CN203705252U - 一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，包括用于填装试验土样和试验用水的钢罐、模拟导管、成对粘贴的多个应变片、加载装置、埋在试验土样中的土压力计、位于试验土样上方的横向、竖向位移传感器，与应变片、土压力计、横向位移传感器和竖向位移传感器电连接的数据采集及处理系统；所述钢罐呈方形，其底板、左侧板、右侧板和后侧板焊接为一体，其前侧板至少由两块可活动的门板上下并列构成，门板内壁四周镶有密封条，门板的左侧边与左侧板铰接，门板的右侧边为自由边且能与右侧板锁止固定。其能便于试验土样的装卸，减轻装卸工作量，同时降低装卸过程中应变片及土压力计被损坏的几率。

Description

一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种试验装置，具体涉及一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，用于研究海洋钻井导管受到横向、竖向动力载荷作用下，导管变形以及与导管周围软土相互作用情况，测试分析深水钻井工况下导管的承载能力。

背景技术

在海洋深水钻井作业时，一般采用水力喷射方式将导管下入到海底泥线以下的设计深度。导管主要提供结构支撑，其下入深度一般为30～120m，该深度主要取决于深水海底浅部软土支撑导管及后续套管柱的能力。由于海底泥线以下的浅部地层以粘性土和砂性土为主，所以导管的下入深度决定了其承载能力，即支承导管的周围土体所能提供的竖向和横向承载力。

导管顶部所承受的作用力主要来自于其上部隔水管底部接头处的竖向和横向反力、防喷器组及悬挂套管串的重力、作用于防喷器组及井口的横向波流力、海底土层对套管的竖向和横向阻力等。如果导管在海底泥线以下的承载能力小于这些作用力，则将引起水下井口及其以下套管柱的下陷或发生横向倾斜，同时由于钻井船或平台漂移运动的影响，导管受到循环作用的动力，其承载能力将会较静载时下降。因此，导管竖向和横向承载能力的准确计算是深水钻井作业安全的保证。

现有的土力学中模拟桩土作用的装置一般为空心桶形设计，比如CN 102607872 A公开的“模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置”，这种室内实验装置存在如下问题：（1）其桶身（即侧壁）上无开口，不便于试验土样的装卸，在装卸试验土样时工作量大，且在装卸过程中也容易损坏应变片和土压力计；（2）竖向只能加载静态载荷（即竖向加载力为恒定的），不能完全模拟复杂的海洋深水钻井作业工况；（3）其横向及竖向加载力直接作用于变截面套管柱组合的顶部，加载过程的摩阻和弯矩较大，加载效果不够理想。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，以便于试验土样的装卸，减轻装卸试验土样的工作量，同时降低装卸过程中应变片及土压力计被损坏的几率。

本实用新型所述的海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，包括上端开口且用于填装试验土样和试验用水（其覆盖在试验土样上）的钢罐，通过支架定位且插在钢罐底部中心的模拟导管，在模拟导管的外壁面上沿轴向成对粘贴的多个应变片，用于埋在试验土样中的多个土压力计，安装在钢罐上方且用于模拟导管顶部横向、竖向加载的加载装置，位于试验土样上方的横向位移传感器和竖向位移传感器，与应变片、土压力计、横向位移传感器和竖向位移传感器电连接的数据采集及处理系统；所述钢罐呈方形，其底板、左侧板、右侧板和后侧板焊接为一体，其前侧板至少由两块可活动的门板上下并列构成，门板内壁四周镶有密封条，门板的左侧边与所述左侧板铰接，门板的右侧边为自由边且能与所述右侧板锁止固定，门板相对所述左侧板转动，以打开或者关闭所述钢罐。

钢罐用于填装用水饱和的粘土或砂土（即试验土样），粘土或砂土上覆盖试验用水，用于模拟海底浅部被水浸泡的软土地层情况；模拟导管为薄壁无缝钢管，其外径和壁厚由相似性原理根据实际钻井采用的导管或导管及表层套管组成的组合套管的比例尺寸确定；横向位移传感器检测的模拟导管在横向载荷作用下的横向位移，竖向位移传感器检测的模拟导管在竖向载荷作用下的竖向位移，应变片检测的模拟导管的管身应变数据和土压力计检测的不同情况下管土界面接触压力都送入数据采集及处理系统进行分析，获得模拟导管的承载能力数据（主要为管柱变形、弯矩和土反力等），该结果可以描述海洋深水钻井不同作业工况下导管与海底浅部软土间相互作用机理。

