0 引 言

自升式钻井平台所使用的隔水套管主要用来隔离海水，为钻井过程提供一个钻井液流动的通道。目前大多数在建自升式钻井平台的目标水深一般超过90 m，需要足够大的顶部张力及横向约束才能维持隔水套管自身的稳定性及安全性。自升式平台配置套管张紧器主要用来给隔水套管提供顶部张紧力及横向约束，以改善隔水套管的力学性能，减小隔水套管的弯矩和横向变形，解决隔水套管深水作业时的稳定和安全问题^[1-3]。

国内尚未有成熟的套管张紧器推向市场，为了加快我国套管张紧器的开发速度，笔者对隔水套管张紧器的现状及相关技术进行了初探，主要对2种典型的隔水套管张紧器结构进行了说明；并针对该产品的配置选型、张紧力的确定和控制系统的设计等关键技术进行了探讨，同时对产品的开发提出了建议，以供国内相关科研人员参考。

1 应用现状及类型

隔水套管张紧器的设计制造在国外已比较成熟，主要生产厂商有ICON、PATRIOT和TSC等公司，全球市场几乎全部由国外公司垄断；国内有宝鸡石油机械有限责任公司和中石油海洋工程公司等单位进行了相关产品的试验研究。

隔水套管张紧器主要有固定式和可移动式2种类型。固定式张紧器主要配置于执行勘探任务的平台上，这是因为勘探井的井位一般为一个井位，井眼位置固定，张紧器相对船体的位置不能变化。而有的平台主要用于钻探开发井，故主要配置可移动式张紧器，以便在不同位置的井位钻探井组。

1.1 固定式张紧器

固定式张紧器的生产厂家主要是澳大利亚的ICON公司^[4]，其产品又可分为整体式和分半式套管张紧器(见图 1)。

该张紧器由张紧器支撑平台、张紧器固定底座、支撑油缸和控制系统等构成。张紧器支撑平台与船体通过销轴耳板相连，起到支撑张紧器的作用；张紧器底座为焊接式结构，主要承载油缸反作用力，其中心为一通孔结构，可通过隔水套管。4个或8个支撑油缸安装在底座的底板上，油缸的活塞杆上部通过卡瓦将力传递到隔水套管上，对隔水套管起到支撑作用；蓄能器与液缸相连，具有存储能量和减小冲击的作用^[5]。

正常工作时，隔水套管通过张紧器中心的通孔通向海底，其上部与卡瓦固结，靠支撑油缸对其支撑，然后通过增加蓄能器的压力使活塞杆伸出并达到隔水套管设定的张力。当海浪或海流作用于隔水套管，迫使套管弯曲变形时，其纵向长度缩短，此时油缸活塞杆缩回，可补偿隔水套管纵向距离的变化，并给隔水套管提供持续的顶部张力，改善了隔水套管的受力状况，延长了其使用寿命。

整体式张紧器可直接安装在支撑平台上，分半式张紧器则是在张紧器固定支座后面设计一个活门，更容易从隔水导管侧面安装卡瓦并将其与隔水导管固定，从而更方便地安装隔水导管等设施。

其典型产品(T230A)的主要技术参数为：最大垂直载荷2 300 kN，最大水平载荷230 kN，最大通径952 mm，最大行程300 mm，适应套管ø508.0、ø609.6、ø762.0和ø914.4mm。

该产品已经在美国Atwood Beacon钻井平台及迪拜的SAHAR-1～6等多个自升式平台成功应用^[6]。由于该张紧器给隔水套管提供了一定的垂直张紧力，所以延长了隔水套管使用寿命。

1.2 可移动式张紧器

可移动式张紧器的生产厂家主要有TSC和PATRIOT公司^[7-8]，目前JU-2000型自升式平台配置的就是该类型的张紧器。该张紧器由张紧器支撑平台、移动小平台、支撑油缸、小平台存储单元、锁紧装置、张紧器移动装置、提升工具和控制系统等构成，如图 2所示，其结构比固定式张紧器复杂^[9]。

