CN104266854B - 一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，水池（2）的外壁面上安装有水泵（21）、光源（1）、平行水流方向的摄像机A（3）和对照板A（5）、垂直水流方向的摄像机B（4）和对照板B（6），张力支撑板（17）上设置有电机支撑架（9），电机支撑架（9）与水池（2）底部之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上部连接结构、隔水管（8）和下部连接结构；还公开了试验方法。本发明的有益效果是：能够全面准确真实的模拟隔水管在深海钻井工况下与海洋环境耦合作用下的力学行为、该装置能够模拟海洋环境、能施加隔水管顶部张力、能模拟不同转速的钻柱旋转以及施加不同的钻压。

Description

一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法。

背景技术

中国南海油气资源丰富，石油地质储量300亿吨，约70%蕴藏在深海，我国未来油气勘探开发的战略目标将转向深海。开采深水油气资源，除钻井平台外，隔水管也非常重要。隔水管是连接平台与海底防喷器的关键设备。在深水钻井过程中，钻具与钻井液要通过数千米水深的隔水管，隔水管既受到海洋环境的影响，同时又受到钻柱、钻井液、隔水管张力等钻井工况的影响，在二者耦合作用下，隔水管易发生失效进而影响深水钻井的安全。因此，开展基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为研究对于深水钻井具有重要意义。然而，这种复杂非线性流固耦合问题难以采用数值方法进行研究，因此，利用物理试验研究隔水管力学行为是非常有必要且行之有效的手段。

目前，国内外相继开展了不同结构形式、不同材料、不同长细比、不同海流环境下的隔水管力学行为的研究，而由于研究目标和内容不同，在试验台架的搭建上有着较大的差异。

例如在中国专利申请201210079411.5号中公开了一种海洋立管涡激振动试验中施加内流与顶张力的系统，该专利主要包括支架、上下连接铰、滑轮、钢铰线、进出水管，上下铰接件通过螺纹连接固定于支架上下两端，自上铰接件引出的钢绞线通过支架顶部滑轮的凹槽进行配重，进出水管安装于上下铰接建上且均可作为进水管或出水管。该装置引入立管模型内部流体但并未提及内部流体流速的精确控制，且该试验装置主要针对采油生产立管进行研究，并未考虑深水钻井工况因此未能在装置设计的时候考虑钻柱、平台运动等因素。以该装置为台架所进行的实验采用光纤光栅传感器为实验数据获取的手段，费用昂贵且容易造成传感器的损坏，后期实验数据的处理也需要较高的数学能力。

又例如中国专利申请200610025220.5号中公开了一种并行式深水造流系统及方法，该专利所述水池包括六层造流装置、每层装置主要包括水泵和变频器，进出水管道，每层进出水管道间安装有连通管道和控制阀，调节控制阀便可以改变各层造流装置所含水泵的驱动能力的合理分配而造出不同形式的流，但是就单从研究隔水管力学行为的实验来说其占地面积庞大，建造成本与试验费用过高且未实现试验过程的可视化。

再例如中国专利申请200910237488.9号中公开了一种细长立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，该装置主要包括拖车、左右支撑装置、滑动机构、张力系统，其中滑动机构主要包括基座、与左支撑装置连接的滑轨、滑块，张力系统主要包括安装在左支撑装置上的弹簧、张力计、张紧器。如该专利所述实验过程中以拖车拖动立管模型的方式模拟均匀来流，该方法对于流速更为容易精确控制，然而立管模型中部因自重出现弯曲、立管模型的启动、制动时的惯性力对流场扰动较大并且该实验装置未考虑在立管模型内部通流体，加入钻柱模型，更未考虑平台运动等钻井工况。以该装置为台架所进行的实验在拖曳水池中进行难以实现实验过程的可视化且采用光纤光栅传感器为实验数据获取的手段，费用昂贵且容易造成传感器的损坏。

