CN102607872B - 模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置，包括空心桶形物(1)、底部夹持装置(2)、变截面套管柱组合(3)、数据采集系统(15)；所述空心桶形物(1)底部设置底部夹持装置(2)，用以夹持固定实验用变截面套管柱组合(3)底端；数据采集系统(15)与循环加载装置(9)的力传感器(12)、管柱顶部加速度传感器(10)和可伸缩式位移传感器(11)、变截面套管柱组合(3)管壁附着的应变片(6)、变截面套管柱组合(3)周围埋置的土压力计相连，用以实时采集实验数据。可以完成深水钻井作业不同工况下水下套管柱与海底浅部软土在横向循环荷载作用下的相互作用机理的室内实验研究，实验结果可以为我国深水钻井作业提供支持，带来显著的经济效益。

Description

模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置

技术领域

本发明涉及海洋深水钻井技术领域，尤其涉及的是一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置。

背景技术

深水钻井水下井口上联防喷器组及隔水管，下接套管串(由导管和其他套管组成)，其受力非常复杂，而深海恶劣的环境、低强度的海底浅部地层、增长的隔水管线、加重加大的防喷器组等因素都对水下井口的稳定性提出较高的要求。深水钻井时水下井口承受的作用力主要来自由于隔水管底部接头处的竖向和横向反力、防喷器组及悬挂套管串的重力、作用于防喷器组及井口的横向波流力、海底土层对套管的竖向和横向阻力等。这些作用力的共同作用可能引起井口及其以下套管柱的下陷或发生横向倾斜，当井口及其以下套管柱承受的弯矩值超出设计极限时将存在整个井口坍塌的危险。

海底浅部地层是深水钻井水下井口和套管柱的支撑，因此，隔水管动力作用下的海底泥线以下套管与软土的相互作用机理是其中的关键问题之一。由于进行现场模拟费用高且我国目前尚未自主进行深水钻井作业实践，因此，室内实验模拟是一种有效的手段。

虽然近年来针对土木和建筑工程中的桩土相互作用的动力学研究吸引了许多研究者的注意，但是由于桩土力学行为的复杂性，桩土之间的动力作用理论仍处于热点研究阶段。套管柱和海底浅部软土之间相互动力作用较传统桩土模型复杂的多，主要有以下几点原因：①由波浪和海流力、钻井平台慢漂运动等因素使隔水管作用在套管柱上部的动力相对复杂。②在隔水管动力作用下，套管柱在海底浅部软土中将出现较大程度的管柱和表层土分离现象，从而引起更深层的土体分离。③套管柱属于变截面、变刚度结构，同时下入深度较常规桩柱大的多。④深水海底浅部地层的土层性质与浅水和陆地不同。⑤隔水管传递到水下井口及泥线以下套管柱上的力主要为超低频横向荷载(1/300-1/100Hz之间)。

因此，目前的传统桩基动力实验分析方法无法解决深水钻井水下套管柱与海底浅部软土间相互作用的问题。另外由于我国尚未开展深水钻井作业现场实践，且没有成熟的深水钻井水下套管柱与海底浅部软土间相互作用实验研究方案。

发明内容

基于以上所述的问题，本发明主要考虑套管柱顶部受到超低频横向荷载循环作用、套管柱与其周围软土发生分离现象、套管柱为变截面与变刚度结构、套管柱下端部固支、软土浸泡在水中等海洋深水油气钻井工程中的具体问题，提供一种新的用于模拟深水钻井水下套管柱与其海底浅部软土相互作用的实验装置。

本发明的技术方案如下：

一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置，包括空心桶形物(1)、底部夹持装置(2)、变截面套管柱组合(3)、数据采集系统(15)；所述空心桶形物(1)底部设置底部夹持装置(2)，用以夹持固定实验用变截面套管柱组合(3)底端；所述空心桶形物(1)下部侧面开有直径5cm的排水孔(4)和密封活动门(5)，排水孔(4)用以实验完毕后的排水，密封活动门(5)用以实验完毕后土样的清除；空心桶形物(1)内部空间用于填装实验用土样(14)，土样(14)上方覆盖实验用水，用以模拟海底浅部被水浸泡的软土地基情况；变截面套管柱组合(3)顶部以丝扣的形式旋入其上部重物(8)；沿变截面套管柱组合(3)轴向方向不同位置贴成对应变片(6)，在变截面套管柱组合(3)周围的实验土样(14)中不同深度埋置土压力计，以便测量不同情况下变截面套管柱组合(3)的应变及管土界面的接触压力；作用于变截面套管柱组合(3)顶部竖向力用重物(8)进行静态加载模拟，横向力采用双向循环加载装置(9)加载，变截面套管柱组合(3)顶部安装有加速度传感器(10)，用以测量变截面套管柱组合(3)顶部在水平横向循环荷载作用下的横向加速度；在变截面套管柱组合(3)顶部左右两端连接有可伸缩式位移传感器(11)，用以测量管柱顶部在水平横向循环荷载作用下的位移；

