CN107167390B - 一种深水水下井口疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水水下井口疲劳试验装置，其包括动力与控制系统、传动系统、井口系统、数据采集与处理系统以及安全防护罩；所述数据采集与处理系统将采集到所述井口系统的状态数据传输至所述动力与控制系统，所述动力与控制系统根据接收到的状态数据驱动所述控制传动系统；并在所述井口系统上部设置有所述安全防护罩，且所述传动系统也位于所述安全防护罩内；所述动力与控制系统包括电动机、变频控制器和计算机；所述电动机通过所述变频控制器与所述计算机。本发明结构简单，试验能耗低，试验精度高，安全性能好，具有较强的水下井口疲劳试验能力，可广泛用于各种深水水下井口的疲劳试验中。
Description
技术领域
本发明涉及一种疲劳试验装置，特别是关于一种在深水油气钻井装备领域领域中应用的深水水下井口疲劳试验装置。
背景技术
鉴于陆上石油资源的日渐枯竭，海洋逐渐成为我国石油战略接替的重点，尤其是我国南海深水区域丰富的油气资源。深水水下井口是海洋油气资源勘探与开发的关键设备，起到连接地层井筒系统和隔水管系统的作用。实际工作中，深水水下井口在隔水管波激振动和涡激振动的激励下，水下井口内部出现循环交变应力，易发生疲劳损伤失效。目前，国内外主要开展深水水下井口的疲劳损伤数值模拟研究，尚未开展深水水下井口疲劳试验研究，鉴于深水水下井口结构复杂，数值模拟与仿真难以准确识别水下井口疲劳损伤性能及热点，需要进一步开展深水水下井口疲劳试验研究。为了实现深水水下井口疲劳试验，需设计一套深水水下井口疲劳试验装置，通过水下井口疲劳试验识别井口疲劳损伤热点及疲劳性能曲线，从而为准确的水下井口疲劳损伤评估奠定基础。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种深水水下井口疲劳试验装置，其结构简单，试验能耗低，试验精度高，安全性能好，具有较强的水下井口疲劳试验能力。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：该装置包括动力与控制系统、传动系统、井口系统、数据采集与处理系统以及安全防护罩；所述数据采集与处理系统将采集到所述井口系统的状态数据传输至所述动力与控制系统，所述动力与控制系统根据接收到的状态数据驱动所述控制传动系统；并在所述井口系统上部设置有所述安全防护罩，且所述传动系统也位于所述安全防护罩内；所述动力与控制系统包括电动机、变频控制器和计算机；所述电动机通过所述变频控制器与所述计算机。
进一步，所述传动系统包括挠性联轴器、锥齿轮组、传动轴、轴承、法兰、法兰盖和偏心质量块；所述挠性联轴器一端通过所述锥齿轮组与所述电动机输出轴连接，所述挠性联轴器另一端通过销钉和第一平键与所述传动轴一端连接；所述传动轴另一端安装在所述轴承内部，且所述轴承位于所述法兰内，并在所述法兰上设置有所述法兰盖；所述传动轴另一端通过所述法兰与所述井口系统连接；靠近所述法兰侧的所述传动轴上设置有所述偏心质量块。
进一步，所述偏心质量块包括主偏心块和附加偏心块；所述主偏心块穿设在所述传动轴上，在所述传动轴与所述主偏心块之间设置第二平键和挡圈；所述附加偏心块位于所述主偏心块一端，且所述附加偏心块对称设置在所述主偏心块两侧。
进一步，所述挠性联轴器为万向伸缩联轴器。
进一步，所述井口系统包括防喷器组、高压井口、表层套管、导管、水泥环和低压井口；所述防喷器组顶部与所述法兰通过螺栓连接，所述防喷器组底部与所述高压井口顶部连接；所述高压井口底部与所述表层套管连接；所述表层套管设置在所述导管内部，所述导管位于土壤内；位于所述导管与所述表层套管之间的环空空间内设置有水泥形成所述水泥环，且所述导管与所述低压井口连接，所述低压井口与所述水泥环之间存在空隙构成水泥环出口。
进一步，所述高压井口底部与所述表层套管之间、所述低压井口与所述导管之间的连接方式都采用焊接；所述导管采用多个子管构成，相邻子管之间采用螺纹接头连接，所述表层套管采用多个套管构成，相邻套管之间也采用所述螺纹接头连接。
进一步，所述表层套管上还设置有测试引线，所述测试引线通过所述水泥环出口与所述数据采集与处理系统连接。
进一步，所述防喷器组内设置有配重块。
进一步，所述数据采集与处理系统包括应变式传感器和应变仪；所述应变式传感器粘贴在所述导管和表层套管的所述螺纹接头处，以及所述高压井口底部与所述表层套管之间、所述低压井口与所述导管之间的焊缝处；所述应变式传感器通过测试引线与所述应变仪连接，且所述表层套管的测试引线也与所述应变仪连接，所述应变仪与所述计算机连接。
