一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统，在上拖车连接板（3）和下拖车连接板（4）之间顺次连接有上三分力仪（12）、上部连接结构、隔水管（13）、下部连接结构和下三分力仪（14），钻柱（42）设置于隔水管内并连接驱动装置，上部连接结构连接顶张力施加机构，钻柱（42）下部连接钻压调节机构，潜水泵（5）连接下部连接结构；还公开了试验方法。本发明的有益效果是：能够全面准确的模拟隔水管在深海钻井工况下与海洋环境耦合作用下的力学行为，该装置能模拟海流环境、能施加隔水管顶部张力、能模拟不同流速的内部钻井液循环、能模拟不同转速的钻柱旋转以及施加不同的钻压。
【专利说明】一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油工程深水钻井模拟【技术领域】，特别是一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统及试验方法。
【背景技术】
[0002]海洋油气资源目前已成为全球能源战略的重要组成部分，深水海域将成为未来油气资源勘探开发的主战场。但深水区域开采环境恶劣，对深海钻井装备提出了更高的要求。在海洋油气资源开采工程当中，隔水管是连接平台和水下井口的关键设备，要承受海洋环境和钻井工况的耦合作用，容易发生磨损、疲劳断裂等事故，国内外已多次因隔水管事故造成重大的经济损失和环境安全问题。隔水管隔离油井与外界海水、支撑各种控制管线、为钻井液的循环提供通道、为钻杆钻井工作从钻台到海底井口装置提供导向。因此隔水管失效会将会导致钻井船、海底装备和油井受到破坏，造成巨大的经济损失，另外钻井液的泄漏和以及石油的泄漏也将造成环境的严重污染。
[0003]同时，随着海洋钻井向深水超深水发展、随着隔水管长细比的不断增加柔性特征更加明显，工程实际中施加在隔水管两端顶张力也随之增加，加之隔水管对其自身振动的动力响应使得隔水管上下边界所受轴向力出现周期性的变化，因此隔水管轴向受力的特点对隔水管的轴向强度提出更高的要求；在垂直于海平面的方向上隔水管的巨大跨度使得在风浪流联合作用下隔水管的横向变形大大增加，而随着隔水管横向形变的增加在实际钻井过程中不可避免的将造成隔水管与其内部钻杆的碰撞磨损，这些特点要求对隔水管在其轴线方向各个位置的横向形变量、隔水管与钻柱碰撞磨损位置有精确认识，同时这也对隔水管的切向强度提出更大要求；此外，由于海流、波浪、风载荷等隔水管的涡激振动更加成为其疲劳破坏的重要原因。海水流经隔水管时会在管体两侧形成交替脱落的漩涡从而诱发隔水管的周期性振动，而隔水管的振动又会扰乱流产涡的脱落，当漩涡的脱落频率与隔水管的固有频率接近时便会发生锁定现象，隔水管结构发生大幅共振，加速隔水管的疲劳破坏。
[0004]目前，对于隔水管或者海洋立管的研究大致分为三大类别:试验方法、数值方法、半经验公式。其中，对于试验方法而言，隔水管的轴向受力变化情况，横向载荷、受力变化情况以及横向位移、应变的实时变化情况是一个复杂多变的变化过程；此外泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程，对于石油工程深海钻井更为突出的是:除风、浪、流等海洋工况外，隔水管内部环空部分钻井液循环、钻柱旋转与隔水管的碰撞摩擦等钻井工况对于隔水管的力学行为同样具有很大的影响。因此，要真实试验研究实际生产过程当中隔水管的力学性能就需要具有一套完整物理试验方案和精密的试验仪器可以把所有相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理试验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据，因此全面真实的模拟隔水管工况是试验可信度的前提，对于隔水管和周围流场的瞬时变化进行实时监测是试验成功的关键。
