CN112763247B - 深水水下井口模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深水水下井口模拟试验装置，包括：主体结构、用于向所述主体结构内部施加液压力的液压加载单元；所述主体结构包括：承压主缸筒、多管模拟组件；其中，所述多管模拟组件和所述承压主缸筒之间形成有容纳多层模拟土体的容纳空间；所述多管模拟组件包括从外向内逐层套设的多个管体；从外向内逐个所述管体的下端深度依次增大以对应不同层段深度；每个所述管体的下端均通过隔环与其他所述管体相焊接固定；相邻两个所述管体之间形成有环空；多个所述管体的顶部通过阶梯式端盖相固定连接；不同层段深度的隔环上还设有压力连通部件；所述压力连通部件能够可操控地打开以将位于所述隔环上方以及下方的环空相连通。

Description

深水水下井口模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种管柱力学行为模拟试验装置，特别是一种应用于海洋深水钻井领域的水下井口模拟试验装置及试验方法。

背景技术

随着深水油气开发技术的日益成熟，海洋钻井逐渐向深水迈进。水下井口是完成钻井作业的基础，其性能好坏将直接影响随后实施的各井段的钻井作业。由于深水钻井作业受到水面风浪、洋流等影响，在井口安装防喷器和隔水管以后，将对井口产生很大的作用力，水下井口除受到轴向作用力以外，由导管及各层表层套管组成的水下井口属于多层管系统，深水或海洋环境比较恶劣，海底浅层土强度较低，而且隔水管线比较长，防喷器组比较重，都会给使水下井口面临严峻的挑战，可以说水下井口的稳定与否直接关系到整个海洋钻井过程的推进，因此，水下井口的稳定性问题成为深水钻井中重点关注的问题之一。

长期以来,水下井口受西方发达国家的技术垄断和高技术、高风险及高价位等多方面因素的影响,包括我国在内的许多发展中国家只能依赖于进口以实施海洋油气田的开发建设。这不仅增加了海洋油气资源的开采成本,而且严重影响了我国海洋油气资源的开发进度。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的是提供一种深水水下井口模拟试验装置，以能够直接对多层模拟土体进行模拟试验，进而更为真实地模拟对水下井口的力学行为进行模拟，从而为深水钻井的安全可靠性提供依据。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深水水下井口模拟试验装置，包括：主体结构、用于向所述主体结构内部施加液压力的液压加载单元；

所述主体结构包括：承压主缸筒、多管模拟组件；其中，所述多管模拟组件和所述承压主缸筒之间形成有容纳多层模拟土体的容纳空间；

所述多管模拟组件包括从外向内逐层套设的多个管体；从外向内逐个所述管体的下端深度依次增大以对应不同层段深度；每个所述管体的下端均通过隔环与其他所述管体相焊接固定；相邻两个所述管体之间形成有环空；多个所述管体的顶部通过阶梯式端盖相固定连接；不同层段深度的隔环上还设有压力连通部件；所述压力连通部件能够可操控地打开以将位于所述隔环上方以及下方的环空相连通。

作为一种优选的实施方式，所述压力连通部件包括第一压力连接管和第二压力连接管；所述第一压力连接管所在的隔环深度大于所述第二压力连接管所在隔环的深度；所述第一压力连接管用于将位于其上方以及下方的环空相连通；

所述第二压力连接管为还具有旁通管的三通连接管；所述旁通管通入相邻内侧的位于所在隔环下方的环空；所述第二压力连接管用于将位于其上方和下方的环空、以及所述旁通管所连通的环空相连通。

作为一种优选的实施方式，所述压力连通部件被配置为可在预定压力下打开。

作为一种优选的实施方式，所述液压加载单元包括设置在承压主缸筒上的第一打压阀、以及与所述第一打压阀相连通的注压管路；所述注压管路连通所述阶梯式端盖侧边与所述容纳空间相通的端口。

作为一种优选的实施方式，所述承压主缸筒上还设有通入其内部的第二打压阀。

作为一种优选的实施方式，所述液压加载单元还包括设置在承压主缸筒上的第三打压阀、以及与所述第三打压阀相连通的多个液压管路；所述阶梯式端盖上设有与不同环空一一对应连通的多个管接头；多个所述注压管路与多个所述管接头一一对应连通。

