CN109084951B - 一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，该实验装置包括：实验水槽；隔水导管组件，包括底座和隔水导管，底座设置在实验水槽内部的底板上，隔水导管的第一端设置在底座上，隔水导管与底板垂直；环境荷载制造组件，设置在与隔水导管组件对应的第一预设位置处，用于产生对隔水导管的环境荷载；作业荷载制造组件，设置在与隔水导管组件对应的第二预设位置处，用于产生对隔水导管的作业荷载；数据采集组件，设置在与隔水导管组件对应的第三预设位置处，用于检测在环境载荷和作业载荷下隔水导管产生的形变参数，数据处理组件，与数据采集组件连接，用于处理数据采集组件采集的数据。

Description

一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置

技术领域

本发明涉及海洋油气开发技术领域，尤其涉及一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置。

背景技术

在现有技术中，隔水导管是一种从钻井平台连接到海床浅层的套管结构，是在钻井作业时隔绝海水、循环泥浆的安全通道。隔水导管是海上石油的勘探中的一种关键设备，是整个钻井系统中重要而又薄弱的环节，是影响海上钻井安全的重要因素。在实际的海上石油开发中，隔水导管将发生复杂的运动模式，引起过量的位移变形和应力应变，最终导致隔水导管结构的破坏失效。

由于隔水导管的运动和变形涉及到复杂的流固耦合问题，目前对于隔水导管的研究多数限于静力分析模型的近似数值求解，因此无法模拟和捕捉隔水导管动态下的位移和应力应变。

发明内容

本发明实施例提供一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，用于提供一种有效的模拟真实状态下隔水导管运动的实验装置，通过多物理参数同步测量，能够得到隔水导管运动特性和应力分布状态。

本发明实施例提供了一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，包括：

实验水槽；

隔水导管组件，包括底座和隔水导管，所述底座设置在所述实验水槽内部的底板上，所述隔水导管的第一端设置在所述底座上，所述隔水导管与所述底板垂直；

环境荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第一预设位置处，用于产生对所述隔水导管的环境荷载；

作业荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第二预设位置处，用于产生对所述隔水导管的作业荷载；

数据采集组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第三预设位置处，用于检测在所述环境载荷和所述作业载荷下所述隔水导管产生的形变参数；

数据处理组件，与所述数据采集组件连接，用于处理所述数据采集组件采集的数据。

可选的，所述实验水槽包括箱体和外流管道，所述外流管道的两端均与所述箱体的容置空间连通，所述环境荷载制造组件包括外流泵，设置在所述外流管道对应的位置处，用于在所述外流管道产生第一预设流向的外流。

可选的，所述环境荷载制造组件包括造波机，设置在所述实验水槽内，用于产生波浪。

可选的，所述作业荷载制造组件包括内流泵，设置在所述实验水槽内的所述底座对应的位置处，用于产生第二预设流向的内流以及为所述隔水导管内部供水。

可选的，所述作业荷载制造组件包括顶张力装置，设置在所述隔水导管的第二端，用于对所述隔水导管产生沿所述隔水导管径向方向的顶张力。

可选的，所述作业荷载制造组件包括平台运动装置，设置在邻近所述隔水导管的第二端的对应位置处，用于对所述隔水导管产生水平方向的力。

可选的，所述数据采集组件包括多组光纤应变传感器，设置在所述隔水导管表面，沿所述隔水导管长度方向设置，每组包括4个光纤应变传感器，4个光纤应变传感器沿所述隔水导管环向间隔90°，用于采集所述隔水导管顺流向和横向的振动数据。

可选的，所述数据采集组件包括水下图像采集装置和外部图像采集装置，所述水下图像采集装置设置在来流方向的所述隔水导管的后方，所述外部图像采集装置设置在所述实验水槽的外部，垂直于所述实验水槽的玻璃侧壁，所述水下图像采集装置和所述外部图像采集装置用于采集所述隔水导管的运动图像。

