CN113931616A - 一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

公开了提供了一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置及方法，包括模型箱、环形轨道梁、水平滚珠丝杠和水下井口；所述模型箱一端通过立柱设置所述环形轨道梁；所述环形轨道上设置所述水平滚珠丝杠；所述水平滚珠丝杠的滑块底部通过球铰连接有竖向电动缸，所述竖向电动缸的输出杆连接所述水下井口；本公开设计了一种深水水下井口系统全方位水平循环加载的试验装置，能够模拟风浪流全方位荷载的变化；可以得到全方位水平循环加载下井口系统位移—荷载关系曲线，揭示全方位水平循环荷载作用下水下井口系统的抗力退化机理，为海洋钻井的井口系统的稳定性分析提供了依据。

Description

一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置及方法

技术领域

本公开属于模拟试验技术领域，尤其涉及一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

对于海洋深水钻井工程而言，钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂，因此，深水钻井技术的发展是影响未来石油发展的重要因素；深水钻井中，水下井口系统一般由防喷器组以及井口头和表层导管组成；深水钻井时，隔水管承受风浪流等海洋环境荷载以及海洋平台偏移荷载作用，并通过底部挠性接头传递到水下井口系统上，并由表层导管来承担；钻井中，风浪流等海洋环境荷载方向是动态变化的，作用在水下井口系统的水平循环也是全方位变化的；表层导管在全方位水平循环荷载作用下加剧对管周土体的扰动，管土间隙也呈现全方位特点，管周土体强度随循环次数和循环幅值而产生降低退化，不同方向的水平循环荷载将导致水下井口系统累积强度退化程度不同，这些都会使水下井口系统的稳定性面临严峻的挑战；因此，如何研究全方位水平循环荷载作用下，水下井口系统的稳定性问题成为深水钻井中重点关注的问题之一。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置及方法；本公开针对深水钻井特点，可以模拟风浪流全方位水平循环荷载；通过加载框架上环形轨道梁实现加载方向全方位变化，通过伺服水平滚珠丝杠来控制水平循环荷载频率、循环次数和幅值，来模拟作用在水下井口系统的水平循环荷载；并测试水平循环荷载试验过程中，底部挠性接头的位移和荷载，揭示全方位水平循环荷载作用下管周土体强度的退化等对水下井口、导管系统的力学性能及稳定性的影响，从而为深水钻井的安全可靠性提供依据。

为了实现上述目的，本公开的第一技术方案为一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，采用如下技术方案：

一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，包括模型箱、环形轨道梁、水平滚珠丝杠和水下井口系统；

所述模型箱一端通过立柱设置所述环形轨道梁；所述环形轨道上设置所述水平滚珠丝杠；所述水平滚珠丝杠的滑块底部通过球铰连接有竖向电动缸，所述竖向电动缸的输出杆连接所述水下井口。

进一步的，所述模型箱为圆筒状，所述立柱为多个，均匀固定在所述模型箱周向上。

进一步的，所述模型箱内设置土体。

进一步的，所述水下井口固定在表层导管上，所述表层导管埋设在所述模型箱土体中。

进一步的，所述水平滚珠丝杠的丝杠连接第一伺服电机。

进一步的，所述水平滚珠丝杠和所述竖向电动缸上均设置传感器，对施加的荷载力和位移进行实时测试。

进一步的，所述水平滚珠丝杠与所述环形轨道梁齿轮传动。

进一步的，所述滚珠丝杠两端与所述环形轨道梁通过齿轮传动，连接第二伺服电机控制全方位转动。

进一步的，所述水下井口处设置有防喷器组。

为了实现上述目的，本公开的第二技术方案为一种深水水下井口系统全方位循环加载试验方法，采用了如第一技术方案中所述的深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，包括以下内容：

将配制待试验的土体填在所述模型箱中，并将所述表层导管埋入土体中；

将所述竖向电动缸与导管顶水下井口和所述滑块的底部球铰连接，控制所述竖向电动缸运动来施加竖向荷载；

所述第二伺服电机控制所述水平滚珠丝杠绕所述环形轨道梁转动到预定角度，所述第一伺服电机控制所述水平滚珠丝杠上的滑块运动，施加循环荷载；

重复上述内容，完成全方位水平循环荷载试验；

在进行上述内容的同时，测量所述滑块的位移、转角和施加的水平荷载；

对测量数据进行分析，得到全方位水平循环作用下球铰处的力——位移循环关系曲线，分析全方位加载对土体强度退化影响，评定对井口系统的稳定性的影响。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1.本公开设计了一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，能够模拟风浪流全方位荷载的变化；可以得到全方位水平循环加载下井口系统位移—荷载关系曲线，揭示全方位水平循环荷载作用下水下井口系统的抗力退化机理，为海洋钻井的井口系统的稳定性分析提供了依据；

3.本公开同时施加井口竖向荷载和水平向荷载，模拟水平循环荷载对竖向承载力退化的影响。

附图说明

构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。

图1为本公开实施例1的结构主视图；

图2为本公开实施例1的结构俯视图；

图3为本公开实施例1的球铰示意图；

图4为本公开实施例1的环形轨道梁与水平滚珠丝杠齿轮传动示意图。

图中，1、模型箱，101、土体，2、立柱，3、环形轨道梁，4、水平滚珠丝杠，401、环形齿条，402、齿轮，403轴承，404、轴，5、第一伺服电机，501、第二伺服电机，6、滑块，7、竖向电动缸，8、推杆，9、水下井口，10、表层导管。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1：

