一种深水钻井隔水管试验单根测试装置及方法

1.本发明涉及一种海洋隔水管悬挂动力学试验装置及方法，尤其是一种深水钻井隔水管试验单根测试装置及方法。


背景技术：

2.海洋深水钻井隔水管系统是海上油气勘探开发的关键设备，在环境载荷超过隔水管作业极限或井间移位作业时，隔水管系统与防喷器或井口解脱进入悬挂模式。处于悬挂模式下的隔水管系统，受到平台运动、环境载荷的激励作用，产生较为剧烈的动力学响应。准确掌握隔水管系统动力学响应规律对于安全生产作业、保障人员安全尤为重要。
3.目前，国内外对于悬挂模式下的隔水管系统开展了大量理论研究，但相关动力学试验研究相对较少。现有的理论研究表明，隔水管的动力学参数影响隔水管系统动力学响应分析结果，准确测试隔水管的动力学参数是试验研究与理论研究对比验证的关键。而现有的试验研究并未对隔水管试验单根动力学参数进行准确测试，为此亟需设计一种深水钻井隔水管试验单根测试装置及方法，以开展隔水管系统动力学试验与理论研究，为试验数据反演与理论分析提供支撑。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明提供一种深水钻井隔水管试验单根测试装置及方法，该测试装置及方法能准确测试隔水管试验单根的动力学参数：质量、刚度、阻尼比，为隔水管悬挂动力学试验及仿真研究提供基础数据。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：其特征在于：它包含加载装置、数据采集分析及控制系统、隔水管试验单根。
6.所述加载装置由升降装置与电磁铁加载装置实现加载功能；所述升降装置包含升降平台，卡块，卡盘，连接器，连接法兰；所述电磁铁加载装置包含电磁铁，减振垫，调节器，调节螺栓，双头螺柱，固定螺母，固定支架；所述升降平台为六自由度激励平台，所述卡块、所述连接器与所述法兰依次连接，所述卡块通过所述卡盘固定于所述升降平台上端面；所述固定支架固定于所述升降平台底座，所述固定支架上端面中心设有光孔；所述调节器上部为大直径圆柱体，下端为小直径圆柱体，上部侧面设有贯通方形槽，四角有倒角，下部侧面设有平整端面用于扳手紧固，所述调节器上部端面中心设有光孔，下部端面中心设有螺纹孔，均贯通；所述电磁铁为圆柱体，下端面设有螺纹孔，通过所述调节螺栓与所述调节器连接，所述电磁铁与所述调节器上端面间设有所述减振垫；所述双头螺柱端部均设有螺纹，上部与所述调节器连接，下部与所述固定支架上端面连接并通过两个所述固定螺母夹紧。
7.所述隔水管试验单根为测试本体，可模拟隔水管悬挂动力学特性。
8.所述数据采集分析及控制系统包含三分力仪传感器，高速测量系统，高性能计算机；所述三分力仪传感器两端设有法兰，上端法兰与所述连接法兰连接，用于采集所述隔水管试验单根重量及系统加载的载荷，下端法兰与所述隔水管试验单根连接，所述隔水管试
验单根下端与所述电磁铁端面接触；所述高速测量系统为三维非接触式全场应变高速测量系统，布置于所述隔水管试验单根一侧，用于采集所述隔水管试验单根运动信息；所述高性能计算机内置数据采集分析软件与控制软件，用于采集所述三分力仪传感器与所述高速测量系统输出信号，分析所述隔水管试验单根基本参数，用于控制所述升降平台与所述电磁铁，实现载荷加载与参数测试功能。
9.所述隔水管试验单根的重量为所述电磁铁未通电时的所述三分力仪传感器的输出参数，基于牛顿第二定律，所述隔水管试验单根的质量为
[0010][0011]
式中，f1为所述电磁铁未通电时的所述三分力仪传感器的测量参数，g为重力加速度。
[0012]
基于胡克定律，所述隔水管试验单根的刚度为
[0013][0014]
式中，f1为所述电磁铁未通电时的所述三分力仪传感器的输出参数，f2为所述电磁铁通电时的所述三分力仪传感器的输出参数，x为由所述高速测量系统采集的所述电磁铁通电前后的所述隔水管试验单根位移。
[0015]
基于对数衰减率法，由所述高速测量系统采集的所述电磁铁突然断电后的振动位移确定所述隔水管试验单根阻尼比
[0016][0017]
式中，u
i
与u
i+1
为相邻振动位移峰值。
[0018]
所述升降平台上端面设有光孔，光孔大于所述连接器与所述卡块外径；所述连接器与所述卡块、所述连接法兰采用销轴连接；所述卡盘为两块拼接，接触处中心设有光孔，所述卡块穿过所述卡盘中心并固定于所述卡盘上端面。
[0019]
所述固定支架与所述升降台采用焊接连接。
[0020]
所述三分力传感器与所述连接法兰、所述隔水管试验单根均采用螺栓连接。
[0021]
所述调节器上部圆柱体外径大于所述电磁铁外径，所述调节器上端面设置的光孔直径大于所述调节螺栓直径，所述电磁铁具有快速退磁特性，便于所述电磁铁断电后迅速无阻挂回落。
[0022]
与所述高速测量系统相对的所述隔水管试验单根的侧面设置散斑图。
[0023]
本发明采用以上技术方案，其具有以下优点：1、采用六自由度激励平台与电磁铁相结合的方式构建深水钻井隔水管试验单根测试装置，可测试不同配置及长度的隔水管试验单根动力学参数，具有结构简单，使用方便的特点；2、采用高速测量系统与三分力仪传感器结合的方式记录试验数据，实现实时准确高效记录数据的目的；3、基于牛顿第二定律、胡克定律与对数衰减率法准确测试隔水管试验单根质量、刚度与阻尼比，为隔水管悬挂动力
学试验及仿真提供基础数据，解决试验数据反演难题。
附图说明
[0024]
图1为本发明的整体结构示意图。
[0025]