可选的，所述数据采集组件包括流速仪，设置在所述实验水槽内，在所述述实验水槽注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管动力响应实验时，采集所述实验水槽内水的流速。

可选的，所述数据采集组件包括波高仪，设置在所述实验水槽内，在所述述实验水槽注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管动力响应实验时，采集所述实验水槽内的波浪高度。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

由于本申请实施例的模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，包括实验水槽；隔水导管组件，包括底座和隔水导管，底座设置在实验水槽内部的底板上，隔水导管的第一端设置在底座上，隔水导管与底板垂直；环境荷载制造组件，设置在与隔水导管组件对应的第一预设位置处，用于产生对隔水导管的环境荷载；作业荷载制造组件，设置在与隔水导管组件对应的第二预设位置处，用于产生对隔水导管的作业荷载；数据采集组件，设置在与隔水导管组件对应的第三预设位置处，用于检测在环境载荷和作业载荷下隔水导管产生的形变参数，数据处理组件，与数据采集组件连接，用于处理数据采集组件采集的数据。通过本实施例中的实验装置，可以真实模拟在环境载荷和作业载荷下钻井平台隔水导管的动力响应，捕捉隔水导管动态下的位移和应力应变。能够得到隔水导管运动特性和应力分布状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的多组光纤应变传感器设置在隔水导管表面时的示意图。

(上述图中标号示意如下：10-实验水槽，21-底座，22-隔水导管，11-箱体，12-外流管道，31-外流泵，32-造波机，41-内流泵，42-顶张力装置，43-平台运动装置，51-光纤应变传感器，52-水下图像采集装置，53-外部图像采集装置，54-流速仪，55-波高仪)

具体实施方式

在本申请实施例提供的技术方案中，通过提供一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，用于提供一种有效的模拟真实状态下隔水导管运动的实验装置，通过多物理参数同步测量，能够得到隔水导管运动特性和应力分布状态。该实验装置包括：实验水槽；隔水导管组件，包括底座和隔水导管，所述底座设置在所述实验水槽内部的底板上，所述隔水导管的第一端设置在所述底座上，所述隔水导管与所述底板垂直；环境荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第一预设位置处，用于产生对所述隔水导管的环境荷载；作业荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第二预设位置处，用于产生对所述隔水导管的作业荷载；数据采集组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第三预设位置处，用于检测在所述环境载荷和所述作业载荷下所述隔水导管产生的形变参数，数据处理组件，与所述数据采集组件连接，用于处理所述数据采集组件采集的数据。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

实施例

请参照图1，本申请实施例提供一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，包括：

实验水槽10；

隔水导管组件，包括底座21和隔水导管22，底座21设置在实验水槽10内部的底板上，隔水导管22的第一端设置在底座21上，隔水导管22与底板垂直，隔水导管22为PVC材质；

环境荷载制造组件，设置在与隔水导管22组件对应的第一预设位置处，用于产生对隔水导管22的环境荷载；

作业荷载制造组件，设置在与隔水导管22组件对应的第二预设位置处，用于产生对隔水导管22的作业荷载；

数据采集组件，设置在与隔水导管22组件对应的第三预设位置处，用于检测在环境载荷和作业载荷下隔水导管22产生的形变参数；

数据处理组件，与数据采集组件连接，用于处理数据采集组件采集的数据。

具体的，实验水槽10包括箱体11和外流管道12，外流管道12的两端均与箱体11的容置空间连通，如图1所示，箱体11和外流管道12组成环状连通结构。环境荷载制造组件包括外流泵31，设置在外流管道12对应的位置处，用于在外流管道12产生第一预设流向(如顺时针)的外流。环境荷载制造组件还包括造波机32，设置在实验水槽10内，用于产生波浪。通过调整外流泵31的转速来控制流量，改变外流速度，通过控制造波机32，改变波浪荷载参数。

具体的，作业荷载制造组件包括内流泵41，设置在实验水槽10内的底座21对应的位置处，内流泵41穿过底座21连接在隔水导管22的下端，用于产生第二预设流向的内流以及为隔水导管22内部供水。