数据采集系统(15)与循环加载装置(9)的力传感器(12)、管柱顶部加速度传感器(10)和可伸缩式位移传感器(11)、变截面套管柱组合(3)管壁附着的应变片(6)、变截面套管柱组合(3)周围埋置的土压力计相连，用以实时采集实验数据。

所述的室内实验装置，所述空心桶形物(1)内径2m、厚度1-2mm、高度2.5m，上部无盖，下部为厚度为10mm的钢板。

所述的室内实验装置，所述变截面套管柱组合(3)为直径3-5cm的不同直径的钢管或铝管或有机玻璃管相互嵌套而成。

该实验装置具有使用方便，操作简单，可模拟深水钻井不同工况下套管柱与其周围软土间相互作用的情况，完成深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用机理的室内实验研究，实验结果可以为我国深水钻井作业提供支持，带来显著的经济效益。

附图说明

图1为深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置示意图；

图2为三种不同工况下的变截面套管柱组合结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

参考图1，本实验装置采用铁皮或类似介质制作成内径2m、高度2.5m的空心桶形物1，该桶形物上部无盖，下部由厚底为10mm的钢板组成，且底部设计有一个底部夹持装置2，用以夹持固定实验用变截面套管柱组合3底端，可在空心桶形物1底部外面操作夹持和释放；空心桶形物1下部侧面开有直径5cm的排水孔4和密封活动门5，排水孔4用以实验完毕后的排水，密封活动门5用以实验完毕后土样的清除；空心桶形物1内部空间用于填装实验用土样14，土样上方覆盖实验用水，用以模拟海底浅部被水浸泡的软土地基情况。理论分析已证明，在深水钻井过程中，由于导管和表层套管入泥深度较深，在泥线以下20-30m处可视为固支，所以空心桶形物1的高度不需要太高就可以模拟深水钻井导管下入50-100m深度的情况，否则按照长度缩尺后的变截面套管柱组合直径过小，带来较大的实验误差。

参考图2，采用直径3-5cm的不同直径的钢管或铝管或有机玻璃管等类似介质相互嵌套制作变截面套管柱组合3，由相似性原理根据实际钻井采用的导管和表层套管的比例尺制作几组不同外径和壁厚的变截面套管柱组合3，有模拟直径914.4mm导管不同壁厚、不同长度的大直径管100，模拟直径508mm表层套管的小直径管101，大直径管100可紧密嵌套在小直径管101外壁上。图2中示出的是三种不同的实际工况，所以有不同的结构，但不仅限于此三种。图2中(a)所示为模拟上部为直径914.4mm的导管(大直径管100)喷射下入时情况，制作时根据管柱实际尺寸和抗弯刚度缩小比例，此工况下导管顶部受到的横向循环荷载由其上部钻杆传递，荷载较小；(b)所示为模拟上部为直径914.4mm导管(大直径管100)，内部下入直径508mm表层套管(小直径管101)，大直径管套紧密套管在小直径管上，组成的套管柱组合的顶部以丝扣的形式旋入其上部重物8(模拟水下防喷器)中，制作时根据管柱实际尺寸和抗弯刚度缩小比例，该情况下上部隔水管和水下防喷器已连接，竖向和横向循环荷载较大；(c)所示为模拟上部为加厚大直径管102，中部为常规大直径管100，内部为小直径管101，组成的套管柱组合的顶部以丝扣的形式旋入其上部重物8(模拟水下防喷器)中，制作时根据管柱实际尺寸和抗弯刚度缩小比例，该情况下上部隔水管和水下防喷器已连接，且在导管上部做了加厚处理。

沿变截面套管柱组合3轴向方向不同位置贴成对应变片6，在变截面套管柱组合3周围的实验土样14中不同深度埋置土压力计，以便测量不同情况下变截面套管柱组合3的应变及管土界面的接触压力。

本实验装置根据隔水管力学分析结果确定作用于变截面套管柱组合3顶部的竖向力和横向循环力，竖向力用重物8进行静态加载模拟，横向力采用双向(左右往复)循环加载装置9加载，该循环加载可以由伺服作动器或低频激振器实现，变截面套管柱组合3顶部安装有加速度传感器10，用以测量变截面套管柱组合3顶部在横向循环荷载作用下的横向加速度。在实验模型管柱顶部左右两端连接有可伸缩式位移传感器11，用以测量管柱顶部在横向循环荷载作用下的位移，该位移测量也可由非接触式的位移传感器实现。

数据采集系统15与循环加载装置9的力传感器12、管柱顶部加速度传感器10和可伸缩式位移传感器11、变截面套管柱组合3管壁附着的应变片6、周围埋置的土压力计等测量仪表相连，用以实时采集实验数据。

使用数据采集系统15采集循环荷载作用下的变截面套管柱组合的动态应变数据，结合变截面套管柱组合顶部的横向位移作为边界条件，可计算出不同变截面套管柱组合不同荷载作用下的横向变形及受力情况，实验结果可以描述深水钻井不同作业工况下水下套管柱与海底浅部软土间相互作用机理。

