时，由于海洋环境载荷对隔水管的动态响应直接作用到水下井口及其以下的套管柱上，需要研究动态因素对井口稳定性的影响，这方面未见相关文献报道。
发明内容本实用新型提供一种模拟深水钻井现场的水下井口系统加载试验装置。本试验装置针对深水钻井特点，可以模拟隔水管顶部张紧力、钻井船漂移量、隔水管摆动位移、偏移角度及地基反力等对水下井口、导管系统的力学性能及稳定性的影响，可以对深水钻井的井口力学稳定性及导管承载能力进行模型试验，揭示各种因素对水下井口稳定性及导管承载能力的影响规律和敏感性。为达到上述目的，本实用新型的加载试验装置采取的技术方案是它是在一个基坑的上方设有一个门形架，所述的门形架是在两个竖向立柱上安装有可以上下活动的横梁，门形架的横梁上安装有水平滑动件，水平滑动件由上板、下板和两根竖向拉杆组成，且上、下板与横梁接触的部位均设有滚动轴承，水平滑动件上安装有施加垂直拉力或压力的竖向助动器，水平滑动件的一侧安装有推动滑动件往返运动的水平助动器；基坑中设有模拟的水下井口导管桩，通过导管桩将模拟井口系统固定在门形架内；模拟井口系统由模拟的隔水管、水下井口及防喷器组成；隔水管顶端与竖向助动器底端球铰接，隔水管的底部与防喷器球铰接。上述的水平助动器和竖向助动器均为液压缸，并由液压伺服控制系统进行控制。为了达到更好的模拟效果，本实用新型水平滑动件与竖向助动器以及横梁之间的安装关系优先选用以下两种情况 一是水平滑动件套在门形架横梁上，竖向助动器的底座连接在水平滑动件的下板上，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。二是竖向助动器的底座作为水平滑动件的上板，竖向助动器穿过横梁和水平滑动件下板，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。上述试验装置的试验方法如下第一步在模拟的水下井口导管桩的沿管长方向上对称布设上测量轴向荷载和水平荷载的应变片；第二步将配制待试验的土体填在基坑中，并将模拟的水下井口导管桩埋入该土中；第三步将横梁下移，使竖向助动器与导管桩顶接触，固定横梁，竖向助动器逐级增大荷载，来模拟防喷器重量，并测试加载过程中导管桩的桩身应变，及导管桩顶的荷载——沉降关系曲线，确定导管桩基的竖向承载力及在荷载作用下井口的沉降量；第四步将横梁上移到一定高度并固定，连接井口系统和隔水管，隔水管顶部通过球铰与竖向助动器相连；用竖向助动器对井口系统施加一定的张拉力，同时用水平助动器进行循环水平加载，模拟波流荷载作用下钻井平台和隔水管的运动；第五步在上述步骤的同时，测量防喷器球铰处的位移和转角及井口导管桩基的水平位移；第六步对测量数据进行分析，评定井口系统模型的稳定性。本实用新型的优点是本实用新型针对深水钻井的井口力学稳定性及导管承载能力进行模型试验，能够模拟海洋环境载荷作用下钻井船或平台漂移、隔水管运动等循环荷载以及隔水管上的张拉力，揭示了各种因素对水下井口稳定性及导管承载能力的影响规律和敏感性，主要表现在I.同时施加竖向和水平向荷载，模拟现场荷载状况，进行隔水管、防喷器、水下井口系统、导管桩基与土体作用的整体耦合响应分析；2.模拟循环水平荷载作用下，导管桩基与土体间接触面间隙的产生与闭合，通过测试循环荷载作用下，井口头处的水平位移和荷载，得到导管桩基的水平抗力退化曲线；[0022]3.得到不同张拉力作用下，隔水管底部球铰转角与水平荷载间的关系曲线，对指导现场隔水管施加张拉力对底部球铰转角的影响有指导意义总之，本实用新型对深水海域的油气资源开发提供技术支撑，为海洋钻井的井口系统的稳定性分析提供了依据。
图I是水下井口系统加载试验装置实施例的示意图；图2是水平滑动件与横梁连接处实施例一的结构示意图。图3是水平滑动件与横梁连接处实施例二的结构示意图。图例说明，I-基坑，2-横梁，3-滑动轴承，4-水平滑动件，5-竖向助动器，6_水平助动器，7-隔水管，8-井口及防喷器，9-应变片，10-井口导管桩，11-液压伺服控制系统，12-上板，13-下板，14-竖向拉杆。
具体实施方式
