CN107860540B - 一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置 - Google Patents

一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，涉及深水测试管柱内流自激振动试验模拟技术领域。它包括支撑平台总成、泵流模拟总成以及测控系统总成；所述的支撑平台总成包括水平设置的基座、竖直设置的模型管柱；基座上固定连接有底部支架；底部支架上方设置有顶部支架；顶部支架与底部支架通过支撑杆固定连接；模型管柱外壁上下两端分别套接固定有A法兰盘和B法兰盘。本发明的有益效果是：能够模拟多种工况下地层压力、油气产量波动导致的深水测试管柱自激振动行为，并将影响该过程的各项数据清晰直观的显示出来，为深水测试管柱作业安全提供有力的技术支撑与保障。

Description

一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置
技术领域
本发明涉及深水测试管柱内流自激振动试验模拟技术领域。
背景技术
深水测试是海洋油气勘探与开发必不可少的环节，其主要目的是在油气藏投产前或初期准确评价深海地层流体特征和待投产井的潜在生产量。在测试过程中测试管柱内部有地层油气的快速流动，由于油气储层供给、地层压力脉动、管径改变或阀门操作等因素，往往使深水测试管柱中的油气处于不稳定的流动状态，进而诱发测试管柱受到波动性激励并随之产生振动。因此需要一种试验模拟装置，模拟深水测试管柱内流自激振动过程，并将这种内流自激振动过程以曲线和数据的状态显示出来，揭示深水测试管柱自激振动机理，从而为深水测试管柱作业安全提供有力的技术支撑与保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，其能够模拟多种工况下地层压力、油气产量波动导致的深水测试管柱自激振动行为，并将影响该过程的各项数据清晰直观的显示出来，为深水测试管柱作业安全提供有力的技术支撑与保障。
本发明采用的技术方案是：提供一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，包括支撑平台总成、泵流模拟总成以及测控系统总成；
所述的支撑平台总成包括水平设置的基座、竖直设置的模型管柱；基座上固定连接有底部支架；底部支架上方设置有顶部支架；顶部支架与底部支架通过支撑杆固定连接；模型管柱外壁上下两端分别套接固定有A法兰盘和B法兰盘；A法兰盘下端面均匀分布有A避震垫；B法兰盘下端面均匀分布有B避震垫；A避震垫和B避震垫内均填充有非牛顿液体；B避震垫下端与底部支架固定连接；顶部支架下端固定有液压缸；液压缸的输出端竖直向下且套接固定有C法兰盘；A避震垫下方，模型管柱上部同轴套有张力环；张力环内径大于模型管柱直径；所述C法兰盘与张力环通过连杆固定连接；
所述的泵流模拟总成包括用来模拟产量波动的流量调节泵、水箱；流量调节泵和水箱均固定安装在底部支架上；流量调节泵的抽水口连通有抽水管，出水口连接有出水管；所述抽水管与水箱连通；出水管一端穿过底部支架且与模型管柱下端连通；水箱上安装有导流管；所述导流管一端与水箱连通，另一端与模型管柱上端连通；模型管柱外壁上部安装有泄流管；所述泄流管一端与模型管柱连通，另一端与水箱连通；
所述的测控系统总成包括均匀分布在模型管柱外壁的A振动传感器、固定在A避震垫下端的压力传感器、安装在泄流管上用来模拟地层压力波动的压力控制阀；模型管柱外壁均匀分布有应力传感器；所述顶部支架上分别固定安装有显示器和处理器；显示器与处理器相连；处理器分别与液压缸、流量调节泵、A振动传感器、压力传感器、应力传感器和压力控制阀相连。
进一步优化本技术方案，一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置的模型管柱外壁均匀分布有应力传感器；应力传感器与处理器相连。
