CN112857998A - 一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置，包括：主体结构；所述主体结构包括：承压主缸筒、容纳在所述承压主缸筒内的模拟试验管柱；所述模拟试验管柱的两端分别固定连接加载连接杆、轴向加载环；所述轴向加载环的两侧分别具有第一进压腔和第二进压腔；主缸筒端盖上具有通入所述第一进压腔的轴向加载管接头；所述加载连接杆的外端上设有连接杆管接头；所述加载连接杆上开设有与所述连接杆管接头连通的连接杆管路；所述加载连接杆的管壁上开设有直接通入所述第二进压腔并与所述连接杆管路相通的压力输出口；载荷施加控制系统；所述载荷施加控制系统用于向所述主体结构的第一进压腔和第二进压腔施加载荷；数据采集处理系统。

Description

一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置

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隔水管力学行为模拟试验装置。

背景技术

鉴于石油资源特别是陆上资源的日渐枯竭，深水无疑将是未来全球石油战略接替的重点之一。随着海洋钻井技术的不断提高，海洋石油勘探开发己从常规水深(小于500m)向深水(500m-1500m)和超深水(大于1500m)发展，深水油气田的开发正在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的前沿。国外的深水钻井技术发展速度很快，深水钻完井装备的设计能力与配套水平较高，钻井水深记录不断被刷新，相比较而言，我国深水石油勘探开发技术与国外技术的差距很大，己经成为制约我国深水油气开发的瓶颈之一。钻井隔水管是深水钻井过程中的关键设备，是海底井口与钻井船之间最脆弱、最重要的连接，随着海洋钻井向深水和超深水发展，钻井隔水管结构更加复杂，服役环境更为恶劣，除受到轴向拉压、内压、外挤等作业载荷外，还会受到横向的海流力、波浪力与平台偏移等一系列复杂的环境荷载，会产生磨损、断裂、挤毁等不同形式的失效。为确保隔水管安全作业，除了对隔水管进行理论的分析以外，考虑到隔水管在加工制造方面的误差及缺陷，用模拟试验方法得到其在外载作用下的应力应变规律，进而对隔水管力学行为进行分析、校核管柱的强度是否满足工作条件，是确保海洋钻采作业安全快速进行的有效措施。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种可模拟深水条件下，对深水钻井隔水管在承受内外压、轴向力及横向力作用下的力学行为进行模拟的试验装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置，包括：

主体结构；所述主体结构包括：承压主缸筒、容纳在所述承压主缸筒内的模拟试验管柱；所述模拟试验管柱的两端分别固定连接加载连接杆；所述承压主缸筒的两端分别固定有主缸筒端盖；所述主缸筒端盖内还设有固定套设在所述加载连接杆外的轴向加载环；所述轴向加载环的两侧分别具有第一进压腔和第二进压腔；所述主缸筒端盖上具有通入所述第一进压腔的轴向加载管接头；所述加载连接杆位于所述主缸筒端盖外的外端上设有连接杆管接头；所述加载连接杆上开设有与所述连接杆管接头连通的连接杆管路；所述加载连接杆的管壁上开设有直接通入所述第二进压腔并与所述连接杆管路相通的压力输出口；

与所述连接杆管接头和所述轴向加载管接头相连接的载荷施加控制系统；所述载荷施加控制系统用于向所述主体结构的第一进压腔和第二进压腔施加载荷；

用于测量所述模拟试验管柱变形数据的数据采集处理系统。

作为一种优选的实施方式，所述加载连接杆可沿轴向移动地套设在所述主缸筒端盖内；所述承压主缸筒内还固定有套设在所述加载连接杆外的端部支撑环；所述轴向加载环和所述主缸筒端盖的端部之间形成所述第一进压腔；所述轴向加载环和所述端部支撑环之间形成所述第二进压腔；所述压力输出口位于所述轴向加载环和所述端部支撑环之间。

作为一种优选的实施方式，所述连接杆管路包括沿轴向延伸的水平管路和沿径向延伸的径向管路；所述水平管路的一端连通所述连接杆管接头，所述径向管路的一端形成所述压力输出口。

