深水鉆井隔水管力學行為實驗裝置設計與研制

付 強，周守為,，劉清友，毛良杰，王國榮，黃 鑫，劉正禮

[1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川 成都 610500；2.中國海洋石油總公司,北京 100000；3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067)]

深水鉆井隔水管力學行為實驗裝置設計與研制

付 強2，周守為1,2，劉清友1，毛良杰1，王國榮1，黃 鑫2，劉正禮3

[1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(西南石油大學),四川 成都 610500；2.中國海洋石油總公司,北京 100000；3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司,廣東 深圳 518067)]

隔水管是連接海底防噴器與海面鉆井平臺的關鍵設備。在深水鉆井過程中，隔水管受到海洋環境與鉆井工況耦合作用易發生失效事故，而目前針對這種耦合工況的研究未見報道。運用相似理論設計了實驗參數，基于實驗參數設計深水鉆井隔水管力學行為實驗方案，并研制了深水鉆井模擬系統，實現了實驗室內真實模擬深水鉆井的各種工況。研究結果對于實驗室內開展基于海洋環境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學行為實驗研究具有重要意義。

隔水管；力學行為；相似理論；實驗裝置

0 引 言

海洋深水環境中的隔水管實體實驗成本高，難度大，且外界干擾因素較大，不利于分析相關參數間的影響關系，而室內相似實驗可以獲得較滿意的實驗結果。因此，國內外相關學者開展了大量相關相似實驗研究。其中比較有代表性的包括：Feng[1]做了開創性的圓柱擾流工作，實驗主要在風洞中完成。Lie等[2]在Bergen做了大量的渦激振動實驗，他們在湖泊中開展了大量大跨度柔性管實驗研究。Jauvtis等[3]對圓柱體渦激振動進行了進一步的實驗研究工作，他們采用拖曳實驗方式研究了均勻速拖曳方式與振動拖曳方式下隔水管渦激振動特征。挪威深水計劃項目組在挪威Marintek水池中進行了關于隔水管螺旋列板的模型實驗研究[4]。Chaplin等[5]開展了階梯流情況下的柔性隔水管渦激振動實驗。Trim等[6]在Marintek海洋拖曳水池研究長細比達1 400的渦激振動相似實驗。中國海洋大學的郭海燕等[7]開展了考慮內流的立管渦激振動理論與實驗研究。Huera-Huarte等[8-9]在倫敦帝國學院的水槽中分析了不同頂張力情況下隔水管渦激振動特性。大連理工大學的唐國強[10]基于光纖光柵測試技術開展了渦激振動實驗研究。

綜上所述，相關學者關于隔水管的力學實驗研究以海洋環境單一因素為主的較多。但是真實深水鉆井過程中，隔水管除了受到外部海洋環境作用，同時還受到內部鉆井液、鉆柱等鉆井工況影響。因此，建立一套深水鉆井隔水管力學行為實驗裝置，對于實驗室研究隔水管力學行為具有重要意義。本文主要采用相似原理設計并研制一套考慮深水鉆井工況的隔水管力學行為實驗裝置。

1 實驗裝置設計原理

水動力學模型實驗中，一般要滿足三個相似準則[11]。

(1) 幾何相似：模型與實體之間幾何形狀以一定比例相似，形狀與結構完全一致，只是大小不同。

(2) 運動相似：模型和實體在流體中運動，相同位置或者結構上對應的物理量具有相同比例，如速度、加速度相同。

(3) 動力相似：流體對模型和實體作用時，作用其上的各種力成比例，如重力、慣性力等。

事實上，要滿足所有相關參數的相似是不可能的。可以根據實驗的需要設定一些參數相似，在滿足部分相似的情況下去研究關注的內容。

3.東北地區國有企業改革面臨著更為艱巨的挑戰。與最終消費品占據較高比重的產業結構相比，東北地區以初級產品和中間產品為主要產品的傳統產業結構因不具核心競爭力致使產業升級困難，進而受經濟環境的影響要更大一些。隨著產能被削減的同時，因傳統業態拓展缺乏依托和產品結構單一現象突出致市場需求緊縮，東北地區國有企業會首先受到沖擊。因此，對于國有企業占主導地位的東北地區而言，如何有效推動國有企業改革，實現產業結構的轉型升級，成為當前十分緊迫問題，也是接下來一段時期內需要攻克的艱巨挑戰。

1.1 幾何相似

實體和模型各對應部分的幾何尺寸比例成常數。設Ls、Bs、ds及Lm、Bm、dm分別代表實體和模型的長、寬以及吃水深度，則有

(1)

式中：λ為縮尺比。

實體和模型相對應的面積As與Am之比為

(2)

(3)

模型在海洋工程水池中實驗時，其水深hm、波高Hm和波長λm與實體在海上的實際水深hs、波高Hs和波長λs也必須滿足幾何相似條件，即

(4)

簡而言之，凡是模型實驗中涉及線性尺度參數的，都須滿足幾何相似條件，實體與模型之間以線性縮尺比進行換算和模擬。

1.2 弗勞德似與斯特勞哈爾相似準則

模型實驗還需要滿足弗勞德相似，即模型和實體的弗勞德數Fr需要相等，這樣可以保證模型和實體之間重力以及慣性作用的正確相似關系。同時，物體還受到周期變化力的作用，模型和實體還需保證斯特勞哈爾數St相等。因此

