一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置及方法，装置由传动系统、支撑系统和扰流杆组成，关于隔水管的管轴呈轴对称布置。传动系统的叶轮安装于隔水管与钻柱间的环空中，钻井液上返时驱动叶轮旋转，叶轮带动蜗杆旋转，蜗杆再带动蜗轮旋转，蜗轮最终驱动扰流杆旋转，扰流杆由支撑系统支撑固定。通过隔水管两侧扰流杆的旋转，使隔水管后方尾迹区变窄，降低了海流作用在隔水管上的绕流升力和阻力，从而实现涡激振动的抑制。本发明利用钻井液上返时动能驱动扰流杆旋转，无需外部提供能量，实现了低成本、零耗能。
【专利说明】
一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置及方法
技术领域
[0001]本发明属于海洋油气工程技术领域，具体涉及一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置及方法。
【背景技术】
[0002]海洋石油钻井中，隔水管是核心部件之一，它构建了钻井平台与水下井口的传输通道，对隔离海水、引导钻具与管柱、循环钻井液与完井液、补偿钻井浮体的升降运动等具有重要作用。隔水管受到风、浪、流等复杂的海洋环境荷载，易发生疲劳失效。其中，波流绕流引起的管体涡激振动是隔水管发生疲劳损伤的主要诱因。涡激振动是复杂的流固耦合问题，尤其当旋涡脱落频率与管柱固有频率相近时，还会引发涡激共振，造成隔水管断裂失效，严重影响安全作业与生态环境。因此，有效抑制涡激振动是海洋钻井隔水管安全服役的保障。
[0003]目前，有关隔水管涡激振动的抑制装置可分为两类，一类是主动抑制，即人为从外部施加能量，驱动局部附属构件运动，破坏绕流流场，从而实现振动的抑制；另一类是被动抑制，即通过在管壁添加附属结构，改变绕流剖面，使得绕流结构趋于流线型。主动抑制由于需要消耗额外的能量，尚未被实际工程采用。被动抑制尽管可以达到一定的抑制效果，但添加的附属结构往往增大了绕流阻力，一定程度地改变了管柱自身的重量，且大多数被动抑制结构不能应对方向不断变化的来流。能否不消耗额外能量同时又实现主动抑制的效果，便成为了涡激振动抑制装置设计的一个新方向。
【发明内容】
[0004]针对现有海洋隔水管涡激振动抑制装置和方法的不足，本发明提供一种无需外加能量、构造相对简单的利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置及方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置由传动系统、支撑系统和扰流杆组成，关于隔水管的管轴呈轴对称布置。传动系统包括叶轮、蜗杆、蜗轮、密封轴承各两个。隔水管管壁上开有轴对称布置的两个圆孔，蜗杆一端从圆孔伸入至隔水管与钻杆之间的环形空间中，且伸入环形空间的蜗杆端部安装有叶轮，叶轮转动可以带动蜗杆转动;蜗杆与隔水管管壁圆孔间的间隙由密封轴承填充，既实现密封，又保证蜗杆能够相对于隔水管转动;蜗杆有螺纹的一端在隔水管外与蜗轮的螺纹啮合，且蜗杆轴与蜗轮轴垂直正交，蜗杆转动带动蜗轮转动，转动方向发生90°转变。支撑系统由上部、下部两个套环、四根支撑杆、四个轴承座、四个转动轴承组成。套环套装在隔水管的外壁，由两个半圆环形构件通过螺栓连接构成;每个套环上连接有与隔水管管壁垂直的两根支撑杆，两根支撑杆关于隔水管的管轴呈轴对称布置，每根支撑杆末端安装有一个轴承座，轴承座中布置有一个转动轴承;上部套环支撑杆末端的轴承座开口向下，下部套环支撑杆末端的轴承座开口向上，转动轴承的轴线与隔水管轴线平行。扰流杆为两端直径小、中部直径大的圆柱体，扰流杆的两端分别安装于上部、下部套环支撑杆末端轴承座的转动轴承中；扰流杆上端小直径柱体外部装有花键，其穿过蜗轮中心孔并与蜗轮中心孔的花键槽啮合，蜗轮旋转可以带动扰流杆旋转;安装在扰流杆上的蜗轮下端面刚好贴合扰流杆上端小直径与大直径柱体的台阶面，可以限定蜗轮在扰流杆轴向的运动。
