2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心
2. National Engineering Research Center for Oil and Gas Drilling Equipment
0 引言
海洋钻井隔水管张紧器是集机电气液于一体的技术装备，其应用和技术革新随着浮式钻井平台或钻井船的技术发展而发展。现在其设计和制造技术已经发展成熟，但核心技术主要掌握在西方少数几家大公司手中，全球所有浮式钻井平台和钻井船所配套的隔水管张紧器均为NOV、CAMERON、MH和Control Flow等公司生产。国内对海洋钻井隔水管张紧器的研究尚处于起步阶段，目前有宝鸡石油机械有限责任公司、中国石油大学、上海708研究所和中国海洋石油总公司等单位正在开展研究工作，尚未有实际产品进入工业应用[1]，更没有产品进行试验研究。
随着国家对海洋油气勘探开发力度的不断加大以及我国海洋石油装备技术的快速进步，开发我国具有自主知识产权的隔水管张紧器及成套装备已是必然趋势。宝鸡石油机械有限责任公司以国家项目为依托，自主研制了国内首套200K(最大张力900 kN)钢丝绳式海洋钻井隔水管张紧器(以下简称隔水管张紧器)，隔水管张紧器的设计和制造遵循API 16F《海洋钻井隔水管设备规范》，并且符合船级社对该产品的相关技术要求[2-5]。
为了解决隔水管张紧器试验难的问题，同时也为了有效验证国产隔水管张紧器的可靠性，宝鸡石油机械有限责任公司充分利用现有资源，结合使用工况和产品实际，开展了隔水管张紧器试验研究工作，模拟现场工况对隔水管张紧器进行了各项试验，并建立了一套完整的试验方法，为打破国外技术垄断、实现高端石油钻采设备的国产化奠定了基础。
1 总体技术分析 1.1 结构200K隔水管张紧器由上滑轮系架体、液压缸、储能器、下滑轮系架体、钢丝绳、导向装置、反冲阀、工作高压气瓶组、备用高压气瓶组和控制系统等组成，其三维图如图 1所示，其平台布置如图 2所示。在隔水管张紧器中，上滑轮系架体和液压缸中的活塞杆连接，下滑轮系架体和液压缸中的缸套体连接；储能器液端通过反冲阀与液压缸连接，储能器气端与工作高压气瓶组连接；控制阀架体一端连接工作高压气瓶组，另一端连接备用高压气瓶组；控制系统对反冲阀和控制阀架体进行控制。隔水管张紧器安装到钻井船或钻井平台上时，隔水管张紧器中钢丝绳一端穿过导向装置连接在隔水管系统上，另一端绕过隔水管张紧器中的上、下2套滑轮组，并固定在隔水管张紧器本体上。
|
| 图 1 隔水管张紧器三维图 Fig.1 Three-dimensional diagram of riser tensioner 1—上滑轮系架体；2—液压缸；3—储能器；4—张紧器固定架；5—下滑轮系架体；6—钢丝绳；7—导向装置。 |
|
| 图 2 隔水管张紧器平台布置示意图 Fig.2 Schematic diagram of the layout of the riser tensioner on platform 1—张紧器；2—工作高压气瓶组；3—隔水管系统；4—导向装置；5—控制阀架体；6—备用高压气瓶组；7—控制系统；8—平台钻井模块。 |
1.2 工作原理
隔水管张紧器安装在钻井隔水管和浮式钻井平台或钻井船之间，其功能主要是在钻井隔水管顶部建立一个近似恒张力系统，消除浮式钻井平台或钻井船相对钻井隔水管的升沉运动，保护隔水管系统，工作原理如图 3所示。
|
| 图 3 隔水管张紧器原理图 Fig.3 Schematic diagram of riser tensioner |
200K隔水管张紧器属于被动补偿式张紧器。当浮式钻井平台或钻井船向下波动时，浮式钻井平台或钻井船与隔水管之间相对距离的变化引起钢丝绳伸缩，从而引起液压缸伸缩，液压缸内的液压油与储能器相通，储能器与大体积高压空气瓶相连，由于储能器内液位变化所引起的高压气瓶组内空气体积的变化很小，可近似认为高压气瓶组内的压力保持不变，即可近似认为储能器和液压缸内液体的压力保持不变，从而保持液压缸的推力不变，即隔水管顶部的张力保持不变。隔水管张紧器工作中，钢丝绳实现传递并承载隔水管系统与平台之间的张力，通过调节工作高压气瓶组中的气体压力即可改变张紧器的张力大小，反冲阀为液缸提供必要的监控和安全保护[6-9]。
1.3 主要技术参数钢丝绳最大张力：900 kN;
钢丝绳行程：0~15 240 mm；
钢丝绳最大速度：1.5 m/s；
钢丝绳直径：63.5 mm；
滑轮直径：1 981 mm；
最大允许工作压力:24 MPa；
高压气瓶容积：1 325 L;
高压气瓶数量:3。