具体的，作业荷载制造组件还包括顶张力装置42，设置在隔水导管22的第二端，用于对隔水导管22产生沿隔水导管22径向方向的顶张力。顶张力装置42包括牵引绳和滑轮以及砝码添加器件，牵引绳的一端与隔水导管22的顶端连接，牵引绳绕过该滑轮后，另一端设置砝码添加盘，通过在该砝码添加盘上添加砝码，实现顶张力的施加。

进一步，作业荷载制造组件包括平台运动装置43，设置在邻近隔水导管22的第二端的对应位置处，用于对隔水导管22产生水平方向的力。平台运动装置43包括平台、运动件、变频器、电机，运动件与隔水导管22连接，电机与运动件连接，电机转动时带动运动件在平台上沿水平方向移动，进而对隔水导管22产生水平方向的力。具体的，运动件设置了滑轮，电机转动时带动滑轮转动，进而运动件可在平台上做水平运动。并且，通过设定变频器的参数，控制电机的转速来实现平台运动模拟。

数据采集组件包括多组光纤应变传感器，设置在隔水导管22表面，多组光纤应变传感器沿隔水导管22长度方向设置，每组包括4个光纤应变传感器51，4个光纤应变传感器51沿隔水导管22环向间隔90°，光纤应变传感器51为应变片结构，光纤应变传感器51通过隔水胶粘贴在隔水导管22表面，如图2所示，沿隔水导管22长度方向粘贴#1～#4共4组光纤应变传感器，每组沿环向间隔90°分别粘贴4枚光纤应变片51，即顺流向和横向各布置两个，分别用来采集隔水导管22顺流向和横向的振动数据。由于隔水导管22的应变采用接触式测量，即将光纤应变片粘贴于隔水导管表面。以往的电阻式应变片体积相对较大，粘贴后对隔水导管模型的动力性能影响较大。本实施例中的实验装置采用光纤应变传感器，其直径仅为0.2mm。粘贴于隔水导管表面之后不会对结构特性有任何影响，且光纤应变属于动态应变测量具有很高采集频率(可达1000Hz)，因此应变测量结果也具有很高的精度。

进一步，在本实施例中，数据采集组件还包括水下图像采集装置52和外部图像采集装置53，水下图像采集装置52设置在来流方向的隔水导管22的后方，外部图像采集装置53设置在实验水槽10的外部，垂直于实验水槽10的玻璃侧壁，水下图像采集装置52和外部图像采集装置53用于采集隔水导管22的运动图像。图像采集装置可以是摄像机，通过调整水下摄像机和外部摄像机的焦距到达最清晰状态，并通过数据线连接数据处理装置。以往传统的运动测量方式多为接触式测量，对于较细的隔水导管问题，则会影响整个结构的运动特性。本实施例中的实验装置，采用图像运动位移测量方式，利用两部高速摄像机从水下和水槽外部同时对隔水导管的运动进行图像记录。在后通过数据处理装置进行处理阶段，对运动图像进行处理，对比得到隔水导管的运动位移变化情况。由于运动过程采用高分辨率图像记录，所以运动的记录也可以达到很高的精度。

数据采集组件包括流速仪54，设置在实验水槽10内，在述实验水槽10注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管22动力响应实验时，采集实验水槽10内水的流速。数据采集组件还包括波高仪55，设置在实验水槽10内，在述实验水槽10注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管22动力响应实验时，采集实验水槽10内的波浪高度。在实验水槽中根据实验水深确定流速仪54和波高仪55的位置。

进一步，在本实施例中，各个电器件均可以与数据处理组件连接，数据处理组件包括显示器和计算机主机，光纤应变传感器可将采集的数据传输至计算机主机进行分析处理，得到应变测量结果。水下图像采集装置52和外部图像采集装置53可将采集的图像传输至计算机主机进行分析处理，得到隔水导管22的运动位移测量结果。外流泵31、造波机32、内流泵41、平台运动装置43均可以与计算机主机连接，通过计算机装置可控制这些装置的相关参数。