进一步，为了增加钢罐的强度，防止钢罐变形，所述钢罐的内壁面上设置有加强筋。

进一步，为了实现超低频到高频的不同幅值的载荷控制及加载（包括横向独立加载、竖向独立加载和联合加载），所述加载装置包括作动控制器、与作动控制器电连接的横向作动器、与作动控制器电连接的竖向作动器、横向加载环（由关节轴承构成）以及竖向加载框架；所述横向作动器（其内具有检测输出横向载荷大小的力传感器）安装在钢罐上端面，其横向载荷输出端通过横向加载环作用于模拟导管的顶部，所述横向位移传感器为横向布置的伸缩式位移传感器，其一端固定在钢罐的上沿，另一端连接模拟导管的顶部；所述竖向加载框架安装在钢罐上端面，竖向作动器（其内具有检测输出竖向载荷大小的力传感器）通过滑轨安装在竖向加载框架上（竖向作动器可相对竖向加载框架滑动），竖向作动器的竖向载荷输出端通过接头插入模拟导管内并作用于模拟导管的顶部，所述竖向位移传感器为竖向布置的伸缩式位移传感器，其一端连接竖向加载框架，另一端连接模拟导管的顶部接头处。

进一步，为了便于更换土样前的排水，避免饱和土样中的水分大量无控制的流出，所述钢罐的前侧板的下部靠近所述底板处设置有排水阀门。

上述室内试验装置的装配过程如下：

第一步，在模拟导管的外壁面上沿轴向成对间隔粘贴多个应变片。

第二步，将模型导管竖直放置于钢罐中，使模拟导管的底部通过支架定位在钢罐的底板中心，应变片的导线沿钢罐内壁左或右侧面引出与数据采集及处理系统连接。

第三步，关闭钢罐的前侧板中位于最下面的一块门板，在钢罐内装填试验土样（即被水饱和后的粘土或砂土），装填到靠近该门板上沿时，再从下至上关闭一块门板，再装填试验土样，直至前侧板的所有门板关闭，装填完成；在装填过程中，在试验土样内间隔等距离的不同深度埋置多个土压力计，土压力计的导线沿钢罐内壁左或右侧面引出与数据采集及处理系统连接，装填到预定位置后，加试验用水再饱和，并静置一段时间，待试验土样充分饱和至满足试验要求。

第四步，将横向作动器和竖向作动器与作动控制器电连接，将横向作动器的横向载荷输出端通过适合模拟导管外径尺寸的横向加载环连接到模拟导管的顶部，将通过滑轨安装在竖向加载框架上的竖向作动器的竖向载荷输出端通过接头插入模拟导管内并作用于模拟导管的顶部。

第五步，将横向位移传感器的一端与钢罐上沿固定，将横向位移传感器的另一端与模拟导管的顶部连接，横向位移传感器的导线与数据采集及处理系统连接。

第六步，将竖向位移传感器的一端与竖向加载框架连接，将竖向位移传感器的另一端与模拟导管的顶部接头处连接，竖向位移传感器的导线与数据采集及处理系统连接。

在进行模拟导管竖向承载能力试验时，根据海洋深水钻井所需工况下的数据确定作用于模拟导管顶部的竖向力，如果进行静态承载能力试验，则使用作动控制器控制竖向作动器提供持续恒力实现加载，如果进行动态承载能力试验，则使用作动控制器控制竖向作动器提供动态变化力实现加载。竖向位移传感器检测到的数据被送入数据采集及处理系统内，通过数据采集及处理系统的处理分析，得到模拟导管的竖向承载能力。

在进行模拟导管横向承载能力试验时，根据海洋深水钻井所需工况下的数据确定作用于模拟导管顶部的横向力，如果进行静态承载能力试验，则使用作动控制器控制横向作动器提供持续恒力实现加载，如果进行动态承载能力试验，则使用作动控制器控制横向作动器实现不同作动频率和幅值的加载。应变片、土压力计和横向位移传感器检测到的数据被送入数据采集及处理系统内，通过数据采集及处理系统的处理分析，得到模拟导管的横向承载能力。