进一步优化本技术方案，一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置的张力环下方，模型管柱上部同轴套有顶板；顶板与支撑杆固定连接；模型管柱外部同轴套有隔水管模型；隔水管模型上端与顶板固定连接，下端与底部支架固定密封连接；所述顶板内径和隔水管模型内径均大于模型管柱外径；隔水管模型上连通有注水管；隔水管模型上均匀分布有B振动传感器；B振动传感器与处理器相连。
进一步优化本技术方案，一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置的隔水管模型与模型管柱之间安装有至少一个扶正器。
进一步优化本技术方案，一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置的出水管的出水口和导流管的进水口均连通固定有金属管芯；金属管芯上套接固定有锥形的橡胶密封垫。
本发明的有益效果在于：
1、模型管柱能够模拟深水测试管柱，能够通过对模型管柱内流自激振动过程的测定，从而模拟出深水测试管柱的内流自激振动过程；液压缸能够对模型管柱提供一个向上的拉力；压力传感器能够检测液压缸提供拉力的大小；底部支架能够起到对模型管柱的定位作用；非牛顿液体在受到剪切力时其粘度发生改变，通过非牛顿液体的作用，使A避震垫和B避震垫能够起到避震作用，避免模型管柱的振动受到底部支架和液压缸的影响；流量调节泵能够向模型管柱内注入液体，模拟深水测试管柱内的油气流动，流量调节泵能够调节注入的流量，从而模拟深水测试管柱内油气的产量波动；压力调节阀能够调节模型管柱内液体的压强，模拟地层压力波动；A振动传感器能够检测模型管柱各处的振动过程。
2、应力传感器能够检测模型管柱各处受到的等效应力；隔水管模型内能够注入液体，模拟环空液压环境对深水测试管柱振动过程的影响；B振动传感器能够检测隔水管模型的振动，通过与模型管柱振动数据比较，能够得出模型管自身振动过程的准确数据；显示器能够将检测的各项数据以数字和曲线的形式显示出来；隔水管模型与模型管柱之间安装有至少一个扶正器，能够模拟多点约束自激振动行为。
3、金属管芯和锥形的橡胶密封垫的设置，能够适应不同直径大小的模型管柱，通过更换不同直径大小的模型管柱，能够方便地对不同尺寸的深水测试管柱进行模拟。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1除去隔水管模型的局部结构示意图；
图3为支撑平台总成的局部分解结构示意图；
图4为模型管柱处平面结构示意图；
图5为本发明的电路逻辑框图；
图6为本发明的数据处理过程框图。
图中，1、基座；2、模型管柱；3、底部支架；4、顶部支架；5、支撑杆；6、A法兰盘；7、B法兰盘；8、A避震垫；9、B避震垫；10、液压缸；11、C法兰盘；12、张力环；13、流量调节泵；14、水箱；15、抽水管；16、出水管；17、导流管；18、泄流管；19、A振动传感器；20、压力传感器；21、压力控制阀；22、显示器；23、应力传感器；24、顶板；25、隔水管模型；26、注水管；27、B振动传感器；28、万向轮；29、液压支腿；30、连杆；31、扶正器；32、金属管芯；33、橡胶密封垫。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，包括支撑平台总成、泵流模拟总成以及测控系统总成；
如图2-4所示，所述的支撑平台总成包括水平设置的基座1、竖直设置的模型管柱2；基座1上固定连接有底部支架3；底部支架3上方设置有顶部支架4；顶部支架4与底部支架3通过支撑杆5固定连接；模型管柱2外壁上下两端分别套接固定有A法兰盘6和B法兰盘7；A法兰盘6下端面均匀分布有A避震垫8；B法兰盘7下端面均匀分布有B避震垫9；A避震垫8和B避震垫9内均填充有非牛顿液体；B避震垫9下端与底部支架3固定连接；顶部支架4下端固定有液压缸10；液压缸10的输出端竖直向下且套接固定有C法兰盘11；A避震垫8下方，模型管柱2上部同轴套有张力环12；张力环12内径大于模型管柱2直径；所述C法兰盘1与张力环12通过连杆30固定连接；
