專利名稱：一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，特別是關(guān)于一種能模擬 不同水深條件的隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置。
背景技術(shù)：
在海上石油勘探中，鉆井隔水導(dǎo)管的安全性和經(jīng)濟性對于整個石油的勘探和開 采起著至關(guān)重要的作用，而隔水導(dǎo)管入泥深度的確定是鉆井隔水導(dǎo)管的關(guān)鍵技術(shù)之 一，而深海隔水導(dǎo)管入泥深度的確定關(guān)鍵在于隔水導(dǎo)管與海底土之間作用機理的確 定。隔水導(dǎo)管與海底土之間的作用機理包括隔水導(dǎo)管與海底土之間的摩擦系數(shù)與水 深、海底土固結(jié)時間、隔水導(dǎo)管管徑和海底土性質(zhì)之間的關(guān)系。目前，對于隔水導(dǎo) 管與砂土之間的作用機理及二者之間摩擦力的計算理論都不夠完善，缺乏相關(guān)的理 論指導(dǎo)，這就為深海隔水導(dǎo)管入泥深度的確定帶來了很大的困難。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠確定隔水導(dǎo)管與海底土之間的作 用機理的隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理 試驗裝置，其特征在于它包括一密封筒、 一密封所述密封筒用的密封蓋、 一電動 活塞提升機測力傳感器、 一模擬隔水導(dǎo)管用的試驗用導(dǎo)管、多個應(yīng)變式測力傳感器、 一液體壓力計、 一液壓泵和一控制裝置；其中，所述密封筒端口處沿徑向設(shè)置有一 固定用的橫桿；所述電動活塞提升機測力傳感器通過所述橫桿連接所述實驗用導(dǎo) 管，并將測得的數(shù)據(jù)輸送給所述控制裝置；各所述應(yīng)變式測力傳感器間隔設(shè)置在海 底土覆蓋的所述試驗用導(dǎo)管外壁上的不同高度，以檢測不同海水深度下所述試驗用 導(dǎo)管所受的應(yīng)力并實時輸送給所述控制裝置；所述液體壓力計用于將采集到的液體 上部壓強信息實時輸送給所述控制裝置；所述液壓泵的輸出端通過液壓傳輸管連接 所述密封蓋上的進水口；所述控制裝置電連接所述液壓泵的控制端；所述控制裝置 內(nèi)預(yù)設(shè)置有一所述控制裝置控制密封筒內(nèi)水深用的液體壓強閾值計算模塊和一摩 擦系數(shù)計算模塊。
所述液體壓強閾值計算模塊為
P0 = /Pgh
所述摩擦系數(shù)計算模塊分別為」G-(fi國P2)(A廣A2〗
式中，/7為海水的密度[kg/m3]， g為重力加速度[N/kg]， h是所需研究的海水深度 [m]， P。是根據(jù)所需研究的海水深度確定的液體壓強閾值[&]， //為所述實驗用導(dǎo) 管與海底土之間的摩擦系數(shù)，G為所述應(yīng)變式測力傳感器的重力，P。 &分別是測 量初、后所述壓力表上顯示的壓強[&]， A。 A2分別為所述內(nèi)液壓缸活塞、提升 桿的橫截面積[m2]， N為所述應(yīng)變式測力傳感器測得的所述實驗用導(dǎo)管所受的應(yīng)力 [N]。
它還包括一顯示裝置，其輸入端電連接所述控制裝置的輸出端。
所述電動活塞提升機測力傳感器包括一固定在所述橫桿中心的內(nèi)液壓缸，所述 內(nèi)液壓缸內(nèi)包括一下部帶有一提升桿的內(nèi)液壓缸活塞，所述提升桿下部通過一掛鉤 連接所述試驗用導(dǎo)管；所述內(nèi)液壓缸活塞的側(cè)壁上、下兩端各向外連通一高壓傳遞 管，所述高壓傳遞管貫穿所述密封筒分別連通在一外液壓缸的上、下腔室；所述外 液壓缸的頂部設(shè)置有一電傳動機構(gòu)，所述電傳動機構(gòu)連接到所述外液壓缸內(nèi)的一外 液壓缸活塞；所述外液壓缸下腔室中連接一壓力表，所述壓力表實時顯示其檢測到 的所述外液壓缸下腔室中液體的壓強并通過數(shù)據(jù)線實時輸送給所述控制裝置。
