一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置及方法与流程

本发明涉及海洋油气井模拟研究领域，具体涉及一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置及方法。

背景技术：

1、深水浅层建井是开发深远海油气的第一道技术瓶颈，由于浅层地质属性多变，性质不稳定，研究浅层地质对表层导管的承载力影响对于成功建井具有重大意义。由于深水超深水条件苛刻就目前技术无法进行浅层地质的实地试验，只能通过室内模拟试验进行研究，而由于表层导管尺寸较大，一般都需要进行等比缩小后进行研究，但等比缩小后长度依然超出可进行试验的范围。就目前研究而言，只截取一部分进行试验，在试验过程中未考虑地层对导管其余长度的影响，尤其在研究表层导管振动载荷方面，地层对非研究段的导管的约束作用较大，这将在很大程度上影响试验结果的客观性。因此在研究表层导管行为时需要考虑浅层地质对导管的作用，这就要求对试验的部分导管相应的位置进行一定的约束，尽量模拟地层对导管的约束作用。

2、现有的土体模拟实验利用表层导管或桩基进行实验，没有考虑土体对整个表层导管或桩基的围压作用，实验工况与实际相差较大，得到的试验结论不能指导实践。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置及方法，用于解决现有的土体模拟实验利用表层导管或桩基进行实验，没有考虑土体对整个表层导管或桩基的围压作用，实验工况与实际相差较大，不能指导实践的问题。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置，包括试验箱，所述试验箱包括壳体和试验管安装器，所述壳体包括底盘，所述底盘上固定有内圈环，所述试验管安装器包括一个试验圆筒和一个固定盘，所述试验圆筒包括四个筒支撑块，四个筒支撑块彼此相互靠近围成一圈形成所述试验圆筒，且相邻筒支撑块之间留有间隙；所述试验圆筒通过所述固定盘固定在所述壳体的内圈环内；所述试验箱内还安装有荷载施加机构，用于对所述试验圆筒施加荷载；

4、其中，所述试验圆筒的内圈用于夹紧试验管，所述试验管用于模拟表层导管或桩基。

5、优选地，所述固定盘包括内圈和外圈，所述固定盘的内圈设置有试验圆筒孔，所述固定盘通过试验圆筒孔嵌套在所述试验圆筒上，两者形成一体组成所述试验管安装器；所述固定盘的外圈为圆形，所述固定盘的外圈固定在所述壳体的内圈环的内壁上，且所述固定盘的底面坐落在所述壳体的底盘上。

6、优选地，每个筒支撑块包括一个弧形片和一个矩形片，所述矩形片固定在所述弧形片外壁的中部；所述试验圆筒孔的上、下、左、右方向分别连通有一个矩形槽，当所述试验圆筒设置在所述固定盘的试验圆筒孔内时，四个筒支撑块的四个矩形片分别嵌合在试验圆筒孔的四个矩形槽内。

7、优选地，所述壳体的底盘的中央设置有试验圆筒孔，当所述试验圆筒通过固定盘固定在壳体的内圈环内时，所述试验圆筒的底端插设在所述壳体的底盘的试验圆筒孔内。

8、优选地，所述底盘上还固定有外圈环，在壳体的内圈环和外圈环之间的环形空间内叠加放置有若干层加重片，用于模拟上部土体对下部土体的压力。

9、优选地，所述壳体的内圈环的端口配置有密封盖，所述壳体的内圈环的最上部的内壁设置有内螺纹，所述密封盖的侧壁上设置有外螺纹，所述壳体的内圈环的内壁紧贴设置有一圈凸台，密封盖与壳体的内圈环通过螺纹连接后，再通过第一螺钉固定在所述壳体的内圈环的凸台的台面上。