进而，向实验水槽10注内水并达到实验要求的深度后开始正式实验。通过调整外流泵31的转速来控制外流的流量，改变外流速度。通过控制造波机32，改变波浪荷载参数。通过调节顶张力装置42砝码的重量，改变顶张力荷载。设定平台运动装置43的变频器的参数，通过控制电机的转速来实现平台运动模拟。打开内流泵41，设定内流速度。在计算机主机上记录隔水导管22的应变数据和正侧向的振动视频，并记录各种外部荷载的实施数据。

利用该实验装置，可以对环境荷载(包括波浪和海流)和作业荷载(包括内流、顶张力和平台运动)等五个独立的荷载形式进行模拟，并实现各种荷载之间的任意组合，其中波浪荷载由造波机32实现，海流荷载由外流泵31实现，内流荷载由内流水泵41实现，顶张力荷载由顶张力装置42实现，平台运动装置43实现。

本实验装置可以同时测量多个物理参量，包括波浪要素、水流速度、内流速度、正向和侧向位移和应变，可利用测试软件labview实现同步触发与测量，将各物理参量的记录进行同步，以便于准确分析相互的联系和影响，获得系统、可靠的测量数据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种模拟多荷载作用下隔水导管动力响应的实验装置，其特征在于，包括：

实验水槽；

隔水导管组件，包括底座和隔水导管，所述底座设置在所述实验水槽内部的底板上，所述隔水导管的第一端设置在所述底座上，所述隔水导管与所述底板垂直；

环境荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第一预设位置处，用于产生对所述隔水导管的环境荷载；

作业荷载制造组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第二预设位置处，用于产生对所述隔水导管的作业荷载；

数据采集组件，设置在与所述隔水导管组件对应的第三预设位置处，用于检测在所述环境荷载和所述作业荷载下所述隔水导管产生的形变参数；其中，所述数据采集组件包括水下图像采集装置和外部图像采集装置，所述水下图像采集装置设置在来流方向的所述隔水导管的后方，所述外部图像采集装置设置在所述实验水槽的外部，垂直于所述实验水槽的玻璃侧壁，所述水下图像采集装置和所述外部图像采集装置用于同时采集所述隔水导管的运动图像；

数据处理组件，与所述数据采集组件连接，用于处理所述数据采集组件采集的数据；其中，所述隔水导管的运动位移数据通过所述数据处理组件对比所述水下图像采集装置和所述外部图像采集装置的运动图像后得到。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述实验水槽包括箱体和外流管道，所述外流管道的两端均与所述箱体的容置空间连通，所述环境荷载制造组件包括外流泵，设置在所述外流管道对应的位置处，用于在所述外流管道产生第一预设流向的外流。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述环境荷载制造组件包括造波机，设置在所述实验水槽内，用于产生波浪。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述作业荷载制造组件包括内流泵，设置在所述实验水槽内的所述底座对应的位置处，用于产生第二预设流向的内流以及为所述隔水导管内部供水。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述作业荷载制造组件包括顶张力装置，设置在所述隔水导管的第二端，用于对所述隔水导管产生沿所述隔水导管径向方向的顶张力。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述作业荷载制造组件包括平台运动装置，设置在邻近所述隔水导管的第二端的对应位置处，用于对所述隔水导管产生水平方向的力。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述数据采集组件包括多组光纤应变传感器，设置在所述隔水导管表面，多组光纤应变传感器沿所述隔水导管长度方向设置，每组包括4个光纤应变传感器，4个光纤应变传感器沿所述隔水导管环向间隔90°，用于采集所述隔水导管顺流向和横向的振动数据。

8.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述数据采集组件包括流速仪，设置在所述实验水槽内，在所述述实验水槽注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管动力响应实验时，采集所述实验水槽内水的流速。

9.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述数据采集组件包括波高仪，设置在所述实验水槽内，在所述实验水槽注入预设水位的水进行模拟多荷载作用下隔水导管动力响应实验时，采集所述实验水槽内的波浪高度。

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