包括一電動機，在所述電動機輸出軸上連接有一套齒輪齒條機構(gòu)，由齒輪齒條 機構(gòu)連接外液壓缸活塞。
所述內(nèi)液壓缸通過套設(shè)在其外的一套管居中固定在所述橫桿上，懸置在所述密 封筒內(nèi)。
;本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于設(shè)置了密封 筒和密封蓋，而且密封筒和密封蓋之間設(shè)置了耐高壓的密封材料，因此為模擬真實 的海底高壓環(huán)境提供了有利環(huán)境。2、本發(fā)明由于設(shè)置了電動活塞提升機測力傳感 器，其可以測得不同水深條件下對實驗用導(dǎo)管的提升力，從而可以計算出海底土與 實驗用導(dǎo)管之間的摩擦力，再結(jié)合各應(yīng)變式測力傳感器測得的海底土與實驗用導(dǎo)管 之間的應(yīng)力，就可以統(tǒng)計海底土與實驗用導(dǎo)管之間的摩擦系數(shù)與海水深度、海底土 固結(jié)時間、實驗用導(dǎo)管直徑和材質(zhì)、海底土的種類之間的關(guān)系，得出隔水導(dǎo)管與海 底土之間的作用機理。本發(fā)明能夠方便、快速、準(zhǔn)確地測量出隔水導(dǎo)管與海底土之 間的作用機理，結(jié)果可靠性高，從而能夠為確定隔水導(dǎo)管最小入泥深度提供科學(xué)、 準(zhǔn)確的參數(shù)，具有很好的經(jīng)濟效益。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行詳細的描述。
, 如圖1所示，本發(fā)明裝置包括一密封筒1、 一密封蓋2、 一電動活塞提升機測 力傳感器3、 一試驗用導(dǎo)管4、多個應(yīng)變式測力傳感器5、 一液體壓力計6、 一超高 壓的液壓泵7和一控制裝置8。其中，密封筒1為一無蓋的中空圓柱形筒，筒體的 端口上設(shè)置有用于密封密封筒l的密封蓋2，筒體內(nèi)靠近端口處沿徑向設(shè)置有一固 定用的橫桿11。密封筒1中盛裝有實驗用的海水12和海底土 13，密封筒1和密封 蓋2之間采用耐高壓密封材料進行密封，由此在密封筒1中形成的密封空間可以用 來模擬海底的高壓環(huán)境。本實施例中，密封筒1和密封蓋2均采用高強度鋼材制成， 二者的耐壓等級均為50MPa，耐高壓密封材料可以采用丁腈膠，但不限于此。
電動活塞提升機測力傳感器3包括一內(nèi)液壓缸31，內(nèi)液壓缸31懸置在密封筒 1內(nèi)，并通過套設(shè)在內(nèi)液壓缸31外的套管32居中固定在密封筒1的橫桿11上。由 于密封筒1內(nèi)充滿海水12和海底土 13，因此內(nèi)液壓缸31處于密封筒1的高壓環(huán)境 內(nèi)。內(nèi)液壓缸31包括一內(nèi)液壓缸活塞33，將內(nèi)液壓缸31的內(nèi)腔分為上下兩個腔室， 內(nèi)液壓缸活塞33的下部有一提升桿34。提升桿34的下部通過掛鉤連接試驗用導(dǎo)管 4。在內(nèi)液壓缸活塞33—側(cè)壁的上、下兩端各向外連通一高壓傳遞管35。兩個高壓 傳遞管35穿出密封筒1后，分別對應(yīng)連通外液壓缸36中被外液壓缸活塞37分隔 成的上、下腔室。外液壓缸36的頂部設(shè)置有一電傳動機構(gòu)38，電傳動機構(gòu)38包括 一電動機，在電動機輸出軸上連接有一套齒輪齒條機構(gòu)(圖中未示)，由齒輪齒條 機構(gòu)連接外液壓缸活塞37，電動機工作時，就會帶動齒輪齒條機構(gòu)上下運動，進而 推動外液壓缸活塞37動作。外液壓缸36的下腔室連接一壓力表39，壓力表39實 時顯示其檢測到的外液壓缸36下腔室中液體的壓強P并通過數(shù)據(jù)線實時輸送給控 制裝置8。
