[0001] 本申请涉及海洋钻探技术领域，特别涉及一种基于无隔水管水下钻探的钻柱试验装置及试验方法。

[0002] 在海洋钻探作业中，钻柱是钻井船和地层的连接通道。常规海洋钻探主要分为两种方式：有隔水管作业和无隔水管作业。其中，有隔水管作业较为安全，但是存在隔水管价格昂贵、隔水管作业操作程序复杂、泥浆用量大和大环空携岩等问题。不仅如此，在海洋钻探从浅海走到深海的背景下，海域施工环境更加恶劣，海水深度的影响越来越大，有隔水管作业成本剧增。基于这些原因，安全高效的无隔水管开路钻进技术成为当前新兴发展方向。但是，无隔水管开路钻进时，钻柱会直接受到海水的波浪、潮汐、洋流和浊流等运动影响，容易造成海平面下钻柱振荡弯曲变形，引起钻柱疲劳损坏，严重时甚至会造成钻柱弯折危及钻井船舶的安全，因此亟需针对钻柱在深水环境下的动力学开展相关的研究。

[0003] 为此，相关技术提出了一种模拟钻柱在海水环境下钻探的试验方案。具体的，在水槽内设置造波装置以模拟海洋中的海水运动，采用UPVC管模拟钻柱，通过电机驱动UPVC管在水槽中旋转以模拟钻柱在海水中旋转，采用水下高速相机观测UPVC管的振动，采用流速仪测量水流流速，通过电机控制器及驱动器确定UPVC管的转动频率，最后通过采集PC分析处理试验数据。

[0004] 但是，上述的试验方案对于钻柱工作状态的模拟不够真实，而且所能够监测到的数据较少，导致最终的试验结论与实际情况存在较大的偏差，从而使得最终的试验结论的可靠性较低。

[0034] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

[0035] 在本申请的描述中，需要理解的是，如果涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

[0036] 在本申请的描述中，如果出现若干、大于、小于、超过、以上、以下、以内等词，其中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。

[0037] 在本申请的描述中，如果出现第一、第二等词，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

[0038] 本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

[0039] 参照图1至图3，根据本申请的实施例的基于无隔水管水下钻探的钻柱试验装置，包括水槽(图中未示出)、支架100、驱动机构、钻柱试样300、监测组件、隔水箱500和配重块600。

[0040] 具体的，水槽内设置有造波装置，造波装置用于模拟海水运动，支架100设置于水槽的上方，驱动机构包括变频电机210和转轴220，变频电机210设置于支架100上，转轴220的上端连接于变频电机210的输出端，钻柱试样300的上端连接于转轴220的下端，钻柱试样300沿竖向伸入水槽内并用于模拟钻柱，监测组件用于监测钻柱试样300以获取试验数据，隔水箱500设置于水槽内并位于水槽的底部，钻柱试样300的下部伸入隔水箱500内并能够相对隔水箱500转动，配重块600设置于钻柱试样300的底部并位于隔水箱500内，配重块600的顶部与隔水箱500的内顶壁之间具有间隙。

[0041] 需要说明的是，试验时，监测组件与后台数据处理装置a相连，具体的，后台数据处理装置a为具有数据采集能力和数据处理能力的计算机。

[0042] 试验时，通过水槽内的造波装置模拟海水运动，并通过钻柱试样300模拟钻柱。其中，所设置的配重块600用于模拟钻柱底部的钻具结构的重量，即钻具钻探时位于泥线以下的部分的重量，同时，设置隔水箱500以隔离水流对配重块600的冲击，从而模拟钻具的井筒段，而钻柱试样300位于隔水箱500外的部分用于模拟钻具的海水段，使得试验中的钻柱试样300更符合钻柱的实际工作状态。由此可见，相比于现有技术，上述的基于无隔水管水下钻探的钻柱试验装置能够更为精准地模拟钻柱的实际工作状态，有利于降低试验结论与实际情况之间的偏差，从而有利于提高试验结论的可靠性。

