一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置的制作方法

1.本发明涉及石油天然气勘探设备技术领域，尤其涉及一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置。


背景技术：

2.石油、天然气资源是当今各国的经济命脉，从陆地走向海洋、从浅海走向深海是今后较长时期内油气资源战略发展趋势，深海油气开发是我国“建设海洋强国”战略的重要组成部分。随着水深增加，常规钻井隔水管系统愈加庞大，对平台和锚泊系统承载能力的要求愈加严格，同时地层压力窗口过窄、套管使用量过大的问题也愈加突出。
3.无隔水管钻探是一种新型钻井技术，钻柱裸露在海水中，大大减少浮式钻井装置承重，有效降低钻井成本，可解决复杂海底条件下钻井难题。但是由于缺少隔水管保护，钻柱直接受到作业及环境荷载等综合作用，其运动规律及应力分布更加复杂，特别是随着水深和驱动转速的增加，极易导致钻柱大变形，从而引发结构动力失稳破坏。
4.相对于常规海洋立管，无隔水管钻探技术在勘探过程中体现出明显的优势。钻柱除了承受内外流荷载的耦合作用外，钻柱的旋转与钻进，其理论研究与设计面临着更大的挑战，钻柱响应机理成为研究热点和重点，无论对于学术界还是工程界都有着重要的研究意义。但是目前针对无隔水管钻柱水动力学的研究相对较少、研究方法还不完善，因此亟待开发一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，该装置能够有效模拟钻井平台运动、不同海流流速及方向、不同端部载荷、不同转速工况下钻柱结构响应和动力特性。在进行无隔水管钻柱涡激振动试验时，该装置能够精确施加、测量端部力，实现钻柱旋转、垂向振动以及耦合横向、顺流向涡激振动的工况，保证耦合涡激振动的无隔水管钻柱模型动力测试顺利开展。
6.一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，包括：支撑架，在所述支撑架上设置有纵向调节机构、端部力调节机构、偏移机构、自由转动机构；
7.所述纵向调节机构安装在钻柱模型的顶端，用于根据钻柱模型的长短调节其在支撑架上的固定高度；
8.所述端部力调节机构用于调节、测量钻柱模型端部的受力情况；
9.所述偏移机构设置在纵向调节机构上，用于实现钻柱模型的顶端多间距、多角度的变换；
10.所述自由转动机构与钻柱模型的底端连接，用于与端部力调节机构配合，实现钻柱模型旋转的同时能够横向、顺流向双自由度涡激振动。
11.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述纵向调节机构包括：安装在支撑架竖直支撑上的4个平行设置的sbr光轴直线导轨、滑块、直角角
件、高强加载螺栓及螺母、上固定板；
12.所述上固定板的四个拐角通过滑块分别安装在所述4个sbr光轴直线导轨上，其通过直角角件与螺栓及螺母实现与竖直支撑的固定；
13.所述钻柱模型顶端穿过所述上固定板后通过高强加载螺栓及螺母将其固定在上固定板上。
14.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，偏移机构包括：圆形区域、直线滑动轨道；所述圆形区域设置在上固定板上，在所述圆形区域上设置有供钻柱模型的顶端来回滑动的若干直线滑动轨道，所述直线滑动轨道呈米字型分布。
15.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，在所述圆形区域上设置有用于标记钻柱模型顶端移动角度的角度刻度盘以及用于标记其移动长度的标尺。
16.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述自由转动机构包括：下固定板、万向节、回转轴承；
17.所述下固定板固定在支撑架的底部，钻柱模型的底端通过万向节与回转轴承连接，所述回转轴承通过高强固定螺栓及法兰螺母固定在下固定板上。
18.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述端部力调节机构包括：万向节、激振器、调速齿轮减速电机、外置数显张力计；
19.在所述钻柱模型的顶端与上固定板之间依次连接所述万向节、调速齿轮减速电机、激振器、外置数显张力计。
20.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述端部力调节机构还包括张力计显示屏，所述张力计显示屏安装在支撑架上。
