一种深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及深水钻井技术领域，特别是一种深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]深水油气资源开发技术的发展是未来海洋油气资源开发的关键，过去10年中，深水已成为世界石油工业的重要区域和科技创新的前沿。目前，世界油气资源50%的增长产量来自于深水，在深水区域已发现29个超过5亿桶的大型油气田，全球各大石油公司也逐步将战略重点转入深水油气资源勘探开发，深水已经成为全球油气资源储量的主要接替领域。
[0003]隔水管系统是深水油气资源开发的关键设备。随着水深的增大以及作业环境更加恶劣，隔水管磨损问题逐渐突出，当钻杆以一定的转速和前进速度通过隔水管系统时，因钻头在破碎岩石过程中产生周期性作用力、位移和扭矩，诱发钻杆发生纵向振动、扭转和横向振动，同时深水海流会造成隔水管弯曲和振动，钻杆在轴向力作用下对相接触的隔水管产生正压力，并因旋转运动而相互摩擦，此外，钻杆接头处外径增大且接头外壁焊有粗糙的环形加硬层，更会造成隔水管磨损的加剧。钻杆与隔水管接触表面之间存在复杂的相对运动和受力状况，因为隔水管的磨损可能造成无法承受内部泥浆压力而发生爆裂或造成重要部件的损坏及井控问题，由于磨损问题也引发过多起隔水管事故。
[0004]中国专利申请号:200720082146.0具体公开了一种模拟气体钻井钻具冲蚀磨损的实验装置，主要由风机、送风管、加料器、混合室、加速管、试验管、连接管、旋风分离器、尾管、水箱、流量计、变频调速器等组成。由加料器、混合室、加速管、试验段、连接管、旋风分离器、集砂箱首尾相连形成一个封闭的管道；风机产生空气流与加料器的卸下的砂粒流在混合室里形成气砂两相流后经过加速管的加速后可以通过由钻柱试验段和套管试验段组成的环形空间，模拟气体钻井中气流携带砂粒对钻具的冲蚀磨损。其虽然提供了一种钻具冲蚀磨损试验装置，但其仅适用于空气钻井，而且无法对磨损部位的磨损量进行有效测量。
[0005]中国专利申请号:201310169000.X公开了一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置，它包括水池和拖车，提升装置A设置于拖车的水平滑轨上，隔水管模型连接提升装置A底部的接头A和提升装置B底部的接头B，接头A连通容器，接头B连通液栗，隔水管模型上还设置有张力调节装置，还公布了采用该装置的实验方法。本装置及方法是对隔水管模型的振动特性进行模拟试验，以便于得到不同张紧力、不同水流速度、不同钻井排量、不同钻井液密度、不同钻井液粘度、不同钻井转速下隔水模型力学特性的影响规律，然而该装置及方法也无法对隔水管和钻柱在不同工况下的磨损进行模拟试验，也无法对磨损部位的磨损量进行有效测量。
[0006]目前，针对隔水管与钻柱的磨损问题研究较少，还未有针对该磨损问题的试验装置及其试验方法，但该问题又会对隔水管的安全运行造成重大的安全隐患，所以急需一种深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置及试验方法，加深对隔水管与钻柱磨损问题的试验研究，保证隔水管的安全可靠运行。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可对不同工况下的深水钻井隔水管与钻柱产生的磨损问题进行模拟的深水钻井隔水管与钻柱磨损试验装置及试验方法。
[0008]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置，包括可伸缩试验架、隔水管与钻柱磨损试验装置、隔水管内表面磨损测量装置和钻柱外表面磨损测量装置，
所述的可伸缩试验架的上端安装有顶端横梁，可伸缩试验架的下端安装有底端横梁，可伸缩试验架的中部安装有伸缩短节，伸缩短节与可对试验水池的海流流速以及河流的水流流速进行测量的多普勒剖面流速仪相连，顶端横梁的下表面固定有竖直的顶部安装板，顶部安装板的侧面上固定有水平的伺服电机固定板，底端横梁的上表面固定有竖直的底端安装板，底端安装板的侧面上固定有水平的底端固定板；