作为一种优选的实施方式，所述多管模拟组件安装在模拟试件底座上；所述模拟试件底座安装在下主缸筒端盖内；所述承压主缸筒竖直安装在主缸筒支撑底座上，所述主缸筒支撑底座安装在导轨上，承压主缸筒的下端通过底部支撑活塞支撑。

作为一种优选的实施方式，还设有将所述承压主缸筒以及所述下主缸筒端盖固定连接的下端部卡箍；所述承压主缸筒上还设有放气阀。

作为一种优选的实施方式，每个所述管体在其外表面及其相邻近的隔环下方设置有应变传感器；所述应变传感器连接有测试引线；各个应变传感器的测试引线穿过设置在阶梯式端盖上的下引线密封塞。

作为一种优选的实施方式，所述承压主缸筒与上主缸筒端盖通过上端部卡箍相固定连接；所述上主缸筒端盖还设有端部活塞；所述端部活塞的中心设有上引线密封活塞；多个所述测试引线密封穿过所述上引线密封活塞与数据采集处理单元相连接。

有益效果：

本发明所提供的深水水下井口模拟试验装置具有主体结构、用于向所述主体结构内部施加液压力的液压加载单元、以及用于采集试件变形信息的数据采集处理单元，通过在主体结构上容纳多层模拟土体，实现在不同土体下不同套管的受力作用真实模拟，结合压力连通部件的可操作性开关，也可以测试在同一层段处，不同模拟土体对模拟不同套管的多管模拟组件的总体受力作用情况。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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是本发明一个实施例提供的深水水下井口模拟试验装置示意图；

图2是图1的多管模拟组件结构示意图；

图3是图1的部分示意图；

图4是图1的部分示意图；

图5是图1的部分示意图；

图6是图2的部分示意图；

图7是图2的部分示意图。

附图说明：1、承载地基；2、底部支撑总成；3、垫块；4、下端部卡箍；5、导轨；6、主缸筒支撑底座；7、下主缸筒端盖；8、模拟试件底座；9、应变传感器；10、多管模拟组件；11、多层模拟土体；12、测试引线；13、液压管路；14、液压加载单元；15、打压阀；15a、第一打压阀；15b、第二打压阀；16、放气阀；17、上端部卡箍；18、上主缸筒端盖；19、上引线密封塞；20、数据采集器；21、端部活塞；22、承压主缸筒；23、阶梯式端盖；24、第一管接头；25、下引线密封塞；26、第二管接头；27、隔环；28、注压管路；29、压力连通部件；291、旁通管。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图7，本发明一个实施例提供一种深水水下井口模拟试验装置，包括：主体结构、用于向所述主体结构内部施加液压力的液压加载单元14。该深水水下井口模拟试验装置还具有用于采集试件变形信息的数据采集处理单元。

其中，所述主体结构包括：承压主缸筒22、多管模拟组件10。其中，所述多管模拟组件和所述承压主缸筒22之间形成有容纳多层模拟土体11的容纳空间。通过设置该容纳多层模拟土体的容纳空间，可以实现深水水下的真实土体环境模拟。本实施例模拟深水水下井口泥线以下不同土体的作用，多管模拟组件10的(阶梯式)端盖23以下全部埋在土体中，位于承载地基1上。

所述多管模拟组件包括从外向内逐层套设的多个管体。多个管体相互套设形成阶梯式的上端，以及阶梯式的下端。应变传感器9粘贴在各层管体的外壁，并通过测试引线12引出承压主缸筒22后与数据采集处理单元的数据采集器20连接。

具体的，从外向内逐个所述管体的下端深度依次增大以对应不同层段深度。每个所述管体的下端均通过隔环27与其他所述管体相焊接固定。相邻两个所述管体之间形成有环空。多个所述管体的顶部通过阶梯式端盖23相固定连接。不同层段深度的隔环27上还设有压力连通部件29。所述压力连通部件29能够可操控地打开以将位于所述隔环27上方以及下方的环空相连通。

通过控制打压的压力大小，进而可以控制压力连通部件29的打开和关闭，进而实现不同套管的受力作用，或者模拟土体的总体受力作用。对于测量多个模拟土体，利用压力连通部件29将各个环空相连通，通过单次试验可以为不同土体施加相同打压压力。

