[發明專利]一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動裝置及方法

有效

• 申請號: 201610430980.8
• 申請日: 2016-06-16
• 公開（公告）號: CN106089121B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 朱紅鈞;孫兆鑫;湯連東;牛義康
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: E21B17/10
• 分類號: E21B17/10
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于海洋油氣工程技術領域，具體涉及一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動裝置及方法。

背景技術

海洋石油鉆井中，隔水管是核心部件之一，它構建了鉆井平臺與水下井口的傳輸通道，對隔離海水、引導鉆具與管柱、循環鉆井液與完井液、補償鉆井浮體的升降運動等具有重要作用。隔水管受到風、浪、流等復雜的海洋環境荷載，易發生疲勞失效。其中，波流繞流引起的管體渦激振動是隔水管發生疲勞損傷的主要誘因。渦激振動是復雜的流固耦合問題，尤其當旋渦脫落頻率與管柱固有頻率相近時，還會引發渦激共振，造成隔水管斷裂失效，嚴重影響安全作業與生態環境。因此，有效抑制渦激振動是海洋鉆井隔水管安全服役的保障。

目前，有關隔水管渦激振動的抑制裝置可分為兩類，一類是主動抑制，即人為從外部施加能量，驅動局部附屬構件運動，破壞繞流流場，從而實現振動的抑制；另一類是被動抑制，即通過在管壁添加附屬結構，改變繞流剖面，使得繞流結構趨于流線型。主動抑制由于需要消耗額外的能量，尚未被實際工程采用。被動抑制盡管可以達到一定的抑制效果，但添加的附屬結構往往增大了繞流阻力，一定程度地改變了管柱自身的重量，且大多數被動抑制結構不能應對方向不斷變化的來流。能否不消耗額外能量同時又實現主動抑制的效果，便成為了渦激振動抑制裝置設計的一個新方向。

發明內容

針對現有海洋隔水管渦激振動抑制裝置和方法的不足，本發明提供一種無需外加能量、構造相對簡單的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動裝置及方法。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動裝置由傳動系統、支撐系統和擾流桿組成，關于隔水管的管軸呈軸對稱布置。傳動系統包括葉輪、蝸桿、蝸輪、密封軸承各兩個。隔水管管壁上開有軸對稱布置的兩個圓孔，蝸桿一端從圓孔伸入至隔水管與鉆桿之間的環形空間中，且伸入環形空間的蝸桿端部安裝有葉輪，葉輪轉動可以帶動蝸桿轉動；蝸桿與隔水管管壁圓孔間的間隙由密封軸承填充，既實現密封，又保證蝸桿能夠相對于隔水管轉動；蝸桿有螺紋的一端在隔水管外與蝸輪的螺紋嚙合，且蝸桿軸與蝸輪軸垂直正交，蝸桿轉動帶動蝸輪轉動，轉動方向發生90°轉變。支撐系統由上部、下部兩個套環、四根支撐桿、四個軸承座、四個轉動軸承組成。套環套裝在隔水管的外壁，由兩個半圓環形構件通過螺栓連接構成；每個套環上連接有與隔水管管壁垂直的兩根支撐桿，兩根支撐桿關于隔水管的管軸呈軸對稱布置，每根支撐桿末端安裝有一個軸承座，軸承座中布置有一個轉動軸承；上部套環支撐桿末端的軸承座開口向下，下部套環支撐桿末端的軸承座開口向上，轉動軸承的軸線與隔水管軸線平行。擾流桿為兩端直徑小、中部直徑大的圓柱體，擾流桿的兩端分別安裝于上部、下部套環支撐桿末端軸承座的轉動軸承中；擾流桿上端小直徑柱體外部裝有花鍵，其穿過蝸輪中心孔并與蝸輪中心孔的花鍵槽嚙合，蝸輪旋轉可以帶動擾流桿旋轉；安裝在擾流桿上的蝸輪下端面剛好貼合擾流桿上端小直徑與大直徑柱體的臺階面，可以限定蝸輪在擾流桿軸向的運動。

所述的葉輪直徑為隔水管與鉆柱環空尺寸的1/3～1/2，以保證葉輪在環空鉆井液上返動能的驅動下自由轉動。所述的套環內徑等于隔水管外徑。所述的擾流桿兩端小直徑柱體的直徑等于轉動軸承的內徑，擾流桿中部柱體直徑為兩端小直徑柱體直徑的2～3倍；擾流桿長度等于5～8倍的隔水管外徑；擾流桿上端小直徑柱體外部的花鍵高度大于蝸輪中心孔的花鍵槽高度，以防止蝸輪軸向滑脫。

采用所述的利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動裝置可以實現一種利用鉆井液上返能量抑制隔水管渦激振動方法，將關于隔水管軸對稱布置的兩根擾流桿所在平面垂直于海流流向放置，且擾流桿轉動時與隔水管緊鄰一側的切線速度方向與海流方向相反。當隔水管與鉆柱環空中鉆井液向上流動時，會驅動葉輪旋轉，葉輪轉動后帶動蝸桿旋轉，蝸桿旋轉又帶動蝸輪旋轉，最后擾流桿在蝸輪的帶動下旋轉。通過隔水管兩側擾流桿的旋轉，為隔水管的繞流邊界層注入了能量，使隔水管后方尾跡區變窄，削弱了旋渦脫落強度，減少了隔水管前后壓差，降低了海流作用在隔水管上的繞流升力和阻力，從而實現渦激振動的抑制。

本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點：

1.本發明裝置可作為一個基本單元，根據實際需要按一定間隔在隔水管上布置多個單元，以實現隔水管渦激振動的分段抑制；

2.本發明的實施是利用鉆井液上返時動能驅動擾流桿旋轉，無需外部提供能量，實現了低成本、零耗能。

附圖說明

圖1為本發明裝置的整體結構圖