超深水半潜式钻井平台DAT的应用.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 2023.8 今日制造与升级 107半潜式钻井平台为了建立从井口到钻台的泥浆通道，需要下入隔水管，以将高压井口头和钻台转喷系统连接起来，形成一条稳定的通道。但由于受到海浪、潮汐、风等因素影响，平台时刻处于上下升沉运动，这十分不利于隔水管的稳定连接，极易对隔水管造成毁灭性的破坏。所以需要在隔水管和钻台之间设计一种补偿装置，以补偿平台的升沉运动1。1 DAT的特点及组成DAT（隔水管张力器）是一种补偿装置，用于补偿平台的升沉运动，同时给隔水管管串提供恒定的张力，以达到保护隔水管的目的。奋进号平台的 DAT 生产产家为MHWirth，其提供的 DAT 最小张力9982kN，液缸完全回收时张力13375kN，最大张力16861kN。1.1 DAT的组成DAT 主要由液缸、Shut-off 阀组、油气储能瓶、控制阀撬、气瓶、备用气瓶、低压氮气罐、支撑环、滑移装置、本地控制面板、HPU 和 DCMS 等组成，如图1所示。低压空气压缩机低压空气罐空气压缩机高压压缩机氮气低压罐液缸氮气罐Shut-off阀组油气储能瓶张力器液缸备用APV动力APV支撑环滑移装置液压管图1 奋进号DAT结构（1）DAT 液缸主要给隔水管串提供恒定的张力，防止隔水管串受到海流的冲击而损坏。液缸通过机械方式连接在隔水管和钻井平台之间，通过高压软管和 Shut-off 阀将液缸和油气储连接，低压端连接低压氮气。（2）Shut-off 阀组是防回弹系统（RiserAntiRecoilSystem，RARS）的重要组成部分，每个液缸是通过 Shut-off 阀连接到油气储上，假如 Shut-off 阀关闭，DAT 系统将会被液压锁住而失去补偿功能。（3）油气储能瓶主要用于储存控制油和 APV（压缩空气瓶）过来的压缩空气，是 DAT 液缸中的油和 APV（压缩空气瓶）中的气交界的容器。（4）控制阀撬主要用于控制6个液缸的压力，位于油气储和 APV 之间，每一液缸都由1个主阀和4个小阀控制。它们都可以由 PLC 或者 DCMS 远程控制，主阀上有一个位置传感器，将主阀的开关状态反馈给 PLC。（5）APV 主要给油气储提供带有一定压力和容积的高压气体。（6）备用气瓶主要给 DAT 系统充压。（7）低压氮气罐主要给液缸的活塞端提供氮气，防止液缸内部生锈腐蚀以及防止活塞运动时候抽真空。（8）滑移装置主要用于移动张力器液缸和支撑环，使液缸根据不同工况在井口中心移动。（9）本地控制面板主要用于在本地控制张力器，远程控制系统在司钻房的操作面板上。（10）HPU 主要用于给油气储加油及给 Shut-off 阀撬的 HPU 油箱加油。1.2 DAT的工作原理DAT 安装在钻台下的月池区域，通过6个液缸提住支撑环。而隔水管串通过伸缩节坐在支撑环上，实际是由6个液缸提着整个隔水管串的重量。DAT 工作时，APV 中的压缩空气会进入到油气储中，使得油气储上部为空气，摘要超深水钻井平台奋进号，配备了国内先进的隔水管张力器（DAT），该张力器具有安全可靠，可操作性强，维护保养简便的特点。文章以奋进号平台的张力器为例，介绍了张力器的结构、原理和应用情况，特别对张力器的防回弹系统做了详细的介绍，并通过现场测试，得出了防回弹系统的工作曲线，对其他张力器的应用具有借鉴意义。关键词奋进号；张力器；RARS中图分类号TE951 文献标志码A超深水半潜式钻井平台DAT的应用代小强（中海油田服务股份有限公司钻井事业部，广东湛江524057）运行与维护 Running and Maintenance 108 今日制造与升级 2023.8下部为控制油，高压空气将油气储中的油挤压进入液缸下部，产生的压力托住液缸杆，从而给隔水管串提供一个向上的近乎恒定的张力。该张力紧紧拉住隔水管串、下部隔水管总成和隔水管中泥浆等。当平台随着海浪向下运动时，液缸中的压力就会稍稍减小，活塞杆就会回缩，从而补偿平台下行的距离。当平台随着海浪向上运动时，液缸杆就会随着伸出，液缸中的压力就会稍微增大，从而补偿平台上行产生的距离，保持一个恒定张力施加给隔水管。