CN113008684B - 一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置及方法，包括钻井平台‑海底模拟系统，包括基础台架、海水模拟系统和平台运动模拟系统；海水模拟系统设置在基础台架内，被配置为模拟海水环境；平台运动模拟系统设置在基础台架的顶部，包括运动平台和驱动机构，运动平台通过驱动机构水平设置在基础台架的顶部，驱动机构被配置为驱动运动平台模拟钻井平台的运动；隔水管系统，设置在海水模拟系统内，隔水管系统的顶端与运动平台连接，隔水管系统的底端通过挠性连接件连接于海水模拟系统的底部；数据采集系统包括设置在隔水管系统上的应变片，设置在挠性连接件上的转角测量器，以及与应变片和转角测量器连接的数据处理器。

Description

一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的实验装置及方法，属于海洋石油装备技术领域。

背景技术

海洋油气资源已成为全球能源战略目标的重要组成部分，海洋石油开发已从浅水向深水和超深水发展。但受深水区域钻采环境恶劣条件的限制，其对石油钻采装备提出了更高更苛刻的要求。我国的深水石油勘探装备的研究开发技术已经成为制约我国深水油气开发的瓶颈之一。

深水钻井隔水管系统是连接海上钻井平台与海底的最重要也是最薄弱的装备，其在海水中受到波浪、海流等环境载荷的影响，同时也受到平台漂移、平台振动等影响，所以隔水管受力情况十分复杂。目前针对隔水管的试验装置仅能对其受力做出简单的模拟，如仅考虑海浪或者仅考虑海流对隔水管的影响，不能模拟在平台运动激励下(偏移和升沉)隔水管的力学特性。所以尚未有一种试验装置能够完全模拟在平台运动激励下隔水管的力学特性和行为。

为此，研究出新的试验装置，更真实地对隔水管在钻井工况下受到平台运动激励时的力学特性进行试验和分析，以期作为深水环境条件下隔水管强度设计的依据，解决隔水管稳定、安全问题，尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明其中一个目的是提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置，利用该装置能够良好地模拟隔水管在平台-隔水管耦合系统下的各种受力状态，有效验证隔水管在多自由度激励下的稳定性，并能够为平台-隔水管系统下隔水管力学特性的研究提供手段，本发明的另外一个目的是提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置，包括钻井平台-海底模拟系统、隔水管系统和数据采集系统；

所述钻井平台-海底模拟系统包括基础台架、海水模拟系统和平台运动模拟系统；所述海水模拟系统设置在所述基础台架内，被配置为模拟海水环境；所述平台运动模拟系统设置在所述基础台架的顶部，包括运动平台和驱动机构，所述运动平台通过所述驱动机构水平设置在所述基础台架的顶部，所述驱动机构被配置为驱动所述运动平台模拟钻井平台的运动；

所述隔水管系统设置在所述海水模拟系统内，所述隔水管系统的顶端与所述运动平台连接，所述隔水管系统的底端通过挠性连接件连接于所述海水模拟系统的底部；

所述数据采集系统包括应变片、转角测量器和数据处理器；在所述隔水管系统的内表面和外表面均设置应变片，所述转角测量器设置在挠性连接件上，所述应变片和转角测量器均通过数据传输线与所述数据处理器相连接。

在一些实施例中，所述驱动机构为六自由度驱动机构，设置在所述基础台架的顶部，被配置为驱动所述运动平台在六自由度方向上分别运动，所述六自由度方向包括笛卡尔坐标系内的三个平移运动以及绕三个坐标轴的旋转运动。

在一些实施例中，所述驱动机构包括三组驱动件组，每组所述驱动件组包括两第一驱动件，所述第一驱动件具有固定部以及能够相对于所述固定部运动的驱动部，所述第一驱动件的固定部通过连接件连接于所述基础台架的顶部，所述第一驱动件的驱动部通过连接件连接于所述运动平台的底面上，所述连接件具有至少两个转动自由度。

在一些实施例中，所述驱动机构还包括运动控制器，所述运动控制器采用多轴运动控制器，并与六个所述第一驱动件连接，被配置为控制六个所述第一驱动件的运动，以驱动所述运动平台在六个自由度方向分别运动。

在一些实施例中，所述第一驱动件采用电动缸，电动缸受伺服电机驱动，运动控制器通过伺服驱动器与伺服电机连接，并被配置为通过调频调压以及调整相位的方式对六个电动缸的运动进行控制。

