CN113740095B - 吸力桩建井的模拟实验装置及模拟实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种吸力桩建井的模拟实验装置及模拟实验方法，该模拟实验装置包括：箱体、吸力桩、支撑架、抽吸泵和起吊滑轮机构，箱体设置于支撑架的下方，吸力桩设置于箱体内；起吊滑轮机构包括第一滑轮、第一绳索和第一旋转动力机构，第一滑轮安装于支撑架，第一绳索绕设于第一滑轮，并且第一绳索的一端固接于吸力桩，第一绳索的另一端连接于第一旋转动力机构，第一绳索能够对吸力桩施加向上的拉力，第一绳索连接有测力计；吸力桩的顶部设有抽吸口，抽吸泵与抽吸口连接。通过本发明，缓解了吸力桩的下入过程中，抽吸泵功率和下入速度的控制缺乏依据的技术问题。

Description

吸力桩建井的模拟实验装置及模拟实验方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种吸力桩建井的模拟实验装置及模拟实验方法。

背景技术

深水油气勘探开发中，吸力桩是海底油气建井的新技术，具有浅层地质适应性强、承载力大、作业可重复、运输方便等优点。吸力桩的下入过程中需要使用抽吸泵。目前，存在抽吸泵功率的选择缺乏依据、下入速度的控制缺乏依据、垂直度的控制难度大、下入深度难以确定的技术问题。但是，海上油气勘探开发的投入较高，风险较大，很难直接进行海上深水吸力桩建井的工程实践。

发明内容

本发明的目的是提供一种吸力桩建井的模拟实验装置及模拟实验方法，以缓解吸力桩的下入过程中，抽吸泵功率和下入速度的控制缺乏依据的技术问题。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种吸力桩建井的模拟实验装置，包括：箱体、吸力桩、支撑架、抽吸泵和起吊滑轮机构，所述箱体设置于所述支撑架的下方，所述吸力桩设置于所述箱体内；

所述起吊滑轮机构包括第一滑轮、第一绳索和第一旋转动力机构，所述第一滑轮安装于所述支撑架，所述第一绳索绕设于所述第一滑轮，并且所述第一绳索的一端固接于所述吸力桩，所述第一绳索的另一端连接于所述第一旋转动力机构，所述第一绳索能够对所述吸力桩施加向上的拉力，所述第一绳索连接有测力计；

所述吸力桩的顶部设有抽吸口，所述抽吸泵与所述抽吸口连接。

在优选的实施方式中，所述模拟实验装置包括侧向力滑轮机构，所述侧向力滑轮机构包括第二绳索、第二旋转动力机构、安装于所述支撑架的第二滑轮和安装于所述箱体的第三滑轮；所述第二绳索绕设于所述第二滑轮和所述第三滑轮，并且所述第二绳索的一端固接于所述吸力桩，所述第二绳索的另一端连接于所述第二旋转动力机构，所述第二绳索对所述吸力桩施加的拉力包括水平方向的分力。

在优选的实施方式中，所述模拟实验装置包括多个所述侧向力滑轮机构，多个所述侧向力滑轮机构绕所述吸力桩的轴线圆周分布。

在优选的实施方式中，所述模拟实验装置包括4个两两相对布置的所述侧向力滑轮机构。

在优选的实施方式中，所述第二绳索连接有测力计，所述支撑架连接有铅锤激光发射器。

在优选的实施方式中，所述侧向力滑轮机构包括固定于所述箱体的第一滑轨，所述第一滑轨沿竖直方向设置，所述第三滑轮安装于所述第一滑轨，所述第三滑轮能够沿所述第一滑轨移动以调整竖直方向的位置。

