[发明专利]应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统

说明书

本发明提供一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统，包括张紧器顶部框架、张紧器下框架、设置在张紧器顶部框架与张紧器下框架间的立管、均匀设置在立管周围的大行程磁流变阻尼器，张紧器顶部框架上设置有张紧环，张紧器下框架的中间通孔内设置有托辊架，托辊架内设置有辊承支臂，辊承支臂的端部设置有与立管接触的托辊，每个大行程磁流变阻尼器包括与托辊架铰接的缸体、设置在缸体内的活塞、与活塞连接的活塞杆，活塞杆的上端与张紧环的下端连接，活塞上设置有励磁线圈，所述缸体内还设置有磁流变液，张紧器下框架设置在平台下甲板上。本发明有助于降低海洋油气勘探作业风险，尤其是在深水中，降低作业风险是非常重要的。

技术领域

本发明涉及一种应用大行程磁流变阻尼器的顶部立管张紧器及其控制系统，一种用于从海床井口或海底结构延伸到海上平台或船舶(如移动式海洋钻井装置、Spar平台，张力腿(TLP)平台，半潜式平台或其它干式平台)的张紧垂直深水立管的应用磁流变阻尼器的新型顶部立管张紧器。

背景技术

在用海洋平台开采海底油气储层时，通常从一个或多个海底井口或海底结构到平台连接有钻井和生产立管。应用深水作业的浮式平台，包括SPAR平台、张力腿(TLP)平台、半潜式平台和其他移动作业船，作业时都会受到风浪流的海洋环境载荷作用产生运动。

张紧器通常安装在平台上用以支撑立管顶部，并能随着平台控制立管的运动。此外，立管张力必须为正，这样才能保证立管在自身重量和平台运动和环境载荷的动态响应作用下不会产生弯曲。因此，张紧器必须在一定的范围内对立管施加持续性的张力以补偿立管和平台之间的相对运动。这种在顶部通过张紧器施加张力的垂直立管称为顶部张紧立管(TTR)。这种立管基本上是垂直从水面浮式平台甲板连接到平台下面海床上的井口设备上的，立管靠张紧系统(即张紧器)支撑。张紧器通过与立管顶部部件连接的导管接箍(或张紧环)给立管施加向上的张紧力。

用于浮动平台中的垂直顶部张紧立管的张紧器系统通常包括安装到平台甲板上的液压气动张紧器组件及立管支撑导管管箍(或张紧环)，通过支撑导管管箍(或张紧环)将张力从张紧器组件传送到立管。液压气动张紧器通常包括连接在平台和立管之间的主动液压缸和气动蓄能器以补偿平台的俯仰，升沉和偏航运动。平台在环境条件作用下会产生升沉和偏移运动，导致平台吃水变化和立管相对于平台长度的变化，从而使张紧液压缸产生往复运动。在液缸和蓄能器中介质的压缩和膨胀的弹簧效应下，立管的升沉运动能够部分抵消立管的小升沉运动，从而使立管保持恒定的张力。然而，当平台产生明显的偏移时，气缸中的介质的压缩会导致气缸压力增加从而使立管张力增加。增加的立管张力是由立管的升沉运动、立管的刚度和张紧系统合成的非线性函数。另一方面，当平台在竖直方向下沉时，液缸工作介质膨胀且压力减小。张紧器可能因立管顶端下部明显的向上的冲程变化或平台的突然下降而导致张力损失，从而使立管出现弯曲。

主要有两种类型的液压气动张紧器系统：“压缩式”-受压式液压张紧系统、“拉伸式”-受拉式液压张紧系统。两种系统都采用活塞式液缸，活塞杆通过张紧环装置与立管连接。受压式液缸的安装方式是活塞杆朝上，压力作用到液缸的活塞侧从而提供立管所需的张紧力。活塞杆处于压缩状态且提供立管所需的张力，有效地向上推动立管。相反，受拉式液缸的安装方式是活塞杆朝下。压力作用在液缸的活塞杆一侧，从而向上拉动立管产生立管张力。受压式张紧器近年来采用较多，且已经用于深水TTR立管(顶部张紧立管)和钻井立管中。

随着我国向深海进军，海上资源开采作业将会遇到深水高温高压作业的危险，也将给立管系统带来极大挑战，包括：

(1)超深水达到1万米以上时，对立管的压溃承载能力提出了新的要求，极大地增加了立管重量和顶部张力支撑要求；

(2)油藏压力超过20,000psi，迫使立管的材质和管厚推到了极限，也更进一步增加立管重量和张力支撑要求；

(3)超深海环境非线性载荷和平台运动增大，对立管特别是顶部造成极限动力载荷。