專利名稱：模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋深水鉆井技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及的是一種模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
深水鉆井水下井口上聯(lián)防噴器組及隔水管，下接套管串(由導(dǎo)管和其他套管組成)，其受力非常復(fù)雜，而深海惡劣的環(huán)境、低強(qiáng)度的海底淺部地層、增長(zhǎng)的隔水管線、加重加大的防噴器組等因素都對(duì)水下井口的穩(wěn)定性提出較高的要求。深水鉆井時(shí)水下井口承受的作用力主要來自由于隔水管底部接頭處的豎向和橫向反力、防噴器組及懸掛套管串的重力、作用于防噴器組及井口的橫向波流力、海底土層對(duì)套管的豎向和橫向阻力等。這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發(fā)生橫向傾斜，當(dāng)井口及其以下套管柱承受的彎矩值超出設(shè)計(jì)極限時(shí)將存在整個(gè)井口坍塌的危險(xiǎn)。海底淺部地層是深水鉆井水下井口和套管柱的支撐，因此，隔水管動(dòng)力作用下的海底泥線以下套管與軟土的相互作用機(jī)理是其中的關(guān)鍵問題之一。由于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬費(fèi)用高且我國(guó)目前尚未自主進(jìn)行深水鉆井作業(yè)實(shí)踐，因此，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M是一種有效的手段。雖然近年來針對(duì)土木和建筑工程中的樁土相互作用的動(dòng)力學(xué)研究吸引了許多研究者的注意，但是由于樁土力學(xué)行為的復(fù)雜性，樁土之間的動(dòng)力作用理論仍處于熱點(diǎn)研究階段。套管柱和海底淺部軟土之間相互動(dòng)力作用較傳統(tǒng)樁土模型復(fù)雜的多，主要有以下幾點(diǎn)原因①由波浪和海流力、鉆井平臺(tái)慢漂運(yùn)動(dòng)等因素使隔水管作用在套管柱上部的動(dòng)力相對(duì)復(fù)雜。②在隔水管動(dòng)力作用下，套管柱在海底淺部軟土中將出現(xiàn)較大程度的管柱和表層土分離現(xiàn)象，從而引起更深層的土體分離。③套管柱屬于變截面、變剛度結(jié)構(gòu)，同時(shí)下入深度較常規(guī)樁柱大的多。④深水海底淺部地層的土層性質(zhì)與淺水和陸地不同。⑤隔水管傳遞到水下井口及泥線以下套管柱上的力主要為超低頻橫向荷載(1/300-1/100HZ之間)。因此，目前的傳統(tǒng)樁基動(dòng)力實(shí)驗(yàn)分析方法無法解決深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土間相互作用的問題。另外由于我國(guó)尚未開展深水鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，且沒有成熟的深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土間相互作用實(shí)驗(yàn)研究方案。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上所述的問題，本發(fā)明主要考慮套管柱頂部受到超低頻橫向荷載循環(huán)作用、套管柱與其周圍軟土發(fā)生分離現(xiàn)象、套管柱為變截面與變剛度結(jié)構(gòu)、套管柱下端部固支、軟土浸泡在水中等海洋深水油氣鉆井工程中的具體問題，提供一種新的用于模擬深水鉆井水下套管柱與其海底淺部軟土相互作用的實(shí)驗(yàn)裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，包括空心桶形物(I)、底部夾持裝置(2)、變截面套管柱組合(3)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15);所述空心桶形物(I)底部設(shè)置底部夾持裝置(2)，用以夾持固定實(shí)驗(yàn)用變截面套管柱組合(3)底端；所述空心桶形物(I)下部側(cè)面開有直徑5cm的排水孔(4)和密封活動(dòng)門(5)，排水孔(4)用以實(shí)驗(yàn)完畢后的排水，密封活動(dòng)門(5)用以實(shí)驗(yàn)完畢后土樣的清除；空心桶形物(I)內(nèi)部空間用于填裝實(shí)驗(yàn)用土樣(14)，土樣(14)上方覆蓋實(shí)驗(yàn)用水，用以模擬海底淺部被水浸泡的軟土地基情況；變截面套管柱組合(3)頂部以絲扣的形式旋入其上部重物(8);沿變截面套管柱組合(3)軸向方向不同位置貼成對(duì)應(yīng)變片￠)，在變截面套管柱組合(3)周圍的實(shí)驗(yàn)土樣(14)中不同深度埋置土壓力計(jì)，以便測(cè)量不同情況下變截面套管柱組合(3)的應(yīng)變及管土界面的接觸壓力；作用于變截面套管柱組合(3)頂部豎向力用重物(8)進(jìn)行靜態(tài)加載模擬，橫向力采用雙向循環(huán)加載裝置(9)加載，變截面套管柱組合(3)頂部安裝有加速度傳感器(10)，用以測(cè)量變截面套管柱組合(3)頂部在水平橫向循環(huán)荷載作用下的橫向加速度； 