深水鉆采管柱力學行為模擬試驗系統研制

王宴濱，高德利，房 軍

（1.中國石油大學 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、生產管柱、海底管線等，這些管柱在服役狀態下所受的外載荷各不相同。以隔水管為例，在復雜的海洋環境下，隔水管在受到軸向拉壓、內壓、外擠等作業載荷基礎上，還會受到橫向的海流力、波浪力與平臺偏移等一系列復雜的環境荷載，會產生磨損、斷裂、擠毀等不同形式的失效［1－3］。為保證海洋鉆采作業安全快速的進行，除了對管柱進行理論的分析以外，用試驗方法得到管柱在外載荷作用下的力學規律是保證深水油氣開采管柱安全可靠性的有效方法。

目前很少有文獻報道能夠對管柱施加外壓的試驗裝備。經調研，巴西里約熱內盧大學裝備有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（北京）與德州澳特海液壓技術研究所研制的深水管柱力學模擬試驗裝置［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的作業水深，能夠對試驗的管柱試件施加內外壓及軸向力載荷，配備相應的附件后能實現橫向力及轉矩的加載。為深水油氣勘探開發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，降低作業風險，提高深水油氣開發的安全性和經濟性。

1 結構簡介

深水管柱力學模擬試驗系統主要有承壓主缸筒、液壓作用器、液壓伺服控制系統、數據采集系統及相應的管路與控制線組成，其結構如圖1所示。試驗設備的整體外觀如圖2所示。

承壓主缸筒主要由主缸筒、軸向活塞、活塞桿、端部卡箍及相應的密封元件組成，是系統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；液壓伺服控制系統主要由伺服系統控制柜及相應的軟件組成，向液壓伺服閥發出指令，控制伺服閥的動作及其幅度；數據采集系統主要由壓力、應變、位移等數據采集儀器組成，將采集得到的信號存入電腦以備后續處理。試驗模擬試件通過兩端的連接頭及連接銷與活塞桿相連，實現軸向力的加載。為了配合不同試驗的需要，系統配備了1套液壓比例控制系統和1套液壓伺服控制系統、1套靜態數據采集儀器和1套動態數據采集儀器。另外，系統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備及模擬試件進行拆裝。

2 工作原理

2.1 環境載荷計算

試驗系統目前可以實現內外壓及軸向力的加載，確定試驗所要模擬的深水作業工況，計算得到所需施加的內外壓及軸向載荷、將載荷譜寫入控制軟件，以供程序調用執行。

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。液壓伺服控制系統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、內壓加載總成，分別通過外壓加載孔、內壓加載孔、軸向加載孔向由管柱外壁與主缸筒內壁形成的環形空間，試驗主缸筒內腔，軸向活塞與端部卡箍形成的環形空間加壓，模擬管柱承受的內外壓及軸向載荷。試件在外載荷作用下會產生應變，該應變被貼在試件外壁的應變片捕捉，并通過引出試驗主缸筒的接線傳遞給應變采集系統，最后在伺服控制主機上得到施加給管柱的外載荷數值，在應變采集主機上得到模擬試件的應變數值。

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，將內外壓及軸向力三路液壓管路匯合，實現3個壓力腔內的壓力平衡，然后進行壓力卸載。

2.4 數據采集

數據采集設備采用IOteth公司的IOtech6000系列的IOtech6220和IOtech6224兩套設備以及西安交大能源電子技術開發公司的IMP數據采集儀器。IOtech6220是一種12通道的16位電壓分析測量設備，IOtech6224是一種12通道，24位分辨率的應變測量儀器，兩款設備可實現信號的同步采集；以太網連接電腦，確保數據安全可靠的傳輸。IMP采用16位的A／D轉化，對小信號的輸出信號能直接進行A／D轉換，具有抗干擾性能強、應用范圍廣及測量精度高的特點。

3 主要技術參數（如表1～表2）

4 系統的主要功能

4.1 深水管柱的外擠試驗

當試驗缸內液體對深水管柱產生外擠壓力時，缸內液體向兩端推動活塞，使活塞對管柱產生軸向的拉伸載荷，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液體對管柱產生的拉伸載荷。

在進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同時加壓，且一定要按比例同步加壓。

4.2 深水管柱的內壓試驗

進行管柱的內壓試驗時，管柱試件受內壓作用，同時，管柱兩端的耳環也受試件內液體的推力作用而使耳環對管柱產生拉力作用。所以，要進行純內壓試驗，就要在端部缸內加壓以抵消耳環對管柱的拉力作用。

4.3 內外壓聯合作用下管柱的力學試驗

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

4.4 深水設備密封性能測試

深水中使用的很多設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備進行很好的密封性能測試。

5 系統性能測試

系統安裝調試期間進行了多次試壓調試。調試過程中液壓控制系統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節動作，各壓力腔室的壓力調節達到了試驗預期要求。裝置在調試過程中沒有出現漏水漏油現象，全面完成了室內各項技術指標的測試。裝置在進行調試完成后進行了內外壓的壓力加載測試，壓力加載及相應曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，壓力腔內的壓力能夠快速地響應并且能夠在較長的一段時間保持不變，卸載再進行加載后性能仍然好，說明系統的壓力調控系統能夠按照試驗預期進行工作。

6 結語

1） 深水管柱力學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外壓及軸向力載荷，配備相應的附件后還能實現橫向力及轉矩的加載。

2） 該裝置具有加載壓力高、響應及時、內部拆裝空間大、操作簡單、數據采集可靠等特點。

3） 深水管柱力學模擬試驗系統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場試驗操作難度大、作業風險高和試驗成本昂貴等難題，具有較高的推廣應用價值。

［1］楊進，曹式敬.深水石油鉆井技術現狀及發展趨勢［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.深水試驗缸旋轉支撐機構設計及安全性分析［J］.石油礦場機械，2011，40（5）：14－17.

［6］顧和元，候國慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統深水模擬試驗裝置研制［J］.石油礦場機械，2013，42（4）：1－5.