在进行模拟导管竖向、横向承载能力联合作用试验时，根据海洋深水钻井所需测试工况下的数据确定作用于导管顶部的竖向力和横向力，使用作动控制器控制竖向作动器施加竖向力，使用作动控制器控制横向作动器实现不同作动频率和幅值的横向力加载。应变片、土压力计、横向位移传感器和竖向位移传感器检测到的数据被送入数据采集及处理系统内，通过数据采集及处理系统的处理分析，得到模拟导管在竖向和横向载荷联合作用下的承载能力。

对于以上三种情况，均可以通过改变不同的参数，如试验土样参数、模拟导管参数、作用力大小、振动频率等，进行不同深水钻井工况下的导管的竖向、横向及竖、横向联合作用的承载能力试验。

本实用新型具有如下效果：

（1）钢罐采用方形结构，其底板、左侧板、右侧板和后侧板焊接为一体，其前侧板至少由两块可活动的门板上下并列构成，门板内壁四周镶有密封条，门板的左侧边与左侧板铰接，门板的右侧边为自由边且能与右侧板锁止固定，门板相对所述左侧板转动，以打开或者关闭所述钢罐。该结构设计便于试验土样的装卸，可大大减轻试验土样装填、更换的工作量，同时也降低了装填和更换试验土样过程中对模拟导管上的应变片及土压力计的破坏几率。

（2）钢罐的内壁面上设置的加强筋增加了钢罐的强度，能防止钢罐在模拟导管加载载荷、试验用水以及试验土样的作用下变形。

（3）加载装置采用作动控制器控制横向作动器和竖向作动器，能实现横向独立加载、竖向独立加载和横向、竖向联合加载，且加载的载荷能动态变化，能模拟复杂的海洋深水钻井作业工况。

（4）横向作动器通过横向加载环作用于模拟导管的顶部（即与模拟导管的顶部连接），该加载环由关节轴承开孔构成，大大减小了横向载荷加载过程中作用于模拟导管顶部附近的摩阻和弯矩。

（5）竖向作动器通过竖向加载框架安装在钢罐上端面，竖向作动器可相对竖向加载框架滑动，竖向作动器与横向作动器联合工作时，可以通过滑动的方式适应横向作动器的加载，其操作更换方便。 

（6）前侧板的下部设置的排水阀门能便于更换土样前的排水，避免饱和土样中的水分大量无控制的流出。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中A处的放大图。

图3为本实用新型中横向作动器与横向加载环的连接示意图。

图4为本实用新型中横向加载环的结构示意图（包括连接杆）。

图5为本实用新型中数据采集及处理系统获取数据的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1至图4所示的海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，包括上端开口且用于填装试验土样5和试验用水17（其覆盖在试验土样5上）的钢罐1（相当于钢罐无上盖），通过支架2定位且插在钢罐1底部中心的模拟导管3（其外径和壁厚由相似性原理根据实际钻井采用的导管比例尺寸确定），在模拟导管3的外壁面上沿轴向成对粘贴的十五对应变片4（应变片的对数可根据实际需要的测量精度要求选择），用于埋在试验土样5中且分别位于模拟导管两侧的六对土压力计6（土压力计的对数可根据实际需要的测量精度要求选择），安装在钢罐1上方且作用于模拟导管3顶部实现横、竖向加载的加载装置，位于试验土样5上方的横向位移传感器7和竖向位移传感器8，与应变片4、土压力计6、横向位移传感器7和竖向位移传感器8电连接的数据采集及处理系统9。