在變截面套管柱組合(3)頂部左右兩端連接有可伸縮式位移傳感器(11)，用以測(cè)量管柱頂部在水平橫向循環(huán)荷載作用下的位移；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)與循環(huán)加載裝置(9)的力傳感器(12)、管柱頂部加速度傳感器(10)和可伸縮式位移傳感器(11)、變截面套管柱組合(3)管壁附著的應(yīng)變片￠)、變截面套管柱組合(3)周圍埋置的土壓力計(jì)相連，用以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。所述的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，所述空心桶形物(I)內(nèi)徑2m、厚度l-2mm、高度2. 5m,上部無蓋，下部為厚度為IOmm的鋼板。所述的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，所述變截面套管柱組合(3)為直徑3_5cm的不同直徑的鋼管或招管或有機(jī)玻璃管相互嵌套而成。該實(shí)驗(yàn)裝置具有使用方便，操作簡(jiǎn)單，可模擬深水鉆井不同工況下套管柱與其周圍軟土間相互作用的情況，完成深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用機(jī)理的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為我國(guó)深水鉆井作業(yè)提供支持，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。


圖I為深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖2為三種不同工況下的變截面套管柱組合結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。參考圖I，本實(shí)驗(yàn)裝置采用鐵皮或類似介質(zhì)制作成內(nèi)徑2m、高度2. 5m的空心桶形物1，該桶形物上部無蓋，下部由厚底為IOmm的鋼板組成，且底部設(shè)計(jì)有一個(gè)底部夾持裝置2，用以夾持固定實(shí)驗(yàn)用變截面套管柱組合3底端，可在空心桶形物I底部外面操作夾持和釋放；空心桶形物I下部側(cè)面開有直徑5cm的排水孔4和密封活動(dòng)門5，排水孔4用以實(shí)驗(yàn)完畢后的排水，密封活動(dòng)門5用以實(shí)驗(yàn)完畢后土樣的清除；空心桶形物I內(nèi)部空間用于填裝實(shí)驗(yàn)用土樣14，土樣上方覆蓋實(shí)驗(yàn)用水，用以模擬海底淺部被水浸泡的軟土地基情況。理論分析已證明，在深水鉆井過程中，由于導(dǎo)管和表層套管入泥深度較深，在泥線以下 20-30m處可視為固支，所以空心桶形物I的高度不需要太高就可以模擬深水鉆井導(dǎo)管下入 50-100m深度的情況，否則按照長(zhǎng)度縮尺后的變截面套管柱組合直徑過小，帶來較大的實(shí)驗(yàn)誤差。
參考圖2，采用直徑3_5cm的不同直徑的鋼管或鋁管或有機(jī)玻璃管等類似介質(zhì)相互嵌套制作變截面套管柱組合3，由相似性原理根據(jù)實(shí)際鉆井采用的導(dǎo)管和表層套管的比例尺制作幾組不同外徑和壁厚的變截面套管柱組合3，有模擬直徑914. 4mm導(dǎo)管不同壁厚、 不同長(zhǎng)度的大直徑管100，模擬直徑508mm表層套管的小直徑管101，大直徑管100可緊密嵌套在小直徑管101外壁上。圖2中示出的是三種不同的實(shí)際工況，所以有不同的結(jié)構(gòu)，但不僅限于此三種。圖2中(a)所示為模擬上部為直徑914. 4mm的導(dǎo)管(大直徑管100)噴射下入時(shí)情況，制作時(shí)根據(jù)管柱實(shí)際尺寸和抗彎剛度縮小比例，此工況下導(dǎo)管頂部受到的橫向循環(huán)荷載由其上部鉆桿傳遞，荷載較??；(b)所不為模擬上部為直徑914. 4mm導(dǎo)管(大直徑管100)，內(nèi)部下入直徑508mm表層套管(小直徑管101)，大直徑管套緊密套管在小直徑管上，組成的套管柱組合的頂部以絲扣的形式旋入其上部重物8 (模擬水下防噴器)中，制作時(shí)根據(jù)管柱實(shí)際尺寸和抗彎剛度縮小比例，該情況下上部隔水管和水下防噴器已連接， 豎向和橫向循環(huán)荷載較大；(c)所示為模擬上部為加厚大直徑管102，中部為常規(guī)大直徑管 100，內(nèi)部為小直徑管101，組成的套管柱組合的頂部以絲扣的形式旋入其上部重物8 (模擬水下防噴器)中，制作時(shí)根據(jù)管柱實(shí)際尺寸和抗彎剛度縮小比例，該情況下上部隔水管和水下防噴器已連接，且在導(dǎo)管上部做了加厚處理。沿變截面套管柱組合3軸向方向不同位置貼成對(duì)應(yīng)變片6，在變截面套管柱組合3 周圍的實(shí)驗(yàn)土樣14中不同深度埋置土壓力計(jì)，以便測(cè)量不同情況下變截面套管柱組合3的應(yīng)變及管土界面的接觸壓力。