鉆井船隔水管張緊器性能分析

周 然， 賴 蕾

(上海振華重工(集團)股份有限公司 海工院平臺所， 上海 200125)

0 引 言

深水鉆井船是用于攜帶各類深海鉆井設(shè)備和人員、物資的大型特殊工程船舶，是一個高度復雜的作業(yè)系統(tǒng)。鉆井船鉆采系統(tǒng)在作業(yè)時，需在水下防噴器(Blow-Out Preventer， BOP)和鉆臺之間形成密閉管路，可保護下放的鉆具，為泥漿形成通道等作用，這套管路就是隔水管。在深水中，隔水管是細長的柔性結(jié)構(gòu)，隨鉆井船在惡劣的海浪條件下做升沉運動，可能在局部產(chǎn)生過大的應力造成損壞，對鉆井船、油氣井和周圍海域生態(tài)環(huán)境等都會產(chǎn)生非常不利的影響。在鉆采作業(yè)中，需一套張緊裝置時刻為隔水管提供足夠的張緊力，控制隔水管的應力并對船體垂向位移進行補償。這樣在作業(yè)過程中，隔水管的張力基本保持恒定，可避免管子發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)破壞[1]。

本文初步研究隔水管張緊器的原理以及隔水管張緊器的發(fā)展趨勢。對各類隔水管張緊器的原理展開初步討論，對不同隔水管張緊器進行優(yōu)缺點比較，分析張緊器的發(fā)展趨勢，為今后張緊器的設(shè)計和選型提供一定的參考。

1 隔水管張緊器的種類及組成

典型的隔水管系統(tǒng)如圖1所示：按照從下至上的布置，井口處是BOP、水下隔水管總成(Lower Marine Riser Package， LMRP)和下部柔性接頭；中間段為大量首尾相連的隔水管；隔水管系統(tǒng)的最上部裝有起補償鉆臺升沉運動作用的伸縮節(jié)，其內(nèi)管經(jīng)過最上部的撓性接頭和分流器相連，外管則經(jīng)過張緊環(huán)與隔水管張緊器相連。

圖1 隔水管系統(tǒng)

根據(jù)張緊力的提供方式，隔水管張緊器分為滑輪鋼絲繩式張緊器(Wireline Riser Tensioner, WRT)和直接液缸式張緊器(Direct Acting Tensioner, DAT)。

1.1 WRT組成

WRT主要由儲能器、液缸系統(tǒng)、反沖閥總成、氣瓶組、低壓氣瓶或彈簧、鋼絲繩、升沉檢測裝置、計算機控制系統(tǒng)等組成。WRT是被動式補償裝置，適合安裝在鉆井船中的鉆井模塊四周，對于鉆井船具有普遍使用性，WRT的補償行程是液壓缸的N倍，其中N為滑輪組的倍率。WRT的工作原理為：液壓缸兩端分別設(shè)有一組滑輪系結(jié)構(gòu)，液壓缸體與一組滑輪連接并固定在船體上，液壓缸中的活塞桿與另一組滑輪連接，鋼絲繩繞過滑輪組后與隔水管連接，隔水管的升沉運動通過液缸活塞的伸縮進行補償，同時產(chǎn)生的液缸內(nèi)液體的壓力變化傳遞給蓄能器引起蓄能器內(nèi)以及大體積的空氣瓶內(nèi)氣體壓力的變化，氣體的壓縮和釋放起到了緩沖的作用，保證了鋼絲繩上的拉力基本恒定，隔水管始終處于張緊狀態(tài)。典型的WRT系統(tǒng)圖[2]如圖2所示。鉆臺上的WRT實物如圖3所示。

圖2 WRT系統(tǒng)組成圖

圖3 鉆臺上的WRT設(shè)備

1.2 DAT組成

2000年，Hydarlift公司研發(fā)了DAT系統(tǒng)。DAT主要由高壓儲能器、液壓缸總成、低壓氣瓶、快速關(guān)閉閥、控制臺、升沉檢測裝置、計算機控制系統(tǒng)、高壓管線和卸扣裝置等組成。DAT適用于大型半潛式鉆井平臺或鉆井船的鉆井模塊，通常安裝在平臺下部位置，一般由6個液壓缸構(gòu)成[3]，其張緊能力較大。例如，“海洋石油981”半潛式鉆井平臺上配置的直接液缸式張緊器的單液缸張力可達2 802 kN(285 t)。DAT的補償行程幾乎等于液缸活塞的行程，因此一般液缸尺寸比較大，但其省去了導向附件的質(zhì)量和空間，所以總質(zhì)量輕于WRT，可以直接安裝在月池底部。DAT的工作原理為：活塞一端與張力環(huán)連接，液缸一端與浮式平臺連接，高壓儲能器與液缸底部相通，其下部的液體通過剛性管連接并注入液缸，上部的氣體則通過管線和氣缸相連通，用于調(diào)節(jié)氣體壓力，從而改變液體壓力，以便調(diào)整液缸活塞的進給速度，利用蓄能器和空氣瓶實現(xiàn)緩沖的原理與WRT類似。典型的DAT系統(tǒng)圖如圖4所示。鉆臺上的DAT實物如圖5所示。