[0007]所述的叶轮直径为隔水管与钻柱环空尺寸的1/3?1/2，以保证叶轮在环空钻井液上返动能的驱动下自由转动。所述的套环内径等于隔水管外径。所述的扰流杆两端小直径柱体的直径等于转动轴承的内径，扰流杆中部柱体直径为两端小直径柱体直径的2?3倍；扰流杆长度等于5?8倍的隔水管外径;扰流杆上端小直径柱体外部的花键高度大于蜗轮中心孔的花键槽高度，以防止蜗轮轴向滑脱。
[0008]采用所述的利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置可以实现一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动方法，将关于隔水管轴对称布置的两根扰流杆所在平面垂直于海流流向放置，且扰流杆转动时与隔水管紧邻一侧的切线速度方向与海流方向相反。当隔水管与钻柱环空中钻井液向上流动时，会驱动叶轮旋转，叶轮转动后带动蜗杆旋转，蜗杆旋转又带动蜗轮旋转，最后扰流杆在蜗轮的带动下旋转。通过隔水管两侧扰流杆的旋转，为隔水管的绕流边界层注入了能量，使隔水管后方尾迹区变窄，削弱了旋涡脱落强度，减少了隔水管前后压差，降低了海流作用在隔水管上的绕流升力和阻力，从而实现涡激振动的抑制。
[0009]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:
[0010]1.本发明装置可作为一个基本单元，根据实际需要按一定间隔在隔水管上布置多个单元，以实现隔水管涡激振动的分段抑制；
[0011 ] 2.本发明的实施是利用钻井液上返时动能驱动扰流杆旋转，无需外部提供能量，实现了低成本、零耗能。
【附图说明】
[0012]图1为本发明装置的整体结构图
[0013]图2为本发明装置的剖视图
[0014]图3为本发明装置的传动系统示意图
[0015]图4为本发明装置的套环示意图
[0016]图5为本发明装置的工作原理示意图
[0017]其中:1.隔水管;2.钻柱;3.叶轮;4.蜗杆;5.蜗轮;6.密封轴承;7.套环;8.支撑杆；
9.轴承座;10.转动轴承;11.扰流杆
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做进一步描述。
[0019]如图1所示，一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置由传动系统、支撑系统和扰流杆11组成，关于隔水管I的管轴呈轴对称布置。如图2、图3所示，传动系统包括叶轮3、蜗杆4、蜗轮5、密封轴承6各两个。隔水管I管壁上开有轴对称布置的两个圆孔，蜗杆4 一端从圆孔伸入至隔水管I与钻杆2之间的环形空间中，且伸入环形空间的蜗杆4端部安装有叶轮3，叶轮3转动可以带动蜗杆4转动;蜗杆4与隔水管I管壁圆孔间的间隙由密封轴承6填充，既实现密封，又保证蜗杆4能够相对于隔水管I转动;蜗杆4有螺纹的一端在隔水管I外与蜗轮5的螺纹啮合，且蜗杆4轴与蜗轮5轴垂直正交，蜗杆4转动带动蜗轮5转动，转动方向发生90°转变。支撑系统由上部、下部两个套环7、四根支撑杆8、四个轴承座9、四个转动轴承10组成。套环7套装在隔水管I的外壁，由两个半圆环形构件通过螺栓连接构成;如图4所示，每个套环7上连接有与隔水管I管壁垂直的两根支撑杆8，两根支撑杆8关于隔水管I的管轴呈轴对称布置，每根支撑杆8末端安装有一个轴承座9，轴承座9中布置有一个转动轴承10;上部套环7支撑杆8末端的轴承座9开口向下，下部套环7支撑杆8末端的轴承座9开口向上，转动轴承10的轴线与隔水管I轴线平行。