如图1所示，本公开提供了一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，包括模型箱1、立柱2、环形轨道梁3、水平滚珠丝杠4、第一伺服电机5、第二伺服电机501、滑块6、竖向电动缸7、推杆8、水下井口9和表层导管10；

所述模型箱1一端通过立柱2设置所述环形轨道梁3；所述环形轨道3上设置所述水平滚珠丝杠4；所述模型箱1为圆筒状，用于充填深水浅层土体；所述立柱2为多个，均匀固定在所述模型箱周向上，优选的，所述立柱2设置4个。

如图3所示，所述水平滚珠丝杠4的滑块6底部通过球铰连接有竖向电动缸7，所述竖向电动缸7的输出杆连接所述水下井口9。

在本实施例中，所述模型箱1内设置土体101；所述水下井口9固定在表层导管上10，所述表层导管10埋设在所述模型箱土体中，优选的，所述水下井口9处设置有防喷器。

如图2所示，在本实施例中，所述水平滚珠丝杠4的丝杠连接第一伺服电机5；所述水平滚珠丝杠4和所述竖向电动缸7上均设置传感器(图中未标出)，对施加的荷载力和位移进行实时测试，并通过数据采集系统显示存贮；所述第一伺服电机5和所述竖向电动缸7均由伺服控制系统进行控制；如图4所示，所述水平滚珠丝杠4与所述环形轨道梁3齿轮传动，所述水平滚珠丝杠4通过第二伺服电机501齿轮传动控制绕所述环形轨道梁360度转动；可以理解的，在本实施例中，所述环形轨道梁3上侧设置环形齿条401，与所述水平滚珠丝杠4两端设置的齿轮402配合；需要说明的是，所述水平滚珠丝杠4的两端设置空隙，套于所述环形轨道梁3上，所述齿轮402通过轴403和轴承404连接到所述水平滚珠丝杠4的两端空隙内；其中，所述水平滚珠丝杠4上的一个齿轮由所述第二伺服电机501驱动；第二伺服电机501和第一伺服电机5可以同时控制水平滚珠丝杠4绕环形轨道梁3转动和滑块6的滑动，同时对水下井口9底部挠性接头施加实时方向变化水平循环荷载。

实施例2：

本实施例提供了一种深水水下井口系统全方位循环加载试验方法，采用了实施例1中所述的深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，包括以下内容：

将配制待试验的土体填在所述模型箱中，并将所述表层导管埋入土体中；

将所述竖向电动缸与导管桩顶和所述滑块的底部球铰连接，控制所述竖向电动缸运动来施加竖向荷载；

将所述水平滚珠丝杠绕所述环形轨道梁转动到预定角度，所述第一伺服电机控制所述水平滚珠丝杠上的滑块运动，施加循环荷载；

重复上述内容，完成全方位水平循环荷载试验；

在进行上述内容的同时，测量所述滑块的位移、转角和施加的水平荷载；

对测量数据进行分析，得到全方位水平循环作用下球铰处的力——位移循环关系曲线，分析全方位加载对土体强度退化影响，评定对井口系统的稳定性的影响。

以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，包括模型箱、环形轨道梁、水平滚珠丝杠和水下井口；

所述模型箱一端通过立柱设置所述环形轨道梁；所述环形轨道上设置所述水平滚珠丝杠；所述水平滚珠丝杠的滑块底部通过球铰连接有竖向电动缸，所述竖向电动缸的输出杆连接所述水下井口。

2.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述模型箱为圆筒状，所述立柱为多个，均匀固定在所述模型箱周向上。

3.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述模型箱内设置土体。

4.如权利要求3所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述水下井口固定在表层导管上，所述表层导管埋设在所述模型箱土体中。

5.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述水平滚珠丝杠的丝杠连接第一伺服电机。

6.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述水平滚珠丝杠和所述竖向电动缸上均设置传感器，对施加的荷载力和位移进行实时测试。

7.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述滚珠丝杠两端与所述环形轨道梁通过齿轮传动，连接第二伺服电机控制全方位转动。

8.如权利要求1所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验装置，其特征在于，所述水下井口处设置有防喷器组。

9.一种深水水下井口系统全方位循环加载试验方法，其特征在于，采用了如权利要求1-8任一项所述的深水水下井口系统全方位循环加载试验装置。

10.如权利要求9所述的一种深水水下井口系统全方位循环加载试验方法，其特征在于，主要内容为：

将配制待试验的土体填在所述模型箱中，并将所述表层导管埋入土体中；

将所述竖向电动缸与导管桩顶和所述滑块的底部球铰连接，控制所述竖向电动缸运动来施加竖向荷载；

将所述竖向电动缸与导管顶水下井口和所述滑块的底部球铰连接，控制所述竖向电动缸运动来施加竖向荷载；

重复上述内容，完成全方位水平循环荷载试验；

在进行上述内容的同时，测量所述滑块的位移、转角和施加的水平荷载；

对测量数据进行分析，得到全方位水平循环作用下球铰处的力——位移循环关系曲线，分析全方位加载对土体强度退化影响，评定对井口系统的稳定性的影响。

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