所述的泵流模拟总成包括用来模拟产量波动的流量调节泵13、水箱14；流量调节泵13和水箱14均固定安装在底部支架3上；流量调节泵13的抽水口连通有抽水管15，出水口连接有出水管16；所述抽水管15与水箱14连通；出水管16一端穿过底部支架3且与模型管柱2下端连通；水箱14上安装有导流管17；所述导流管17一端与水箱14连通，另一端与模型管柱2上端连通；模型管柱2外壁上部安装有泄流管18；所述泄流管18一端与模型管柱2连通，另一端与水箱14连通；
如图2-3所示，测控系统总成包括均匀分布在模型管柱2外壁的A振动传感器19、固定在A避震垫8下端的压力传感器20、安装在泄流管18上用来模拟地层压力波动的压力控制阀21；模型管柱2外壁均匀分布有应力传感器23；所述顶部支架4上分别固定安装有显示器22和处理器；显示器22与处理器相连；处理器分别与液压缸10、流量调节泵13、A振动传感器19、压力传感器20、应力传感器23和压力控制阀21相连。张力环12下方，模型管柱2上部同轴套有顶板24；顶板24与支撑杆5固定连接；模型管柱2外部同轴套有隔水管模型25；隔水管模型25上端与顶板24固定连接，下端与底部支架3固定密封连接；所述顶板24内径和隔水管模型25内径均大于模型管柱2外径；隔水管模型25上连通有注水管26；隔水管模型25上均匀分布有B振动传感器27；B振动传感器27与处理器相连；隔水管模型25与模型管柱2之间安装有至少一个扶正器31；路如图4所示，出水管的出水口和导流管的进水口均连通固定有金属管芯32；金属管芯上套接固定有锥形的橡胶密封垫33。
如图5-图6所示，本实施例中，流量调节泵13的流量数据、压力传感器20的压力数据（即液压缸10对模型管柱2的拉力）、压力控制阀21的压强数据、A振动传感器19和B振动传感器27的振动数据、应力传感器23的应力数据均能够通过显示器22显示；其中流量调节泵13的流量数据、液压缸10对模型管柱2的拉力数据、压力控制阀21的压强数据均为可设定的输入参数，而A振动传感器19和B振动传感器27的振动数据、应力传感器23的应力数据则为测量参数；为了能够清晰显示，通过处理器将数据处理后，显示器22中除了相应的数据外，还能够以时间为横轴显示相应的各项曲线图。
使用时，首先通过处理器分别设定流量调节泵13的流量数据、液压缸10的拉力数据、压力控制阀21的压强数据，其中流量数据和压强数据可根据模拟需求使参数不断变化，用来模拟油气的产量波动和地层压力波动。
之后本发明各处开始工作过程，此时流量调节泵13将水箱14内的液体抽出，液体通过出水管16从底部进入到模型管柱2内，再经过上部的导流管17流回水箱14，实现液体自下至上的循环，模拟油气的流动过程；在液体循环过程中，通过压力控制阀21，泄流管18能够使模型管柱2内部分液体流入水箱14，保证模型管柱2内压强按照模拟的地层压力波动而不断变化；之后通过注水管26向隔水管模型25内注入适量液体；在此过程中模型管柱2内产生内流自激振动，模型管柱2和隔水管模型25的振动数据，分别通过A振动传感器19和B振动传感器27检测，模型管柱2受到的应力数据则被应力传感器23检测，通过处理器处理后，传输到显示器22上显示。
在上述过程中，由于模型管柱2的振动能够通过隔水管模型25内液体的作用传导到隔水管模型25，同理隔水管模型25的振动也能够影响到模型管柱2的振动效果，因此A振动传感器19和B振动传感器27检测到的数据需要进行比较处理，此时得出的数据才为模型管柱2自身准确的振动数据。
隔水管模型25与模型管柱2之间安装有至少一个扶正器31，扶正器31的大小要与模型管柱2以及隔水管模型25之间适配。扶正器能够模拟多点约束自激振动行为，从而增强模拟的效果。本实施例中，基板下端面可均匀分布万向轮28和液压支腿29，万向轮28能够方便整体的移动，液压支腿29则能够方便对整体支撑定位。