扰流杆11为两端直径小、中部直径大的圆柱体，扰流杆11的两端分别安装于上部、下部套环7支撑杆8末端轴承座9的转动轴承10中；扰流杆11上端小直径柱体外部装有花键，其穿过蜗轮5中心孔并与蜗轮5中心孔的花键槽啮合，蜗轮5旋转可以带动扰流杆11旋转;安装在扰流杆11上的蜗轮5下端面刚好贴合扰流杆11上端小直径与大直径柱体的台阶面，可以限定蜗轮5在扰流杆11轴向的运动。
[0020]所述的叶轮3直径为隔水管I与钻柱2环空尺寸的1/3?1/2，以保证叶轮3在环空钻井液上返动能的驱动下自由转动。所述的套环7内径等于隔水管I外径。所述的扰流杆11两端小直径柱体的直径等于转动轴承10的内径，扰流杆11中部柱体直径为两端小直径柱体直径的2?3倍;扰流杆11长度等于5?8倍的隔水管I外径;扰流杆11上端小直径柱体外部的花键高度大于蜗轮5中心孔的花键槽高度，以防止蜗轮5轴向滑脱。
[0021]采用所述的利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置可以实现一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动方法，将关于隔水管I轴对称布置的两根扰流杆11所在平面垂直于海流流向放置，且扰流杆11转动时与隔水管I紧邻一侧的切线速度方向与海流方向相反，如图5所示。当隔水管I与钻柱2环空中钻井液向上流动时，会驱动叶轮3旋转，叶轮3转动后带动蜗杆4旋转，蜗杆4旋转又带动蜗轮5旋转，最后扰流杆11在蜗轮5的带动下旋转。通过隔水管I两侧扰流杆11的旋转，为隔水管I的绕流边界层注入了能量，使隔水管I后方尾迹区变窄，如图5所示，削弱了旋涡脱落强度，减少了隔水管I前后压差，降低了海流作用在隔水管I上的绕流升力和阻力，从而实现涡激振动的抑制。
[0022]实施例:
[0023]本发明装置可以作为一个基本单元，根据实际需要按一定间隔在隔水管I上布置多个单元，以实现隔水管I涡激振动的分段抑制。实际安装时，先在隔水管I管壁上开轴对称布置的两个圆孔，将蜗杆4一端从圆孔伸入至隔水管I与钻杆2之间的环形空间中，并在环形空间中将叶轮3安装于蜗杆4的端部。然后，将蜗杆4与隔水管I管壁圆孔间的间隙用密封轴承6填充。在隔水管I外壁间隔套装上部、下部两个套环7，在套环7支撑杆8末端轴承座9中布置有转动轴承10。将扰流杆11上端小直径柱体穿过蜗轮5的中心孔，使扰流杆11上端小直径柱体插入上部套环7上支撑杆8末端轴承座9的转动轴承10圈中，并使扰流杆11上端小直径柱体外部的花键与蜗轮5中心孔的花键槽啮合，同时使蜗轮5的螺纹与蜗杆4在隔水管I外的螺纹啮合，且蜗杆4轴与蜗轮5轴垂直正交，实现转动方向90°的转变。最后，移动下部的套环7，将扰流杆11下端小直径柱体插入下部套环7上支撑杆8末端轴承座9的转动轴承10中。安装后，装置整体关于隔水管I的管轴呈轴对称布置。
[0024]将安装有本发明装置的隔水管放入海流中，使关于隔水管I轴对称布置的两根扰流杆11所在平面垂直于海流流向放置，且扰流杆11转动时与隔水管I紧邻一侧的切线速度方向与海流方向相反。开钻后，钻井液会在隔水管I与钻柱2环空中向上流动，驱动叶轮3旋转，叶轮3转动后带动蜗杆4旋转，蜗杆4旋转又带动蜗轮5旋转，最后扰流杆11在蜗轮5的带动下旋转。隔水管I两侧的扰流杆11旋转过程中为隔水管I的绕流边界层注入了能量，使隔水管I后方尾迹区变窄，削弱了旋涡脱落强度，减少了隔水管I前后压差，降低了海流作用在隔水管I上的绕流升力和阻力，从而实现涡激振动的抑制。
