專(zhuān)利名稱(chēng)：水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是模擬深水鉆井的水下井口系統(tǒng)穩(wěn)定性的試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
全世界未發(fā)現(xiàn)的海上油氣儲(chǔ)量有90%潛伏在水深超過(guò)IOOOm以下的地層，所以深水鉆井技術(shù)水平關(guān)系著深海油氣勘探開(kāi)發(fā)的步伐。對(duì)于海洋深水鉆井工程而言，鉆井環(huán)境條件隨水深的增加變得更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)常規(guī)的鉆井工程難以克服的技術(shù)難題，因此深水鉆井技術(shù)的發(fā)展是影響未來(lái)石油發(fā)展的重要因素。目前，深水鉆井時(shí)采用的水下井口系統(tǒng)一般由鉆井隔水管、防噴器以及井口頭組成，深水鉆井時(shí)水下井口承受的作用力主要來(lái)自由于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、作用于防噴器組及井口的橫向波流力、海底土層對(duì)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(dāng)井口承受的彎矩值超出設(shè)計(jì)極限時(shí)將存遭受破壞。在施工作業(yè)方面臨的首要問(wèn)題就是在哪里打井，也就是海底井場(chǎng)選擇的問(wèn)題。海底井場(chǎng)的選擇往往要面對(duì)以下幾個(gè)問(wèn)題1)海洋鉆井隔水導(dǎo)管水平方向受到復(fù)雜的海流力、波浪力及其他力的作用，因此，需要對(duì)井口進(jìn)行穩(wěn)定性分析，判斷在風(fēng)浪流等水平載荷的作用下是否會(huì)發(fā)生傾覆、失穩(wěn)，而導(dǎo)管-海底土間的相互作用決定了井口的橫向相應(yīng)問(wèn)題。但海底土特性變化多樣，從軟粘土、粉質(zhì)粘土、硬粘土到砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)細(xì)沙、中砂和粗砂等，而且在不同的海區(qū)、海域，土特性也會(huì)有很大的差別。因此，研究不同特性的海底土對(duì)導(dǎo)管橫向響應(yīng)的影響，對(duì)導(dǎo)管的穩(wěn)定性分析具有重要的意義。2)如何安全有效的固定導(dǎo)管問(wèn)題。深水鉆井往往要將幾十噸甚至上百?lài)嵉暮５追绹娖靼惭b在海底的導(dǎo)管上，因此海底導(dǎo)管附近地層的屬性是否能夠?yàn)榉绹娖魈峁┲?，是能否安全開(kāi)展后續(xù)施工作業(yè)的前提。 因此在進(jìn)行井場(chǎng)選擇的時(shí)候要著重考慮導(dǎo)管與地層的承重能力，確保后續(xù)鉆井施工安全。 3)導(dǎo)管的下入深度過(guò)淺，則可能造成套管柱下陷失穩(wěn)等事故；若下入深度過(guò)大，則造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。所以需要對(duì)導(dǎo)管承載能力進(jìn)行計(jì)算分析，研究導(dǎo)管下入深度的確定方法。4) 由于深水海底情況復(fù)雜，以上幾種情況往往會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，因此要根據(jù)地質(zhì)資料等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)， 權(quán)衡選擇一種科學(xué)合理的施工方案，保證鉆井施工的順利進(jìn)行。雖然國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)提出了井口存在的穩(wěn)定性問(wèn)題，但是并沒(méi)有建立針對(duì)該問(wèn)題的理論分析方法。同時(shí)，由于海洋環(huán)境載荷對(duì)隔水管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)直接作用到水下井口及其以下的套管柱上，需要研究動(dòng)態(tài)因素對(duì)井口穩(wěn)定性的影響，這方面未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種模擬深水鉆井現(xiàn)場(chǎng)的水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置。本試驗(yàn)裝置針對(duì)深水鉆井特點(diǎn)，可以模擬隔水管頂部張緊力、鉆井船漂移量、隔水管擺動(dòng)位移、偏移角度及地基反力等對(duì)水下井口、導(dǎo)管系統(tǒng)的力學(xué)性能及穩(wěn)定性的影響，可以對(duì)深水鉆井的井口力學(xué)穩(wěn)定性及導(dǎo)管承載能力進(jìn)行模型試驗(yàn)，揭示各種因素對(duì)水下井口穩(wěn)定性及導(dǎo)管承載能力的影響規(guī)律和敏感性。