本實(shí)驗(yàn)裝置根據(jù)隔水管力學(xué)分析結(jié)果確定作用于變截面套管柱組合3頂部的豎向力和橫向循環(huán)力，豎向力用重物8進(jìn)行靜態(tài)加載模擬，橫向力采用雙向(左右往復(fù))循環(huán)加載裝置9加載，該循環(huán)加載可以由伺服作動(dòng)器或低頻激振器實(shí)現(xiàn)，變截面套管柱組合3頂部安裝有加速度傳感器10，用以測(cè)量變截面套管柱組合3頂部在橫向循環(huán)荷載作用下的橫向加速度。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸苤敳孔笥覂啥诉B接有可伸縮式位移傳感器11，用以測(cè)量管柱頂部在橫向循環(huán)荷載作用下的位移，該位移測(cè)量也可由非接觸式的位移傳感器實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15與循環(huán)加載裝置9的力傳感器12、管柱頂部加速度傳感器10和可伸縮式位移傳感器11、變截面套管柱組合3管壁附著的應(yīng)變片6、周圍埋置的土壓力計(jì)等測(cè)量?jī)x表相連，用以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15采集循環(huán)荷載作用下的變截面套管柱組合的動(dòng)態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合變截面套管柱組合頂部的橫向位移作為邊界條件，可計(jì)算出不同變截面套管柱組合不同荷載作用下的橫向變形及受力情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以描述深水鉆井不同作業(yè)工況下水下套管柱與海底淺部軟土間相互作用機(jī)理。實(shí)驗(yàn)裝置使用說明本實(shí)驗(yàn)裝置安裝示意如圖I所示。以深水鉆井作業(yè)時(shí)上部隔水管和水下防噴器組已下入，導(dǎo)管和表層套管均下入且固井的情況為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)裝置使用說明。I、實(shí)驗(yàn)前，先將空心桶形物I安放在空心基礎(chǔ)13上，以便進(jìn)行變截面套管柱組合 3的夾持和釋放操作，將空心桶形物I保持垂直，內(nèi)部清理干凈。2、將圖2(b)所示的模擬上部為直徑914. 4mm導(dǎo)管(大直徑管)，內(nèi)部下入直徑 508mm表層套管(小直徑管)，大直徑管套緊密嵌套在小直徑管上，組成的組合套管柱組合的頂部以絲扣的形式預(yù)先旋入其上部重物8 (模擬水下防噴器)中。沿變截面套管柱組合3軸向方向不同位置貼應(yīng)變片6，并將數(shù)據(jù)線引出到變截面套管柱組合3頂部，最后將該變截面套管柱組合3下端固定在空心桶形物I的底部夾持裝置2上。3、將空心桶形物I內(nèi)部填裝實(shí)驗(yàn)用軟粘土土樣14，填土過程中注意保持變截面套管柱組合3垂直，同時(shí)在變截面套管柱組合3周圍的實(shí)驗(yàn)土樣中不同深度埋置土壓力計(jì)，以便測(cè)量不同情況下管土界面接觸壓力，并將數(shù)據(jù)線引出到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15。土樣上方通過進(jìn)水口 16覆蓋實(shí)驗(yàn)用水，用以模擬海底淺部被水浸泡的軟土地基情況，靜置一段時(shí)間等待土樣飽和。4、在土樣填裝完成并靜置一段時(shí)間后取小樣品，使用常規(guī)土力學(xué)測(cè)量?jī)x器測(cè)量實(shí)驗(yàn)土樣的密度、含水率、液塑限、不排水抗剪強(qiáng)度等土力學(xué)參數(shù)。5、根據(jù)隔水管力學(xué)分析結(jié)果確定作用于變截面套管柱組合3頂部的豎向力和橫向循環(huán)力，豎向力用重物8進(jìn)行靜態(tài)加載模擬，橫向力采用雙向循環(huán)加載裝置9加載，作動(dòng)器與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸苤敳肯嗦?lián)，管柱頂部安裝有加速度傳感器10，用以測(cè)量變截面套管柱組合3頂部在橫向循環(huán)荷載作用下的加速度。在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥兘孛嫣坠苤M合3頂部左右兩端連接有可伸縮式位移傳感器11，用以測(cè)量管柱頂部在橫向循環(huán)荷載作用下的位移，數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15連接。6、檢查無誤后開始實(shí)驗(yàn)過程，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)15采集循環(huán)荷載作用下的變截面套管柱組合與軟土間的橫向應(yīng)變數(shù)據(jù)，結(jié)合變截面套管柱組合頂部的橫向位移作為邊界條件，可計(jì)算出不同變截面套管柱組合不同荷載作用下的橫向變形及受力情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以描述該深水鉆井工況下水下套管柱與海底淺部軟土間相互作用機(jī)理。