实验装置使用说明：

本实验装置安装示意如图1所示。以深水钻井作业时上部隔水管和水下防喷器组已下入，导管和表层套管均下入且固井的情况为例进行实验装置使用说明。

1、实验前，先将空心桶形物1安放在空心基础13上，以便进行变截面套管柱组合3的夹持和释放操作，将空心桶形物1保持垂直，内部清理干净。

2、将图2(b)所示的模拟上部为直径914.4mm导管(大直径管)，内部下入直径508mm表层套管(小直径管)，大直径管套紧密嵌套在小直径管上，组成的组合套管柱组合的顶部以丝扣的形式预先旋入其上部重物8(模拟水下防喷器)中。沿变截面套管柱组合3轴向方向不同位置贴应变片6，并将数据线引出到变截面套管柱组合3顶部，最后将该变截面套管柱组合3下端固定在空心桶形物1的底部夹持装置2上。

3、将空心桶形物1内部填装实验用软粘土土样14，填土过程中注意保持变截面套管柱组合3垂直，同时在变截面套管柱组合3周围的实验土样中不同深度埋置土压力计，以便测量不同情况下管土界面接触压力，并将数据线引出到数据采集系统15。土样上方通过进水口16覆盖实验用水，用以模拟海底浅部被水浸泡的软土地基情况，静置一段时间等待土样饱和。

4、在土样填装完成并静置一段时间后取小样品，使用常规土力学测量仪器测量实验土样的密度、含水率、液塑限、不排水抗剪强度等土力学参数。

5、根据隔水管力学分析结果确定作用于变截面套管柱组合3顶部的竖向力和横向循环力，竖向力用重物8进行静态加载模拟，横向力采用双向循环加载装置9加载，作动器与实验模型管柱顶部相联，管柱顶部安装有加速度传感器10，用以测量变截面套管柱组合3顶部在横向循环荷载作用下的加速度。在实验模型变截面套管柱组合3顶部左右两端连接有可伸缩式位移传感器11，用以测量管柱顶部在横向循环荷载作用下的位移，数据线与数据采集系统15连接。

6、检查无误后开始实验过程，使用数据采集系统15采集循环荷载作用下的变截面套管柱组合与软土间的横向应变数据，结合变截面套管柱组合顶部的横向位移作为边界条件，可计算出不同变截面套管柱组合不同荷载作用下的横向变形及受力情况，实验结果可以描述该深水钻井工况下水下套管柱与海底浅部软土间相互作用机理。

7、实验完毕后，从桶形物底部外面对底部夹持装置2进行释放操作，可以释放被夹持的变截面套管柱组合，释放后可将变截面套管柱组合慢慢提出桶外，更换不同的变截面套管柱组合进行下一次实验而不必重新更换土样14。如要更换土样14，则可先将空心桶形物1下部侧面的排水孔4打开，待排完水后打开带密封条的密封活动门5，对土样14进行清除。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置，其特征在于，包括空心桶形物(1)、底部夹持装置(2)、变截面套管柱组合(3)、数据采集系统(15)；所述空心桶形物(1)底部设置底部夹持装置(2)，用以夹持固定实验用变截面套管柱组合(3)底端；所述空心桶形物(1)下部侧面开有直径5cm的排水孔(4)和密封活动门(5)，排水孔(4)用以实验完毕后的排水，密封活动门(5)用以实验完毕后土样的清除；空心桶形物(1)内部空间用于填装实验用土样(14)，土样(14)上方覆盖实验用水，用以模拟海底浅部被水浸泡的软土地基情况；变截面套管柱组合(3)顶部以丝扣的形式旋入其上部重物(8)；沿变截面套管柱组合(3)轴向方向不同位置贴成对的应变片(6)，在变截面套管柱组合(3)周围的实验土样(14)中不同深度埋置土压力计，以便测量不同情况下变截面套管柱组合(3)的应变及管土界面的接触压力；作用于变截面套管柱组合(3)顶部竖向力用重物(8)进行静态加载模拟，横向力采用双向循环加载装置(9)加载，变截面套管柱组合(3)顶部安装有加速度传感器(10)，用以测量变截面套管柱组合(3)顶部在水平横向循环荷载作用下的横向加速度；在变截面套管柱组合(3)顶部左右两端连接有可伸缩式位移传感器(11)，用以测量管柱顶部在水平横向循环荷载作用下的位移；数据采集系统(15)与循环加载装置(9)的力传感器(12)、管柱顶部加速度传感器(10)和可伸缩式位移传感器(11)、变截面套管柱组合(3)管壁附着的应变片(6)、变截面套管柱组合(3)周围埋置的土压力计相连，用以实时采集实验数据。

2.根据权利要求1所述的室内实验装置，其特征在于，所述空心桶形物(1)内径2m、厚度1-2mm、高度2.5m，上部无盖，下部为厚度为10mm的钢板。

3.根据权利要求1所述的室内实验装置，其特征在于，所述变截面套管柱组合(3)为直径3-5cm的不同直径的钢管或铝管或有机玻璃管相互嵌套而成。