深水鉆采管柱力學(xué)行為模擬試驗系統(tǒng)研制

王宴濱，高德利，房 軍

（1.中國石油大學(xué) 石油工程教育部重點試驗室，北京102249；2.CNPC石油管工程重點試驗室 管柱力學(xué)與控制研究室，北京102249）

深水鉆采管柱包括隔水管、鉆桿柱、生產(chǎn)管柱、海底管線等，這些管柱在服役狀態(tài)下所受的外載荷各不相同。以隔水管為例，在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，隔水管在受到軸向拉壓、內(nèi)壓、外擠等作業(yè)載荷基礎(chǔ)上，還會受到橫向的海流力、波浪力與平臺偏移等一系列復(fù)雜的環(huán)境荷載，會產(chǎn)生磨損、斷裂、擠毀等不同形式的失效［1－3］。為保證海洋鉆采作業(yè)安全快速的進(jìn)行，除了對管柱進(jìn)行理論的分析以外，用試驗方法得到管柱在外載荷作用下的力學(xué)規(guī)律是保證深水油氣開采管柱安全可靠性的有效方法。

目前很少有文獻(xiàn)報道能夠?qū)苤┘油鈮旱脑囼炑b備。經(jīng)調(diào)研，巴西里約熱內(nèi)盧大學(xué)裝備有1套海洋深水模擬試驗裝置，但其只能提供10MPa的水壓，最大模擬水深僅為1 000m。目前，第5代和第6代鉆井平臺（船）的鉆井水深為3 000m［4］。由中國石油大學(xué)（北京）與德州澳特海液壓技術(shù)研究所研制的深水管柱力學(xué)模擬試驗裝置［5－6］能夠提供最高30MPa的額定工作壓力，能有效模擬0～3 000 m的作業(yè)水深，能夠?qū)υ囼灥墓苤嚰┘觾?nèi)外壓及軸向力載荷，配備相應(yīng)的附件后能實現(xiàn)橫向力及轉(zhuǎn)矩的加載。為深水油氣勘探開發(fā)研究提供了良好的試驗平臺，能夠完善深水鉆完井理論研究，降低作業(yè)風(fēng)險，提高深水油氣開發(fā)的安全性和經(jīng)濟性。

1 結(jié)構(gòu)簡介

深水管柱力學(xué)模擬試驗系統(tǒng)主要有承壓主缸筒、液壓作用器、液壓伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相應(yīng)的管路與控制線組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗設(shè)備的整體外觀如圖2所示。

承壓主缸筒主要由主缸筒、軸向活塞、活塞桿、端部卡箍及相應(yīng)的密封元件組成，是系統(tǒng)承壓的主體組成部分；液壓作用器主要由水－油伺服增壓作用缸及伺服控制閥組成，可以輸出試驗要求所需要的壓力和流量；液壓伺服控制系統(tǒng)主要由伺服系統(tǒng)控制柜及相應(yīng)的軟件組成，向液壓伺服閥發(fā)出指令，控制伺服閥的動作及其幅度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壓力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)采集儀器組成，將采集得到的信號存入電腦以備后續(xù)處理。試驗?zāi)M試件通過兩端的連接頭及連接銷與活塞桿相連，實現(xiàn)軸向力的加載。為了配合不同試驗的需要，系統(tǒng)配備了1套液壓比例控制系統(tǒng)和1套液壓伺服控制系統(tǒng)、1套靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器和1套動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器。另外，系統(tǒng)配備了電控可移動的拆裝小車與拆裝吊車，可以方便的對試驗設(shè)備及模擬試件進(jìn)行拆裝。

2 工作原理

2.1 環(huán)境載荷計算

試驗系統(tǒng)目前可以實現(xiàn)內(nèi)外壓及軸向力的加載，確定試驗所要模擬的深水作業(yè)工況，計算得到所需施加的內(nèi)外壓及軸向載荷、將載荷譜寫入控制軟件，以供程序調(diào)用執(zhí)行。

2.2 試件安裝及壓力加載原理

管柱通過銷軸連接管柱接頭，并與軸向活塞固定在一起后放置在試驗主缸筒內(nèi)。液壓伺服控制系統(tǒng)接受來自伺服控制主機的控制（壓力或者位移）指令后，將指令傳給外壓加載總成、軸向加載總成、內(nèi)壓加載總成，分別通過外壓加載孔、內(nèi)壓加載孔、軸向加載孔向由管柱外壁與主缸筒內(nèi)壁形成的環(huán)形空間，試驗主缸筒內(nèi)腔，軸向活塞與端部卡箍形成的環(huán)形空間加壓，模擬管柱承受的內(nèi)外壓及軸向載荷。試件在外載荷作用下會產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變被貼在試件外壁的應(yīng)變片捕捉，并通過引出試驗主缸筒的接線傳遞給應(yīng)變采集系統(tǒng)，最后在伺服控制主機上得到施加給管柱的外載荷數(shù)值，在應(yīng)變采集主機上得到模擬試件的應(yīng)變數(shù)值。

2.3 卸載

為保證卸載過程中的試件安全，首先打開安裝在液壓回路上的壓力卸荷控制閥，將內(nèi)外壓及軸向力三路液壓管路匯合，實現(xiàn)3個壓力腔內(nèi)的壓力平衡，然后進(jìn)行壓力卸載。

