耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置
技术领域
本发明属于海洋石油装备工程领域，具体涉及耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置。
背景技术
现有隔水管用于连接底部防喷器和顶部钻探装置，内部导入有钻具和套管构成泥浆循环通道，外部承受波浪、海流、地震等复杂恶劣的环境荷载，薄弱易损且成本较大。此外，随着水深增加，常规钻井隔水管系统愈加庞大，对钻井平台和锚泊系统承载能力的要求愈加严格，同时地层压力窗口过窄、钻井液用量增加、钻机设备承载更苛刻、套管使用量过大等问题也愈加突出，诸多因素限制深水钻井从而增加项目风险和技术成本。
无隔水管钻探是新型钻井技术，钻柱裸露在海水中，大大减少浮式钻井装置承重，有效降低钻井成本，可解决复杂海底条件下钻井难题。在海上石油和天然气钻井作业中，涡激振动给科学钻探无隔水管钻井作业以及所有涉及石油和天然气勘探的钻井作业的初始阶段带来了问题。涡激振动频率接近立管的固有频率时，会出现“锁定”共振现象，从而导致振幅增强并加速疲劳破坏，引起管道破裂和泄露，造成巨大的经济损失并引发严重的海洋污染和次生灾害。尤其在无隔水管钻井中，钻柱被降低并直接暴露在环境中，钻柱的涡激振动也会导致幅值增加和疲劳寿命缩短。另外，含钻井液循环的钻柱动力响应测试及无隔水管钻柱振动抑制尚为研究空白。
因此亟待开发一种耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动测试装置，开展无隔水管钻井工况下钻柱动力学特性分析，研究无隔水管钻井作业时钻柱的力学行为，探究不同工作转速下钻柱动力响应变化，分析其在环境载荷及钻井平台运动等作用下的受力和变形规律，计算海水段钻柱耦合涡激振动作用下的疲劳损坏，以保障钻井作业安全可靠性。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的缺陷，不同于一般的涡激振动试验装置，提供了一种耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置，将为无隔水管钻井技术钻柱优化、强度校核、作业参数和钻井参数的优选提供技术支持；并为钻井液循环流体力学、无隔水管钻柱涡激振动分析提供实验平台和测试方法。
旨在有效模拟深海无隔水管钻柱钻进过程中的受力及变形等力学特性。解决钻柱转动问题，实现转动钻柱模型1和非转动固定装置及传感设备的连接固定，并能够解决数据采集和动力测量的难题。另外依据本发明，密封套筒与钻井液循环软管之间的可伸缩套管不仅提供了钻井液循环通道，而且能够调节钻井液循环软管与钻柱的间距，有效探究钻柱模型1和钻井液循环软管之间的干涉和抑制区间。
为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置，包括放置于波浪流联合水槽内的钻柱模型1、荷载激励设备、钻井液循环装置、数据监测传感装置，荷载激励设备连接于无隔水管钻柱顶端，钻柱模型1及钻井液循环装置连接有数据监测传感装置，钻井液循环装置通过可伸缩套管11与钻柱模型1连接，钻柱模型1通过钻柱模型1底部连接的万向接头2嵌入旋转轴承12内，并通过高强螺栓和螺母14连接固定板上，固定板固定于支撑装置27底部。
优选地，荷载激励设备包括步进式调速电机15、电动液压装置16及施力绞盘20；步进式调速电机15的转动端连接于钻柱模型1上，显示并精确调节转速；步进式调速电机15的固定端连接电动液压装置16，电动液压装置16对钻柱模型1实施轴向激振；电动液压装置16及施力绞盘20之间安装有数据监测传感装置。
优选地，数据监测传感装置包括光纤光栅应变传感器21、光纤滑环22、光纤光栅解调仪24、工作站25、三向力传感器17、载荷放大器26，光纤光栅应变传感器21的光纤设有测点23，光纤光栅应变传感器21连接于光纤滑环22上，光纤滑环22放置于步进式调速电机15转动端与固定端交界处，通过光纤滑环实现试验系统转动端向固定端的应变、位移数据传递；电动液压装置16上端连接三向力传感器17，通过载荷放大器26连接工作站25，实现横向、顺流向及轴向力的精准测量，三向力传感器17顶端连接钢丝绳18，钢丝绳18透过固定板28并绕过定滑轮19，缠绕在在施力绞盘20上，能够为整个钻柱模型1测试系统提供张紧力。