[0005]目前，国内外对隔水管失效的研究更多的是着眼于隔水管的涡激振动而忽略了深海钻井过程是一个周期较短的工程，疲劳破坏确实会对隔水管的寿命造成损伤，然而相较于风浪流等载荷的突变而造成的失效，隔水管涡激振动而引发的疲劳破坏已然处在次要地位。即便是对于涡激振动而言，国内外对隔水管失效的研究进行了不同海洋工况、不同长细t匕、不同材料的隔水管涡激振动试验。其中，国内外大多数学者所进行的隔水管或立管涡激振动试验主要将试验重点集中在来流类型以及长细比的改变和雷诺数的跨度上。如:2005年，Chaplin开展了阶梯流情况下的柔性立管润激振动试验。2006年，Trim等在Marintek海洋拖拽水池进行试验，获得了不同水流条件、高模态响应情况下高质量的数据，2009年，大连理工的张建侨在大连理工大学海岸和近海工程国家重点试验室的非线性波浪水槽中开展了细长柔性立管涡激振动试验等。但是，对于海洋钻井过程中大长细比隔水管的涡激振动特性的复杂工况研究较为缺乏，2008年，郭海燕在原有试验基础上优化试验设计考虑了不同张紧力、内流流速和质量比等因素对立管涡激振动响应的影响；2011年，郭海燕又在中国海洋大学的“风-浪-流”联合水槽中进行立管在不同内流、外流和顶张力作用下涡激振动响应试验。上述几个考虑立管内流的试验虽然对于隔水管钻井工况的模拟有进一步提升却依然不能较为全面的模拟真实海洋钻井过程中隔水管的实际工况，对于隔水管力学行为的研究依旧不够全面。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够全面准确的模拟隔水管在深海钻井工况下力学行为的基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统。
[0007]本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统，它包括上滑动导轨、下滑动导轨、上拖车连接板、下拖车连接板、顶张力施加机构、钻压调节机构、潜水泵、空气压缩机、变频器、伺服电机编码器、内流流量计和控制箱，变频器和伺服电机编码器设置于防水箱内，上拖车连接板连接在上滑动导轨上，下拖车连接板连接在下滑动导轨上，上拖车连接板和下拖车连接板之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上三分力仪、上部连接结构、隔水管、下部连接结构和下三分力仪，
所述的上部连接结构包括电机支架、波纹管、上三通接头、上轴承盖、板件A和上宝塔接头，固定连接于上拖车连接板上的三分力仪的下端通过连接件与电机支架连接，驱动装置固定安装于电机支架上，驱动装置的输出轴通过联轴器连接上夹持刀杆，电机支架上还设置有上固定支撑座，上夹持刀杆旋转安装于上固定支撑座的轴孔内并通过锁紧螺钉实现上夹持刀杆沿其轴线方向的定位，上固定支撑座的下端依次连接波纹管和上三通接头，上夹持刀杆的下端伸入波纹管内，上固定支撑座与波纹管之间设置有动密封结构，上三通接头的下端口固定连接上轴承盖，上轴承盖内部设置有容置上关节轴承的凹槽A，上轴承盖上设置有连通凹槽A的上管接头，上管接头与上三通接头连接，上关节轴承安装于上轴承盖的凹槽A内，并由与上轴承盖固定连接的板件A夹紧固定，上宝塔接头的下端穿过上关节轴承并通过上端法兰结构固定；
所述的顶张力施加机构包括与上拖车连接板固定连接的导轨块A和由气缸机构A驱动的滑块A，导轨块A上设置有垂直滑轨，滑块A滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构A驱动滑动，滑块A上固定连接有板件C，板件C上固定设置有两个测量顶张力大小的传感器，传感器的一端固定安装于板件C上，传感器的另一端固定安装于上轴承盖上，两个传感器关于上宝塔接头的轴线对称；
