一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置及模拟试验方法

摘要

本发明公开了一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置，它包括带有造波系统的深水试验池（1）、水平移动机构（2），滑块A（6）上固定有垂向设置的圆柱直线导轨（7），滑块B（8）的端面上设置有L型钢板（9），L型钢板（9）的垂直板经螺钉固定在滑块B（8）上，胀紧套（10）的圆周方向设置有多个锁紧螺钉（11），它还包括计算机（21）以及与计算机（21）连接的控制箱（23）、数据采集箱（22），控制箱（23）与伺服电机（28）连接，数据采集箱（22）与应变片、三分力仪和光纤光栅传感器（20）连接。本发明的有益效果是：可真实可靠的模拟深水钻井平台硬悬挂隔水管避台工况、通用性强、试验结果稳定可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及深水钻井的技术领域，特别是一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置及模拟试验方法。

背景技术

目前，世界油气资源的增长50%来自于深水，在深水区域已发现29个超过5亿桶的大型油气田，全球各大石油公司也逐步将战略重点转入深水油气资源勘探开发，深水已经成为全球油气资源储量的主要接替领域。

然而，我国在深水钻井技术上仍处于起步阶段，相关技术扔被外国公司垄断，尤其在隔水管安全控制技术上。隔水管系统是指连接海底防喷器与海面钻井平台的关键设备，是从海上钻井平台下到海底的一个连接通道，其上接导流器，下连海底防喷器组，由于处于海水之中，其所受的载荷与工况是极其复杂的易发生事故，尤其在应急避台时，隔水管需要快速解脱，并随平台运动撤离，极易发生隔水管失效事故。隔水管应急避台时，由于时间紧急，隔水管来不及回收，常采用硬悬挂的方式，将隔水管悬挂与卡盘上，悬挂处属于刚性连接。此后，平台悬挂着隔水管以一定的速度，进行撤离。在这种隔水管与海水的相对运动状态下，隔水管受力巨大，极易发生失效事故。

中国专利ZL201310169000.X，本发明公开了一种深水钻井工况下隔水管振动特性模拟试验装置，它包括水池和拖车，提升装置A设置于拖车的水平滑轨上，隔水管模型连接提升装置A底部的接头A和提升装置B底部的接头B，接头A连通容器，接头B连通液泵，隔水管模型上还设置有张力调节装置，还公布了采用该装置的实验方法。该试验装置只适用于不同长度的隔水管模型，可模拟不同张紧力、不同钻井液密度、不同钻井液粘度、不同钻井排量、不同钻井转速对隔水管模型振动特性的影响，可在试验过程中准确的获得实时数据。

中国专利ZL201310290359.2，本发明公开了一种管道试验装置，尤其是一种海上钻井用隔水管试验装置。它包括两台管道封堵装置，管道封堵装置包括底座和封堵法兰，管道封堵装置还包括自由度调节系统，自由度调节系统分别安装在底座上，封堵法兰安装在自由度调节系统上并通过自由度调节系统调节空间位置，自由度调节系统至少由X轴旋转机构、Y轴平移机构、Y轴旋转机构、Z轴平移机构以及Z轴旋转机构组成。由于采用了自由度调节系统，因此封堵法兰可通过上述机构在空间任意调节，使得封堵法兰能够与任意位置的隔水管组件法兰相对应密封，从而可以使六根压力管子同时进行试验。

但是，国内外相关试验装置还没有涉及有深水钻井平台硬悬挂隔水管力学行为试验装置，且试验方法并不全面。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可真实可靠的模拟深水钻井平台硬悬挂隔水管避台工况、通用性强、试验结果稳定可靠的深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置及模拟试验方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置，它包括带有造波系统的深水试验池、水平移动机构，所述的水平移动机构设置在深水试验池的上方，水平移动机构由横梁、设置在横梁两侧的滚轮箱和伺服电机、安装在伺服电机输出端的皮带轮以及皮带组成，滚轮箱内的滚轮与皮带轮之间安装有皮带，皮带上设置有滑块A，滑块A上固定有垂向设置的圆柱直线导轨，圆柱直线导轨上安装滑块B，滑块B的端面上设置有L型钢板，L型钢板的垂直板经螺钉固定在滑块B上，L型钢板的水平板上设置有胀紧套，胀紧套的圆周方向设置有多个锁紧螺钉；

