CN101592588B - 一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，它包括密封筒、密封盖、电动活塞提升机测力传感器、试验用导管、多个应变式测力传感器、液体压力计、液压泵和控制装置；其中，电动活塞提升机测力传感器通过横杆连接实验用导管，并将测得的数据输送给控制装置；各应变式测力传感器间隔设置在海底土覆盖的所述试验用导管外壁上的不同高度，以检测不同海水深度下所述试验用导管所受的应力并实时输送给控制装置；液体压力计用于将采集到的液体上部压强信息实时输送给控制装置；液压泵的输出端通过液压传输管连接密封盖上的进水口；控制装置电连接液压泵的控制端；控制装置内预设置有一控制装置控制密封筒内水深用的液体压强阈值计算模块和一摩擦系数计算模块。本发明能够方便、快速、准确地测量出隔水导管与海底土之间的作用机理，结果可靠性高。

Description

一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置

技术领域

本发明涉及一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，特别是关于一种能模拟不同水深条件的隔水导管桩土相互作用机理试验装置。

背景技术

在海上石油勘探中，钻井隔水导管的安全性和经济性对于整个石油的勘探和开采起着至关重要的作用，而隔水导管入泥深度的确定是钻井隔水导管的关键技术之一，而深海隔水导管入泥深度的确定关键在于隔水导管与海底土之间作用机理的确定。隔水导管与海底土之间的作用机理包括隔水导管与海底土之间的摩擦系数与水深、海底土固结时间、隔水导管管径和海底土性质之间的关系。目前，对于隔水导管与砂土之间的作用机理及二者之间摩擦力的计算理论都不够完善，缺乏相关的理论指导，这就为深海隔水导管入泥深度的确定带来了很大的困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够确定隔水导管与海底土之间的作用机理的隔水导管桩土相互作用机理试验装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：它包括一密封筒、一密封所述密封筒用的密封盖、一电动活塞提升机测力传感器、一模拟隔水导管用的试验用导管、多个应变式测力传感器、一液体压力计、一液压泵和一控制装置；其中，所述密封筒端口处沿径向设置有一固定用的横杆；所述电动活塞提升机测力传感器通过所述横杆连接所述实验用导管，并将测得的数据输送给所述控制装置；各所述应变式测力传感器间隔设置在海底土覆盖的所述试验用导管外壁上的不同高度，以检测不同海水深度下所述试验用导管所受的应力并实时输送给所述控制装置；所述液体压力计用于将采集到的液体上部压强信息实时输送给所述控制装置；所述液压泵的输出端通过液压传输管连接所述密封盖上的进水口；所述控制装置电连接所述液压泵的控制端；所述控制装置内预设置有一所述控制装置控制密封筒内水深用的液体压强阈值计算模块和一摩擦系数计算模块。

所述液体压强阈值计算模块为：

P₀＝ρgh

所述摩擦系数计算模块分别为：

$\mathrm{\μ}=\frac{|G-(P_1-P_2)(A_1-A_2)|}{N}$

式中，ρ为海水的密度[kg/m³]，g为重力加速度[N/kg]，h是所需研究的海水深度[m]，P₀是根据所需研究的海水深度确定的液体压强阈值[P_a]，μ为所述实验用导管与海底土之间的摩擦系数，G为所述应变式测力传感器的重力，P₁、P₂分别是测量初、后所述压力表上显示的压强[P_a]，A₁、A₂分别为所述内液压缸活塞、提升杆的横截面积[m²]，N为所述应变式测力传感器测得的所述实验用导管所受的应力[N]。

它还包括一显示装置，其输入端电连接所述控制装置的输出端。

所述电动活塞提升机测力传感器包括一固定在所述横杆中心的内液压缸，所述内液压缸内包括一下部带有一提升杆的内液压缸活塞，所述提升杆下部通过一挂钩连接所述试验用导管；所述内液压缸活塞的侧壁上、下两端各向外连通一高压传递管，所述高压传递管贯穿所述密封筒分别连通在一外液压缸的上、下腔室；所述外液压缸的顶部设置有一电传动机构，所述电传动机构连接到所述外液压缸内的一外液压缸活塞；所述外液压缸下腔室中连接一压力表，所述压力表实时显示其检测到的所述外液压缸下腔室中液体的压强并通过数据线实时输送给所述控制装置。

包括一电动机，在所述电动机输出轴上连接有一套齿轮齿条机构，由齿轮齿条机构连接外液压缸活塞。

所述内液压缸通过套设在其外的一套管居中固定在所述横杆上，悬置在所述密封筒内。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了密封筒和密封盖，而且密封筒和密封盖之间设置了耐高压的密封材料，因此为模拟真实的海底高压环境提供了有利环境。2、本发明由于设置了电动活塞提升机测力传感器，其可以测得不同水深条件下对实验用导管的提升力，从而可以计算出海底土与实验用导管之间的摩擦力，再结合各应变式测力传感器测得的海底土与实验用导管之间的应力，就可以统计海底土与实验用导管之间的摩擦系数与海水深度、海底土固结时间、实验用导管直径和材质、海底土的种类之间的关系，得出隔水导管与海底土之间的作用机理。本发明能够方便、快速、准确地测量出隔水导管与海底土之间的作用机理，结果可靠性高，从而能够为确定隔水导管最小入泥深度提供科学、准确的参数，具有很好的经济效益。

