CN105259017B - 一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，它包括深水试验池（1）、钻井模拟平台（2）、横梁（3）和运动滑台装置（4），横梁（3）垂直于轨道（5）设置且可沿两平行轨道（5）运动，连接梁I（7）上设置有运动滑台装置（4）；钻井模拟平台（2）与深水试验池（1）的底部之间从上到下顺次设置有上部连接结构和隔水管模型（18）。本发明的有益效果是：能够在室内模拟深水钻井平台软悬挂隔水管运动，真实再现深海钻井时遭遇台风情况下隔水管软悬挂运动的实际工况，真实全面的研究隔水管软悬挂运动情况下的力学行为规律，为深水钻井时软悬挂隔水管安全操作提供指导。

Description

一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统及其试验 方法

技术领域

本发明涉及一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统及其试验方法。

背景技术

我国深水钻井的主要海域在台风频发的南中国海，台风来临时，给深水钻井作业以及隔水管的安全带来了极大的挑战，一旦出现应急避台时隔水管失效事故，将会带来巨大的经济损失。目前，应对南海台风的主要措施是提前撤离，在台风到来前回收全部隔水管，将平台撤离至安全海域，但是由于南海土台风预报难度大，路径多变，对于深水尤其是超深水，难以实现提前撤离。因此，平台需要悬挂隔水管进行撤离。平台悬挂隔水管撤离时，隔水管受到海洋环境作用，同时平台运动也会引起隔水管与海水的相对运动进而导致隔水管承受相对运动引起海流力的作用，易导致隔水管发生失效事故。悬挂过程中常用的一种悬挂模式为软悬挂模式，即钻井隔水管底部总成与水下防喷器脱离后，隔水管通过传动轴式液压张紧器进行悬挂，隔水管系统的重量由张力器承担或者由张力器和升沉补偿器共同承担。这种悬挂模式下，易导致传动轴式液压张紧器受力多大或者平台升沉导致运动幅值超过伸缩节冲程。

中国专利ZL201310169000.X，本发明公开了一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置，它包括水池和拖车，提升装置A设置于拖车的水平滑轨上，隔水管模型连接提升装置A底部的接头A和提升装置B底部的接头B，接头A连通容器，接头B连通液泵，隔水管模型上还设置有张力调节装置，还公布了采用该装置的实验方法。该试验装置只适用于不同长度的隔水管模型，可模拟不同张紧力、不同钻井液密度、不同钻井液粘度、不同钻井排量、不同钻井转速对隔水管模型振动特性的影响，可在试验过程中准确的获得实时数据。

但是，国内外相关试验装置还没有涉及有深水钻井平台软悬挂隔水管力学行为试验装置，且试验方法并不全面。

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深水钻井平台软悬挂隔水管运动，真实再现深海钻井时遭遇台风情况下隔水管软悬挂运动的实际工况，从而真实全面的研究隔水管软悬挂运动情况下的力学行为规律，为深水钻井时软悬挂隔水管安全操作提供指导的深水钻井软悬挂隔水管避台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：一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，它包括深水试验池、钻井模拟平台、横梁和运动滑台装置，深水试验池的两侧均固定有轨道，两根轨道相互平行设置，横梁垂直于轨道设置且可沿两平行轨道运动，横梁的下方设置有可沿横梁左右滑动的悬挂梁，悬挂梁的底部设置有连接梁I，连接梁I上设置有运动滑台装置；

所述的运动滑台装置由伺服电机I、运动横梁、滚轮箱、运动滑块、伺服电机II、螺杆、连接梁II、固定块和轴承箱组成，运动横梁水平设置且固定于连接梁I上，运动横梁上设置有导轨，运动横梁的两端分别设置有伺服电机I和滚轮箱，伺服电机I的输出端安装有皮带轮，皮带轮与滚轮箱内的滚轮之间安装有皮带，皮带上安装有运动滑块，运动滑块安装在导轨上且可沿导轨滑动，所述的运动滑块上设置有固定块，固定块内设置有螺纹孔和滑槽，连接梁II垂直于运动横梁设置，连接梁II的上下端分别设置有伺服电机II和轴承箱，轴承箱设置在钻井模拟平台上，伺服电机II的输出端与轴承箱之间安装有螺杆，螺杆与固定块内的螺纹孔螺纹连接，固定块内的滑槽安装在连接梁II上；

