本發(fā)明涉及一種疲勞試驗(yàn)裝置，特別是關(guān)于一種在深水油氣鉆井裝備領(lǐng)域領(lǐng)域中應(yīng)用的深水水下井口疲勞試驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

鑒于陸上石油資源的日漸枯竭，海洋逐漸成為我國(guó)石油戰(zhàn)略接替的重點(diǎn)，尤其是我國(guó)南海深水區(qū)域豐富的油氣資源。深水水下井口是海洋油氣資源勘探與開發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，起到連接地層井筒系統(tǒng)和隔水管系統(tǒng)的作用。實(shí)際工作中，深水水下井口在隔水管波激振動(dòng)和渦激振動(dòng)的激勵(lì)下，水下井口內(nèi)部出現(xiàn)循環(huán)交變應(yīng)力，易發(fā)生疲勞損傷失效。目前，國(guó)內(nèi)外主要開展深水水下井口的疲勞損傷數(shù)值模擬研究，尚未開展深水水下井口疲勞試驗(yàn)研究，鑒于深水水下井口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)值模擬與仿真難以準(zhǔn)確識(shí)別水下井口疲勞損傷性能及熱點(diǎn)，需要進(jìn)一步開展深水水下井口疲勞試驗(yàn)研究。為了實(shí)現(xiàn)深水水下井口疲勞試驗(yàn)，需設(shè)計(jì)一套深水水下井口疲勞試驗(yàn)裝置，通過水下井口疲勞試驗(yàn)識(shí)別井口疲勞損傷熱點(diǎn)及疲勞性能曲線，從而為準(zhǔn)確的水下井口疲勞損傷評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種深水水下井口疲勞試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)?zāi)芎牡停囼?yàn)精度高，安全性能好，具有較強(qiáng)的水下井口疲勞試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種深水水下井口疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于：該裝置包括動(dòng)力與控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以及安全防護(hù)罩；所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將采集到所述井口系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至所述動(dòng)力與控制系統(tǒng)，所述動(dòng)力與控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)所述控制傳動(dòng)系統(tǒng)；并在所述井口系統(tǒng)上部設(shè)置有所述安全防護(hù)罩，且所述傳動(dòng)系統(tǒng)也位于所述安全防護(hù)罩內(nèi)；所述動(dòng)力與控制系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、變頻控制器和計(jì)算機(jī)；所述電動(dòng)機(jī)通過所述變頻控制器與所述計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步，所述傳動(dòng)系統(tǒng)包括撓性聯(lián)軸器、錐齒輪組、傳動(dòng)軸、軸承、法蘭、法蘭蓋和偏心質(zhì)量塊；所述撓性聯(lián)軸器一端通過所述錐齒輪組與所述電動(dòng)機(jī)輸出軸連接，所述撓性聯(lián)軸器另一端通過銷釘和第一平鍵與所述傳動(dòng)軸一端連接；所述傳動(dòng)軸另一端安裝在所述軸承內(nèi)部，且所述軸承位于所述法蘭內(nèi)，并在所述法蘭上設(shè)置有所述法蘭蓋；所述傳動(dòng)軸另一端通過所述法蘭與所述井口系統(tǒng)連接；靠近所述法蘭側(cè)的所述傳動(dòng)軸上設(shè)置有所述偏心質(zhì)量塊。

進(jìn)一步，所述偏心質(zhì)量塊包括主偏心塊和附加偏心塊；所述主偏心塊穿設(shè)在所述傳動(dòng)軸上，在所述傳動(dòng)軸與所述主偏心塊之間設(shè)置第二平鍵和擋圈；所述附加偏心塊位于所述主偏心塊一端，且所述附加偏心塊對(duì)稱設(shè)置在所述主偏心塊兩側(cè)。

進(jìn)一步，所述撓性聯(lián)軸器為萬向伸縮聯(lián)軸器。

進(jìn)一步，所述井口系統(tǒng)包括防噴器組、高壓井口、表層套管、導(dǎo)管、水泥環(huán)和低壓井口；所述防噴器組頂部與所述法蘭通過螺栓連接，所述防噴器組底部與所述高壓井口頂部連接；所述高壓井口底部與所述表層套管連接；所述表層套管設(shè)置在所述導(dǎo)管內(nèi)部，所述導(dǎo)管位于土壤內(nèi)；位于所述導(dǎo)管與所述表層套管之間的環(huán)空空間內(nèi)設(shè)置有水泥形成所述水泥環(huán)，且所述導(dǎo)管與所述低壓井口連接，所述低壓井口與所述水泥環(huán)之間存在空隙構(gòu)成水泥環(huán)出口。