进一步，所述安全防护罩为对称两半式结构，对称面法向开有通孔，且所述通孔沿轴向均布；所述安全防护罩底部安装万向轮。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过偏心质量块旋转产生的离心力对井口系统施加动态载荷，井口系统内部产生交变循环应力，从而产生疲劳损伤，整个试验装置简单实用。2、本发明可调整电动机驱动偏心质量块的旋转频率，使偏心质量块的旋转频率接近井口系统的共振频率，在较小的电机能力输入下即可引起井口较大的疲劳循环应力，降低试验能耗。3、本发明采用电动机带动偏心质量块旋转，可以沿井口周向360°测试井口的疲劳性能，全面测试井口的各部分的疲劳性能及热点，实现360°全方位疲劳性能测试。4、本发明水下井口系统包括防喷器、低压井口、高压井口、导管、表层套管等部件，可真实模拟水下井口系统的实际工作情况，提高水下井口疲劳试验精度。5、本发明通过设置安全防护罩防止试验过程中由于试件断裂或偏心质量块损坏对试验人员的影响，提高井口疲劳试验安全性能。
综上所述，本发明可广泛用于各种深水水下井口的疲劳试验中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的传动系统结构示意图；
图3是图2的剖视图；
图4是本发明的防喷器组结构示意图；
图5是本发明的防护罩结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种深水水下井口疲劳试验装置，其包括动力与控制系统、传动系统、井口系统、数据采集与处理系统以及安全防护罩1。数据采集与处理系统将采集到井口系统的状态数据传输至动力与控制系统，动力与控制系统根据接收到的状态数据驱动控制传动系统。并在井口系统上部设置有安全防护罩1，且传动系统也位于安全防护罩1内。
在一个优选地实施例中，动力与控制系统包括电动机2、变频控制器3和计算机4。电动机2通过变频控制器3与计算机4连接，由计算机4将控制指令传输至变频控制器3，进而由变频控制器3控制电动机2的转速。
在一个优选地实施例中，如图2、图3所示，传动系统包括挠性联轴器5、锥齿轮组6、传动轴7、轴承8、法兰9、法兰盖10和偏心质量块。挠性联轴器5一端通过锥齿轮组6与电动机2输出轴连接，挠性联轴器5另一端通过销钉11和第一平键12与传动轴7一端连接。传动轴7另一端安装在轴承8内部，且轴承8位于法兰9内，并在法兰9上设置有法兰盖10；传动轴7另一端通过法兰9与井口系统连接。靠近法兰9侧的传动轴7上设置有偏心质量块，通过偏心质量块实现偏心旋转，可通过电动机2驱动调整偏心质量块的旋转频率，使偏心质量块的旋转频率接近井口系统的共振频率，在较小的电机能力输入下即可引起井口较大的疲劳循环应力。
上述实施例中，偏心质量块包括主偏心块13和附加偏心块14；主偏心块13上开设有圆孔和键槽，附加偏心块14上开设有螺栓孔。主偏心块13通过圆孔穿设在传动轴7上，在传动轴7与主偏心块13之间通过键槽设置第二平键15和挡圈16。附加偏心块14位于主偏心块13上远离圆孔一端，且附加偏心块14对称设置在主偏心块13两侧，通过螺栓固定连接在主偏心块13上。其中，附加偏心块14可单独拆装。
上述各实施例中，挠性联轴器5为万向伸缩联轴器。
在一个优选地实施例中，井口系统包括防喷器组17、高压井口18、表层套管19、导管20、水泥环21和低压井口22。防喷器组17顶部与法兰9通过螺栓连接，防喷器组17底部与高压井口18顶部连接；高压井口18底部与表层套管19连接。表层套管19设置在导管20内部，导管20位于土壤23内；位于导管20与表层套管19之间的环空空间内设置有水泥形成水泥环21，且导管20与低压井口22连接，低压井口22与水泥环21之间存在空隙构成水泥环出口。其中，高压井口18底部与表层套管19之间、低压井口22与导管20之间的连接方式都采用焊接。
上述实施例中，表层套管19上还设置有测试引线24，测试引线24通过水泥环出口与数据采集与处理系统连接。
上述实施例中，导管20采用多个子管构成，相邻子管之间采用螺纹接头25连接。表层套管19采用多个套管构成，相邻套管之间采用螺纹接头25连接。
上述各实施例中，防喷器组17底部开设有内螺纹，高压井口18顶部开有外螺纹，防喷器组17与高压井口18之间通过内外螺纹实现螺纹连接。