综上，各个实验装置的差异主要取决于实验数据的获取、实验过程是否实现可视化、海洋环境与钻井工况是否藕合作用。针对隔水管在实际钻井过程中的工况，为进一步深入的研究隔水管力学行为有必要研制海洋环境和钻井工况耦合作用、实验过程隔水管模型动态可视化、且实验数据获取方便准确的隔水管力学性能实验装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够在室内模拟海洋环境和钻井工矿的耦合作用，真实再现深海钻井时隔水管的实际工程工况，从而真实全面的模拟研究隔水管的力学行为的基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，它包括由透明材质组成的水池、计算机、运动滑台装置、横梁、内流泵和控制箱，水池的外壁面上安装有水泵、光源、平行水流方向的摄像机A和对照板A、垂直水流方向的摄像机B和对照板B，水泵的出水口与水池内部连通，横梁垂直于对照板A且设置在水池的顶部，所述的运动滑台装置由丝杆螺母副A、丝杆螺母副B和丝杆螺母副C组成，丝杆螺母副A、丝杆螺母副B和丝杆螺母副C均由丝杆、螺母、伺服电机A和机座组成丝杆螺母副A，丝杆螺母副A、丝杆螺母副B和丝杆螺母副C相互垂直设置，丝杆螺母副A垂直于横梁且安装在横梁的顶部， 丝杆螺母副B的机座设置在丝杆螺母副A的螺母上，丝杆螺母副C的机座设置在丝杆螺母副B的螺母上，丝杆螺母副C的螺母上设置有平行于水池底部的张力支撑板，张力支撑板上设置有电机支撑架，电机支撑架与水池底部之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上部连接结构、隔水管和下部连接结构，

所述的上部连接结构由伺服电机B、上三通管道、液压缸I、连接板、拉力传感器A、隔水管悬挂器和上铰接件组成，伺服电机B垂直于张力支撑板且设置在电机支撑架的顶部，伺服电机B的输出轴通过联轴器连接上夹持刀杆，伺服电机B上设置有电机支架，电机支架上设置有固定支撑座，上夹持刀杆旋转安装于上固定支撑座的轴孔内并通过锁紧螺钉实现上夹持刀杆沿其轴线方向的定位，固定支撑座的下端设置有上三通管道，上夹持刀杆的下端伸入上三通管道内，液压缸I垂直于张力支撑板且设置在张力支撑板的底部，液压缸I活塞杆上设置有平行于张力支撑板的连接板，连接板的顶部设置有上铰接件，连接板的底部顺序设置有拉力传感器A和隔水管悬挂器，所述的上三通管道的另一端穿过张力支撑板且设置在上铰接件内，

所述的下部连接结构由液压缸II、拉力传感器B、轴承座、下三通管道、L板、下铰接件和下夹持刀杆组成，L板的长板和液压缸II均垂直于水池底部且设置在水池的底部，下铰接件设置在L板的短板上，下铰接件的下端连接有下三通管道，液压缸II的活塞杆上设置有外螺纹，轴承座的底部设置有内螺纹且轴承座内设置有滚动轴承，液压缸II活塞杆的外螺纹与轴承座的内螺纹连接，下夹持刀杆的一端安装在滚动轴承内，下夹持刀杆的另一端伸入下三通管道内，液压缸II的活塞杆的外螺纹上连接有拉力传感器B，且拉力传感器B设置在轴承座和液压缸II之间，

所述的隔水管的一端与隔水管悬挂器连接，隔水管的另一端设置在下铰接件内，钻柱设置于隔水管内且钻柱的上端安装于上夹持刀杆上，钻柱的下端安装于下夹持刀杆上，

所述的横梁的底部设置有两个垂直于横梁的悬挂杆，两个悬挂杆的下部分别连接有多普勒剖面流速仪，所述的内流泵的出水口与下三通管道连接，

所述的内流泵、控制箱、摄像机A、摄像机B、光源和两个多普勒剖面流速仪均与计算机连接，丝杆螺母副A、丝杆螺母副B、丝杆螺母副C的伺服电机A和伺服电机B均与控制箱连接。

所述的横梁的顶部设置有横梁支架。

所述的张力支撑板的底部设置有两个液压缸I，两个液压缸I关于隔水管对称设置。

一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的深水钻井隔水管力学行为试验方法，它包括以下步骤：

S1、调节水池参数，先通过调节水泵流量，从而改变管道中水流速度，以达到改变每层水流流速的目的，再通过多普勒剖面流速仪的实时反馈模拟的海流速度进行必要的水池参数修正从而进行校流，以此确保试验所需海洋环境的准确施加；