在一些实施例中，所述隔水管系统包括隔水管试件、伸缩节和张紧器系统，所述隔水管试件安装在所述海水模拟系统内，所述隔水管试件的顶端通过挠性连接件连接所述伸缩节，所述隔水管试件的底端通过挠性连接件连接在所述海水模拟系统的底部；所述伸缩节通过所述张紧器系统连接所述运动平台。

在一些实施例中，所述张紧器系统包括张紧环和第二驱动件，所述第二驱动件具有固定部以及能够相对于固定部运动的驱动部；所述张紧环固定在所述伸缩节上，两所述第二驱动件分布在所述张紧环的两侧，所述第二驱动件的驱动部连接所述张紧环，所述第二驱动件的固定部铰接于所述运动平台。

在一些实施例中，所述海水模拟系统包括水缸和底板，所述底板设置在浇筑的水平地面上，所述水缸竖直设置在所述底板上，且所述水缸和底板之间通过密封接头连接，所述水缸内放置海水。

在一些实施例中，所述基础台架包括井架、扶梯和操作台，所述井架固定于浇筑的水平地面上，所述扶梯倾斜设置在所述井架的一侧，所述扶梯的上端固定于所述井架的顶部，所述扶梯的下端固定于浇筑水平面上，所述操作台设置在所述井架的顶部，所述操作台的中心形成有操作孔，所述海水模拟系统设置在所述井架内，所述平台运动模拟系统设置在所述操作台的顶部。

本发明还提供一种基于上述任意实施例中的装置的模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的方法，包括以下步骤：

1)设置好模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置；

2)通过驱动机构驱动运动平台作设置幅值、预定周期的升沉运动；

3)通过应变片测量隔水管系统上的应力，转角测量器测量隔水管系统底端的转角，从而得到隔水管系统在平台作预定幅值、预定周期的升沉运动下的力学特性；

4)通过驱动机构改变运动平台的运动姿态、运动幅值和运动周期，使得运动平台分别作横摇运动、纵摇运动、横荡运动、纵荡运动和艏摇运动，完成在运动平台的不同运动激励下隔水管的力学特性研究。

本发明采用以上技术方案，其具有如下优点：1、本发明提供的模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置，包括钻井平台-海底模拟系统、隔水管系统和数据采集系统，钻井平台-海底模拟系统包括基础台架、海水模拟系统和平台运动模拟系统，平台运动模拟系统包括运动平台和驱动机构，隔水管系统设置在海水模拟系统内，隔水管系统与运动平台连接，驱动机构驱动运动平台在基础台架顶部模拟钻井平台的运动，从而实现模拟不同平台运动对隔水管的激励作用，通过数据采集系统获取模拟试验试验过程中隔水管系统的实时数据，进而获得隔水管系统在不同平台运动激励作用下的力学特性，继而有效验证隔水管在多自由度激励下的稳定性，并能够为平台-隔水管系统下隔水管力学特性的研究提供手段。

2、本发明的隔水管系统包括隔水管试件、伸缩节和张紧器系统，隔水管试件的顶端通过挠性连接件连接伸缩节，隔水管试件的底端通过挠性连接件连接在海水模拟系统的底部；伸缩节通过张紧器系统连接运动平台；真实模拟隔水管的连接方式，为模拟隔水管在不同平台运动激励下的力学特性研究提供结构支持。

附图说明

图1是本公开一实施例提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置的示意图；

图2是本公开一实施例提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置中平台运动模拟系统的示意图；以及

图3是本公开一实施例提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置中张紧器系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本公开一实施例提供一种模拟在平台运动激励下深水隔水管力学特性的装置，包括钻井平台-海底模拟系统1、隔水管系统2和数据采集系统3；

钻井平台-海底模拟系统1包括基础台架11、海水模拟系统12和平台运动模拟系统13；海水模拟系统12设置在基础台架11内，被配置为模拟海水环境；平台运动模拟系统13设置在基础台架11的顶部，包括运动平台131和驱动机构132，运动平台131通过驱动机构132水平设置在基础台架11的顶部，驱动机构132被配置为驱动运动平台131模拟钻井平台的运动；

