[实用新型]水下井口系统加载试验装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及模拟实验装置，尤其是模拟深水钻井的水下井口系统稳定性的试验装置。 

背景技术

全世界未发现的海上油气储量有90％潜伏在水深超过1000m以下的地层，所以深水钻井技术水平关系着深海油气勘探开发的步伐。对于海洋深水钻井工程而言，钻井环境条件随水深的增加变得更加复杂，容易出现常规的钻井工程难以克服的技术难题，因此深水钻井技术的发展是影响未来石油发展的重要因素。 

目前，深水钻井时采用的水下井口系统一般由钻井隔水管、防喷器以及井口头组成，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下陷或倾斜，当井口承受的弯矩值超出设计极限时将存遭受破坏。 

在施工作业方面临的首要问题就是在哪里打井，也就是海底井场选择的问题。海底井场的选择往往要面对以下几个问题：1)海洋钻井隔水导管水平方向受到复杂的海流力、波浪力及其他力的作用，因此，需要对井口进行稳定性分析，判断在风浪流等水平载荷的作用下是否会发生倾覆、失稳，而导管-海底土间的相互作用决定了井口的横向相应问题。但海底土特性变化多样，从软粘土、粉质粘土、硬粘土到砂质粉土、粉质细沙、中砂和粗砂等，而且在不同的海区、海域，土特性也会有很大的差别。因此，研究不同特性的海底土对导管横向响应的影响，对导管的稳定性分析具有重要的意义。2)如何安全有效的固定导管 问题。深水钻井往往要将几十吨甚至上百吨的海底防喷器安装在海底的导管上，因此海底导管附近地层的属性是否能够为防喷器提供支撑，是能否安全开展后续施工作业的前提。因此在进行井场选择的时候要着重考虑导管与地层的承重能力，确保后续钻井施工安全。3)导管的下入深度过浅，则可能造成套管柱下陷失稳等事故；若下入深度过大，则造成经济上的浪费。所以需要对导管承载能力进行计算分析，研究导管下入深度的确定方法。4)由于深水海底情况复杂，以上几种情况往往会同时出现，因此要根据地质资料等现场数据，权衡选择一种科学合理的施工方案，保证钻井施工的顺利进行。 

虽然国外有关文献提出了井口存在的稳定性问题，但是并没有建立针对该问题的理论分析方法。同时，由于海洋环境载荷对隔水管的动态响应直接作用到水下井口及其以下的套管柱上，需要研究动态因素对井口稳定性的影响，这方面未见相关文献报道。 

发明内容

本实用新型提供一种模拟深水钻井现场的水下井口系统加载试验装置。本试验装置针对深水钻井特点，可以模拟隔水管顶部张紧力、钻井船漂移量、隔水管摆动位移、偏移角度及地基反力等对水下井口、导管系统的力学性能及稳定性的影响，可以对深水钻井的井口力学稳定性及导管承载能力进行模型试验，揭示各种因素对水下井口稳定性及导管承载能力的影响规律和敏感性。 

为达到上述目的，本实用新型的加载试验装置采取的技术方案是：它是在一个基坑的上方设有一个门形架，所述的门形架是在两个竖向立柱上安装有可以上下活动的横梁，门形架的横梁上安装有水平滑动件，水平滑动件由上板、下板和两根竖向拉杆组成，且上、下板与横梁接触的部位均设有滚动轴承，水平滑动件上安装有施加垂直拉力或压力的竖向助动器，水平滑动件的一侧安装 有推动滑动件往返运动的水平助动器；基坑中设有模拟的水下井口导管桩，通过导管桩将模拟井口系统固定在门形架内；模拟井口系统由模拟的隔水管、水下井口及防喷器组成；隔水管顶端与竖向助动器底端球铰接，隔水管的底部与防喷器球铰接。 

上述的水平助动器和竖向助动器均为液压缸，并由液压伺服控制系统进行控制。 

为了达到更好的模拟效果，本实用新型水平滑动件与竖向助动器以及横梁之间的安装关系优先选用以下两种情况： 

一是：水平滑动件套在门形架横梁上，竖向助动器的底座连接在水平滑动件的下板上，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。 

二是：竖向助动器的底座作为水平滑动件的上板，竖向助动器穿过横梁和水平滑动件下板，从而将竖向助动器固定在水平滑动件上。 

上述试验装置的试验方法如下： 

第一步：在模拟的水下井口导管桩的沿管长方向上对称布设上测量轴向荷载和水平荷载的应变片； 

第二步：将配制待试验的土体填在基坑中，并将模拟的水下井口导管桩埋入该土中；