S2、隔水管张力施加，通过控制液压缸I的活塞杆伸出带动连接板向下运动，连接板给拉力传感器A施加压力，拉力传感器A实时的测量隔水管张力施加的大小，从而实现隔水管张力的施加；

S3、钻柱张力施加，流水泵输出的钻井液通过下三通管道进入隔水管内部并向上流动，控制液压缸II的活塞杆伸出带动轴承座向上运动，最终从上三通管道的出水口流出，并通过控制液压缸II的活塞杆伸出带动轴承座向上运动，液压缸II的活塞杆给拉力传感器B施加压力，从而实现钻柱张力的施加；

S4、钻柱转速调节，通过控制箱实时控制伺服电机B的转速，伺服电机B通过联轴器带动上夹持刀杆转动，上夹持刀杆带动钻柱转动，从而实现钻柱转速的调节；

S5、先通过摄像机A和摄像机B拍摄隔水管轴向在试验过程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同时刻的变形特征，再将拍摄的图片分别与对照板A和对照板B图像的对比，并基于图像处理技术以及摄像机、隔水管与对照板的视角换算获得试验过程中隔水管轴向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移时间历程，继而获得试验过程中的隔水管的变形特征与振动特征。

本发明具有以下优点：（1）本发明设置了试验水池和各个钻井工况模拟系统，因此隔水管实际工况各个因素完备对于深海钻井工况的模拟具有最高的真实性，对于隔水管力学行为的研究最为全面。（2）本发明能够实时的观测到隔水管模型的轴向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移时间历程，继而获得试验过程中的隔水管模型的变形特征与振动特征，缩短了数据处理的周期。（3）本发明采用了运动滑台总成与连接板的连接，因此通过控制器控制丝杆螺母副A、丝杆螺母副B和丝杆螺母副C分别在x、y和z方向的精确移动，即可模拟真实钻井过程中各种平台的升沉平移动作。（4）本发明的隔水管张力施加和钻柱张力施加的动力源采用液压的方式，因此，张力施加准确且有利于避免出现扰动保持恒定。（5）本发明水池所用为透明材料，因此有利于观察在试验过程中隔水管模型的变形和振动使试验结果更加直观。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的隔水管模型连接结构示意图；

图3为图2的I部局部放大视图；

图4为图2的II部局部放大视图；

图中，1-光源，2-水池，3-摄像机A，4-摄像机B，5-对照板A，6-对照板B，7-计算机，8-隔水管，9-电机支撑架，10-连接板，11-L板，12-丝杆螺母副A，13-丝杆螺母副B，14-丝杆螺母副C，15-控制箱，16-液压缸I，17-张力支撑板，18-上铰接件，19-隔水管悬挂器，20-拉力传感器A，21-水泵，22-伺服电机B，23-联轴器，24-下铰接件，25-轴承座，26-滚动轴承，27-液压缸II，28-钻柱，29-拉力传感器B，30-横梁，31-悬挂杆，32-多普勒流剖面仪，33-横梁支架，34-上夹持刀杆，35-固定支撑座，36-电机支架，37-下夹持刀杆，38-内流泵，39-下三通管道，40-上三通管道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1和图2所示，一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，它包括由透明材质组成的水池2、计算机7、运动滑台装置、横梁30、内流泵38和控制箱15，水池2的外壁面上安装有水泵21、光源1、平行水流方向的摄像机A3和对照板A5、垂直水流方向的摄像机B4和对照板B6，水泵21的出水口与水池2内部连通，横梁30垂直于对照板A5且设置在水池2的顶部，摄像机A3和摄像机B4拍摄隔水管8轴向在试验过程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同时刻的变形特征，而对照板A5和对照板B6用于分别与摄像机A3和摄像机B4所拍摄的图像的进行对比。如图1和图2所示，运动滑台装置由丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13和丝杆螺母副C14组成，丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13和丝杆螺母副C14均由丝杆、螺母、伺服电机A和机座组成丝杆螺母副A12，丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13和丝杆螺母副C14相互垂直设置，丝杆螺母副A12垂直于横梁30且安装在横梁30的顶部， 丝杆螺母副B13的机座设置在丝杆螺母副A12的螺母上，丝杆螺母副C14的机座设置在丝杆螺母副B13的螺母上，丝杆螺母副C14的螺母上设置有平行于水池2底部的张力支撑板17，丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13和丝杆螺母副C14的螺母能够分别沿x、y和z方向运动，因此，只需通过控制箱15控制丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13和丝杆螺母副C14的伺服电机A的转速，从而精确的控制连接板10沿x、y和z方向的运动速度和位移大小，即能够模拟真实钻井过程中各种平台的升沉平移动作。如图2所示，张力支撑板17上设置有电机支撑架9，电机支撑架9与水池2底部之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上部连接结构、隔水管8和下部连接结构，