因此当平台做上下运动时，张力器液缸活塞杆做相应伸缩运动，DAT 产生向上的拉力与隔水管等下部的重量始终保持平衡，从而保证了隔水管相对于海底位置的固定2。2 DAT防回弹系统RARS 主要用于当隔水管突然断裂或脱开时，通过控制隔水管的顶张力和张力器的液缸回弹速度，保护设备不被损毁。该功能主要通过精确控制安装在液缸和油气储之间的 Shut-off 阀的流量来实现。RARS 通过控制油气储油液的流出量，减缓液缸的回弹速度，从而使得隔水管的回弹速度减小。但是不会减小 APV 中的气压，所以隔水管串及 BOP 的载荷还是由液缸提供，不会发生变化。当隔水管向上运动后，DAT 系统先牢牢锁住隔水管串的载荷，然后缓慢控制隔水管串向上运动。当张力器液缸完全回收后，Shut-off 阀将关闭到约83%的位置，几乎锁住了张力器液缸，但此时仍然可以悬挂隔水管。防回弹系统的主要部件是一个液缸位置测量系统和一个带有 PLC 程序的液压阀块。每一根液缸都由 PLC 持续不断地监控位置和运行速度，不会发生监测信号丢失的情况。根据监测的数据，PLC程序里设定有相应产生3种情况，即单根液缸失效、隔水管断开或失效、隔水管计划性断开。其中，隔水管计划性断开这种情况需要 BOP 控制系统发送指令才能执行。2.1 RARS的组成RARS 主要由 Shut-off 阀块和 PLC 组成，Shut-off 阀块主要由主阀、液缸、比例阀、电磁阀、位置传感器、单流阀、泄压阀等组成。其原理是通过比例阀来精确控制主阀的开度，达到精确控制液缸和油气储之间流量的目的。2.2 Shut-off阀功能测试可以对 Shut-off 进行一个小的测试来检验 Shut-off 阀的功能和信号连接情况，这种测试不会影响张力器的使用。测试按钮位于本地控制面板。2.3 RARS测试在实际作业中 RARS 将会面临3种不同的工况：单根液缸失效；隔水管脱开或失效；计划脱开或应急解脱。2.3.1 单根液缸失效系统结合单根液缸相对于其他液缸的位置和速度两个变量来判断该液缸是否失效，或者卸扣、支撑环等是否损坏。判断依据：该液缸的位置和其他5个液缸的平均位置相比，偏离了1m，同时该液缸的回缩速度超过了速度曲线的速度。当该事件发生的时候，对应液缸的 Shut-off 阀将关闭至83%的关闭位置，然后液缸将会非常迅速地回缩，但是这种回弹不会产生足够大的冲击力而损坏设备。当液缸回缩完成后，Shut-off 阀将会进入非激活模式，并且仍然保持83%的关闭度。在这种关闭情况下，单流阀的通过能力将会减小到原来的1%。2.3.2 隔水管脱开或失效在这种情况下，系统假设 LMRP（下部隔水管总成）已从 BOPSTACK（防喷器组）上脱开，或者 BOP 从井口头脱开，或者隔水管串从中间某个位置断开。系统通过液缸平均返回速度超过速度曲线、液缸液压突然且同时下降，来判断隔水管是否脱开或失效。RARS 动作流程如下。（1）Shut-off 阀将会根据液缸的位置重新规划开度，并随着液缸回缩逐渐关闭主阀。（2）每一个 Shut-off 阀可能会稍微调节开度以确保每一个液缸的压力几乎相同。这将保证液缸的位置时基本相同的。（3）当液缸将要完全回收到位的时候，液缸的最大速度为0.25m/s。（4）Shut-off 阀将会保持在83%的关闭位置，直到操作人员复位防回弹功能。2.3.3 计划脱开或应急解脱此种模式和隔水管脱开或失效模式类似，唯一的区别就是该模式是接受到防喷器控制系统发出的指令开始激活的，该指令为 LMRP 和 BOPSTACK，将于10s 内脱开。RARS 动作流程如下。（1）一旦接受到来自于防喷器控制系统发出的指令，Shut-off 阀立即根据此刻的冲程重新规划阀的开度。在LMRP 开始解脱的几秒内，Shut-off 阀将会根据平台的运动控制液缸伸出或回收。（2）当液缸开始回收时，Shut-off 阀将会根据重新规划的开度控制液缸的位置，并缓慢回收液缸。（3）每一个 Shut-off 阀也许会慢慢调整开度以确保每一个液缸内的压力近乎相同，这会确保每一个液缸的位置运行与维护 Running and Maintenance 2023.8 今日制造与升级 109几乎相同。