在本实施例中，所述压力连通部件29包括第一压力连接管和第二压力连接管。所述第一压力连接管所在的隔环27深度大于所述第二压力连接管所在隔环27的深度。所述第一压力连接管用于将位于其上方以及下方的环空相连通。所述压力连通部件29被配置为可在预定压力下打开。

进一步地，所述第二压力连接管为还具有旁通管291的三通连接管。所述旁通管通入相邻内侧的位于所在隔环27下方的环空。所述第二压力连接管用于将位于其上方和下方的环空、以及所述旁通管291所连通的环空相连通。

在本实施中，所述液压加载单元14包括设置在承压主缸筒22上的第一打压阀15a、以及与所述第一打压阀15a相连通的注压管路28。所述注压管路28连通所述阶梯式端盖23侧边与所述容纳空间相通的端口。通过打压阀15及注压管路28向阶梯式端盖23注入压力，测试该端口处的横向力及变形程度，以此平衡打压压力，测试不同模拟土体。所述承压主缸筒22上还设有通入其内部的第二打压阀15b。第一打压阀15a和第二打压阀15b提供相应的打压端口。

在本实施例中，所述液压加载单元14还包括设置在承压主缸筒22上的第三打压阀、以及与所述第三打压阀相连通的多个液压管路13。所述阶梯式端盖23上设有与不同环空一一对应连通的多个第一管接头。多个所述液压管路13与多个所述第一管接头24一一对应连通。

在本实施例中，所述多管模拟组件10安装在模拟试件底座8上。所述模拟试件底座8安装在下主缸筒端盖7内；所述承压主缸筒22竖直安装在主缸筒支撑底座6上，所述主缸筒支撑底座6安装在导轨5上，承压主缸筒22的下端通过底部支撑活塞支撑。

在本实施例中，该深水水下井口模拟试验装置还设有将所述承压主缸筒22以及所述下主缸筒端盖7固定连接的下端部卡箍4。所述承压主缸筒22上还设有放气阀16。

在本实施例中，每个所述管体在其外表面及其相邻近的隔环27下方设置有应变传感器9。所述应变传感器9连接有测试引线12。各个应变传感器9的测试引线12穿过设置在阶梯式端盖23上的下引线密封塞25。

在本实施例中，所述承压主缸筒22与上主缸筒端盖18通过上端部卡箍17相固定连接；所述上主缸筒端盖18还设有端部活塞21。所述端部活塞21的中心设有上引线密封活塞；多个所述测试引线12密封穿过所述上引线密封活塞与所述数据采集处理单元相连接。

在组装该深水水下井口模拟试验装置时，可以将应变传感器9安装在各多管模拟组件10的各个管体的外表面，并连接测试引线12。再将阶梯式端盖23焊接在各个多管模拟组件10的管体一端(上端)，并在阶梯式端盖上安装第一管接头24以及下引线密封塞25，将已连接好的测试引线12全部穿过下引线密封塞25。在各个管体的另一端焊接隔环27，并在不同井深结构隔环上安装第二管接头26和压力连通部件29，组装成多管模拟组件10；

通过第一管接头24向多管模拟组件10内灌入液体，并将第一管接头24与液压管路13，打压阀15(第二打压阀15b)以及液压加载单元14相连接。通过打压阀15及注压管路28向阶梯式端盖23注入压力，测试该端口处的横向力及变形程度。将多管模拟组件10安装在模拟试件底座8上，然后将多管模拟组件10连同模拟试件底座8一起放入承压主缸筒22，并与下主缸筒端盖7连接。

再用下端部卡箍4将承压主缸筒22以及下主缸筒端盖7固定连接，将所有穿过下引线密封塞25的测试引线12全部穿过上引线密封塞19后与数据采集器20相连。向承压主缸筒22内部加入多层模拟土体11，然后将上引线密封塞19安装在端部活塞21上，并用上端部卡箍17将承压主缸筒22与上主缸筒端盖18连接固定。

