CN113654780B - 一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：它包括弹簧阻尼系统与配重系统，其参数设计原则为动力学相似原理；拉杆上端与法兰连接，下部穿过导向套、上盖板、弹簧，底端与阻尼器底托连接，导向套与拉杆配合处设置密封槽，阻尼器底托设有凹槽与阻尼垫片，弹簧上端与导向套配合并抵于上盖板，下端与阻尼器底托凹槽配合并抵于阻尼垫片；弹簧阻尼系统伸入所述管体内部；管体上端连接上盖板，管体下端连接下盖板，管体与上盖板、下盖板连接部位均设置密封垫；配重块固定于下盖板上端面，浮力块覆盖于管体外部。本发明结构简单，可准确有效模拟深水钻井隔水管悬挂动力学特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种海洋隔水管悬挂动力学试验装置，尤其是一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根。
背景技术
海洋深水钻井隔水管系统是海上油气勘探开发的关键设备，在环境载荷超过隔水管作业极限或井间移位作业时，隔水管系统与防喷器或井口解脱进入悬挂模式。隔水管悬挂模式分为硬悬挂与软悬挂模式，硬悬挂模式下隔水管顶部通过伸缩节外筒直接与卡盘刚性连接，而软悬挂模式下隔水管通过张紧器与平台连接。处于悬挂模式下的隔水管系统，受到平台运动、环境载荷的激励作用，产生较为剧烈的动力学响应，一直是国内外研究的热点。
目前，国内外对于悬挂模式下的隔水管系统开展了大量理论研究，但相关动力学试验研究相对较少。由于隔水管系统配置较多且隔水管结构尺寸较大，无法进行全尺寸试验，需要进行缩尺设计且具备参数可调的特点。为此，亟需设计一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，以准确开展隔水管悬挂动力学试验研究，为深水钻井隔水管悬挂动力学分析及控制提供支撑，保障隔水管系统悬挂作业的安全。
发明内容
针对上述问题，本发明采用动力学相似原理进行隔水管试验模型设计，提供一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，该试验单根具有参数可调的特点，能够较为真实模拟悬挂状态下隔水管系统动力学响应，通过数据反演得到真实海洋环境下隔水管系统的动力学特性。
本发明是通过以下技术方案实现的：一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：它包括弹簧阻尼系统与配重系统。
所述弹簧阻尼系统与所述配重系统的参数设计原则为动力学相似原理。
所述弹簧阻尼系统包含法兰、拉杆、锁紧螺母、导向套、密封圈、小密封垫、上盖板、弹簧、阻尼垫片、阻尼器底托、固定螺母；所述法兰下端面设置螺纹孔，所述拉杆端部设置外螺纹，所述拉杆与所述法兰螺纹连接并由锁紧螺母锁紧；所述拉杆为变截面杆，依次穿过所述导向套、所述上盖板、所述弹簧、所述阻尼垫片、所述阻尼器底托，所述拉杆下端与所述阻尼器底托通过所述固定螺母固定；所述导向套上部设置光孔并与所述拉杆配合，所述导向套的光孔侧面设置密封槽，所述密封圈嵌套于密封槽内，所述导向套与所述上盖板接触部分设置所述小密封垫；所述阻尼器底托设置凹槽，所述凹槽底部设置所述阻尼垫片；所述弹簧上下端部磨平，所述弹簧上端与所述导向套配合并抵于所述上盖板，所述弹簧下端与所述阻尼器底托凹槽配合并抵于所述阻尼垫片。
所述配重系统包含配重块，下盖板，管体，浮力块，螺杆，蝶形螺母，下密封垫；所述弹簧阻尼系统伸入所述管体内部；所述管体上端与所述上盖板固定，所述管体下端与所述下盖板固定，所述管体与所述上盖板、所述下盖板连接部位均设置密封圈；所述配重块固定于下盖板上端面；所述浮力块覆盖于所述管体外部。
所述深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根设计依据为动力学相似原理，动力学方程为：
式中，M为隔水管质量，C为隔水管阻尼，K为隔水管刚度，F为隔水管所受合外力，x为隔水管位移。
动力学方程两端除于相同的缩尺比例λ后得到试验单根的参数：所述弹簧刚度为缩尺后隔水管刚度K/λ；所述阻尼垫片阻尼为适配阻尼，与系统组合后满足总阻尼为C/λ；所述配重块的质量为适配质量，与系统组合后满足总质量为M/λ；所述浮力块提供浮力为适配浮力，与系统组合后满足总合力为F/λ。
