浮式鉆井裝置隔水管張緊系統研究

趙建亭，薛 穎，潘 云，程 峰

（708研究所，上海 200011）

0 前 言

深海油氣開采一般采用浮式鉆采形式。主要有半潛式鉆井平臺、圓筒型鉆井平臺、鉆井船、鉆井駁及其它類型的浮體，為其提供一個實施鉆井功能的載體。浮式鉆井作業中極其重要的是使隔水管形成一個在水下防噴器組與鉆臺轉噴器之間的泥漿返流通道。隔水管的頂部設置一個能夠補償浮體升沉運動的伸縮節。伸縮節的內筒是通過柔性接頭與轉噴器連接在一起，外筒由張力環及卸扣與隔水管張緊器連接在一起。隔水管張緊系統可以通過伸縮節為隔水管頂部提供垂向力，以控制隔水管的應力和位移。并能在浮體作垂直和水平運動的情況下，使隔水管柱的張力基本保持恒定，不致使它出現彎曲、扭轉等損壞。本文就半潛式鉆井平臺的隔水管張緊系統進行了分析，并對DAT（DAT：Direct Active Tensioner，直接作用式張緊器）隔水管張緊系統進行了闡述。

1 隔水管張緊系統要求

隔水管張緊系統的要求，一般是根據船級社的規范。諸如：中國船級社（CCS）的《鉆井裝置發證指南》、美國船級社（ABS）的GUIDE FOR CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM及挪威船級社（DNV）的DRILLING PLANT等。

1.1 基本要求[1～3]

張緊系統的最小張力設定應保證隔水管的穩定性；最大張力的設定不應超過張力器動態張力極限值的90%。

在張緊系統的管線上設限流裝置，是為了張力器在繩索破斷或其他失效情況下能使流體停止流入或降低流入張力器液壓缸的流速。

圖1 有導向繩的隔水管張緊系統

對于浮式鉆井作業，在隔水管應急解脫時應有抗隔水管反沖的措施，以避免隔水管、鉆井平臺和人員受損。

對于采用導向繩的隔水管張緊系統，見圖 1，其導向滑輪的布置應使鋼絲繩與伸縮節的軸線夾角保持盡可能地小，以使鋼絲繩的垂直分力為最大，從而可增加鋼絲繩的壽命。

1.2 冗余要求

張緊系統的設計應確保一個張力器失效或維修的情況下，其余張力器還能為隔水管提供所需要的最小張力[1～3]。

2 隔水管張緊系統

2.1 具體要求

浮式鉆井裝置的隔水管系統是依靠作用于隔水管頂部的軸向張力或向上的浮力來支撐。在海上鉆井作業過程中，張緊系統控制著隔水管系統的應力大小，并影響著隔水管系統的彎曲度。隨著隔水管尺寸、海水深度、環境載荷、泥漿比重的增加，支撐隔水管系統的軸向張力也會增大。隔水管張緊系統的運動行程必須大于浮體的升沉，還要計及潮汐的影響、連接件的調整和浮體吃水的變化。但是過大的張緊運動行程又會降低張緊系統的效能。因此，隔水管張緊系統在鉆井裝置達到垂直升沉運動的最大峰值時的響應必須等于或大于鉆井裝置升沉的瞬時最大垂直速度。

2.2 型 式

目前浮式鉆井裝置隔水管張緊系統有兩種：一種是傳統的鋼絲繩型式，如圖1所示；另一種為新穎的液壓缸直接作用（DAT），如圖 2所示。前者通過鋼絲繩及滑輪組將張緊系統的張緊升沉補償行程增大為液壓缸行程的 n（滑輪組的倍率）倍，而且由于液壓缸的缸體尺寸相對較小，利用布置的空間可配置多對張緊器，但是，這種型式的導向附件所占用平臺的月池區或者鉆臺四周的空間較大，而且鋼絲繩易磨損失效。圖3為布置于鉆臺四周的鋼絲繩式隔水管張緊器。

隨著大型液壓缸制造技術的不斷發展，開始應用 DAT型式。它的補償行程基本為液壓缸活塞桿的行程，因此液壓缸的行程及缸體尺寸都較大?？梢允∪ヤ摻z繩及相應的導向附件，且液壓缸可直接懸掛在鉆臺底下的月池區內，如圖4所示。還可根據特定的鉆井作業需要將液壓缸組安裝在鉆臺底下的一個滑移裝置上，使液壓缸組能夠滑移出月池區井口的位置。

圖2 DAT隔水管張緊系統

圖3 布置于鉆臺四周的張緊器

圖4 布置于月池內的張緊器

不管是采用何種類型的隔水管張緊系統，隔水管張緊器的行程及張緊能力，都需要根據浮體的作業環境條件進行詳細核算才能夠確定。隔水管張緊器的最大張緊力的核算是以隔水管組（包括隔水管內的泥漿）在水中所需的提升力為計算依據的；隔水管張緊器的行程是以作業環境的波浪高度為依據的。配置張緊器時，張緊器組都是成對出現，并且相對于井口對稱布置；單一張緊器組失效時，對角張緊器組也需停止使用。

