本发明专利技术提供一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，包括：支撑架，在所述支撑架上设置有纵向调节机构、端部力调节机构、偏移机构、自由转动机构；所述纵向调节机构用于根据钻柱模型的长短调节其在支撑架上的固定高度；所述端部力调节机构用于调节、测量钻柱模型端部的受力情况；所述偏移机构用于实现钻柱模型的顶端多间距、多角度的变换；所述自由转动机构用于与端部力调节机构配合，实现钻柱模型旋转的同时能够横向、顺流向双自由度涡激振动。该装置能够有效模拟钻井平台运动、不同海流流速及方向、不同端部载荷、不同转速工况下钻柱结构响应和动力特性。钻柱结构响应和动力特性。钻柱结构响应和动力特性。
【技术实现步骤摘要】
一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置
[0001]本专利技术涉及石油天然气勘探设备
，尤其涉及一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置。
技术介绍
[0002]石油、天然气资源是当今各国的经济命脉，从陆地走向海洋、从浅海走向深海是今后较长时期内油气资源战略发展趋势，深海油气开发是我国“建设海洋强国”战略的重要组成部分。随着水深增加，常规钻井隔水管系统愈加庞大，对平台和锚泊系统承载能力的要求愈加严格，同时地层压力窗口过窄、套管使用量过大的问题也愈加突出。
[0003]无隔水管钻探是一种新型钻井技术，钻柱裸露在海水中，大大减少浮式钻井装置承重，有效降低钻井成本，可解决复杂海底条件下钻井难题。但是由于缺少隔水管保护，钻柱直接受到作业及环境荷载等综合作用，其运动规律及应力分布更加复杂，特别是随着水深和驱动转速的增加，极易导致钻柱大变形，从而引发结构动力失稳破坏。
[0004]相对于常规海洋立管，无隔水管钻探技术在勘探过程中体现出明显的优势。钻柱除了承受内外流荷载的耦合作用外，钻柱的旋转与钻进，其理论研究与设计面临着更大的挑战，钻柱响应机理成为研究热点和重点，无论对于学术界还是工程界都有着重要的研究意义。但是目前针对无隔水管钻柱水动力学的研究相对较少、研究方法还不完善，因此亟待开发一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置。
技术实现思路
[0005]本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，该装置能够有效模拟钻井平台运动、不同海流流速及方向、不同端部载荷、不同转速工况下钻柱结构响应和动力特性。在进行无隔水管钻柱涡激振动试验时，该装置能够精确施加、测量端部力，实现钻柱旋转、垂向振动以及耦合横向、顺流向涡激振动的工况，保证耦合涡激振动的无隔水管钻柱模型动力测试顺利开展。
[0006]一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，包括：支撑架，在所述支撑架上设置有纵向调节机构、端部力调节机构、偏移机构、自由转动机构；
[0007]所述纵向调节机构安装在钻柱模型的顶端，用于根据钻柱模型的长短调节其在支撑架上的固定高度；
[0008]所述端部力调节机构用于调节、测量钻柱模型端部的受力情况；
[0009]所述偏移机构设置在纵向调节机构上，用于实现钻柱模型的顶端多间距、多角度的变换；
[0010]所述自由转动机构与钻柱模型的底端连接，用于与端部力调节机构配合，实现钻柱模型旋转的同时能够横向、顺流向双自由度涡激振动。
[0011]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述纵向调节机构包括：安装在支撑架竖直支撑上的4个平行设置的SBR光轴直线导轨、滑块、直角角
件、高强加载螺栓及螺母、上固定板；
[0012]所述上固定板的四个拐角通过滑块分别安装在所述4个SBR光轴直线导轨上，其通过直角角件与螺栓及螺母实现与竖直支撑的固定；
[0013]所述钻柱模型顶端穿过所述上固定板后通过高强加载螺栓及螺母将其固定在上固定板上。
[0014]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，偏移机构包括：圆形区域、直线滑动轨道；所述圆形区域设置在上固定板上，在所述圆形区域上设置有供钻柱模型的顶端来回滑动的若干直线滑动轨道，所述直线滑动轨道呈米字型分布。
[0015]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，在所述圆形区域上设置有用于标记钻柱模型顶端移动角度的角度刻度盘以及用于标记其移动长度的标尺。
[0016]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述自由转动机构包括：下固定板、万向节、回转轴承；
[0017]所述下固定板固定在支撑架的底部，钻柱模型的底端通过万向节与回转轴承连接，所述回转轴承通过高强固定螺栓及法兰螺母固定在下固定板上。
[0018]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述端部力调节机构包括：万向节、激振器、调速齿轮减速电机、外置数显张力计；