如图3所示，上部连接结构由伺服电机B22、上三通管道40、液压缸I16、连接板10、拉力传感器A20、隔水管悬挂器19和上铰接件18组成，伺服电机B22垂直于张力支撑板17且设置在电机支撑架9的顶部，伺服电机B22的输出轴通过联轴器23连接上夹持刀杆34，伺服电机B22上设置有电机支架36，电机支架36上设置有固定支撑座35，上夹持刀杆34旋转安装于上固定支撑座35的轴孔内并通过锁紧螺钉实现上夹持刀杆34沿其轴线方向的定位，固定支撑座35的下端设置有上三通管道40，上夹持刀杆34的下端伸入上三通管道40内，液压缸I16垂直于张力支撑板17且设置在张力支撑板17的底部，液压缸I16活塞杆上设置有平行于张力支撑板17的连接板10，连接板10的顶部设置有上铰接件18，连接板10的底部顺序设置有拉力传感器A20和隔水管悬挂器19，能够实时的测量隔水管8所受张力的大小，所述的上三通管道40的另一端穿过张力支撑板17且设置在上铰接件18内。

如图4所示，下部连接结构由液压缸II27、拉力传感器B29、轴承座25、下三通管道39、L板11、下铰接件24和下夹持刀杆37组成，L板11的长板和液压缸II27均垂直于水池2底部且设置在水池2的底部，下铰接件24设置在L板11的短板上，下铰接件24的下端连接有下三通管道39，液压缸II27的活塞杆上设置有外螺纹，轴承座25的底部设置有内螺纹且轴承座25内设置有滚动轴承26，液压缸II27活塞杆的外螺纹与轴承座25的内螺纹连接，下夹持刀杆37的一端安装在滚动轴承26内，下夹持刀杆37的另一端伸入下三通管道39内，液压缸II27的活塞杆的外螺纹上连接有拉力传感器B29，拉力传感器B29能够实时的测量钻柱28所受张力的大小，且拉力传感器B29设置在轴承座25和液压缸II27之间。

如图2-4所示，隔水管8的一端与隔水管悬挂器19连接，隔水管8的另一端设置在下铰接件24内，钻柱28设置于隔水管8内且钻柱28的上端安装于上夹持刀杆34上，钻柱28的下端安装于下夹持刀杆37上。

如图1所示，横梁30的底部设置有两个垂直于横梁30的悬挂杆31，两个悬挂杆31与横梁30螺纹连接，两个悬挂杆31的下部分别连接有多普勒剖面流速仪32，多普勒剖面流速仪32能够将隔水管8附近水流流剖面实时反馈给计算机7，所述的内流泵38的出水口与下三通管道39连接。

如图1和图2所示，内流泵38、控制箱15、摄像机A3、摄像机B4、光源1和两个多普勒剖面流速仪32均与计算机7连接，丝杆螺母副A12、丝杆螺母副B13、丝杆螺母副C14的伺服电机A和伺服电机B22均与控制箱15连接，计算机7可根据需要调节光源1的强弱和调节摄像机A3和摄像机B4的焦距。

如图1和图3所示，横梁30的顶部设置有横梁支架33，丝杆螺母副A12垂直于横梁30的长边且焊接在横梁支架33上，张力支撑板17的底部设置有两个液压缸I16，两个液压缸I16关于隔水管8对称设置。

