CN110987364B - 一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统及方法，包括海洋环境模拟子系统、钻井平台运动模拟子系统、钻井平台悬挂隔水管模拟子系统和数据采集装置，所述钻井平台运动模拟子系统安装在水池上方，圆形滑轨通过钢索与十字支架连接，三自由度运动滑台可实现不同方向直线运动，整体可沿滑轨滑动并由限位销进行固定，所述钻井平台悬挂隔水管模拟子系统可通过弹簧和锁紧块实现软硬悬挂的切换，所述数据采集装置包括光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、三分力仪和编码器。本发明能够真实模拟钻井平台不同悬挂隔水管模式、不同海况环境和不同平台运动状态下的隔水管力学行为，为深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离决策提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统及方法，属于深水钻井技术领域。
背景技术
我国南海素有“第二个波斯湾”之称，油气资源蕴藏量巨大，传统疆界内油当量资源量约占我国总资源量的23％，且其中约70％的资源蕴藏于面积广大的深水区。但我国南海海洋环境恶劣，海上油气作业过程中可能遭受台风等极端自然灾害，其中尤以台风的影响最为广泛。近30年来，每年约有25个台风在西北太平洋生成，其中影响我国海域的占到一半以上，已成为南海深水油气开发的最大环境挑战。台风灾害不仅会给深水油气钻采作业带来巨大的经济损失，还有可能引发人员伤亡和环境灾难。
深水钻井作业在遭遇台风时，根据台风强度和路径可以选择不同的作业方式和状态，如正常作业、连接非作业、悬挂自存和悬挂撤离等。在某些台风快速生成的海域，没有足够时间收回全部隔水管进行撤离，为防止环境条件超出隔水管安全作业的限制时，需要将隔水管下部的LMRP与第二OP断开，使钻井平台悬挂隔水管进行避台撤离。撤离过程中隔水管随平台一起运动，在运动过程中隔水管内可能产生严重的轴向和横向动态载荷，同时恶劣的环境条件可能导致隔水管在月池处的位移与挠性接头转角超出作业限制，使隔水管与月池发生碰撞或损坏挠性接头，给避台撤离作业带来风险。目前国内外对隔水管避台撤离进行了相关了理论方法和数值模拟分析，并对隔水管悬挂长度进行优化，但仍缺乏相关的试验数据支持，因此设计一种可真实模拟不同悬挂模式、不同海况环境和不同平台运动状态下的隔水管力学行为，揭示深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离过程中的载荷响应特征和动态变化规律，为深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离决策提供指导，保证恶劣环境下深水钻井作业的安全高效进行的试验系统很有必要。
发明内容
本发明提供一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统，用以解决现有实验装置和技术不能有效模拟多种海况、撤离方式和悬挂方式的缺点。
本发明还提供一种利用上述深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统的试验方法。
本发明通过以下技术方案予以实现：深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离模拟试验系统，包括海洋环境模拟子系统、钻井平台运动模拟子系统、钻井平台悬挂隔水管模拟子系统和数据采集装置。
所述海洋环境模拟子系统包括试验水池、进流管、出流管、水泵、十字支架和钢索，十字支架固定于试验水池正上方，钢索悬吊于十字支架下方，进流管通过水泵与出流管相连。
所述钻井平台运动模拟子系统包括圆形滑轨和三自由度运动滑台两部分，其中圆形滑轨包括滑轨轨道、支架连接板、第一滑轨伺服电机、半圆滑板、限位销和第二滑轨伺服电机，十字支架与钢索通过支架连接板连接，第一滑轨伺服电机和第二滑轨伺服电机固定于半圆滑板两端，半圆滑板的位置由其上等间距的限位孔和限位销固定；三自由度运动滑台包括三个滑台及与之分别对应的滑台伺服电机、丝杠、滑块和滑台连接板，三自由度运动滑台由三个不同方向上的滑台相互配合，滑台伺服电机可精确控制丝杠的转动，滑块安装在丝杠上，将丝杠的转动转化为滑块的直线运动，滑台连接板实现不同滑台之间的连接。
