[发明专利]一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置及其方法

权利要求书

1.一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：它包括水池（1）、电机（2）和钩载调节装置（3），所述水池（1）的顶部设置有导向轮（4），所述水池（1）的底表面上且从左往右顺次设置有支撑座A（5）、支撑座B（6）和拖车（7），支撑座A（5）和支撑座B（6）均固设于水池（1）底表面，支撑座A（5）和支撑座B（6）之间固设有有机玻璃管（8），支撑座B（6）和拖车（7）的顶表面上均设置有套筒（9），两个套筒（9）之间穿设有塑料管（10），塑料管（10）的左端部沿有机玻璃管（8）轴线伸入于有机玻璃管（8）内，且左延伸端上固设有激振器（11），塑料管（10）的右端部向右延伸于右侧套筒（9）的外部，且右延伸端与电机（2）的输出轴经联轴器连接，所述塑料管（10）的右延伸端上固设有钢丝绳（12），钢丝绳（12）的另一端绕过导向轮（4）且顺次连接有弹簧（13）和张力计（14），张力计（14）的另一端与钩载调节装置（3）连接，所述塑料管（10）左右两端分别设置有出液接头和进液接头，出液接头和进液接头均与塑料管（10）连通，出液接头处连接有钻井液出液管（33），钻井液出液管（33）的另一端连接有位于水池（1）外部的回收罐（26），进液接头处连接有钻浆液进液管（15），钻浆液进液管（15）的另一端顺次连接有流量计（16）和循环泵（17）；该试验装置还包括三向位移传感器（18）、计算机（19）、电阻应变仪（20）、电荷放大器（21）、信号采集仪（22）和多个应变片（23），位于支撑座B（6）和拖车（7）段的塑料管（10）的柱面上设置有三向位移传感器（18）和应变片（23），三向位移传感器（18）与电荷放大器（21）经信号线A（24）连接，应变片（23）经信号线B（25）与电阻应变仪（20）连接，电阻应变仪（20）和电荷放大器（21）均与信号采集仪（22）经导线连接，信号采集仪（22）与计算机（19）的输入接口经导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述三向位移传感器（18）包括纵向位移传感器和横向位移传感器。

3.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述应变片（23）沿塑料管（10）轴向均匀间隔布置。

4.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述塑料管（10）和有机玻璃管（8）均水平设置。

5.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述钢丝绳（12）捆绑在塑料管（10）上，钢丝绳（12）从下绕过导向轮（4）设置。

6.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述激振器（11）包括轴向激振器和扭转激振器。

7.根据权利要求1所述的一种模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的试验装置，其特征在于：所述拖车（7）包括导轨（27）、车体（28）、车轮（29）、拉动杆（30）、平台（31）和支架（32），所述导轨（27）水平固设于水池（1）的底部，车体（28）的底部安装有多个车轮（29），车轮（29）位于导轨（27）内，车体（28）的顶部设置有支架（32），支架（32）的顶部设置有平台（31），拉动杆（30）焊接于车体（28）上，所述套筒（9）焊接于平台（31）上。

8.根据权利要求1~7中任意一项所述试验装置模拟无隔水管海洋钻井系统中钻杆振动响应的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、打开循环泵（17），循环泵（17）将钻井液依次经流量计（16）、钻浆液进液管（15）、进液接头泵入到塑料管（10）中，流量计（16）监测钻井液的流速，当流速稳定后，三向位移传感器（18）检测塑料管（10）在海洋段的横向位移和纵向位移，并将信号经信号线A（24）传递给电荷放大器（21），电荷放大器（21）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，同时应变片（23）检测塑料管（10）在海洋段的应力，并将信号经信号线B（25）传递给电阻应变仪（20），电阻应变仪（20）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据；

S2、改变循环泵（17）的转速，以改变钻井液的流速，重复步骤S1，即可测量塑料管（10）在不同的钻井液的流速下，塑料管（10）在海水段的纵向位移、横向位移和应力响应，从而模拟钻井液流动引起的钻柱振动；

S3、关闭循环泵（17），打开钩载调节装置（3），钩载调节装置（3）输出简谐载荷，载荷经张力计（14）、弹簧（13）、钢丝绳（12）传递给塑料管（10），张力计（14）监测载荷大小，当载荷稳定后，三向位移传感器（18）检测塑料管（10）在海洋段的横向位移和纵向位移，并将信号经信号线A（24）传递给电荷放大器（21），电荷放大器（21）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，同时应变片（23）检测塑料管（10）在海洋段的应力，并将信号经信号线B（25）传递给电阻应变仪（20），电阻应变仪（20）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据；

S4、改变钩载调节装置（3）输出的简谐载荷，重复步骤S3，即可测量塑料管（10）在不同的简谐载荷下，塑料管（10）在海水段的纵向位移、横向位移和应力响应，从而模拟钻井平台运动而引起的钻柱振动；

S5、打开激振器（11），激振器（11）施加给塑料管（10）的左端部扭转激励和纵向激励，三向位移传感器（18）检测塑料管（10）在海洋段的横向位移和纵向位移，并将信号经信号线A（24）传递给电荷放大器（21），电荷放大器（21）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，同时应变片（23）检测塑料管（10）在海洋段的应力，并将信号经信号线B（25）传递给电阻应变仪（20），电阻应变仪（20）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，从而模拟钻头钻海底层时对钻杆所产生的振动；

S6、关闭激振器（11），并水平向左或向右往复的拖动拖车（7）以模拟海水的流动，拖车带动塑料管（10）运动，当在拖拉速度稳定后，三向位移传感器（18）检测塑料管（10）在海洋段的横向位移和纵向位移，并将信号经信号线A（24）传递给电荷放大器（21），电荷放大器（21）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，同时应变片（23）检测塑料管（10）在海洋段的应力，并将信号经信号线B（25）传递给电阻应变仪（20），电阻应变仪（20）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据；

S7、改变拖拉拖车（7）的速度，重复步骤S6，即可测量塑料管（10）在不同的拖车（7）速度下，塑料管（10）在海水段的纵向位移、横向位移和应力响应，从而模拟在不同的海洋流速度而引起的钻柱振动；

S8、不拖动拖车（7），并打开电机（2），电机（2）带动塑料管（10）绕自身轴线转动，当转速稳定后，三向位移传感器（18）检测塑料管（10）在海洋段的横向位移和纵向位移，并将信号经信号线A（24）传递给电荷放大器（21），电荷放大器（21）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据，同时应变片（23）检测塑料管（10）在海洋段的应力，并将信号经信号线B（25）传递给电阻应变仪（20），电阻应变仪（20）将该信号传递给信号采集仪（22），信号采集仪（22）再将信号传递给计算机（19），计算机存储数据；

S9、改变电机（2）的输出转速，重复步骤S8，即可测量塑料管（10）在不同的转速下，塑料管（10）在海水段的纵向位移、横向位移和应力响应，从而模拟钻杆在不同的转速下而产生的振动。