淺析直接作用式隔水管張緊器結(jié)構(gòu)及其工作原理

雒曉康 付坤倫 趙世剛

摘? 要：本文以隔水管張緊器為研究對象，分析了直接作用式隔水管張緊器的功能優(yōu)勢，并對典型的直接作用式隔水管張緊器的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點進(jìn)行分析。結(jié)合海洋平臺鉆井技術(shù)、各種型式張緊器結(jié)構(gòu)和作用優(yōu)缺點推薦采用液缸共線型、活塞桿受壓型的張緊器，通過研究進(jìn)一步實現(xiàn)產(chǎn)品的平臺適用性。

關(guān)鍵詞：直接作用式;隔水管張緊器;共線型;活塞桿受壓型

中圖分類號：TE951?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???????? 文章編號：2096-6903（2021）04-0000-00

近年來，石油開發(fā)技術(shù)不斷提高，研發(fā)出了頂部驅(qū)動鉆井裝置，有效提高了石油開發(fā)的性能，在實際運(yùn)用過程中發(fā)揮了重要作用。對于開采石油過程中產(chǎn)生的一些較為復(fù)雜的問題，都能有很好的解決效果。例如在鉆進(jìn)定向井和多種復(fù)雜井時，充分發(fā)揮了新型技術(shù)的優(yōu)勢。因此，當(dāng)井下發(fā)生事故時，也能很好的發(fā)揮作用，幫助解決井下的復(fù)雜問題。本文對石油鉆井新型頂部驅(qū)動鉆井裝置進(jìn)行了綜合性分析，對于常見的使用問題和引發(fā)故障的問題，提出改進(jìn)建議和意見，促進(jìn)石油鉆井技術(shù)的不斷發(fā)展。

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對油氣資源的需求日益增長，陸地石油儲量日趨減少，而海洋油氣資源的勘探量逐年增加，這使得海洋油氣鉆采技術(shù)得以不斷發(fā)展。海洋鉆井隔水管張緊系統(tǒng)作為當(dāng)前（超）深水鉆井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，連接鉆井平臺和隔水管系統(tǒng)，為隔水管提供足夠的頂部張緊力，又為鉆井液在平臺和井口之間提供循環(huán)通道[1]。

目前，直接作用式鉆井隔水管張緊系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要被NOV、Cameron、Aker、DTI、Control Flow等公司壟斷，國內(nèi)對于該產(chǎn)品的研制基本處于起步狀態(tài)。分析直接作用式鉆井隔水管張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能特點[2]，對于我國發(fā)展（超）深水油氣鉆采技術(shù)具有十分重要的意義。

1直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)技術(shù)概況

與滑輪鋼絲繩式張緊器采用滑輪組和鋼絲繩來增大張緊行程不同[3]，直接作用式隔水管張緊器的張緊行程就是液壓缸活塞桿的行程，這樣就省去了滑輪鋼絲繩和其他部件，可以將液壓缸安裝到月池區(qū)里面或者將張緊器固定在滑移裝置上，安裝到鉆井平臺底部，使張緊器組能夠滑移出月池區(qū)。

張緊器液壓缸的一端連接到平臺上，活塞一端和張力環(huán)連接;高壓蓄能器與液缸底部相通，其下端液體通過剛性管連接通入液缸，上端氣體通過管線與氣缸相通，用于調(diào)節(jié)氣體壓力來改變液體壓力，以便調(diào)整液缸活塞的進(jìn)給速度，同時液壓缸總成和高壓蓄能器之間裝有快速關(guān)閉閥，高壓蓄能器上有安全閥，下部有放氣閥，低壓氣瓶上裝有安全閥等，能夠為液缸提供必要的安全保證。

2直接作用式隔水管張緊器

直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)工作原理相同，但在細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)上相差較大。按照其結(jié)構(gòu)形式可以分為共線型隔水管張緊器和非共線型隔水管張緊器兩種。

2.1共線型隔水管張緊器

共線型張緊器的液壓缸與張緊環(huán)成90°垂直放置，與隔水管是共線。張緊器共線對稱，因此可以消除系統(tǒng)中因偏移和載荷不同引起的密封失效問題。此外，張緊器是徑向排列的，并且可以固定到船的單個點上，因此能夠作為單個單元方便地安裝或者經(jīng)由旋轉(zhuǎn)臺開口移除，或者在船底時斷開或水平移動。

2.1.1帶撓性接頭的共線張緊器

該張緊器如圖1所示，連接到鉆臺上，通過上下端撓性接頭補(bǔ)償鉆井船的偏移。上端撓性接頭可以提供大約15°的角度補(bǔ)償。該系統(tǒng)減小了結(jié)構(gòu)的尺寸、高度、頂端重量，減少了維護(hù)，同時能夠增加可執(zhí)行的張緊系統(tǒng)數(shù)量，提高張緊力。能夠通過降低自身的重心來提高鉆井設(shè)備的穩(wěn)定性。