所述的下部连接结构包括下固定支撑座、下三通接头、下轴承盖、板件B和下宝塔接头，下夹持刀杆旋转安装于下固定支撑座的轴孔内，并通过锁紧螺钉实现下夹持刀杆沿其轴线方向的定位，下夹持刀杆的上端伸入下三通接头内，下三通接头的下端口设置有动密封结构，下三通接头的上端口连接下轴承盖，下轴承盖内部设置有容置下关节轴承的凹槽B，下轴承盖的下部设置有连通凹槽A的下管接头，下管接头与下三通接头连接，下关节轴承安装于下轴承盖的凹槽B内，并由与下轴承盖固定连接的板件B夹紧固定，下宝塔接头的上端穿过下关节轴承并通过下端法兰结构固定，板件B通过连接件与下三分力仪的上端固定连接，下三分力仪的下端与下拖车连接板固定连接；
所述的钻压调节机构包括与下拖车连接板固定连接的导轨块B和由气缸机构B驱动的滑块B，导轨块B下设置有垂直滑轨，滑块B滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构B驱动滑动，滑块B与下固定支撑座固定连接；
隔水管的上端与上宝塔接头连接，隔水管的下端与下宝塔接头连接，钻柱设置于隔水管内，钻柱的上端安装于上夹持刀杆上，钻柱的下端安装于下夹持刀杆上；
所述的空气压缩机的出气口安装有分流阀，分流阀通过管路A连接气缸机构A，管路A上安装有五位三通阀A，分流阀通过管路B连接气缸机构B，管路B上安装有五位三通阀B ；潜水泵通过输水管连通下三通接头的第三端口，上三通接头的第三端口连接涡轮流量
计；
变频器通过电缆连接潜水泵、伺服电机编码器通过电缆连接驱动装置；
变频器、伺服电机编码器、涡轮流量计、传感器、五位三通阀A和五位三通阀B均通过电缆连接控制箱。
[0008]所述的驱动装置包括伺服电机和与伺服电机连接的减速机，伺服电机编码器通过电缆连接伺服电机。
[0009]采用一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统的实验方法，它包括以下步骤:
51、顶张力调节，控制器通过五位三通阀A调节输送至空气压缩机气缸机构A的气压，驱动滑块A沿导轨块A上的垂直滑轨运动，由滑块A带动上轴承盖向上或向下运动，隔水管上端与上轴承盖固定连接，隔水管下端与板件B固定连接，由于板件B与通过下三分力仪与下拖车连接板固定连接，从而通过轴承盖的向上或向下运动可以实现对隔水管的顶张力大小的调节，顶张力的大小通过传感器测得并实时反馈至控制箱；从而通过控制器实现对五位三通阀A的调压来施加试验所需要的顶张力；
52、钻压调节，控制器通过五位三通阀B调节输送至空气压缩机气缸机构B的气压，驱动滑块B沿导轨块B上的垂直滑轨运动，由滑块A带动下固定支撑座向上或向下运动，由于钻柱上端连接上夹持刀杆，上夹持刀杆由上固定支撑座轴向定位，上固定支撑座轴向位置固定，钻柱下端连接下夹持刀杆，下夹持刀杆由下固定支撑座轴向定位，因而钻柱上端固定，下端由下固定支撑座支撑，通过下固定支撑座向上或向下运动可以实现对钻柱钻压的调节；
53、钻柱转速调节，通过控制箱直接输入伺服电机转速，控制箱将控制信号传输至伺服电机编码器，从而控制驱动装置的驱动电机按照设定转速工作，从而实现对钻柱转速的调节;
S4、钻井液循环调节，潜水泵输出的钻井液通过下三通进入隔水管内部并向上流动，最终从上三通的出水口流出，上三通接头出水口连接的涡轮流量计测得流量反馈至控制箱，通过控制箱改变变频器输出电压的频率达到实时控制潜水泵的输出流量，从实现实时控制钻井液流量的功能。
[0010]本发明具有以下优点:本发明提供了一种能够全面准确的模拟隔水管在深海钻井工况下与海洋环境耦合作用下的力学行为的试验装置，该装置能模拟海流环境、能施加隔水管顶部张力、能模拟不同流速的内部钻井液循环、能模拟不同转速的钻柱旋转以及施加不同的钻压。