优选地，钻井液循环装置，包括钻柱模型1，钻柱模型1底端均通过万向接头2嵌入旋转轴承12内连接固定，旋转轴承12采用高强螺栓和螺母14与固定板28固定连接；钻柱模型1与钻井液循环软管5通过可伸缩套管11连接，钻井液循环软管5顶端、底端分别连接对称布置密封套筒3，万向接头2均处于密封套筒3的一端；万向接头2设置4个开孔和相对应4个开孔内的顶丝13，将钻柱模型1紧密固定；万向接头2一端设置套接滚珠密封圈4内的密封套筒3，依据滚珠密封圈4实现钻柱模型1转动和密封套筒3固定，在密封套筒3内密封有钻井液10；在底端密封套筒3附近，钻井液循环软管5上安装耐磨混输泵8、阀门9、密度计6及流量计7，通过耐磨混输泵8和阀门9实现钻井液10流量提升和流动控制，密度计6及流量计7对钻井液流量及密度进行精准把控，实现气、液、固多相混输。
优选地，可伸缩套管11上带有刻度尺29，钻柱模型和钻井液循环软管通过密封套筒及可伸缩套管连接，实现钻井液循环软管与钻柱模型之间距离精确调节。
优选地，钻柱模型1及钻井液循环软管均采用复合材料制成，以保证内外流及工作荷载作用下结构的力学性能。
优选地，在钻柱底端，万向接头上端连接钻柱模型1，下端同上部类似外置密封套筒，不同的是底部嵌入回转轴承内，该万向接头能够保证钻柱模型1转动、横向、顺流向自由振动，并能达到内部钻井液循环的试验目标。
优选地，钻柱模型1和钻井液循环软管通过密封套筒及可伸缩套管连接，实现钻井液循环软管与钻柱模型1之间距离调节，有效探究钻柱模型1的尾流干涉和振动抑制区间。
优选地，可伸缩套管内部采用变截面设计，水击现象对于目前耦合内流涡激振动试验数据影响很大，本发明采用变截面设计能够起到缓冲作用，以增强接头处内流的稳定性。
优选地，钻柱模型1及钻井液循环软管5均采用复合材料制成。
与现有技术相比较，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够实现波浪流作用下的钻柱转动，并能有效模拟工作工况荷载，旨在波浪流联合水槽内实现不同水流流速、波高以及不同转速、轴向激励作用下的钻柱动力响应测试，能够有效模拟不同类型、密度、流量的钻井液及其循环对钻柱动力响应的影响，降低内流对钻柱内壁冲击作用的影响。2、保证钻柱模型1转动的同时，解决外部波浪流耦合内部钻井液作用引发的钻柱涡激振动模拟测试的难题。3、采用密封套筒及压力混输泵等装置能够有效模拟无隔水管钻井的吸入模块，实现钻井液在钻柱模型1和钻井液循环软管5的储存和循环。4、钻柱模型1与钻井液回收软管的可伸缩套管内部变截面设计可有效防止水击现象的发生，能够加强接头处水流作用的稳定性。5、钻柱模型1与钻井液循环软管5的可伸缩套管11通过伸缩变换可以实现不同钻柱模型1与钻井液循环软管的间距，有效探究钻柱模型1与钻井液循环软管之间的干涉效应及振动抑制区间。6、数据监测传感系统有效实现动力响应采集，并能够实现变换转速，轴向荷载，钻井液相态、密度和流速作用下的动力响应测试和钻柱应变、位移、三向力、加速度的精准测量。
附图说明
图1是本发明耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置的结构示意图；
图2是本发明耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置的钻柱模型顶端局部结构示意图；
图3是本发明耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置的钻柱模型与钻井液循环软管的剖面示意图；
图4是本发明耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置的动力响应试验流程图；
图中，1—钻柱模型，2—万向接头；3—密封套筒，4—滚珠密封圈，5—钻井液循环软管，6—密度计，7—流量计，8—耐磨混输泵，9—阀门，10—多相钻井液，11—可伸缩套管，12—旋转轴承，13—开孔和顶丝，14—高强螺栓和螺母，15—步进式调速电机，16—电动液压装置，17—三向力传感器，18—钢丝绳，19—定滑轮，20—施力绞盘，21—光纤光栅应变传感器，22—光纤滑环，23—测点，24—光纤光栅解调仪，25—工作站，26—载荷放大器，27—支撑装置，28—固定板，29—刻度尺，30—横梁。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，耦合钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱振动试验装置，包括放置于波浪流联合水槽内的钻柱模型1、荷载激励设备、钻井液循环装置、数据监测传感装置，荷载激励设备连接于无隔水管钻柱顶端，钻柱模型1及钻井液循环装置连接有数据监测传感装置，钻井液循环装置通过可伸缩套管11与钻柱模型1连接，钻柱模型1通过钻柱模型1底部连接的万向接头2嵌入旋转轴承内，并通过高强螺栓和螺母14连接固定板上，固定板28固定于支撑装置27底部。支撑装置27采用横梁30加固，可固定于波浪流水槽边壁，以增强整个试验装置的稳定性。