進(jìn)一步，所述高壓井口底部與所述表層套管之間、所述低壓井口與所述導(dǎo)管之間的連接方式都采用焊接；所述導(dǎo)管采用多個(gè)子管構(gòu)成，相鄰子管之間采用螺紋接頭連接，所述表層套管采用多個(gè)套管構(gòu)成，相鄰套管之間也采用所述螺紋接頭連接。

進(jìn)一步，所述表層套管上還設(shè)置有測(cè)試引線，所述測(cè)試引線通過所述水泥環(huán)出口與所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接。

進(jìn)一步，所述防噴器組內(nèi)設(shè)置有配重塊。

進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括應(yīng)變式傳感器和應(yīng)變儀；所述應(yīng)變式傳感器粘貼在所述導(dǎo)管和表層套管的所述螺紋接頭處，以及所述高壓井口底部與所述表層套管之間、所述低壓井口與所述導(dǎo)管之間的焊縫處；所述應(yīng)變式傳感器通過測(cè)試引線與所述應(yīng)變儀連接，且所述表層套管的測(cè)試引線也與所述應(yīng)變儀連接，所述應(yīng)變儀與所述計(jì)算機(jī)連接。

進(jìn)一步，所述安全防護(hù)罩為對(duì)稱兩半式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面法向開有通孔，且所述通孔沿軸向均布；所述安全防護(hù)罩底部安裝萬向輪。

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明通過偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對(duì)井口系統(tǒng)施加動(dòng)態(tài)載荷，井口系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生交變循環(huán)應(yīng)力，從而產(chǎn)生疲勞損傷，整個(gè)試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單實(shí)用。2、本發(fā)明可調(diào)整電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)頻率，使偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)頻率接近井口系統(tǒng)的共振頻率，在較小的電機(jī)能力輸入下即可引起井口較大的疲勞循環(huán)應(yīng)力，降低試驗(yàn)?zāi)芎摹?、本發(fā)明采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心質(zhì)量塊旋轉(zhuǎn)，可以沿井口周向360°測(cè)試井口的疲勞性能，全面測(cè)試井口的各部分的疲勞性能及熱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)360°全方位疲勞性能測(cè)試。4、本發(fā)明水下井口系統(tǒng)包括防噴器、低壓井口、高壓井口、導(dǎo)管、表層套管等部件，可真實(shí)模擬水下井口系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，提高水下井口疲勞試驗(yàn)精度。5、本發(fā)明通過設(shè)置安全防護(hù)罩防止試驗(yàn)過程中由于試件斷裂或偏心質(zhì)量塊損壞對(duì)試驗(yàn)人員的影響，提高井口疲勞試驗(yàn)安全性能。

綜上所述，本發(fā)明可廣泛用于各種深水水下井口的疲勞試驗(yàn)中。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2的剖視圖；

圖4是本發(fā)明的防噴器組結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的防護(hù)罩結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種深水水下井口疲勞試驗(yàn)裝置，其包括動(dòng)力與控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)以及安全防護(hù)罩1。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)將采集到井口系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至動(dòng)力與控制系統(tǒng)，動(dòng)力與控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制傳動(dòng)系統(tǒng)。并在井口系統(tǒng)上部設(shè)置有安全防護(hù)罩1，且傳動(dòng)系統(tǒng)也位于安全防護(hù)罩1內(nèi)。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，動(dòng)力與控制系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)2、變頻控制器3和計(jì)算機(jī)4。電動(dòng)機(jī)2通過變頻控制器3與計(jì)算機(jī)4連接，由計(jì)算機(jī)4將控制指令傳輸至變頻控制器3，進(jìn)而由變頻控制器3控制電動(dòng)機(jī)2的轉(zhuǎn)速。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，如圖2、圖3所示，傳動(dòng)系統(tǒng)包括撓性聯(lián)軸器5、錐齒輪組6、傳動(dòng)軸7、軸承8、法蘭9、法蘭蓋10和偏心質(zhì)量塊。撓性聯(lián)軸器5一端通過錐齒輪組6與電動(dòng)機(jī)2輸出軸連接，撓性聯(lián)軸器5另一端通過銷釘11和第一平鍵12與傳動(dòng)軸7一端連接。傳動(dòng)軸7另一端安裝在軸承8內(nèi)部，且軸承8位于法蘭9內(nèi)，并在法蘭9上設(shè)置有法蘭蓋10；傳動(dòng)軸7另一端通過法蘭9與井口系統(tǒng)連接?？拷ㄌm9側(cè)的傳動(dòng)軸7上設(shè)置有偏心質(zhì)量塊，通過偏心質(zhì)量塊實(shí)現(xiàn)偏心旋轉(zhuǎn)，可通過電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)調(diào)整偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)頻率，使偏心質(zhì)量塊的旋轉(zhuǎn)頻率接近井口系統(tǒng)的共振頻率，在較小的電機(jī)能力輸入下即可引起井口較大的疲勞循環(huán)應(yīng)力。

