專利名稱：一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力學(xué)測量裝置，特別是關(guān)于一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置。

背景技術(shù)：
在海上深水石油的勘探中，鉆井隔水導(dǎo)管起著至關(guān)重要的作用，其入泥的深度決定了隔水導(dǎo)管的安全性和經(jīng)濟性。因此為了弄清隔水導(dǎo)管與海底土之間的作用機理，以及準(zhǔn)確建立隔水導(dǎo)管與海底土固結(jié)時間的關(guān)系模型，就需要模擬深水高壓條件對隔水導(dǎo)管進行力學(xué)測量試驗。
試驗中需要測量一組重要的數(shù)據(jù)，即在高壓密封筒內(nèi)，對隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力進行測量。此摩擦力可通過測量隔水導(dǎo)管的提升力來得到，即側(cè)向摩擦力等于隔水導(dǎo)管的提升力減去隔水導(dǎo)管在水中的自重。因此試驗的關(guān)鍵在于怎樣獲得準(zhǔn)確的提升力。
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性需要，測量提升力需要隔水導(dǎo)管保持在高壓密封環(huán)境中，但目前常規(guī)的測力計無法在高壓(至少30MPa)環(huán)境下工作，并且當(dāng)測力計置于高壓密封筒后，從外部也無法讀取其數(shù)據(jù)，這樣會給試驗的進行和數(shù)據(jù)的獲得帶來很大的困難。因此，如何在高壓密封筒之外，提供一種能夠測量的外部施加力，然后通過力學(xué)傳遞，轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ω羲畬?dǎo)管的內(nèi)部提升力，成為模擬力學(xué)試驗所要解決問題的關(guān)鍵。


發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，該測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)高壓密封筒內(nèi)的隔水導(dǎo)管提升力在外部施加、外部控制、外部測量等功能，為模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力的測量提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，它包括一內(nèi)液壓缸、外液壓缸、高壓密封筒、高壓傳遞管、電傳動機構(gòu)、壓力表，所述內(nèi)液壓缸懸置在裝有水的所述高壓密封筒內(nèi)，所述內(nèi)液壓缸活塞底部通過一提升桿連接一待做試驗的隔水導(dǎo)管，在所述內(nèi)液壓缸的側(cè)壁上，并且在內(nèi)液壓缸活塞的上、下兩側(cè)，分別向外連通一所述高壓傳遞管，兩所述高壓傳遞管穿出所述高壓密封筒連接到所述外液壓缸對應(yīng)的位置，所述外液壓缸的頂部設(shè)置有一驅(qū)動外液壓缸活塞的電傳動機構(gòu)，所述外液壓缸的底部設(shè)置一壓力表。
所述高壓密封筒、內(nèi)液壓缸、外液壓缸、高壓傳遞管的耐壓范圍均不小于50MPa。
所述內(nèi)液壓缸的總?cè)萘康扔谒鐾庖簤焊椎目側(cè)萘俊?br> 所述內(nèi)液壓缸通過套管支架懸置在所述高壓密封筒的內(nèi)，所述套管支架由套設(shè)在所述內(nèi)液壓缸外的套管，以及連接在套管和高壓密封筒內(nèi)壁之間的支架組成。
所述壓力表測量外液壓缸活塞下部液體的壓力。
所述電傳動機構(gòu)包括一電動機，所述電動機輸出軸上連接的一齒輪，所述齒輪嚙合一齒條，所述齒條連接到所述外液壓缸活塞。
根據(jù)壓力表瞬間最大壓力變化ΔP，以及內(nèi)液壓缸活塞面積A1和提升桿的面積A2，得出作用于導(dǎo)管上的提升力F大小為 F＝a1ΔP(A1-A2) 式中F為導(dǎo)管上提升力，N； ΔP為液缸內(nèi)壓力，Pa； A1為內(nèi)液壓缸活塞截面積，m2； A2為提升桿的截面積，m2； a1為計算系數(shù)。
