一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統及試驗方法

2023-10-08 16:55:39 1

一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統及試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統，在上拖車連接板（3）和下拖車連接板（4）之間順次連接有上三分力儀（12）、上部連接結構、隔水管（13）、下部連接結構和下三分力儀（14），鑽柱（42）設置於隔水管內並連接驅動裝置，上部連接結構連接頂張力施加機構，鑽柱（42）下部連接鑽壓調節機構，潛水泵（5）連接下部連接結構；還公開了試驗方法。本發明的有益效果是：能夠全面準確的模擬隔水管在深海鑽井工況下與海洋環境耦合作用下的力學行為，該裝置能模擬海流環境、能施加隔水管頂部張力、能模擬不同流速的內部鑽井液循環、能模擬不同轉速的鑽柱旋轉以及施加不同的鑽壓。
【專利說明】一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及石油工程深水鑽井模擬【技術領域】，特別是一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統及試驗方法。
【背景技術】
[0002]海洋油氣資源目前已成為全球能源戰略的重要組成部分，深水海域將成為未來油氣資源勘探開發的主戰場。但深水區域開採環境惡劣，對深海鑽井裝備提出了更高的要求。在海洋油氣資源開採工程當中，隔水管是連接平臺和水下井口的關鍵設備，要承受海洋環境和鑽井工況的耦合作用，容易發生磨損、疲勞斷裂等事故，國內外已多次因隔水管事故造成重大的經濟損失和環境安全問題。隔水管隔離油井與外界海水、支撐各種控制管線、為鑽井液的循環提供通道、為鑽杆鑽井工作從鑽臺到海底井口裝置提供導向。因此隔水管失效會將會導致鑽井船、海底裝備和油井受到破壞，造成巨大的經濟損失，另外鑽井液的洩漏和以及石油的洩漏也將造成環境的嚴重汙染。
[0003]同時，隨著海洋鑽井向深水超深水發展、隨著隔水管長細比的不斷增加柔性特徵更加明顯，工程實際中施加在隔水管兩端頂張力也隨之增加，加之隔水管對其自身振動的動力響應使得隔水管上下邊界所受軸向力出現周期性的變化，因此隔水管軸向受力的特點對隔水管的軸向強度提出更高的要求；在垂直於海平面的方向上隔水管的巨大跨度使得在風浪流聯合作用下隔水管的橫向變形大大增加，而隨著隔水管橫向形變的增加在實際鑽井過程中不可避免的將造成隔水管與其內部鑽杆的碰撞磨損，這些特點要求對隔水管在其軸線方向各個位置的橫向形變量、隔水管與鑽柱碰撞磨損位置有精確認識，同時這也對隔水管的切向強度提出更大要求；此外，由於海流、波浪、風載荷等隔水管的渦激振動更加成為其疲勞破壞的重要原因。海水流經隔水管時會在管體兩側形成交替脫落的漩渦從而誘發隔水管的周期性振動，而隔水管的振動又會擾亂流產渦的脫落，當漩渦的脫落頻率與隔水管的固有頻率接近時便會發生鎖定現象，隔水管結構發生大幅共振，加速隔水管的疲勞破壞。
[0004]目前，對於隔水管或者海洋立管的研究大致分為三大類別:試驗方法、數值方法、半經驗公式。其中，對於試驗方法而言，隔水管的軸向受力變化情況，橫向載荷、受力變化情況以及橫向位移、應變的實時變化情況是一個複雜多變的變化過程；此外瀉渦脫落引發的渦激振動是一個多物理場耦合，相互作用的複雜過程，對於石油工程深海鑽井更為突出的是:除風、浪、流等海洋工況外，隔水管內部環空部分鑽井液循環、鑽柱旋轉與隔水管的碰撞摩擦等鑽井工況對於隔水管的力學行為同樣具有很大的影響。因此，要真實試驗研究實際生產過程當中隔水管的力學性能就需要具有一套完整物理試驗方案和精密的試驗儀器可以把所有相關機型同步觀測，以測定其聯合效應。物理試驗往往很難同時提供流體的瞬時變化數據，因此全面真實的模擬隔水管工況是試驗可信度的前提，對於隔水管和周圍流場的瞬時變化進行實時監測是試驗成功的關鍵。