在优选的实施方式中，所述支撑架上设置有沿水平方向延伸的第二滑轨，所述第一滑轮安装于所述第二滑轨。

在优选的实施方式中，所述抽吸泵连接有抽吸管、出口流量计和进口流量计。

在优选的实施方式中，所述吸力桩中连接有表层导管；所述吸力桩的下端设有开口，所述吸力桩的上端封闭设置。

本发明提供一种吸力桩建井的模拟实验方法，采用上述的吸力桩建井的模拟实验装置，所述模拟实验方法包括：

步骤S10，所述箱体内填充实验土体和水；

步骤S20，所述起吊滑轮机构对所述吸力桩施加拉力，并下放所述吸力桩的下端至靠近实验土体；

步骤S30，继续下放所述吸力桩，所述吸力桩在自重作用下下移至停止；

步骤S40，所述抽吸泵通过所述抽吸口将所述吸力桩内的流体向外抽出，所述吸力桩继续下移至停止。

本发明的特点及优点是：

该模拟实验装置可以模拟吸力桩建井的下入过程；可以对下入速度、下入深度、抽吸泵功率进行控制，对吸力桩下入速度、吸力桩下入垂直度和抽吸泵功率进行综合模拟研究；可以对抽出的水和实验土体土进行分析，测量抽吸过程中的液体抽吸量以及其中含有实验土体的量。通过该模拟实验装置，对海底吸力桩下入过程进行模拟，为后续的工程实践提供理论和技术操作指导。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的吸力桩建井的模拟实验装置的结构示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为图1所示的吸力桩建井的模拟实验装置中的吸力桩的俯视图；

图4-图5为图1所示的吸力桩建井的模拟实验装置中的吊耳的结构示意图；

图6为本发明提供的吸力桩建井的模拟实验方法的示意图。

附图标号说明：

10、箱体；

20、吸力桩；201、吊耳；21、抽吸口；22、表层导管；

30、支撑架；31、底座；32、竖向支架；33、横向支架；

40、起吊滑轮机构；41、第一滑轮；42、第一绳索；43、第一旋转动力机构；

50、侧向力滑轮机构；51、第二滑轮；52、第三滑轮；53、第二绳索；54、第二旋转动力机构；

60、抽吸泵；61、抽吸管；62、出口流量计；63、进口流量计；64、出水管；65、收集水池；

71、第一滑轨；72、第二滑轨；73、滑块；74、锁定螺栓；

81、测力计；82、刻度尺；83、压力表；84、牛眼；85、铅锤激光发射器。

具体实施方式

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。

在海底建井中，吸力桩通常为圆柱薄壁钢制结构，其底端敞开，顶端封闭并设有排水口。安装时，将其竖直下放至海床，吸力桩在自重作用下贯入一定深度，然后封闭吸力桩的排水口，吸力桩内形成密闭环境；随后通过抽吸泵60抽水，形成内外压差，使吸力桩持续向下沉贯，直至目标贯入深度；最后卸去抽吸泵60，恢复内部压力，完成安装。

方案一

本发明提供了一种吸力桩建井的模拟实验装置，如图1所示，该模拟实验装置包括：箱体10、吸力桩、支撑架30、抽吸泵60和起吊滑轮机构40，箱体10设置于支撑架30的下方，吸力桩设置于箱体10内；起吊滑轮机构40包括第一滑轮41、第一绳索42和第一旋转动力机构43，第一滑轮41安装于支撑架30，第一绳索42绕设于第一滑轮41，并且第一绳索42的一端固接于吸力桩，第一绳索42的另一端连接于第一旋转动力机构43，第一绳索42能够对吸力桩施加向上的拉力，第一绳索42连接有测力计81；吸力桩的顶部设有抽吸口21，抽吸泵60与抽吸口21连接。

该模拟实验装置中，箱体10中填充实验土体和水，用于模拟海底环境。第一旋转动力机构43对第一绳索42施加拉力，并且第一绳索42经过第一滑轮41调整方向后对吸力桩施加向上的拉力，吸力桩在箱体10内受自重作用下入，可通过第一旋转动力机构43控制下入速度，测力计81可以测量第一绳索42的拉力大小。

吸力桩的下端进入到箱体10中的实验土体中后，吸力桩内形成密闭空间，抽吸泵60泵通过抽吸口21将吸力桩中的流体向外抽出，使吸力桩内的压力降低，吸力桩继续下入，实现抽吸下入。

该模拟实验装置可以模拟吸力桩建井的下入过程；可以对下入速度、下入深度、抽吸泵60功率进行控制，对吸力桩下入速度、吸力桩下入垂直度和抽吸泵60功率进行综合模拟研究；可以对抽出的水和实验土体土进行分析，测量抽吸过程中的液体抽吸量以及其中含有实验土体的量。通过该模拟实验装置，对海底吸力桩下入过程进行模拟，为后续的工程实践提供理论和技术操作指导。

水箱中的下层装入实验用土，上层注水用来模拟海底情况。箱体10为体积一米见方的水箱。箱体10外壁竖直方向上放置刻度尺82，可以测量吸力桩下入实验土体的距离。

吸力桩按照海洋工程中的吸力桩制作小尺寸模型。吸力桩的下端设有开口，吸力桩的上端封闭设置。吸力桩中连接有表层导管22，表层导管22安装在吸力桩中心。如图3所示，吸力桩可以为圆柱形钢筒。抽吸口21设置在吸力桩顶部。

