深水钻井隔水管力学行为实验装置设计与研制

付 强，周守为,，刘清友，毛良杰，王国荣，黄 鑫，刘正礼

[1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),四川 成都 610500；2.中国海洋石油总公司,北京 100000；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518067)]

深水钻井隔水管力学行为实验装置设计与研制

付 强2，周守为1,2，刘清友1，毛良杰1，王国荣1，黄 鑫2，刘正礼3

[1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),四川 成都 610500；2.中国海洋石油总公司,北京 100000；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司,广东 深圳 518067)]

隔水管是连接海底防喷器与海面钻井平台的关键设备。在深水钻井过程中，隔水管受到海洋环境与钻井工况耦合作用易发生失效事故，而目前针对这种耦合工况的研究未见报道。运用相似理论设计了实验参数，基于实验参数设计深水钻井隔水管力学行为实验方案，并研制了深水钻井模拟系统，实现了实验室内真实模拟深水钻井的各种工况。研究结果对于实验室内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实验研究具有重要意义。

隔水管；力学行为；相似理论；实验装置

0 引 言

海洋深水环境中的隔水管实体实验成本高，难度大，且外界干扰因素较大，不利于分析相关参数间的影响关系，而室内相似实验可以获得较满意的实验结果。因此，国内外相关学者开展了大量相关相似实验研究。其中比较有代表性的包括：Feng[1]做了开创性的圆柱扰流工作，实验主要在风洞中完成。Lie等[2]在Bergen做了大量的涡激振动实验，他们在湖泊中开展了大量大跨度柔性管实验研究。Jauvtis等[3]对圆柱体涡激振动进行了进一步的实验研究工作，他们采用拖曳实验方式研究了均匀速拖曳方式与振动拖曳方式下隔水管涡激振动特征。挪威深水计划项目组在挪威Marintek水池中进行了关于隔水管螺旋列板的模型实验研究[4]。Chaplin等[5]开展了阶梯流情况下的柔性隔水管涡激振动实验。Trim等[6]在Marintek海洋拖曳水池研究长细比达1 400的涡激振动相似实验。中国海洋大学的郭海燕等[7]开展了考虑内流的立管涡激振动理论与实验研究。Huera-Huarte等[8-9]在伦敦帝国学院的水槽中分析了不同顶张力情况下隔水管涡激振动特性。大连理工大学的唐国强[10]基于光纤光栅测试技术开展了涡激振动实验研究。

综上所述，相关学者关于隔水管的力学实验研究以海洋环境单一因素为主的较多。但是真实深水钻井过程中，隔水管除了受到外部海洋环境作用，同时还受到内部钻井液、钻柱等钻井工况影响。因此，建立一套深水钻井隔水管力学行为实验装置，对于实验室研究隔水管力学行为具有重要意义。本文主要采用相似原理设计并研制一套考虑深水钻井工况的隔水管力学行为实验装置。

1 实验装置设计原理

水动力学模型实验中，一般要满足三个相似准则[11]。

(1) 几何相似：模型与实体之间几何形状以一定比例相似，形状与结构完全一致，只是大小不同。

(2) 运动相似：模型和实体在流体中运动，相同位置或者结构上对应的物理量具有相同比例，如速度、加速度相同。

(3) 动力相似：流体对模型和实体作用时，作用其上的各种力成比例，如重力、惯性力等。

事实上，要满足所有相关参数的相似是不可能的。可以根据实验的需要设定一些参数相似，在满足部分相似的情况下去研究关注的内容。

3.东北地区国有企业改革面临着更为艰巨的挑战。与最终消费品占据较高比重的产业结构相比，东北地区以初级产品和中间产品为主要产品的传统产业结构因不具核心竞争力致使产业升级困难，进而受经济环境的影响要更大一些。随着产能被削减的同时，因传统业态拓展缺乏依托和产品结构单一现象突出致市场需求紧缩，东北地区国有企业会首先受到冲击。因此，对于国有企业占主导地位的东北地区而言，如何有效推动国有企业改革，实现产业结构的转型升级，成为当前十分紧迫问题，也是接下来一段时期内需要攻克的艰巨挑战。