【主权项】
1.一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置，关于隔水管(I)的管轴呈轴对称布置，其特征在于:由传动系统、支撑系统和扰流杆(11)组成，传动系统包括叶轮(3)、蜗杆(4)、蜗轮(5)、密封轴承(6)各两个;隔水管(I)管壁上开有轴对称布置的两个圆孔，蜗杆(4)一端从圆孔伸入至隔水管(I)与钻杆(2)之间的环形空间中，且伸入环形空间的蜗杆(4)端部安装有叶轮(3);蜗杆(4)与隔水管(I)管壁圆孔间的间隙由密封轴承(6)填充;蜗杆(4)有螺纹的一端在隔水管(I)外与蜗轮(5)的螺纹啮合，且蜗杆(4)轴与蜗轮(5)轴垂直正交；支撑系统由上部、下部两个套环(7)、四根支撑杆(8)、四个轴承座(9)、四个转动轴承(10)组成;套环(7)套装在隔水管(I)的外壁，由两个半圆环形构件通过螺栓连接构成;每个套环(7)上连接有与隔水管(I)管壁垂直的两根支撑杆(8)，两根支撑杆(8)关于隔水管(I)的管轴呈轴对称布置，每根支撑杆(8)末端安装有一个轴承座(9)，轴承座(9)中布置有一个转动轴承(10);上部套环(7)支撑杆(8)末端的轴承座(9)开口向下，下部套环(7)支撑杆(8)末端的轴承座(9)开口向上，转动轴承(10)的轴线与隔水管(I)轴线平行;扰流杆(11)为两端直径小、中部直径大的圆柱体，扰流杆(11)的两端分别安装于上部、下部套环(7)支撑杆(8)末端轴承座(9)的转动轴承(10)中；扰流杆(II)上端小直径柱体外部装有花键，其穿过蜗轮(5)中心孔并与蜗轮(5)中心孔的花键槽啮合;安装在扰流杆(11)上的蜗轮(5)下端面贴合扰流杆(11)上端小直径与大直径柱体的台阶面。2.如权利要求1所述的一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置，其特征在于:叶轮(3)直径为隔水管(I)与钻柱(2)环空尺寸的1/3?1/2。3.如权利要求1所述的一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置，其特征在于:扰流杆(11)两端小直径柱体的直径等于转动轴承(10)的内径，扰流杆(11)中部柱体直径为两端小直径柱体直径的2?3倍;扰流杆(11)长度等于5?8倍的隔水管(I)外径;扰流杆(11)上端小直径柱体外部的花键高度大于蜗轮(5)中心孔的花键槽高度。4.利用如权利要求1所述的利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动装置可以提供一种利用钻井液上返能量抑制隔水管涡激振动方法，其特征在于:两根扰流杆(I I)所在平面垂直于海流流向放置，且扰流杆(11)转动时与隔水管(I)紧邻一侧的切线速度方向与海流方向相反；当隔水管(I)与钻柱(2)环空中钻井液向上流动时，会驱动叶轮(3)旋转，叶轮(3)转动后带动蜗杆(4)旋转，蜗杆(4)旋转又带动蜗轮(5)旋转，最后扰流杆(11)在蜗轮(5)的带动下旋转;通过隔水管(I)两侧扰流杆(11)的旋转，为隔水管(I)的绕流边界层注入了能量，使隔水管(I)后方尾迹区变窄，削弱了旋涡脱落强度，减少了隔水管(I)前后压差，降低了海流作用在隔水管(I)上的绕流升力和阻力，从而实现涡激振动的抑制。
【文档编号】E21B17/10GK106089121SQ201610430980
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】朱红钧, 孙兆鑫, 汤连东, 牛义康
【申请人】西南石油大学