[0011]在整个试验装置的空间构型当中隔水管模型竖直放置，上部机构真实的再现了在实际生产过程中隔水管的边界条件，施加的顶张力可调节，下端连接潜水泵以抽水的形式模拟隔水管内部钻井液的循环，并以潜水泵与变频器的配合使用来调节钻井液排量并以流量计进行监测，下部机构可调节的施加钻压，通过控制器可以方便的调节钻柱转速，电机转速、钻进液排量的控制实现可视化控制，三分力仪对隔水管在空间三个方向的力进行实时监测，真实再现实际隔水管的连接情况。通过试验水池所模拟的风、浪、流作用在试验装置上，或试验装置水上、水下部分在水池上下两端的拖车上同步运动，可进行钻井工况与海洋环境耦合作用下的隔水管力学行为试验。本装置稳定可靠能够在试验水池内模拟多种不同钻井参数，包括钻井液密度、钻井液排量、钻柱转速、张紧力、钻柱拉力，以及风、浪、流及其联合作用下的隔水管力学行为。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的隔水管连接结构示意图 图3为本发明的下固定支撑座结构示意图 图4为本发明的下固定支撑座与下夹持刀杆连接结构示意图 图5为本发明的滑块B与导轨块B的配合结构示意图
图中，1-上滑动导轨，2-下滑动导轨，3-上拖车连接板，4-下拖车连接板，5-潜水泵，6-空气压缩机，7-变频器，8-伺服电机编码器，9-内流流量计，10-控制箱，11-防水箱，12-上三分力仪，13-隔水管，14-下三分力仪，15-电机支架，16-波纹管，17-上三通接头，18-上轴承盖，19-板件A，20-上宝塔接头，21-驱动装置，22-上固定支撑座，23-上夹持刀杆，24-动密封结构，25-凹槽A，26-上管接头，27-上关节轴承，28-滑块A，29-导轨块A，30-板件C，31-下固定支撑座，32-下三通接头，33-下轴承盖，34-板件B，35-下宝塔接头，36-下夹持刀杆，37-凹槽B，38-下管接头，39-下关节轴承，40-滑块B，41-导轨块B，42-钻柱，43-分流阀，44-管路A，45-五位三通阀A，46-管路B，47-五位三通阀B。
【具体实施方式】
[0013]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、图2所示，一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统，它包括
上滑动导轨1、下滑动导轨2、上拖车连接板3、下拖车连接板4、顶张力施加机构、钻压调节机构、潜水泵5、空气压缩机6、变频器7、伺服电机编码器8、内流流量计9和控制箱10，变频器7和伺服电机编码器8设置于防水箱11内，上拖车连接板3通过螺栓紧固连接在上滑动导轨I上，下拖车连接板4通过螺栓紧固连接在上滑动导轨I上，拖车连接板和滑动导轨便构成了整个试验台架的上下支撑，上拖车连接板3和下拖车连接板4之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上三分力仪12、上部连接结构、隔水管13、下部连接结构和下三分力仪14，为便于测量隔水管13和钻柱42在空间三个方向上所受力的大小，上拖车连接板3、下拖车连接板4均为不锈钢矩形板件，在其直径为36mm的圆上均匀分布四个通孔，通过这些孔便将上下两个三分力仪以紧定螺钉的方式定位，锁紧在相应的拖车连接板上。
[0014]所述的上部连接结构包括电机支架15、波纹管16、上三通接头17、上轴承盖18、板件A19和上宝塔接头20，上三分力仪12上端与上拖车连接板3固定连接，上三分力仪12下端通过连接件与电机支架15连接，驱动装置21固定安装于电机支架15上，驱动装置21的输出轴通过联轴器连接上夹持刀杆23，电机支架15上还设置有上固定支撑座22，上固定支撑座22内设置有与上夹持刀杆23配合的轴孔，上夹持刀杆23穿过上固定支撑座22的轴孔并通过锁紧螺钉和刀杆加工的螺纹实现上夹持刀杆23沿其轴线方向的定位，上夹持刀杆23与上固定支撑座22的轴孔旋转配合，即上夹持刀杆23外径等于上固定支撑座22内径可在上固定支撑座22内周向自由旋转，上固定支撑座22的下端依次连接波纹管16和上三通接头17，上夹持刀杆23的下端伸入波纹管16内，上固定支撑座22与波纹管16之间设置有密封波纹管16上端口、并允许上夹持刀杆23旋转的动密封结构24，上三通接头17的下端口固定连接上轴承盖18，上轴承盖18内部设置有容置上关节轴承27的凹槽A25，上轴承盖18上设置有连通凹槽A25的上管接头26，上管接头26与上三通接头17连接，上关节轴承27安装于上轴承盖18的凹槽A25内，设置于轴承下部的板件A19与上轴承盖18固定连接，上关节轴承27由上轴承盖18和板件A19夹紧固定，上宝塔接头20的下端穿过上关节轴承27并通过上端法兰结构固定，板件A19上设置有用于上宝塔接头20穿出的让位孔。