7、實(shí)驗(yàn)完畢后，從桶形物底部外面對(duì)底部夾持裝置2進(jìn)行釋放操作，可以釋放被夾持的變截面套管柱組合，釋放后可將變截面套管柱組合慢慢提出桶外，更換不同的變截面套管柱組合進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)而不必重新更換土樣14。如要更換土樣14，則可先將空心桶形物I下部側(cè)面的排水孔4打開，待排完水后打開帶密封條的密封活動(dòng)門5，對(duì)土樣14進(jìn)行清除。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括空心桶形物(I)、底部夾持裝置(2)、變截面套管柱組合(3)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15);所述空心桶形物(I)底部設(shè)置底部夾持裝置(2)，用以夾持固定實(shí)驗(yàn)用變截面套管柱組合(3) 底端；所述空心桶形物⑴下部側(cè)面開有直徑5cm的排水孔(4)和密封活動(dòng)門(5)，排水孔(4)用以實(shí)驗(yàn)完畢后的排水，密封活動(dòng)門(5)用以實(shí)驗(yàn)完畢后土樣的清除；空心桶形物(I) 內(nèi)部空間用于填裝實(shí)驗(yàn)用土樣(14)，土樣(14)上方覆蓋實(shí)驗(yàn)用水，用以模擬海底淺部被水浸泡的軟土地基情況；變截面套管柱組合(3)頂部以絲扣的形式旋入其上部重物(8);沿變截面套管柱組合(3)軸向方向不同位置貼成對(duì)的應(yīng)變片￠)，在變截面套管柱組合(3)周圍的實(shí)驗(yàn)土樣(14)中不同深度埋置土壓力計(jì)，以便測(cè)量不同情況下變截面套管柱組合(3)的應(yīng)變及管土界面的接觸壓力；作用于變截面套管柱組合(3)頂部豎向力用重物(8)進(jìn)行靜態(tài)加載模擬，橫向力采用雙向循環(huán)加載裝置(9)加載，變截面套管柱組合(3)頂部安裝有加速度傳感器(10)，用以測(cè)量變截面套管柱組合(3)頂部在水平橫向循環(huán)荷載作用下的橫向加速度；在變截面套管柱組合(3)頂部左右兩端連接有可伸縮式位移傳感器(11)，用以測(cè)量管柱頂部在水平橫向循環(huán)荷載作用下的位移；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)與循環(huán)加載裝置(9)的力傳感器(12)、管柱頂部加速度傳感器(10)和可伸縮式位移傳感器(11)、變截面套管柱組合(3)管壁附著的應(yīng)變片(6)、變截面套管柱組合(3)周圍埋置的土壓力計(jì)相連，用以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述空心桶形物(I)內(nèi)徑2m、厚度l-2mm、高度2. 5m,上部無蓋,下部為厚度為IOmm的鋼板。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述變截面套管柱組合(3)為直徑3-5cm的不同直徑的鋼管或鋁管或有機(jī)玻璃管相互嵌套而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種模擬深水鉆井水下套管柱與海底淺部軟土相互作用的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置，包括空心桶形物(1)、底部夾持裝置(2)、變截面套管柱組合(3)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)；所述空心桶形物(1)底部設(shè)置底部夾持裝置(2)，用以夾持固定實(shí)驗(yàn)用變截面套管柱組合(3)底端；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(15)與循環(huán)加載裝置(9)的力傳感器(12)、管柱頂部加速度傳感器(10)和可伸縮式位移傳感器(11)、變截面套管柱組合(3)管壁附著的應(yīng)變片(6)、變截面套管柱組合(3)周圍埋置的土壓力計(jì)相連，用以實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢酝瓿缮钏@井作業(yè)不同工況下水下套管柱與海底淺部軟土在橫向循環(huán)荷載作用下的相互作用機(jī)理的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為我國(guó)深水鉆井作業(yè)提供支持，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)G01N13/00GK102607872SQ20121005236
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者劉竟成, 劉繼林, 王均, 石麗, 蘇堪華, 龍芝輝 申請(qǐng)人:重慶科技學(xué)院