3 系統設計

鋼絲繩的系統比液壓缸直接作用的系統要多出一些力傳遞的設施，如鋼絲繩及導向滑輪裝置等。所以，兩種系統除了在設備的布置和力作用方式不同外，其原理基本是相類似的。以下重點介紹3000m深海半潛鉆井平臺的DAT式的隔水管張緊系統[4,5]。

3.1 載荷確定

隔水管張緊器的載荷是由大鉤下放隔水管柱后結束傳遞過來的，所以張緊器的設計載荷不小于大鉤載荷即可，通常為907t。考慮到一個張力器失效或維修的情況下，其余張力器尚能為隔水管提供所需要的最小張力。張緊器是圍著井口對稱布置，一個張力器失效后對角張力器也失去作用，所以，設置6個液壓缸承載張緊力。

每個液壓缸的張緊能力為272t，由于液壓缸與隔水管柱之間的夾角通?？刂圃?°以內，液壓缸的軸向力基本全部轉化為隔水管柱的垂向力。所以，在4個液壓缸有效的情況下，可以提供1088t動態張緊力的90%，極限值為979t，大于大鉤載荷[6]。

3.2 設備配置

DAT隔水管張緊系統主要有液壓缸、蓄能器、關斷閥、控制撬、氣瓶、空壓機、注液機等。設備之間通過必要的管線、軟管等連接在一起，由控制系統完成所需的功能。

DAT隔水管張緊系統的單個液壓缸張緊的典型原理，如圖5所示。此系統的關鍵部件是在封閉的腔體內產生對隔水管拉力的液壓缸，由于此系統是被動系統，所以只要經過良好的維護后在鉆井作業時不需要太多關注。液壓缸、蓄能器、關斷閥、控制撬上的儀表、閥等均為I類危險區設計；PLC（可編程控制器）柜需要安裝在安全區或者正壓防爆區域；空壓機與注液機需要安裝在安全區。

圖5 液壓缸張緊系統典型原理

3.2.1 液壓缸

液壓缸的活塞桿端通過卸扣連接伸縮節上的張力環實現隔水管柱力的傳遞。缸體尾端采用卸扣與鉆臺底的梁或者滑移裝置連接在一起，每個液壓缸的有桿端由閥及液壓軟管將其與蓄能器的液壓端連接在一起。為了保持液壓缸活塞端的持續壓力及防止腐蝕，無桿端連接低壓氮氣罐。該系統共有6個液壓缸，每個液壓缸的主要參數如下：

缸徑：560mm

桿徑：230mm

行程：15240mm

設計壓力：20.7MPa

每個液壓缸配有位置測量系統用來測量活塞桿的位置、方向及速度，其參數顯示在就地控制板及司鉆房的控制屏上。同時活塞桿的位置反饋信號也可用于 PLC計算蓄能器的液壓油位及監視隔水管的脫開及失效等。

若某個液壓缸在工作過程中失效，與之對角的液壓缸也需要停止使用，以減小加載在伸縮節上的彎矩及側向載荷。為了保持系統張緊力不變，其余4個液壓缸的工作壓力必須按比例增加。

3.2.2 蓄能器

蓄能器是張緊系統工作時能量的存儲及轉化設備，猶如一個液壓空氣彈簧維持著隔水管張力的恒定。每2個蓄能器組成一組，每個瓶組對應著一個液壓缸。每3組蓄能器組成一個撬塊，分別布置于月池的艏艉部。蓄能器為立放非隔離式（無活塞或者氣囊）的壓力容器，內部介質分為氣液2層，每2個蓄能器的頂部及底部由管線連接在一起；瓶的頂部為氣體端，通過空氣控制裝置連接空氣瓶，瓶的底部通過關斷閥連接液壓缸。每個蓄能器容積為2000L，設計壓力為20.7MPa。

每組蓄能器配有一個比例壓力變送器，用于測量蓄能器內液柱的靜壓。將此數據與液壓缸的活塞桿位置數據一起計算可以正確校驗6個系統內的液位。為了校準液位測量系統，在蓄能器的低位配有可視觀察孔?？稍谒俱@房監視，當液位偏離理想位置的5%（相當于200L）時便會報警。

3.2.3 關斷閥

關斷閥是一種抗隔水管反沖裝置，主要功能是當液壓缸脫開、隔水管失效或者液壓缸、張緊環失效時逐漸地切斷或者鎖停給液壓缸供油以消除或者減少隔水管的反沖對系統的影響。每只液壓缸對應著一個關斷閥，關斷閥由PLC實現閉環比例控制。每3個關斷閥組成一個總成與蓄能器組靠近布置。每個總成配有一個外部動力包作為關斷閥的先導油的來源，先導油儲存在一套預充壓氣囊式蓄能器內，由氣動先導泵通過蓄能器內的壓力傳感器及PLC實現自動啟停補充蓄能器內的先導油。