圖4 DAT系統(tǒng)組成圖

圖5 DAT實物圖

2 兩種隔水管張緊器比較

WRT與DAT只在布置和張緊傳遞方式上不同，其主要組成部分和工作原理非常相似。

WRT和DAT各具優(yōu)缺點。從補償性能上對比，WRT由于具有多組滑輪共同傳遞補償?shù)奶攸c，精度不如由活塞桿直接傳遞補償?shù)腄AT。另外WRT的鋼絲繩存在易磨損和強度低的問題，最大張緊力也不如DAT。DAT則對液缸要求更高，由于直接通過液缸進行位移補償，需有更快的液缸伸縮速度、更大的活塞行程等，這也使得DAT采用的液缸體型都很大。

從布置上對比，DAT沒有相關(guān)導向附件，可直接安裝在月池底部，而WRT需布置在鉆臺周圍，因此DAT可以節(jié)省大量的鉆臺空間，這是DAT的一個重要優(yōu)勢；從質(zhì)量上對比，DAT較WRT約輕30%[3]；從成本上對比，DAT技術(shù)難度更大、加工難度更大、成本比WRT更高。詳細對比如表1所示。

表1 兩種隔水管張緊器的優(yōu)缺點對比

3 隔水管張緊器主流產(chǎn)品及發(fā)展趨勢

3.1 隔水管張緊器主流產(chǎn)品

歐美國家在海洋資源開發(fā)上起步較早、技術(shù)實力雄厚，形成了由淺海到深海，再到超深海的完備產(chǎn)業(yè)鏈。隔水管張緊器系統(tǒng)技術(shù)復雜，世界上能設(shè)計、制造該系統(tǒng)的公司較少，主要有Cameron公司[4]，美國 NOV集團Varco-Shaffer公司，MH(挪威海事液壓)公司等。

其中，美國 NOV 集團Varco-Shaffer公司設(shè)計制造的鋼絲繩式隔水管張緊器為WRT系列，直接液壓式隔水管張緊器為NRT(N-Line Riser Tensi-oner)系列。其張緊器質(zhì)量良好，在許多現(xiàn)役的海洋鉆井平臺上得到廣泛的應用，具有廣闊的市場前景。其所生產(chǎn)的隔水管張緊器的主要技術(shù)規(guī)格[5]如表2所示。

表2 NOV集團隔水管張緊器技術(shù)規(guī)格

Cameron公司主要設(shè)計生產(chǎn)鋼絲繩式隔水管張緊器，其產(chǎn)品參數(shù)[5]如表3所示。

MH公司設(shè)計制造的深水隔水管張緊器有WRT和DAT，其張緊能力和行程均較大，主要應用于深水或超深水鉆井作業(yè)中。其所生產(chǎn)的張緊器的主要技術(shù)規(guī)格[5]如表4所示。

表4 MH公司隔水管張緊器技術(shù)規(guī)格

3.2 隔水管張緊器發(fā)展趨勢

WRT和DAT的基本原理和主要組成部分相似，液缸都是其重要部件之一。DAT對液缸的行程、反映速度、推力等要求更高，以及技術(shù)含量更高、制造更困難，但是憑借更大的張緊力、更好的補償精度、更輕的質(zhì)量、更小的占臺面積、更靈活的布置位置，DAT將成為未來發(fā)展的趨勢。WRT受限于鋼絲繩的磨損和疲勞問題，使其張緊能力受到很大的限制，但其技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好、成本更低，市場應用較為廣泛。

4 結(jié) 論

通過分析兩種隔水管張緊器的工作原理和性質(zhì)

特點，可知WRT憑借其成熟的技術(shù)、較低的成本、良好的穩(wěn)定性目前在市場上應用較為廣泛，但是限于鋼絲繩的磨損和疲勞問題，其張緊能力受到了很大的限制。隨著海洋資源的勘探逐步邁向更深的深水領(lǐng)域，隔水管張緊器所需張緊力更大。DAT且有更好的補償進度和更大的張緊力，更輕的質(zhì)量和更小的占臺面積，使得甲板有更靈活的布置。隨著今后液壓技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，DAT的設(shè)計勢必會進一步優(yōu)化，成本會逐步向WRT靠攏，今后超深水鉆井作業(yè)對于DAT的應用將會越來越多。