附图说明

图1是本发明结构示意图

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明装置包括一密封筒1、一密封盖2、一电动活塞提升机测力传感器3、一试验用导管4、多个应变式测力传感器5、一液体压力计6、一超高压的液压泵7和一控制装置8。其中，密封筒1为一无盖的中空圆柱形筒，筒体的端口上设置有用于密封密封筒1的密封盖2，筒体内靠近端口处沿径向设置有一固定用的横杆11。密封筒1中盛装有实验用的海水12和海底土13，密封筒1和密封盖2之间采用耐高压密封材料进行密封，由此在密封筒1中形成的密封空间可以用来模拟海底的高压环境。本实施例中，密封筒1和密封盖2均采用高强度钢材制成，二者的耐压等级均为50MPa，耐高压密封材料可以采用丁腈胶，但不限于此。

电动活塞提升机测力传感器3包括一内液压缸31，内液压缸31悬置在密封筒1内，并通过套设在内液压缸31外的套管32居中固定在密封筒1的横杆11上。由于密封筒1内充满海水12和海底土13，因此内液压缸31处于密封筒1的高压环境内。内液压缸31包括一内液压缸活塞33，将内液压缸31的内腔分为上下两个腔室，内液压缸活塞33的下部有一提升杆34。提升杆34的下部通过挂钩连接试验用导管4。在内液压缸活塞33一侧壁的上、下两端各向外连通一高压传递管35。两个高压传递管35穿出密封筒1后，分别对应连通外液压缸36中被外液压缸活塞37分隔成的上、下腔室。外液压缸36的顶部设置有一电传动机构38，电传动机构38包括一电动机，在电动机输出轴上连接有一套齿轮齿条机构(图中未示)，由齿轮齿条机构连接外液压缸活塞37，电动机工作时，就会带动齿轮齿条机构上下运动，进而推动外液压缸活塞37动作。外液压缸36的下腔室连接一压力表39，压力表39实时显示其检测到的外液压缸36下腔室中液体的压强P并通过数据线实时输送给控制装置8。

电动活塞提升机测力传感器3提升试验用导管4的过程如下：

首先，开启电传动机构38，由电传动机构38将外液压缸活塞37下推，从而使外液压缸36下腔室中的液压油通过高压传递管35传递到内液压缸31中，随后高压油推动内液压缸活塞33上移，此时内液压缸活塞33通过提升杆34带动试验用导管4提升。依据液体等压原理，通过读取外部压力表39的数据即可得知内液压缸31下腔室中液体的压强值P。

上述实施例中，试验用导管4用于模拟实际的隔水导管，因此试验用导管4的直径和材质根据实际使用的隔水导管进行选用。本实施例中，试验用导管4的直径为25.4mm~340mm。

应变式测力传感器5的压强等级可以为10MPa，各应变式测力传感器5间隔设置在海底土覆盖的试验用导管4外壁上的不同高度，比如：将试验用导管4的入土深度分为三等分，应变式测力传感器5可以设置在每个三等份的中间位置处，用于检测模拟实际的隔水导管的试验用导管所受的应力，并将检测到的应力通过数据线实时输送给控制装置8。

液体压力计6的耐压等级为80MPa，其包括一感应端61和一压力表62，感应端61贯穿密封盖2，用于将采集到的液体上部压强信息通过数据线实时输送给控制装置8，压力表62对液体上部压强进行同步显示。液压泵7的输出端通过液压传输管连接密封盖2上的进水口，以便于向密封筒1内泵入海水12。

控制装置8采用一单片机，其通过数据线连接电动活塞提升机测力传感器3、应变式测力传感器5和液体压力计6的数据输出端，以及液压泵7的控制端。控制装置8内预设置有一液压泵7的液体压强阈值计算模块和一摩擦系数计算模块，其中，液体压强阈值计算模块为：

P₀＝ρgh，

式中，ρ为海水12的密度[kg/m³]，g为重力加速度[N/kg]，h是所需研究的海水深度[m]，P₀是根据所需研究的海水深度确定的液体压强阈值[P_a]。

摩擦系数计算模块为：

$\mathrm{\μ}=\frac{|G-a_1(P_1-P_2)(A_1-A_2)|}{N},$

式中，μ为实验用导管4与海底土13之间的摩擦系数，G为应变式测力传感器5的重力[N]，P₁、P₂分别是测量初、后压力表39上显示的压强[P_a]，A₁、A₂分别是内液压缸活塞33和提升杆34的横截面积[m²]，a₁是根据实验统计得到的一计算系数；N为应变式测力传感器5测得的实验用导管4所受的应力[N]。