所述钻井平台悬挂隔水管模拟子系统包括螺栓、弹簧、L型钢板、锁紧块、圆孔方杆、万向节组、夹具和隔水管模型，螺栓安装在带有内螺纹的圆孔方杆上端，弹簧套在圆孔方杆外，安装于螺栓和L型钢板之间，锁紧块安装在L型钢板下表面，可以根据试验需要进行紧固，万向节组安装在圆孔方杆下端，万向节组与夹具连接，夹具夹持隔水管模型。
所述数据采集装置包括两台水下摄像机、编码器、三分力仪、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪和计算机，两台水下摄像机布置于试验水池内壁，编码器集成于滑轨伺服电机中，用于校正和记录滑块运动，三分力仪安装在圆孔方杆和万向节组之间，光纤光栅传感器布置于隔水管模型内壁，采集隔水管模型整体受力情况并通过光纤光栅解调仪进行数据解调，所有上述装置均通过数据线与计算机连接。
一种利用上述深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统的试验方法，具体步骤如下：
第一步：将水下摄像机安装到位，同时连接到计算机；
第二步：按照试验要求在试验水池上方安装十字支架和钢索并进行灌水，将水位保持在需求高度后，开启水泵，实现试验水池内的水流循环；
第三步：将安装好光纤光栅传感器的隔水管模型与夹具连接，同时预留光纤光栅传感器数据线；
第四步：根据实验要求选择悬挂方式，选择软悬挂时将弹簧套在圆孔方杆外，松开锁紧块，释放万向节组，选择硬悬挂时紧固锁紧块并固定万向节组，完成钻井平台悬挂隔水管模拟装置安装，并预留三分力仪数据线；
第五步：分别对每个直线滑台进行组装调试，然后按照位置要求进行直线滑台组合装配，形成三自由度运动滑台，并预留滑台伺服电机连接线；
第六步：按照位置要求，用限位销固定半圆滑板初始位置，并预留滑轨伺服电机连接线；
第七步：将隔水管模型、悬挂模拟装置、三自由度运动滑台和圆形滑轨从下到上依次连接，然后通过吊机将整个装置吊挂在钢索上；
第八步：将光纤光栅传感器数据线通过光纤光栅解调仪与计算机连接，其他数据线和连接线直接与计算机连接，开始试验并进行数据获取和处理。
本发明的优点是：本发明采取以上技术方案，可以准确地模拟深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离过程，揭示极端海洋环境下深水钻井隔水管的形态变化和动态响应规律，主要表现在：
1、通过运动模拟装置中圆形滑轨上半圆滑板的可控运动，实现避台过程中平台撤离航向的全方位模拟，对现场指导意义更大。
2、通过三自由度运动滑台上三个不同方向上直线滑台的相互配合，对平台横摇、纵摇、升沉运动及不同撤离航速模拟更加准确，与实际情况更加吻合。
3、通过悬挂模拟装置中弹簧和锁紧块的使用，实现软、硬悬挂模拟的快速方便切换，简化试验流程，提高试验效率。
总之，本发明可为深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离作业的理论方法和技术研究提供支持，避免撤离过程中隔水管断裂、触底等事故的发生，为避台撤离决策过程提供指导，保证恶劣环境下深水钻井作业的安全高效进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的试验系统示意图；
图2为本发明的试验水池造流结构示意图；
图3为本发明的圆形滑轨结构示意图；
图4为本发明的三自由度运动滑台结构示意图；
图5为本发明的钻井平台悬挂隔水管模拟装置结构示意图；
图6为本发明的光纤光栅传感器布置示意图；
图中，1、试验水池；2、进流管；3、出流管；4、水泵；5、十字支架；6、钢索；7、圆形滑轨；8、滑轨轨道；9、支架连接板；10、第一滑轨伺服电机；11、半圆滑板；12、限位销；13、第二滑轨伺服电机；14、三自由度运动滑台；15、第一滑台伺服电机；16、第一丝杠；17、第一滑块；18、第一滑台；19、滑台连接板；20、第二滑台伺服电机；21、第二丝杠；22、第二滑台；23、第二滑块；24、第三滑台；25、第三丝杠；26、第三滑块；27、第三滑台伺服电机；28、限位孔；29、螺栓；30、弹簧；31、L型钢板；32、锁紧块；33、圆孔方杆；34、三分力仪；35、万向节组；36、夹具；37、隔水管模型；38、光纤光栅传感器；39、光纤光栅解调仪；40、计算机；41、第一水下摄像机；42、第二水下摄像机。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统，如图所示，包括海洋环境模拟子系统、钻井平台运动模拟子系统、钻井平台悬挂隔水管模拟子系统和数据采集装置。
