水下井口系統加載試驗裝置及其試驗方法
2023-06-28 06:29:21 2
專利名稱：水下井口系統加載試驗裝置及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及模擬實驗裝置，尤其是模擬深水鑽井的水下井口系統穩定性的試驗裝置。
背景技術：
全世界未發現的海上油氣儲量有90%潛伏在水深超過IOOOm以下的地層，所以深水鑽井技術水平關係著深海油氣勘探開發的步伐。對於海洋深水鑽井工程而言，鑽井環境條件隨水深的增加變得更加複雜，容易出現常規的鑽井工程難以克服的技術難題，因此深水鑽井技術的發展是影響未來石油發展的重要因素。目前，深水鑽井時採用的水下井口系統一般由鑽井隔水管、防噴器以及井口頭組成，深水鑽井時水下井口承受的作用力主要來自由於隔水管底部接頭處的豎向和橫向反力、防噴器組及懸掛套管串的重力、作用於防噴器組及井口的橫向波流力、海底土層對套管的豎向和橫向阻力等。這些作用力的共同作用可能引起井口下陷或傾斜，當井口承受的彎矩值超出設計極限時將存遭受破壞。在施工作業方面臨的首要問題就是在哪裡打井，也就是海底井場選擇的問題。海底井場的選擇往往要面對以下幾個問題1)海洋鑽井隔水導管水平方向受到複雜的海流力、波浪力及其他力的作用，因此，需要對井口進行穩定性分析，判斷在風浪流等水平載荷的作用下是否會發生傾覆、失穩，而導管-海底土間的相互作用決定了井口的橫向相應問題。但海底土特性變化多樣，從軟粘土、粉質粘土、硬粘土到砂質粉土、粉質細沙、中砂和粗砂等，而且在不同的海區、海域，土特性也會有很大的差別。因此，研究不同特性的海底土對導管橫向響應的影響，對導管的穩定性分析具有重要的意義。2)如何安全有效的固定導管問題。深水鑽井往往要將幾十噸甚至上百噸的海底防噴器安裝在海底的導管上，因此海底導管附近地層的屬性是否能夠為防噴器提供支撐，是能否安全開展後續施工作業的前提。 因此在進行井場選擇的時候要著重考慮導管與地層的承重能力，確保後續鑽井施工安全。 3)導管的下入深度過淺，則可能造成套管柱下陷失穩等事故；若下入深度過大，則造成經濟上的浪費。所以需要對導管承載能力進行計算分析，研究導管下入深度的確定方法。4) 由於深水海底情況複雜，以上幾種情況往往會同時出現，因此要根據地質資料等現場數據， 權衡選擇一種科學合理的施工方案，保證鑽井施工的順利進行。雖然國外有關文獻提出了井口存在的穩定性問題，但是並沒有建立針對該問題的理論分析方法。同時，由於海洋環境載荷對隔水管的動態響應直接作用到水下井口及其以下的套管柱上，需要研究動態因素對井口穩定性的影響，這方面未見相關文獻報導。
發明內容
本發明提供一種模擬深水鑽井現場的水下井口系統加載試驗裝置。本試驗裝置針對深水鑽井特點，可以模擬隔水管頂部張緊力、鑽井船漂移量、隔水管擺動位移、偏移角度及地基反力等對水下井口、導管系統的力學性能及穩定性的影響，可以對深水鑽井的井口力學穩定性及導管承載能力進行模型試驗，揭示各種因素對水下井口穩定性及導管承載能力的影響規律和敏感性。本發明同時提供這種試驗裝置的試驗方法。為達到上述目的，本發明的加載試驗裝置採取的技術方案是它是在一個基坑的上方設有一個門形架，所述的門形架是在兩個豎向立柱上安裝有可以上下活動的橫梁，門形架的橫梁上安裝有水平滑動件，水平滑動件由上板、下板和兩根豎向拉杆組成，且上、下板與橫梁接觸的部位均設有滾動軸承，水平滑動件上安裝有施加垂直拉力或壓力的豎向助動器，水平滑動件的一側安裝有推動滑動件往返運動的水平助動器；基坑中設有模擬的水下井口導管樁，通過導管樁將模擬井口系統固定在門形架內；模擬井口系統由模擬的隔水管、水下井口及防噴器組成；隔水管頂端與豎向助動器底端球鉸接，隔水管的底部與防噴器球鉸接。上述的水平助動器和豎向助動器均為液壓缸，並由液壓伺服控制系統進行控制。