一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验方法，它包括以下步骤：

S1、调节水池2参数，先通过调节水泵21流量，从而改变管道中水流速度，以达到改变每层水流流速的目的，再通过多普勒剖面流速仪32的实时反馈模拟的海流速度进行必要的水池参数修正从而进行校流，以此确保试验所需海洋环境的准确施加；

S2、隔水管8张力施加，通过控制液压缸I16的活塞杆伸出带动连接板10向下运动，连接板10给拉力传感器A20施加压力，拉力传感器A20实时的测量隔水管8张力施加的大小，从而实现隔水管8张力的施加；

S3、钻柱张力施加，流水泵21输出的钻井液通过下三通管道39进入隔水管8内部并向上流动，控制液压缸II27的活塞杆伸出带动轴承座25向上运动，最终从上三通管道40的出水口流出，并通过控制液压缸II27的活塞杆伸出带动轴承座25向上运动，液压缸II27的活塞杆给拉力传感器B29施加压力，从而实现钻柱28张力的施加；

S4、钻柱28转速调节，通过控制箱15实时控制伺服电机B22的转速，伺服电机B22通过联轴器23带动上夹持刀杆34转动，上夹持刀杆34带动钻柱28转动，从而实现钻柱28转速的调节；

S5、先通过摄像机A3和摄像机B4拍摄隔水管8轴向在试验过程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同时刻的变形特征，再将拍摄的图片分别与对照板A5和对照板B6图像的对比，并基于图像处理技术以及摄像机、隔水管与对照板的视角换算获得试验过程中隔水管8轴向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移时间历程，继而获得试验过程中的隔水管8的变形特征与振动特征。

Claims (4)

1.一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，其特征在于：它包括由透明材质组成的水池（2）、计算机（7）、运动滑台装置、横梁（30）、内流泵（38）和控制箱（15），水池（2）的外壁面上安装有水泵（21）、光源（1）、平行水流方向的摄像机A（3）和对照板A（5）、垂直水流方向的摄像机B（4）和对照板B（6），水泵（21）的出水口与水池（2）内部连通，横梁（30）垂直于对照板A（5）且设置在水池（2）的顶部，所述的运动滑台装置由丝杆螺母副A（12）、丝杆螺母副B（13）和丝杆螺母副C（14）组成，丝杆螺母副A（12）、丝杆螺母副B（13）和丝杆螺母副C（14）均由丝杆、螺母、伺服电机A和机座组成，丝杆螺母副A（12）、丝杆螺母副B（13）和丝杆螺母副C（14）相互垂直设置，丝杆螺母副A（12）垂直于横梁（30）且安装在横梁（30）的顶部， 丝杆螺母副B（13）的机座设置在丝杆螺母副A（12）的螺母上，丝杆螺母副C（14）的机座设置在丝杆螺母副B（13）的螺母上，丝杆螺母副C（14）的螺母上设置有平行于水池（2）底部的张力支撑板（17），张力支撑板（17）上设置有电机支撑架（9），电机支撑架（9）与水池（2）底部之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上部连接结构、隔水管（8）和下部连接结构，

所述的上部连接结构由伺服电机B（22）、上三通管道（40）、液压缸I（16）、连接板（10）、拉力传感器A（20）、隔水管悬挂器（19）和上铰接件（18）组成，伺服电机B（22）垂直于张力支撑板（17）且设置在电机支撑架（9）的顶部，伺服电机B（22）的输出轴通过联轴器（23）连接上夹持刀杆（34），伺服电机B（22）上设置有电机支架（36），电机支架（36）上设置有固定支撑座（35），上夹持刀杆（34）旋转安装于上固定支撑座（35）的轴孔内并通过锁紧螺钉实现上夹持刀杆（34）沿其轴线方向的定位，固定支撑座（35）的下端设置有上三通管道（40），上夹持刀杆（34）的下端伸入上三通管道（40）内，液压缸I（16）垂直于张力支撑板（17）且设置在张力支撑板（17）的底部，液压缸I（16）活塞杆上设置有平行于张力支撑板（17）的连接板（10），连接板（10）的顶部设置有上铰接件（18），连接板（10）的底部顺序设置有拉力传感器A（20）和隔水管悬挂器（19），所述的上三通管道（40）的另一端穿过张力支撑板（17）且设置在上铰接件（18）内，