[0005]目前，國內外對隔水管失效的研究更多的是著眼於隔水管的渦激振動而忽略了深海鑽井過程是一個周期較短的工程，疲勞破壞確實會對隔水管的壽命造成損傷，然而相較於風浪流等載荷的突變而造成的失效，隔水管渦激振動而引發的疲勞破壞已然處在次要地位。即便是對於渦激振動而言，國內外對隔水管失效的研究進行了不同海洋工況、不同長細t匕、不同材料的隔水管渦激振動試驗。其中，國內外大多數學者所進行的隔水管或立管渦激振動試驗主要將試驗重點集中在來流類型以及長細比的改變和雷諾數的跨度上。如:2005年，Chaplin開展了階梯流情況下的柔性立管潤激振動試驗。2006年，Trim等在Marintek海洋拖拽水池進行試驗，獲得了不同水流條件、高模態響應情況下高質量的數據，2009年，大連理工的張建僑在大連理工大學海岸和近海工程國家重點試驗室的非線性波浪水槽中開展了細長柔性立管渦激振動試驗等。但是，對於海洋鑽井過程中大長細比隔水管的渦激振動特性的複雜工況研究較為缺乏，2008年，郭海燕在原有試驗基礎上優化試驗設計考慮了不同張緊力、內流流速和質量比等因素對立管渦激振動響應的影響；2011年，郭海燕又在中國海洋大學的「風-浪-流」聯合水槽中進行立管在不同內流、外流和頂張力作用下渦激振動響應試驗。上述幾個考慮立管內流的試驗雖然對於隔水管鑽井工況的模擬有進一步提升卻依然不能較為全面的模擬真實海洋鑽井過程中隔水管的實際工況，對於隔水管力學行為的研究依舊不夠全面。

【發明內容】

[0006]本發明的目的在於克服現有技術的缺點，提供一種能夠全面準確的模擬隔水管在深海鑽井工況下力學行為的基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統。
[0007]本發明的目的通過以下技術方案來實現:一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統，它包括上滑動導軌、下滑動導軌、上拖車連接板、下拖車連接板、頂張力施加機構、鑽壓調節機構、潛水泵、空氣壓縮機、變頻器、伺服電機編碼器、內流流量計和控制箱，變頻器和伺服電機編碼器設置於防水箱內，上拖車連接板連接在上滑動導軌上，下拖車連接板連接在下滑動導軌上，上拖車連接板和下拖車連接板之間沿從上到下的方向設置有順次連接的上三分力儀、上部連接結構、隔水管、下部連接結構和下三分力儀，
所述的上部連接結構包括電機支架、波紋管、上三通接頭、上軸承蓋、板件A和上寶塔接頭，固定連接於上拖車連接板上的三分力儀的下端通過連接件與電機支架連接，驅動裝置固定安裝於電機支架上，驅動裝置的輸出軸通過聯軸器連接上夾持刀杆，電機支架上還設置有上固定支撐座，上夾持刀杆旋轉安裝於上固定支撐座的軸孔內並通過鎖緊螺釘實現上夾持刀杆沿其軸線方向的定位，上固定支撐座的下端依次連接波紋管和上三通接頭，上夾持刀杆的下端伸入波紋管內，上固定支撐座與波紋管之間設置有動密封結構，上三通接頭的下埠固定連接上軸承蓋，上軸承蓋內部設置有容置上關節軸承的凹槽A，上軸承蓋上設置有連通凹槽A的上管接頭，上管接頭與上三通接頭連接，上關節軸承安裝於上軸承蓋的凹槽A內，並由與上軸承蓋固定連接的板件A夾緊固定，上寶塔接頭的下端穿過上關節軸承並通過上端法蘭結構固定；
所述的頂張力施加機構包括與上拖車連接板固定連接的導軌塊A和由氣缸機構A驅動的滑塊A，導軌塊A上設置有垂直滑軌，滑塊A滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構A驅動滑動，滑塊A上固定連接有板件C，板件C上固定設置有兩個測量頂張力大小的傳感器，傳感器的一端固定安裝於板件C上，傳感器的另一端固定安裝於上軸承蓋上，兩個傳感器關於上寶塔接頭的軸線對稱；