[0019]在所述钻柱模型的顶端与上固定板之间依次连接所述万向节、调速齿轮减速电机、激振器、外置数显张力计。
[0020]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述端部力调节机构还包括张力计显示屏，所述张力计显示屏安装在支撑架上。
[0021]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，在支撑架的外围安装有通过斜角角件固定的斜撑，所述斜撑与竖直支撑构成三角形结构。
[0022]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述支撑架、斜撑均采用铝合金型材制成。
[0023]进一步地，如上所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，所述钻柱模型包括：铝合金内管、铝合金外管，在铝合金内管、铝合金外管之间为不锈钢钢丝。
[0024]本专利技术的优点：
[0025]1、本专利技术采用回转轴承万向节将钻柱模型与支撑装置进行连接，保证钻柱模型在旋转的同时能够实现在横流向、顺流向自由振动。
[0026]2、本专利技术通过圆形区域上设置的米字型直线滑动轨道实现钻柱与来流方向和距离的调节，多角度、多间距的调节能够有效模拟钻井平台运动工况下的钻柱响应，实现不同钻柱模型布置需求的试验工况。
[0027]3、本专利技术通过调节高强加载螺栓及螺母松紧程度，并由外置数显张力计对端部力进行测量。张力计下端连接激振器及调速齿轮减速电机，通过显示屏可准确读取张力示数，实现端部力实时测量及调节。
[0028]4、本专利技术通过改变端部力调节机构、水槽水流流速、调速齿轮减速电机转速、激振器激励大小，有效实现海水段钻柱模型横
‑
顺
‑
垂
‑
扭耦合振动响应。
[0029]5、本专利技术支撑装置由铝合金型材及连接角件通过T型螺栓进行固定组装而成，将
四个支撑设计为三角形，能够保证结构的稳定性和测试钻柱振动数据的精确性。
[0030]6、本专利技术支撑装置采用SBR光轴直线导轨能够保证上固定板上下滑动，在进行试验时可以自由变换钻柱模型的长度，方便变换钻柱角度与来流方向，并简化操作流程。
[0031]7、本专利技术钻柱模型采用复合材料，中间增强层采用不锈钢钢丝以一定角度进行缠绕，能够提高钻柱抗拉、抗压、抗弯、抗扭性能。
附图说明
[0032]图1是本专利技术用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置整体结构主视图；
[0033]图2是图1的俯视图；
[0034]图3是本专利技术装置上部示意图；
[0035]图4是本专利技术装置下部与钻柱模型连接示意图；
[0036]图5是本专利技术复合材料钻柱模型示意图；
[0037]附图标记：
[0038]1‑
钻柱模型，2
‑
万向节，3
‑
回转轴承，4
‑
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，其特征在于，包括：支撑架，在所述支撑架上设置有纵向调节机构、端部力调节机构、偏移机构、自由转动机构；所述纵向调节机构安装在钻柱模型的顶端，用于根据钻柱模型的长短调节其在支撑架上的固定高度；所述端部力调节机构用于调节、测量钻柱模型端部的受力情况；所述偏移机构设置在纵向调节机构上，用于实现钻柱模型的顶端多间距、多角度的变换；所述自由转动机构与钻柱模型的底端连接，用于与端部力调节机构配合，实现钻柱模型旋转的同时能够横向、顺流向双自由度涡激振动。2.根据权利要求1所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，其特征在于，所述纵向调节机构包括：安装在支撑架竖直支撑(22)上的4个平行设置的SBR光轴直线导轨(10)、滑块(11)、直角角件(12)、高强加载螺栓及螺母(8)、上固定板(9)；所述上固定板(9)的四个拐角通过滑块(11)分别安装在所述4个SBR光轴直线导轨(10)上，其通过直角角件(12)与螺栓及螺母实现与竖直支撑(22)的固定；所述钻柱模型顶端穿过所述上固定板(9)后通过高强加载螺栓及螺母(8)将其固定在上固定板(9)上。3.根据权利要求2所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，其特征在于，偏移机构包括：圆形区域(24)、直线滑动轨道(23)；所述圆形区域(24)设置在上固定板(9)上，在所述圆形区域(24)上设置有供钻柱模型的顶端来回滑动的若干直线滑动轨道(23)，所述直线滑动轨道(23)呈米字型分布。4.根据权利要求3所述的用于复合材料钻柱动力响应测试的试验装置，其特征在于，在所述圆形区域(24)上设置有用于标记钻柱模型顶端移动...
【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，娄敏，王阳阳，梁维兴，田超，王森，
申请(专利权)人：威海纳川管材有限公司，
类型：发明
国别省市：
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