王宴濱，高德利，房 軍

（1.中國(guó)石油大學(xué) 石油工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京102249；2.CNPC石油管工程重點(diǎn)試驗(yàn)室 管柱力學(xué)與控制研究室，北京102249）

深水鉆采管柱包括隔水管、鉆桿柱、生產(chǎn)管柱、海底管線等，這些管柱在服役狀態(tài)下所受的外載荷各不相同。以隔水管為例，在復(fù)雜的海洋環(huán)境下，隔水管在受到軸向拉壓、內(nèi)壓、外擠等作業(yè)載荷基礎(chǔ)上，還會(huì)受到橫向的海流力、波浪力與平臺(tái)偏移等一系列復(fù)雜的環(huán)境荷載，會(huì)產(chǎn)生磨損、斷裂、擠毀等不同形式的失效［1－3］。為保證海洋鉆采作業(yè)安全快速的進(jìn)行，除了對(duì)管柱進(jìn)行理論的分析以外，用試驗(yàn)方法得到管柱在外載荷作用下的力學(xué)規(guī)律是保證深水油氣開(kāi)采管柱安全可靠性的有效方法。

目前很少有文獻(xiàn)報(bào)道能夠?qū)苤┘油鈮旱脑囼?yàn)裝備。經(jīng)調(diào)研，巴西里約熱內(nèi)盧大學(xué)裝備有1套海洋深水模擬試驗(yàn)裝置，但其只能提供10MPa的水壓，最大模擬水深僅為1 000m。目前，第5代和第6代鉆井平臺(tái)（船）的鉆井水深為3 000m［4］。由中國(guó)石油大學(xué)（北京）與德州澳特海液壓技術(shù)研究所研制的深水管柱力學(xué)模擬試驗(yàn)裝置［5－6］能夠提供最高30MPa的額定工作壓力，能有效模擬0～3 000 m的作業(yè)水深，能夠?qū)υ囼?yàn)的管柱試件施加內(nèi)外壓及軸向力載荷，配備相應(yīng)的附件后能實(shí)現(xiàn)橫向力及轉(zhuǎn)矩的加載。為深水油氣勘探開(kāi)發(fā)研究提供了良好的試驗(yàn)平臺(tái)，能夠完善深水鉆完井理論研究，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高深水油氣開(kāi)發(fā)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

深水管柱力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要有承壓主缸筒、液壓作用器、液壓伺服控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相應(yīng)的管路與控制線組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備的整體外觀如圖2所示。

承壓主缸筒主要由主缸筒、軸向活塞、活塞桿、端部卡箍及相應(yīng)的密封元件組成，是系統(tǒng)承壓的主體組成部分；液壓作用器主要由水－油伺服增壓作用缸及伺服控制閥組成，可以輸出試驗(yàn)要求所需要的壓力和流量；液壓伺服控制系統(tǒng)主要由伺服系統(tǒng)控制柜及相應(yīng)的軟件組成，向液壓伺服閥發(fā)出指令，控制伺服閥的動(dòng)作及其幅度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壓力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)采集儀器組成，將采集得到的信號(hào)存入電腦以備后續(xù)處理。試驗(yàn)?zāi)M試件通過(guò)兩端的連接頭及連接銷(xiāo)與活塞桿相連，實(shí)現(xiàn)軸向力的加載。為了配合不同試驗(yàn)的需要，系統(tǒng)配備了1套液壓比例控制系統(tǒng)和1套液壓伺服控制系統(tǒng)、1套靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器和1套動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀器。另外，系統(tǒng)配備了電控可移動(dòng)的拆裝小車(chē)與拆裝吊車(chē)，可以方便的對(duì)試驗(yàn)設(shè)備及模擬試件進(jìn)行拆裝。

2 工作原理

2.1 環(huán)境載荷計(jì)算

試驗(yàn)系統(tǒng)目前可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外壓及軸向力的加載，確定試驗(yàn)所要模擬的深水作業(yè)工況，計(jì)算得到所需施加的內(nèi)外壓及軸向載荷、將載荷譜寫(xiě)入控制軟件，以供程序調(diào)用執(zhí)行。

2.2 試件安裝及壓力加載原理

管柱通過(guò)銷(xiāo)軸連接管柱接頭，并與軸向活塞固定在一起后放置在試驗(yàn)主缸筒內(nèi)。液壓伺服控制系統(tǒng)接受來(lái)自伺服控制主機(jī)的控制（壓力或者位移）指令后，將指令傳給外壓加載總成、軸向加載總成、內(nèi)壓加載總成，分別通過(guò)外壓加載孔、內(nèi)壓加載孔、軸向加載孔向由管柱外壁與主缸筒內(nèi)壁形成的環(huán)形空間，試驗(yàn)主缸筒內(nèi)腔，軸向活塞與端部卡箍形成的環(huán)形空間加壓，模擬管柱承受的內(nèi)外壓及軸向載荷。試件在外載荷作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，該應(yīng)變被貼在試件外壁的應(yīng)變片捕捉，并通過(guò)引出試驗(yàn)主缸筒的接線傳遞給應(yīng)變采集系統(tǒng)，最后在伺服控制主機(jī)上得到施加給管柱的外載荷數(shù)值，在應(yīng)變采集主機(jī)上得到模擬試件的應(yīng)變數(shù)值。

2.3 卸載

為保證卸載過(guò)程中的試件安全，首先打開(kāi)安裝在液壓回路上的壓力卸荷控制閥，將內(nèi)外壓及軸向力三路液壓管路匯合，實(shí)現(xiàn)3個(gè)壓力腔內(nèi)的壓力平衡，然后進(jìn)行壓力卸載。