所述的下部連接結構包括下固定支撐座、下三通接頭、下軸承蓋、板件B和下寶塔接頭，下夾持刀杆旋轉安裝於下固定支撐座的軸孔內，並通過鎖緊螺釘實現下夾持刀杆沿其軸線方向的定位，下夾持刀杆的上端伸入下三通接頭內，下三通接頭的下埠設置有動密封結構，下三通接頭的上埠連接下軸承蓋，下軸承蓋內部設置有容置下關節軸承的凹槽B，下軸承蓋的下部設置有連通凹槽A的下管接頭，下管接頭與下三通接頭連接，下關節軸承安裝於下軸承蓋的凹槽B內，並由與下軸承蓋固定連接的板件B夾緊固定，下寶塔接頭的上端穿過下關節軸承並通過下端法蘭結構固定，板件B通過連接件與下三分力儀的上端固定連接，下三分力儀的下端與下拖車連接板固定連接；
所述的鑽壓調節機構包括與下拖車連接板固定連接的導軌塊B和由氣缸機構B驅動的滑塊B，導軌塊B下設置有垂直滑軌，滑塊B滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構B驅動滑動，滑塊B與下固定支撐座固定連接；
隔水管的上端與上寶塔接頭連接，隔水管的下端與下寶塔接頭連接，鑽柱設置於隔水管內，鑽柱的上端安裝於上夾持刀杆上，鑽柱的下端安裝於下夾持刀杆上；
所述的空氣壓縮機的出氣口安裝有分流閥，分流閥通過管路A連接氣缸機構A，管路A上安裝有五位三通閥A，分流閥通過管路B連接氣缸機構B，管路B上安裝有五位三通閥B ；潛水泵通過輸水管連通下三通接頭的第三埠，上三通接頭的第三埠連接渦輪流量
計；
變頻器通過電纜連接潛水泵、伺服電機編碼器通過電纜連接驅動裝置；
變頻器、伺服電機編碼器、渦輪流量計、傳感器、五位三通閥A和五位三通閥B均通過電纜連接控制箱。
[0008]所述的驅動裝置包括伺服電機和與伺服電機連接的減速機，伺服電機編碼器通過電纜連接伺服電機。
[0009]採用一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統的實驗方法，它包括以下步驟:
51、頂張力調節，控制器通過五位三通閥A調節輸送至空氣壓縮機氣缸機構A的氣壓，驅動滑塊A沿導軌塊A上的垂直滑軌運動，由滑塊A帶動上軸承蓋向上或向下運動，隔水管上端與上軸承蓋固定連接，隔水管下端與板件B固定連接，由於板件B與通過下三分力儀與下拖車連接板固定連接，從而通過軸承蓋的向上或向下運動可以實現對隔水管的頂張力大小的調節，頂張力的大小通過傳感器測得並實時反饋至控制箱；從而通過控制器實現對五位三通閥A的調壓來施加試驗所需要的頂張力；
52、鑽壓調節，控制器通過五位三通閥B調節輸送至空氣壓縮機氣缸機構B的氣壓，驅動滑塊B沿導軌塊B上的垂直滑軌運動，由滑塊A帶動下固定支撐座向上或向下運動，由於鑽柱上端連接上夾持刀杆，上夾持刀杆由上固定支撐座軸向定位，上固定支撐座軸向位置固定，鑽柱下端連接下夾持刀杆，下夾持刀杆由下固定支撐座軸向定位，因而鑽柱上端固定，下端由下固定支撐座支撐，通過下固定支撐座向上或向下運動可以實現對鑽柱鑽壓的調節；
53、鑽柱轉速調節，通過控制箱直接輸入伺服電機轉速，控制箱將控制信號傳輸至伺服電機編碼器，從而控制驅動裝置的驅動電機按照設定轉速工作，從而實現對鑽柱轉速的調節;
S4、鑽井液循環調節，潛水泵輸出的鑽井液通過下三通進入隔水管內部並向上流動，最終從上三通的出水口流出，上三通接頭出水口連接的渦輪流量計測得流量反饋至控制箱，通過控制箱改變變頻器輸出電壓的頻率達到實時控制潛水泵的輸出流量，從實現實時控制鑽井液流量的功能。
[0010]本發明具有以下優點:本發明提供了一種能夠全面準確的模擬隔水管在深海鑽井工況下與海洋環境耦合作用下的力學行為的試驗裝置，該裝置能模擬海流環境、能施加隔水管頂部張力、能模擬不同流速的內部鑽井液循環、能模擬不同轉速的鑽柱旋轉以及施加不同的鑽壓。
