深水吸力桩建井实验装置

1.本实用新型涉及深水油气钻井技术领域，特别涉及一种深水吸力桩建井实验装置。


背景技术：

2.目前海洋石油的勘探与开发作业也逐渐由浅海近海区域转向深海远海区域，以增加海洋油气的勘探开发区域面积，寻求更多的油气发现。
3.深水表层建井主要采用喷射下导管建井，作业方式单一，并且对地质环境的要求高。而深水表层具有地质风险高、浅层土质疏松、浅层异常地质现象(浅部断层、浅层气、浅层流、天然气水合物等)等特点，使得常规的导管喷射建井工艺应对浅层地质风险能力低。采用喷射下导管建井，是由水力喷射作用使海底土泥形成一条通道下入导管。在下入过程中，导管在其自重的作用下随钻头钻出的井眼下沉并挤压周围地层直至设计深度。当下入至设计深度后，经过一定的“等待时间”，导管与地层粘土之间建立了胶结应力，并随时间增长而加固，从而确保导管被“悬住”而不下沉。
4.为了使得导管能够被“悬住”而不下沉，需要保证导管在海底土泥中具有足够的承载力。而导管与地层之间的侧向摩擦力能够弥补地层承载力的不足。在采用喷射下导管建井过程中，若喷射力度过小，容易使导管与海底土之间的摩擦力增大，导致下入时间过长甚至下入不到位；若喷射力度过大导致海底粘土恢复胶结应力的时间长，从而掌握不好海底土的回填时间，造成导管下沉。相比之下，吸力桩建井具有如下优势，其可以利用海洋工程船下入，同时由于吸力桩的尺寸较大且可以采用负压的方式下入，不易导致吸力桩下沉，并且吸力桩可以回收重复利用。鉴于上述优点，使得吸力桩在深水表层建井中得到广泛应用。
5.但是，海底深水的高压环境、深水开发作业过程中的高温、海底土质参数(砂土、粘土、粉土中下入的摩擦力是不同的)等环境因素均能够影响吸力桩的下入时间和下入过程。此外，吸力桩的形状、重力等自身因素也与其在地层中的承载力相关。因此，有必要对进行深水表层吸力桩建井工艺进行优化，从而对深水开发作业过程的影响因素进行有效评估。


技术实现要素：

6.为实现上述目的，本技术提供了一种深水吸力桩建井实验装置，该实验装置能够准确模拟深水高压环境以及吸力桩的下入过程，以揭示利用吸力桩进行深水表层建井时相关工艺参数的变化规律。提供的技术方案如下所述：
7.一种深水吸力桩建井实验装置，所述实验装置包括：
8.釜体，所述釜体具有中空腔室，所述中空腔室用于填充土层和预定密度的盐水；
9.釜盖，用于封闭所述中空腔室，所述釜盖设置有通孔；
10.下入组件，包括：吸力桩和钻杆，所述吸力桩为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆形成封闭端，所述钻杆从所述通孔中穿设而出；
11.注气组件，包括：用于检测所述中空腔室内部压力的第一压力传感器；储气罐，所述储气罐与所述中空腔室之间设置有进气管路，所述进气管路上设置有增压泵和进气控制阀；
12.抽吸组件，包括：回收箱，所述回收箱与所述钻杆之间设置有抽吸管路，所述抽吸管路上设置有吸力泵和抽吸控制阀；
13.实验架，所述实验架上设置有拉力机构和位移测量计，所述位移测量计用于检测所述下入组件的下入深度，所述拉力机构与所述钻杆之间设置有用于测量拉力的拉力测量计。
14.作为一种优选的实施方式，所述抽吸管路上在所述吸力泵的下游依次设置有压力控制器、应急安全阀和减压泵。
15.作为一种优选的实施方式，所述减压泵与所述回收箱之间设置有两相分离器，所述两相分离器设置有与外界相连通的排气管路，所述排气管路上设置有排气阀；经所述两相分离器分离后的气体经所述排气管路排出，分离后的液体和固体沿所述抽吸管路流入所述回收箱。
16.作为一种优选的实施方式，所述实验装置还设置有排放组件，所述排放组件包括：设置在所述釜盖上的排气口；与所述排气口相连通的排放管路，所述排放管路上设置有第二压力传感器和出口控制阀。