本發(fā)明同時(shí)提供這種試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的加載試驗(yàn)裝置采取的技術(shù)方案是它是在一個(gè)基坑的上方設(shè)有一個(gè)門(mén)形架，所述的門(mén)形架是在兩個(gè)豎向立柱上安裝有可以上下活動(dòng)的橫梁，門(mén)形架的橫梁上安裝有水平滑動(dòng)件，水平滑動(dòng)件由上板、下板和兩根豎向拉桿組成，且上、下板與橫梁接觸的部位均設(shè)有滾動(dòng)軸承，水平滑動(dòng)件上安裝有施加垂直拉力或壓力的豎向助動(dòng)器，水平滑動(dòng)件的一側(cè)安裝有推動(dòng)滑動(dòng)件往返運(yùn)動(dòng)的水平助動(dòng)器；基坑中設(shè)有模擬的水下井口導(dǎo)管樁，通過(guò)導(dǎo)管樁將模擬井口系統(tǒng)固定在門(mén)形架內(nèi)；模擬井口系統(tǒng)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(dòng)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(dòng)器和豎向助動(dòng)器均為液壓缸，并由液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。為了達(dá)到更好的模擬效果，本發(fā)明水平滑動(dòng)件與豎向助動(dòng)器以及橫梁之間的安裝關(guān)系優(yōu)先選用以下兩種情況一是水平滑動(dòng)件套在門(mén)形架橫梁上，豎向助動(dòng)器的底座連接在水平滑動(dòng)件的下板上，從而將豎向助動(dòng)器固定在水平滑動(dòng)件上。二是豎向助動(dòng)器的底座作為水平滑動(dòng)件的上板，豎向助動(dòng)器穿過(guò)橫梁和水平滑動(dòng)件下板，從而將豎向助動(dòng)器固定在水平滑動(dòng)件上。上述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法如下第一步在模擬的水下井口導(dǎo)管樁的沿管長(zhǎng)方向上對(duì)稱(chēng)布設(shè)上測(cè)量軸向荷載和水平荷載的應(yīng)變片；第二步將配制待試驗(yàn)的土體填在基坑中，并將模擬的水下井口導(dǎo)管樁埋入該土中；第三步將橫梁下移，使豎向助動(dòng)器與導(dǎo)管樁頂接觸，固定橫梁，豎向助動(dòng)器逐級(jí)增大荷載，來(lái)模擬防噴器重量，并測(cè)試加載過(guò)程中導(dǎo)管樁的樁身應(yīng)變，及導(dǎo)管樁頂?shù)暮奢d——沉降關(guān)系曲線，確定導(dǎo)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并固定，連接井口系統(tǒng)和隔水管，隔水管頂部通過(guò)球鉸與豎向助動(dòng)器相連；用豎向助動(dòng)器對(duì)井口系統(tǒng)施加一定的張拉力，同時(shí)用水平助動(dòng)器進(jìn)行循環(huán)水平加載，模擬波流荷載作用下鉆井平臺(tái)和隔水管的運(yùn)動(dòng)；第五步在上述步驟的同時(shí)，測(cè)量防噴器球鉸處的位移和轉(zhuǎn)角及井口導(dǎo)管樁基的水平位移；第六步對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)定井口系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明針對(duì)深水鉆井的井口力學(xué)穩(wěn)定性及導(dǎo)管承載能力進(jìn)行模型試驗(yàn)，能夠模擬海洋環(huán)境載荷作用下鉆井船或平臺(tái)漂移、隔水管運(yùn)動(dòng)等循環(huán)荷載以及隔水管上的張拉力，揭示了各種因素對(duì)水下井口穩(wěn)定性及導(dǎo)管承載能力的影響規(guī)律和敏感性，主要表現(xiàn)在I.同時(shí)施加豎向和水平向荷載，模擬現(xiàn)場(chǎng)荷載狀況，進(jìn)行隔水管、防噴器、水下井口系統(tǒng)、導(dǎo)管樁基與土體作用的整體耦合響應(yīng)分析；2.模擬循環(huán)水平荷載作用下，導(dǎo)管樁基與土體間接觸面間隙的產(chǎn)生與閉合，通過(guò)測(cè)試循環(huán)荷載作用下，井口頭處的水平位移和荷載，得到導(dǎo)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(zhuǎn)角與水平荷載間的關(guān)系曲線，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)隔水管施加張拉力對(duì)底部球鉸轉(zhuǎn)角的影響有指導(dǎo)意義總之，本發(fā)明對(duì)深水海域的油氣資源開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐，為海洋鉆井的井口系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。