[0011]在整個試驗裝置的空間構型當中隔水管模型豎直放置，上部機構真實的再現了在實際生產過程中隔水管的邊界條件，施加的頂張力可調節，下端連接潛水泵以抽水的形式模擬隔水管內部鑽井液的循環，並以潛水泵與變頻器的配合使用來調節鑽井液排量並以流量計進行監測，下部機構可調節的施加鑽壓，通過控制器可以方便的調節鑽柱轉速，電機轉速、鑽進液排量的控制實現可視化控制，三分力儀對隔水管在空間三個方向的力進行實時監測，真實再現實際隔水管的連接情況。通過試驗水池所模擬的風、浪、流作用在試驗裝置上，或試驗裝置水上、水下部分在水池上下兩端的拖車上同步運動，可進行鑽井工況與海洋環境耦合作用下的隔水管力學行為試驗。本裝置穩定可靠能夠在試驗水池內模擬多種不同鑽井參數，包括鑽井液密度、鑽井液排量、鑽柱轉速、張緊力、鑽柱拉力，以及風、浪、流及其聯合作用下的隔水管力學行為。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發明的結構示意圖
圖2為本發明的隔水管連接結構示意圖 圖3為本發明的下固定支撐座結構示意圖 圖4為本發明的下固定支撐座與下夾持刀杆連接結構示意圖 圖5為本發明的滑塊B與導軌塊B的配合結構示意圖
圖中，1-上滑動導軌，2-下滑動導軌，3-上拖車連接板，4-下拖車連接板，5-潛水泵，6-空氣壓縮機，7-變頻器，8-伺服電機編碼器，9-內流流量計，10-控制箱，11-防水箱，12-上三分力儀，13-隔水管，14-下三分力儀，15-電機支架，16-波紋管，17-上三通接頭，18-上軸承蓋，19-板件A，20-上寶塔接頭，21-驅動裝置，22-上固定支撐座，23-上夾持刀杆，24-動密封結構，25-凹槽A，26-上管接頭，27-上關節軸承，28-滑塊A，29-導軌塊A，30-板件C，31-下固定支撐座，32-下三通接頭，33-下軸承蓋，34-板件B，35-下寶塔接頭，36-下夾持刀杆，37-凹槽B，38-下管接頭，39-下關節軸承，40-滑塊B，41-導軌塊B，42-鑽柱，43-分流閥，44-管路A，45-五位三通閥A，46-管路B，47-五位三通閥B。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本發明做進一步的描述，本發明的保護範圍不局限於以下所述: 如圖1、圖2所示，一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統，它包括
上滑動導軌1、下滑動導軌2、上拖車連接板3、下拖車連接板4、頂張力施加機構、鑽壓調節機構、潛水泵5、空氣壓縮機6、變頻器7、伺服電機編碼器8、內流流量計9和控制箱10，變頻器7和伺服電機編碼器8設置於防水箱11內，上拖車連接板3通過螺栓緊固連接在上滑動導軌I上，下拖車連接板4通過螺栓緊固連接在上滑動導軌I上，拖車連接板和滑動導軌便構成了整個試驗臺架的上下支撐，上拖車連接板3和下拖車連接板4之間沿從上到下的方向設置有順次連接的上三分力儀12、上部連接結構、隔水管13、下部連接結構和下三分力儀14，為便於測量隔水管13和鑽柱42在空間三個方向上所受力的大小，上拖車連接板3、下拖車連接板4均為不鏽鋼矩形板件，在其直徑為36mm的圓上均勻分布四個通孔，通過這些孔便將上下兩個三分力儀以緊定螺釘的方式定位，鎖緊在相應的拖車連接板上。
[0014]所述的上部連接結構包括電機支架15、波紋管16、上三通接頭17、上軸承蓋18、板件A19和上寶塔接頭20，上三分力儀12上端與上拖車連接板3固定連接，上三分力儀12下端通過連接件與電機支架15連接，驅動裝置21固定安裝於電機支架15上，驅動裝置21的輸出軸通過聯軸器連接上夾持刀杆23，電機支架15上還設置有上固定支撐座22，上固定支撐座22內設置有與上夾持刀杆23配合的軸孔，上夾持刀杆23穿過上固定支撐座22的軸孔並通過鎖緊螺釘和刀杆加工的螺紋實現上夾持刀杆23沿其軸線方向的定位，上夾持刀杆23與上固定支撐座22的軸孔旋轉配合，即上夾持刀杆23外徑等於上固定支撐座22內徑可在上固定支撐座22內周向自由旋轉，上固定支撐座22的下端依次連接波紋管16和上三通接頭17，上夾持刀杆23的下端伸入波紋管16內，上固定支撐座22與波紋管16之間設置有密封波紋管16上埠、並允許上夾持刀杆23旋轉的動密封結構24，上三通接頭17的下埠固定連接上軸承蓋18，上軸承蓋18內部設置有容置上關節軸承27的凹槽A25，上軸承蓋18上設置有連通凹槽A25的上管接頭26，上管接頭26與上三通接頭17連接，上關節軸承27安裝於上軸承蓋18的凹槽A25內，設置於軸承下部的板件A19與上軸承蓋18固定連接，上關節軸承27由上軸承蓋18和板件A19夾緊固定，上寶塔接頭20的下端穿過上關節軸承27並通過上端法蘭結構固定，板件A19上設置有用於上寶塔接頭20穿出的讓位孔。