上述实施例中，应变式测力传感器5、液体压力计6和液压泵7为本领域的常用设备，在此不予详述。

上述实施例中，本发明还包括一显示装置9，其输入端电连接控制装置8的输出端，以显示控制装置8输出的摩擦系数与海底土时间、海水深度、实验用导管4直径和材质、海底土13的种类之间的关系曲线图。

本发明装置的使用方法包括以下步骤：

1)根据所要模拟的海底土深度和性质、隔水导管直径及其性质，选用相应的实验用导管4和海底土13，并将试验用的海底土13填充到密封筒1内至所需模拟的海底土深度。

2)控制装置8根据所需模拟的海水深度，利用液体压强阈值计算模块计算出密封筒1上部海水12的压强阈值P₀，并控制液压泵7往密封筒1内泵入海水12，当液体压力计6输出的压强值正好满足计算出的海水12的压强阈值P₀时，停止泵入海水12。

3)海水12注入完毕后，按照一可调的静置时间间隔静置，之后启动电动活塞提升机测力传感器3，将试验用导管4分别提升至与不同应变式测力传感器5相同的高度，应变式测力传感器5和电动活塞提升机测力传感器3分别将测得的N、P₁和P₂输送给控制装置8，控制装置8内的摩擦系数计算模块计算出摩擦系数与海底土固结时间和海水深度之间的关系曲线，并显示在显示装置9上。

4)更换实验用导管4的直径和材质，以及海底土13的种类，改变海底的高压环境，采用上述同样的方法可以得出摩擦系数与实验用导管4直径和材质，以及摩擦系数与海底土13性质之间的关系曲线，并显示在显示装置9上。

5)多次重复上述实验，统计摩擦系数与海底土时间、海水深度、实验用导管4直径和材质、海底土13的种类之间的关系曲线，得出隔水导管与海底土之间的作用机理。

本发明能够方便、快速、准确地测量出隔水导管与海底土之间的作用机理，结果可靠性高，从而能够为确定隔水导管最小入泥深度提供科学、准确的参数，具有很好的经济效益。

上述各实施例中，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，对个别部件进行的改进和等同变换，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：它包括一密封筒、一密封所述密封筒用的密封盖、一电动活塞提升机测力传感器、一模拟隔水导管用的试验用导管、多个应变式测力传感器、一液体压力计、一液压泵和一控制装置；其中，

所述密封筒端口处沿径向设置有一固定用的横杆；所述电动活塞提升机测力传感器包括一固定在所述横杆中心的内液压缸，所述内液压缸内包括一下部带有一提升杆的内液压缸活塞，所述提升杆下部通过一挂钩连接所述试验用导管；所述内液压缸活塞的侧壁上、下两端各向外连通一高压传递管，所述高压传递管贯穿所述密封筒分别连通在一外液压缸的上、下腔室；所述外液压缸的顶部设置有一电传动机构，所述电传动机构连接到所述外液压缸内的一外液压缸活塞；所述外液压缸下腔室中连接一压力表，所述压力表实时显示其检测到的所述外液压缸下腔室中液体的压强并通过数据线实时输送给所述控制装置；各所述应变式测力传感器间隔设置在海底土覆盖的所述试验用导管外壁上的不同高度，以检测不同海水深度下所述试验用导管所受的应力并实时输送给所述控制装置；所述液体压力计用于将采集到的液体上部压强信息实时输送给所述控制装置；所述液压泵的输出端通过液压传输管连接所述密封盖上的进水口；所述控制装置电连接所述液压泵的控制端；所述控制装置内预设置有一所述控制装置控制密封筒内水深用的液体压强阈值计算模块和一摩擦系数计算模块；

所述液体压强阈值计算模块为：

P₀＝ρgh

所述摩擦系数计算模块为：

$\mathrm{\μ}=\frac{|G-a_1(P_1-P_2)(A_1-A_2)|}{N}$

式中，ρ为海水的密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为N/kg；h是所需研究的海水深度，单位为m；P₀是根据所需研究的海水深度确定的液体压强阈值，单位为P_a；μ为所述试验用导管与海底土之间的摩擦系数；G为所述应变式测力传感器的重力；P₁、P₂分别是测量初、后所述压力表上显示的压强，单位为P_a；A₁、A₂分别为所述内液压缸活塞、提升杆的横截面积，单位为m²；a₁是根据实验统计得到的一计算系数；N为所述应变式测力传感器测得的所述试验用导管所受的应力，单位为N。

2.如权利要求1所述的一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：它还包括一显示装置，其输入端电连接所述控制装置的输出端。

3.如权利要求1或2所述的一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：包括一电动机，在所述电动机输出轴上连接有一套齿轮齿条机构，由齿轮齿条机构连接外液压缸活塞。

4.如权利要求1或2所述的一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：所述内液压缸通过套设在其外的一套管居中固定在所述横杆上，悬置在所述密封筒内。

5.如权利要求3所述的一种隔水导管桩土相互作用机理试验装置，其特征在于：所述内液压缸通过套设在其外的一套管居中固定在所述横杆上，悬置在所述密封筒内。

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