電動活塞提升機測力傳感器3提升試驗用導(dǎo)管4的過程如下 : 首先，開啟電傳動機構(gòu)38，由電傳動機構(gòu)38將外液壓缸活塞37下推，從而使 外液壓缸36下腔室中的液壓油通過高壓傳遞管35傳遞到內(nèi)液壓缸31中，隨后高 壓油推動內(nèi)液壓缸活塞33上移，此時內(nèi)液壓缸活塞33通過提升桿34帶動試驗用 導(dǎo)管4提升。依據(jù)液體等壓原理，通過讀取外部壓力表39的數(shù)據(jù)即可得知內(nèi)液壓 缸31下腔室中液體的壓強值P 。
上述實施例中，試驗用導(dǎo)管4用于模擬實際的隔水導(dǎo)管，因此試驗用導(dǎo)管4的 直徑和材質(zhì)根據(jù)實際使用的隔水導(dǎo)管進行選用。本實施例中，試驗用導(dǎo)管4的直徑 為25. 4mm 340咖。應(yīng)變式測力傳感器5的壓強等級可以為10MPa，各應(yīng)變式測力傳感器5間隔設(shè) 置在海底土覆蓋的試驗用導(dǎo)管4外壁上的不同高度，比如將試驗用導(dǎo)管4的入土 深度分為三等分，應(yīng)變式測力傳感器5可以設(shè)置在每個三等份的中間位置處，用于 檢測模擬實際的隔水導(dǎo)管的試驗用導(dǎo)管所受的應(yīng)力，并將檢測到的應(yīng)力通過數(shù)據(jù)線 實時輸送給控制裝置8。
液體壓力計6的耐壓等級為80MPa，其包括一感應(yīng)端61和一壓力表62,感應(yīng) 端61貫穿密封蓋2，用于將采集到的液體上部壓強信息通過數(shù)據(jù)線實時輸送給控制 裝置8，壓力表62對液體上部壓強進行同步顯示。液壓泵7的輸出端通過液壓傳輸 管連接密封蓋2上的進水口，以便于向密封筒l內(nèi)泵入海水12。
控制裝置8采用一單片機，其通過數(shù)據(jù)線連接電動活塞提升機測力傳感器3、 應(yīng)變式測力傳感器5和液體壓力計6的數(shù)據(jù)輸出端，以及液壓泵7的控制端?？刂?裝置8內(nèi)預(yù)設(shè)置有一液壓泵7的液體壓強閾值計算模塊和一摩擦系數(shù)計算模塊，其 中，液體壓強閾值計算模塊為-
式中，p為海水12的密度[kg/m3]， g為重力加速度[N/kg]， h是所需研究的 海水深度[m]， P。是根據(jù)所需研究的海水深度確定的液體壓強閾值[&]。 摩擦系數(shù)計算模塊為
" N
式中，//為實驗用導(dǎo)管4與海底土 13之間的摩擦系數(shù)，G為應(yīng)變式測力傳感 器5的重力[N]， P。 P2分別是測量初、后壓力表39上顯示的壓強[Pa]， A。八2分 別是內(nèi)液壓缸活塞33和提升桿34的橫截面積[m2] ， a,是根據(jù)實驗統(tǒng)計得到的一計 算系數(shù)；N為應(yīng)變式測力傳感器5測得的實驗用導(dǎo)管4所受的應(yīng)力[N]。
上述實施例中，應(yīng)變式測力傳感器5、液體壓力計6和液壓泵7為本領(lǐng)域的常 用設(shè)備，在此不予詳述。
上述實施例中，本發(fā)明還包括一顯示裝置9，其輸入端電連接控制裝置8的輸 出端，以顯示控制裝置8輸出的摩擦系數(shù)與海底土?xí)r間、海水深度、實驗用導(dǎo)管4 直徑和材質(zhì)、海底土13的種類之間的關(guān)系曲線圖。
本發(fā)明裝置的使用方法包括以下步驟
1)根據(jù)所要模擬的海底土深度和性質(zhì)、隔水導(dǎo)管直徑及其性質(zhì)，選用相應(yīng)的實 驗用導(dǎo)管4和海底土 13，并將試驗用的海底土 13填充到密封筒1內(nèi)至所需模擬的
7海底土深度。
2) 控制裝置8根據(jù)所需模擬的海水深度，利用液體壓強閾值計算模塊計算出密 封筒1上部海水12的壓強閾值P。，并控制液壓泵7往密封筒1內(nèi)泵入海水12，當(dāng) 液體壓力計6輸出的壓強值正好滿足計算出的海水12的壓強閾值P。時，停止泵入 海水12。
