一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，由支撑装置、海浪模拟装置、钻井模拟装置、隔水管张紧系统、隔水管偏转系统、液压系统、空气压缩系统、数据采集系统组成。钻井模拟装置通过隔水管张紧系统和隔水管偏转系统与支撑装置连接；支撑装置包括水池和架设在水池上方的支撑架体；隔水管张紧系统由连接架、张紧环、钢丝绳组成，海浪模拟装置由4个潜水泵及供水系统组成；钻井模拟装置由钻杆、钻头、油缸、油马达组成；液压系统与钻井模拟装置的油缸和油马达连接在一起，空气压缩系统连接在钻井模拟装置上，数据采集系统由应变片、应变片数据采集仪组成。本发明可模拟深水钻井时隔水管遇到的不同工况，适用范围广，通用性强。
【专利说明】
一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，属于海洋石油装备技术领域。。
【背景技术】
[0002]海洋油气资源已成为全球能源战略目标的重要组成部分，海洋石油开发已从浅水向深水和超深水发展。但受深水区域钻采环境恶劣条件的限制，其对石油钻采装备提出了更高更苛刻的要求。我国的深水石油勘探装备的研究开发技术已经成为制约我国深水油气开发的瓶颈之一。
[0003]隔水管系统是海洋钻井装备中连接海面平台与海底油井的纽带和桥梁，是海洋深水钻井作业中最关键的设备之一。隔水管在工作时，受到了平台的漂移、海浪、海流的共同作用，同时，也受到了钻柱、钻头等钻井设备对隔水管产生的不规则激振力，所以，隔水管受力情况十分复杂。目前，针对隔水管试验装置仅能对其受力做出简单的模拟，特别是钻井设备对隔水管的激振力也只能人为的进行加载，不能模拟钻头的工作情况对隔水管的影响；而且只能模拟海浪对隔水管的影响，不能模拟海流对隔水管的影响，更不能模拟海流的组合、变化所产生的影响。所以，尚未有一种试验装置能够完全模拟在钻井过程中，隔水管完整的受力情况。为此，研究出新的试验装置，更真实地对海洋隔水管在钻井工况下的力学特性进行分析，以期作为深水环境条件下隔水管强度设计的依据，解决隔水管的稳定、安全问题，显得尤为重要。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，能够模拟深水钻井过程中，隔水管受横向、纵向和扭矩振动等复杂的受力工况的试验装置，能够良好的模拟隔水管在工作时的各种受力状态，有效验证隔水管的可靠性，并能够为深水钻井工况下隔水管力学特性提供有效的研究手段。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]本发明一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，由支撑装置、海浪模拟装置、钻井模拟装置、隔水管张紧系统、隔水管偏转系统、液压系统、空气压缩系统、数据采集系统组成。所述海浪模拟装置与支撑装置的水池连接在一起，钻井模拟装置通过隔水管张紧系统和隔水管偏转系统与支撑装置连接，液压系统和空气压缩系统控制钻井模拟装置，所有数据最终都传入数据采集系统中。
[0007]所述支撑装置是用于钻杆系统的支撑连接，支撑装置包括用于进行试验的水池和架设在水池上方的支撑架体;支撑架体通过支撑座固定在水池上方，支撑架体上设置有连接架与隔水管张紧系统相连。
[0008]所述隔水管张紧系统由连接架、张紧环、钢丝绳组成，支撑架体上的连接架通过钢丝绳和试验用隔水管上的张紧环相连，张紧环固定在试验用隔水管上部；隔水管张紧系统是为隔水管装置在工作时保持隔水管不受压提供向上的张紧力。
[0009]所述海浪模拟装置由在水池内壁上自上而下分布的4个潜水栗及供水系统组成；海浪模拟装置是用来制造和模拟海浪、海流等各种工况下的受力工作环境。
[0010]所述钻井模拟装置由钻杆、钻头、油缸、油马达组成，钻杆位于试验用隔水管内部，钻头连接在钻杆下方，可完全模拟在钻井过程中，钻杆对隔水管产生激振力的情况;油马达下面设置有接头，钻井模拟装置通过接头与支撑装置连接在一起。
[0011]所述隔水管偏转系统主要由下部挠性装置组成，下部挠性装置固定在水池底部，用于放置试验用隔水管，隔水管偏转系统是用来模拟隔水管在海浪作用以及平台漂移下的偏转情况。
[0012]所述液压系统与钻井模拟装置的油缸和油马达连接在一起，能对油缸和油马达进行控制;一方面，进油管线从油箱出发，依次与过滤器、油栗、调压阀相连，再连接到电控换向阀上，最后连接到油缸上。回油管线从油缸出发，经过调压阀连接到电控换向阀上，再连接到油箱。另一方面，进油管线同样从油箱出发，依次与过滤器、油栗、调压阀相连，再连接到电控换向阀上，最后连接到油马达上。回油管线从油马达出发，连接到电控换向阀上，再连接到油箱。油栗与油栗电机相连，油栗电机与油栗电机控制器相连;油栗电机控制器与电控换向阀一道连接到数据采集与控制器上，数据采集与控制器与主控工作站相连，受主控工作站控制。所述油缸上还设有油缸位移传感器，直接连接到数据采集与控制器上。