21.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，在支撑架的外围安装有通过斜角角件固定的斜撑，所述斜撑与竖直支撑构成三角形结构。
22.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述支撑架、斜撑均采用铝合金型材制成。
23.进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述钻柱模型包括：铝合金内管、铝合金外管，在铝合金内管、铝合金外管之间为不锈钢钢丝。
24.本发明的优点：
25.1、本发明采用回转轴承万向节将钻柱模型与支撑装置进行连接，保证钻柱模型在旋转的同时能够实现在横流向、顺流向自由振动。
26.2、本发明通过圆形区域上设置的米字型直线滑动轨道实现钻柱与来流方向和距离的调节，多角度、多间距的调节能够有效模拟钻井平台运动工况下的钻柱响应，实现不同钻柱模型布置需求的试验工况。
27.3、本发明通过调节高强加载螺栓及螺母松紧程度，并由外置数显张力计对端部力进行测量。张力计下端连接激振器及调速齿轮减速电机，通过显示屏可准确读取张力示数，实现端部力实时测量及调节。
28.4、本发明通过改变端部力调节机构、水槽水流流速、调速齿轮减速电机转速、激振器激励大小，有效实现海水段钻柱模型横
‑
顺
‑
垂
‑
扭耦合振动响应。
29.5、本发明支撑装置由铝合金型材及连接角件通过t型螺栓进行固定组装而成，将
四个支撑设计为三角形，能够保证结构的稳定性和测试钻柱振动数据的精确性。
30.6、本发明支撑装置采用sbr光轴直线导轨能够保证上固定板上下滑动，在进行试验时可以自由变换钻柱模型的长度，方便变换钻柱角度与来流方向，并简化操作流程。
31.7、本发明钻柱模型采用复合材料，中间增强层采用不锈钢钢丝以一定角度进行缠绕，能够提高钻柱抗拉、抗压、抗弯、抗扭性能。
附图说明
32.图1是本发明用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置整体结构主视图；
33.图2是图1的俯视图；
34.图3是本发明装置上部示意图；
35.图4是本发明装置下部与钻柱模型连接示意图；
36.图5是本发明复合材料钻柱模型示意图；
37.附图标记：
[0038]1‑
钻柱模型，2
‑
万向节，3
‑
回转轴承，4
‑
激振器，5
‑
调速齿轮减速电机，6
‑
外置数显张力计，7
‑
张力计显示屏，8
‑
高强加载螺栓及螺母，9
‑
上固定板，10
‑
sbr光轴直线导轨，11
‑
滑块，12
‑
直角角件，13
‑
横向支撑，14
‑
斜撑，15
‑
加强支撑，16
‑
下固定板，17
‑
角度刻度盘，18
‑
标尺，19
‑
高强固定螺栓及法兰螺母，20
‑
不锈钢钢丝，21
‑
铝合金内管，22
‑
竖直支撑，23
‑
直线滑动轨道，24
‑
圆形区域，25
‑
精密轴承滚轮，26
‑
铝合金外管。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
本发明提供的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，包括：支撑架，在所述支撑架上设置有纵向调节机构、端部力调节机构、偏移机构、自由转动机构；
[0041]
所述纵向调节机构安装在钻柱模型的顶端，用于根据钻柱模型的长短调节其在支撑架上的固定高度；
[0042]
所述端部力调节机构用于调节、测量钻柱模型端部的受力情况；
[0043]
所述偏移机构设置在纵向调节机构上，用于实现钻柱模型的顶端多间距、多角度的变换；
[0044]
所述自由转动机构与钻柱模型的底端连接，用于与端部力调节机构配合，实现钻柱模型旋转的同时能够横向、顺流向双自由度涡激振动。
[0045]
具体地，如图1所示，所述纵向调节机构包括：安装在支撑架竖直22上的4个平行设置的sbr光轴直线导轨10、滑块11、直角角件12、高强加载螺栓及螺母8、上固定板9；
[0046]
所述上固定板9的四个拐角通过滑块11分别安装在所述4个sbr光轴直线导轨10上，其通过直角角件12与螺栓及螺母实现与竖直支撑22的固定；
[0047]
所述钻柱模型顶端穿过所述上固定板9后通过高强加载螺栓及螺母8将其固定在上固定板9上。
[0048]