3) 海水12注入完畢后，按照一可調(diào)的靜置時間間隔靜置，之后啟動電動活塞 提升機測力傳感器3，將試驗用導(dǎo)管4分別提升至與不同應(yīng)變式測力傳感器5相同 的高度，應(yīng)變式測力傳感器5和電動活塞提升機測力傳感器3分別將測得的N 、 P, 和P,輸送給控制裝置8，控制裝置8內(nèi)的摩擦系數(shù)計算模塊計算出摩擦系數(shù)與海底 土固結(jié)時間和海水深度之間的關(guān)系曲線，并顯示在顯示裝置9上。
4) 更換實驗用導(dǎo)管4的直徑和材質(zhì)，以及海底土13的種類，改變海底的高壓 環(huán)境，采用上述同樣的方法可以得出摩擦系數(shù)與實驗用導(dǎo)管4直徑和材質(zhì)，以及摩 擦系數(shù)與海底土 13性質(zhì)之間的關(guān)系曲線，并顯示在顯示裝置9上。
5) 多次重復(fù)上述實驗，統(tǒng)計摩擦系數(shù)與海底土?xí)r間、海水深度、實驗用導(dǎo)管4 直徑和材質(zhì)、海底土 13的種類之間的關(guān)系曲線，得出隔水導(dǎo)管與海底土之間的作 用機理。
本發(fā)明能夠方便、快速、準(zhǔn)確地測量出隔水導(dǎo)管與海底土之間的作用機理，結(jié) 果可靠性高，從而能夠為確定隔水導(dǎo)管最小入泥深度提供科學(xué)、準(zhǔn)確的參數(shù)，具有 很好的經(jīng)濟效益。
上述各實施例中，各部件的結(jié)構(gòu)、設(shè)置位置、及其連接都是可以有所變化的， 在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，對個別部件進行的改進和等同變換，不應(yīng)排除在本發(fā) 明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1、一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在于它包括一密封筒、一密封所述密封筒用的密封蓋、一電動活塞提升機測力傳感器、一模擬隔水導(dǎo)管用的試驗用導(dǎo)管、多個應(yīng)變式測力傳感器、一液體壓力計、一液壓泵和一控制裝置；其中，所述密封筒端口處沿徑向設(shè)置有一固定用的橫桿；所述電動活塞提升機測力傳感器通過所述橫桿連接所述實驗用導(dǎo)管，并將測得的數(shù)據(jù)輸送給所述控制裝置；各所述應(yīng)變式測力傳感器間隔設(shè)置在海底土覆蓋的所述試驗用導(dǎo)管外壁上的不同高度，以檢測不同海水深度下所述試驗用導(dǎo)管所受的應(yīng)力并實時輸送給所述控制裝置；所述液體壓力計用于將采集到的液體上部壓強信息實時輸送給所述控制裝置；所述液壓泵的輸出端通過液壓傳輸管連接所述密封蓋上的進水口；所述控制裝置電連接所述液壓泵的控制端；所述控制裝置內(nèi)預(yù)設(shè)置有一所述控制裝置控制密封筒內(nèi)水深用的液體壓強閾值計算模塊和一摩擦系數(shù)計算模塊。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在 于所述液體壓強閾值計算模塊為<formula>formula see original document page 2</formula>所述摩擦系數(shù)計算模塊分別為<formula>formula see original document page 2</formula>式中，戶為海水的密度[kg/m3]， g為重力加速度[N/kg]， h是所需研究的海水 深度[m]， P。是根據(jù)所需研究的海水深度確定的液體壓強閾值[PJ， p為所述實驗 用導(dǎo)管與海底土之間的摩擦系數(shù)，G為所述應(yīng)變式測力傳感器的重力，P。 &分別 是測量初、后所述壓力表上顯示的壓強[&]， A,、 A2分別為所述內(nèi)液壓缸活塞、 提升桿的橫截面積[m2] ， N為所述應(yīng)變式測力傳感器測得的所述實驗用導(dǎo)管所受的 應(yīng)力[N]。