[0015]所述的頂張力施加機構包括與上拖車連接板3固定連接的導軌塊A29和由氣缸機構A驅動的滑塊A28，導軌塊A29上設置有垂直滑軌，滑塊A28滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構A驅動滑動，滑塊A28上固定連接有板件C30，板件C30上固定設置有兩個測量頂張力大小的傳感器，傳感器的一端固定安裝於板件C30上，傳感器的另一端固定安裝於上軸承蓋18上，兩個傳感器關於上寶塔接頭20的軸線對稱。
[0016]所述的下部連接結構包括下固定支撐座31、下三通接頭32、下軸承蓋33、板件B34和下寶塔接頭35，下固定支撐座31內設置有與下夾持刀杆36配合的軸孔，如圖3、圖4所示，下夾持刀杆36穿過下固定支撐座31的軸孔並通過鎖緊螺釘和刀杆加工的螺紋實現下夾持刀杆36沿其軸線方向的定位，下夾持刀杆36與下固定支撐座31的軸孔旋轉配合，即下夾持刀杆36外徑等於下固定支撐座31內徑可在下固定支撐座31內周向自由旋轉，下夾持刀杆36的上端伸入下三通接頭32內，下三通接頭32的下埠設置有密封下三通接頭32的下埠、並允許下夾持刀杆36旋轉的動密封結構24，下三通接頭32的上埠連接下軸承蓋33，下軸承蓋33內部設置有容置下關節軸承39的凹槽B37，下軸承蓋33的下部設置有連通凹槽A25的下管接頭38，下管接頭38與下三通接頭32連接，下關節軸承39安裝於下軸承蓋33的凹槽B37內，設置於軸承上部的板件B34與下軸承蓋33固定連接，下關節軸承39由下軸承蓋33和板件B34夾緊固定，下寶塔接頭35的上端穿過下關節軸承39並通過下端法蘭結構固定，板件B34上設置有用於下寶塔接頭35穿出的讓位孔，板件B34通過連接件與下三分力儀14的上端固定連接，下三分力儀14的下端與下拖車連接板4固定連接。
[0017]所述的鑽壓調節機構包括與下拖車連接板4固定連接的導軌塊B41和由氣缸機構B驅動的滑塊B40，導軌塊B41下設置有垂直滑軌，滑塊B40滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構B驅動滑動，如圖5所示，滑塊MO與下固定支撐座31固定連接。
[0018]隔水管13的上端與上寶塔接頭20連接並以抱箍固定，隔水管13的下端與下寶塔接頭35連接並以抱箍固定，鑽柱42設置於隔水管13內，鑽柱42的上端安裝於上夾持刀杆23上，鑽柱42的下端安裝於下夾持刀杆36上；安裝鑽柱42時，鑽柱42插入夾持刀杆端部的刀杆芯後旋鈕鎖緊刀杆帽將之鎖緊。
[0019]所述的空氣壓縮機6的出氣口安裝有分流閥43，分流閥43通過管路A44連接氣缸機構A，管路A44上安裝有五位三通閥A45，分流閥43通過管路B46連接氣缸機構B，管路B46上安裝有五位三通閥B47，受壓縮後一定壓強的壓力氣體一路經過五位三通閥A45連接氣缸機構A用於施加頂張力，另一路則通過五位三通閥B47連接氣缸機構B，用於施加鑽壓。
[0020]為了全面模擬隔水管13鑽井工況時對於內部流體流速的要求，潛水泵5通過輸水管連通下三通接頭32的第三埠並通過抱箍固定連接部，以隔水管13本身為鑽井液內流路徑，從下三通接頭32吸入水流又經過上寶塔接頭20、上三通接頭17排出，上三通接頭17的第三埠連接渦輪流量計。
[0021]變頻器7通過電纜連接潛水泵5，為了全面模擬隔水管13鑽井工況時對於內部鑽柱42轉速的要求， 伺服電機編碼器8通過電纜連接驅動裝置21的伺服電機。
[0022]變頻器7、伺服電機編碼器8、渦輪流量計、傳感器、五位三通閥A45和五位三通閥B47均通過電纜連接控制箱10。變頻器7和伺服電機編碼器8設置於防水箱11內，防水箱11通過一根通訊線連接控制箱10以此實現鑽井液流速、鑽柱42轉速的實時的可視化控制。