上述各实施例中，如图4所示，防喷器组17内设置有配重块26。
在一个优选地实施例中，数据采集与处理系统包括应变式传感器27和应变仪28。应变式传感器27粘贴在导管20和表层套管19的螺纹接头25处，以及高压井口18底部与表层套管19之间、低压井口22与导管20之间的焊缝处。应变式传感器27通过测试引线24与应变仪28连接，且表层套管19的测试引线24也与应变仪28连接，将检测到的数据传输至应变仪28，由应变仪28处理后传输至计算机4。
在一个优选地实施例中，如图5所示，安全防护罩1为对称两半式结构，对称面法向开有通孔，且通孔沿轴向均布，用于安装螺栓或其他连接装置。安全防护罩1底部安装万向轮。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (7)
1.一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：该装置包括动力与控制系统、传动系统、井口系统、数据采集与处理系统以及安全防护罩；所述数据采集与处理系统将采集到所述井口系统的状态数据传输至所述动力与控制系统，所述动力与控制系统根据接收到的状态数据驱动所述传动系统；并在所述井口系统上部设置有所述安全防护罩，且所述传动系统也位于所述安全防护罩内；所述动力与控制系统包括电动机、变频控制器和计算机；所述电动机通过所述变频控制器与所述计算机连接；所述传动系统包括挠性联轴器、锥齿轮组、传动轴、轴承、法兰、法兰盖和偏心质量块；所述挠性联轴器一端通过所述锥齿轮组与所述电动机输出轴连接，所述挠性联轴器另一端通过销钉和第一平键与所述传动轴一端连接；所述传动轴另一端安装在所述轴承内部，且所述轴承位于所述法兰内，并在所述法兰上设置有所述法兰盖；所述传动轴另一端通过所述法兰与所述井口系统连接；靠近所述法兰侧的所述传动轴上设置有所述偏心质量块；
偏心质量块旋转产生的离心力对井口系统施加动态载荷，井口系统内部产生交变循环应力；
所述井口系统包括防喷器组、高压井口、表层套管、导管、水泥环和低压井口；所述防喷器组顶部与所述法兰通过螺栓连接，所述防喷器组底部与所述高压井口顶部连接；所述高压井口底部与所述表层套管连接；所述表层套管设置在所述导管内部，所述导管位于土壤内；位于所述导管与所述表层套管之间的环空空间内设置有水泥形成所述水泥环，且所述导管与所述低压井口连接，所述低压井口与所述水泥环之间存在空隙构成水泥环出口；
所述数据采集与处理系统包括应变式传感器和应变仪；所述应变式传感器粘贴在所述导管和表层套管的螺纹接头处，以及所述高压井口底部与所述表层套管之间、所述低压井口与所述导管之间的焊缝处；所述应变式传感器通过测试引线与所述应变仪连接，且所述表层套管的测试引线也与所述应变仪连接，所述应变仪与所述计算机连接。
2.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述偏心质量块包括主偏心块和附加偏心块；所述主偏心块穿设在所述传动轴上，在所述传动轴与所述主偏心块之间设置第二平键和挡圈；所述附加偏心块位于所述主偏心块一端，且所述附加偏心块对称设置在所述主偏心块两侧。
3.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述挠性联轴器为万向伸缩联轴器。
4.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述高压井口底部与所述表层套管之间、所述低压井口与所述导管之间的连接方式都采用焊接；所述导管采用多个子管构成，相邻子管之间采用螺纹接头连接，所述表层套管采用多个套管构成，相邻套管之间也采用所述螺纹接头连接。
5.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述表层套管上还设置有测试引线，所述测试引线通过所述水泥环出口与所述数据采集与处理系统连接。
6.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述防喷器组内设置有配重块。
7.如权利要求1所述的一种深水水下井口疲劳试验装置，其特征在于：所述安全防护罩为对称两半式结构，对称面法向开有通孔，且所述通孔沿轴向均布；所述安全防护罩底部安装万向轮。
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