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用IOteth公司的IOtech6000系列的IOtech6220和IOtech6224兩套設(shè)備以及西安交大能源電子技術(shù)開發(fā)公司的IMP數(shù)據(jù)采集儀器。IOtech6220是一種12通道的16位電壓分析測量設(shè)備，IOtech6224是一種12通道，24位分辨率的應(yīng)變測量儀器，兩款設(shè)備可實現(xiàn)信號的同步采集；以太網(wǎng)連接電腦，確保數(shù)據(jù)安全可靠的傳輸。IMP采用16位的A／D轉(zhuǎn)化，對小信號的輸出信號能直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，具有抗干擾性能強、應(yīng)用范圍廣及測量精度高的特點。

3 主要技術(shù)參數(shù)（如表1～表2）

4 系統(tǒng)的主要功能

4.1 深水管柱的外擠試驗

當(dāng)試驗缸內(nèi)液體對深水管柱產(chǎn)生外擠壓力時，缸內(nèi)液體向兩端推動活塞，使活塞對管柱產(chǎn)生軸向的拉伸載荷，且拉伸載荷可能會超過管柱的最大拉伸載荷，因此要進(jìn)行深水管柱的純外擠試驗，可通過主缸體上的加壓口施加外擠壓力，同時向兩端的端部缸內(nèi)加壓以施加軸向壓力，這樣，從端部缸施加的軸向壓力就可以抵消主缸體內(nèi)液體對管柱產(chǎn)生的拉伸載荷。

在進(jìn)行一定的軸向力作用下的管柱外壓試驗時，首先確定好管柱的軸向壓力大小，然后向主缸體和端部缸內(nèi)同時加壓，且一定要按比例同步加壓。

4.2 深水管柱的內(nèi)壓試驗

進(jìn)行管柱的內(nèi)壓試驗時，管柱試件受內(nèi)壓作用，同時，管柱兩端的耳環(huán)也受試件內(nèi)液體的推力作用而使耳環(huán)對管柱產(chǎn)生拉力作用。所以，要進(jìn)行純內(nèi)壓試驗，就要在端部缸內(nèi)加壓以抵消耳環(huán)對管柱的拉力作用。

4.3 內(nèi)外壓聯(lián)合作用下管柱的力學(xué)試驗

研究內(nèi)外壓同時作用時管柱的力學(xué)性能，要按主體缸和管柱腔體內(nèi)壓力計算此時管柱的軸向力大小，并根據(jù)試驗中所要模擬的軸向力大小，計算端部缸內(nèi)的壓力，確定主缸體、管柱內(nèi)腔和端部缸體的加壓比例，加壓時按該比例設(shè)定同步均勻加載。

4.4 深水設(shè)備密封性能測試

深水中使用的很多設(shè)備都要求具有良好的密封性能，由于裝置能提供最大30MPa的工作壓力，所以它可以對深水設(shè)備進(jìn)行很好的密封性能測試。

5 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)安裝調(diào)試期間進(jìn)行了多次試壓調(diào)試。調(diào)試過程中液壓控制系統(tǒng)能很好地輸出指令并接收反饋，液壓伺服閥能很好地完成壓力與流量調(diào)節(jié)動作，各壓力腔室的壓力調(diào)節(jié)達(dá)到了試驗預(yù)期要求。裝置在調(diào)試過程中沒有出現(xiàn)漏水漏油現(xiàn)象，全面完成了室內(nèi)各項技術(shù)指標(biāo)的測試。裝置在進(jìn)行調(diào)試完成后進(jìn)行了內(nèi)外壓的壓力加載測試，壓力加載及相應(yīng)曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，壓力腔內(nèi)的壓力能夠快速地響應(yīng)并且能夠在較長的一段時間保持不變，卸載再進(jìn)行加載后性能仍然好，說明系統(tǒng)的壓力調(diào)控系統(tǒng)能夠按照試驗預(yù)期進(jìn)行工作。

6 結(jié)語

1） 深水管柱力學(xué)模擬試驗裝置能夠提供30 MPa的額定工作水壓，可對試驗的管柱試件施加內(nèi)外壓及軸向力載荷，配備相應(yīng)的附件后還能實現(xiàn)橫向力及轉(zhuǎn)矩的加載。

2） 該裝置具有加載壓力高、響應(yīng)及時、內(nèi)部拆裝空間大、操作簡單、數(shù)據(jù)采集可靠等特點。

3） 深水管柱力學(xué)模擬試驗系統(tǒng)為我國深水鉆完井模擬試驗提供了一個良好的試驗平臺，能夠有效解決深水現(xiàn)場試驗操作難度大、作業(yè)風(fēng)險高和試驗成本昂貴等難題，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

［1］楊進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：10－13.

［2］Jeanjean P.Innovative design method for deepwater surface casings［R］.SPE 77357，2002：2－5.

［3］Gerwick B C Jr.Construction of marine and offshore structures［M］.CRC Press，2007：49－55.

［4］廖謨圣.海洋石油鉆采工程技術(shù)與裝備［M］.北京：中國石化出版社，2010.

［5］李建超，房軍，高德利.深水試驗缸旋轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)設(shè)計及安全性分析［J］.石油礦場機械，2011，40（5）：14－17.

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