[0023]上三分力儀12和下三分力儀14用於分別測量鑽柱42和隔水管13空間三個方向上受力情況。
[0024]拖車連接板連接於滑動導軌上，上拖車連接板3和下拖車連接板4由伺服電機同步驅動沿滑動導軌滑動，可精確模擬海流流速。
[0025]所述的驅動裝置21包括伺服電機和與伺服電機連接的減速機。
[0026]所述的電機支架15包括上接觸板、下接觸板和連接上接觸板和下接觸板的連接
部，其近似呈「 ? 」型，上接觸板通過連接杆與固設於上三分力儀12的下端面上的連接板
固定連接，上接觸板開有通孔，孔徑為減速機止口直徑，伺服電機與減速機連接後通過螺栓連接在上接觸板上，上接觸板與減速機接觸面上開有孔，減速機輸出軸通過該孔連接聯軸器，聯軸器另一端連接上夾持刀杆23，下接觸板平行於豎直平面的面連接固定支撐座保證鑽柱42良好的垂直性和對中性。
[0027]所述的上軸承蓋18和下軸承蓋33內部均設計製造有兩級臺階，第一級臺階形成凹槽的用於與板件對向心關節軸承進行軸向定位，軸承蓋內徑與向心關節軸承過盈配合對軸承進行周向定位，同時保證密封性；第二級臺階形成的凹槽則是為了給穿過軸承的寶塔接頭在試驗時繞軸承轉動提供空間條件，寶塔接頭穿過關節軸承內徑並以自生的法蘭結構定位。軸承蓋和板件通過螺栓連接並通過置於軸承蓋內的O型圈較好的密封，板件A19和板件B34為一 5_厚的矩形鋁板，開有螺栓孔，同時開有供寶塔接頭通過的通孔。軸承蓋頂端帶法蘭結構與對應側的三通接頭以抱箍的方式連接。同樣以抱箍方式連接上三通接頭17與波紋管16及動密封結構24，用於保證整個鑽井液循環通路的氣密性。
[0028]所述潛水泵5為220V單相潛水泵5，使用時摘除水泵的啟動電容，直接將變頻器7的輸出端W、U、V與水泵接線盒的三線連接，通過改變變頻器7輸出三相220伏電流的頻率即可達到改變鑽井液排量的目的。
[0029]採用一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統的實驗方法，它包括以下步驟:
51、頂張力調節，控制器通過五位三通閥A45調節輸送至空氣壓縮機6氣缸機構A的氣壓，驅動滑塊A28沿導軌塊A29上的垂直滑軌運動，由滑塊A28帶動上軸承蓋18向上或向下運動，隔水管13上端與上軸承蓋18固定連接，隔水管13下端與板件B34固定連接，由於板件B34與通過下三分力儀14與下拖車連接板4固定連接，從而隔水管13下部緊固夾持，上部承受拉力而實現了隔水管13頂張力的施加，通過軸承蓋的向上或向下運動可以實現對隔水管13的頂張力大小的調節，頂張力的大小通過傳感器測得並實時反饋至控制箱10 ；從而通過控制器實現對五位三通閥A45的調壓來施加試驗所需要的頂張力，滑塊A28垂直向上運動則頂張力變大，滑塊B40垂直向下運動則頂張力變小；
52、鑽壓調節，控制器通過五位三通閥B47調節輸送至空氣壓縮機6氣缸機構B的氣壓，驅動滑塊MO沿導軌塊B41上的垂直滑軌運動，由滑塊A28帶動下固定支撐座31向上或向下運動，由於鑽柱42上端連接上夾持刀杆23，上夾持刀杆23由上固定支撐座22軸向定位，上固定支撐座22軸向位置固定，鑽柱42下端連接下夾持刀杆36，下夾持刀杆36由下固定支撐座31軸向定位，因而鑽柱42上端固定，下端由下固定支撐座31支撐，通過下固定支撐座31向上或向下運動可以實現對鑽柱42鑽壓的調節；
53、鑽柱42轉速調節，通過控制箱10直接輸入伺服電機轉速，控制箱10將控制信號傳輸至伺服電機編碼器8，從而控制驅動裝置21的驅動電機按照設定轉速工作，從而實現對鑽柱42轉速的調節；
54、鑽井液循環調節，潛水泵5輸出的鑽井液通過下三通進入隔水管13內部並向上流動，最終從上三通的出水口流出，上三通接頭17出水口連接的渦輪流量計測得流量反饋至控制箱10，通過控制箱10改變變頻器7輸出電壓的頻率達到實時控制潛水泵5的輸出流量，從實現實時控制鑽井液流量的功能，自下至上鑽井液經過潛水泵5、下三通接頭32、下軸承蓋33、下寶塔接頭35、隔水管13、上寶塔接頭20、上軸承蓋18、上三通接頭17便形成了鑽井液循環路徑；上部的動密封結構24和下部的動密封結構24實現鑽井液迴路的密封。