该张紧器可在左舷和右舷方向移动，2个液力作用的移动装置分别安装在套管张紧器底座的两侧，推动张紧器在张紧小平台上左、右移动；在张紧器本体上安装有4个锁紧装置，可在左、右舷的任意位置将张紧器锁紧在张紧平台上，也可为移动装置在步进移动时提供反作用力的支撑点。

隔水套管的侧向约束由4个径向安装的弧形支撑来限制，这些支撑均布安装在井口方向，并且可以前、后移动，支撑上面安装有带弧度的支撑鞋来适应不同直径的隔水套管。

在张紧器左右移动的过程中，移动小平台存储单元可将一侧多余的移动小平台存储，同时将另一侧的小平台自动铺设到张紧器平台上。其典型产品的主要参数为：液缸8个，最大垂直载荷2 800 kN，最大水平载荷280 kN，最大通径1 070 mm，适应套管ø508.0、ø609.6、ø762.0和ø914.4mm。

近几年建造的平台大部分为JU-2000型自升式平台，配置的张紧器为可移动式，如中海油的941号、942号平台及CPOE 17号平台均采用了可移动式张紧器，已经服役多年。

2 关键技术 2.1 张紧器的配置技术

隔水套管张紧器安装配置主要有3种型式：一是安装在悬臂梁下，二是安装在船尾船体上，三是悬臂梁和船尾各承担一部分张紧载荷^[10]。

TSC的可移动式张紧器将张紧器平台悬挂在悬臂梁下，悬臂梁承受张紧载荷。悬臂梁下安装的固定式张紧器通常采用4个液缸，在活塞杆上端连接钢绳，钢绳的另一端与隔水套管上部的防喷器连为一体，同样也可给隔水套管提供张紧力。

ICON的固定式张紧器平台安装在船尾船体上，张紧器平台靠拉杆和船体用销轴耳板连接，在拖航工况下，张紧器平台可用风动小绞车将支撑平台合拢，工作时，张紧力全部作用在张紧器支撑平台上，张紧器支撑平台又将力传给船体。有时为了让悬臂梁和船体后侧都承担一部分力，使得整体结构更加合理，则在悬臂梁下安装2个油缸通过钢丝绳给隔水套管提供一定的张力，船尾的张紧器通过张紧器支撑平台也给隔水套管提供一部分张力。总之，可根据钻井类型和悬臂梁的承载能力等因素综合考虑。隔水套管张紧器布置在船尾的优点是在正常钻井工况和风暴自存工况下均可使用，其缺点是张紧器平台较大，导致现场安装工作量和施工难度均较大；隔水套管张紧器布置在悬臂梁下的优势是钢丝绳式结构简单，质量轻，现场安装工作量小，同时可横向移动，因此可以在平台位置不变的情况下钻探井组，其缺点是只能在正常钻井工况下使用，现场安装空间狭窄，张紧器的提升力受悬臂梁允许最大载荷的限制。

2.2 张紧器张紧力的确定

张紧力是隔水套管张紧器的一个重要参数，对于不同规格的套管及不同的海况，张紧力的大小也不同。计算张紧力时，将受顶张力的隔水套管简化为位于垂直平面内的梁模型，下端入泥端简化为固支约束，上端受隔水套管张紧器提供的张紧力。根据文献^[11]的基本假设，具有初始的横向偏移隔水套管侧向振动微分方程为四阶偏微分方程：

式中：EI为隔水套管的抗弯刚度，N·m²；T为轴向力(当T＜0时，T为张力)，N；W为隔水套管和内含物单位长度的重力，N/m；F(z)为沿水平方向作用于隔水套管单位长度上的波流联合作用力，N/m。