在上述过程中，可通过处理器改变某一特定输入数据，来观察输出参数的变化，以此来得出模型管柱2内流自激振动的准确规律；应力传感器23选用光纤应力分布测试仪，其通过光纤能够测定各点的应力，因此具有测量范围广的特点；A振动传感器19和B振动传感器27选用测振仪，其能够测量各点的速度、位移、加速度的变化。
本实施例中，对于流量调节泵13以及压力控制阀21的调节，可与实验平台外部的控制算法进行功率和开度或启动压强的调节。比如采用正弦波动，1、连续调控压力控制阀21的开度，连续调节压强时，压力控制阀21采用可以连续调控开度的电磁开关阀，此时模型管柱2内的压强根据开关阀的开度，进行泄流流速与压强之间的换算测出（伯努利方程：p+ρgh+(1/2)*ρv^2=c）。2、连续调节压强时，压力控制阀21还可以采用可以连续调控开启压力的电磁泄压阀。其开启压力变化直接能够得出模型管柱内的压强变化。
由于压力控制阀21位于模型管柱的顶部，无论是通过电磁溢流阀还是通过电磁开关阀，均不会改变模型管柱内部的流量，这样在流量调节泵13的流量稳定时，电磁泄压阀与电磁开关阀均可以实现压强的独立调整；当流量调节泵13的流量变化时，电磁泄压阀能够继续痴线压强的独立调整，不会随着泵流量的变化受影响。而电磁开关阀的泄流速度会受到泵流量的影响，所以采用电磁开关阀作为压力控制阀的时，其控制方式应与泵流量进行联动控制。
对于流量调节泵13的调节，直接调控其功率按照实验仿真的要求调节即可。

Claims (3)

1.一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，其特征在于：包括支撑平台总成、泵流模拟总成以及测控系统总成；
所述的支撑平台总成包括水平设置的基座、竖直设置的模型管柱；基座上固定连接有底部支架；底部支架上方设置有顶部支架；顶部支架与底部支架通过支撑杆固定连接；模型管柱外壁上下两端分别套接固定有A法兰盘和B法兰盘；A法兰盘下端面均匀分布有A避震垫；B法兰盘下端面均匀分布有B避震垫；A避震垫和B避震垫内均填充有非牛顿液体；B避震垫下端与底部支架固定连接；顶部支架下端固定有液压缸；液压缸的输出端竖直向下且套接固定有C法兰盘；A避震垫下方，模型管柱上部同轴套有张力环；张力环内径大于模型管柱直径；所述C法兰盘与张力环通过连杆固定连接；
所述的泵流模拟总成包括用来模拟产量波动的流量调节泵、水箱；流量调节泵和水箱均固定安装在底部支架上；流量调节泵的抽水口连通有抽水管，出水口连接有出水管；所述抽水管与水箱连通；出水管一端穿过底部支架且与模型管柱下端连通；水箱上安装有导流管；所述导流管一端与水箱连通，另一端与模型管柱上端连通；模型管柱外壁上部安装有泄流管；所述泄流管一端与模型管柱连通，另一端与水箱连通；
所述的测控系统总成包括均匀分布在模型管柱外壁的A振动传感器、固定在A避震垫下端的压力传感器、安装在泄流管上用来模拟地层压力波动的压力控制阀；模型管柱外壁均匀分布有应力传感器；所述顶部支架上分别固定安装有显示器和处理器；显示器与处理器相连；处理器分别与液压缸、流量调节泵、A振动传感器、压力传感器、应力传感器和压力控制阀相连；
张力环下方，模型管柱上部同轴套有顶板；顶板与支撑杆固定连接；模型管柱外部同轴套有隔水管模型；隔水管模型上端与顶板固定连接，
下端与底部支架固定密封连接；所述顶板内径和隔水管模型内径均大于模型管柱外径；隔水管模型上连通有注水管；隔水管模型上均匀分布有B振动传感器；B振动传感器与处理器相连。
2.根据权利要求1所述的一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，其特征在于：隔水管模型与模型管柱之间安装有至少一个扶正器。
3.根据权利要求1所述的一种多用途深水测试管柱内流自激振动试验模拟装置，其特征在于：出水管的出水口和导流管的进水口均连通固定有金属管芯；金属管芯上套接固定有锥形的橡胶密封垫。
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