1.一种针对深海海底井口的环空压力监测及控制装置,其特征在于,包括安装在装置底部的流体入口处(1),在流体入口处(1)上方安装了下活塞(8),下活塞(8)通过连杆(7)与上活塞(6)相连,在上活塞(6)下方安装有缓冲装置,所述的缓冲装置与下活塞(8)之间连接有弹簧(12);在装置的侧面与弹簧(12)对应位置设置有流体出口(13);所述的流体入口处(1)安装有压力传感器(2),压力传感器(2)的输出端连接PLC逻辑控制单元(3),PLC逻辑控制单元(3)的输出端通过动力装置连接上活塞(6);
所述的动力装置包括与PLC逻辑控制单元(3)的输出端连接的液压泵(4),液压泵(4)的输出端连接液压缸(5),液压缸(5)内配置有上活塞(6);
所述的缓冲装置包括依次安装在上活塞(6)下方的固定隔板(9)与活动隔板(11),在固定隔板(9)与活动隔板(11)之间为压缩流体(10);在活动隔板(11)下方连接有弹簧(12)。
2.基于权利要求1所述一种针对深海海底井口的环空压力监测及控制装置的监测及控制方法,包括以下步骤:
1.环空温度与压力监测:
压力传感器(2)对流体入口处(1)的压力进行实时检测,压力传感器(2)将压力信号传送到逻辑控制单元(3);逻辑控制单元(3)对温度Ta和压力p测量值进行处理,计算得到压力上限值设定为Pmax,其中,环空温度升高引起的环空压力变化值PT,环空体积变化引起的环空压力减小值PV,则,Pmax=PT‑PV;
环空流体的热膨胀系数为α,其压缩系数为κ,环空流体有效温度变化量Ta,则温度变化引起的环空压力变化量PT:
内层管柱(19)与外层管柱(14)之间形成环空体积为V,环空体积在温度和内外压作用下环空体积变化量为ΔV,则环空体积变化引起的环空压力变化量PV:内层管柱(19)与外层管柱(14)之间形成环空体积为V,内层管柱(19)外径为Da,外层管柱(14)内径为db,内层管柱(19)到封隔器长度为L,则环空体积V:内层管柱(19)与外层管柱(14)之间形成环空体积为V,内层管柱(19)外径为Da,外层管柱(14)内径为db,内层管柱(19)到封隔器长度为L,则环空体积变化量ΔV:在内层管柱(19)与外层管柱(14)形成环空体积为V中,管材的弹性模量E,泊松系数为μ,内层管柱(19)内压为pi,外层管柱(14)外压为po,环空压力为p;内层管柱(19)外径为Da,内径为da,外层管柱(14)外径为Db,外层管柱(14)内径为db,内层管柱(19)到封隔器长度为L,则内外压作用下外层管柱的径向位移是Δdb和内层管柱的径向位移是ΔDa:通过对环空压力及温度的测量,计算出环空最大压力pmax;
2.自动泄压:
当流体入口处(1)流体的压力高于预设的上限压力值Pmax时,流体推动下活塞(8)向上移动,使流体通过流体出口(13)流出,进行泄压;下活塞(8)向上移动的同时压缩弹簧(12),弹簧(12)又使得活动隔板(11)向上移动,将部分压力传递给压缩流体(10),从而对环空压力起到缓冲的作用,保护套管安全;
3.补压:压力传感器(2)对流体入口处(1)的压力进行实时检测,压力传感器(2)将压力信号传送到逻辑控制单元(3),逻辑控制单元(3)将压力信号与预设的下限压力值进行对比控制液压泵(4),当环空压力信号低于预设的压力值时,启动液压泵(4)使液压缸(5)工作,液压缸(5)推动上活塞(6)向下移动,上活塞(6)与连杆(7)以及下活塞(8)相连,连杆(7)推动下活塞(8)向下移动,下活塞(8)又使活动隔板(11)与下活塞(8)之间安装的弹簧(12)向下拉伸,弹簧(12)向下拉动活动隔板(11),活动隔板(11)与固定隔板(9)间装有压缩流体(10),在液压泵(4)所提供的压力、弹簧(12)弹力以及压缩流体所产生备压的三种情况下,共同作用使得下活塞(8)将装置内的流体通过流体入口处(1)压入套管环空,从而进行补压;直至环空压力信号达到预设的下限压力值时,逻辑控制单元(3)控制关闭液压泵(4),停止补压。