单位长度隔水套管上的海流力为：

式中：C_D为阻力系数；ρ为海水密度，kg/m³；u_c为海流引起的水质点速度，m/s；D为隔水套管直径，m。

依据Morison方程计算作用于单位长度隔水套管上的波浪力为：

式中：C_m为惯性力系数；u_w为波浪引起的水质点速度，m/s；u·_w为水质点水平加速度，m/s²。

笔者对上述方程采用ABAQUS有限元软件进行计算，选用Pipe31单元对隔水套管动力学响应特性进行分析。以91.44m(300 ft)平台隔水套管为例，隔水套管总长度为90 m，规格为ø762.0 mm×25.4 mm，材料为X65管线钢，材料的屈服强度为448 MPa。工作参数如下：水深90 m，波高16.5 m，波浪周期15 s，相位角180°；初步考虑5种顶部张紧力：1 300、1 700、2 100、2 500和3 000 kN。

不同的井身结构配置不同外径的隔水套管，以ø508.0mm×25.4 mm隔水套管为例，施加上述5种张紧力，计算其在海水中的受力情况，如表 1所示。从表可看出，顶部张紧力一般大于3 000 kN。

2.3 控制系统设计

隔水套管张紧器的控制系统既可以单独设计为一个模块，也可以与BOP移动装置设计为一体。控制系统设计分为硬件设计和软件设计。硬件设计包括电气设计和箱柜设计，软件设计包括PLC程序设计和人机界面设计^[12]。硬件主要由主配电单元、中央控制单元(MCC)、张紧器监控单元、气瓶组监控单元、升沉测量单元以及附属箱柜组成。中央控制单元负责收集并显示张紧器系统的数据，并依据相应的流程和算法对系统进行控制。为保障控制系统稳定可靠，采用热冗余PLC控制器作为系统的主控制器。张紧器监控单元主要完成对张紧器液缸数据、小平台位置、张紧器锁紧与解锁等数据的采集功能，将张紧液缸的冲程长度实时传递到中央控制单元，并执行中央控制单元给出的指令。气瓶组监控单元的主要功能是对张紧系统蓄能器及其连接的工作气瓶组进行压力控制。采集每组气瓶的压力并将数据传递给中央控制单元，实时接收用户的操作命令，通过控制电动球阀对蓄能器、工作气瓶组和备用气瓶组进行冲、放气，达到调节张紧系统张力的目的。升沉测量单元采集平台运动测量单元提供的平台升沉数据，并反馈回中央处理单元。

软件设计主要包括3个方面：①冲程测量。通过张紧液缸上的位移传感器，测量每个张紧油缸的冲程，并反映到人机界面中，该界面还可反映波浪的升沉运动情况。②张紧缸状态监控。主要是对液缸的压力、冲程及波浪等进行实时监控，并经过中央处理器进行运算，判断张紧缸是否处于安全状态，如果1组油缸出现故障，则可增加另几组油缸的压力，以保持恒定的张紧力。③记录。实时显示张紧器液缸的冲程、操作步骤和波浪升沉等信息，并生成数据曲线，将其记录在系统存储介质中，方便以后分析。

3 发展建议

(1) 建议相关研制单位进一步加强隔水套管张紧器的应用研究及工业性试验验证。尤其是目前JU-2000型自升式平台使用较为广泛，因此要加大研发可移动式隔水套管张紧器的力度，使其尽快实现国产化。

(2) 解决隔水套管张紧器的反冲问题。在张紧器使用过程中，一旦卡瓦与隔水套管脱离，储存在张紧器蓄能器中的巨大势能将会被释放出来，对张紧器支撑油缸产生冲击，对产品造成破坏。因此，需采取措施对支撑油缸的反冲进行控制，可采取增配反冲阀及油缸设计阻尼装置等措施。

(3) 加强隔水套管张紧器支撑平台的设计制造研究。目前隔水套管张紧器的支撑平台体积和质量普遍较大，安装困难，因此需要进一步优化平台的结构及受力支撑点，使其达到轻量化的目的。