上述實(shí)施例中，偏心質(zhì)量塊包括主偏心塊13和附加偏心塊14；主偏心塊13上開設(shè)有圓孔和鍵槽，附加偏心塊14上開設(shè)有螺栓孔。主偏心塊13通過圓孔穿設(shè)在傳動(dòng)軸7上，在傳動(dòng)軸7與主偏心塊13之間通過鍵槽設(shè)置第二平鍵15和擋圈16。附加偏心塊14位于主偏心塊13上遠(yuǎn)離圓孔一端，且附加偏心塊14對(duì)稱設(shè)置在主偏心塊13兩側(cè)，通過螺栓固定連接在主偏心塊13上。其中，附加偏心塊14可單獨(dú)拆裝。

上述各實(shí)施例中，撓性聯(lián)軸器5為萬向伸縮聯(lián)軸器。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，井口系統(tǒng)包括防噴器組17、高壓井口18、表層套管19、導(dǎo)管20、水泥環(huán)21和低壓井口22。防噴器組17頂部與法蘭9通過螺栓連接，防噴器組17底部與高壓井口18頂部連接；高壓井口18底部與表層套管19連接。表層套管19設(shè)置在導(dǎo)管20內(nèi)部，導(dǎo)管20位于土壤23內(nèi)；位于導(dǎo)管20與表層套管19之間的環(huán)空空間內(nèi)設(shè)置有水泥形成水泥環(huán)21，且導(dǎo)管20與低壓井口22連接，低壓井口22與水泥環(huán)21之間存在空隙構(gòu)成水泥環(huán)出口。其中，高壓井口18底部與表層套管19之間、低壓井口22與導(dǎo)管20之間的連接方式都采用焊接。

上述實(shí)施例中，表層套管19上還設(shè)置有測(cè)試引線24，測(cè)試引線24通過水泥環(huán)出口與數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)連接。

上述實(shí)施例中，導(dǎo)管20采用多個(gè)子管構(gòu)成，相鄰子管之間采用螺紋接頭25連接。表層套管19采用多個(gè)套管構(gòu)成，相鄰套管之間采用螺紋接頭25連接。

上述各實(shí)施例中，防噴器組17底部開設(shè)有內(nèi)螺紋，高壓井口18頂部開有外螺紋，防噴器組17與高壓井口18之間通過內(nèi)外螺紋實(shí)現(xiàn)螺紋連接。

上述各實(shí)施例中，如圖4所示，防噴器組17內(nèi)設(shè)置有配重塊26。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)包括應(yīng)變式傳感器27和應(yīng)變儀28。應(yīng)變式傳感器27粘貼在導(dǎo)管20和表層套管19的螺紋接頭25處，以及高壓井口18底部與表層套管19之間、低壓井口22與導(dǎo)管20之間的焊縫處。應(yīng)變式傳感器27通過測(cè)試引線24與應(yīng)變儀28連接，且表層套管19的測(cè)試引線24也與應(yīng)變儀28連接，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)變儀28，由應(yīng)變儀28處理后傳輸至計(jì)算機(jī)4。

在一個(gè)優(yōu)選地實(shí)施例中，如圖5所示，安全防護(hù)罩1為對(duì)稱兩半式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱面法向開有通孔，且通孔沿軸向均布，用于安裝螺栓或其他連接裝置。安全防護(hù)罩1底部安裝萬向輪。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。