深水钻采管柱力学行为模拟试验系统研制

2014-04-06王宴滨高德利

石油矿场机械 2014年4期

王宴滨，高德利，房军

（1.中国石油大学石油工程教育部重点试验室，北京102249；2.CNPC石油管工程重点试验室管柱力学与控制研究室，北京102249）

深水钻采管柱包括隔水管、钻杆柱、生产管柱、海底管线等，这些管柱在服役状态下所受的外载荷各不相同。以隔水管为例，在复杂的海洋环境下，隔水管在受到轴向拉压、内压、外挤等作业载荷基础上，还会受到横向的海流力、波浪力与平台偏移等一系列复杂的环境荷载，会产生磨损、断裂、挤毁等不同形式的失效［1－3］。为保证海洋钻采作业安全快速的进行，除了对管柱进行理论的分析以外，用试验方法得到管柱在外载荷作用下的力学规律是保证深水油气开采管柱安全可靠性的有效方法。

目前很少有文献报道能够对管柱施加外压的试验装备。经调研，巴西里约热内卢大学装备有1套海洋深水模拟试验装置，但其只能提供10MPa的水压，最大模拟水深仅为1 000m。目前，第5代和第6代钻井平台（船）的钻井水深为3 000m［4］。由中国石油大学（北京）与德州澳特海液压技术研究所研制的深水管柱力学模拟试验装置［5－6］能够提供最高30MPa的额定工作压力，能有效模拟0～3 000 m的作业水深，能够对试验的管柱试件施加内外压及轴向力载荷，配备相应的附件后能实现横向力及转矩的加载。为深水油气勘探开发研究提供了良好的试验平台，能够完善深水钻完井理论研究，降低作业风险，提高深水油气开发的安全性和经济性。

1 结构简介

深水管柱力学模拟试验系统主要有承压主缸筒、液压作用器、液压伺服控制系统、数据采集系统及相应的管路与控制线组成，其结构如图1所示。试验设备的整体外观如图2所示。

承压主缸筒主要由主缸筒、轴向活塞、活塞杆、端部卡箍及相应的密封元件组成，是系统承压的主体组成部分；液压作用器主要由水－油伺服增压作用缸及伺服控制阀组成，可以输出试验要求所需要的压力和流量；液压伺服控制系统主要由伺服系统控制柜及相应的软件组成，向液压伺服阀发出指令，控制伺服阀的动作及其幅度；数据采集系统主要由压力、应变、位移等数据采集仪器组成，将采集得到的信号存入电脑以备后续处理。试验模拟试件通过两端的连接头及连接销与活塞杆相连，实现轴向力的加载。为了配合不同试验的需要，系统配备了1套液压比例控制系统和1套液压伺服控制系统、1套静态数据采集仪器和1套动态数据采集仪器。另外，系统配备了电控可移动的拆装小车与拆装吊车，可以方便的对试验设备及模拟试件进行拆装。

2 工作原理

2.1 环境载荷计算

试验系统目前可以实现内外压及轴向力的加载，确定试验所要模拟的深水作业工况，计算得到所需施加的内外压及轴向载荷、将载荷谱写入控制软件，以供程序调用执行。

2.2 试件安装及压力加载原理

管柱通过销轴连接管柱接头，并与轴向活塞固定在一起后放置在试验主缸筒内。液压伺服控制系统接受来自伺服控制主机的控制（压力或者位移）指令后，将指令传给外压加载总成、轴向加载总成、内压加载总成，分别通过外压加载孔、内压加载孔、轴向加载孔向由管柱外壁与主缸筒内壁形成的环形空间，试验主缸筒内腔，轴向活塞与端部卡箍形成的环形空间加压，模拟管柱承受的内外压及轴向载荷。试件在外载荷作用下会产生应变，该应变被贴在试件外壁的应变片捕捉，并通过引出试验主缸筒的接线传递给应变采集系统，最后在伺服控制主机上得到施加给管柱的外载荷数值，在应变采集主机上得到模拟试件的应变数值。

2.3 卸载

为保证卸载过程中的试件安全，首先打开安装在液压回路上的压力卸荷控制阀，将内外压及轴向力三路液压管路汇合，实现3个压力腔内的压力平衡，然后进行压力卸载。

2.4 数据采集

数据采集设备采用IOteth公司的IOtech6000系列的IOtech6220和IOtech6224两套设备以及西安交大能源电子技术开发公司的IMP数据采集仪器。IOtech6220是一种12通道的16位电压分析测量设备，IOtech6224是一种12通道，24位分辨率的应变测量仪器，两款设备可实现信号的同步采集；以太网连接电脑，确保数据安全可靠的传输。IMP采用16位的A／D转化，对小信号的输出信号能直接进行A／D转换，具有抗干扰性能强、应用范围广及测量精度高的特点。

3 主要技术参数（如表1～表2）

4 系统的主要功能

4.1 深水管柱的外挤试验

当试验缸内液体对深水管柱产生外挤压力时，缸内液体向两端推动活塞，使活塞对管柱产生轴向的拉伸载荷，且拉伸载荷可能会超过管柱的最大拉伸载荷，因此要进行深水管柱的纯外挤试验，可通过主缸体上的加压口施加外挤压力，同时向两端的端部缸内加压以施加轴向压力，这样，从端部缸施加的轴向压力就可以抵消主缸体内液体对管柱产生的拉伸载荷。

在进行一定的轴向力作用下的管柱外压试验时，首先确定好管柱的轴向压力大小，然后向主缸体和端部缸内同时加压，且一定要按比例同步加压。

4.2 深水管柱的内压试验

进行管柱的内压试验时，管柱试件受内压作用，同时，管柱两端的耳环也受试件内液体的推力作用而使耳环对管柱产生拉力作用。所以，要进行纯内压试验，就要在端部缸内加压以抵消耳环对管柱的拉力作用。

4.3 内外压联合作用下管柱的力学试验

研究内外压同时作用时管柱的力学性能，要按主体缸和管柱腔体内压力计算此时管柱的轴向力大小，并根据试验中所要模拟的轴向力大小，计算端部缸内的压力，确定主缸体、管柱内腔和端部缸体的加压比例，加压时按该比例设定同步均匀加载。

4.4 深水设备密封性能测试

深水中使用的很多设备都要求具有良好的密封性能，由于装置能提供最大30MPa的工作压力，所以它可以对深水设备进行很好的密封性能测试。

5 系统性能测试

系统安装调试期间进行了多次试压调试。调试过程中液压控制系统能很好地输出指令并接收反馈，液压伺服阀能很好地完成压力与流量调节动作，各压力腔室的压力调节达到了试验预期要求。装置在调试过程中没有出现漏水漏油现象，全面完成了室内各项技术指标的测试。装置在进行调试完成后进行了内外压的压力加载测试，压力加载及相应曲线如图3所示。

从图3可以看出，压力腔内的压力能够快速地响应并且能够在较长的一段时间保持不变，卸载再进行加载后性能仍然好，说明系统的压力调控系统能够按照试验预期进行工作。