17.作为一种优选的实施方式，所述拉力机构包括：升降机和与所述升降机相连的钢丝绳，所述拉力测量计连接于所述钢丝绳与所述钻杆之间。
18.作为一种优选的实施方式，所述位移测量计为刻度尺，所述钻杆上设置有位移测量指针，所述位移测量指针用于读取所述刻度尺的示数。
19.有益效果：
20.本技术提供的深水吸力桩建井实验装置通过向釜体内填充盐水配合注入高压气体达到深水压力条件，能够模拟海洋钻井深水条件下的高压环境。通过钻杆悬提吸力桩并下入，能够模拟深水吸力桩的下入过程，用于研究吸力桩进行深水表层建井时工艺参数的变化规律，以实现对深水表层建井方式的掌握。
21.参照后文的说明和附图，详细公开了本技术的特定实施方式，指明了本技术的原理可以被采用的方式。应该理解，本技术的实施方式在范围上并不因而受到限制。
22.针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
23.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。
附图说明
24.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动力的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1为本技术实施方式提供的深水吸力桩建井实验装置的结构示意图。
26.附图标记说明：
27.1、回收箱；2、两相分离器；3、排气阀；4、减压泵；5、应急安全阀；6、压力控制器；7、吸力泵；8、进气管路；9、增压泵；10、氮气注入控制阀；11、储气罐；12、抽吸管路；13、第一压力传感器；14、进气控制阀；15、实验架；16、第一转换接头；17、进气口；18、第二转换接头；19、升降机；20、位移测量计；21、钢丝绳；22、拉力测量计；23、第二压力传感器；24、排放管路；25、出口控制阀；26、第三转换接头；27、排气口；28、固定螺栓；29、釜盖；30、位移测量指针；32、钻杆；33、盐水；34、吸力桩；35、土层；36、釜体；37、抽吸控制阀。
具体实施方式
28.下面将结合附图和具体实施方式，对本实用新型的技术方案作详细说明，应理解这些实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本技术所限定的范围内。
29.需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
30.具体的，将图1中所示意的向上的方向定义为“上”，将图1中所示意的向下的方向定义为“下”。值得注意的是，本说明书中的对各方向定义，只是为了说明本实用新型技术方案的方便，并不限定本实用新型实施例的深水吸力桩建井实验装置在包括但不限定于使用、测试、运输和制造等等其他可能导致装置方位发生颠倒或者位置发生变换的场景中的方向。
31.深水表层建井目前有钻入法与喷射下导管法。钻入法受海底土的性质影响，海底土回填过快容易找不到井眼，套管无法下入或者下入到一半。其次，由于海底低温，固井水泥难以凝固，影响作业时效(海洋深水钻井平台日均费用16万美元左右)。喷射下导管法建井，是由水力喷射作用使海底土泥形成一条通道下入导管。相比之下，吸力桩建井具有明显优势，其可以利用海洋工程船下入，吸力桩由于其尺寸较大且还可以采用负压的方式嵌入至海底土泥中，不易下沉。
32.吸力桩是一种上端封闭、底端开口，类似于倒置的“水桶”式基础形状。吸力桩以其施工速度快、造价低和可回收利用等优点，被广泛作为系泊海洋浮动式结构、海上油气平台的基础，并逐渐计划向深水表层建井应用，作为传统喷射下入导管的储备方式。