為了達到更好的模擬效果，本發明水平滑動件與豎向助動器以及橫梁之間的安裝關係優先選用以下兩種情況一是水平滑動件套在門形架橫梁上，豎向助動器的底座連接在水平滑動件的下板上，從而將豎向助動器固定在水平滑動件上。二是豎向助動器的底座作為水平滑動件的上板，豎向助動器穿過橫梁和水平滑動件下板，從而將豎向助動器固定在水平滑動件上。上述試驗裝置的試驗方法如下第一步在模擬的水下井口導管樁的沿管長方向上對稱布設上測量軸向荷載和水平荷載的應變片；第二步將配製待試驗的土體填在基坑中，並將模擬的水下井口導管樁埋入該土中；第三步將橫梁下移，使豎向助動器與導管樁頂接觸，固定橫梁，豎向助動器逐級增大荷載，來模擬防噴器重量，並測試加載過程中導管樁的樁身應變，及導管樁頂的荷載——沉降關係曲線，確定導管樁基的豎向承載力及在荷載作用下井口的沉降量；第四步將橫梁上移到一定高度並固定，連接井口系統和隔水管，隔水管頂部通過球鉸與豎向助動器相連；用豎向助動器對井口系統施加一定的張拉力，同時用水平助動器進行循環水平加載，模擬波流荷載作用下鑽井平臺和隔水管的運動；第五步在上述步驟的同時，測量防噴器球鉸處的位移和轉角及井口導管樁基的水平位移；第六步對測量數據進行分析，評定井口系統模型的穩定性。本發明的優點是本發明針對深水鑽井的井口力學穩定性及導管承載能力進行模型試驗，能夠模擬海洋環境載荷作用下鑽井船或平臺漂移、隔水管運動等循環荷載以及隔水管上的張拉力，揭示了各種因素對水下井口穩定性及導管承載能力的影響規律和敏感性，主要表現在I.同時施加豎向和水平向荷載，模擬現場荷載狀況，進行隔水管、防噴器、水下井口系統、導管樁基與土體作用的整體耦合響應分析；2.模擬循環水平荷載作用下，導管樁基與土體間接觸面間隙的產生與閉合，通過測試循環荷載作用下，井口頭處的水平位移和荷載，得到導管樁基的水平抗力退化曲線；3.得到不同張拉力作用下，隔水管底部球鉸轉角與水平荷載間的關係曲線，對指導現場隔水管施加張拉力對底部球鉸轉角的影響有指導意義總之，本發明對深水海域的油氣資源開發提供技術支撐，為海洋鑽井的井口系統的穩定性分析提供了依據。
圖I是水下井口系統加載試驗裝置實施例的示意圖；圖2是水平滑動件與橫梁連接處實施例一的結構示意圖。圖3是水平滑動件與橫梁連接處實施例二的結構示意圖。圖例說明，I-基坑，2-橫梁，3-滑動軸承，4-水平滑動件，5-豎向助動器，6_水平助動器，7-隔水管，8-井口及防噴器，9-應變片，10-井口導管樁，11-液壓伺服控制系統， 12-上板，13-下板，14-豎向拉杆。
具體實施例方式本發明的加載試驗裝置是在一個基坑I的上方設有一個門形架，所述的門形架是在兩個豎向立柱上安裝有可以上下活動的橫梁2，門形架的橫梁2上設有水平滑動件4，水平滑動件4由上板12、下板13和兩根豎向拉杆14組成，下板13與橫梁2下底面接觸的部位以及上板12與橫梁2頂面接觸的部位上均設有滾動軸承3 ;水平滑動件4上安裝有施加垂直壓力的豎向助動器5，水平滑動件4的一側安裝有推動滑動件4往返運動的水平助動器6 ;基坑I中設有模擬的水下井口導管樁10，通過井口導管樁10將模擬井口系統固定在門形架內；模擬井口系統由模擬的隔水管7、井口及防噴器8組成；隔水管7頂端與豎向助動器5底端球鉸接，隔水管7的底部與井口及防噴器8球鉸接。上述的水平助動器5和豎向助動器6均為液壓缸，並由液壓伺服控制系統進行控制(圖中未畫出)。水平滑動件4與豎向助動器5以及橫梁2之間的安裝關係見圖2和圖3 ;實施例一水平滑動件4套在門形架橫梁2上，豎向助動器5的底座連接在水平滑動件4的下板13上，從而將豎向助動器5固定在水平滑動件4上(見圖2)。實施例二 水平滑動件4與豎向助動器5以及橫梁2之間的安裝關係為豎向助動器5的底座作為水平滑動件4的上板12，豎向助動器5穿過橫梁2和水平滑動件下板13， 從而將豎向助動器5固定在水平滑動件4上(見圖3)。上述的水平助動器5和豎向助動器6均為液壓缸，並由液壓伺服控制系統進行控制(圖中未畫出)。