[0043] 需要说明的是，试验时，可以通过造波装置的参数获取水槽内水流的流速，也可以通过设置在水槽内的测流仪获取水槽内水流的流速，在此不作限定。

[0044] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，配重块600由金属制成。当然，配重块600也可以由密度较大的非金属制成，在此不作限定。

[0045] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，隔水箱500可放取地放置于水槽的底部，试验过程中，便于取出隔水箱500安装钻柱试样300，其中，隔水箱500由金属制成，隔水箱500具有预设重量以抵御水流的冲击，以防止隔水箱500的位置因水流的冲击而发生改变。

[0046] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，隔水箱500为圆柱状，其圆弧形的外表面能够卸去一部分水流的冲击。

[0047] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，隔水箱500也可以为横截面呈菱形或者三角形的柱状结构，在此不作限定。此时，隔水箱500的外表面的棱边处同样能够卸去一部分水流的冲击。

[0048] 参照图1至图3，在其中的一些实施例中，支架100上对应转轴220设置有第一限位结构700，第一限位结构700用于限制转轴220沿自身的径向移动，隔水箱500上对应钻柱试样300设置有第二限位结构800，第二限位结构800用于限制钻柱试样300沿自身的径向移动。设置第一限位结构700限制转轴220在试验的过程中沿自身的径向移动，同时设置第二限位结构800限制钻柱试样300在试验的过程中沿自身的径向移动，有利于保证转轴220和钻柱试样300在试验过程中的稳定性与可靠性。

[0049] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，第一限位结构700为套设于转轴220外的第一导向套筒，第二限位结构800为套设于钻柱试样300外的第二导向套筒，其中，第一导向套筒的内径大于转轴220的外径，以使转轴220能够相对第一导向套筒转动并且能够沿自身的轴向相对第一导向套筒移动，第二导向套筒的内径大于钻柱试样300的外径，以使钻柱试样300能够相对第二导向套筒转动并且能够沿自身的轴向相对第二导向套筒移动。

[0050] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，第一限位结构700也可以为设置于支架100上并用于穿设转轴220的滑动轴承、滚动轴承或者其他径向限位结构，在此不作限定。其中，第一限位结构700采用滑动轴承或者滚动轴承时，需要与转轴220间隙配合，即不能限制转轴220转动并且不能限制转轴220沿自身的轴向移动。

[0051] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，第二限位结构800也可以为设置于隔水箱500上并用于穿设钻柱试样300的滑动轴承、滚动轴承或者其他径向限位结构，在此不作限定。其中，第一限位结构700采用滑动轴承或者滚动轴承时，需要与钻柱试样300间隙配合，即不能限制钻柱试样300转动并且不能限制钻柱试样300沿自身的轴向移动。

[0052] 参照图1和图2，在其中的一些实施例中，钻柱试样300采用硬质pvc管制成，转轴220的底部设置有能够连接不同直径的钻柱试样300的万能接头900，以便于更换不同直径的钻柱试样300进行试验。

[0053] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，万能接头900包括呈管状的接头主体以及锁紧结构，接头主体的端部具有多瓣呈环形阵列分布的弹性片，其中，锁紧结构可以为螺纹连接于接头主体上的螺纹套筒，拧动螺纹套筒可调节多瓣呈环形阵列分布的弹性片的抱紧程度，锁紧结构还可以为套设于接头主体上的喉箍，通过作用于弹性片的喉箍调节多瓣呈环形阵列分布的弹性片的抱紧程度。当然，作为机械领域的公知技术，万能接头900还可以采用其他的结构类型，在此不作限定。

[0054] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，隔水箱500包括箱体(图中未示出)和可启闭的箱门(图中未示出)，通过设置可启闭的箱门，以便于在试验时安装钻柱试样300，同时也便于更换不同直径的钻柱试样300。