它还包括隔水管模型短节、隔水管模型和三分力仪，所述的三分力仪的上、下端分别设置有宝塔接头I和宝塔接头II，隔水管模型和隔水管模型短节均垂向设置，宝塔接头I插入到隔水管模型短节的下部，隔水管模型短节的上部插入到胀紧套内，胀紧套与隔水管模型短节之间抵压有多个应变片，宝塔接头II插入到隔水管模型的上部，隔水管模型的下部设置有砝码，隔水管模型的外壁布置有按照实验方案设计的浮力块，隔水管模型的柱面上且位于隔水管模型的圆周方向等间距分布有光纤光栅传感器；

它还包括计算机以及与计算机连接的控制箱、数据采集箱，所述的控制箱与伺服电机连接，数据采集箱与应变片、三分力仪和光纤光栅传感器连接。

所述的横梁的两侧分别设置有支架A和支架B，支架A和支架B设置在深水试验池的两侧。

所述的三分力仪的上端经法兰盘I与宝塔接头I连接，所述的三分力仪的下端经法兰盘II的宝塔接头II连接。

一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为的模拟试验方法，它包括以下步骤：

S1、选择一定长度的隔水管模型，并在其上布置浮力块的配置，将隔水管模型悬挂于深水试验池内；

S2、根据海底防喷器的重量，按照相似理论缩小，在隔水管模型底部悬挂砝码；

S3、对三分力仪、应变片以及光纤光栅传感器上的数据进行清零处理；

S4、利用深水试验池内的造波系统形成试验所需的波浪，启动伺服电机，伺服电机带动皮带运动，皮带带动隔水管模型运动，此时数据采集箱采集三分力仪、应变片以及光纤光栅传感器上的数据，并将数据传递给计算机，当滑块A运动到靠近滚轮箱后，立即关闭伺服电机并停止造波以实现停止采集数据；

S5、通过改变隔水管模型的长度、隔水管模型表面浮力块的配置方式、隔水管模型底部悬挂砝码重量、波浪参数、伺服电机的速度，重复步骤S1、S2、S3和S4，即可模拟不同长度的隔水管在不同浮力块的配置、不同海洋环境以及不同平台运动速度下、不同海底防喷器重量下、深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学特性以及硬悬挂隔水管顶部的应力变化。

本发明具有以下优点：本发明可真实可靠的模拟深水钻井平台硬悬挂隔水管避台工况、通用性强、试验结果稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的水平移动机构的结构示意图；

图3为本发明的隔水管模型的安装结构示意图；

图4为图3的I部放大视图；

图5为图4的俯视图；

图6为图3的II部放大视图；

图7为图3的III部放大视图；

图8为图7的A-A截面视图；

图9为本发明的隔水管模型与四个光纤光栅传感器的安装示意图；

图中，1-深水试验池，2-水平移动机构，3-横梁，4-滚轮箱，5-皮带，6-滑块A，7-圆柱直线导轨，8-滑块B，9-L型钢板，10-胀紧套，11-锁紧螺钉，12-隔水管模型短节，13-隔水管模型，14-三分力仪，15-宝塔接头I，16-宝塔接头II，17-应变片，18-砝码，19-浮力块，20-光纤光栅传感器，21-计算机，22-数据采集箱，23-控制箱，24-支架A，25-支架B，26-法兰盘I，27-法兰盘II，28-伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1-5所示，一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为模拟试验装置，它包括带有造波系统的深水试验池1、水平移动机构2，所述的水平移动机构2设置在深水试验池1的上方，水平移动机构2由横梁3、设置在横梁3两侧的滚轮箱4和伺服电机28、安装在伺服电机28输出端的皮带轮以及皮带5组成，横梁3的两侧分别设置有支架A24和支架B25，支架A24和支架B25设置在深水试验池1的两侧，滚轮箱4内的滚轮与皮带轮之间安装有皮带5，皮带5上设置有滑块A6，可通过计算机向控制箱23传输信号以控制伺服电机28的转速，进而控制皮带5的转速，皮带5又带动隔水管模型13运动，最终模拟平台在海水中的运动。