所述的钻井模拟平台与深水试验池的底部之间从上到下顺次设置有上部连接结构和隔水管模型组成，上部连接结构由辅助接头I、向心关节轴承、辅助接头II、自由伸缩杆内筒、自由伸缩杆外筒、管接件管接头和连接装置组成，辅助接头I垂直于钻井模拟平台设置且位于钻井模拟平台的下方，辅助接头I的下端与向心关节轴承的上部连接，辅助接头II的一端与向心关节轴承的下部焊接，辅助接头II的另一端与自由伸缩杆内筒螺纹连接，自由伸缩杆内筒伸入自由伸缩杆外筒的内部，自由伸缩杆外筒的内部设置有位于自由伸缩杆内筒正下方的位移传感器，自由伸缩杆外筒的底部顺次设置有管接件管接头和垂向设置的隔水管模型，所述的钻井模拟平台的底部与自由伸缩杆外筒的筒壁之间均匀分布有多个连接装置，连接装置均由顺次连接的弹簧、拉力传感器和钢丝组成，弹簧固定于钻井模拟平台上，钢丝固定于自由伸缩杆外筒的筒壁上；

它还包括计算机、与计算机连接的控制箱以及光纤光栅传感器，隔水管模型的柱面上且沿隔水管模型的长度方向均匀分布有多个光纤光栅传感器，控制箱与伺服电机I和伺服电机II连接，计算机与光纤光栅传感器、位移传感器和拉力传感器连接。

所述的钻井模拟平台的底部与自由伸缩杆外筒的筒壁之间均匀分布有四个连接装置。

所述的弹簧与钻井模拟平台呈10°夹角设置。

一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为的试验方法，它包括以下步骤：

S1、采集初始时刻拉力传感器、光纤光栅传感器以及位移传感器上的数据，将这些数据作为原始值；

S2、周期性的调节伺服电机II的参数并启动伺服电机I，伺服电机I带动运动滑块左右移动，进而带动钻井模拟平台左右移动，而伺服电机II带动连接梁II沿着螺杆做向上和向下的周期运动，进而带动钻井模拟平台做周期的升沉平移运动，同时推动横梁在两个轨道上运动，当横梁运动速度稳定之后，控制箱采集拉力传感器、光纤光栅传感器以及位移传感器上的数据并将这些数据传递给计算机；

S3、通过改变伺服电机II和伺服电机I的参数、横梁的运动速度以及隔水管模型的外径、长度，重复步骤S1和S2，即可获得不同海洋环境、不同平台运动速度以及不同隔水管尺寸下，平台软悬挂隔水管力学特性以及隔水管的轴向运动距离。

本发明具有以下优点：（1）本发明实现了深水试验池和隔水管软悬挂运动时实际工况模拟系统，因此对于深水钻井隔水管软悬挂状态时的实际工况具有很高的真实性，对于隔水管在软悬挂运动时的力学行为研究最为全面。（2）本发明能够实时的监测到隔水管软悬挂运动时，在实验过程中的隔水管模型的力学特性以及轴向升沉运动特性，继而获得在平台的不同的运动速度下及不同海况下隔水管的受力特征以及隔水管轴向升沉运动情况。（3）本发明采用了运动滑台装置与钻井模拟平台的连接，因此通过改变伺服电机II的转速，从而实现钻井平台的升沉动作。

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的安装示意图；

图3 为本发明的运动滑台装置的结构示意图；

图4 为图2的I部局部放大视图；

图5 为图2的II部局部放大视图；

图6 为图5的俯视图；

图中，1-深水试验池，2-钻井模拟平台，3-横梁，4-运动滑台装置，5-轨道，6-悬挂梁，7-连接梁I，8-伺服电机I，9-运动横梁，10-滚轮箱，11-运动滑块，12-伺服电机II，13-螺杆，14-连接梁II，15-固定块，16-轴承箱，17-皮带，18-隔水管模型，19-辅助接头I，20-向心关节轴承，21-辅助接头II，22-自由伸缩杆内筒，23-自由伸缩杆外筒，24-管接件管接头，25-位移传感器，26-导轨，27-弹簧，28-拉力传感器，29-计算机，30-控制箱，31-光纤光栅传感器。

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1-3所示，一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，它包括深水试验池1、钻井模拟平台2、横梁3和运动滑台装置4，深水试验池1的两侧均固定有轨道5，两根轨道5相互平行设置，横梁3垂直于轨道5设置且可沿两平行轨道5运动，横梁3的下方设置有可沿横梁3左右滑动的悬挂梁6，悬挂梁6的底部设置有连接梁I7，连接梁I7上设置有运动滑台装置4，通过沿着轨道5滑动横梁3，可以带动位于横梁下方的钻井模拟平台2做前后运动，进而模拟深水钻井平台的运动。

