[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

说明书

本发明公开了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，它包括水池（1）、电机（2）和钩载调节装置（3），水池（1）的顶部设置有导向轮（4），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），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；它还公开了模拟方法。本发明的有益效果是：结构紧凑、模拟出不同钻柱转速、海洋流速、钻井液流速、地层段底部扭转激励和纵向激励下的钻柱纵‑横‑扭耦合振动响应，填补无隔水管钻井系统中的空白。

技术领域

本发明涉及无隔水管钻井中钻柱力学模拟的技术领域，特别是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。

背景技术

当前，我国海洋油气勘探开发正在由常规水域(水深小于 500m)向深水域（水深为500-1500m）和超深水域（水深大于 1500m）发展。随着水深的增加，常规钻井中的隔水管系统越来越庞大，对平台和锚泊系统的承载能力要求越来越高，同时地层压力窗口过窄、套管使用量过大的问题也越来越突出。

常规钻井中的隔水管系统中海洋隔水管纵横向耦合振动问题逐渐受到重视，主要原因是：一方面波浪力作用于平台，引起平台的垂荡运动（又称为参数激励），从而使得隔水管轴向张力随时间变化；另一方面，洋流绕流隔水管时产生漩涡脱落，会对隔水管产生涡激力，由于周期性涡激力以及海流力（又称为强迫激励）的作用，隔水管发生横向运动，从而导致轴向张力的不断波动，相当于系统纵向刚度发生周期性变化。在以上两种机理作用下，隔水管中张力、自振频率发生周期性波动，此变化满足一定条件时，隔水管的参量共振将被激发，在短时内发生大幅横向振动，导致隔水管中产生极值应力或显著疲劳而发生破坏，引起破裂和泄露，造成重大经济损失以及环境污染。

无隔水管钻井作为一项新型的深水钻井技术，由于舍弃了常规海洋钻井的隔水管系统，并采用双梯度泥浆循环系统，从而可以很好地解决以上问题，并缩短建井周期，节约钻井成本，提高钻井作业的安全性。在现有钻柱动力学、海洋钻井管柱力学研究的基础上，建立考虑地层段钻柱-井壁接触、岩石-钻头互作用，海水段平台运动、海洋环境载荷联合影响的深水 RDS 全井纵-横-扭耦合非线性振动模型，分析钻柱的纵-横-扭耦合非线性振动响应特性、稳定性条件及涡激振动行为，开展相似试验验证并修正理论模型和结果，通过讨论理论结果并结合实际的物理过程，形成系统的深水无隔水管钻柱纵-横-扭耦合振动特性认识，预期成果将指导深水 RDS 的结构设计、钻井参数的优选，丰富深水管柱力学理论，具有重要的学术价值和应用价值。然而，并没有试验系统来真实模拟，不同钻柱转速、海洋流速、钻井液流速、地层段底部扭转激励和纵向激励下钻柱的纵-横-扭耦合振动响应。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供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。