1.1 几何相似

实体和模型各对应部分的几何尺寸比例成常数。设Ls、Bs、ds及Lm、Bm、dm分别代表实体和模型的长、宽以及吃水深度，则有

(1)

式中：λ为缩尺比。

实体和模型相对应的面积As与Am之比为

(2)

(3)

模型在海洋工程水池中实验时，其水深hm、波高Hm和波长λm与实体在海上的实际水深hs、波高Hs和波长λs也必须满足几何相似条件，即

(4)

简而言之，凡是模型实验中涉及线性尺度参数的，都须满足几何相似条件，实体与模型之间以线性缩尺比进行换算和模拟。

1.2 弗劳德似与斯特劳哈尔相似准则

模型实验还需要满足弗劳德相似，即模型和实体的弗劳德数Fr需要相等，这样可以保证模型和实体之间重力以及惯性作用的正确相似关系。同时，物体还受到周期变化力的作用，模型和实体还需保证斯特劳哈尔数St相等。因此

(5)

(6)

式中:Vm、Vs为模型和实体的特征速度，m/s；Lm、Ls为模型和实体的特征线尺度，m；Tm、Ts为模型和实体的周期，s。

由于海水密度与水池中海水密度存在差异，因此需要修正密度。海水与淡水密度之比为γ，一般取γ=1.025。以相似准则为基础，通过淡水密度的修正，获得模型与实体各物理量之间的转换关系如表1所示[11]。

表1 模型与实体各物理量之间的转换关系Table 1 Physical quantity transformational relation between the model and entity

2 实验设计

2.1 实验参数设计

深水钻井时，钻井工况的主要参数有钻井转速、钻井液流速、张紧力等，结合相似理论与实际工况的选取，最终选取表2的参数作为实验工况。

表2 实际工况所对应的实验工况Table 2 Corresponding experimental conditions for drilling condition

2.2 实验装置设计与研制

实验主要考虑钻井工况与海洋环境耦合作用，因此，实验装置涉及两个系统：第一个是能够真实反映深水钻井工况的钻井系统；第二个是能够模拟均匀流、剪切流的造流系统。因此，设计的实验装置应包括深水钻井模拟系统与造流系统，设计的实验装置如图1所示。其中海洋环境模拟主要借助上海交通大学海洋工程国家重点实验室深水试验池。

图1 实验装置示意图Fig.1 Simplified sketch of the experimental facility

深水钻井模拟系统主要由钻井液循环系统、钻柱旋转系统、张紧力系统、隔水管系统组成，实验设计主要以这四大系统为基础，同时考虑水深、井深以及钻压变化。设计流程如图2所示。深水钻井模拟系统详细结构如图3所示。

图2 深水钻井模拟系统设计流程图Fig.2 Design flow chart for deepwater drilling simulation system

图3所示是本次实验所研制的深水钻井模拟系统，整个系统分为水上、水下两部分。主要由张紧力系统、钻柱旋转系统、钻井液循环系统、钻柱拉力系统、上下边界(球铰)、自动化控制与采集系统等组成。各系统作用原理与真实深水钻井工作原理相同。图4为研制的实物装置图。下面分别介绍各个部分的组成及其结构。

(1) 钻柱旋转系统：由顶部的伺服电机、减速器、联轴器以及钻柱夹持机构组成，钻柱夹持方式类似于深水顶驱装置。伺服电机上接三分力仪，下部通过联轴器与钻柱连接。隔水管两端分别接上下球铰。

(2) 钻井液循环系统：深水钻井时，钻井液从隔水管与钻柱环空上返，该装置利用潜水泵连接隔水管下三通，进入隔水管与钻柱的环空内，内流上返至顶部三通后通过流量计返回地面，流量计实时记录流量，以控制隔水管内部流体上返速度。

图3 深水钻井模拟系统示意图Fig.3 Sketch of the deepwater drilling simulation system

(3) 张紧力系统与钻机系统：张紧力的施加与钻柱拉力的施加都采用水上和水下固定的气动滑块，气动滑块一侧固定安装在系统支架上，另一侧与电子传感器支撑板连接，电子传感器安装在电子传感器支撑板的两边，球铰气动调压阀与电子压力传感器相连，可通过控制与采集系统采集张紧力与钻杆张力的变化。