支撑架30包括底座31、竖向支架32和横向支架33，横向支架33和竖向支架32焊接形成钢型支架，竖向支架32的下部通过底座31支撑，用于吸力桩的吊运。

第一绳索42可以缠绕于第一旋转动力机构43上，第一旋转动力机构43转动时，提供动力拉动绳索使吸力桩上升下放。具体地，第一旋转动力机构43可以为旋转泵或者电机。可以通过标记第一绳索42的位置来计算吸力桩下入和回收的距离。测力计81用于测量吸力桩下入和回收过程中第一绳索42的拉力，以测量吸力桩下入和回收过程中的拉力。

在一些实施方式中，该吸力桩建井的模拟装置包括牛眼84和压力表83。牛眼84设置在吸力桩顶部，用于观测吸力桩下入和回收时是否发生倾斜。压力表83设置在吸力桩顶部，记录下入和回收过程中吸力桩内的压力。

在一些实施方式中，该模拟实验装置包括侧向力滑轮机构50，侧向力滑轮机构50包括第二绳索53、第二旋转动力机构54、安装于支撑架30的第二滑轮51和安装于箱体10的第三滑轮52，第二绳索53绕设于第二滑轮51和第三滑轮52，并且第二绳索53的一端固接于吸力桩，第二绳索53的另一端连接于第二旋转动力机构54，第二绳索53对吸力桩施加的拉力包括水平方向的分力。如图1和图2所示，第二绳索53经过第三滑轮52和第三滑轮52发生转向，第三滑轮52位于吸力桩的外侧，第三滑轮52与吸力桩之间的一段第二绳索53为水平状态或者倾斜状态，使得第二绳索53对吸力桩的拉力包括水平方向的分力，第二绳索53对吸力桩施加水平方向的拉力，对吸力桩在下入和回收过程中的倾斜状态进行调整。

在吸力桩下入到位后，通过侧向力滑轮机构50对吸力桩的顶部施加水平载荷，可以模拟和测量吸力桩水平载荷下的位移，评价在水平载荷设计条件下的承载力和位移关系。

具体地，第二绳索53可以缠绕于第二旋转动力机构54上，第二旋转动力机构54转动时，提供动力拉动绳索。具体地，第二旋转动力机构54可以为旋转泵或者电机。

如图1-图3所示，该模拟实验装置包括多个侧向力滑轮机构50，多个侧向力滑轮机构50绕吸力桩的轴线圆周分布，各个侧向力滑轮机构50分别对吸力桩施加不同方向的水平拉力。

进一步地，该模拟实验装置包括4个两两相对布置的侧向力滑轮机构50，如图3所示，4个的侧向力滑轮机构50的第二绳索53两两相对设置，4根第二绳索53呈矩形分布，相对的两根第二绳索53对吸力桩施加的水平拉力的方向相反，便于对吸力桩的倾斜状态进行调整。横向支架33包括第一梁和第二梁，第一梁和第二梁相垂直且均沿水平方向设置，4个侧向力滑轮机构50中的第二滑轮51分别安装于第一梁和第二梁，并且，安装于第一梁上的两个第二滑轮51相对布置，安装于第二梁上的两个第二滑轮51也相对布置。

在一些实施方式中，第二绳索53连接有测力计81，支撑架30连接有铅锤激光发射器85。测力计81用于测量第二绳索53的拉力。铅锤激光发射器85悬挂在吸力桩上方，借助铅锤激光发射器85中的高灵敏度水准管，将激光束导至铅锤方向，可准确地观测到吸力桩在下入和回收过程中是否发生倾斜。

第二绳索53上的测力计81测量第二绳索53的拉力，测量第二绳索53与水平方向之间的夹角，可以计算得到第二绳索53对吸力桩的拉力的水平方向的分力的大小。

如图1和图2所示，侧向力滑轮机构50包括固定于箱体10的第一滑轨71，第一滑轨71沿竖直方向设置，第三滑轮52安装于第一滑轨71，第三滑轮52能够沿第一滑轨71移动以调整竖直方向的位置。吸力桩在下方和回收过程中，吸力桩的顶部的高度会发生变化，通过沿第一滑轨71调整第三滑轮52的高度，可以使第三滑轮52的高度接近于吸力桩的顶部的高度，使第三滑轮52与吸力桩之间的第二绳索53接近于水平状态，有利于对吸力桩施加水平拉力。