[0015]所述的顶张力施加机构包括与上拖车连接板3固定连接的导轨块A29和由气缸机构A驱动的滑块A28，导轨块A29上设置有垂直滑轨，滑块A28滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构A驱动滑动，滑块A28上固定连接有板件C30，板件C30上固定设置有两个测量顶张力大小的传感器，传感器的一端固定安装于板件C30上，传感器的另一端固定安装于上轴承盖18上，两个传感器关于上宝塔接头20的轴线对称。
[0016]所述的下部连接结构包括下固定支撑座31、下三通接头32、下轴承盖33、板件B34和下宝塔接头35，下固定支撑座31内设置有与下夹持刀杆36配合的轴孔，如图3、图4所示，下夹持刀杆36穿过下固定支撑座31的轴孔并通过锁紧螺钉和刀杆加工的螺纹实现下夹持刀杆36沿其轴线方向的定位，下夹持刀杆36与下固定支撑座31的轴孔旋转配合，即下夹持刀杆36外径等于下固定支撑座31内径可在下固定支撑座31内周向自由旋转，下夹持刀杆36的上端伸入下三通接头32内，下三通接头32的下端口设置有密封下三通接头32的下端口、并允许下夹持刀杆36旋转的动密封结构24，下三通接头32的上端口连接下轴承盖33，下轴承盖33内部设置有容置下关节轴承39的凹槽B37，下轴承盖33的下部设置有连通凹槽A25的下管接头38，下管接头38与下三通接头32连接，下关节轴承39安装于下轴承盖33的凹槽B37内，设置于轴承上部的板件B34与下轴承盖33固定连接，下关节轴承39由下轴承盖33和板件B34夹紧固定，下宝塔接头35的上端穿过下关节轴承39并通过下端法兰结构固定，板件B34上设置有用于下宝塔接头35穿出的让位孔，板件B34通过连接件与下三分力仪14的上端固定连接，下三分力仪14的下端与下拖车连接板4固定连接。
[0017]所述的钻压调节机构包括与下拖车连接板4固定连接的导轨块B41和由气缸机构B驱动的滑块B40，导轨块B41下设置有垂直滑轨，滑块B40滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构B驱动滑动，如图5所示，滑块MO与下固定支撑座31固定连接。
[0018]隔水管13的上端与上宝塔接头20连接并以抱箍固定，隔水管13的下端与下宝塔接头35连接并以抱箍固定，钻柱42设置于隔水管13内，钻柱42的上端安装于上夹持刀杆23上，钻柱42的下端安装于下夹持刀杆36上；安装钻柱42时，钻柱42插入夹持刀杆端部的刀杆芯后旋钮锁紧刀杆帽将之锁紧。
[0019]所述的空气压缩机6的出气口安装有分流阀43，分流阀43通过管路A44连接气缸机构A，管路A44上安装有五位三通阀A45，分流阀43通过管路B46连接气缸机构B，管路B46上安装有五位三通阀B47，受压缩后一定压强的压力气体一路经过五位三通阀A45连接气缸机构A用于施加顶张力，另一路则通过五位三通阀B47连接气缸机构B，用于施加钻压。
[0020]为了全面模拟隔水管13钻井工况时对于内部流体流速的要求，潜水泵5通过输水管连通下三通接头32的第三端口并通过抱箍固定连接部，以隔水管13本身为钻井液内流路径，从下三通接头32吸入水流又经过上宝塔接头20、上三通接头17排出，上三通接头17的第三端口连接涡轮流量计。
[0021]变频器7通过电缆连接潜水泵5，为了全面模拟隔水管13钻井工况时对于内部钻柱42转速的要求， 伺服电机编码器8通过电缆连接驱动装置21的伺服电机。
[0022]变频器7、伺服电机编码器8、涡轮流量计、传感器、五位三通阀A45和五位三通阀B47均通过电缆连接控制箱10。变频器7和伺服电机编码器8设置于防水箱11内，防水箱11通过一根通讯线连接控制箱10以此实现钻井液流速、钻柱42转速的实时的可视化控制。