[0013]所述空气压缩系统连接在钻井模拟装置的接头上，由空气压缩机和空气压缩机控制设备组成;空气压缩机控制设备与数据采集与控制器连接，由主控工作站进行控制。
[0014]所述数据采集系统由应变片、应变片数据采集仪组成，应变片数据采集仪与数据采集与控制器相连，数据传输到主控工作站上。
[0015]本发明的优点及有益效果是:1、本发明可以模拟深水钻井时隔水管遇到的不同工况，包括不同张紧力、不同流水速度、不同钻井排量等;4个至上而下布置的潜水栗，能模拟多种海浪、海流形式，并且通过控制潜水栗的开启顺序和排量，能模拟海流的组合和变化对隔水管的影响;而且钻杆下面连接了钻头，能模拟钻进过程的工况，因此本发明可以在水池内较为真实有效的模拟深水钻井各种工况下隔水管力学特性，实验效果稳定可靠。2、本发明隔水管模型上下端分别采用张紧环和挠性装置连接，真实的模拟了深水钻井中隔水管的连接方式，而且本发明中使用的是分节隔水管，更符合实际情况，因此，本发明能真实反映稳定可靠的深水钻井工况下的力学特性。3、本发明中隔水管模型通过钢丝绳与连接架连接，因此，通过调节钢丝绳的长度可选取不同尺寸的隔水管模型，因此适用于不同长度的隔水管模型的试验，适用范围广，通用性强。同时，钢丝绳支撑隔水管等结构重量，连接架固定在支撑架体上，因此隔水管的固定非常牢靠，有利于得到隔水管模型的力学特性。4、本发明通过控制与隔水管模型连接的张紧环，来对隔水管模型施加不同的张紧力，因此可以开展不同张紧力对隔水管模型力学特性的影响规律的试验研究。5、本发明还设有空气压缩机，可开展在海洋钻井中运用空气钻井技术效果的实验研究。6、本发明将应变片贴于隔水管模型不同的高度位置，并与数据采集系统相连，可以在试验过程中准确的获得隔水管模型的实时数据。
【附图说明】
[0016]图1为本发明一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置的结构示意图；
[0017]图2为本发明的液压控制系统示意图。
[0018]图中，1.潜水栗、2.试验用隔水管、3.支撑座、4.张紧环、5.支撑架体、6.钢丝绳、7.连接架、8.油缸、9.油马达、10.接头、11.应变片、12.钻杆、13.下部挠性装置、14.钻头、15.岩石、16.水池、17.油缸位移传感器、18.调压阀、19.电控换向阀、20.调压阀、21.压力表、
22.油栗、23.过滤器、24.油栗电机、25.油箱、26.油栗电机控制器、27.数据采集与控制器、28.主控工作站、29.应变片数据采集仪、30.空气压缩机控制系统、31.空气压缩机。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0020]如图1、图2所示，本发明一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，由支撑装置、海浪模拟装置、钻井模拟装置、隔水管张紧系统、隔水管偏转系统、液压系统、空气压缩系统、数据采集系统组成。所述海浪模拟装置与支撑装置的水池连接在一起，钻井模拟装置通过隔水管张紧系统和隔水管偏转系统与支撑装置连接，液压系统和空气压缩系统控制钻井模拟装置，所有数据最终都传入数据采集系统中。
[0021]所述支撑装置是用于钻杆系统的支撑连接，支撑装置包括用于进行试验的水池16和架设在水池16上方的支撑架体5，支撑架体5通过支撑座3固定在水池16上方;支撑架体5上设置有连接架7，从而与隔水管张紧系统相连。
[0022]所述隔水管张紧系统由连接架7、张紧环4、钢丝绳6组成，支撑架体5上的连接架7通过钢丝绳6和试验用隔水管2上的张紧环4相连，张紧环4固定在试验用隔水管2上部；隔水管张紧系统是为隔水管装置在工作时保持隔水管不受压提供向上的张紧力。
[0023]所述海浪模拟装置由在水池内壁上自上而下分布的4个潜水栗I及供水系统组成；海浪模拟装置是用来制造和模拟海浪、海流等各种工况下的受力工作环境。
[0024]所述钻井模拟装置由钻杆12、钻头14、油缸8、油马达9组成，钻杆12位于试验用隔水管2内部，钻头14连接在钻杆12下方，可完全模拟在钻井过程中，钻杆对隔水管产生激振力的情况。油马达9下面设置有接头，钻井模拟装置通过接头与支撑装置连接在一起。
[0025]所述隔水管偏转系统主要由下部挠性装置13组成，下部挠性装置13固定在水池16底部，用于放置试验用隔水管2;隔水管偏转系统是用来模拟隔水管在海浪作用以及平台漂移下的偏转情况。