圖I是水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置實(shí)施例的示意圖；圖2是水平滑動(dòng)件與橫梁連接處實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是水平滑動(dòng)件與橫梁連接處實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。圖例說(shuō)明，I-基坑，2-橫梁，3-滑動(dòng)軸承，4-水平滑動(dòng)件，5-豎向助動(dòng)器，6_水平助動(dòng)器，7-隔水管，8-井口及防噴器，9-應(yīng)變片，10-井口導(dǎo)管樁，11-液壓伺服控制系統(tǒng)， 12-上板，13-下板，14-豎向拉桿。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的加載試驗(yàn)裝置是在一個(gè)基坑I的上方設(shè)有一個(gè)門(mén)形架，所述的門(mén)形架是在兩個(gè)豎向立柱上安裝有可以上下活動(dòng)的橫梁2，門(mén)形架的橫梁2上設(shè)有水平滑動(dòng)件4，水平滑動(dòng)件4由上板12、下板13和兩根豎向拉桿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(shè)有滾動(dòng)軸承3 ;水平滑動(dòng)件4上安裝有施加垂直壓力的豎向助動(dòng)器5，水平滑動(dòng)件4的一側(cè)安裝有推動(dòng)滑動(dòng)件4往返運(yùn)動(dòng)的水平助動(dòng)器6 ;基坑I中設(shè)有模擬的水下井口導(dǎo)管樁10，通過(guò)井口導(dǎo)管樁10將模擬井口系統(tǒng)固定在門(mén)形架內(nèi)；模擬井口系統(tǒng)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(dòng)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(dòng)器5和豎向助動(dòng)器6均為液壓缸，并由液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制(圖中未畫(huà)出)。水平滑動(dòng)件4與豎向助動(dòng)器5以及橫梁2之間的安裝關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3 ;實(shí)施例一水平滑動(dòng)件4套在門(mén)形架橫梁2上，豎向助動(dòng)器5的底座連接在水平滑動(dòng)件4的下板13上，從而將豎向助動(dòng)器5固定在水平滑動(dòng)件4上(見(jiàn)圖2)。實(shí)施例二 水平滑動(dòng)件4與豎向助動(dòng)器5以及橫梁2之間的安裝關(guān)系為豎向助動(dòng)器5的底座作為水平滑動(dòng)件4的上板12，豎向助動(dòng)器5穿過(guò)橫梁2和水平滑動(dòng)件下板13， 從而將豎向助動(dòng)器5固定在水平滑動(dòng)件4上(見(jiàn)圖3)。上述的水平助動(dòng)器5和豎向助動(dòng)器6均為液壓缸，并由液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制(圖中未畫(huà)出)。上述試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法如下第一步在模擬的水下井口導(dǎo)管樁10的沿管長(zhǎng)方向上對(duì)稱(chēng)布設(shè)上測(cè)量軸向荷載和水平荷載的應(yīng)變片9 ；第二步將配制待試驗(yàn)的土體填在基坑I中，并將模擬的水下井口導(dǎo)管樁10埋入該土中；第三步將橫梁2下移，使豎向助動(dòng)器5與水下井口導(dǎo)管樁10頂接觸，固定橫梁2，豎向助動(dòng)器5逐級(jí)增大荷載，來(lái)模擬防噴器重量，并測(cè)試加載過(guò)程中導(dǎo)管樁10的樁身應(yīng)變， 及水下井口導(dǎo)管樁10頂?shù)暮奢d——沉降關(guān)系曲線，確定導(dǎo)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上移到一定高度并固定，連接井口系統(tǒng)和隔水管7，隔水管7頂部通過(guò)球鉸與豎向助動(dòng)器5相連；用豎向助動(dòng)器5對(duì)井口系統(tǒng)施加一定的張拉力，同時(shí)用水平助動(dòng)器6進(jìn)行循環(huán)水平加載，模擬波流荷載作用下鉆井平臺(tái)和隔水管7的運(yùn)動(dòng)；第五步在上述步驟的同時(shí)，測(cè)量防噴器球鉸處的位移和轉(zhuǎn)角及井口導(dǎo)管樁基的水平位移；第六步對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)定井口系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置，其特征在于，它是在一個(gè)基坑的上方設(shè)有一個(gè)門(mén)形架，所述的門(mén)形架是在兩個(gè)豎向立柱上安裝有可以上下活動(dòng)的橫梁，門(mén)形架的橫梁上安裝有水平滑動(dòng)件，水平滑動(dòng)件由上板、下板和兩根豎向拉桿組成，且上、下板與橫梁接觸的部位均設(shè)有滾動(dòng)軸承，水平滑動(dòng)件上安裝有施加垂直拉力或壓力的豎向助動(dòng)器，水平滑動(dòng)件的一側(cè)安裝有推動(dòng)滑動(dòng)件往返運(yùn)動(dòng)的水平助動(dòng)器；基坑中設(shè)有模擬的水下井口導(dǎo)管樁， 