第三滑轮52通过滑块73在第一滑轨71上移动。在一实施方式中，第三滑轮52上连接有螺栓，螺栓可以将第三滑轮52与第一滑轨71锁定，以确定第三滑轮52位置，在实验过程中，吸力桩移动一段距离后，对第三滑轮52的位置进行一次调整。在一实施方式中，第一滑轨71上设有多个卡槽，多个卡槽等间距布置，当第三滑轮52移动至卡槽处时，卡槽可以将第三滑轮52进行锁定。

多个侧向力滑轮机构50中的第三滑轮52的高度保持相同，当各个侧向力滑轮机构50中的第二绳索53的拉力相等时，即吸力桩保持竖直下入。

在一实施方式中，支撑架30上设置有沿水平方向延伸的第二滑轨72，如图1所示，第一滑轮41安装于第二滑轨72，第一滑轮41可以沿第二滑轨72调整位置，以调整第一绳索42的方向，改变拉力的方向，有利于使吸力桩下入回收保持竖直和稳定。第一滑轮41通过滑块73安装于第二滑轨72，并且第二滑轮51上连接有锁定螺栓74，锁定螺栓74可以将第一滑轮41锁定于第二滑轨72锁定

具体地，支撑架30的横向支架33包括垂直设置的第一梁和第二梁，第一梁和第二梁均沿水平方向设置，第二滑轨72可以设置于第一梁，第一滑轮41和安装于第一梁的第二滑轮51可以沿第二滑轨72移动。

如图1所示，抽吸泵60连接有抽吸管61、出口流量计62和进口流量计63，抽吸口21通过抽吸管61与抽吸泵60连接。

出口流量计62和进口流量计63用于测量进出抽吸管61的流量。测量抽吸过程中的液体抽吸量以及其中含有实验土体的量，可以模拟在现场操作过程中无法测量和观测的抽吸口21含液量及含沙量。进口流量计63和出口流量计62设置于两端。

在一实施方式中，将抽吸泵60出口通过出水管64连接到收集水池65中，可以测量抽吸过程中的液体抽吸量以及其中含有实验土体的量，以模拟和测量在现场操作过程中无法测量和观测的抽吸口21含液量及含沙量，有利于更准确认识吸力桩在抽吸压力作用下的安装过程。

吊耳201焊接在吸力桩顶部，第一绳索42和第二绳索53均通过吊耳201与吸力桩连接，吊耳201有利于维持吊装时的稳定。如图2和图3所示，第一绳索42可以分成与多个吊耳201分别连接的多根绳索。如图4和图5所示，吊耳201的吊耳201孔呈矩形或者圆形。

方案二

本发明提供了一种吸力桩建井的模拟实验方法，采用上述的吸力桩建井的模拟实验装置，如图6所示，该模拟实验方法包括：步骤S10，箱体10内填充实验土体和水；步骤S20，起吊滑轮机构40对吸力桩施加拉力，并下放吸力桩的下端至靠近实验土体；步骤S30，继续下放吸力桩，吸力桩在自重作用下下移至停止；步骤S40，抽吸泵60通过抽吸口21将吸力桩内的流体向外抽出，吸力桩继续下移至停止。

该吸力桩建井的模拟实验方法对海底吸力桩下入过程进行模拟，为后续的工程实践提供理论和技术操作指导，所记录实验数据可作为真实下入回收的参考指导。

测力计81测量第一绳索42和第二绳索53所受拉力，刻度尺82测量下入深度及入泥深度；第一旋转动力机构43的功率控制下入速度；侧向力滑轮机构50控制调节垂直度。该模拟实验方法可改变下入速度等实验条件，进行多种实验场景的模拟。

步骤S10中，如图1所示，模拟吸力桩下入过程时，将横向支架33上的第一滑轮41调整到合适位置，通过第一绳索42将测力计81及吸力桩相连接，置于水面以上，此时可以测量吸力桩在空气中的重量。

步骤S20中，通过第一旋转动力机构43拉动绳索，将吸力桩以合适的速度送入到水中至吸力桩的下端靠近实验土体，且不与实验土体接触，停止下入，并测量吸力桩在水中的浮重。此时记录绳子的位置并调整好测力计81的位置，避免测力计81进入水中。

步骤S30中，记录当测力计81示数为零时吸力桩下入实验土体的深度，可以通过第一绳索42的位移或者箱体10侧壁刻度尺82读出。

通过铅锤激光发射器85测量吸力桩的吊耳201处的倾斜角度。牛眼84对倾斜角度起到协助测量的作用。

步骤S40中，在抽吸下入过程中，第一绳索42对吸力桩拉力为零，通过变频方式来控制抽吸泵60的抽吸功率，从而控制抽吸下入过程中的下入速度。待抽吸下入到位后，可以测量抽吸口21的液体和实验土体含量。