3、 如權(quán)利要求2所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在 于它還包括一顯示裝置，其輸入端電連接所述控制裝置的輸出端。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在 于它還包括一顯示裝置，其輸入端電連接所述控制裝置的輸出端。
5、 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝 置，其特征在于所述電動活塞提升機測力傳感器包括一固定在所述橫桿中心的內(nèi)液壓缸，所述內(nèi)液壓缸內(nèi)包括一下部帶有一提升桿的內(nèi)液壓缸活塞，所述提升桿下部通過一掛鉤 連接所述試驗用導(dǎo)管；所述內(nèi)液壓缸活塞的側(cè)壁上、下兩端各向外連通一高壓傳遞 管，所述高壓傳遞管貫穿所述密封筒分別連通在一外液壓缸的上、下腔室；所述外 液壓缸的頂部設(shè)置有一電傳動機構(gòu)，所述電傳動機構(gòu)連接到所述外液壓缸內(nèi)的一外 液壓缸活塞；所述外液壓缸下腔室中連接一壓力表，所述壓力表實時顯示其檢測到 的所述外液壓缸下腔室中液體的壓強并通過數(shù)據(jù)線實時輸送給所述控制裝置。
6、 如權(quán)利要求5所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在 于包括一電動機，在所述電動機輸出軸上連接有一套齒輪齒條機構(gòu)，由齒輪齒條 機構(gòu)連接外液壓缸活塞。
7、 如權(quán)利要求5所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，其特征在 于所述內(nèi)液壓缸通過套設(shè)在其外的一套管居中固定在所述橫桿上，懸置在所述密 封筒內(nèi)。
8、 如權(quán)利要求1或2或3或4或6所述的一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試 驗裝置，其特征在于所述內(nèi)液壓缸通過套設(shè)在其外的一套管居中固定在所述橫桿 上，懸置在所述密封筒內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種隔水導(dǎo)管樁土相互作用機理試驗裝置，它包括密封筒、密封蓋、電動活塞提升機測力傳感器、試驗用導(dǎo)管、多個應(yīng)變式測力傳感器、液體壓力計、液壓泵和控制裝置；其中，電動活塞提升機測力傳感器通過橫桿連接實驗用導(dǎo)管，并將測得的數(shù)據(jù)輸送給控制裝置；各應(yīng)變式測力傳感器間隔設(shè)置在海底土覆蓋的所述試驗用導(dǎo)管外壁上的不同高度，以檢測不同海水深度下所述試驗用導(dǎo)管所受的應(yīng)力并實時輸送給控制裝置；液體壓力計用于將采集到的液體上部壓強信息實時輸送給控制裝置；液壓泵的輸出端通過液壓傳輸管連接密封蓋上的進水口；控制裝置電連接液壓泵的控制端；控制裝置內(nèi)預(yù)設(shè)置有一控制裝置控制密封筒內(nèi)水深用的液體壓強閾值計算模塊和一摩擦系數(shù)計算模塊。本發(fā)明能夠方便、快速、準(zhǔn)確地測量出隔水導(dǎo)管與海底土之間的作用機理，結(jié)果可靠性高。
文檔編號G01N19/02GK101592588SQ200910087330
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月23日
發(fā)明者付英軍, 劉書杰, 周建良, 周長所, 偉 姜, 鞏立根, 進 楊, 王平雙 申請人:中國海洋石油總公司;中海石油研究中心;中國石油大學(xué)(北京)