钻井船隔水管张紧器性能分析

周 然， 赖 蕾

(上海振华重工(集团)股份有限公司 海工院平台所， 上海 200125)

0 引 言

深水钻井船是用于携带各类深海钻井设备和人员、物资的大型特殊工程船舶，是一个高度复杂的作业系统。钻井船钻采系统在作业时，需在水下防喷器(Blow-Out Preventer， BOP)和钻台之间形成密闭管路，可保护下放的钻具，为泥浆形成通道等作用，这套管路就是隔水管。在深水中，隔水管是细长的柔性结构，随钻井船在恶劣的海浪条件下做升沉运动，可能在局部产生过大的应力造成损坏，对钻井船、油气井和周围海域生态环境等都会产生非常不利的影响。在钻采作业中，需一套张紧装置时刻为隔水管提供足够的张紧力，控制隔水管的应力并对船体垂向位移进行补偿。这样在作业过程中，隔水管的张力基本保持恒定，可避免管子发生弯曲、扭转破坏[1]。

本文初步研究隔水管张紧器的原理以及隔水管张紧器的发展趋势。对各类隔水管张紧器的原理展开初步讨论，对不同隔水管张紧器进行优缺点比较，分析张紧器的发展趋势，为今后张紧器的设计和选型提供一定的参考。

1 隔水管张紧器的种类及组成

典型的隔水管系统如图1所示：按照从下至上的布置，井口处是BOP、水下隔水管总成(Lower Marine Riser Package， LMRP)和下部柔性接头；中间段为大量首尾相连的隔水管；隔水管系统的最上部装有起补偿钻台升沉运动作用的伸缩节，其内管经过最上部的挠性接头和分流器相连，外管则经过张紧环与隔水管张紧器相连。

图1 隔水管系统

根据张紧力的提供方式，隔水管张紧器分为滑轮钢丝绳式张紧器(Wireline Riser Tensioner, WRT)和直接液缸式张紧器(Direct Acting Tensioner, DAT)。

1.1 WRT组成

WRT主要由储能器、液缸系统、反冲阀总成、气瓶组、低压气瓶或弹簧、钢丝绳、升沉检测装置、计算机控制系统等组成。WRT是被动式补偿装置，适合安装在钻井船中的钻井模块四周，对于钻井船具有普遍使用性，WRT的补偿行程是液压缸的N倍，其中N为滑轮组的倍率。WRT的工作原理为：液压缸两端分别设有一组滑轮系结构，液压缸体与一组滑轮连接并固定在船体上，液压缸中的活塞杆与另一组滑轮连接，钢丝绳绕过滑轮组后与隔水管连接，隔水管的升沉运动通过液缸活塞的伸缩进行补偿，同时产生的液缸内液体的压力变化传递给蓄能器引起蓄能器内以及大体积的空气瓶内气体压力的变化，气体的压缩和释放起到了缓冲的作用，保证了钢丝绳上的拉力基本恒定，隔水管始终处于张紧状态。典型的WRT系统图[2]如图2所示。钻台上的WRT实物如图3所示。

图2 WRT系统组成图

图3 钻台上的WRT设备

1.2 DAT组成

2000年，Hydarlift公司研发了DAT系统。DAT主要由高压储能器、液压缸总成、低压气瓶、快速关闭阀、控制台、升沉检测装置、计算机控制系统、高压管线和卸扣装置等组成。DAT适用于大型半潜式钻井平台或钻井船的钻井模块，通常安装在平台下部位置，一般由6个液压缸构成[3]，其张紧能力较大。例如，“海洋石油981”半潜式钻井平台上配置的直接液缸式张紧器的单液缸张力可达2 802 kN(285 t)。DAT的补偿行程几乎等于液缸活塞的行程，因此一般液缸尺寸比较大，但其省去了导向附件的质量和空间，所以总质量轻于WRT，可以直接安装在月池底部。DAT的工作原理为：活塞一端与张力环连接，液缸一端与浮式平台连接，高压储能器与液缸底部相通，其下部的液体通过刚性管连接并注入液缸，上部的气体则通过管线和气缸相连通，用于调节气体压力，从而改变液体压力，以便调整液缸活塞的进给速度，利用蓄能器和空气瓶实现缓冲的原理与WRT类似。典型的DAT系统图如图4所示。钻台上的DAT实物如图5所示。