可通过更改所述弹簧、所述阻尼垫片、所述配重块与所述浮力块模拟不同隔水管系统。
所述拉杆与所述导向套配合位置处的外径大于其余位置的外径。
所述导向套上部开孔尺寸与拉杆尺寸相同；所述导向套下部与弹簧配合，所述导向套下部外径小于所述弹簧小径。
所述阻尼器底托的凹槽内径大于所述弹簧大径，所述阻尼器底托的凹槽外径小于所述管体内径。
所述导向套与所述上盖板采用螺钉连接。
所述上盖板与所述管体，所述下盖板与所述管体均采用螺钉连接。
所述配重块与所述下盖板采用螺钉连接，紧固螺柱下部与下盖板连接处螺纹为左旋，所述紧固螺柱上部螺纹为右旋，所述配重块由所述蝶形螺母压紧，所述配重块外径小于管体内径。
所述管体与所述浮力块采用螺钉连接。
所述下盖板下端设置螺纹孔，螺纹孔深度小于所述盖板壁厚，所述法兰上端设置螺纹孔，两个深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根由法兰与下盖板采用螺钉连接。
本发明采用以上技术方案，其具有以下优点：1、采用动力学相似原理设计深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，经参数匹配设计，可准确模拟实际隔水管特性，该试验单根能够较为真实模拟悬挂状态下隔水管系统动力学响应，通过数据反演得到真实海洋环境下隔水管系统的动力学特性；2、采用螺栓连接与法兰连接组合的方式，组装方便，适配性强，通过改变配件参数可模拟不同配置长度下的隔水管系统。
附图说明
图一为本发明的结构示意图。
图二为本发明的导向套示意图。
图三为本发明的阻尼器底托示意图。
图四为本发明的下盖板示意图。
图中，1.法兰，2.锁紧螺母，3.拉杆，4.螺栓，5.螺栓，6.导向套，7.小密封垫，8.上盖板，9.上密封垫，10.密封圈，11.浮力块，12.管体，13.弹簧，14.阻尼垫片，15.阻尼器底托，16.固定螺母，17.紧固螺柱，18.蝶形螺母，19.配重块，20.下密封垫，21.下盖板，22.螺栓。
具体实施方式
为使发明的目的、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。
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、图3所示，本发明的拉杆3两端端部加工有螺纹，上端部侧面磨平，法兰1底部及底部侧面加工螺纹孔，通过螺纹连接实现法兰1与拉杆3连接，通过锁紧螺母2实现紧固。拉杆3由上至下穿过导向套6、弹簧13、阻尼器底托15，弹簧13安装于上盖板8与阻尼器底托15之间并由固定螺母16压紧，弹簧13上下端部磨平。阻尼器底托15设置凹槽，凹槽内径大于弹簧13大径，凹槽外径小于管体12内径，弹簧13下端与阻尼器底托15凹槽底部之间设置阻尼垫片14。导向套6上部内侧面加工密封槽，内部设置密封圈10，与拉杆3配合使用，导向套6下部外径小于弹簧3小径，目的为保持弹簧3竖直。拉杆3为变截面杆结构，拉杆3与导向套6配合处直径大于其余部分直径且该部分表面经特殊处理，粗糙度小且耐磨，弹簧压缩过程中拉杆3与密封圈10摩擦力较小。导向套6顶部端面加工光孔，上盖板8上端面加工螺纹孔，导向套6与上盖板8之间设置小密封垫7并通过螺栓4紧固。
如图1、图3、图4所示，本发明的配重块19中间加工光孔，与下盖板21配合，由紧固螺柱17与蝶形螺母18固定，紧固螺柱17下部螺纹为左旋，上部螺纹为右旋。浮力块11包覆于管体12外端面，浮力块选用轻质材料。下盖板21设置螺纹孔和光孔，管体12两端面设置螺纹孔，下盖板21与管体12配合部分压紧下密封垫20并由螺栓22紧固，上盖板8与管体12配合部分压紧上密封垫9并由螺栓5紧固。下盖板21的螺纹孔与法兰1的光孔配合可实现多个深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根的连接。
本发明方法的有益效果是：提出一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根设计方案，基于动力学相似原理进行参数设计，能够较为真实模拟悬挂状态下隔水管系统动力学响应，通过数据反演得到真实海洋环境下隔水管系统的悬挂动力学特性。