所述的下部连接结构由液压缸II（27）、拉力传感器B（29）、轴承座（25）、下三通管道（39）、L板（11）、下铰接件（24）和下夹持刀杆（37）组成，L板（11）的长板和液压缸II（27）均垂直于水池（2）底部且设置在水池（2）的底部，下铰接件（24）设置在L板（11）的短板上，下铰接件（24）的下端连接有下三通管道（39），液压缸II（27）的活塞杆上设置有外螺纹，轴承座（25）的底部设置有内螺纹且轴承座（25）内设置有滚动轴承（26），液压缸II（27）活塞杆的外螺纹与轴承座（25）的内螺纹连接，下夹持刀杆（37）的一端安装在滚动轴承（26）内，下夹持刀杆（37）的另一端伸入下三通管道（39）内，液压缸II（27）的活塞杆的外螺纹上连接有拉力传感器B（29），且拉力传感器B（29）设置在轴承座（25）和液压缸II（27）之间，

所述的隔水管（8）的一端与隔水管悬挂器（19）连接，隔水管（8）的另一端设置在下铰接件（24）内，钻柱（28）设置于隔水管（8）内且钻柱（28）的上端安装于上夹持刀杆（34）上，钻柱（28）的下端安装于下夹持刀杆（37）上，

所述的横梁（30）的底部设置有两个垂直于横梁（30）的悬挂杆（31），两个悬挂杆（31）的下部分别连接有多普勒剖面流速仪（32），所述的内流泵（38）的出水口与下三通管道（39）连接，

所述的内流泵（38）、控制箱（15）、摄像机A（3）、摄像机B（4）、光源（1）和两个多普勒剖面流速仪（32）均与计算机（7）连接，丝杆螺母副A（12）、丝杆螺母副B（13）、丝杆螺母副C（14）的伺服电机A和伺服电机B（22）均与控制箱（15）连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，其特征在于：所述的横梁（30）的顶部设置有横梁支架（33）。

3.根据权利要求1所述的一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统，其特征在于：所述的张力支撑板（17）的底部设置有两个液压缸I（16），两个液压缸I（16）关于隔水管（8）对称设置。

4.根据权利要求1~3所述的任意一项所述的一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、调节水池（2）参数，先通过调节水泵（21）流量，从而改变管道中水流速度，以达到改变每层水流流速的目的，再通过多普勒剖面流速仪（32）的实时反馈模拟的海流速度进行必要的水池参数修正从而进行校流，以此确保试验所需海洋环境的准确施加；

S2、隔水管（8）张力施加，通过控制液压缸I（16）的活塞杆伸出带动连接板（10）向下运动，连接板（10）给拉力传感器A（20）施加压力，拉力传感器A（20）实时的测量隔水管（8）张力施加的大小，从而实现隔水管（8）张力的施加；

S3、钻柱张力施加，流水泵（21）输出的钻井液通过下三通管道（39）进入隔水管（8）内部并向上流动，控制液压缸II（27）的活塞杆伸出带动轴承座（25）向上运动，最终从上三通管道（40）的出水口流出，并通过控制液压缸II（27）的活塞杆伸出带动轴承座（25）向上运动，液压缸II（27）的活塞杆给拉力传感器B（29）施加压力，从而实现钻柱（28）张力的施加；

S4、钻柱（28）转速调节，通过控制箱（15）实时控制伺服电机B（22）的转速，伺服电机B（22）通过联轴器（23）带动上夹持刀杆（34）转动，上夹持刀杆（34）带动钻柱（28）转动，从而实现钻柱（28）转速的调节；

S5、先通过摄像机A（3）和摄像机B（4）拍摄隔水管（8）轴向在试验过程中平行水流方向以及垂直水流方向在不同时刻的变形特征，再将拍摄的图片分别与对照板A（5）和对照板B（6）图像进行对比，并基于图像处理技术以及摄像机、隔水管与对照板的视角换算获得试验过程中隔水管（8）轴向不同位置在平行水流方向以及垂直水流方向上的位移时间历程，继而获得试验过程中的隔水管（8）的变形特征与振动特征。