33.本技术实施方式提供的深水吸力桩建井实验装置能够以吸力桩为基础，用于模拟深水或超深水钻井条件下的吸力桩建井过程。在海洋钻井领域中，在水深大于500m的钻井称为深水钻井，水深大于1500m的钻井为超深水钻井。在深水钻井条件下，水压随着下入深度逐渐增大，在超深水钻井条件下，超高水压可达到15mpa。
34.如图1所示，所述实验装置包括：釜体36，所述釜体36具有中空腔室，所述中空腔室用于填充土层35和预定密度的盐水33；釜盖29，用于封闭所述中空腔室，所述釜盖29设置有通孔；下入组件，包括：吸力桩34和钻杆32，所述吸力桩34为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆32形成封闭端，所述钻杆32从所述通孔中穿设而出；注气组件，包括：用于检测所述中空腔室内部压力的第一压力传感器
13；储气罐11，所述储气罐11与所述中空腔室之间设置有进气管路8，所述进气管路8上设置有增压泵9和进气控制阀14；抽吸组件，包括：回收箱1，所述回收箱1与所述钻杆32之间设置有抽吸管路12，所述抽吸管路12上设置有吸力泵7和抽吸控制阀37；实验架15，所述实验架15上设置有拉力机构和位移测量计20，所述位移测量计20用于检测所述下入组件的下入深度，所述拉力机构与所述钻杆32之间设置有用于测量拉力的拉力测量计22。
35.本技术提供的深水吸力桩建井实验装置通过向釜体36内填充盐水配合注入高压气体达到深水压力条件，能够模拟海洋钻井深水条件下的高压环境。通过钻杆32悬提吸力桩34并下入，能够模拟深水吸力桩34的下入过程，用于研究吸力桩34进行深水表层建井时工艺参数的变化规律，以实现对深水表层建井方式的掌握。
36.所述釜体36用于模拟深水环境，其材质为耐高压材料。釜体36内的中空腔室填充有海底土层35和按照一定比例配置的盐水33。所述盐水33用于模拟海水，优选的，所述盐水的密度为1.03g/cm3。所述土层35在实验过程中可以更换为不同性质的土体，例如砂土、粘土、粉土，从而能够模拟吸力桩34在不同土质下的下入过程。该釜体36的中空腔室通过釜盖29进行密封。釜体36与釜盖29可以通过固定螺栓28进行密封，从而能够便于将釜盖29与釜体36分开，便于清洗以及更换土层35。
37.所述下入组件包括吸力桩34和钻杆32，所述吸力桩34为中空的筒体，所述筒体具有相对的顶端和底端，所述底端为敞口端，所述顶端穿设所述钻杆32形成封闭端，所述钻杆32的顶端从所述通孔中穿设而出，吸力桩34通过连接于钻杆32的下方，能够精准的保证垂直下入。所述钻杆32的顶部通过拉力机构悬挂于实验架15上，从而能通过拉力机构对整个吸力桩34以及钻杆32进行起吊、提升和下放。
38.所述注入组件用于向釜体36的中空腔室内注入高压气体，从而与釜体36中的盐水33配合共同营造深水海底环境。该注入组件包括储气罐11，该储气罐11可以用于存放氮气，或者其他类型的惰性气体，本技术对此不作限定。储气罐11与釜体36的中空腔室之间设置有进气管路8，该进气管路8上设置有用于为气体增压的增压泵9和进气控制阀14。该进气控制阀14在进气管路8上可以设置于增压泵9的下游，从而控制高压气体的注入。增压泵9与储气罐11之间还可以进一步设置有氮气注入控制阀10，用于控制增压泵9对气体的增压过程。
39.进一步的，所述釜盖29上可以设置有进气口17，该进气口17用于连通进气管路8。为了保证进气口17与进气管路8连接时的密封性，进气口17与进气管路8之间可以设置有第一转换接头16。该第一压力传感器13用于检测釜体36的中空腔室的内部压力，该第一压力传感器13可以是压力表，可以单独设置在釜盖29上，也可以设置在进气管路8上。优选的，为了保证进气密封性，第一压力传感器13设置在进气管路8上，并位于进气控制阀14的下游。