(5)

(6)

式中:Vm、Vs為模型和實體的特征速度，m/s；Lm、Ls為模型和實體的特征線尺度，m；Tm、Ts為模型和實體的周期，s。

由于海水密度與水池中海水密度存在差異，因此需要修正密度。海水與淡水密度之比為γ，一般取γ=1.025。以相似準則為基礎，通過淡水密度的修正，獲得模型與實體各物理量之間的轉換關系如表1所示[11]。

表1 模型與實體各物理量之間的轉換關系Table 1 Physical quantity transformational relation between the model and entity

2 實驗設計

2.1 實驗參數設計

深水鉆井時，鉆井工況的主要參數有鉆井轉速、鉆井液流速、張緊力等，結合相似理論與實際工況的選取，最終選取表2的參數作為實驗工況。

表2 實際工況所對應的實驗工況Table 2 Corresponding experimental conditions for drilling condition

2.2 實驗裝置設計與研制

實驗主要考慮鉆井工況與海洋環境耦合作用，因此，實驗裝置涉及兩個系統：第一個是能夠真實反映深水鉆井工況的鉆井系統；第二個是能夠模擬均勻流、剪切流的造流系統。因此，設計的實驗裝置應包括深水鉆井模擬系統與造流系統，設計的實驗裝置如圖1所示。其中海洋環境模擬主要借助上海交通大學海洋工程國家重點實驗室深水試驗池。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Simplified sketch of the experimental facility

深水鉆井模擬系統主要由鉆井液循環系統、鉆柱旋轉系統、張緊力系統、隔水管系統組成，實驗設計主要以這四大系統為基礎，同時考慮水深、井深以及鉆壓變化。設計流程如圖2所示。深水鉆井模擬系統詳細結構如圖3所示。

圖2 深水鉆井模擬系統設計流程圖Fig.2 Design flow chart for deepwater drilling simulation system

圖3所示是本次實驗所研制的深水鉆井模擬系統，整個系統分為水上、水下兩部分。主要由張緊力系統、鉆柱旋轉系統、鉆井液循環系統、鉆柱拉力系統、上下邊界(球鉸)、自動化控制與采集系統等組成。各系統作用原理與真實深水鉆井工作原理相同。圖4為研制的實物裝置圖。下面分別介紹各個部分的組成及其結構。

(1) 鉆柱旋轉系統：由頂部的伺服電機、減速器、聯軸器以及鉆柱夾持機構組成，鉆柱夾持方式類似于深水頂驅裝置。伺服電機上接三分力儀，下部通過聯軸器與鉆柱連接。隔水管兩端分別接上下球鉸。

(2) 鉆井液循環系統：深水鉆井時，鉆井液從隔水管與鉆柱環空上返，該裝置利用潛水泵連接隔水管下三通，進入隔水管與鉆柱的環空內，內流上返至頂部三通后通過流量計返回地面，流量計實時記錄流量，以控制隔水管內部流體上返速度。

圖3 深水鉆井模擬系統示意圖Fig.3 Sketch of the deepwater drilling simulation system

(3) 張緊力系統與鉆機系統：張緊力的施加與鉆柱拉力的施加都采用水上和水下固定的氣動滑塊，氣動滑塊一側固定安裝在系統支架上，另一側與電子傳感器支撐板連接，電子傳感器安裝在電子傳感器支撐板的兩邊，球鉸氣動調壓閥與電子壓力傳感器相連，可通過控制與采集系統采集張緊力與鉆桿張力的變化。

(4) 自動化控制與采集系統：以上四大系統的控制與數據的采集都通過自主研發的控制與采集系統進行。控制與采集系統主要包括控制盒以及傳輸系統，如圖5所示。

圖4 深水鉆井模擬系統實物示意圖Fig.4 Physical figure of the deepwater drilling simulation system

圖5 自動化控制與采集系統Fig.5 Automation control and acquisition system

3 結 語

本文基于相似理論設計并研發了深水鉆井隔水管力學行為實驗裝置并測量了實驗參數。該裝置包括張緊力系統、鉆柱旋轉系統、鉆井液循環系統、鉆柱拉力系統、上下邊界(球鉸)、自動化控制與采集系統等，能夠在實驗室內真實模擬各種深水鉆井工況，對于在實驗室內開展海洋環境與鉆井工況耦合作用下的隔水管力學行為實驗研究具有重要意義。

[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,婁敏.海中輸流立管渦激振動實驗研究及疲勞壽命分析[J].中國海洋大學學報(自然科學版),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] 唐國強. 立管渦激振動數值模擬方法及物理模型實驗[D].大連：大連理工大學，2011.

[11] 楊建民, 肖龍飛, 盛振邦. 海洋工程水動力學實驗研究[M]. 上海：上海交通大學出版社,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

國家自然科學基金(51274171)；國家科技重大專項(2011ZX05026-001-07)

付強(1984—)，男，工程師，博士研究生，主要從事深水油氣資源開發研究。

TE973

A

2095-7297(2015)06-0373-05