【權利要求】
1.一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統，其特徵在於:它包括上滑動導軌(1)、下滑動導軌(2)、上拖車連接板(3)、下拖車連接板(4)、頂張力施加機構、鑽壓調節機構、潛水泵(5)、空氣壓縮機(6)、變頻器(7)、伺服電機編碼器(8)、內流流量計(9)和控制箱(10)，變頻器(7)和伺服電機編碼器(8)設置於防水箱(11)內，上拖車連接板(3)連接在上滑動導軌(1)上，下拖車連接板(4)連接在下滑動導軌(2)上，上拖車連接板(3)和下拖車連接板(4)之間沿從上到下的方向設置有順次連接的上三分力儀(12 )、上部連接結構、隔水管(13)、下部連接結構和下三分力儀(14)， 所述的上部連接結構包括電機支架(15)、波紋管(16)、上三通接頭(17)、上軸承蓋(18)、板件A (19)和上寶塔接頭(20)，固定連接於上拖車連接板(3)上的三分力儀的下端通過連接件與電機支架(15 )連接，驅動裝置(21)固定安裝於電機支架(15 )上，驅動裝置(21)的輸出軸通過聯軸器連接上夾持刀杆(23)，電機支架(15)上還設置有上固定支撐座(22)，上夾持刀杆(23)旋轉安裝於上固定支撐座(22)的軸孔內並通過鎖緊螺釘實現上夾持刀杆(23)沿其軸線方向的定位，上固定支撐座(22)的下端依次連接波紋管(16)和上三通接頭(17)，上夾持刀杆(23)的下端伸入波紋管(16)內，上固定支撐座(22)與波紋管(16)之間設置有動密封結構(24)，上三通接頭(17)的下埠固定連接上軸承蓋(18)，上軸承蓋(18)內部設置有容置上關節軸承(27)的凹槽A (25)，上軸承蓋(18)上設置有連通凹槽A (25)的上管接頭(26 )，上管接頭(26 )與上三通接頭(17 )連接，上關節軸承(27 )安裝於上軸承蓋(18)的凹槽A(25)內，並由與上軸承蓋(18)固定連接的板件A (19)夾緊固定，上寶塔接頭(20)的下端穿過上關節軸承(27)並通過上端法蘭結構固定； 所述的頂張力施加機構包括與上拖車連接板(3)固定連接的導軌塊A (29)和由氣缸機構A驅動的滑塊A (28)，導軌塊A (29)上設置有垂直滑軌，滑塊A (28)滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構A驅動滑動，滑塊A (28)上固定連接有板件C (30)，板件C (30)上固定設置有兩個測量頂張力大小的傳感器，傳感器的一端固定安裝於板件C (30)上，傳感器的另一端固定安裝於上軸承蓋(18)上，兩個傳感器關於上寶塔接頭(20)的軸線對稱； 所述的下部連接結構包括下固定支撐座(31)、下三通接頭(32)、下軸承蓋(33)、板件B(34)和下寶塔接頭(35)，下夾持刀杆(36)旋轉安裝於下固定支撐座(31)的軸孔內，並通過鎖緊螺釘實現下夾持刀杆(36)沿其軸線方向的定位，下夾持刀杆(36)的上端伸入下三通接頭(32)內，下三通接頭(32)的下埠設置有動密封結構(24)，下三通接頭(32)的上埠連接下軸承蓋(33 )，下軸承蓋(33 )內部設置有容置下關節軸承(39 )的凹槽B (37 )，下軸承蓋(33)的下部設置有連通凹槽A (25)的下管接頭(38)，下管接頭(38)與下三通接頭(32)連接，下關節軸承(39)安裝於下軸承蓋(33)的凹槽B (37)內，並由與下軸承蓋(33)固定連接的板件B (34)夾緊固定，下寶塔接頭(35)的上端穿過下關節軸承(39)並通過下端法蘭結構固定，板件B (34)通過連接件與下三分力儀(14)的上端固定連接，下三分力儀(14)的下端與下拖車連接板(4)固定連接； 所述的鑽壓調節機構包括與下拖車連接板(4)固定連接的導軌塊B (41)和由氣缸機構B驅動的滑塊B (40)，導軌塊B (41)下設置有垂直滑軌，滑塊B (40)滑動設置於垂直滑軌上並由氣缸機構B驅動滑動，滑塊B (40)與下固定支撐座(31)固定連接； 隔水管(13)的上端與上寶塔接頭(20)連接，隔水管(13)的下端與下寶塔接頭(35)連接，鑽柱(42)設置於隔水管(13)內，鑽柱(42)的上端安裝於上夾持刀杆(23)上，鑽柱(42)的下端安裝於下夾持刀杆(36)上； 所述的空氣壓縮機(6)的出氣口安裝有分流閥(43)，分流閥(43)通過管路A (44)連接氣缸機構A，管路A (44)上安裝有五位三通閥A (45)，分流閥(43)通過管路B (46)連接氣缸機構B，管路B (46)上安裝有五位三通閥B (47)； 潛水泵(5)通過輸水管連通下三通接頭(32)的第三埠，上三通接頭(17)的第三埠連接渦輪流量計； 變頻器(7)通過電纜連接潛水泵(5)、伺服電機編碼器(8)通過電纜連接驅動裝置(21)； 變頻器(7)、伺服電機編碼器(8)、渦輪流量計、傳感器、五位三通閥A (45)和五位三通閥B (47)均通過電纜連接控制箱(10)。
2.根據權利要求1所述的一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統，其特徵在於:所述的驅動裝置(21)包括伺服電機和與伺服電機連接的減速機，伺服電機編碼器(8)通過電纜連接伺服電機。
3.採用如權利要求1所述的一種基於深水鑽井工況下的隔水管力學行為試驗模擬系統的實驗方法，其特徵在於:它包括以下步驟: S1、頂張力調節，控制器通過五位三通閥A(45)調節輸送至空氣壓縮機(6)氣缸機構A的氣壓，驅動滑塊A (28)沿導軌塊A (29)上的垂直滑軌運動，由滑塊A (28)帶動上軸承蓋(18)向上或向下運動，隔水管(13)上端與上軸承蓋(18)固定連接，隔水管(13)下端與板件B (34)固定連接，由於板件B (34)與通過下三分力儀(14)與下拖車連接板(4)固定連接，從而通過軸承蓋的向上或向下運動可以實現對隔水管(13)的頂張力大小的調節，頂張力的大小通過傳感器測得並實時反饋至控制箱(10)，從而通過控制器實現對五位三通閥A (45)的調壓來施加試驗所需要的頂張力； S2、鑽壓調節，控制器通過五位三通閥B(47)調節輸送至空氣壓縮機(6)氣缸機構B的氣壓，驅動滑塊B (40)沿導軌塊B (41)上的垂直滑軌運動，由滑塊A (28)帶動下固定支撐座(31)向上或向下運動，由於鑽柱(42)上端連接上夾持刀杆(23)，上夾持刀杆(23)由上固定支撐座(22)軸向定位，上固定支撐座(22)軸向位置固定，鑽柱(42)下端連接下夾持刀杆(36)，下夾持刀杆(36)由下固定支撐座(31)軸向定位，因而鑽柱(42)上端固定，下端由下固定支撐座(31)支撐，通過下固定支撐座(31)向上或向下運動可以實現對鑽柱(42)鑽壓的調節； S3、鑽柱(42)轉速調節，通過控制箱(10)直接輸入伺服電機轉速，控制箱(10)將控制信號傳輸至伺服電機編碼器(8)，從而控制驅動裝置(21)的驅動電機按照設定轉速工作，從而實現對鑽柱(42)轉速的調節；S4、鑽井液循環調節，潛水泵(5)輸出的鑽井液通過下三通進入隔水管(13)內部並向上流動，最終從上三通的出水口流出，上三通接頭(17)出水口連接的渦輪流量計測得流量反饋至控制箱(10)，通過控制箱(10)改變變頻器(7)輸出電壓的頻率達到實時控制潛水泵(5 )的輸出流量，從實現實時控制鑽井液流量的功能。
【文檔編號】E21B47/007GK103726832SQ201310725402
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月25日 優先權日:2013年12月25日
【發明者】劉清友, 毛良傑, 周守為, 姜偉, 伊海洋, 楊秀夫, 劉正禮, 黃鑫, 付強, 任濤, 王國榮, 易楊 申請人:西南石油大學