如图1-5所示，滑块A6上固定有垂向设置的圆柱直线导轨7，圆柱直线导轨7上安装有滑块B8，滑块B8在浮力块19的作用下可沿着圆柱直线导轨7做向上或向下的运动，滑块B8的端面上设置有L型钢板9，L型钢板9用于模拟钻井平台，L型钢板9的垂直板经螺钉固定在滑块B8上，L型钢板9的水平板上设置有胀紧套10，胀紧套10的圆周方向设置有多个锁紧螺钉11。

如图1、6、7、8所示，它还包括隔水管模型短节12、隔水管模型13和三分力仪14，所述的三分力仪14的上、下端分别设置有宝塔接头I15和宝塔接头II16，隔水管模型13和隔水管模型短节12均垂向设置，宝塔接头I15插入到隔水管模型短节12的下部，隔水管模型短节12的上部插入到胀紧套10内，胀紧套10与隔水管模型短节12之间抵压有多个应变片17，应变片17用于测量试验过程中夹持部位力学特性。宝塔接头II16插入到隔水管模型13的上部，隔水管模型13的下部设置有砝码18，可根据试验需要调整砝码18重量，砝码18用以模拟海底防喷器的重量。

如图1、6、7、8、9所示，隔水管模型13的外壁上布置有按照实验方案设计的浮力块19，浮力块19的布置方式根据隔水管模型13以及实验方案设计进行调节，试验过程中可以根据试验需要布置于隔水管模型13上，入有25%、50%、75%、100%等覆盖方式。所述的隔水管模型13的柱面上且位于隔水管模型13的圆周方向等间距分布有光纤光栅传感器20。通过调节胀紧套10上锁紧螺钉11的松紧程度可夹持隔水管模型短节12的夹紧程度，以模拟平台硬悬挂隔水管时的状态。隔水管模型短节12和隔水管模型13的材质可以是PVC材质也可以是钢材，可根据深水试验池1水深以及试验要求进行设计。

如图1所示，它还包括计算机21以及与计算机21连接的控制箱23、数据采集箱22，所述的控制箱23与伺服电机28连接，数据采集箱22与应变片17、三分力仪14和光纤光栅传感器20连接。

如图6所示，三分力仪14的上端经法兰盘I26与宝塔接头I15连接，所述的三分力仪14的下端经法兰盘II27的宝塔接头II16连接。

一种深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学行为的模拟试验方法，它包括以下步骤：

S1、选择一定长度的隔水管模型13，并在其上布置浮力块19的配置，将隔水管模型13悬挂于深水试验池1内；

S2、根据海底防喷器的重量，按照相似理论缩小，在隔水管模型13底部悬挂砝码18；

S3、对三分力仪14、应变片17以及光纤光栅传感器20上的数据进行清零处理；

S4、利用深水试验池1内的造波系统形成试验所需的波浪，启动伺服电机28，伺服电机28带动皮带5运动，皮带5带动隔水管模型13运动，此时数据采集箱22采集三分力仪14、应变片17以及光纤光栅传感器20上的数据，并将数据传递给计算机21，当滑块A6运动到靠近滚轮箱4后，立即关闭伺服电机28并停止造波以实现停止采集数据；

S5、通过改变隔水管模型13的长度、隔水管模型13表面浮力块19的配置方式、隔水管模型13底部悬挂砝码18重量、波浪参数、伺服电机28的速度，重复步骤S1、S2、S3和S4，即可模拟不同长度的隔水管在不同浮力块的配置、不同海洋环境以及不同平台运动速度下、不同海底防喷器重量下、深水钻井平台硬悬挂隔水管避台力学特性以及硬悬挂隔水管顶部的应力变化。