具体而言，本实施例所述海洋环境模拟子系统包括试验水池1、进流管2、出流管3、水泵4、十字支架5和钢索6，十字支架5固定于试验水池1正上方，钢索6悬吊于十字支架5下方，进流管2通过水泵4与出流管3相连，实现试验水池1内的水流循环。
具体的，本实施例所述的钻井平台运动模拟子系统包括圆形滑轨7和三自由度运动滑台14两部分，其中圆形滑轨7包括滑轨轨道8、支架连接板9、第一滑轨伺服电机10、半圆滑板11、限位销12和第二滑轨伺服电机13，十字支架5与钢索6通过支架连接板9连接，第一滑轨伺服电机10和第二滑轨伺服电机13固定于半圆滑板11两端，半圆滑板11可通过第一滑轨伺服电机10、第二滑轨伺服电机13驱动在圆形滑轨7上运动，与水流方向最大可呈360度角，半圆滑板11的位置由其上等间距的限位孔28和限位销12固定，实现避台过程中钻井平台撤离航向的全方位模拟；三自由度运动滑台14包括第一滑台18、第二滑台22、第三滑台24及与之分别对应的滑台伺服电机、丝杠、滑块和滑台连接板，三自由度运动滑台14由三个不同方向上的第一滑台18、第二滑台22、第三滑台24相互配合，滑台伺服电机可精确控制丝杠的转动，滑块安装在丝杠上，将丝杠的转动转化为滑块的直线运动，控制滑块的速度和加速度，精准模拟平台横摇、纵摇、升沉运动及不同撤离航速，实现不同自由度的钻井平台运动模拟，滑台连接板实现不同滑台之间的连接。
具体的，本实施例所述的钻井平台悬挂隔水管模拟子系统包括螺栓29、弹簧30、L型钢板31、锁紧块32、圆孔方杆33、万向节组35、夹具36和隔水管模型37，螺栓29安装在带有内螺纹的圆孔方杆33上端，弹簧30套在圆孔方杆33外，安装于螺栓29和L型钢板31之间，通过弹簧30缓冲作用减轻钻井平台升沉运动对隔水管模型的影响，实现钻井平台软悬挂隔水管的模拟，锁紧块32安装在L型钢板31下表面，可以根据试验需要进行紧固锁紧块并固定万向节组35，使弹簧30失去作用，实现钻井平台硬悬挂隔水管的模拟，同时钻井平台软、硬悬挂隔水管模拟的切换方便快捷，万向节组35安装在圆孔方杆33下端，万向节组35与夹具36连接，夹具36夹持隔水管模型37。
具体的，本实施例所述的数据采集装置包括第一水下摄像机41、第二水下摄像机42、编码器、三分力仪34、光纤光栅传感器38、光纤光栅解调仪39和计算机40，第一水下摄像机41、第二水下摄像机42布置于试验水池1内壁，用于记录隔水管模型37的运动形态，编码器集成于滑轨伺服电机中，用于校正和记录滑块运动，三分力仪34安装在圆孔方杆33和万向节组35之间，用于采集隔水管模型37顶部受力情况，光纤光栅传感器38布置于隔水管模型37内壁，采集隔水管模型37整体受力情况并通过光纤光栅解调仪39进行数据解调，所有上述装置均通过数据线与计算机40连接，实现数据的采集和处理。
上述深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验方法，具体步骤如下：
第一步：将第一水下摄像机41、第二水下摄像机42安装到位，同时连接到计算机40；
第二步：按照试验要求在试验水池1上方安装十字支架5和钢索6并进行灌水，将水位保持在需求高度后，开启水泵4，实现试验水池1内的水流循环；
第三步：将安装好光纤光栅传感器38的隔水管模型37与夹具36连接，同时预留光纤光栅传感器38数据线；
第四步：根据实验要求选择悬挂方式，选择软悬挂时将弹簧30套在圆孔方杆33外，松开锁紧块32，释放万向节组35，选择硬悬挂时紧固锁紧块32并固定万向节组35，完成钻井平台悬挂隔水管模拟装置安装，并预留三分力仪34数据线；
第五步：分别对每个直线滑台进行组装调试，然后按照位置要求进行直线滑台组合装配，形成三自由度运动滑台14，并预留滑台伺服电机连接线；
第六步：按照位置要求，用限位销12固定半圆滑板11初始位置，并预留滑轨伺服电机连接线；
第七步：将隔水管模型37、三自由度运动滑台14和圆形滑轨7从下到上依次连接，然后通过吊机将整个装置吊挂在钢索6上；
第八步：将光纤光栅传感器38数据线通过光纤光栅解调仪39与计算机40连接，其他数据线和连接线直接与计算机40连接，开始试验并进行数据获取和处理。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统，包括海洋环境模拟子系统、钻井平台运动模拟子系统、钻井平台悬挂隔水管模拟子系统和数据采集装置，其特征在于：
所述海洋环境模拟子系统包括试验水池(1)、进流管(2)、出流管(3)、水泵(4)、十字支架(5)和钢索(6)，十字支架(5)固定于试验水池(1)正上方，钢索(6)悬吊于十字支架(5)下方，进流管(2)通过水泵(4)与出流管(3)相连，实现试验水池(1)内的水流循环；
