[实用新型]模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及海洋深水钻井技术领域，尤其涉及的是一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置。

背景技术

深水钻井水下井口上联防喷器组及隔水管，下接套管串(由导管和其他套管组成)，其受力非常复杂，而深海恶劣的环境、低强度的海底浅部地层、增长的隔水管线、加重加大的防喷器组等因素都对水下井口的稳定性提出较高的要求。深水钻井时水下井口承受的作用力主要来自由于隔水管底部接头处的竖向和横向反力、防喷器组及悬挂套管串的重力、作用于防喷器组及井口的横向波流力、海底土层对套管的竖向和横向阻力等。这些作用力的共同作用可能引起井口及其以下套管柱的下陷或发生横向倾斜，当井口及其以下套管柱承受的弯矩值超出设计极限时将存在整个井口坍塌的危险。

海底浅部地层是深水钻井水下井口和套管柱的支撑，因此，隔水管动力作用下的海底泥线以下套管与软土的相互作用机理是其中的关键问题之一。由于进行现场模拟费用高且我国目前尚未自主进行深水钻井作业实践，因此，室内实验模拟是一种有效的手段。

虽然近年来针对土木和建筑工程中的桩土相互作用的动力学研究吸引了许多研究者的注意，但是由于桩土力学行为的复杂性，桩土之间的动力作用理论仍处于热点研究阶段。套管柱和海底浅部软土之间相互动力作用较传统桩土模型复杂的多，主要有以下几点原因：①由波浪和海流力、钻井平台慢漂运动等因素使隔水管作用在套管柱上部的动力相对复杂。②在隔水管动力作用下，套管柱在海底浅部软土中将出现较大程度的管柱和表层土分离现象，从而引起更深层的土体分离。③套管柱属于变截面、变刚度结构，同时下入深度较常规桩柱大的多。④深水海底浅部地层的土层性质与浅水和陆地不同。⑤隔水管传递到水下井口及泥线以下套管柱上的力主要为超低频横向荷载(1/300-1/100Hz之间)。

因此，目前的传统桩基动力实验分析方法无法解决深水钻井水下套管柱与海底浅部软土间相互作用的问题。另外由于我国尚未开展深水钻井作业现场实践，且没有成熟的深水钻井水下套管柱与海底浅部软土间相互作用实验研究方案。

实用新型内容

基于以上所述的问题，本实用新型主要考虑套管柱顶部受到超低频横向荷载循环作用、套管柱与其周围软土发生分离现象、套管柱为变截面与变刚度结构、套管柱下端部固支、软土浸泡在水中等海洋深水油气钻井工程中的具体问题，提供一种新的用于模拟深水钻井水下套管柱与其海底浅部软土相互作用的实验装置。

本实用新型的技术方案如下：

一种模拟深水钻井水下套管柱与海底浅部软土相互作用的室内实验装置，包括空心桶形物(1)、底部夹持装置(2)、变截面套管柱组合(3)、数据采集系统(15)；所述空心桶形物(1)底部设置底部夹持装置(2)，用以夹持固定实验用变截面套管柱组合(3)底端；所述空心桶形物(1)下部侧面开有直径5cm的排水孔(4)和密封活动门(5)，排水孔(4)用以实验完毕后的排水，密封活动门(5)用以实验完毕后土样的清除；空心桶形物(1)内部空间用于填装实验用土样(14)，土样(14)上方覆盖实验用水，用以模拟海底浅部被水浸泡的软土地基情况；变截面套管柱组合(3)顶部以丝扣的形式旋入其上部重物(8)；沿变截面套管柱组合(3)轴向方向不同位置贴成对应变片(6)，在变截面套管柱组合(3)周围的实验土样(14)中不同深度埋置土压力计，以便测量不同情况下变截面套管柱组合(3)的应变及管土界面的接触压力；作用于变截面套管柱组合(3)顶部竖向力用重物(8)进行静态加载模拟，横向力采用双向循环加载装置(9)加载，变截面套管柱组合(3)顶部安装有加速度传感器(10)，用以测量变截面套管柱组合(3)顶部在水平横向循环荷载作用下的横向加速度；在变截面套管柱组合(3)顶部左右两端连接有可伸缩式位移传感器(11)，用以测量管柱顶部在水平横向循环荷载作用下的位移；

数据采集系统(15)与循环加载装置(9)的力传感器(12)、管柱顶部加速度传感器(10)和可伸缩式位移传感器(11)、变截面套管柱组合(3)管壁附着的应变片(6)、变截面套管柱组合(3)周围埋置的土压力计相连，用以实时采集实验数据。

所述的室内实验装置，所述空心桶形物(1)内径2m、厚度1-2mm、高度2.5m，上部无盖，下部为厚度为10mm的钢板。

所述的室内实验装置，所述变截面套管柱组合(3)为直径3-5cm的不同直径的钢管或铝管或有机玻璃管相互嵌套而成。