一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置.pdf

本发明涉及一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：它包括一内液压缸，内液压缸悬置在装有水的高压密封筒内，内液压缸活塞底部通过一提升杆连接一待做试验的隔水导管，在内液压缸的侧壁上，并且在内液压缸活塞的上、下两侧，分别向外连通一高压传递管，两高压传递管穿出高压密封筒连接到一外液压缸对应的位置，外液压缸的顶部设置有一驱动外液压缸活塞的电传动机构，外液压缸的底部设置一压力表。本装置根据液体不可压缩原理，以及液体传压性，通过对外液压缸施压，由液体传压推动内液压缸活塞上移，活塞带动导管上提，提升力的大小可通过连接在外液压缸上的压力表推算出，从而得到高压条件下隔水导管侧向摩擦力的值。

1、  一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：它包括一内液压缸、外液压缸、高压密封筒、高压传递管、电传动机构、压力表，所述内液压缸固定悬置在装有水的所述高压密封筒内，所述内液压缸活塞底部通过一提升杆连接一待做试验的隔水导管，在所述内液压缸的侧壁上，并且在内液压缸活塞的上、下两侧，分别向外连通一所述高压传递管，两所述高压传递管穿出所述高压密封筒连接到所述外液压缸活塞上、下对应的位置，所述外液压缸的顶部设置有一驱动外液压缸活塞的电传动机构，所述外液压缸的底部设置所述压力表。

2、  如权利要求1所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述高压密封筒、内液压缸、外液压缸、高压传递管的耐压范围均不小于50MPa。

3、  如权利要求1所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述内液压缸的总容量等于所述外液压缸的总容量。

4、  如权利要求2所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述内液压缸的总容量等于所述外液压缸的总容量。

5、  如权利要求1或2或3或4所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述内液压缸通过套管支架悬置在所述高压密封筒的内，所述套管支架由套设在所述内液压缸外的套管，以及连接在套管和高压密封筒内壁之间的支架组成。

6、  如权利要求1或2或3或4所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述压力表测量外液压缸活塞下部液体的压力。

7、  如权利要求5所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述压力表测量外液压缸活塞下部液体的压力。

8、  如权利要求1或2或3或4或7所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述电传动机构包括一电动机，所述电动机输出轴上连接的一齿轮，所述齿轮啮合一齿条，所述齿条连接到所述外液压缸活塞。

9、  如权利要求5所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述电传动机构包括一电动机，所述电动机输出轴上连接的一齿轮，所述齿轮啮合一齿条，所述齿条连接到所述外液压缸活塞。

10、  如权利要求6所述的一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，其特征在于：所述电传动机构包括一电动机，所述电动机输出轴上连接的一齿轮，所述齿轮啮合一齿条，所述齿条连接到所述外液压缸活塞。