本發(fā)明由于采取了以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明針對常規(guī)測力計無法在高壓環(huán)境下工作，以及置于高壓密封筒后，從外部無法讀取數(shù)據(jù)的問題，設(shè)置了內(nèi)、外兩個液壓缸，兩個液壓缸之間連接兩個高壓傳遞管，分別位于活塞的上、下兩側(cè)，保持液體的流通和壓力的傳遞。在外液壓缸頂部設(shè)置有驅(qū)動外液壓缸活塞的電傳動機構(gòu)，在外液壓缸底部設(shè)置有壓力表，可通過壓力表讀出外液壓缸內(nèi)的壓力變化。2、本發(fā)明電傳動機構(gòu)對外液壓缸施加壓力，電傳動機構(gòu)可隨時開啟停止，以滿足導(dǎo)管上提不同高度的需要。壓力通過高壓傳遞管傳給內(nèi)液壓缸，內(nèi)液壓缸通過活塞、提升桿等裝置把壓力轉(zhuǎn)換為提升力，從而實現(xiàn)對試驗導(dǎo)管的提升。3、本發(fā)明提供了一套科學(xué)、準(zhǔn)確的模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量和計算方法，能夠方便、快速的測量出導(dǎo)管的提升力，提升力大小可方便地從位于外液壓缸上的壓力表獲得，提升力與壓力的換算關(guān)系為設(shè)壓力表瞬間最大變化壓力為ΔP，內(nèi)液壓缸活塞橫截面積為A1，提升桿橫截面積為A2，則作用于導(dǎo)管上的提升力F為F＝a1ΔP(A1-A2)。4、本發(fā)明可以方便地實現(xiàn)缸內(nèi)拉力在外部施加、外部控制、外部測量等功能，能夠為確定隔水導(dǎo)管最小入泥深度提供科學(xué)、準(zhǔn)確的參數(shù)，具有很好的實用價值，對開展模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管與海底土相互作用機理試驗提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。



圖1模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向力測量裝置示意圖 圖2模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置安裝示意圖 圖3a模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置施壓前狀態(tài)示意圖 圖3b模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置施壓后狀態(tài)示意圖
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發(fā)明根據(jù)液體的不可壓縮原理，以及液體的傳壓性質(zhì)，在高壓密封筒內(nèi)外各設(shè)置一液壓缸，對外部液壓缸施加壓力，通過液體傳壓推動內(nèi)部液壓缸活塞上移，內(nèi)部液壓缸活塞連接隔水導(dǎo)管，對隔水導(dǎo)管提升，而提升力的大小可通過連接在外部液壓缸上的壓力表測得，從而進一步推算高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力的值。
根據(jù)上述原理，現(xiàn)通過附圖來具體說明其結(jié)構(gòu)。如圖1、圖2所示，本發(fā)明包括一內(nèi)液壓缸1，內(nèi)液壓缸1懸置在高壓密封筒2內(nèi)，并通過套管支架3固定支撐，套管支架3由套設(shè)在內(nèi)液壓缸1外的套管，以及連接在套管和高壓密封筒2內(nèi)壁之間的支架組合而成。高壓密封筒2內(nèi)裝有模擬海水及沉積泥砂，使內(nèi)液壓缸1處于試驗用高壓密封筒2的高壓環(huán)境內(nèi)。內(nèi)液壓缸1自身包括一內(nèi)液壓缸活塞4，在內(nèi)液壓缸活塞4的下部帶有一提升桿5。提升桿5的下部通過掛鉤連接待做試驗的隔水導(dǎo)管6。在內(nèi)液壓缸活塞4的側(cè)壁上，并且位于內(nèi)液壓缸活塞4的上、下兩側(cè)，各向外連通一高壓傳遞管7。高壓傳遞管7穿出高壓密封筒2后，又分別對應(yīng)地連通在外液壓缸8的側(cè)壁上，并且位于外液壓缸活塞9的上、下兩側(cè)。外液壓缸8的頂部設(shè)置有一電傳動機構(gòu)10，電傳動機構(gòu)10包括一電動機，以及在電動機輸出軸上連接的一套齒輪齒條機構(gòu)，齒條再連接到外液壓缸活塞9，電動機工作時，就會帶動齒條上下運動，進而推動外液壓缸活塞9。在外液壓缸8的底部，準(zhǔn)確地說是外液壓缸活塞9下側(cè)的外液壓缸8上，設(shè)置一壓力表11，壓力表11能夠測量外液壓缸活塞9下部液體的壓力。