本实用新型的加载试验装置是在一个基坑I的上方设有一个门形架，所述的门形架是在两个竖向立柱上安装有可以上下活动的横梁2，门形架的横梁2上设有水平滑动件4，水平滑动件4由上板12、下板13和两根竖向拉杆14组成，下板13与横梁2下底面接触的部位以及上板12与横梁2顶面接触的部位上均设有滚动轴承3 ;水平滑动件4上安装有施加垂直压力的竖向助动器5，水平滑动件4的一侧安装有推动滑动件4往返运动的水平助动器6 ;基坑I中设有模拟的水下井口导管桩10，通过井口导管桩10将模拟井口系统固定在门形架内；模拟井口系统由模拟的隔水管7、井口及防喷器8组成；隔水管7顶端与竖向助动器5底端球铰接，隔水管7的底部与井口及防喷器8球铰接。上述的水平助动器6和竖向助动器5均为液压缸，并由液压伺服控制系统进行控制(图中未画出)。水平滑动件4与竖向助动器5以及横梁2之间的安装关系见图2和图3 ;实施例一水平滑动件4套在门形架横梁2上，竖向助动器5的底座连接在水平滑动件4的下板13上，从而将竖向助动器5固定在水平滑动件4上(见图2)。实施例二 水平滑动件4与竖向助动器5以及横梁2之间的安装关系为竖向助动器5的底座作为水平滑动件4的上板12，竖向助动器5穿过横梁2和水平滑动件下板13，从而将竖向助动器5固定在水平滑动件4上(见图3)。上述的水平助动器6和竖向助动器5均为液压缸，并由液压伺服控制系统进行控制(图中未画出)。上述试验装置的试验方法如下第一步在模拟的水下井口导管桩10的沿管长方向上对称布设上测量轴向荷载和水平荷载的应变片9 ；第二步将配制待试验的土体填在基坑I中，并将模拟的水下井口导管桩10埋入该土中；第三步将横梁2下移，使竖向助动器5与水下井口导管桩10顶接触，固定横梁2，竖向助动器5逐级增大荷载，来模拟防喷器重量，并测试加载过程中导管桩10的桩身应变，及水下井口导管桩10顶的荷载一沉降关系曲线，确定导管桩基的竖向承载力及在荷载作用下井口的沉降量；第四步将横梁2上移到一定高度并固定，连接井口系统和隔水管7，隔水管7顶部通过球铰与竖向助动器5相连；用竖向助动器5对井口系统施加一定的张拉力，同时用水平助动器6进行循环水平加载，模拟波流荷载作用下钻井平台和隔水管7的运动；第五步在上述步骤的同时，测量防喷器球铰处的位移和转角及井口导管桩基的水平位移； 第六步对测量数据进行分析，评定井口系统模型的稳定性。
权利要求1.一种水下井口系统加载试验装置，其特征在于，它是在一个基坑的上方设有ー个门形架，所述的门形架是在两个竖向立柱上安装有可以上下活动的横梁，门形架的横梁上安装有水平滑动件，水平滑动件由上板、下板和两根竖向拉杆组成，且上、下板与横梁接触的部位均设有滚动轴承，水平滑动件上安装有施加垂直拉カ或压カ的竖向助动器，水平滑动件的一侧安装有推动滑动件往返运动的水平助动器；基坑中设有模拟的水下井口导管桩，通过导管桩将模拟井口系统固定在门形架内；模拟井口系统由模拟的隔水管、水下井口及防喷器组成；隔水管顶端与竖向助动器底端球铰接，隔水管的底部与防喷器球铰接； 上述的水平助动器和竖向助动器均为液压缸，并由液压伺服控制系统进行控制。
2.如权利要求I所述的水下井口系统加载试验装置，其特征在于，水平滑动件套在门形架横梁上，竖向助动器的底座连接在水平滑动件的下板上，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。
3.如权利要求I所述的水下井口系统加载试验装置，其特征在于，竖向助动器的底座作为水平滑动件的上板，竖向助动器穿过横梁和水平滑动件下板，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。
专利摘要本实用新型公开了一种水下井口系统加载试验装置，它是在一个基坑的上方设有一门形架，门形架的横梁上安装有水平滑动件，水平滑动件上安装有竖向助动器，水平滑动件的一侧安装有水平助动器；基坑中设有模拟的水下井口导管桩，通过导管桩将模拟井口系统固定在门形架内；模拟井口系统的隔水管顶端与竖向助动器底端球铰接，隔水管的底部与模拟井口系统的防喷器球铰接。通过上述实验装置能够模拟海洋环境载荷作用下钻井船或平台漂移、隔水管运动等循环荷载以及隔水管上的张拉力，揭示了各种因素对水下井口稳定性及导管承载能力的影响规律和敏感性。
文档编号E21B47/001GK202520302SQ201220076408
公开日2012年11月7日 申请日期2012年3月2日 优先权日2012年3月2日
发明者孙宝江, 王腾, 高永海 申请人:中国石油大学(华东)