40.所述抽吸组件用于抽吸所述吸力桩34内部的流体，使得吸力桩34内部形成负压，从而将吸力桩34在负压的作用下进入土层35中。具体的，当吸力桩34依靠自重使其下端嵌入土体中，筒体下端形成封闭状态，此时通过与钻杆32相连的抽吸管路12向外抽水，造成吸力桩34内部压力的降低。当由吸力桩34的内、外压差形成的压入作用力作用在吸力桩34上后，且该垂直向下的压力超过海底泥土与吸力桩34的侧壁之间形成的摩擦阻力时，吸力桩34即被不断的压入海底土体中。
41.抽吸组件包括回收箱1，该回收箱1用于回收反排的土层35和盐水33，该回收箱1与钻杆32之间的抽吸管路12上设置有吸力泵7和抽吸控制阀37。所述抽吸控制阀37在抽吸管
路12上可以位于吸力泵7的上游，从而控制吸力泵7对于液体的抽吸。为了保证抽吸管路12与钻杆32连接时的密封性，抽吸管路12与钻杆32之间可以设置有第二转换接头18。
42.进一步的，所述抽吸管路12上在所述吸力泵7的下游依次设置有压力控制器6、应急安全阀5和减压泵4。该压力控制器6用于防止压力过大，对设备造成损坏。当压力过大时，可以将应急安全阀5打开，并通过减压泵4减压。压力过大判断的标准是通过读取第一压力传感器13示数的下降速率是否过快，若在抽吸过程中，第一压力传感器13示数下降过快则存在安全隐患，需要将应急安全阀5打开。
43.需要说明的是，本说明书所述的“上游”和“下游”为沿着流体的流动方向上的“上游”和“下游”。例如，在进气管路8上，沿着流体的流动方向上，进气控制阀14位于增压泵9的下游，储气罐11位于增压泵9的上游；在抽吸管路上，沿着流体的流动方向上，抽吸控制阀37位于吸力泵7的上游，回收箱1则位于吸力泵7的下游。
44.在一个实施方式中，所述减压泵4与所述回收箱1之间设置有两相分离器2，所述两相分离器2设置有与外界相连通的排气管路，所述排气管路上设置有排气阀3；经所述两相分离器2分离后的气体经所述排气管路排出，分离后的液体和固体沿所述抽吸管路12流入所述回收箱1。在本实施例中，该两相分离器2为液固分离器，经过分离后的液体和固体反排至回收箱1进行回收利用。
45.在本说明书中，所述实验装置还设置有排放组件，用于排出釜体36的中空腔室中的气体。所述排放组件包括：设置在所述釜盖29上的排气口27；与所述排气口27相连通的排放管路24，所述排放管路24上设置有第二压力传感器23和出口控制阀25。该第二压力传感器23用于检测出口压力，可以是压力表。为了保证排气口27与排放管路24连接时的密封性，排气口27与排放管路24之间通过第三转换接头26连接。
46.在本说明书中，所述拉力机构包括：升降机19和与所述升降机19相连的钢丝绳21，所述拉力测量计22连接于所述钢丝绳21与所述钻杆32之间。具体的，该升降机19用于带动整个下入组件的提升和下放。所述钢丝绳21用于连接钻杆32与升降机19，所述钢丝绳21具体为无回弹钢丝绳。钢丝绳21与钻杆32之间设置拉力测量计22，拉力测量计22用于显示下入组件所受拉力。
47.在本说明书中，所述位移测量计20为刻度尺，所述钻杆32上设置有位移测量指针30，所述位移测量指针30用于读取所述刻度尺的示数。钻杆32上的位移测量指针30能够随钻杆32一同上提和下放，可作为测量基准，通过读取刻度尺上的读数，能够准确方便的反应出下入组件的下入深度。
48.上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡根据本技术精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。
49.披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
50.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。
51.应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。