所述钻井平台运动模拟子系统包括圆形滑轨(7)和三自由度运动滑台(14)两部分，其中圆形滑轨(7)包括滑轨轨道(8)、支架连接板(9)、第一滑轨伺服电机(10)、半圆滑板(11)、限位销(12)和第二滑轨伺服电机(13)，十字支架(5)与钢索(6)通过支架连接板(9)连接，第一滑轨伺服电机(10)和第二滑轨伺服电机(13)固定于半圆滑板(11)两端，半圆滑板(11)可通过第一滑轨伺服电机(10)、第二滑轨伺服电机(13)驱动在圆形滑轨(7)上运动，与水流方向最大可呈360度角，半圆滑板(11)的位置由其上等间距的限位孔(28)和限位销(12)固定，实现避台过程中钻井平台撤离航向的全方位模拟；三自由度运动滑台(14)包括第一滑台(18)、第二滑台(22)、第三滑台(24)及与之分别对应的滑台伺服电机、丝杠、滑块和滑台连接板；
所述钻井平台悬挂隔水管模拟子系统包括螺栓(29)、弹簧(30)、L型钢板(31)、锁紧块(32)、圆孔方杆(33)、万向节组(35)、夹具(36)和隔水管模型(37)，螺栓(29)安装在带有内螺纹的圆孔方杆(33)上端，弹簧(30)套在圆孔方杆(33)外，安装于螺栓(29)和L型钢板(31)之间，通过弹簧(30)缓冲作用减轻钻井平台升沉运动对隔水管模型的影响，实现钻井平台软悬挂隔水管的模拟；锁紧块(32)安装在L型钢板(31)下表面，可以根据试验需要进行紧固锁紧块并固定万向节组(35)，使弹簧(30)失去作用，实现钻井平台硬悬挂隔水管的模拟，同时钻井平台软、硬悬挂隔水管模拟的切换方便快捷；万向节组(35)安装在圆孔方杆(33)下端，万向节组(35)与夹具(36)连接，夹具(36)夹持隔水管模型(37)；
所述数据采集装置包括第一水下摄像机(41)、第二水下摄像机(42)、编码器、三分力仪(34)、光纤光栅传感器(38)、光纤光栅解调仪(39)和计算机(40)，第一水下摄像机(41)、第二水下摄像机(42)布置于试验水池(1)内壁，用于记录隔水管模型(37)的运动形态，编码器集成于滑轨伺服电机中，用于校正和记录滑块运动，三分力仪(34)安装在圆孔方杆(33)和万向节组(35)之间，用于采集隔水管模型(37)顶部受力情况，光纤光栅传感器(38)布置于隔水管模型(37)内壁，采集隔水管模型(37)整体受力情况并通过光纤光栅解调仪(39)进行数据解调，所有上述装置均通过数据线与计算机(40)连接，实现数据的采集和处理。
2.根据权利要求1所述的一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统，其特征在于：所述的三自由度运动滑台(14)由三个不同方向上的第一滑台(18)、第二滑台(22)、第三滑台(24)相互配合，滑台伺服电机可精确控制丝杠的转动，滑块安装在丝杠上，将丝杠的转动转化为滑块的直线运动，控制滑块的速度和加速度，精准模拟平台横摇、纵摇、升沉运动及不同撤离航速，实现不同自由度的钻井平台运动模拟，滑台连接板实现不同滑台之间的连接。
3.一种如权利要求1和2任一项所述的一种深水钻井平台悬挂隔水管避台撤离试验系统的试验方法，其特征在于，具体步骤如下：
第一步：将第一水下摄像机(41)、第二水下摄像机(42)安装到位，同时连接到计算机(40)；
第二步：按照试验要求在试验水池(1)上方安装十字支架(5)和钢索(6)并进行灌水，将水位保持在需求高度后，开启水泵(4)，实现试验水池(1)内的水流循环；
第三步：将安装好光纤光栅传感器(38)的隔水管模型(37)与夹具(36)连接，同时预留光纤光栅传感器(38)数据线；
第四步：根据实验要求选择悬挂方式，选择软悬挂时将弹簧(30)套在圆孔方杆(33)外，松开锁紧块(32)，释放万向节组(35)，选择硬悬挂时紧固锁紧块(32)并固定万向节组(35)，完成钻井平台悬挂隔水管模拟装置安装，并预留三分力仪(34)数据线；
第五步：分别对每个直线滑台进行组装调试，然后按照位置要求进行直线滑台组合装配，形成三自由度运动滑台(14)，并预留滑台伺服电机连接线；
第六步：按照位置要求，用限位销(12)固定半圆滑板(11)初始位置，并预留滑轨伺服电机连接线；
第七步：将隔水管模型(37)、三自由度运动滑台(14)和圆形滑轨(7)从下到上依次连接，然后通过吊机将整个装置吊挂在钢索(6)上；
第八步：将光纤光栅传感器(38)数据线通过光纤光栅解调仪(39)与计算机(40)连接，其他数据线和连接线直接与计算机(40)连接，开始试验并进行数据获取和处理。
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