作为一种优选的实施方式，所述压力输出口设有单向阀。

作为一种优选的实施方式，所述加载连接杆具有一安装槽；所述安装槽中固定容纳一填充块形成所述连接杆管路。

作为一种优选的实施方式，所述填充块焊接在所述安装槽中。

作为一种优选的实施方式，所述加载连接杆的外壁与所述端部支撑环、轴向加载环、主缸筒端盖之间设有密封圈。

作为一种优选的实施方式，所述主缸筒端盖和所述端部支撑环之间设有密封圈。

作为一种优选的实施方式，所述加载连接杆的外壁上还固定有位于所述轴向加载环和所述加载连接杆之间的加长杆卡块。

作为一种优选的实施方式，位于所述承压主缸筒一端的加载连接杆上还设有将其贯通的液压加载通道，该液压加载通道通入所述模拟试验管柱的内部；位于所述承压主缸筒另一端的加载连接杆上还设有线路通道；所述数据采集处理系统的测试引线经所述线路通道通入所述承压主缸筒内并连接贴付在所述模拟试验管柱外壁上的应变式传感器。

有益效果：

本发明一个实施例中的深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置通过直接在加载连接杆上开设通入第二进压腔的连接杆管路，而无需在承载主缸筒内设置额外的连接弯管，进而可以避免连接弯管承受承载主缸筒内的压力，导致结构疲劳过快，或者承载其他压力，降低在测试过程中对于模拟试验管柱的轴向力的测试影响，提升试验结果的可靠性。

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是深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置示意图；

图2是图1的模拟试验管柱总成示意图；

其中，1、承压主缸筒；2、模拟试验管柱；3、端部卡箍；4、端部卡块；5、承载骨架主体；6、液压伺服加载缸；7、轴向定位块；8、主缸筒端盖；9、轴向加载管接头；10、连接杆管接头；11、加长杆卡块；12、密封圈；13、轴向加载环；14、密封圈；15、密封圈；16、密封圈；17、端部支撑环；18、外压加载孔；19、连接杆管路；20、加载连接杆；21、试件连接头；22、密封塞；23、加载控制线；24、加载控制线；25、应变式传感器；26、测试引线。

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、图2，本发明一个实施例提供一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置，包括：主体结构；载荷施加控制系统；以及数据采集处理系统。

其中，所述主体结构包括：承压主缸筒1、容纳在所述承压主缸筒1内的模拟试验管柱2；所述模拟试验管柱2的两端分别固定连接加载连接杆20；所述承压主缸筒1的两端分别固定有主缸筒端盖8；所述主缸筒端盖8内还设有固定套设在所述加载连接杆20外的轴向加载环13；所述轴向加载环13的两侧分别具有第一进压腔和第二进压腔。第一进压腔位于第二进压腔的外侧。所述主缸筒端盖8上具有通入所述第一进压腔的轴向加载管接头9；所述加载连接杆20位于所述主缸筒端盖8外的外端上设有连接杆管接头10；所述加载连接杆20上开设有与所述连接杆管接头10连通的连接杆管路19；所述加载连接杆20的管壁上开设有直接通入所述第二进压腔并与所述连接杆管路19相通的压力输出口。

所述载荷施加控制系统与所述连接杆管接头10和所述轴向加载管接头9相连接。所述载荷施加控制系统用于向所述主体结构的第一进压腔和第二进压腔施加载荷。所述数据采集处理系统用于测量所述模拟试验管柱2变形数据。第一进压腔和第二进压腔输入载荷压力，使得轴向加载环13的轴向两侧存在压差，借此轴向加载环13形成轴向移动，借此沿轴向对中间的模拟试验管柱2形成轴向挤压。通过控制第一进压腔和第二进压腔内的输入载荷压力，可以方便控制对模拟试验管柱2的轴向挤压载荷大小。

具体的，所述加载连接杆20可沿轴向移动地套设在所述主缸筒端盖8内；所述承压主缸筒1内还固定有套设在所述加载连接杆20外的端部支撑环17；所述轴向加载环13和所述主缸筒端盖8的端部之间形成所述第一进压腔；所述轴向加载环13和所述端部支撑环17之间形成所述第二进压腔；所述压力输出口位于所述轴向加载环13和所述端部支撑环17之间。

所述连接杆管路19包括沿轴向延伸的水平管路和沿径向延伸的径向管路，径向管路和水平管路相垂直。所述水平管路的一端连通所述连接杆管接头10，所述径向管路的一端形成所述压力输出口。所述加载连接杆20具有一安装槽；所述安装槽中固定容纳一填充块形成所述连接杆管路19。所述填充块焊接在所述安装槽中。

本实施例中的深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置通过直接在加载连接杆20上开设通入第二进压腔的连接杆管路19，而无需在承载主缸筒内设置额外的连接弯管，进而可以避免连接弯管承受承载主缸筒内的压力，导致结构疲劳过快，或者承载其他压力，降低在测试过程中对于模拟试验管柱2的轴向力的测试影响，提升试验结果的可靠性。