优选地，荷载激励设备对钻柱模型1施加转速、轴向力工作荷载激励，通过混输泵、流量计、密度计、密封套筒、万向接头以及复合材料柔性软管实现钻井液泵入、测量、回收和循环；通过光纤光栅应变传感器21、光纤滑环22、三向力传感器17实现钻柱动力响应的测量和数据监测。钻柱模型1外接钻井液循环软管5，实现钻柱模型1在外部波流以及内部钻井液10作用下的振动响应试验测试。荷载激励设备包括步进式调速电机15、电动液压装置16及施力绞盘20；步进式调速电机15的转动端连接于钻柱模型1上，显示并精确调节转速；步进式调速电机15的固定端连接电动液压装置16，电动液压装置16对钻柱模型1实施轴向激振；电动液压装置16及施力绞盘20之间安装有数据监测传感装置。
优选地，数据监测传感装置包括安装在钻柱表面光纤光栅应变传感器21、光纤滑环22、光纤光栅解调仪24、工作站25、三向力传感器17、载荷放大器26，光纤光栅应变传感器21的光纤设有测点23，光纤光栅应变传感器21连接于光纤滑环22上，光纤滑环22放置于步进式调速电机15转动端与固定端交界处，通过光纤滑环实现试验系统转动端向固定端的应变、位移等数据传递；电动液压装置16上端连接三向力传感器17，通过载荷放大器26连接工作站25，实现横向、顺流向及轴向力的精准测量，三向力传感器17顶端连接钢丝绳18，钢丝绳18透过固定板28并绕过定滑轮19，缠绕在在施力绞盘20上，能够为整个钻柱模型1测试系统提供张紧力。光纤光栅应变传感器21抗磁干扰能力较强，三向力传感器17能够实现力的精准测量，对结构受力及变形进行精准捕捉，具有较强优势和适应性。
如图3所示，钻井液循环装置，包括钻柱模型1，钻柱模型1底端均通过万向接头2嵌入旋转轴承12内连接固定，保证钻柱模型1能够转动，并且实现外流耦合内流作用下的钻柱涡激振动。旋转轴承12采用高强螺栓和螺母14与固定板28固定连接；钻柱模型1与钻井液循环软管5通过可伸缩套管11管道连接，钻井液循环软管5顶端、底端分别连接对称布置密封套筒3，万向接头2均处于密封套筒3的一端；钻柱模型1和钻井液循环软管5通过密封套筒3及可伸缩套管11连接，实现钻井液循环软管5与钻柱模型1之间距离调节，有效探究钻柱模型1的尾流干涉和振动抑制区间。万向接头2设置4个开孔和相对应4个开孔内的顶丝13，可以将钻柱模型1紧密固定，保证万向接头2与钻柱模型1之间没有相对位移。万向接头2一端设置套接滚珠密封圈4内的密封套筒3，依据滚珠密封圈4实现钻柱模型1转动和密封套筒3固定，在密封套筒3内密封有钻井液10；在底端密封套筒3附近，钻井液循环软管5上安装耐磨混输泵8、阀门9、密度计6及流量计7，通过耐磨混输泵8和阀门9实现钻井液10流量提升和流动控制，密度计6及流量计7对钻井液流量及密度进行精准把控，该钻井液循环系统可实现气、液、固多相混输，满足不同类型、排量、密度钻井液10工作工况。可根据工况需求进行准确定位，该钻井液循环装置不仅能够实现钻井液10循环，且依据控制杆原理对钻柱模型1进行尾流干涉及振动控制。
可伸缩套管11上带有刻度尺29，钻柱模型1和钻井液循环软管5通过密封套筒3及可伸缩套管11连接，实现钻井液循环软管5与钻柱模型1之间距离精确调节。由于水击现象对于目前耦合内流涡激振动试验数据影响很大，可伸缩套管11内部采用变截面设计，本发明采用变截面设计能够起到缓冲作用，以增强接头处内流的稳定性。可有效防止水击现象的发生，能够加强接头处水流作用的稳定性，解决内流干扰的难题。
优选地，在钻柱底端，万向接头上端连接钻柱模型1，下端外置密封套筒3，万向接头2底部嵌入旋转轴承内，该万向接头能够保证钻柱模型1转动、横向、顺流向自由振动，达到内部钻井液循环的试验目标。
如图4所示，钻柱模型1及钻井液循环软管5均采用复合材料，以保证内外流及工作荷载作用下结构的抗拉、抗压、抗弯、抗扭等力学性能。钻柱模型1，荷载激励设备，钻井液循环装置，数据监测传感系统通过高强螺栓和螺母14连接在固定板28上，支撑装置27固定安装钻柱模型1及钻井液回收软管5，该含钻井液循环的复合材料无隔水管钻柱动力响应测试系统整体放置于波浪流联合水槽内，可实现波浪、水流、钻井液及外部激励作用下的钻柱动力响应测试，并对其动力响应进行精准测量。
以上所述仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
