浅析直接作用式隔水管张紧器结构及其工作原理

雒晓康 付坤伦 赵世刚

摘  要：本文以隔水管张紧器为研究对象，分析了直接作用式隔水管张紧器的功能优势，并对典型的直接作用式隔水管张紧器的结构和技术特点进行分析。结合海洋平台钻井技术、各种型式张紧器结构和作用优缺点推荐采用液缸共线型、活塞杆受压型的张紧器，通过研究进一步实现产品的平台适用性。

关键词：直接作用式;隔水管张紧器;共线型;活塞杆受压型

中图分类号：TE951       文献标识码：A         文章编号：2096-6903（2021）04-0000-00

近年来，石油开发技术不断提高，研发出了顶部驱动钻井装置，有效提高了石油开发的性能，在实际运用过程中发挥了重要作用。对于开采石油过程中产生的一些较为复杂的问题，都能有很好的解决效果。例如在钻进定向井和多种复杂井时，充分发挥了新型技术的优势。因此，当井下发生事故时，也能很好的发挥作用，帮助解决井下的复杂问题。本文对石油钻井新型顶部驱动鉆井装置进行了综合性分析，对于常见的使用问题和引发故障的问题，提出改进建议和意见，促进石油钻井技术的不断发展。

0引言

随着经济的发展，人类对油气资源的需求日益增长，陆地石油储量日趋减少，而海洋油气资源的勘探量逐年增加，这使得海洋油气钻采技术得以不断发展。海洋钻井隔水管张紧系统作为当前（超）深水钻井作业的关键设备，连接钻井平台和隔水管系统，为隔水管提供足够的顶部张紧力，又为钻井液在平台和井口之间提供循环通道[1]。

目前，直接作用式钻井隔水管张紧系统的关键技术主要被NOV、Cameron、Aker、DTI、Control Flow等公司垄断，国内对于该产品的研制基本处于起步状态。分析直接作用式钻井隔水管张紧系统结构及功能特点[2]，对于我国发展（超）深水油气钻采技术具有十分重要的意义。

1直接作用式隔水管张紧系统技术概况

与滑轮钢丝绳式张紧器采用滑轮组和钢丝绳来增大张紧行程不同[3]，直接作用式隔水管张紧器的张紧行程就是液压缸活塞杆的行程，这样就省去了滑轮钢丝绳和其他部件，可以将液压缸安装到月池区里面或者将张紧器固定在滑移装置上，安装到钻井平台底部，使张紧器组能够滑移出月池区。

张紧器液压缸的一端连接到平台上，活塞一端和张力环连接;高压蓄能器与液缸底部相通，其下端液体通过刚性管连接通入液缸，上端气体通过管线与气缸相通，用于调节气体压力来改变液体压力，以便调整液缸活塞的进给速度，同时液压缸总成和高压蓄能器之间装有快速关闭阀，高压蓄能器上有安全阀，下部有放气阀，低压气瓶上装有安全阀等，能够为液缸提供必要的安全保证。

2直接作用式隔水管张紧器

直接作用式隔水管张紧系统工作原理相同，但在细节结构上相差较大。按照其结构形式可以分为共线型隔水管张紧器和非共线型隔水管张紧器两种。

2.1共线型隔水管张紧器

共线型张紧器的液压缸与张紧环成90°垂直放置，与隔水管是共线。张紧器共线对称，因此可以消除系统中因偏移和载荷不同引起的密封失效问题。此外，张紧器是径向排列的，并且可以固定到船的单个点上，因此能够作为单个单元方便地安装或者经由旋转台开口移除，或者在船底时断开或水平移动。

2.1.1带挠性接头的共线张紧器

该张紧器如图1所示，连接到钻台上，通过上下端挠性接头补偿钻井船的偏移。上端挠性接头可以提供大约15°的角度补偿。该系统减小了结构的尺寸、高度、顶端重量，减少了维护，同时能够增加可执行的张紧系统数量，提高张紧力。能够通过降低自身的重心来提高钻井设备的稳定性。