10、优选地，所述荷载施加机构包括调节螺栓、小齿轮、齿轮盘、四个活动块、四个压缩弹簧和四个顶塞块，所述调节螺栓穿过密封盖，其底部插设在所述小齿轮内，能带动所述小齿轮旋转；所述齿轮盘包括外圈，所述齿轮盘的外圈上布置有齿轮，所述小齿轮与所述齿轮盘的外圈上的齿轮啮合；所述固定盘的试验圆筒孔的上、下、左、右四个方向上分别设置有一条直线通道，每条直线通道分别与试验圆筒孔相贯通，每个筒支撑块配置有一个顶塞块，四个顶塞块与四个压缩弹簧、四个活动块分别对应，一个活动块、一个压缩弹簧和一个顶塞块从外至内依次卡设在一条直线通道内形成一组，一共形成四组，每组的活动块的外端分别抵靠在对应的所述壳体的内圈环的内壁上，每组的顶塞块的内端与对应的筒支撑块通过螺纹连接；四个所述活动块嵌合在所述齿轮盘的下表面，所述齿轮盘与四个活动块滑动连接，所述齿轮盘能驱动四个所述活动块分别在所述固定盘对应的直线通道中同时做靠近试验圆筒的直线运动，使四个所述筒支撑块从四个方向受到相同的推力，实现对所述试验圆筒内装载的试验管的夹紧。

11、优选地，所述齿轮盘的下表面设置有一圈涡状凸缘形成导轨，所述导轨上设有缺口形成非完整的环形，四个活动块分别设置在所述壳体的上、下、左、右四个方向且四个活动块的中心线首尾依次连接能形成圆环，活动块的上表面设置有弧形导轨凹槽，齿轮盘的导轨恰好嵌入四个活动块的弧形导轨凹槽内，由此实现滑动连接。

12、优选地，所述顶塞块的内端设置有螺钉柱，每个筒支撑块的外侧面设置有螺钉孔，所述顶塞块的螺钉柱设置在对应的筒支撑块的螺钉孔内，且所述顶塞块的螺钉柱与对应的筒支撑块的螺钉孔通过螺纹连接；每个活动块的外端为圆弧端且其弧度与壳体的内圈环的内壁相适配，所述活动块的外端抵靠在所述壳体的内圈环的内壁；在每组活动块和顶塞块之间设置有一个压缩弹簧，且所述压缩弹簧的两端分别与对应的活动块和顶塞块抵靠。

13、第二方面，本发明还公开了一种表层导管或桩基土体试验的模拟方法，采用上述的模拟装置，该模拟方法包括：

14、旋转调节螺栓，带动所述小齿轮转动，所述小齿轮带动所述齿轮盘转动，所述齿轮盘的导轨驱动四个所述活动块分别在所述固定盘对应的直线通道中同时做远离试验圆筒的直线运动，使四个所述筒支撑块从四个方向受到相同的拉力，实现对所述试验圆筒内装载的试验管的松开，与此同时，压缩弹簧获得恢复，直至四个筒支撑块的相邻筒支撑块之间形成间隙；

15、将试验管插入至试验圆筒的内圈中，以模拟表层导管或桩基；

16、反向旋转调节螺栓，带动所述小齿轮反向转动，所述小齿轮带动所述齿轮盘反向转动，所述齿轮盘的导轨驱动四个所述活动块分别在所述固定盘对应的直线通道中同时做靠近试验圆筒的直线运动，使四个所述筒支撑块从四个方向受到相同的推力，实现对所述试验圆筒内装载的试验管的夹紧。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、(一)本发明公开了一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置及方法，在使用时，通过旋转调节螺栓，即可调节四个筒支撑块分别同时对用于模拟表层导管或桩基的试验管施加荷载的压力，其中，四个筒支撑块同步移动保证了在试验管四周作用力的均衡，同时与每个筒支撑块分别配组的活动块和顶塞块之间设置的压缩弹簧为在承受极端横向载荷时筒支撑块保留了一定位移的活动空间，模拟浅层地质在横向上对表层导管的作用，相当于考虑了土体对整个表层导管或桩基的围压作用，其实验工况与实际较为接近，提高了实验结果的准确性，应用该发明得到的试验结论能指导实践。

19、(二)本发明公开了一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置，其中小齿轮驱动，可实现齿轮盘的微调节，从而能更好控制作用在用于模拟表层导管或桩基的试验管上的力，调节螺栓的底端的压缩弹簧给调节螺栓一个向上的预紧力，可增强调节螺栓的自锁。

20、(三)本发明公开了一种表层导管或桩基土体试验的模拟装置，操作简便，可有效提高试验效率，减小不考虑浅层地质对导管的约束作用的影响，提高实验结果的准确性；同时可调节约束作用的设计可满足不同属性地质对导管的作用，能够有效模拟深水浅层地质对非试验段导管的约束作用，提高试验的准确性和可靠度。