模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置的測量過程按以下幾步進行 ①試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段 根據(jù)要做試驗的隔水導(dǎo)管6的上提高度以及內(nèi)液壓缸1和外液壓缸8的體積，確定電傳動機構(gòu)10的工作時間和壓力表11的量程。
②試驗加壓階段 根據(jù)階段①中所確定的電傳動機構(gòu)10的工作時間，開啟電傳動機構(gòu)10，電傳動機構(gòu)10將外液壓缸活塞9下推，從而使外液壓缸活塞以下部分的液壓油通過高壓傳遞管7傳遞到內(nèi)液壓缸1中，高壓油推動內(nèi)液壓缸活塞4上移，而因為內(nèi)液壓缸活塞4連接著提升桿5，提升桿5連接著隔水導(dǎo)管6，從而實現(xiàn)對隔水導(dǎo)管6的提升作業(yè)。從圖3、圖4中可以看出，通過施加壓力后，外液壓缸活塞9起始高度為H，下降高度為Δh，內(nèi)液壓缸活塞4起始高度為Y，上升高度為Δy，根據(jù)液體等壓原理，通過讀取外部壓力表11的數(shù)據(jù)便可以推算出對導(dǎo)管的提升力大小。
③試驗數(shù)據(jù)讀取、處理階段 如②所述，根據(jù)外部壓力表11的瞬間最大壓力變化ΔP，以及內(nèi)液壓缸活塞面積和提升桿面積，就可以推算出作用于導(dǎo)管上的提升力大小。
轉(zhuǎn)換方法如下 設(shè)壓力表瞬間最大變化壓力為ΔP，內(nèi)液壓缸活塞橫截面積為A1，提升桿橫截面積為A2，則作用于導(dǎo)管上的提升力F為 F＝a1ΔP(A1-A2) 式中F為導(dǎo)管上提升力，N； ΔP為液缸內(nèi)壓力，Pa； A1為內(nèi)液壓缸活塞截面積，m2； A2為提升桿的截面積，m2； a1為計算系數(shù)。
上述內(nèi)液壓缸1的總?cè)萘康扔谕庖簤焊?的總?cè)萘?，其耐壓范圍不小?0MPa。高壓傳遞管是連接內(nèi)、外液壓缸的連接通道，也是壓力傳遞的通道，其耐壓范圍也不小于50MPa。
下面是模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置的一個具體應(yīng)用實例 ①模擬高壓條件隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力試驗條件 模擬水深1000m(約為10.094MPa)；海底土質(zhì)為粉質(zhì)粘土；模擬試驗導(dǎo)管尺寸為9.625英寸(244.5mm)；高壓密封筒直徑42英寸(1066.8mm)，高度2500mm。
②導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置的技術(shù)要求 高壓密封筒、內(nèi)液壓缸、外液壓缸、高壓傳遞管、套管支架等裝置耐壓范圍不小于50MPa；提升桿的強度不小于50MPa；外部壓力表的最大量程5MPa，最小量程為1KPa；電傳動機構(gòu)功率3000W，啟動、停機可控。
③試驗數(shù)據(jù)測量 根據(jù)試驗要求，在海底土固結(jié)7天之后對試驗導(dǎo)管進行上提，具體操作如下開啟電傳動機構(gòu)5秒鐘，記錄壓力表數(shù)據(jù)最大值Pmax＝1.112MPa，穩(wěn)定壓力值Paver＝1.081MPa，從而得出導(dǎo)管的提升力值為ΔP＝Pmax-Paver＝0.031MPa。
④試驗數(shù)據(jù)的對比 若未采用模擬水深1000m情況(即高壓10.094MPa)，根據(jù)海底土粉質(zhì)粘土的單位表面摩擦力16Kpa，可以得出導(dǎo)管上提側(cè)向摩擦力為0.022MPa，由此得到在水深1000m情況下，海底土受高壓影響，隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力增加了0.009MPa(0.031-0.022＝0.009MPa)。通過本測量裝置，準(zhǔn)確、快捷的測量了模擬1000m水深情況下，海底土與導(dǎo)管之間的側(cè)向力大小，達到了試驗?zāi)康摹?br> 本發(fā)明提供了一套科學(xué)、準(zhǔn)確的模擬高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置和計算方法，能夠方便、快速的測量出導(dǎo)管側(cè)向摩擦力與海底土固結(jié)時間，不同液體壓力與海底土側(cè)向壓力之間的關(guān)系，結(jié)果可靠性高，能夠為確定隔水導(dǎo)管最小入泥深度提供科學(xué)、準(zhǔn)確的參數(shù)，具有很好的實用價值。
權(quán)利要求