所述的隔水管与钻柱磨损试验装置包括伺服电机、隔水管模型、钻柱模型、上张力施加机构和下张力施加机构，隔水管模型和钻柱模型均为薄壁钢管，钻柱模型同轴套装于隔水管模型内，隔水管模型的顶部盖设有隔水管密封盖，伺服电机的尾部固定在伺服电机固定板上，伺服电机的输出轴穿过隔水管密封盖并与钻柱模型的上端传动连接，伺服电机通过电缆与伺服电机转速控制器控制相连，所述的上张力施加机构固定在顶部安装板的侧面上，上张力施加机构的工作端与隔水管模型顶部相连，所述的下张力施加机构固定在底端安装板的侧面上，下张力施加机构的工作端与隔水管模型底部相连；
测量隔水管模型内表面磨损量时，所述的隔水管内表面磨损测量装置安装在隔水管模型的内侧壁上，测量钻柱模型外表面磨损量时，所述的钻柱外表面磨损测量装置安装在钻柱模型的外侧壁上。
[0009]所述的上张力施加机构包括顶端球铰、张力传感器A、液压施加端A和液压储罐A，顶端球铰与隔水管模型的顶部相连，顶端球铰通过隔水管张力施加连接板与液压施加端滑板A相连，液压施加端A与液压施加端滑板A之间安装有用于测量施加到隔水管模型向上张力的张力传感器A，液压施加端A通过液压施加端固定器A安装在顶部安装板的侧面上，液压储罐A通过液压管线A和液控阀A对液压施加端A提供用于对隔水管模型产生向上张力的液压推力。
[0010]所述的下张力施加机构包括底端球铰、张力传感器B、液压施加端B和液压储罐B，底端球铰与隔水管模型底部相连，底端球铰通过底端球铰安装板、底端连接杆、连接杆底板和底端固定板与底端安装板相连，钻柱模型底部通过滚动球轴承与钻柱张力施加连接板相连，底端球铰通过钻柱张力施加连接板与液压施加端滑板B相连，液压施加端B与液压施加端滑板B之间安装有用于测量施加到钻柱模型向下张力的张力传感器B，液压施加端B通过液压施加端固定器B安装在底端安装板的侧面上，液压储罐B通过液压管线B和液控阀B对液压施加端B提供用于对钻柱模型产生向下张力的液压推力。
[0011]所述的隔水管内表面磨损测量装置包括激光传感器A、安装框架A、滚轮A和测量数据记录仪A，安装框架A为圆环形结构，安装框架A的外侧同一圆周上间隔均匀地安装有多个用于对隔水管模型内表面磨损量进行测量的激光传感器A，安装框架A的外侧安装有多个滚轮A，每个滚轮A与隔水管模型内表面接触配合，测量数据记录仪A通过传输电缆A分别与每个激光传感器A相连。
[0012]所述的钻柱外表面磨损测量装置包括激光传感器B、安装框架B、滚轮B和测量数据记录仪B，安装框架B为空心的柱体结构，安装框架B的内壁上间隔均匀地安装有多个用于对钻柱模型外表面磨损量进行测量的激光传感器B，安装框架B的内壁上还安装有多个滚轮B，每个滚轮B与钻柱模型的外表面接触配合，测量数据记录仪B通过传输电缆B分别与每个激光传感器B相连。
[0013]—种深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤:
51、将隔水管与钻柱磨损模拟试验装置置于试验水池，利用多普勒剖面流速仪调节试验水池水流流速，形成所要模拟的海流流速；或将隔水管与钻柱磨损模拟试验装置置于河流水域中，利用多普勒剖面流速仪测量河流流速；
52、根据试验所需要的张力，通过液压施加端A对隔水管模型施加向上的张力，通过液压施加端B对钻柱模型施加向下的张力，在隔水管模型与钻柱模型环空内充满液体；
53、启动伺服电机，带动钻柱模型转动，并通过伺服电机转速控制器调节钻柱模型转动速度；
54、通过液压施加端A和液压施加端B改变张力大小，通过伺服电机转速控制器改变钻柱模型的转速，对不同工况下的隔水管模型与钻柱模型产生的磨损进行试验模拟；
55、试验结束后，取出隔水管模型和钻柱模型，再通过隔水管内表面磨损测量装置和钻柱外表面磨损测量装置分别对隔水管模型和钻柱模型的磨损量进行测量和记录。
[0014]所述的步骤S4中，液压施加端A和液压施加端B所施加的张力分别以25N的幅度增加，伺服电机的转速以20r/min的幅度增加。
[0015]本发明具有以下优点:
该深水钻井隔水管与钻柱磨损模拟试验装置主要能够对不同水流速度、不同钻柱模型转速、不同隔水管模型张力和不同钻柱模型