2.1.2帶伸縮筒的共線張緊器

該裝置見圖2，是在底座上安裝偶數(shù)個油缸，每個油缸的活塞桿上端與伸縮筒相連，伸縮筒的上端同心設(shè)置有補(bǔ)心，所有液缸的進(jìn)油口液壓管線與蓄能器相連，蓄能器與液壓管線之間設(shè)置有控制系統(tǒng)。其中，伸縮筒補(bǔ)心的內(nèi)圓表面與隔水套管以卡牙的方式連接;伸縮筒下端為圓筒狀，伸縮筒的外圓表面與底座的內(nèi)圓表面配合套接。

2.1.3 DTI滑動接頭式張緊器

如圖3所示，DTI公司的滑動接頭新型設(shè)計將DTI直接作用式液缸連接在滑動接頭上。滑動接頭式張緊器排列消除了90%的流體摩擦力，證明在超載提升隔水管和井口頭時可減少將近850K。其鉆井作業(yè)中的特點是單元不使用時可以在岸上儲存，減少環(huán)境造成的損壞;兩次鉆井項目期間張緊器可以在主甲板上保存。

2.2 非共線型隔水管張緊器

非共線型隔水管張緊器的液壓缸與張緊環(huán)之間有一定角度，一般為15°左右，因而與隔水管之間是不共線的。非共線型隔水管張緊器通常在鉆臺下面安裝張緊器固定架或者滑動導(dǎo)軌，方便對張緊器進(jìn)行支撐和移動。

2.2.1模塊化立管張緊器

模塊化立管張緊器如圖4所示，將單一的整裝式蓄能器和液壓缸集成到模塊化張緊單元，無需外部蓄能器，形成一個隔水管張緊器。張緊裝置上端通過球形桿和軸承、軸連接到張緊平臺;下端通過銷軸連接到隔水管上的張緊環(huán)。該裝置通過蓄能器、液壓缸張緊單元，大部分管道可以移除，使張緊器更安全，更容易安裝;減小了結(jié)構(gòu)的尺寸和重量;張緊單元可以通過與控制線連接或斷開實現(xiàn)安裝或拆除。

2.2.2活塞桿受拉張緊器

活塞桿受拉張緊器如圖5所示，張緊系統(tǒng)在水下井口裝置的隔水管系統(tǒng)上安裝有張緊環(huán)，張緊器固定架通過液缸總成與張緊環(huán)連接;在浮式鉆井平臺的甲板上安裝有蓄能器、高壓氣源、控制裝置和控制支架總成，蓄能器通過反沖閥與液缸總成連通，高壓氣源與蓄能器相連;系統(tǒng)安裝有反沖閥與控制裝置連接。

2.2.3 Aker Solution直接作用式張緊器

Aker Solution公司隔水管張緊器如圖6所示，與Shaffer或Cameron公司同等產(chǎn)品性能和質(zhì)量相當(dāng)，由于最大張緊能力及行程均很強(qiáng)大，可以用于深水或超深水鉆井。張力性能最高可達(dá)500000lbs;較之傳統(tǒng)的鋼絲繩式張緊器不占用工作甲板的空間;其包含一套成熟應(yīng)用的隔水管反沖控制系統(tǒng);柱塞桿由表面焊有不銹鋼的碳素鋼制造而成;重量輕，且重心低。

2.2.4 DTI直接作用式隔水管張緊器

DTI改進(jìn)的50ft沖程直接作用式系統(tǒng)如圖7所示，可提供較高的平臺工作效率;新集成的張緊器系統(tǒng)通過將流體限制在液缸內(nèi)極大地降低了摩擦損失。相比于傳統(tǒng)系統(tǒng)，效率提高了90%多。

3不同結(jié)構(gòu)對比分析

按照張緊器主體結(jié)構(gòu)形式，直接作用式隔水管張緊器有共線型和非共線型。共線型張緊器張緊液缸軸線平行，且沿隔水管徑向?qū)ΨQ分布。非共線型張緊器張緊液缸與隔水管軸線呈一定角度，一般為液壓缸與隔水管柱軸線的夾角一般在3°以內(nèi)[4][5]。根據(jù)液缸活塞桿受力方式，分為活塞桿受拉型和活塞桿受壓型兩種形式。其中，活塞桿受拉型張緊器在工作過程中，液缸無桿腔充滿高壓油液，活塞桿受壓并為隔水管系統(tǒng)提供足夠的張緊力;活塞桿受拉型張緊器在工作過程中，液缸有桿腔充滿高壓油液，活塞桿受拉為隔水管系統(tǒng)提供張緊力。