隔水管系统2设置在海水模拟系统12内，隔水管系统2的顶端与运动平台131连接，隔水管系统2的底端通过挠性连接件连接于海水模拟系统12的底部；

数据采集系统3包括应变片31、转角测量器32和数据处理器33；在隔水管系统2的内表面和外表面均设置应变片31，转角测量器32设置在挠性连接件上，应变片31和转角测量器32均通过数据传输线与数据处理器33相连接。

在一些示例中，驱动机构132为六自由度驱动机构，设置在基础台架11的顶部，被配置为驱动运动平台131在六自由度方向上分别运动，六自由度方向包括笛卡尔坐标系内的三个平移运动以及绕三个坐标轴的旋转运动。

在一些示例中，驱动机构132包括三组驱动件组1321，每组驱动件组1321包括两第一驱动件，第一驱动件具有固定部以及能够相对于固定部运动的驱动部，第一驱动件的固定部通过连接件连接于基础台架11的顶部，第一驱动件的驱动部通过连接件连接于运动平台131的底面上，连接件具有至少两个转动自由度，例如连接件可采用虎克铰。借助三组第一驱动件的驱动部的伸缩运动，完成运动平台131在空间六个自由度的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

在一些示例中，驱动机构132还包括运动控制器(图中未示出)，运动控制器采用多轴运动控制器，并与六个第一驱动件连接，被配置为控制六个第一驱动件的运动，以实现运动平台131在六个自由度方向分别运动。

在一些示例中，第一驱动件可采用电动缸，电动缸受伺服电机驱动，运动控制器通过伺服驱动器与伺服电机连接，并被配置为通过调频调压以及调整相位的方式对六个电动缸的运动进行控制，从而实现对平台真实运动情况的模拟；需要理解的是，驱动件也可采用其他驱动机构，例如气缸、液压缸等。

在一些示例中，隔水管系统2包括隔水管试件21、伸缩节22和张紧器系统23，隔水管试件21安装在海水模拟系统12内，隔水管试件21的顶端通过挠性连接件连接伸缩节22，隔水管试件21的底端通过挠性连接件连接在海水模拟系统12的底部；伸缩节22通过张紧器系统23连接运动平台131。

在一些示例中，如图1、图3所示，张紧器系统23包括张紧环231和第二驱动件232，第二驱动件232具有固定部以及能够相对于固定部运动的驱动部；张紧环231固定在伸缩节22上，两第二驱动件232分布在张紧环231的两侧，第二驱动件232的驱动部连接张紧环231，第二驱动件232的固定部铰接于运动平台131。需要说明的是，第二驱动件可为电动缸、气缸或液压缸等驱动件，其中，活塞杆端为驱动部，缸体部分为固定部。

在一些示例中，海水模拟系统12包括水缸121和底板122，底板122设置在浇筑的水平地面上，水缸121竖直设置在底板122上，且水缸121和底板122之间通过密封接头连接，水缸121内放置海水，隔水管系统2处于水缸121内能更好的模拟真实的海水浮力情况。

在一些示例中，基础台架11包括井架111、扶梯112和操作台113，井架111通过地脚螺栓固定于浇筑的水平地面上，扶梯112倾斜设置在井架111的一侧，扶梯112的上端固定于井架111的顶部，扶梯112的下端固定于浇筑水平面上，操作台113设置在井架111的顶部，操作台113的中心形成有操作孔，操作孔可设置为三角形，海水模拟系统12设置在井架111内，平台运动模拟系统13设置在操作台113的顶部。

在一些示例中，水缸121为透明度很好的亚克力玻璃水缸，外径1160mm，内径1000mm，壁厚160mm，高8m。

在一些实施例中，在第二驱动件232的驱动部上设置张紧力传感器。

在一些示例中，挠性连接件可为挠性接头，

在一些示例中，转角测量器32采用LED角度传感器，可实时监控隔水管系统2的转角，其具有超高的分辨率(最高可达15um)，适合测量微小角度偏差。

基于上述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，本发明还提供了一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的方法，其包括以下步骤：

1)设置好模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置；

2)通过驱动机构132驱动运动平台131进行预定幅值、周期的升沉运动，预定幅值可为0.1m，预定周期为12s；

3)通过应变片31测量隔水管系统2上的应力，转角测量器32测量隔水管系统2底端的转角，从而得到隔水管系统在平台作预定幅值、周期的升沉运动下的力学特性；

4)通过驱动机构132改变运动平台131的运动姿态、运动幅值和运动周期，使得运动平台131分别作横摇运动、纵摇运动、横荡运动、纵荡运动、艏摇运动，完成在运动平台131的不同运动激励下隔水管的力学特性研究。