图2为本发明的悬挂体结构示意图。
[0026]
图3为本发明的电磁铁加载装置示意图。
[0027]
图4为本发明的固定支架结构示意图。
[0028]
图5为本发明的测试装置使用方法流程图。
[0029]
图中，1.高性能计算机，2.高速测量系统，3.卡块，4.卡盘，5.连接器，6.连接法兰，7.三分力仪传感器，8.隔水管试验单根，9.散斑图，10.升降平台，11.电磁铁，12.减振垫，13.调节器，14.调节螺栓，15.双头螺柱，16.固定螺母，17.固定支架，17
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1.固定板，17
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2.支架固定板，17
‑
3.支架竖梁，17
‑
4.支架横梁。
具体实施方式
[0030]
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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做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。
[0031]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0033]
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的升降平台10与固定支架17的固定板17
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1的端面中心均设有光孔，固定支架17焊接于升降平台10的底座且两个光孔同心。连接器5上部与卡块3连接，连接器5下部与连接法兰6连接，连接法兰6法兰面为8孔且与三分力仪传感器7通过螺栓连接，卡块3、连接器5、连接法兰6与三分力仪传感器7组成的悬挂体穿过升降平台10上端面中心孔并由卡盘4悬挂固定于升降平台10上，卡盘4分为两块，经组合后环抱卡块3。调节器13由两个不同直径的圆柱体组成，上部圆柱体直径较大且大于电磁铁11外径，下部圆柱体直径较小，上部圆柱体侧面设有贯通方形槽，四角有倒角，用于扳手伸进方型槽内以紧固调节螺栓14，调节器13的上部圆柱体端面设置中心孔，下部圆柱体端面设置螺纹孔，下部圆柱体侧面磨平以便于扳手紧固。调节螺栓14连接电磁铁11与调节器13，双头螺柱15用于连接调节器14与固定支架17，通过两个固定螺母16将双头螺柱15锁紧于固定板17
‑
1，同时还可通过固定螺母16对电磁铁11的下端面与调节器13的上端面距离进行调节。电磁铁11外径小于调节器13大径，电磁铁11与调节器13之间设有减振垫12，在电磁铁11失电去磁
回落时能起到减震作用，减小电磁铁11与调节器13的碰撞程度。隔水管试验单根8上部与三分力仪传感器7连接，下部与电磁铁11上端面接触，高速测量系统2放置于隔水管试验单根8侧面，且在隔水管试验单根8与高速测量系统2相对的侧面安装散斑图9用于使高速测量系统2采集隔水管试验单根8的运动信息。高性能计算机1内置数据采集分析软件与控制软件，用于对三分力仪传感器7、高速测量系统2、电磁铁11及升降平台10的数据采集与控制，获得隔水管试验单根8的动力学参数。
[0034]
如图4所示，本发明的固定支架17由1块固定板17
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1，1块支架固定板17
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2，两根支架竖梁17
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3，两根支架横梁17
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4组合而成，连接方式为螺栓连接，便于安装与拆卸，用于固定电磁铁加载装置。
[0035]
如图5所示，本发明的使用方法为：依次安装支架17，卡块3、连接器5、连接法兰6与三分力仪传感器7组成的悬挂体，隔水管试验单根8，高速测量系统2，散斑图9；组装完成电磁铁加载装置，调节螺栓14旋入电磁铁11中心螺纹孔1～2扣；调试高性能计算机1的数据采集分析软件与处于可用状态，利用控制软件使升降平台10升高或降低至可顺利安装电磁铁加载装置的高度，需满足的要求为电磁铁11的升高至最高状态时与隔水管试验单根8底端接触。空载测试：在未对电磁铁11通电的条件下读取三分力仪传感器7的数据与高速测量系统2的数据，此时三分力仪传感器7的数据为隔水管试验单根8的重量；加载测试：将电磁铁11上端面与隔水管试验单根8底面接触并对电磁铁11进行通电，用扳手紧固调节螺栓14至隔水管试验单根8产生拉伸现象，记录此时的试验数据以得到隔水管试验单根8的刚度；断电测试：电磁铁11瞬时失电，利用数据采集分析软件得到隔水管试验单根8的阻尼比。
[0036]
本发明方法的有益效果是：提出一种深水钻井隔水管试验单根测试装置及方法，利用高性能计算机实现机械装置、数据采集分析系统、控制系统的融合，基于牛顿第二定律、胡克定律与对数衰减率法准确测试隔水管试验单根的动力学参数，为隔水管悬挂动力学试验及仿真研究提供基础数据。