Claims (10)
1.一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：它包括弹簧阻尼系统与配重系统；
所述弹簧阻尼系统与所述配重系统的参数设计原则为动力学相似原理；
所述弹簧阻尼系统包含法兰、拉杆、锁紧螺母、导向套、密封圈、小密封垫、上盖板、弹簧、阻尼垫片、阻尼器底托、固定螺母；所述法兰下端面设置螺纹孔，所述拉杆端部设置外螺纹，所述拉杆与所述法兰螺纹连接并由锁紧螺母锁紧；所述拉杆为变截面杆，依次穿过所述导向套、所述上盖板、所述弹簧、所述阻尼垫片、所述阻尼器底托，所述拉杆下端与所述阻尼器底托通过所述固定螺母固定；所述导向套上部设置光孔并与所述拉杆配合，所述导向套的光孔侧面设置密封槽，所述密封圈嵌套于密封槽内，所述导向套与所述上盖板接触部分设置所述小密封垫；所述阻尼器底托设置凹槽，所述凹槽底部设置所述阻尼垫片；所述弹簧上下端部磨平，所述弹簧上端与所述导向套配合并抵于所述上盖板，所述弹簧下端与所述阻尼器底托凹槽配合并抵于所述阻尼垫片；
所述配重系统包含配重块，下盖板，管体，浮力块，螺杆，蝶形螺母，下密封垫；所述弹簧阻尼系统伸入所述管体内部；所述管体上端与所述上盖板固定，所述管体下端与所述下盖板固定，所述管体与所述上盖板、所述下盖板连接部位均设置密封圈；所述配重块固定于下盖板上端面；所述浮力块覆盖于所述管体外部。
2.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根设计依据为动力学相似原理，动力学方程为：
式中，M为隔水管质量，C为隔水管阻尼，K为隔水管刚度，F为隔水管所受合外力，x为隔水管位移；
动力学方程两端除以相同的缩尺比例λ后得到试验单根的参数：所述弹簧刚度为缩尺后隔水管刚度K/λ；所述阻尼垫片阻尼为适配阻尼，与系统组合后满足总阻尼为C/λ；所述配重块的质量为适配质量，与系统组合后满足总质量为M/λ；所述浮力块提供浮力为适配浮力，与系统组合后满足总合力为F/λ；
可通过更改所述弹簧、所述阻尼垫片、所述配重块与所述浮力块模拟不同隔水管系统。
3.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述拉杆与所述导向套配合位置处的外径大于其余位置的外径。
4.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述导向套上部开孔尺寸与拉杆尺寸相同；所述导向套下部与弹簧配合，所述导向套下部外径小于所述弹簧小径。
5.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述阻尼器底托的凹槽内径大于所述弹簧大径，所述阻尼器底托的凹槽外径小于所述管体内径。
6.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述导向套与所述上盖板采用螺钉连接。
7.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述上盖板与所述管体，所述下盖板与所述管体均采用螺钉连接。
8.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述配重块与所述下盖板采用螺钉连接，紧固螺柱下部与下盖板连接处螺纹为左旋，所述紧固螺柱上部螺纹为右旋，所述配重块由所述蝶形螺母压紧，所述配重块外径小于管体内径。
9.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述管体与所述浮力块采用螺钉连接。
10.根据权利要求1所述的一种深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根，其特征在于：所述下盖板下端设置螺纹孔，螺纹孔深度小于所述盖板壁厚，所述法兰上端设置光孔，两个深水钻井隔水管悬挂动力学试验单根由法兰与下盖板采用螺钉连接。
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