（4）当液缸将要完全回收到位时，液缸的最大速度为0.25m/s。（5）Shut-off 阀将会保持在83%的关闭位置，直到操作人员复位防回弹功能。这种情况下，只要液缸仍然支撑隔水管的重量，就不能将油气储中的压力泄掉，因为系统为了保护液压安全，将会自动打开 Shut-off 阀，此时液缸就会伸出。假如已经接受到 LMRP 脱开的指令，Shut-off 阀处于激活状态，但是实际没有解脱，那么张力器系统将会在60s 后自动转换到正常模式。2.4 系统测试根据奋进号平台作业的特性，对 RARS 进行了多次测试，得出了适用奋进号平台的 RARS 工作曲线。根据奋进号平台的特点和南海作业工况，设定基本参数见表1。表1 RARS设定参数参数名称数值液缸最大速度（m/s）2达到最大速度时液缸行程（m）2响应距离（m）0液缸冲程（m）15.24液缸完全回收时 Shut-off 阀开度（%）35液缸回收 2m 时 Shut-off 阀开度（%）70液缸响应开始时 Shut-off 阀开度（%）83Shut-off 阀动作时液缸行程（m）1液缸达到最大速度时行程（m）2将参数输入到 RARS 的程序内，启动 RARS，通过现场测定，得出了液缸回收速度曲线和 Shut-off 阀开度曲线。该曲线可以作为奋进号平台 RARS 调试参考，如果RARS 调试中发现曲线拟合度不高，就需要对 RARS 进行检查，找出问题所在。所以该曲线的取得有力保证了奋进号平台 RARS 的作业安全，同时也适用大部分作业平台和海域。3 DAT的应用当连接好 BOP、隔水管、伸缩节后，防喷器坐井口前，需要将伸缩节坐在支撑环上，并将顶驱上的载荷转移部分至 DAT 上。根据实测管串的重量和平台对井口时的重量分配比，计算出 DAT 需要负担的载荷，提前在 APV 中预充好压力，此时需要保持主阀关闭。根据理论计算，得出了液缸处于中冲程时，不同压力的液缸冲程和载荷曲线图，并能从图中可以找出不同载荷情况下需要预充多少压力，可以有效指导风险性比较高的对井口作业。但由于低压端1MPa（10bar）氮气的影响，实际呈现在 DCMS 上的载荷值会比计算值略小一点。当支撑环关闭时，DAT 液缸是弯曲的，为了减小对液缸 U 型头和活塞锁紧销的影响，此时液缸中的压力需要保持在浮点压力，也就是1.6 1.8MPa（16 18bar），这样的低压也可以防止活塞端冲击到液缸头。通过计算，得出在液缸完全回收状态下，关闭低压氮气和打开低压氮气两种情况下，对 DAT 液缸刚度的影响。关闭低压氮气对液缸刚度的影响会减小。所以在操作支撑环的时候，需要将低压氮气端关闭。关闭支撑环并锁紧，打开主阀，APV 中的压力将会传导到 DAT 液缸中，下放伸缩节坐到支撑环上，并转移载荷到 DAT 液缸上，液缸上的载荷将会和 APV 中预充压力的载荷一样。随着载荷逐渐转移到 DAT 上，液缸将会慢慢伸出，APV 中的压力将会逐渐增加，直到重量分配完毕。当对好井口后，慢慢将顶驱上的剩余重量全部转移至 DAT 上。根据作业时的天气状况和泥浆比重变化情况，需要对张力进行调整。4 结束语DAT 的正常运转关系到整个钻井作业及平台的安全，所以平时作业过程中需要对 DAT 的运行情况做好监测。DAT 系统精密且复杂，涉及到电、气、液的精密配合，尤其那些由电气元件控制的液压阀，需要保持油液的纯洁度，因此要定期对系统内液压油进行检测，更换不达标的液压油料。RARS 是整个 DAT 的安全保障，其正常运转保证了作业的顺利进行。设备维护人员需要测试出适合本平台的液缸回弹速度曲线和 Shut-off 阀开度曲线，在日常的维保中，检测 RARS 是否能够达到该曲线的要求，这有效保证了 RARS 的安全性。同时，也要根据 DAT 液缸位置和载荷曲线图来正确预充压力，保证对井口作业及DAT 正常运转的安全性。参考文献1 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）：43-45.2 娄敏，董文乙，王腾.浮式装置升沉及横荡运动下海洋立管动力响应研究J.中国海洋平台，2010，25（4）：14-18.作业简介代小强（1986），男，重庆人，本科，工程师，主要研究方向为深水钻探。