如图1和图3所示，运动滑台装置4由伺服电机I8、运动横梁9、滚轮箱10、运动滑块11、伺服电机II12、螺杆13、连接梁II14、固定块15和轴承箱16组成，运动横梁9水平设置且固定于连接梁I7上，运动横梁9上设置有导轨26，运动横梁9的两端分别设置有伺服电机I8和滚轮箱10，伺服电机I8的输出端安装有皮带轮，皮带轮与滚轮箱10内的滚轮之间安装有皮带17，皮带17上安装有运动滑块11，运动滑块11安装在导轨26上且可沿导轨26滑动，启动伺服电机I后，伺服电机I带动皮带轮转动，皮带轮带动皮带17左右运动，进而带动运动滑块11运动，实现了调整隔水管模型18在深水试验池1内的位置。所述的运动滑块11上设置有固定块15，固定块15内设置有螺纹孔和滑槽，连接梁II14垂直于运动横梁9设置，连接梁II14的上下端分别设置有伺服电机II12和轴承箱16，轴承箱16设置在钻井模拟平台2上，伺服电机II12的输出端与轴承箱16之间安装有螺杆13，螺杆13与固定块15内的螺纹孔螺纹连接，固定块15内的滑槽安装在连接梁II14上，伺服电机II12启动后，带动螺杆13转动，从而带动连接梁II14做上下运动，以模拟不同的波浪参数下，深水钻井平台的升沉运动。

如图1和图2所示，钻井模拟平台2与深水试验池1的底部之间从上到下顺次设置有上部连接结构和隔水管模型18组成，上部连接结构由辅助接头I19、向心关节轴承20、辅助接头II21、自由伸缩杆内筒22、自由伸缩杆外筒23、管接件管接头24和连接装置组成，辅助接头I19垂直于钻井模拟平台2设置且位于钻井模拟平台2的下方，辅助接头I19的下端与向心关节轴承20的上部连接，辅助接头II21的一端与向心关节轴承20的下部焊接，辅助接头II21的另一端与自由伸缩杆内筒22螺纹连接，自由伸缩杆内筒22伸入自由伸缩杆外筒23的内部，自由伸缩杆外筒23的内部设置有位于自由伸缩杆内筒22正下方的位移传感器25，自由伸缩杆外筒23的底部顺次设置有管接件管接头24和垂向设置的隔水管模型18，所述的钻井模拟平台2的底部与自由伸缩杆外筒23的筒壁之间均匀分布有四个连接装置，连接装置均由顺次连接的弹簧27、拉力传感器28和钢丝组成，弹簧27固定于钻井模拟平台2上，弹簧27与钻井模拟平台2呈10°夹角设置，钢丝固定于自由伸缩杆外筒23的筒壁上。所述的向心关节轴承20用于模拟实际工况下的挠性接头的运动，所述的弹簧27用于模拟实际工况下的张紧器对隔水管的张紧作用，所述的自由伸缩杆内筒22和自由伸缩杆外筒23用于模拟实际工况下伸缩节内外筒对隔水管的升沉补偿作用。

如图1、5、6所示，它还包括计算机29、与计算机29连接的控制箱30以及光纤光栅传感器31，隔水管模型18的柱面上且沿隔水管模型18的长度方向均匀分布有多个光纤光栅传感器31，控制箱30与伺服电机I8和伺服电机II12连接，计算机29与光纤光栅传感器31、位移传感器25和拉力传感器28连接。

一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为的试验方法，它包括以下步骤：

S1、采集初始时刻拉力传感器28、光纤光栅传感器31以及位移传感器25上的数据，将这些数据作为原始值；

S2、周期性的调节伺服电机II12的参数并启动伺服电机I8，伺服电机I8带动运动滑块11左右移动，进而带动钻井模拟平台2左右移动，而伺服电机II12带动连接梁II14沿着螺杆13做向上和向下的周期运动，进而带动钻井模拟平台2做周期的升沉平移运动，同时推动横梁3在两个轨道5上运动，当横梁3运动速度稳定之后，控制箱30采集拉力传感器28、光纤光栅传感器31以及位移传感器25上的数据并将这些数据传递给计算机29；

S3、通过改变伺服电机II12和伺服电机I8的参数、横梁3的运动速度以及隔水管模型18的外径、长度，重复步骤S1和S2，即可获得不同海洋环境、不同平台运动速度以及不同隔水管尺寸下，平台软悬挂隔水管力学特性以及隔水管的轴向运动距离。

Claims (4)

1.一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，其特征在于：它包括深水试验池（1）、钻井模拟平台（2）、横梁（3）和运动滑台装置（4），深水试验池（1）的两侧均固定有轨道（5），两根轨道（5）相互平行设置，横梁（3）垂直于轨道（5）设置且可沿两平行轨道（5）运动，横梁（3）的下方设置有可沿横梁（3）左右滑动的悬挂梁（6），悬挂梁（6）的底部设置有连接梁I（7），连接梁I（7）上设置有运动滑台装置（4）；