一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置
技术领域
本发明涉及一种力学测量装置，特别是关于一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置。
背景技术
在海上深水石油的勘探中，钻井隔水导管起着至关重要的作用，其入泥的深度决定了隔水导管的安全性和经济性。因此为了弄清隔水导管与海底土之间的作用机理，以及准确建立隔水导管与海底土固结时间的关系模型，就需要模拟深水高压条件对隔水导管进行力学测量试验。
试验中需要测量一组重要的数据，即：在高压密封筒内，对隔水导管侧向摩擦力进行测量。此摩擦力可通过测量隔水导管的提升力来得到，即侧向摩擦力等于：隔水导管的提升力减去隔水导管在水中的自重。因此试验的关键在于怎样获得准确的提升力。
根据试验数据准确性需要，测量提升力需要隔水导管保持在高压密封环境中，但目前常规的测力计无法在高压(至少30MPa)环境下工作，并且当测力计置于高压密封筒后，从外部也无法读取其数据，这样会给试验的进行和数据的获得带来很大的困难。因此，如何在高压密封筒之外，提供一种能够测量的外部施加力，然后通过力学传递，转变为对隔水导管的内部提升力，成为模拟力学试验所要解决问题的关键。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，该测量装置能够实现高压密封筒内的隔水导管提升力在外部施加、外部控制、外部测量等功能，为模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力的测量提供可靠的数据基础。
为了实现本发明目的，本发明采取以下技术方案：一种模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置，它包括一内液压缸、外液压缸、高压密封筒、高压传递管、电传动机构、压力表，所述内液压缸悬置在装有水的所述高压密封筒内，所述内液压缸活塞底部通过一提升杆连接一待做试验的隔水导管，在所述内液压缸的侧壁上，并且在内液压缸活塞的上、下两侧，分别向外连通一所述高压传递管，两所述高压传递管穿出所述高压密封筒连接到所述外液压缸对应的位置，所述外液压缸的顶部设置有一驱动外液压缸活塞的电传动机构，所述外液压缸的底部设置一压力表。
所述高压密封筒、内液压缸、外液压缸、高压传递管的耐压范围均不小于50MPa。
所述内液压缸的总容量等于所述外液压缸的总容量。
所述内液压缸通过套管支架悬置在所述高压密封筒的内，所述套管支架由套设在所述内液压缸外的套管，以及连接在套管和高压密封筒内壁之间的支架组成。
所述压力表测量外液压缸活塞下部液体的压力。
所述电传动机构包括一电动机，所述电动机输出轴上连接的一齿轮，所述齿轮啮合一齿条，所述齿条连接到所述外液压缸活塞。
根据压力表瞬间最大压力变化ΔP，以及内液压缸活塞面积A₁和提升杆的面积A₂，得出作用于导管上的提升力F大小为：
F＝a₁ΔP(A₁-A₂)
式中：F为导管上提升力，N；
ΔP为液缸内压力，Pa；
A₁为内液压缸活塞截面积，m²；
A₂为提升杆的截面积，m²；
a₁为计算系数。
本发明由于采取了以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明针对常规测力计无法在高压环境下工作，以及置于高压密封筒后，从外部无法读取数据的问题，设置了内、外两个液压缸，两个液压缸之间连接两个高压传递管，分别位于活塞的上、下两侧，保持液体的流通和压力的传递。在外液压缸顶部设置有驱动外液压缸活塞的电传动机构，在外液压缸底部设置有压力表，可通过压力表读出外液压缸内的压力变化。2、本发明电传动机构对外液压缸施加压力，电传动机构可随时开启停止，以满足导管上提不同高度的需要。压力通过高压传递管传给内液压缸，内液压缸通过活塞、提升杆等装置把压力转换为提升力，从而实现对试验导管的提升。3、本发明提供了一套科学、准确的模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量和计算方法，能够方便、快速的测量出导管的提升力，提升力大小可方便地从位于外液压缸上的压力表获得，提升力与压力的换算关系为：设压力表瞬间最大变化压力为ΔP，内液压缸活塞横截面积为A₁，提升杆横截面积为A₂，则作用于导管上的提升力F为：F＝a₁ΔP(A₁-A₂)。4、本发明可以方便地实现缸内拉力在外部施加、外部控制、外部测量等功能，能够为确定隔水导管最小入泥深度提供科学、准确的参数，具有很好的实用价值，对开展模拟高压条件下隔水导管与海底土相互作用机理试验提供准确可靠的数据基础。
附图说明
图1：模拟高压条件下隔水导管侧向力测量装置示意图
图2：模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量装置安装示意图
图3a：模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量装置施压前状态示意图