在吸力桩下入到位后，通过侧向力滑轮机构50对吸力桩的顶部施加水平载荷，可以模拟和测量吸力桩水平载荷下的位移，评价在水平载荷设计条件下的承载力和位移关系。

通过向吸力桩中注入流体，使吸力桩内的压力增大，可以使吸力桩上升，实现打压回收。通过起吊滑轮机构40对吸力桩施加向上的拉力，也可以使吸力桩上升，实现拉力回收。打压回收与拉力回收可以协调实施。在吸力桩回收过程中，模拟吸力桩打压回收和拉力回收两个过程，并对两个阶段如何控制协调来进行模拟实验研究。

在一实施方式中，撤去侧向力滑轮机构50或者侧向力滑轮机构50未对吸力桩施加拉力，测量最终吸力桩下入到位后的倾斜倾角，并评估倾斜角度是否在允许范围。该实验方法可以模拟和评估吸力桩在下入时的倾斜情况。

在另一实施方式中，按实验条件实施实验，通过侧向力滑轮机构50对吸力桩施加拉力，使吸力桩保持垂直下入或者倾斜角度保持在允许范围内，记录第二滑轮51、第三滑轮52的位置、侧向力滑轮机构50中各测力计81示数、以及第二绳索53随时间的变化的倾角。该实验方法可以模拟和评估使吸力桩保持垂直下入或者倾斜角度保持在允许范围内所需要的侧向力的调整方案。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，包括：箱体、吸力桩、支撑架、抽吸泵和起吊滑轮机构，所述箱体设置于所述支撑架的下方，所述吸力桩设置于所述箱体内；

所述起吊滑轮机构包括第一滑轮、第一绳索和第一旋转动力机构，所述第一滑轮安装于所述支撑架，所述第一绳索绕设于所述第一滑轮，并且所述第一绳索的一端固接于所述吸力桩，所述第一绳索的另一端连接于所述第一旋转动力机构，所述第一绳索能够对所述吸力桩施加向上的拉力，所述第一绳索连接有测力计；

所述吸力桩的顶部设有抽吸口，所述抽吸泵与所述抽吸口连接；

所述模拟实验装置包括侧向力滑轮机构，所述侧向力滑轮机构包括第二绳索、第二旋转动力机构、安装于所述支撑架的第二滑轮和安装于所述箱体的第三滑轮；

所述第二绳索绕设于所述第二滑轮和所述第三滑轮，并且所述第二绳索的一端固接于所述吸力桩，所述第二绳索的另一端连接于所述第二旋转动力机构，所述第二绳索对所述吸力桩施加的拉力包括水平方向的分力；

所述模拟实验装置包括4个两两相对布置的所述侧向力滑轮机构，4个所述侧向力滑轮机构绕所述吸力桩的轴线圆周分布；

4个所述侧向力滑轮机构的所述第二绳索两两相对设置，4根所述第二绳索呈矩形分布。

2.根据权利要求1所述的吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，所述第二绳索连接有测力计，所述支撑架连接有铅锤激光发射器。

3.根据权利要求1所述的吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，所述侧向力滑轮机构包括固定于所述箱体的第一滑轨，所述第一滑轨沿竖直方向设置，所述第三滑轮安装于所述第一滑轨，所述第三滑轮能够沿所述第一滑轨移动以调整竖直方向的位置。

4.根据权利要求1所述的吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，所述支撑架上设置有沿水平方向延伸的第二滑轨，所述第一滑轮安装于所述第二滑轨。

5.根据权利要求1所述的吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，所述抽吸泵连接有抽吸管、出口流量计和进口流量计。

6.根据权利要求1所述的吸力桩建井的模拟实验装置，其特征在于，所述吸力桩中连接有表层导管；所述吸力桩的下端设有开口，所述吸力桩的上端封闭设置。

7.一种吸力桩建井的模拟实验方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的吸力桩建井的模拟实验装置，所述模拟实验方法包括：

步骤S10，所述箱体内填充实验土体和水；

步骤S20，所述起吊滑轮机构对所述吸力桩施加拉力，并下放所述吸力桩的下端至靠近实验土体；

步骤S30，继续下放所述吸力桩，所述吸力桩在自重作用下下移至停止；

步骤S40，所述抽吸泵通过所述抽吸口将所述吸力桩内的流体向外抽出，所述吸力桩继续下移至停止。