1.4 钢丝绳张力分析隔水管张紧器的功能是为钻井隔水管顶部建立一个近似恒张力，并且补偿浮式钻井平台或钻井船与隔水管的相对运动。分析钢丝绳张力时，首先必须根据隔水管张紧器的参数计算张力随钢丝绳长度变化的范围。根据气体方程p1V1=p2V2和隔水管张紧器工作结构，推出隔水管张紧器钢丝绳张力的计算公式：
|
(1) |
式中：A为活塞面积，mm2；Wg为隔水管张紧器中活塞杆及上部滑轮架总成重力，N; Wl为钢丝绳单位长度重力，N/mm; L为钢丝绳长度，mm；TSL为钢丝绳张力，N; V为钢丝绳长度每变化304.8 mm时液缸容积变化，L；M为以304.8 mm长度变化为单位的数量; p1为气瓶初始压力，MPa; V1为隔水管张紧器中活塞杆工作时的初始高压体积(包括气瓶组体积、管线体积和储能器体积)，L。
隔水管张紧器设计最大允许压力为24.00 MPa，API SPEC 16F中要求系统工作时只用最大工作压力的93%，因此计算和试验时工作压力最大为22.44 MPa。为了简化计算，选取隔水管张紧器行程中的两端及中间位置按公式(1) 进行计算，得张紧力变化数据如表 1所示。如果张力试验测量的张力在表 1所示的张力波动比范围内，则隔水管张紧器试验成功；如果不在范围内，则需要考虑摩擦、温度以及其他因素的影响。
| 活塞杆行程/mm | 平台升程/mm | 系统压力/MPa | 钢丝绳重力/N | 总悬重/N | 钢丝绳张力/N | 张力波动比/% |
| 3 810 | -7 620 | 19.34 | 9 811.5 | 92 615.5 | 815 318.4 | -7.1 |
| 1 905 | 0 | 20.78 | 8 521.6 | 91 325.6 | 877 946.2 | 0.0 |
| 0 | 7 620 | 22.44 | 7 231.7 | 90 035.7 | 950 626.6 | 8.3 |
1.5 钢丝绳速度分析
隔水管张紧器动载荷测试为隔水管张紧器提供了一种升降运动，用于模拟浮式钻井平台的升沉运动。根据其工作原理及技术参数，试验平台应为其提供的最大升降运动行程至少应为15.24 m，同时，在该行程范围内最大速度应达到1.5 m/s。
在试验过程中，假设浮式钻井平台升沉运动为匀加速和匀减速运动，且从零点运动至总行程中点时达到最大速度，则有：
|
(2) |
式中：S为最大升降运动行程的
根据式(2)可得：a=0.148 m/s2，t=10.16 s。取3个阶段时间：t≤10.16 s，10.16 s＜t≤30.48 s，30.48 s＜t≤40.64 s，由计算可得出试验台为隔水管张紧器提供的升降运动曲线应满足图 4所示的行程、速度和加速度曲线。
|
| 图 4 行程、速度和加速度曲线图 Fig.4 Stroke, velocity and acceleration curves |
2 试验研究
隔水管张紧器主要由机械、电控和液压3大系统构成，根据其结构和功能，包含的试验比较多，主要有动载试验、缸的密封试验、系统压力试验、系统联调试验、控制系统的关闭试验以及缠绳机构试验等。根据隔水管张紧器的实际工况，其主要作用是动态补偿浮式平台或钻井船体与隔水管的相对位移而保持钢丝绳对隔水管的张力不变，因此主要分析其动载试验。
2.1 方案确定通过对隔水管张紧器工作原理的分析，其试验关键是要为隔水管张紧器提供升降运动，并且运动速度和张力要达到设计值，同时测试在各种张紧力和速度下隔水管张紧器的补偿效果，即张紧力的波动大小。
隔水管张紧器工作时围绕井口中心分布，并竖直固定在浮式钻井平台上，因此首先考虑实际使用时的立式试验。通过分析单个200K隔水管张紧器，其缩回长度为10.5 m，行程15.0 m，宽度2.2 m，若采用立式状态进行试验，试验高度至少应达到40 m。同时，根据200K隔水管张紧器的参数，单个隔水管张紧器自重560 kN，单根钢丝绳张力900 kN，工装连接滑动座估算为200 kN，总负载重达1 660 kN左右，并且其速度要达到1.5 m/s，所需最大功率为2 450 kW，一般设备很难提供如此大的负载，因此不考虑200K隔水管张紧器立式试验。
笔者通过对隔水管张紧器进行充分论证和分析，选择200K隔水管张紧器卧式试验，试验方案如图 5所示。升降运动设备包括井架(或试验台架)、天车、游车、钢丝绳和绞车，绞车为隔水管张紧器提供动力。隔水管张紧器水平运动设备包括移动小车、导轨、提升钢丝绳、导向滑轮、载荷油缸和拉力测量装置。通过水平运动和升降运动的结合可模拟升沉运动。采用卧式试验可消除隔水管张紧器自重和工装连接滑动座的重力，仅增加了滑动摩擦力，这个滑动摩擦力相对于隔水管张紧器张力，可以忽略不计，也可以通过外部加载进行补偿。通过计算，ZJ90DB钻机(1 470 kW)满足要求，可提供动力源进行卧式加载运动。