2.1.2带伸缩筒的共线张紧器

该装置见图2，是在底座上安装偶数个油缸，每个油缸的活塞杆上端与伸缩筒相连，伸缩筒的上端同心设置有补心，所有液缸的进油口液压管线与蓄能器相连，蓄能器与液压管线之间设置有控制系统。其中，伸缩筒补心的内圆表面与隔水套管以卡牙的方式连接;伸缩筒下端为圆筒状，伸缩筒的外圆表面与底座的内圆表面配合套接。

2.1.3 DTI滑动接头式张紧器

如图3所示，DTI公司的滑动接头新型设计将DTI直接作用式液缸连接在滑动接头上。滑动接头式张紧器排列消除了90%的流体摩擦力，证明在超载提升隔水管和井口头时可减少将近850K。其钻井作业中的特点是单元不使用时可以在岸上储存，减少环境造成的损坏;两次钻井项目期间张紧器可以在主甲板上保存。

2.2 非共线型隔水管张紧器

非共线型隔水管张紧器的液压缸与张紧环之间有一定角度，一般为15°左右，因而与隔水管之间是不共线的。非共线型隔水管张紧器通常在钻台下面安装张紧器固定架或者滑动导轨，方便对张紧器进行支撑和移动。

2.2.1模块化立管张紧器

模块化立管张紧器如图4所示，将单一的整装式蓄能器和液压缸集成到模块化张紧单元，无需外部蓄能器，形成一个隔水管张紧器。张紧装置上端通过球形杆和轴承、轴连接到张紧平台;下端通过销轴连接到隔水管上的张紧环。该装置通过蓄能器、液压缸张紧单元，大部分管道可以移除，使张紧器更安全，更容易安装;减小了结构的尺寸和重量;张紧单元可以通过与控制线连接或断开实现安装或拆除。

2.2.2活塞杆受拉张紧器

活塞杆受拉张紧器如图5所示，张紧系统在水下井口装置的隔水管系统上安装有张紧环，张紧器固定架通过液缸总成与张紧环连接;在浮式钻井平台的甲板上安装有蓄能器、高压气源、控制装置和控制支架总成，蓄能器通过反冲阀与液缸总成连通，高压气源与蓄能器相连;系统安装有反冲阀与控制装置连接。

2.2.3 Aker Solution直接作用式张紧器

Aker Solution公司隔水管張紧器如图6所示，与Shaffer或Cameron公司同等产品性能和质量相当，由于最大张紧能力及行程均很强大，可以用于深水或超深水钻井。张力性能最高可达500000lbs;较之传统的钢丝绳式张紧器不占用工作甲板的空间;其包含一套成熟应用的隔水管反冲控制系统;柱塞杆由表面焊有不锈钢的碳素钢制造而成;重量轻，且重心低。

2.2.4 DTI直接作用式隔水管张紧器

DTI改进的50ft冲程直接作用式系统如图7所示，可提供较高的平台工作效率;新集成的张紧器系统通过将流体限制在液缸内极大地降低了摩擦损失。相比于传统系统，效率提高了90%多。

3不同结构对比分析

按照张紧器主体结构形式，直接作用式隔水管张紧器有共线型和非共线型。共线型张紧器张紧液缸轴线平行，且沿隔水管径向对称分布。非共线型张紧器张紧液缸与隔水管轴线呈一定角度，一般为液压缸与隔水管柱轴线的夹角一般在3°以内[4][5]。根据液缸活塞杆受力方式，分为活塞杆受拉型和活塞杆受压型两种形式。其中，活塞杆受拉型张紧器在工作过程中，液缸无杆腔充满高压油液，活塞杆受压并为隔水管系统提供足够的张紧力;活塞杆受拉型张紧器在工作过程中，液缸有杆腔充满高压油液，活塞杆受拉为隔水管系统提供张紧力。