将承压主缸筒22通过主缸筒支撑底座6旋转至竖直状态，将垫块3安装在底部支撑总成2上，向底部支撑总成2内加压，使底部支撑总成支撑承压主缸筒22。打开放气阀16，通过打压阀15向承压主缸筒22内部泵入液体，当液体充满承压主缸筒22后，关闭放气阀16并通过液压加载单元14分别向多管模拟组件10以及承压主缸筒22内部加压，开始测试在不同压力下及不同模拟土体样本对模拟管柱的受力情况。

在多层模拟土体11的情况下，打开打压阀15a、15b及压力连通部件29向多管模拟组件注压，测试在不同样本条件下，该多管模拟组件10不同套管(管体)的受力作用；另外也可通过关闭压力连通部件，测试在同一层段处，不同样本模拟土体对该模拟套管试件总成的总体受力作用现象。

本实施例中的深水水下井口模拟试验装置中的液压加载与控制系统向承压主缸筒内部及各层管模拟井深结构试件之间及阶梯式端盖施加液压力，试件的变形被应变传感器捕捉并保存在数据采集器上，最后通过对数据采集器上的数据进行处理即可获得模拟试件的受力变形状况。本实施例所提供的深水水下井口模拟试验装置可以对水下井口的力学行为进行模拟，从而为深水钻井的安全可靠性提供依据。

本文引用的任何数值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (9)

1.一种深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，包括：主体结构、用于向所述主体结构内部施加液压力的液压加载单元；

所述主体结构包括：承压主缸筒、多管模拟组件；其中，所述多管模拟组件和所述承压主缸筒之间形成有容纳多层模拟土体的容纳空间；

所述多管模拟组件包括从外向内逐层套设的多个管体；从外向内逐个所述管体的下端深度依次增大以对应不同层段深度；每个所述管体的下端均通过隔环与其他所述管体相焊接固定；相邻两个所述管体之间形成有环空；多个所述管体的顶部通过阶梯式端盖相固定连接；不同层段深度的隔环上还设有压力连通部件；所述压力连通部件能够可操控地打开以将位于所述隔环上方以及下方的环空相连通；

所述压力连通部件包括第一压力连接管和第二压力连接管；所述第一压力连接管所在的隔环深度大于所述第二压力连接管所在隔环的深度；所述第一压力连接管用于将位于其上方以及下方的环空相连通；

所述第二压力连接管为还具有旁通管的三通连接管；所述旁通管通入相邻内侧的位于所在隔环下方的环空；所述第二压力连接管用于将位于其上方和下方的环空、以及所述旁通管所连通的环空相连通。

2.如权利要求1所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，所述压力连通部件被配置为可在预定压力下打开。

3.如权利要求2所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，所述液压加载单元包括设置在承压主缸筒上的第一打压阀、以及与所述第一打压阀相连通的注压管路；所述注压管路连通所述阶梯式端盖侧边与所述容纳空间相通的端口。

4.如权利要求3所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，所述承压主缸筒上还设有通入其内部的第二打压阀。

5.如权利要求3所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，还包括设置在承压主缸筒上的第三打压阀、以及与所述第三打压阀相连通的多个液压管路；所述阶梯式端盖上设有与不同环空一一对应连通的多个管接头；多个所述注压管路与多个所述管接头一一对应连通。

6.如权利要求2所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，所述多管模拟组件安装在模拟试件底座上；所述模拟试件底座安装在下主缸筒端盖内；所述承压主缸筒竖直安装在主缸筒支撑底座上，所述主缸筒支撑底座安装在导轨上，承压主缸筒的下端通过底部支撑活塞支撑。

7.如权利要求6所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，还设有将所述承压主缸筒以及所述下主缸筒端盖固定连接的下端部卡箍；所述承压主缸筒上还设有放气阀。

8.如权利要求7所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，每个所述管体在其外表面及其相邻近的隔环下方设置有应变传感器；所述应变传感器连接有测试引线；各个应变传感器的测试引线穿过设置在阶梯式端盖上的下引线密封塞。

9.如权利要求8所述的深水水下井口模拟试验装置，其特征在于，所述承压主缸筒与上主缸筒端盖通过上端部卡箍相固定连接；所述上主缸筒端盖还设有端部活塞；所述端部活塞的中心设有上引线密封活塞；多个所述测试引线密封穿过所述上引线密封活塞与数据采集处理单元相连接。

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