本发明装置通过在竖直支撑22内壁安装sbr光轴直线导轨10，可实现上固定板9、下固定板16自由光滑移动，方便更换试验工况及变换钻柱模型1的尺寸。将试验支撑装置放置在试验水槽中，采用滑块11固定的下固定板16在sbr光轴直线导轨10上进行自由滑动，当上固定板9、下固定板16到达预定位置之后，使用两端开孔的直角角件12配合t型高强螺栓及螺母8，与铝合金型材13固定，实现上固定板9、下固定板16和钻柱模型1的锁定，以保证钻柱模型1的稳定性。
[0049]
如图1、图2所示，所述偏移机构包括：圆形区域24、直线滑动轨道23；所述圆形区域24设置在上固定板9上，在所述圆形区域24上设置有供钻柱模型的顶端来回滑动的若干直线滑动轨道23，所述直线滑动轨道23呈米字型分布。在所述圆形区域24上设置有用于标记钻柱模型顶端移动角度的角度刻度盘17以及用于标记其移动长度的标尺18。
[0050]
本发明为了模拟钻井平台移动及水流方向改变的试验工况，设计了直线滑动轨道23，直线滑动轨道23上设置了标尺18，能够保证移动距离的精度；圆形区域24上设置了角度刻度盘17，能够提供移动角度的可视化。即：通过在圆形区域24设置米字型的直线滑动轨道23，在每个直线滑动轨道23上通过角度刻度盘17进行标记，其两侧带有标尺18，角度刻度盘17角度范围在0
‑
360
°
之间，可以有效模拟不同海流角度作用下钻井平台偏移不同距离时刻的钻柱动力响应。
[0051]
其安装过程为：首先将高强加载螺栓及螺母8松置，然后根据工况需求，将其沿着直线滑动轨道23调节钻柱模型1的移动距离及角度，其中标尺18可以保证移动距离的精确性。满足工况需求之后，通过外置数显张力计6及显示屏7的示数设置端部力，最后锁定加载螺栓及螺母8。
[0052]
如图4所示，所述自由转动机构包括：下固定板16、万向节2、回转轴承3；
[0053]
所述下固定板16固定在支撑架的底部，钻柱模型的底端通过万向节2与回转轴承3连接，所述回转轴承3通过高强固定螺栓及法兰螺母19固定在下固定板16上。
[0054]
本发明提供的装置，钻柱模型1底部采用四个高强螺栓及法兰螺母19将回转轴承3与下固定板16连接固定。回转轴承3与万向节2的共同作用可以实现钻柱模型1横向、顺流向的涡激振动，同时，通过精密轴承滚轮25实现端部自由转动。
[0055]
如图3所示，所述端部力调节机构包括：万向节2、激振器4、调速齿轮减速电机5、外置数显张力计6；
[0056]
在所述钻柱模型1的顶端与上固定板9之间依次连接所述万向节2、调速齿轮减速电机5、激振器4、外置数显张力计6。
[0057]
所述端部力调节机构还包括张力计显示屏7，所述张力计显示屏7安装在支撑架上。
[0058]
调速齿轮减速电机包括固定端和转动端，可实现功率调节，以保证钻柱不同转速的实现，电机转动端下端与钻柱模型连接，电机固定端上端与激振器连接。激振器可以实现轴向激振，以模拟钻柱工作状态，其上端与外置数显张力计连接。
[0059]
本发明提供的装置在钻柱模型1上部连接万向节2，以实现钻柱模型1双自由度振动，通过激振器4对钻柱模型施加轴向激励，激振器4下端连接调速齿轮减速电机5固定端，激振器4上端连接外置数显张力计，端部力的大小通过高强加载螺栓及螺母8设置并锁定。外置数显张力计6可以精确测量、调节端部力的大小，张力计显示屏7将外置数显张力计6的
测量结果直观反馈，进而通过调节加载螺栓及螺母8松紧完成端部力的设置。
[0060]
如图1所示，在支撑架的外围安装有通过斜角角件固定的斜撑14，所述斜撑14与竖直支撑22构成三角形结构。
[0061]
本发明试验支撑装置是由t型高强螺栓通过直角角件12连接，斜撑14由斜角角件固定，斜撑14设置为三角形以更好地保持支撑装置的稳定性。
[0062]
所述支撑架、斜撑14均采用铝合金型材制成。
[0063]
如图5所示，所述钻柱模型1包括：铝合金内管21、铝合金外管26，在铝合金内管21、铝合金外管26之间为不锈钢钢丝20。本发明通过中间采用不锈钢钢丝20以一定角度缠绕，以增强钻柱模型的抗压、抗拉、抗弯及抗扭特性。
[0064]
本发明为复合材料钻柱动力响应测试的研究方向提供试验技术方法，为获取准确数据奠定基础。
[0065]
本发明提供的装置，钻柱模型顶端通过端部力调节机构实现多间距、多角度变换，形成多功能钻柱布置装置，有效模拟钻井平台运动及多种海流方向工况下钻柱的动力响应测试。
[0066]
本发明装置钻柱模型底端通过将万向节嵌套于回转轴承内，二者刚性连接形成回转轴承万向节接头，可以在保证钻柱旋转的同时实现横向、顺流向双自由度涡激振动。
[0067]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。