3.2.4 控制撬

控制撬用來實現每個液壓缸的壓力控制?？刂魄宋挥谛钅芷髋c空氣瓶之間，實現液壓缸壓力的集中控制功能。主要閥為氣動閥，由就地控制板及司鉆房實現遙控。其功能如表1所示。

表1 主要閥及功能

主隔離閥是棘爪閥，能夠在供電或者供氣失效的情況下仍可以保持在需要的位置；其余4個閥為彈簧復位關閉閥。主隔離閥配有可視電子指示，當位置反饋信號開關連接到 PLC可顯示液壓缸是否在工作狀態。

控制撬由每只液壓缸配有的2個壓力表和2個壓力變送器來實現系統的監控，壓力表可以讀出主隔離閥兩側的壓力（空氣瓶和蓄能器）。當兩側壓力差超過1MPa時打開主隔離閥，并用旁通閥來平衡兩側的壓力以減小打開主隔離閥時的沖擊。

3.2.5 氣瓶

隔水管張緊系統的氣瓶有3類：日用空氣瓶、備用空氣瓶、低壓氮氣瓶。根據不同的環境條件來確定空氣瓶數量。3類不同類型的壓力容器的主要參數及功能如表2所示。

表2 氣瓶主要參數及功能

通常情況下，日用空氣瓶與備用空氣瓶的外形相似，但是容積及壓力等級不同，有立放和平放兩種類型。所有的空氣瓶都配有手動隔離閥、安全閥和泄放閥等。

3.2.6 空壓機

空壓機系統能夠高效不間斷地向備用空氣瓶內補充干燥的高壓氣體，共設置3臺、三用一備，自動啟停及自動干燥，布置于平臺靠近月池區的艙室內?？諌簷C的主要參數如下：

排量：149m3/h（工作壓力下）

工作壓力：31MPa

最大工作壓力：35MPa

功率：55kW

3.2.7 注液機

注液機主要是將隔水管張緊器使用的水基乙二醇液體補充給液壓缸/蓄能器，該設備布置于平臺靠近月池區的艙室內。注液機的主要參數如下：

排量：120L/min（工作壓力下）

工作壓力：20.7MPa

油箱容積：4.6m3

功率：25kW

3.3 系統控制

隔水管張緊系統可由司鉆房內的司鉆遠程控制，也可由現場人員就地控制；可在司鉆控制臺上選擇。就地控制板布置于月池區，控制板分為3個功能模塊：壓力調節、細節監控和通用功能。

控制系統是一種模塊化的集中控制系統，采用安全遙控操作系統，能處理系統內部的連鎖及報警等，當系統出現任何異常情況進行信息報告或者報警。隔水管張緊系統的PLC柜是系統的通信與信息中心，所有的進入/輸出設備、控制板及司鉆屏的信號都經由此柜傳輸。

3.4 應急停機

由于浮式鉆井裝置不可能實現升沉運動的止動，而且隔水管張緊系統是一種被動補償系統，所以隔水管張緊系統不設置應急停車按鈕。

3.5 系統保護

3.5.1 安全閥

本系統內的所有氣體壓力容器的超壓都由安全閥實現安全保護，透氣到大氣中；液壓缸的有桿端超壓由關斷閥內的安全閥實現保護，液體如果過壓，它將返回到蓄能器。

3.5.2 隔水管抗反沖

除本系統所有壓力容器由安全閥實現安全控制外；另外還配置隔水管抗反沖系統，它是一種特殊而且關鍵的系統，可以在單個液壓缸失效、隔水管脫開或者失效及正常/應急脫開等 3種情況下起作用；此系統是通過比例控制安裝于蓄能器和液壓缸之間的關斷閥的流量來實現液壓缸的速度控制，進而實現作用于隔水管柱上作用力的控制。

在司鉆控制的維修菜單中，設置有越控選項可以實現在特殊情況下禁用抗反沖系統；此功能選用時，抗反沖系統的所有功能禁用。

4 結 語

隔水管張緊系統是浮式鉆井裝置所特有的系統，盡管它有傳統的鋼絲繩式及新型的液壓缸直接作用兩種不同的型式，但是兩者不同點只是體現在張緊器的布置位置及系統張緊傳遞力的執行方式上，而系統工作的基本原理及主要設備構成基本類似。不同的隔水管張緊系統會引起半潛平臺的月池區域大小、鉆臺部分的布置、設備的選型，對其統籌研究有利于半潛平臺的整體設計。

[1] 中國船級社.鉆井裝置發證指南[S].2006.

[2] ABS.CERTIFICATION OF DRILLING SYSTEM[S].2006.

[3] DNV.DRILLING PLANT[S].2009.

[4] 機械設計手冊第五卷[M].化學工業出版社，第五版.

[5] Aker Solution 及 NOV公司投標深水半潛式鉆井平臺項目鉆機資料[Z].

[6] 中國船級社.船舶與海上設施起重設備規范[S].2007.