图3b：模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量装置施压后状态示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明根据液体的不可压缩原理，以及液体的传压性质，在高压密封筒内外各设置一液压缸，对外部液压缸施加压力，通过液体传压推动内部液压缸活塞上移，内部液压缸活塞连接隔水导管，对隔水导管提升，而提升力的大小可通过连接在外部液压缸上的压力表测得，从而进一步推算高压条件下隔水导管侧向摩擦力的值。
根据上述原理，现通过附图来具体说明其结构。如图1、图2所示，本发明包括一内液压缸1，内液压缸1悬置在高压密封筒2内，并通过套管支架3固定支撑，套管支架3由套设在内液压缸1外的套管，以及连接在套管和高压密封筒2内壁之间的支架组合而成。高压密封筒2内装有模拟海水及沉积泥砂，使内液压缸1处于试验用高压密封筒2的高压环境内。内液压缸1自身包括一内液压缸活塞4，在内液压缸活塞4的下部带有一提升杆5。提升杆5的下部通过挂钩连接待做试验的隔水导管6。在内液压缸活塞4的侧壁上，并且位于内液压缸活塞4的上、下两侧，各向外连通一高压传递管7。高压传递管7穿出高压密封筒2后，又分别对应地连通在外液压缸8的侧壁上，并且位于外液压缸活塞9的上、下两侧。外液压缸8的顶部设置有一电传动机构10，电传动机构10包括一电动机，以及在电动机输出轴上连接的一套齿轮齿条机构，齿条再连接到外液压缸活塞9，电动机工作时，就会带动齿条上下运动，进而推动外液压缸活塞9。在外液压缸8的底部，准确地说是外液压缸活塞9下侧的外液压缸8上，设置一压力表11，压力表11能够测量外液压缸活塞9下部液体的压力。
模拟高压条件下钻井隔水导管侧向摩擦力测量装置的测量过程按以下几步进行：
①试验数据准备阶段
根据要做试验的隔水导管6的上提高度以及内液压缸1和外液压缸8的体积，确定电传动机构10的工作时间和压力表11的量程。
②试验加压阶段
根据阶段①中所确定的电传动机构10的工作时间，开启电传动机构10，电传动机构10将外液压缸活塞9下推，从而使外液压缸活塞以下部分的液压油通过高压传递管7传递到内液压缸1中，高压油推动内液压缸活塞4上移，而因为内液压缸活塞4连接着提升杆5，提升杆5连接着隔水导管6，从而实现对隔水导管6的提升作业。从图3、图4中可以看出，通过施加压力后，外液压缸活塞9起始高度为H，下降高度为Δh，内液压缸活塞4起始高度为Y，上升高度为Δy，根据液体等压原理，通过读取外部压力表11的数据便可以推算出对导管的提升力大小。
③试验数据读取、处理阶段
如②所述，根据外部压力表11的瞬间最大压力变化ΔP，以及内液压缸活塞面积和提升杆面积，就可以推算出作用于导管上的提升力大小。
转换方法如下：
设压力表瞬间最大变化压力为ΔP，内液压缸活塞横截面积为A₁，提升杆横截面积为A₂，则作用于导管上的提升力F为：
F＝a₁ΔP(A₁-A₂)
式中：F为导管上提升力，N；
ΔP为液缸内压力，Pa；
A₁为内液压缸活塞截面积，m²；
A₂为提升杆的截面积，m²；
a₁为计算系数。
上述内液压缸1的总容量等于外液压缸8的总容量，其耐压范围不小于50MPa。高压传递管是连接内、外液压缸的连接通道，也是压力传递的通道，其耐压范围也不小于50MPa。
下面是模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量装置的一个具体应用实例：
①模拟高压条件隔水导管侧向摩擦力试验条件：
模拟水深1000m(约为10.094MPa)；海底土质为粉质粘土；模拟试验导管尺寸为9.625英寸(244.5mm)；高压密封筒直径42英寸(1066.8mm)，高度2500mm。
②导管侧向摩擦力测量装置的技术要求：
高压密封筒、内液压缸、外液压缸、高压传递管、套管支架等装置耐压范围不小于50MPa；提升杆的强度不小于50MPa；外部压力表的最大量程5MPa，最小量程为1KPa；电传动机构功率3000W，启动、停机可控。
③试验数据测量：
根据试验要求，在海底土固结7天之后对试验导管进行上提，具体操作如下：开启电传动机构5秒钟，记录压力表数据最大值P_max＝1.112MPa，稳定压力值P_aver＝1.081MPa，从而得出导管的提升力值为ΔP＝P_max-P_aver＝0.031MPa。
④试验数据的对比：
若未采用模拟水深1000m情况(即高压10.094MPa)，根据海底土粉质粘土的单位表面摩擦力16Kpa，可以得出导管上提侧向摩擦力为0.022MPa，由此得到在水深1000m情况下，海底土受高压影响，隔水导管侧向摩擦力增加了0.009MPa(0.031-0.022＝0.009MPa)。通过本测量装置，准确、快捷的测量了模拟1000m水深情况下，海底土与导管之间的侧向力大小，达到了试验目的。
本发明提供了一套科学、准确的模拟高压条件下隔水导管侧向摩擦力测量装置和计算方法，能够方便、快速的测量出导管侧向摩擦力与海底土固结时间，不同液体压力与海底土侧向压力之间的关系，结果可靠性高，能够为确定隔水导管最小入泥深度提供科学、准确的参数，具有很好的实用价值。