|
| 图 5 隔水管张紧器试验方案图 Fig.5 Schematic diagram of riser tensioner test 1—导轨；2—移动小车；3—产品钢丝绳；4—提升钢丝绳；5—导向滑轮；6—绞车；7—游车；8—天车；9—井架(试验台架)；10—气瓶组；11—气管线；12—200K隔水管张紧器；13—张紧器控制单元；14—拉力测量装置；15—载荷油缸。 |
2.2 实施过程
采用载荷油缸为产品钢丝绳提供负载张紧力，模拟隔水管系统；同时，在此位置布置拉力测量装置，可测量试验过程中负载张紧力及张紧力变化范围[7]。提升钢丝绳一端挂在游车上，另一端通过导向滑轮固定在移动小车(即模拟的浮式钻井平台)上，钻机绞车通过游吊系统拉动固定在移动小车上的隔水管张紧器。模拟平台在海浪作用下上升运动时，移动小车在导轨大梁上向右滑动，带动隔水管张紧器向右移动，压缩气瓶组中的高压气体进行储能，钢丝绳伸出。模拟平台下沉运动时，游吊系统游车下降，气瓶组进行高压储能释放，钢丝绳缩回。带动移动小车向左运动时，试验中采用绞车的能耗制动作为负载，完成运动。实施中通过绞车的控制，可调节隔水管张紧器速度，以达到隔水管张紧器的设计参数。
2.3 试验结果根据宝鸡石油机械有限责任公司隔水管张紧器试验大纲，逐级给气瓶组填充气压，从低压到高压分级别进行加压试验，并且根据图 4升降运动曲线对钻机绞车进行参数输入，从而进行动载试验，记录测量数据。记录数据中气瓶组在22.44 MPa (最大工作压力的93%)下，钢丝绳张力在825 209~938 667 N之间，符合表 1所示的张紧力波动范围。由于张紧器试验采用水平放置，相对于张紧器立式工作，水平试验中张紧器的活塞杆、上部滑轮架总成和钢丝绳自重对气压的影响减小，使得张力变化范围变小，最终结果显示隔水管张紧器满足设计要求，现场试验照片如图 6所示。
|
| 图 6 200K隔水管张紧器现场试验照片 Fig.6 Photo of the 200K riser tensioner testing |
3 结论及建议
(1) 通过对200K钢丝绳式隔水管张紧器的张力和速度分析，建立了理论计算方法，对后续张紧器系列开发及试验具有指导意义。
(2) 充分利用现有钻机动力单元和移动导轨等设备设计了一套试验装置，完成了海洋平台的模拟，首次在国内实现隔水管张紧器在陆地上的升沉运动试验。该升沉运动试验为后续产品试验奠定了基础，并且试验平台占用空间小，质量较轻，效果理想，成本较低，可为国内张紧器研究及生产单位提供参考。
(3) 隔水管张紧器陆地模拟动载试验验证了在各种张紧力和速度下张紧器的补偿效果，建议国产张紧器产品进入浮式钻井平台或钻井船时应进行这种动载试验。建立的试验方法可为国产隔水管张紧器的工业试验及使用提供技术保证。
| [1] | 任钢峰, 王定亚, 邓平, 等. 海洋隔水管张紧器技术分析[J]. 石油机械, 2013, 41(10): 43–45. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2013.10.012 |
| [2] | ANON. Specification for marine drilling riser equipment[S]. Washington:API, 2004. |
| [3] | 中国船级社. 钻井装置发证指南[S]. 北京: 人民交通出版社, 2006. |
| [4] | ABS. Certification of drilling system[S]. Houston: American Bureau of Shopping, 2006. |
| [5] | OTTEN J D. Tension ring for riser:6045296[P]. 2000-04-04. |
| [6] | 赵建亭, 薛颖, 翻云, 等. 浮式钻井装置隔水管张紧系统研究[J]. 上海造船, 2010(4): 1–5. |
| [7] | JARDAN L R. System and method for riser recoil control: 6834723B2[P]. 2004-12-28. |
| [8] | 曹明辉, 樊晓东. 吨/循环在半潜式钻井平台的应用[J]. 中国造船, 2002, 43(增刊1): 59–62. |
| [9] | 刘启蒙, 张润松, 孙传轩, 等. 钢丝绳式隔水管张紧器监控系统设计[J]. 石油机械, 2014, 42(11): 124–128. DOI: 10.3969/j.issn.1001-4578.2014.11.029 |