自升式平臺鉆井作業(yè)水深較淺，隔水管系統(tǒng)總重小，波浪、海流等環(huán)境載荷小，平臺固定無升沉運(yùn)動和橫向偏移，故張緊器采用活塞桿受壓型的液缸，增大液壓油作用面積，降低對液壓站的要求，同時，為提高張緊力的利用率，張緊器液缸共線布置即可滿足自升式平臺鉆井作業(yè)需求，且結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計、制造和維護(hù)，費(fèi)用較低。浮式平臺/鉆井船多位于（超）深水作業(yè)，作業(yè)環(huán)境較為惡劣，平臺具有較大的升沉運(yùn)動和橫向偏移，隔水管系統(tǒng)總濕重較大，故選用活塞桿受拉型的張緊器，可提供較大的縱向張緊力，且大型液缸能夠補(bǔ)償由于平臺運(yùn)動和隔水管變形產(chǎn)生的較大位移。

經(jīng)分析可知，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，自升式平臺上基本采用共線型、活塞桿受壓型張緊器;考慮細(xì)長桿的受壓穩(wěn)定性問題，浮式平臺/鉆井船應(yīng)采用活塞桿受拉型張緊器，受作業(yè)載荷影響選用共線或非共線型的張緊器結(jié)構(gòu)。

4直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)發(fā)展展望

近年來，我國海洋油氣的勘探和開發(fā)逐步從淺水到（超）深水，基本與國際先進(jìn)水平持平。但是，配套的海洋油氣裝備無法滿足日益增長的鉆采需求，大多數(shù)產(chǎn)品需要依賴進(jìn)口。隔水管張緊系統(tǒng)作為自升式、半潛式和鉆井船等鉆井平臺的必要配置，隨著鉆井水深的增加，對其張緊能力、反沖控制技術(shù)、密封技術(shù)、結(jié)構(gòu)形式、移運(yùn)和安裝技術(shù)、維修和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價等都提出了更高的要求。

目前，國內(nèi)有寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司、中國石油大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)以及上海708研究所等單位對隔水管張緊系統(tǒng)展開相關(guān)研究，多是對于鋼絲繩式隔水管張緊系統(tǒng)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)的研究，尚未有產(chǎn)品投入使用。同時，鋼絲繩式隔水管張緊系統(tǒng)能夠在一定程度上擴(kuò)大液缸張力和行程，彌補(bǔ)國內(nèi)大型液缸制造技術(shù)的缺陷[6]。鋼絲繩式隔水管張緊系統(tǒng)的最大張力受鋼絲繩性能參數(shù)影響，限制了系統(tǒng)的最大張力，不適用于超深水領(lǐng)域，且該結(jié)構(gòu)占用平臺空間較大，維修和更換鋼絲繩較為麻煩，耗時較長，增大了使用成本。

5結(jié)語

直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，適用水深廣，占用平臺空間小，可用于各類鉆井或生產(chǎn)類平臺，實現(xiàn)直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)的國產(chǎn)化對于我國爭取海洋油氣領(lǐng)域的主動權(quán)具有非常重要的現(xiàn)實意義。當(dāng)前，我國可從自升式平臺的直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)入手，從深水的反沖控制技術(shù)、液缸制造技術(shù)、密封技術(shù)、結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)經(jīng)濟(jì)平臺開始，初步掌握設(shè)計方法和制造技術(shù);后期通過計算研究，實驗驗證逐步完善系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)有些企業(yè)將鋼絲繩式張緊器作為研發(fā)的跳板，避開國內(nèi)大型液缸制造技術(shù)的短板。但是，由于直接作用式張緊器的使用優(yōu)點，筆者認(rèn)為，直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用性決定了其研發(fā)的必要性，不斷提高其設(shè)計和制造水平，可為超深水直接作用式隔水管張緊系統(tǒng)的研發(fā)提供一定參考。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2021-03-06

基金項目：甘肅省科技項目重大專項計劃“自升式平臺12000m鉆井裝備的研發(fā)”（1602GKDA014）

作者簡介：雒曉康（1989—），女，山東德州人，碩士，工程師，從事海洋石油裝備研發(fā)設(shè)計工作。

Structure and Working Analysis for Direct Active Riser Tensioner

LUO Xiaokang，F(xiàn)U Kunlun，ZHAO Shigang

（Lanzhou LS Petroleum Equipment Engineering Co.Ltd，Qingdao Shandong? 266520）

Abstract： With the technical research of the riser tensioner，the functional advantages of the Direct Active Riser Tensioner is mainly analyzed. The difference of the structure and technical characteristics of typical direct acting riser tensioners are described.Combining offshore platform drilling technology， various types of tensioner structure and function advantages and disadvantages， hydraulic cylinder collinear type and piston rod compression type tensioner is recommended， and further research for the platform applicability of the product will be carried out.

Keywords： Direct Active;Riser Tensioner;Collinear;Piston Rod Under pressure