为避免载荷压力返流，所述压力输出口设有单向阀。该单向阀可以为可控式单向阀，在预定压力可以打开，避免整个试验系统的误开启。进一步地，该单向阀的止回方向可变。具体的，该单向阀可以双向可控电磁阀，该电磁阀连通一控制操控部，通过控制操控部来控制电磁阀的止回方向，进而在需要泄压时将单向阀的止回方向进行相反反转。

其中，所述模拟试验管柱2依次连接试件连接头21、加载连接杆20，两端安装加长杆卡块11后放置在端部支撑环17、轴向加载环13及主缸筒端盖8内，最后通过端部卡箍3固定承压主缸筒1与主缸筒端盖8。进一步地，所述加载连接杆20与轴向加载环13、端部支撑环17、主缸筒端盖8之间以及主缸筒端盖8与端部支撑环17、主缸筒端盖8之间均存在密封圈12、14、15、16。

具体的，所述加载连接杆20的外壁与所述端部支撑环17、轴向加载环13、主缸筒端盖8之间设有密封圈12、14、15。所述主缸筒端盖8和所述端部支撑环17之间设有密封圈16。具体的，轴向加载环13可以螺纹连接在加载连接杆20的外壁上，二者之间通过密封圈12相密封，避免第一进压腔和第二进压腔之间串通，影响轴向力的测试。所述加载连接杆20的外壁上还固定有位于所述轴向加载环13和所述加载连接杆20之间的加长杆卡块11。

在本实施例中，位于所述承压主缸筒1一端的加载连接杆20上还设有将其贯通的液压加载通道，该液压加载通道通入所述模拟试验管柱2的内部，并在另一端安装有液压加载管接头10’。位于所述承压主缸筒1另一端的加载连接杆20上还设有线路通道。在面对图1时，左侧的加载连接杆20为载荷施加加载连接杆20，右侧的加载连接杆20可以为引线引出加载连接杆20。液压加载通道、线路通道、连接杆管路19等与连接杆管接头10、液压加载管接头10’、引线密封塞22相连接，以避免压力泄漏。

所述数据采集处理系统包括应变式传感器25、测试引线26、数据采集处理器。所述数据采集处理系统的测试引线26经所述线路通道通入所述承压主缸筒1内并连接贴付在所述模拟试验管柱2外壁上的应变式传感器25。

所述载荷施加控制系统包括承载骨架、载荷施加装置、控制加载系统及其连接安装附件。其中，所述承载骨架包括端部卡块4、轴向定位块7及承载骨架主体5。载荷施加装置安装在承载骨架上一并放入承压主缸筒1内，对模拟试验管柱2施加所需的模拟载荷，并可根据实验需要安装多个载荷施加装置。

所述载荷施加控制装置内部安装压力及位移传感器，其加载控制线23、24与加载通道分别通过引线连接杆引出后与载荷施加控制系统、数据采集系统相连。所述应变式传感器安装在模拟试件上，测试引线26通过密封塞22与数据采集处理系统连接。例如，加载连接杆20的端部的引线引出端口与数据采集处理系统的伺服反馈信号线接口相连接。

下面详细描述本实施例所提供的深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置的组装以及使用过程，以便更好地理解本发明。

(1)、将模拟试验管柱2与试件连接头21连接，应变式传感器25安装在模拟试验管柱2上，并将应变式传感器25与测试引线26连接；将密封圈12与密封圈14安装在轴向加载环13上，将密封圈16安装在端部支撑环13上；

(2)、分别连接加载连接杆20与端部支撑环17上的连接杆管路19；将加长杆卡块11安装在加载连接杆20上，并将已连接好的模拟试验管柱2与试件连接头21连同加载连接杆20及端部支撑环17一起安装在8主缸筒端盖上；

(3)、将端部卡箍3安装在主缸筒端盖8与承压主缸筒1上；将端部卡块4放入承压主缸筒1内，并让端部卡块4与轴向定位块7靠紧，并将安装有伺服控制阀及加载控制线23与加载控制线24的液压伺服加载缸6安装在承载骨架主体5上后与轴向定位块7一起安装在承压主缸筒1内；

(4)、将所有测试引线26、所有加载控制线23以及加载控制线24通过引线密封塞22后引出主缸筒，加载控制线23与加载控制线24连接控制加载系统，测试引线26连接数据采集处理器；