[0055] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，箱门铰接于箱体，以使箱门能够相对箱体转动开合，其中，箱门关闭后通过螺钉、卡扣结构或者其他锁定结构锁定，以防止箱门在试验的过程中意外开启。

[0056] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，箱门也可以通过螺钉或者卡扣结构可拆卸地连接于箱体，在此不作限定。

[0057] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，配重块600可拆卸地连接于钻柱试样300的底部，以便于更换不同重量的配重块600进行试验。

[0058] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，钻柱试样300的底部设置有第一连接法兰(图中未示出)，配重块600的顶部设置有用于与第一连接法兰相连接的第二连接法兰(图中未示出)，第一连接法兰与第二连接法兰通过螺栓和螺母可拆卸连接，其结构简单且易于安装和拆卸配重块600。

[0059] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，还可以通过同时贯穿配重块600和钻柱试样300的可拆卸的销轴装配配重块600，在此不作限定。

[0060] 参照图1，在其中的一些实施例中，监测组件包括应变仪410、位移传感器420、高速相机430和电滑环440，应变仪410和位移传感器420均设置于钻柱试样300上，高速相机430设置于水槽内并用于拍摄钻柱试样300，电滑环440设置于转轴220上并用于为应变仪410和位移传感器420布线。通过设置应变仪410、位移传感器420和高速相机430，能够更为全面地监测钻柱试样300的试验数据，有利于降低试验结论与实际情况之间的偏差，从而有利于提高试验结论的可靠性。其中，通过电滑环440为应变仪410和位移传感器420布线，以使所布线路能够适应钻柱试样300的转动。

[0061] 参照图1，在其中的一些实施例中，水槽内至少设置有两台高速相机430，试验时从不同的角度拍摄钻柱试样300，有利于更为全面地监测钻柱试样300的试验数据。

[0062] 参照图1，在其中的一些实施例中，沿钻柱试样300的轴向设置有多个间隔分布的应变仪410以及多个间隔分布的位移传感器420，有利于更为全面地监测钻柱试样300的试验数据。

[0063] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，应变仪410和位移传感器420均可拆卸地设置于钻柱试样300上，以便于回收或者更换应变仪410和位移传感器420。

[0064] 需要说明的是，在其中的一些实施例中，应变仪410和位移传感器420均通过扎带绑扎于钻柱试样300上。

[0065] 需要说明的是，在另外的一些实施例中，应变仪410和位移传感器420也可以通过喉箍或者其他可拆卸的连接结构设置于钻柱试样300上，在此不作限定。

[0066] 根据本申请的实施例的试验方法，其应用于上述的基于无隔水管水下钻探的钻柱试验装置，包括以下步骤：

[0067] 检查水槽内的造波装置是否存在异常，若无异常，开启造波装置进行预热；

[0068] 安装钻柱试样300，在钻柱试样300上安装与后台数据处理装置a相连的应变仪410和位移传感器420，检测变频电机210和高速相机430能否正常工作，若变频电机210和高速相机430均能够正常工作，对整个试验装置进行调试；

[0069] 利用造波装置按照指定波高和周期进行造波；

[0070] 启动变频电机210，驱使钻柱试样300转动以模拟钻柱转动；

[0071] 钻柱试样300开始转动后，开启高速相机430进行拍摄；

[0072] 利用变频电机210提供指定转速，待钻柱试样300转动稳定后，通过后台数据处理装置a采集并记录待钻柱试旋转过程中的相关参数，重复测量三次；

[0073] 至少改变造波装置的造波参数、变频电机210的转速、配重块600的重量、钻柱试样300的直径中的一者，重复试验，以测得不同工况下的钻柱动力学参数；

[0074] 关闭电源，整理试验装置，结束试验；

[0075] 试验完成后，分析处理试验所得的数据，并基于分析处理的结果决定是否再次进行试验。

[0076] 在本说明书的描述中，如果涉及到“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”以及“一些示例”等参考术语的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

[0077] 尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。