自升式平台钻井作业水深较浅，隔水管系统总重小，波浪、海流等环境载荷小，平台固定无升沉运动和横向偏移，故张紧器采用活塞杆受压型的液缸，增大液压油作用面积，降低对液压站的要求，同时，为提高张紧力的利用率，张紧器液缸共线布置即可满足自升式平台钻井作业需求，且结构简单，易于设计、制造和维护，费用较低。浮式平台/钻井船多位于（超）深水作业，作业环境较为恶劣，平台具有较大的升沉运动和横向偏移，隔水管系统总湿重较大，故选用活塞杆受拉型的张紧器，可提供较大的纵向张紧力，且大型液缸能够补偿由于平台运动和隔水管变形产生的较大位移。

经分析可知，为简化结构，降低成本，自升式平台上基本采用共线型、活塞杆受压型张紧器;考虑细长杆的受压稳定性问题，浮式平台/钻井船应采用活塞杆受拉型张紧器，受作业载荷影响选用共线或非共线型的张紧器结构。

4直接作用式隔水管张紧系统发展展望

近年来，我国海洋油气的勘探和开发逐步从浅水到（超）深水，基本与国际先进水平持平。但是，配套的海洋油气装备无法满足日益增长的钻采需求，大多数产品需要依赖进口。隔水管张紧系统作为自升式、半潜式和钻井船等钻井平台的必要配置，随着钻井水深的增加，对其张紧能力、反冲控制技术、密封技术、结构形式、移运和安装技术、维修和技术经济评价等都提出了更高的要求。

目前，国内有宝鸡石油机械有限责任公司、中国石油大学、哈尔滨工程大学以及上海708研究所等单位对隔水管张紧系统展开相关研究，多是对于钢丝绳式隔水管张紧系统的设计和结构的研究，尚未有产品投入使用。同时，钢丝绳式隔水管张紧系统能够在一定程度上扩大液缸张力和行程，弥补国内大型液缸制造技术的缺陷[6]。钢丝绳式隔水管张紧系统的最大张力受钢丝绳性能参数影响，限制了系统的最大张力，不适用于超深水领域，且该结构占用平台空间较大，维修和更换钢丝绳较为麻烦，耗时较长，增大了使用成本。

5结语

直接作用式隔水管张紧系统结构简单，适用水深广，占用平台空间小，可用于各类钻井或生产类平台，实现直接作用式隔水管张紧系统的国产化对于我国争取海洋油气领域的主动权具有非常重要的现实意义。当前，我国可从自升式平台的直接作用式隔水管张紧系统入手，从深水的反冲控制技术、液缸制造技术、密封技术、结构形式和技术经济平台开始，初步掌握设计方法和制造技术;后期通过计算研究，实验验证逐步完善系统。

目前，国内有些企业将钢丝绳式张紧器作为研发的跳板，避开国内大型液缸制造技术的短板。但是，由于直接作用式张紧器的使用优点，笔者认为，直接作用式隔水管张紧系统的广泛应用性决定了其研发的必要性，不断提高其设计和制造水平，可为超深水直接作用式隔水管张紧系统的研发提供一定参考。

参考文献

[1]畅元江.深水钻井隔水管设计方法及其应用研究[D].东营：中国石油大学，2008.

[2]赵建亭，薛颖，潘云，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.

[3]梁宏友.浮式钻井采油平台隔水管张紧器的设计与分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

[4]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].石油天然气工业，2014，42（11）：124-128.

[5]南树歧，肖锐，叶大建，等.隔水套管张紧系统配置方案分析[J].石油机械，2014，40（9）：54-56.

[6]任钢峰，王定亚，邓平，等.海洋钻井隔水管张紧器技术分析[J].石油机械，2013，41（10）：43-45.

收稿日期：2021-03-06

基金项目：甘肃省科技项目重大专项计划“自升式平台12000m钻井装备的研发”（1602GKDA014）

作者简介：雒晓康（1989—），女，山东德州人，硕士，工程师，从事海洋石油装备研发设计工作。

Structure and Working Analysis for Direct Active Riser Tensioner

LUO Xiaokang，FU 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