[0023]上三分力仪12和下三分力仪14用于分别测量钻柱42和隔水管13空间三个方向上受力情况。
[0024]拖车连接板连接于滑动导轨上，上拖车连接板3和下拖车连接板4由伺服电机同步驱动沿滑动导轨滑动，可精确模拟海流流速。
[0025]所述的驱动装置21包括伺服电机和与伺服电机连接的减速机。
[0026]所述的电机支架15包括上接触板、下接触板和连接上接触板和下接触板的连接
部，其近似呈“ ? ”型，上接触板通过连接杆与固设于上三分力仪12的下端面上的连接板
固定连接，上接触板开有通孔，孔径为减速机止口直径，伺服电机与减速机连接后通过螺栓连接在上接触板上，上接触板与减速机接触面上开有孔，减速机输出轴通过该孔连接联轴器，联轴器另一端连接上夹持刀杆23，下接触板平行于竖直平面的面连接固定支撑座保证钻柱42良好的垂直性和对中性。
[0027]所述的上轴承盖18和下轴承盖33内部均设计制造有两级台阶，第一级台阶形成凹槽的用于与板件对向心关节轴承进行轴向定位，轴承盖内径与向心关节轴承过盈配合对轴承进行周向定位，同时保证密封性；第二级台阶形成的凹槽则是为了给穿过轴承的宝塔接头在试验时绕轴承转动提供空间条件，宝塔接头穿过关节轴承内径并以自生的法兰结构定位。轴承盖和板件通过螺栓连接并通过置于轴承盖内的O型圈较好的密封，板件A19和板件B34为一 5_厚的矩形铝板，开有螺栓孔，同时开有供宝塔接头通过的通孔。轴承盖顶端带法兰结构与对应侧的三通接头以抱箍的方式连接。同样以抱箍方式连接上三通接头17与波纹管16及动密封结构24，用于保证整个钻井液循环通路的气密性。
[0028]所述潜水泵5为220V单相潜水泵5，使用时摘除水泵的启动电容，直接将变频器7的输出端W、U、V与水泵接线盒的三线连接，通过改变变频器7输出三相220伏电流的频率即可达到改变钻井液排量的目的。
[0029]采用一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统的实验方法，它包括以下步骤:
51、顶张力调节，控制器通过五位三通阀A45调节输送至空气压缩机6气缸机构A的气压，驱动滑块A28沿导轨块A29上的垂直滑轨运动，由滑块A28带动上轴承盖18向上或向下运动，隔水管13上端与上轴承盖18固定连接，隔水管13下端与板件B34固定连接，由于板件B34与通过下三分力仪14与下拖车连接板4固定连接，从而隔水管13下部紧固夹持，上部承受拉力而实现了隔水管13顶张力的施加，通过轴承盖的向上或向下运动可以实现对隔水管13的顶张力大小的调节，顶张力的大小通过传感器测得并实时反馈至控制箱10 ；从而通过控制器实现对五位三通阀A45的调压来施加试验所需要的顶张力，滑块A28垂直向上运动则顶张力变大，滑块B40垂直向下运动则顶张力变小；
52、钻压调节，控制器通过五位三通阀B47调节输送至空气压缩机6气缸机构B的气压，驱动滑块MO沿导轨块B41上的垂直滑轨运动，由滑块A28带动下固定支撑座31向上或向下运动，由于钻柱42上端连接上夹持刀杆23，上夹持刀杆23由上固定支撑座22轴向定位，上固定支撑座22轴向位置固定，钻柱42下端连接下夹持刀杆36，下夹持刀杆36由下固定支撑座31轴向定位，因而钻柱42上端固定，下端由下固定支撑座31支撑，通过下固定支撑座31向上或向下运动可以实现对钻柱42钻压的调节；
53、钻柱42转速调节，通过控制箱10直接输入伺服电机转速，控制箱10将控制信号传输至伺服电机编码器8，从而控制驱动装置21的驱动电机按照设定转速工作，从而实现对钻柱42转速的调节；
54、钻井液循环调节，潜水泵5输出的钻井液通过下三通进入隔水管13内部并向上流动，最终从上三通的出水口流出，上三通接头17出水口连接的涡轮流量计测得流量反馈至控制箱10，通过控制箱10改变变频器7输出电压的频率达到实时控制潜水泵5的输出流量，从实现实时控制钻井液流量的功能，自下至上钻井液经过潜水泵5、下三通接头32、下轴承盖33、下宝塔接头35、隔水管13、上宝塔接头20、上轴承盖18、上三通接头17便形成了钻井液循环路径；上部的动密封结构24和下部的动密封结构24实现钻井液回路的密封。