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用IOteth公司的IOtech6000系列的IOtech6220和IOtech6224兩套設(shè)備以及西安交大能源電子技術(shù)開(kāi)發(fā)公司的IMP數(shù)據(jù)采集儀器。IOtech6220是一種12通道的16位電壓分析測(cè)量設(shè)備，IOtech6224是一種12通道，24位分辨率的應(yīng)變測(cè)量?jī)x器，兩款設(shè)備可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步采集；以太網(wǎng)連接電腦，確保數(shù)據(jù)安全可靠的傳輸。IMP采用16位的A／D轉(zhuǎn)化，對(duì)小信號(hào)的輸出信號(hào)能直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，具有抗干擾性能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣及測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

3 主要技術(shù)參數(shù)（如表1～表2）

4 系統(tǒng)的主要功能

4.1 深水管柱的外擠試驗(yàn)

當(dāng)試驗(yàn)缸內(nèi)液體對(duì)深水管柱產(chǎn)生外擠壓力時(shí)，缸內(nèi)液體向兩端推動(dòng)活塞，使活塞對(duì)管柱產(chǎn)生軸向的拉伸載荷，且拉伸載荷可能會(huì)超過(guò)管柱的最大拉伸載荷，因此要進(jìn)行深水管柱的純外擠試驗(yàn)，可通過(guò)主缸體上的加壓口施加外擠壓力，同時(shí)向兩端的端部缸內(nèi)加壓以施加軸向壓力，這樣，從端部缸施加的軸向壓力就可以抵消主缸體內(nèi)液體對(duì)管柱產(chǎn)生的拉伸載荷。

在進(jìn)行一定的軸向力作用下的管柱外壓試驗(yàn)時(shí)，首先確定好管柱的軸向壓力大小，然后向主缸體和端部缸內(nèi)同時(shí)加壓，且一定要按比例同步加壓。

4.2 深水管柱的內(nèi)壓試驗(yàn)

進(jìn)行管柱的內(nèi)壓試驗(yàn)時(shí)，管柱試件受內(nèi)壓作用，同時(shí)，管柱兩端的耳環(huán)也受試件內(nèi)液體的推力作用而使耳環(huán)對(duì)管柱產(chǎn)生拉力作用。所以，要進(jìn)行純內(nèi)壓試驗(yàn)，就要在端部缸內(nèi)加壓以抵消耳環(huán)對(duì)管柱的拉力作用。

4.3 內(nèi)外壓聯(lián)合作用下管柱的力學(xué)試驗(yàn)

研究?jī)?nèi)外壓同時(shí)作用時(shí)管柱的力學(xué)性能，要按主體缸和管柱腔體內(nèi)壓力計(jì)算此時(shí)管柱的軸向力大小，并根據(jù)試驗(yàn)中所要模擬的軸向力大小，計(jì)算端部缸內(nèi)的壓力，確定主缸體、管柱內(nèi)腔和端部缸體的加壓比例，加壓時(shí)按該比例設(shè)定同步均勻加載。

4.4 深水設(shè)備密封性能測(cè)試

深水中使用的很多設(shè)備都要求具有良好的密封性能，由于裝置能提供最大30MPa的工作壓力，所以它可以對(duì)深水設(shè)備進(jìn)行很好的密封性能測(cè)試。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)安裝調(diào)試期間進(jìn)行了多次試壓調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中液壓控制系統(tǒng)能很好地輸出指令并接收反饋，液壓伺服閥能很好地完成壓力與流量調(diào)節(jié)動(dòng)作，各壓力腔室的壓力調(diào)節(jié)達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期要求。裝置在調(diào)試過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)漏水漏油現(xiàn)象，全面完成了室內(nèi)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試。裝置在進(jìn)行調(diào)試完成后進(jìn)行了內(nèi)外壓的壓力加載測(cè)試，壓力加載及相應(yīng)曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，壓力腔內(nèi)的壓力能夠快速地響應(yīng)并且能夠在較長(zhǎng)的一段時(shí)間保持不變，卸載再進(jìn)行加載后性能仍然好，說(shuō)明系統(tǒng)的壓力調(diào)控系統(tǒng)能夠按照試驗(yàn)預(yù)期進(jìn)行工作。

6 結(jié)語(yǔ)

1） 深水管柱力學(xué)模擬試驗(yàn)裝置能夠提供30 MPa的額定工作水壓，可對(duì)試驗(yàn)的管柱試件施加內(nèi)外壓及軸向力載荷，配備相應(yīng)的附件后還能實(shí)現(xiàn)橫向力及轉(zhuǎn)矩的加載。

2） 該裝置具有加載壓力高、響應(yīng)及時(shí)、內(nèi)部拆裝空間大、操作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)采集可靠等特點(diǎn)。

3） 深水管柱力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)為我國(guó)深水鉆完井模擬試驗(yàn)提供了一個(gè)良好的試驗(yàn)平臺(tái)，能夠有效解決深水現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作難度大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高和試驗(yàn)成本昂貴等難題，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

［1］楊進(jìn)，曹式敬.深水石油鉆井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：10－13.

［2］Jeanjean P.Innovative design method for deepwater surface casings［R］.SPE 77357，2002：2－5.

［3］Gerwick B C Jr.Construction of marine and offshore structures［M］.CRC Press，2007：49－55.

［4］廖謨圣.海洋石油鉆采工程技術(shù)與裝備［M］.北京：中國(guó)石化出版社，2010.

［5］李建超，房軍，高德利.深水試驗(yàn)缸旋轉(zhuǎn)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全性分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（5）：14－17.

［6］顧和元，候國(guó)慶，郭雪，等.水下防噴器組控制系統(tǒng)深水模擬試驗(yàn)裝置研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（4）：1－5.