[发明专利]一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法。

背景技术

中国南海油气资源丰富，石油地质储量300亿吨，约70%蕴藏在深海，我国未来油气勘探开发的战略目标将转向深海。开采深水油气资源，除钻井平台外，隔水管也非常重要。隔水管是连接平台与海底防喷器的关键设备。在深水钻井过程中，钻具与钻井液要通过数千米水深的隔水管，隔水管既受到海洋环境的影响，同时又受到钻柱、钻井液、隔水管张力等钻井工况的影响，在二者耦合作用下，隔水管易发生失效进而影响深水钻井的安全。因此，开展基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为研究对于深水钻井具有重要意义。然而，这种复杂非线性流固耦合问题难以采用数值方法进行研究，因此，利用物理试验研究隔水管力学行为是非常有必要且行之有效的手段。

目前，国内外相继开展了不同结构形式、不同材料、不同长细比、不同海流环境下的隔水管力学行为的研究，而由于研究目标和内容不同，在试验台架的搭建上有着较大的差异。

例如在中国专利申请201210079411.5号中公开了一种海洋立管涡激振动试验中施加内流与顶张力的系统，该专利主要包括支架、上下连接铰、滑轮、钢铰线、进出水管，上下铰接件通过螺纹连接固定于支架上下两端，自上铰接件引出的钢绞线通过支架顶部滑轮的凹槽进行配重，进出水管安装于上下铰接建上且均可作为进水管或出水管。该装置引入立管模型内部流体但并未提及内部流体流速的精确控制，且该试验装置主要针对采油生产立管进行研究，并未考虑深水钻井工况因此未能在装置设计的时候考虑钻柱、平台运动等因素。以该装置为台架所进行的实验采用光纤光栅传感器为实验数据获取的手段，费用昂贵且容易造成传感器的损坏，后期实验数据的处理也需要较高的数学能力。

又例如中国专利申请200610025220.5号中公开了一种并行式深水造流系统及方法，该专利所述水池包括六层造流装置、每层装置主要包括水泵和变频器，进出水管道，每层进出水管道间安装有连通管道和控制阀，调节控制阀便可以改变各层造流装置所含水泵的驱动能力的合理分配而造出不同形式的流，但是就单从研究隔水管力学行为的实验来说其占地面积庞大，建造成本与试验费用过高且未实现试验过程的可视化。

再例如中国专利申请200910237488.9号中公开了一种细长立管涡激振动实验的立管模型端部固定装置，该装置主要包括拖车、左右支撑装置、滑动机构、张力系统，其中滑动机构主要包括基座、与左支撑装置连接的滑轨、滑块，张力系统主要包括安装在左支撑装置上的弹簧、张力计、张紧器。如该专利所述实验过程中以拖车拖动立管模型的方式模拟均匀来流，该方法对于流速更为容易精确控制，然而立管模型中部因自重出现弯曲、立管模型的启动、制动时的惯性力对流场扰动较大并且该实验装置未考虑在立管模型内部通流体，加入钻柱模型，更未考虑平台运动等钻井工况。以该装置为台架所进行的实验在拖曳水池中进行难以实现实验过程的可视化且采用光纤光栅传感器为实验数据获取的手段，费用昂贵且容易造成传感器的损坏。

综上，各个实验装置的差异主要取决于实验数据的获取、实验过程是否实现可视化、海洋环境与钻井工况是否藕合作用。针对隔水管在实际钻井过程中的工况，为进一步深入的研究隔水管力学行为有必要研制海洋环境和钻井工况耦合作用、实验过程隔水管模型动态可视化、且实验数据获取方便准确的隔水管力学性能实验装置。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够在室内模拟海洋环境和钻井工矿的耦合作用，真实再现深海钻井时隔水管的实际工程工况，从而真实全面的模拟研究隔水管的力学行为的基于海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为试验系统及其试验方法。