(5)、将加载连接杆20上的连接杆管路19与端部支撑环17、轴向加载环13、加长杆卡块11连接到一起；将另一端的端部卡箍3安装在主缸筒端盖8与承压主缸筒1上，主体结构安装完成；

(6)、安装轴向加载管接头9与连接杆管接头10，并通过液压管路连接到液压加载系统；打开外压加载孔18，向承压主缸筒内泵入液体，当液体灌满承压主缸筒时，将一端外压加载孔18关闭，其中一个外压加载孔18连接到液压加载系统上，用于模拟试验管柱受到的外压；

(7)、通过连接在加载连接杆20上的连接杆管接头10向管柱内腔打压，用于模拟试验管柱受到的内压；

(8)、通过轴向加载管接头9与连接杆管接头10分别向主缸筒端盖8与轴向加载环13形成的环形空间以及轴向加载环13与端部支撑环17形成的环形空间打压，用于模拟试验管柱受到的轴向力；

(9)、向连接加载连接杆20及载荷施加装置6的液压管路打压，用于模拟试验管柱受到的横向作用力；

(10)、将在数据采集及处理器上获得的应变数据进行处理，获得模拟试验管柱2的应力应变规律，进而对其力学行为进行分析。

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 (10)

1.一种深水钻井隔水管力学行为模拟试验装置，其特征在于，包括：

主体结构；所述主体结构包括：承压主缸筒、容纳在所述承压主缸筒内的模拟试验管柱；所述模拟试验管柱的两端分别固定连接加载连接杆；所述承压主缸筒的两端分别固定有主缸筒端盖；所述主缸筒端盖内还设有固定套设在所述加载连接杆外的轴向加载环；所述轴向加载环的两侧分别具有第一进压腔和第二进压腔；所述主缸筒端盖上具有通入所述第一进压腔的轴向加载管接头；所述加载连接杆位于所述主缸筒端盖外的外端上设有连接杆管接头；所述加载连接杆上开设有与所述连接杆管接头连通的连接杆管路；所述加载连接杆的管壁上开设有直接通入所述第二进压腔并与所述连接杆管路相通的压力输出口；

与所述连接杆管接头和所述轴向加载管接头相连接的载荷施加控制系统；所述载荷施加控制系统用于向所述主体结构的第一进压腔和第二进压腔施加载荷；

用于测量所述模拟试验管柱变形数据的数据采集处理系统。

2.如权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于，所述加载连接杆可沿轴向移动地套设在所述主缸筒端盖内；所述承压主缸筒内还固定有套设在所述加载连接杆外的端部支撑环；所述轴向加载环和所述主缸筒端盖的端部之间形成所述第一进压腔；所述轴向加载环和所述端部支撑环之间形成所述第二进压腔；所述压力输出口位于所述轴向加载环和所述端部支撑环之间。

3.如权利要求2所述的模拟试验装置，其特征在于，所述连接杆管路包括沿轴向延伸的水平管路和沿径向延伸的径向管路；所述水平管路的一端连通所述连接杆管接头，所述径向管路的一端形成所述压力输出口。

4.如权利要求3所述的模拟试验装置，其特征在于，所述压力输出口设有单向阀。

5.如权利要求4所述的模拟试验装置，其特征在于，所述加载连接杆具有一安装槽；所述安装槽中固定容纳一填充块形成所述连接杆管路。

6.如权利要求5所述的模拟试验装置，其特征在于，所述填充块焊接在所述安装槽中。

7.如权利要求2所述的模拟试验装置，其特征在于，所述加载连接杆的外壁与所述端部支撑环、轴向加载环、主缸筒端盖之间设有密封圈。

8.如权利要求2所述的模拟试验装置，其特征在于，所述主缸筒端盖和所述端部支撑环之间设有密封圈。

9.如权利要求2所述的模拟试验装置，其特征在于，所述加载连接杆的外壁上还固定有位于所述轴向加载环和所述加载连接杆之间的加长杆卡块。

10.如权利要求1所述的模拟试验装置，其特征在于，位于所述承压主缸筒一端的加载连接杆上还设有将其贯通的液压加载通道，该液压加载通道通入所述模拟试验管柱的内部；位于所述承压主缸筒另一端的加载连接杆上还设有线路通道；所述数据采集处理系统的测试引线经所述线路通道通入所述承压主缸筒内并连接贴付在所述模拟试验管柱外壁上的应变式传感器。

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