图4 DAT系统组成图

图5 DAT实物图

2 两种隔水管张紧器比较

WRT与DAT只在布置和张紧传递方式上不同，其主要组成部分和工作原理非常相似。

WRT和DAT各具优缺点。从补偿性能上对比，WRT由于具有多组滑轮共同传递补偿的特点，精度不如由活塞杆直接传递补偿的DAT。另外WRT的钢丝绳存在易磨损和强度低的问题，最大张紧力也不如DAT。DAT则对液缸要求更高，由于直接通过液缸进行位移补偿，需有更快的液缸伸缩速度、更大的活塞行程等，这也使得DAT采用的液缸体型都很大。

从布置上对比，DAT没有相关导向附件，可直接安装在月池底部，而WRT需布置在钻台周围，因此DAT可以节省大量的钻台空间，这是DAT的一个重要优势；从质量上对比，DAT较WRT约轻30%[3]；从成本上对比，DAT技术难度更大、加工难度更大、成本比WRT更高。详细对比如表1所示。

表1 两种隔水管张紧器的优缺点对比

3 隔水管张紧器主流产品及发展趋势

3.1 隔水管张紧器主流产品

欧美国家在海洋资源开发上起步较早、技术实力雄厚，形成了由浅海到深海，再到超深海的完备产业链。隔水管张紧器系统技术复杂，世界上能设计、制造该系统的公司较少，主要有Cameron公司[4]，美国 NOV集团Varco-Shaffer公司，MH(挪威海事液压)公司等。

其中，美国 NOV 集团Varco-Shaffer公司设计制造的钢丝绳式隔水管张紧器为WRT系列，直接液压式隔水管张紧器为NRT(N-Line Riser Tensi-oner)系列。其张紧器质量良好，在许多现役的海洋钻井平台上得到广泛的应用，具有广阔的市场前景。其所生产的隔水管张紧器的主要技术规格[5]如表2所示。

表2 NOV集团隔水管张紧器技术规格

Cameron公司主要设计生产钢丝绳式隔水管张紧器，其产品参数[5]如表3所示。

MH公司设计制造的深水隔水管张紧器有WRT和DAT，其张紧能力和行程均较大，主要应用于深水或超深水钻井作业中。其所生产的张紧器的主要技术规格[5]如表4所示。

表4 MH公司隔水管张紧器技术规格

3.2 隔水管张紧器发展趋势

WRT和DAT的基本原理和主要组成部分相似，液缸都是其重要部件之一。DAT对液缸的行程、反映速度、推力等要求更高，以及技术含量更高、制造更困难，但是凭借更大的张紧力、更好的补偿精度、更轻的质量、更小的占台面积、更灵活的布置位置，DAT将成为未来发展的趋势。WRT受限于钢丝绳的磨损和疲劳问题，使其张紧能力受到很大的限制，但其技术成熟、稳定性好、成本更低，市场应用较为广泛。

4 结 论

通过分析两种隔水管张紧器的工作原理和性质

特点，可知WRT凭借其成熟的技术、较低的成本、良好的稳定性目前在市场上应用较为广泛，但是限于钢丝绳的磨损和疲劳问题，其张紧能力受到了很大的限制。随着海洋资源的勘探逐步迈向更深的深水领域，隔水管张紧器所需张紧力更大。DAT且有更好的补偿进度和更大的张紧力，更轻的质量和更小的占台面积，使得甲板有更灵活的布置。随着今后液压技术的不断发展和提高，DAT的设计势必会进一步优化，成本会逐步向WRT靠拢，今后超深水钻井作业对于DAT的应用将会越来越多。