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 (7)

1.一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：包括钻井平台-海底模拟系统、隔水管系统和数据采集系统；

所述钻井平台-海底模拟系统包括基础台架、海水模拟系统和平台运动模拟系统；所述海水模拟系统设置在所述基础台架内，被配置为模拟海水环境；所述平台运动模拟系统设置在所述基础台架的顶部，包括运动平台和驱动机构，所述运动平台通过所述驱动机构水平设置在所述基础台架的顶部，所述驱动机构被配置为驱动所述运动平台模拟钻井平台的运动；

所述隔水管系统设置在所述海水模拟系统内，所述隔水管系统的顶端与所述运动平台连接，所述隔水管系统的底端通过挠性连接件连接于所述海水模拟系统的底部；

所述数据采集系统包括应变片、转角测量器和数据处理器；在所述隔水管系统的内表面和外表面均设置应变片，所述转角测量器设置在挠性连接件上，所述应变片和转角测量器均通过数据传输线与所述数据处理器相连接；

所述隔水管系统包括隔水管试件、伸缩节和张紧器系统，所述隔水管试件安装在所述海水模拟系统内，所述隔水管试件的顶端通过挠性连接件连接所述伸缩节，所述隔水管试件的底端通过挠性连接件连接在所述海水模拟系统的底部；所述伸缩节通过所述张紧器系统连接所述运动平台；

所述张紧器系统包括张紧环和第二驱动件，所述第二驱动件具有固定部以及能够相对于固定部运动的驱动部；所述张紧环固定在所述伸缩节上，两所述第二驱动件分布在所述张紧环的两侧，所述第二驱动件的驱动部连接所述张紧环，所述第二驱动件的固定部铰接于所述运动平台；

所述海水模拟系统包括水缸和底板，所述底板设置在浇筑的水平地面上，所述水缸竖直设置在所述底板上，且所述水缸和底板之间通过密封接头连接，所述水缸内放置海水。

2.如权利要求1所述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：所述驱动机构为六自由度驱动机构，设置在所述基础台架的顶部，被配置为驱动所述运动平台在六自由度方向上分别运动，所述六自由度方向包括笛卡尔坐标系内的三个平移运动以及绕三个坐标轴的旋转运动。

3.如权利要求2所述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：所述驱动机构包括三组驱动件组，每组所述驱动件组包括两第一驱动件，所述第一驱动件具有固定部以及能够相对于所述固定部运动的驱动部，所述第一驱动件的固定部通过连接件连接于所述基础台架的顶部，所述第一驱动件的驱动部通过连接件连接于所述运动平台的底面上，所述连接件具有至少两个转动自由度。

4.如权利要求3所述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：所述驱动机构还包括运动控制器，所述运动控制器采用多轴运动控制器，并与六个所述第一驱动件连接，被配置为控制六个所述第一驱动件的运动，以驱动所述运动平台在六个自由度方向分别运动。

5.如权利要求4所述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：所述第一驱动件采用电动缸，电动缸受伺服电机驱动，运动控制器通过伺服驱动器与伺服电机连接，并被配置为通过调频调压以及调整相位的方式对六个电动缸的运动进行控制。

6.如权利要求1所述的一种模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置，其特征在于：所述基础台架包括井架、扶梯和操作台，所述井架固定于浇筑的水平地面上，所述扶梯倾斜设置在所述井架的一侧，所述扶梯的上端固定于所述井架的顶部，所述扶梯的下端固定于浇筑水平面上，所述操作台设置在所述井架的顶部，所述操作台的中心形成有操作孔，所述海水模拟系统设置在所述井架内，所述平台运动模拟系统设置在所述操作台的顶部。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述装置的模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设置好模拟在平台运动激励下隔水管力学特性的装置；

2)通过驱动机构驱动运动平台作设置幅值、预定周期的升沉运动；

3)通过应变片测量隔水管系统上的应力，转角测量器测量隔水管系统底端的转角，从而得到隔水管系统在平台作预定幅值、预定周期的升沉运动下的力学特性；

4)通过驱动机构改变运动平台的运动姿态、运动幅值和运动周期，使得运动平台分别作横摇运动、纵摇运动、横荡运动、纵荡运动和艏摇运动，完成在运动平台的不同运动激励下隔水管的力学特性研究。

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