通過(guò)導(dǎo)管樁將模擬井口系統(tǒng)固定在門(mén)形架內(nèi)；模擬井口系統(tǒng)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(dòng)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(dòng)器和豎向助動(dòng)器均為液壓缸，并由液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求I所述的水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置，其特征在于，水平滑動(dòng)件套在門(mén)形架橫梁上，豎向助動(dòng)器的底座連接在水平滑動(dòng)件的下板上，從而將豎向助動(dòng)器固定在水平滑動(dòng)件上。
3.如權(quán)利要求I所述的水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置，其特征在于，豎向助動(dòng)器的底座作為水平滑動(dòng)件的上板，豎向助動(dòng)器穿過(guò)橫梁和水平滑動(dòng)件下板，從而將豎向助動(dòng)器固定在水平滑動(dòng)件上。
4.一種如權(quán)利要求1-3任一所述的裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于，步驟如下第一步在模擬的水下井口導(dǎo)管樁的沿管長(zhǎng)方向上對(duì)稱(chēng)布設(shè)上測(cè)量軸向荷載和水平荷載的應(yīng)變片；第二步將配制待試驗(yàn)的土體填在基坑中，并將模擬的水下井口導(dǎo)管樁埋入該土中；第三步將橫梁下移，使豎向助動(dòng)器與導(dǎo)管樁頂接觸，固定橫梁，豎向助動(dòng)器逐級(jí)增大荷載，來(lái)模擬防噴器重量，并測(cè)試加載過(guò)程中導(dǎo)管樁的樁身應(yīng)變，及導(dǎo)管樁頂?shù)暮奢d——沉降關(guān)系曲線，確定導(dǎo)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并固定，連接井口系統(tǒng)和隔水管，隔水管頂部通過(guò)球鉸與豎向助動(dòng)器相連。用豎向助動(dòng)器對(duì)井口系統(tǒng)施加一定的張拉力，同時(shí)用水平助動(dòng)器進(jìn)行循環(huán)水平加載，模擬波流荷載作用下鉆井平臺(tái)和隔水管的運(yùn)動(dòng)；第五步在上述步驟的同時(shí)，測(cè)量防噴器球鉸處的位移和轉(zhuǎn)角及井口導(dǎo)管樁基的水平位移；第六步對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)定井口系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種水下井口系統(tǒng)加載試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法，它是在一個(gè)基坑的上方設(shè)有一門(mén)形架，門(mén)形架的橫梁上安裝有水平滑動(dòng)件，水平滑動(dòng)件上安裝有豎向助動(dòng)器，水平滑動(dòng)件的一側(cè)安裝有水平助動(dòng)器；基坑中設(shè)有模擬的水下井口導(dǎo)管樁，通過(guò)導(dǎo)管樁將模擬井口系統(tǒng)固定在門(mén)形架內(nèi)；模擬井口系統(tǒng)的隔水管頂端與豎向助動(dòng)器底端球鉸接，隔水管的底部與模擬井口系統(tǒng)的防噴器球鉸接。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)裝置能夠模擬海洋環(huán)境載荷作用下鉆井船或平臺(tái)漂移、隔水管運(yùn)動(dòng)等循環(huán)荷載以及隔水管上的張拉力，揭示了各種因素對(duì)水下井口穩(wěn)定性及導(dǎo)管承載能力的影響規(guī)律和敏感性。
文檔編號(hào)E21B47/001GK102606139SQ20121005361
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者孫寶江, 王騰, 高永海 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)