【权利要求】
1.一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统，其特征在于:它包括上滑动导轨(1)、下滑动导轨(2)、上拖车连接板(3)、下拖车连接板(4)、顶张力施加机构、钻压调节机构、潜水泵(5)、空气压缩机(6)、变频器(7)、伺服电机编码器(8)、内流流量计(9)和控制箱(10)，变频器(7)和伺服电机编码器(8)设置于防水箱(11)内，上拖车连接板(3)连接在上滑动导轨(1)上，下拖车连接板(4)连接在下滑动导轨(2)上，上拖车连接板(3)和下拖车连接板(4)之间沿从上到下的方向设置有顺次连接的上三分力仪(12 )、上部连接结构、隔水管(13)、下部连接结构和下三分力仪(14)， 所述的上部连接结构包括电机支架(15)、波纹管(16)、上三通接头(17)、上轴承盖(18)、板件A (19)和上宝塔接头(20)，固定连接于上拖车连接板(3)上的三分力仪的下端通过连接件与电机支架(15 )连接，驱动装置(21)固定安装于电机支架(15 )上，驱动装置(21)的输出轴通过联轴器连接上夹持刀杆(23)，电机支架(15)上还设置有上固定支撑座(22)，上夹持刀杆(23)旋转安装于上固定支撑座(22)的轴孔内并通过锁紧螺钉实现上夹持刀杆(23)沿其轴线方向的定位，上固定支撑座(22)的下端依次连接波纹管(16)和上三通接头(17)，上夹持刀杆(23)的下端伸入波纹管(16)内，上固定支撑座(22)与波纹管(16)之间设置有动密封结构(24)，上三通接头(17)的下端口固定连接上轴承盖(18)，上轴承盖(18)内部设置有容置上关节轴承(27)的凹槽A (25)，上轴承盖(18)上设置有连通凹槽A (25)的上管接头(26 )，上管接头(26 )与上三通接头(17 )连接，上关节轴承(27 )安装于上轴承盖(18)的凹槽A(25)内，并由与上轴承盖(18)固定连接的板件A (19)夹紧固定，上宝塔接头(20)的下端穿过上关节轴承(27)并通过上端法兰结构固定； 所述的顶张力施加机构包括与上拖车连接板(3)固定连接的导轨块A (29)和由气缸机构A驱动的滑块A (28)，导轨块A (29)上设置有垂直滑轨，滑块A (28)滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构A驱动滑动，滑块A (28)上固定连接有板件C (30)，板件C (30)上固定设置有两个测量顶张力大小的传感器，传感器的一端固定安装于板件C (30)上，传感器的另一端固定安装于上轴承盖(18)上，两个传感器关于上宝塔接头(20)的轴线对称； 所述的下部连接结构包括下固定支撑座(31)、下三通接头(32)、下轴承盖(33)、板件B(34)和下宝塔接头(35)，下夹持刀杆(36)旋转安装于下固定支撑座(31)的轴孔内，并通过锁紧螺钉实现下夹持刀杆(36)沿其轴线方向的定位，下夹持刀杆(36)的上端伸入下三通接头(32)内，下三通接头(32)的下端口设置有动密封结构(24)，下三通接头(32)的上端口连接下轴承盖(33 )，下轴承盖(33 )内部设置有容置下关节轴承(39 )的凹槽B (37 )，下轴承盖(33)的下部设置有连通凹槽A (25)的下管接头(38)，下管接头(38)与下三通接头(32)连接，下关节轴承(39)安装于下轴承盖(33)的凹槽B (37)内，并由与下轴承盖(33)固定连接的板件B (34)夹紧固定，下宝塔接头(35)的上端穿过下关节轴承(39)并通过下端法兰结构固定，板件B (34)通过连接件与下三分力仪(14)的上端固定连接，下三分力仪(14)的下端与下拖车连接板(4)固定连接； 所述的钻压调节机构包括与下拖车连接板(4)固定连接的导轨块B (41)和由气缸机构B驱动的滑块B (40)，导轨块B (41)下设置有垂直滑轨，滑块B (40)滑动设置于垂直滑轨上并由气缸机构B驱动滑动，滑块B (40)与下固定支撑座(31)固定连接； 隔水管(13)的上端与上宝塔接头(20)连接，隔水管(13)的下端与下宝塔接头(35)连接，钻柱(42)设置于隔水管(13)内，钻柱(42)的上端安装于上夹持刀杆(23)上，钻柱(42)的下端安装于下夹持刀杆(36)上； 所述的空气压缩机(6)的出气口安装有分流阀(43)，分流阀(43)通过管路A (44)连接气缸机构A，管路A (44)上安装有五位三通阀A (45)，分流阀(43)通过管路B (46)连接气缸机构B，管路B (46)上安装有五位三通阀B (47)； 潜水泵(5)通过输水管连通下三通接头(32)的第三端口，上三通接头(17)的第三端口连接涡轮流量计； 变频器(7)通过电缆连接潜水泵(5)、伺服电机编码器(8)通过电缆连接驱动装置(21)； 变频器(7)、伺服电机编码器(8)、涡轮流量计、传感器、五位三通阀A (45)和五位三通阀B (47)均通过电缆连接控制箱(10)。
2.根据权利要求1所述的一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统，其特征在于:所述的驱动装置(21)包括伺服电机和与伺服电机连接的减速机，伺服电机编码器(8)通过电缆连接伺服电机。
3.采用如权利要求1所述的一种基于深水钻井工况下的隔水管力学行为试验模拟系统的实验方法，其特征在于:它包括以下步骤: S1、顶张力调节，控制器通过五位三通阀A(45)调节输送至空气压缩机(6)气缸机构A的气压，驱动滑块A (28)沿导轨块A (29)上的垂直滑轨运动，由滑块A (28)带动上轴承盖(18)向上或向下运动，隔水管(13)上端与上轴承盖(18)固定连接，隔水管(13)下端与板件B (34)固定连接，由于板件B (34)与通过下三分力仪(14)与下拖车连接板(4)固定连接，从而通过轴承盖的向上或向下运动可以实现对隔水管(13)的顶张力大小的调节，顶张力的大小通过传感器测得并实时反馈至控制箱(10)，从而通过控制器实现对五位三通阀A (45)的调压来施加试验所需要的顶张力； S2、钻压调节，控制器通过五位三通阀B(47)调节输送至空气压缩机(6)气缸机构B的气压，驱动滑块B (40)沿导轨块B (41)上的垂直滑轨运动，由滑块A (28)带动下固定支撑座(31)向上或向下运动，由于钻柱(42)上端连接上夹持刀杆(23)，上夹持刀杆(23)由上固定支撑座(22)轴向定位，上固定支撑座(22)轴向位置固定，钻柱(42)下端连接下夹持刀杆(36)，下夹持刀杆(36)由下固定支撑座(31)轴向定位，因而钻柱(42)上端固定，下端由下固定支撑座(31)支撑，通过下固定支撑座(31)向上或向下运动可以实现对钻柱(42)钻压的调节； S3、钻柱(42)转速调节，通过控制箱(10)直接输入伺服电机转速，控制箱(10)将控制信号传输至伺服电机编码器(8)，从而控制驱动装置(21)的驱动电机按照设定转速工作，从而实现对钻柱(42)转速的调节；S4、钻井液循环调节，潜水泵(5)输出的钻井液通过下三通进入隔水管(13)内部并向上流动，最终从上三通的出水口流出，上三通接头(17)出水口连接的涡轮流量计测得流量反馈至控制箱(10)，通过控制箱(10)改变变频器(7)输出电压的频率达到实时控制潜水泵(5 )的输出流量，从实现实时控制钻井液流量的功能。
【文档编号】E21B47/007GK103726832SQ201310725402
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月25日 优先权日:2013年12月25日
【发明者】刘清友, 毛良杰, 周守为, 姜伟, 伊海洋, 杨秀夫, 刘正礼, 黄鑫, 付强, 任涛, 王国荣, 易杨 申请人:西南石油大学