[0026]所述液压系统与钻井模拟装置的油缸8和油马达9连接在一起，能对油缸8和油马达9进行控制；一方面，进油管线从油箱25出发，依次与过滤器23、油栗22、调压阀20相连，再连接到电控换向阀19上，最后连接到油缸8上。回油管线从油缸8出发，经过调压阀18连接到电控换向阀19上，再连接到油箱25。另一方面，进油管线同样从油箱25出发，依次与过滤器
23、油栗22、调压阀20相连，再连接到电控换向阀19上，最后连接到油马达9上。回油管线从油马达9出发，连接到电控换向阀19上，再连接到油箱25。所述油栗22与油栗电机24相连，油栗电机24与油栗电机控制器26相连;油栗电机控制器26与电控换向阀19 一道连接到数据采集与控制器27上，数据采集与控制器27与主控工作站28相连，受主控工作站28控制。所述油缸8上还设有油缸位移传感器17，直接连接到数据采集与控制器27上。
[0027]所述空气压缩系统连接在钻井模拟装置的接头10上，由空气压缩机31和空气压缩机控制装置30组成；空气压缩机控装置30与数据采集与控制器27连接，由主控工作站28进行控制。
[0028]所述数据采集系统由应变片11、应变片数据采集仪29组成，应变片数据采集仪29与数据采集与控制器27相连，数据传输到主控工作站28上。
【主权项】
1.一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，由支撑装置、海浪模拟装置、钻井模拟装置、隔水管张紧系统、隔水管偏转系统、液压系统、空气压缩系统、数据采集系统组成，其特征在于:所述海浪模拟装置与支撑装置的水池连接在一起，钻井模拟装置通过隔水管张紧系统和隔水管偏转系统与支撑装置连接;液压系统和空气压缩系统控制钻井模拟装置，所有数据最终都传入数据采集系统中；所述支撑装置是用于钻杆系统的支撑连接，支撑装置包括用于进行试验的水池(16)和架设在水池(16)上方的支撑架体(5)，支撑架体(5)通过支撑座(3)固定在水池(16)上方;支撑架体(5)上设置有连接架(7)，从而与隔水管张紧系统相连;所述隔水管张紧系统由连接架(7)、张紧环(4)、钢丝绳(6)组成，支撑架体(5)上的连接架(7)通过钢丝绳(6)和试验用隔水管(2)上的张紧环(4)相连，张紧环(4)固定在试验用隔水管(2)上部;所述海浪模拟装置由在水池内壁上自上而下分布的(4)个潜水栗(I)及供水系统组成;所述钻井模拟装置由钻杆(12)、钻头(14)、油缸(8)、油马达(9)组成，钻杆(12)位于试验用隔水管(2)内部，钻头(14)连接在钻杆(12)下方，可完全模拟在钻井过程中，钻杆对隔水管产生激振力的情况;所述隔水管偏转系统主要由下部挠性装置(13)组成，下部挠性装置(13)固定在水池(16)底部，用于放置试验用隔水管(2)，隔水管偏转系统是用来模拟隔水管在海浪作用以及平台漂移下的偏转情况;所述液压系统与钻井模拟装置的油缸(8)和油马达(9)连接在一起，能对油缸(8)和油马达(9)进行控制;所述空气压缩系统连接在钻井模拟装置的接头(10)上，由空气压缩机(31)和空气压缩机控制装置(30)组成;空气压缩机控装置(30)与数据采集与控制器(27)连接，由主控工作站(28)进行控制;所述数据采集系统由应变片(U)、应变片数据采集仪(29)组成，应变片数据采集仪(29)与数据采集与控制器(27)相连，数据传输到主控工作站(28)上。2.根据权利要求1所述的一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，其特征在于:油马达(9)下面设置有接头，钻井模拟装置通过接头与支撑装置连接在一起。3.根据权利要求1所述的一种模拟深水钻井工况下隔水管力学特性的试验装置，其特征在于:一方面，进油管线从油箱(25)出发，依次与过滤器(23)、油栗(22)、调压阀(20)相连，再连接到电控换向阀(19)上，最后连接到油缸(8)上；回油管线从油缸(8)出发，经过调压阀(18)连接到电控换向阀(19)上，再连接到油箱(25);另一方面，进油管线同样从油箱(25)出发，依次与过滤器(23)、油栗(22)、调压阀(20)相连，再连接到电控换向阀(19)上，最后连接到油马达(9)上；回油管线从油马达(9)出发，连接到电控换向阀(19)上，再连接到油箱(25);所述油栗(22)与油栗电机(24)相连，油栗电机(19)与油栗电机控制器(26)相连;油栗电机控制器(26)与电控换向阀(19) 一道连接到数据采集与控制器(27)上，数据采集与控制器(27)与主控工作站(28)相连，受主控工作站(28)控制;所述油缸(8)上还设有油缸位移传感器(17)，直接连接到数据采集与控制器(27)上。
【文档编号】G01M10/00GK105890869SQ201610186515
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】王定亚, 黄志强, 李东洋, 黄凌峰, 张波
【申请人】西南石油大学