(4) 自动化控制与采集系统：以上四大系统的控制与数据的采集都通过自主研发的控制与采集系统进行。控制与采集系统主要包括控制盒以及传输系统，如图5所示。

图4 深水钻井模拟系统实物示意图Fig.4 Physical figure of the deepwater drilling simulation system

图5 自动化控制与采集系统Fig.5 Automation control and acquisition system

3 结 语

本文基于相似理论设计并研发了深水钻井隔水管力学行为实验装置并测量了实验参数。该装置包括张紧力系统、钻柱旋转系统、钻井液循环系统、钻柱拉力系统、上下边界(球铰)、自动化控制与采集系统等，能够在实验室内真实模拟各种深水钻井工况，对于在实验室内开展海洋环境与钻井工况耦合作用下的隔水管力学行为实验研究具有重要意义。

[1] Feng C C. The measurements of vortex-induced effects in flow past stationary and oscillating circular and D-section cylinders [D]. Vancouver: University of British Columbia, 1968.

[2] Lie H, Larsen C M, Vandiver J K. Vortex induced vibrations of long marine risers: model test in a rotating rig[C]. 16th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1997.

[3] Jauvtis N. Williamson C H K. Vortex-induced vibration of a cylinder with two degrees of freedom[J].Journal of Fluids and Structures,2003,17(7):1035.

[4] Allen D W, Henning D L, Li L.Performance comparisons of helical strakes for VIV suppression of risers and tendons[C]. OTC,2004:1686.

[5] Chaplin J R, Bearman P W, Huera Huarte F J, et al. Laboratory measurements of vortex-induced vibrations of a vertical tension riser in a stepped current[J]. Journal of Fluids and Structures, 2005, 21(1):3.

[6] Trim A D, Braaten H, Lie H, et al. Experimental investigation of vortex-induced vibration of long marine risers [J]. Journal of Fluids and Structures, 2005,21(3):335.

[7] 郭海燕,董乙文,娄敏.海中输流立管涡激振动实验研究及疲劳寿命分析[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2008,38(3):951.

[8] Huera-Huarte F J, Bearman P W. Wake structures and vortex-induced vibrations of a long flexible cylinder. Part 2. Drag coefficients and vortex modes [J].Journal of Fluids and Structures, 2009,25(6):991.

[9] Huera-Huarte F J, Bearman P W. Wake structures and vortex-induced vibrations of a long flexible cylinder. Part 1. Dynamic response [J]. Journal of Fluids and Structures, 2009,25(6):969.

[10] 唐国强. 立管涡激振动数值模拟方法及物理模型实验[D].大连：大连理工大学，2011.

[11] 杨建民, 肖龙飞, 盛振邦. 海洋工程水动力学实验研究[M]. 上海：上海交通大学出版社,2008.

DesigningandManufacturingforMechanicalBehaviorExperimentalFacilityofDeepwaterDrillingRiser

FU Qiang2, ZHOU Shou-wei1,2, LIU Qing-you1, MAO Liang-jie1, WANG Guo-rong1,HUANG Xin2, LIU Zheng-li3

[1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation(SouthwestPetroleumUniversity),Chengdu,Sichuan610500,China;2.ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100000,China;3.ShenzhenCompanyofCNOOC,Shenzhen,Guangdong518067,China]

Riser is the key equipment for connecting subsea blowout preventer (BOP) and drilling platform. Riser subject to the coupling of marine environment and the drilling conditions is prone to failure accident in the deepwater drilling process. However, the studies of riser working in such coupling conditions have not been reported. We design experimental parameters by similarity theory and work out the experiment scheme for mechanical behavior of deepwater drilling riser based on experimental parameters. We also develop the deepwater drilling simulation system and simulate a variety of conditions of deepwater drilling in laboratory. The results have great significance for riser experimental study on mechanical behavior based on coupled environment of marine environment and drilling conditions.

riser; mechanical behavior; similarity theory; experimental device

2015-08-13

国家自然科学基金(51274171)；国家科技重大专项(2011ZX05026-001-07)

付强(1984—)，男，工程师，博士研究生，主要从事深水油气资源开发研究。

TE973

A

2095-7297(2015)06-0373-05