钢罐1为长方体结构，长1m、宽1m、高2m，且其内壁面的上、中、下部都焊接有一根加强筋10。钢罐1的左侧板、右侧板、后侧板采用厚度为10mm的钢板，底板采用厚度为30mm的钢板焊接为一体，钢罐1的前侧板由上、下两块（也可以是三块、四块等）可活动的门板（即上门板18和下门板19）上下并列构成，上门板18和下门板19采用厚度为10mm的钢板，下门板19的下部靠近钢罐的底板处设置有排水阀门16，上门板18和下门板19的内壁四周都镶有密封条20，上门板18和下门板19的左侧边都与钢罐1的左侧板铰接，上门板18和下门板19的右侧边都为自由边，且都能通过锁销与钢罐1的右侧板锁止固定，上门板18、下门板19相对钢罐1的左侧板转动，以打开或者关闭钢罐1。模拟导管3由一根外径为21.9mm、壁厚为3mm、长度为2m的无缝钢管制作而成（具体尺寸可根据实际情况改变）。

加载装置包括作动控制器（为伺服控制器）11、与作动控制器11电连接的横向作动器12、与作动控制器11电连接的竖向作动器13、横向加载环14以及竖向加载框架15；横向加载环14（相当于关节轴承）由具有外球面的内圈21和具有内球面的外圈22构成，在外圈22上开孔通过连接杆23进行连接，横向作动器12直接安装在钢罐1的上端面，其横向载荷输出端通过连接杆23与横向加载环14的外圈22连接，横向加载环14的内圈21套在模拟导管3的顶部，横向位移传感器7为横向布置的伸缩式位移传感器，其一端通过可控制强力磁铁固定在钢罐1的上沿，另一端连接模拟导管3的顶部；竖向加载框架15安装在钢罐1的上端面，竖向作动器13通过滑轨安装在竖向加载框架15上，竖向作动器13能相对竖向加载框架15滑动，竖向作动器13的竖向载荷输出端通过接头插入模拟导管3内并作用于模拟导管3的顶部，竖向位移传感器8为竖向布置的伸缩式位移传感器，其一端连接竖向加载框架15，另一端连接模拟导管3的顶部接头处。

其装配过程如下：

第一步，在模拟导管3的外壁面上沿轴向成对间隔粘贴十五对应变片4。

第二步，将模型导管3竖直放置于钢罐1中，使模拟导管3的底部通过支架2定位在钢罐1的底板中心，应变片4的导线沿钢罐1内壁左或右侧面引出与数据采集及处理系统9连接。

第三步，关闭钢罐1的下门板19，在钢罐1内装填试验土样5（即被水饱和后的粘土或砂土），装填满钢罐下部后，再关闭上门板18，再装填试验土样5，在装填过程中，在试验土样内间隔等距离的不同深度埋置六对土压力计6（即十二个土压力计），土压力计6的导线沿钢罐1内壁左或右侧面引出与数据采集及处理系统9连接，试验土样5装填到预定的1900mm深度位置，加试验用水17再饱和，并使模拟导管3插入钢罐1的试验土样5中的深度为1835mm，露出水面长度为165mm，静置7天时间，待试验土样5充分饱和后达到与原海洋土样相同的土力学参数。

第四步，将横向作动器12和竖向作动器13与作动控制器11电连接，将调整好位置并安装到钢罐1的上端面的横向作动器12的横向载荷输出端通过横向加载环14连接模拟导管3的顶部，将滑动安装的竖向作动器13的竖向载荷输出端通过接头插入模拟导管3内并作用于模拟导管3的顶部；其中，横向加载载荷作用点距模拟导管3的顶端55mm。

第五步，将横向位移传感器7的一端通过可控制强力磁铁固定在钢罐1的上沿，将横向位移传感器7的另一端与模拟导管3的顶部连接，横向位移传感器7对应于最上面的一对应变片4处，距模拟导管3的顶端110mm，横向位移传感器7的导线与数据采集及处理系统9连接。

第六步，将竖向位移传感器8的一端与竖向加载框架15连接，将竖向位移传感器8的另一端与模拟导管3的顶部接头处连接，竖向位移传感器8的导线与数据采集及处理系统9连接。

以模拟导管顶部受动态低频横向力作用的饱和粘土中导管承载能力试验为例，根据海洋深水钻井所需工况下的数据确定作用于导管顶部的动态横向力，以钻井平台慢漂运动引起的导管顶部受力为例，使用作动控制器11控制横向作动器12在模拟导管3的顶部施加呈正弦变化的动态横向力，使得模拟导管3横向往复摆动，动态横向力的最大值约为100N，变化周期典型值为10s，典型的动态横向力描述方程为F=100sin（2πt），其中t的单位为秒，F的单位为牛顿。应变片4、土压力计6和横向位移传感器7检测到的数据被送入数据采集及处理系统9内，通过数据采集及处理系统9的处理分析，得到模拟导管3的横向承载能力。