1、一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于它包括一內(nèi)液壓缸、外液壓缸、高壓密封筒、高壓傳遞管、電傳動機構(gòu)、壓力表，所述內(nèi)液壓缸固定懸置在裝有水的所述高壓密封筒內(nèi)，所述內(nèi)液壓缸活塞底部通過一提升桿連接一待做試驗的隔水導(dǎo)管，在所述內(nèi)液壓缸的側(cè)壁上，并且在內(nèi)液壓缸活塞的上、下兩側(cè)，分別向外連通一所述高壓傳遞管，兩所述高壓傳遞管穿出所述高壓密封筒連接到所述外液壓缸活塞上、下對應(yīng)的位置，所述外液壓缸的頂部設(shè)置有一驅(qū)動外液壓缸活塞的電傳動機構(gòu)，所述外液壓缸的底部設(shè)置所述壓力表。
2、如權(quán)利要求1所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述高壓密封筒、內(nèi)液壓缸、外液壓缸、高壓傳遞管的耐壓范圍均不小于50MPa。
3、如權(quán)利要求1所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述內(nèi)液壓缸的總?cè)萘康扔谒鐾庖簤焊椎目側(cè)萘俊?br> 4、如權(quán)利要求2所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述內(nèi)液壓缸的總?cè)萘康扔谒鐾庖簤焊椎目側(cè)萘俊?br> 5、如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述內(nèi)液壓缸通過套管支架懸置在所述高壓密封筒的內(nèi)，所述套管支架由套設(shè)在所述內(nèi)液壓缸外的套管，以及連接在套管和高壓密封筒內(nèi)壁之間的支架組成。
6、如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述壓力表測量外液壓缸活塞下部液體的壓力。
7、如權(quán)利要求5所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述壓力表測量外液壓缸活塞下部液體的壓力。
8、如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述電傳動機構(gòu)包括一電動機，所述電動機輸出軸上連接的一齒輪，所述齒輪嚙合一齒條，所述齒條連接到所述外液壓缸活塞。
9、如權(quán)利要求5所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述電傳動機構(gòu)包括一電動機，所述電動機輸出軸上連接的一齒輪，所述齒輪嚙合一齒條，所述齒條連接到所述外液壓缸活塞。
10、如權(quán)利要求6所述的一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于所述電傳動機構(gòu)包括一電動機，所述電動機輸出軸上連接的一齒輪，所述齒輪嚙合一齒條，所述齒條連接到所述外液壓缸活塞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種模擬高壓條件下鉆井隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力測量裝置，其特征在于它包括一內(nèi)液壓缸，內(nèi)液壓缸懸置在裝有水的高壓密封筒內(nèi)，內(nèi)液壓缸活塞底部通過一提升桿連接一待做試驗的隔水導(dǎo)管，在內(nèi)液壓缸的側(cè)壁上，并且在內(nèi)液壓缸活塞的上、下兩側(cè)，分別向外連通一高壓傳遞管，兩高壓傳遞管穿出高壓密封筒連接到一外液壓缸對應(yīng)的位置，外液壓缸的頂部設(shè)置有一驅(qū)動外液壓缸活塞的電傳動機構(gòu)，外液壓缸的底部設(shè)置一壓力表。本裝置根據(jù)液體不可壓縮原理，以及液體傳壓性，通過對外液壓缸施壓，由液體傳壓推動內(nèi)液壓缸活塞上移，活塞帶動導(dǎo)管上提，提升力的大小可通過連接在外液壓缸上的壓力表推算出，從而得到高壓條件下隔水導(dǎo)管側(cè)向摩擦力的值。
文檔編號G01L1/02GK101581611SQ20091008721
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者偉 姜, 劉書杰, 進 楊, 王平雙, 周建良, 曹硯鋒, 周長所 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 中國石油大學(xué)(北京)