所述的运动滑台装置（4）由伺服电机I（8）、运动横梁（9）、滚轮箱（10）、运动滑块（11）、伺服电机II（12）、螺杆（13）、连接梁II（14）、固定块（15）和轴承箱（16）组成，运动横梁（9）水平设置且固定于连接梁I（7）上，运动横梁（9）上设置有导轨（26），运动横梁（9）的两端分别设置有伺服电机I（8）和滚轮箱（10），伺服电机I（8）的输出端安装有皮带轮，皮带轮与滚轮箱（10）内的滚轮之间安装有皮带（17），皮带（17）上安装有运动滑块（11），运动滑块（11）安装在导轨（26）上且可沿导轨（26）滑动，所述的运动滑块（11）上设置有固定块（15），固定块（15）内设置有螺纹孔和滑槽，连接梁II（14）垂直于运动横梁（9）设置，连接梁II（14）的上下端分别设置有伺服电机II（12）和轴承箱（16），轴承箱（16）设置在钻井模拟平台（2）上，伺服电机II（12）的输出端与轴承箱（16）之间安装有螺杆（13），螺杆（13）与固定块（15）内的螺纹孔螺纹连接，固定块（15）内的滑槽安装在连接梁II（14）上；

所述的钻井模拟平台（2）与深水试验池（1）的底部之间从上到下顺次设置有上部连接结构和隔水管模型（18），上部连接结构由辅助接头I（19）、向心关节轴承（20）、辅助接头II（21）、自由伸缩杆内筒（22）、自由伸缩杆外筒（23）、管接件管接头（24）和连接装置组成，辅助接头I（19）垂直于钻井模拟平台（2）设置且位于钻井模拟平台（2）的下方，辅助接头I（19）的下端与向心关节轴承（20）的上部连接，辅助接头II（21）的一端与向心关节轴承（20）的下部焊接，辅助接头II（21）的另一端与自由伸缩杆内筒（22）螺纹连接，自由伸缩杆内筒（22）伸入自由伸缩杆外筒（23）的内部，自由伸缩杆外筒（23）的内部设置有位于自由伸缩杆内筒（22）正下方的位移传感器（25），自由伸缩杆外筒（23）的底部顺次设置有管接件管接头（24）和垂向设置的隔水管模型（18），所述的钻井模拟平台（2）的底部与自由伸缩杆外筒（23）的筒壁之间均匀分布有多个连接装置，连接装置均由顺次连接的弹簧（27）、拉力传感器（28）和钢丝组成，弹簧（27）固定于钻井模拟平台（2）上，钢丝固定于自由伸缩杆外筒（23）的筒壁上；

它还包括计算机（29）、与计算机（29）连接的控制箱（30）以及光纤光栅传感器（31），隔水管模型（18）的柱面上且沿隔水管模型（18）的长度方向均匀分布有多个光纤光栅传感器（31），控制箱（30）与伺服电机I（8）和伺服电机II（12）连接，计算机（29）与光纤光栅传感器（31）、位移传感器（25）和拉力传感器（28）连接。

2.根据权利要求1所述的一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，其特征在于：所述的钻井模拟平台（2）的底部与自由伸缩杆外筒（23）的筒壁之间均匀分布有四个连接装置。

3.根据权利要求1所述的一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为试验系统，其特征在于：所述的弹簧（27）与钻井模拟平台（2）呈10°夹角设置。

4.一种深水钻井软悬挂隔水管避台力学行为的试验方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、采集初始时刻拉力传感器（28）、光纤光栅传感器（31）以及位移传感器（25）上的数据，将这些数据作为原始值；

S2、周期性的调节伺服电机II（12）的参数并启动伺服电机I（8），伺服电机I（8）带动运动滑块（11）左右移动，进而带动钻井模拟平台（2）左右移动，而伺服电机II（12）带动连接梁II（14）沿着螺杆（13）做向上和向下的周期运动，进而带动钻井模拟平台（2）做周期的升沉平移运动，同时推动横梁（3）在两个轨道（5）上运动，当横梁（3）运动速度稳定之后，控制箱（30）采集拉力传感器（28）、光纤光栅传感器（31）以及位移传感器（25）上的数据并将这些数据传递给计算机（29）；

S3、通过改变伺服电机II（12）和伺服电机I（8）的参数、横梁（3）的运动速度以及隔水管模型（18）的外径、长度，重复步骤S1和S2，即可获得不同海洋环境、不同平台运动速度以及不同隔水管尺寸下，平台软悬挂隔水管力学特性以及隔水管的轴向运动距离。