为了获取具有研究和应用价值的数据，执行以下试验过程：

（1）选定动态横向力作用周期:10s和循环次数:100次，改变动态横向力幅值:20N、50N、100N、150N、200N，观察模拟导管与试验土样脱离情况，测量并记录沿模拟导管深度各个应变点的应变随时间的变化情况。

（2）选定动态横向力幅值:100N和循环次数:100次，改变动态横向力作用周期:1s、5s、10s、50s、100s，观察模拟导管与试验土样脱离情况，测量并记录沿模拟导管深度各个应变点的应变随时间的变化情况。

（3）选定动态横向力幅值：100N和动态横向力作用周期:10s，改变循环次数：0到1000次，观察模拟导管与试验土样脱离情况，测量并记录沿模拟导管深度各个应变点的应变随时间的变化情况。

（4）选定动态横向力幅值：100N、动态横向力作用周期：10s和循环次数：200次，加竖向载荷：0N、50N、100N、150N、200N，观察模拟导管与试验土样脱离情况，测量并记录沿模拟导管深度各个应变点的应变随时间的变化情况。

每个参数实验完成后静置一段时间再进行下一个参数实验，尽量恢复被扰动的试验土样。

所有试验进行完毕后，如需更换成饱和砂土，则可先将排水阀门16打开，使钢罐1中饱和的试验土样中的水分缓慢流出，然后慢慢打开钢罐1的上门板18，卸除上部分粘土，再慢慢打开钢罐1的下门板19，完全清除钢罐1中的试验土样，然后按照前面的流程将试验土样更换为饱和砂土。

Claims (4)

1.一种海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，包括上端开口且用于填装试验土样（5）和试验用水（17）的钢罐（1），通过支架（2）定位且插在钢罐底部中心的模拟导管（3），在模拟导管的外壁面上沿轴向成对粘贴的多个应变片（4），用于埋在试验土样中的多个土压力计（6），安装在钢罐上方且用于模拟导管顶部横向、竖向加载的加载装置，位于试验土样上方的横向位移传感器（7）和竖向位移传感器（8），与应变片、土压力计、横向位移传感器和竖向位移传感器电连接的数据采集及处理系统（9）；其特征在于：所述钢罐（1）呈方形，其底板、左侧板、右侧板和后侧板焊接为一体，其前侧板至少由两块可活动的门板上下并列构成，门板内壁四周镶有密封条（20），门板的左侧边与所述左侧板铰接，门板的右侧边为自由边且能与所述右侧板锁止固定，门板相对所述左侧板转动，以打开或者关闭所述钢罐。

2.根据权利要求1所述的海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，其特征在于：所述钢罐（1）的内壁面上设置有加强筋（10）。

3.根据权利要求1或2所述的海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，其特征在于：所述加载装置包括作动控制器（11）、与作动控制器电连接的横向作动器（12）、与作动控制器电连接的竖向作动器（13）、横向加载环（14）以及竖向加载框架（15）；所述横向作动器（12）安装在钢罐上端面，其横向载荷输出端通过横向加载环（14）作用于模拟导管（3）的顶部，所述横向位移传感器（7）为横向布置的伸缩式位移传感器，其一端固定在钢罐的上沿，另一端连接模拟导管的顶部；所述竖向加载框架（15）安装在钢罐上端面，竖向作动器（13）通过滑轨安装在竖向加载框架（15）上，且其竖向载荷输出端通过接头插入模拟导管内并作用于模拟导管的顶部，所述竖向位移传感器（8）为竖向布置的伸缩式位移传感器，其一端连接竖向加载框架（15），另一端连接模拟导管（3）的顶部接头处。

4.根据权利要求3所述的海洋深水钻井导管承载能力室内模拟试验装置，其特征在于：所述钢罐（1）的前侧板的下部靠近所述底板处设置有排水阀门（16）。