上述試驗裝置的試驗方法如下第一步在模擬的水下井口導管樁10的沿管長方向上對稱布設上測量軸向荷載和水平荷載的應變片9 ；第二步將配製待試驗的土體填在基坑I中，並將模擬的水下井口導管樁10埋入該土中；第三步將橫梁2下移，使豎向助動器5與水下井口導管樁10頂接觸，固定橫梁2，豎向助動器5逐級增大荷載，來模擬防噴器重量，並測試加載過程中導管樁10的樁身應變， 及水下井口導管樁10頂的荷載——沉降關係曲線，確定導管樁基的豎向承載力及在荷載作用下井口的沉降量；第四步將橫梁2上移到一定高度並固定，連接井口系統和隔水管7，隔水管7頂部通過球鉸與豎向助動器5相連；用豎向助動器5對井口系統施加一定的張拉力，同時用水平助動器6進行循環水平加載，模擬波流荷載作用下鑽井平臺和隔水管7的運動；第五步在上述步驟的同時，測量防噴器球鉸處的位移和轉角及井口導管樁基的水平位移；第六步對測量數據進行分析，評定井口系統模型的穩定性。
權利要求
1.一種水下井口系統加載試驗裝置，其特徵在於，它是在一個基坑的上方設有一個門形架，所述的門形架是在兩個豎向立柱上安裝有可以上下活動的橫梁，門形架的橫梁上安裝有水平滑動件，水平滑動件由上板、下板和兩根豎向拉杆組成，且上、下板與橫梁接觸的部位均設有滾動軸承，水平滑動件上安裝有施加垂直拉力或壓力的豎向助動器，水平滑動件的一側安裝有推動滑動件往返運動的水平助動器；基坑中設有模擬的水下井口導管樁， 通過導管樁將模擬井口系統固定在門形架內；模擬井口系統由模擬的隔水管、水下井口及防噴器組成；隔水管頂端與豎向助動器底端球鉸接，隔水管的底部與防噴器球鉸接；上述的水平助動器和豎向助動器均為液壓缸，並由液壓伺服控制系統進行控制。
2.如權利要求I所述的水下井口系統加載試驗裝置，其特徵在於，水平滑動件套在門形架橫梁上，豎向助動器的底座連接在水平滑動件的下板上，從而將豎向助動器固定在水平滑動件上。
3.如權利要求I所述的水下井口系統加載試驗裝置，其特徵在於，豎向助動器的底座作為水平滑動件的上板，豎向助動器穿過橫梁和水平滑動件下板，從而將豎向助動器固定在水平滑動件上。
4.一種如權利要求1-3任一所述的裝置的試驗方法，其特徵在於，步驟如下第一步在模擬的水下井口導管樁的沿管長方向上對稱布設上測量軸向荷載和水平荷載的應變片；第二步將配製待試驗的土體填在基坑中，並將模擬的水下井口導管樁埋入該土中；第三步將橫梁下移，使豎向助動器與導管樁頂接觸，固定橫梁，豎向助動器逐級增大荷載，來模擬防噴器重量，並測試加載過程中導管樁的樁身應變，及導管樁頂的荷載——沉降關係曲線，確定導管樁基的豎向承載力及在荷載作用下井口的沉降量；第四步將橫梁上移到一定高度並固定，連接井口系統和隔水管，隔水管頂部通過球鉸與豎向助動器相連。用豎向助動器對井口系統施加一定的張拉力，同時用水平助動器進行循環水平加載，模擬波流荷載作用下鑽井平臺和隔水管的運動；第五步在上述步驟的同時，測量防噴器球鉸處的位移和轉角及井口導管樁基的水平位移；第六步對測量數據進行分析，評定井口系統模型的穩定性。
全文摘要
本發明公開了一種水下井口系統加載試驗裝置及其試驗方法，它是在一個基坑的上方設有一門形架，門形架的橫梁上安裝有水平滑動件，水平滑動件上安裝有豎向助動器，水平滑動件的一側安裝有水平助動器；基坑中設有模擬的水下井口導管樁，通過導管樁將模擬井口系統固定在門形架內；模擬井口系統的隔水管頂端與豎向助動器底端球鉸接，隔水管的底部與模擬井口系統的防噴器球鉸接。通過上述實驗裝置能夠模擬海洋環境載荷作用下鑽井船或平臺漂移、隔水管運動等循環荷載以及隔水管上的張拉力，揭示了各種因素對水下井口穩定性及導管承載能力的影響規律和敏感性。
文檔編號E21B47/001GK102606139SQ20121005361
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者孫寶江, 王騰, 高永海 申請人:中國石油大學(華東)