頂部張緊立管回接連接器及安裝技術(shù)

尹容衡，何 揚(yáng)，段夢(mèng)蘭，潘曉東，李婷婷，段青峰

（1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451） ①

頂部張緊立管回接連接器及安裝技術(shù)

尹容衡1，何 揚(yáng)2，段夢(mèng)蘭1，潘曉東2，李婷婷1，段青峰1

（1.中國(guó)石油大學(xué)海洋油氣研究中心，北京102249；2.海洋石油工程股份有限公司，天津300451） ①

頂部張緊立管（TTR）廣泛應(yīng)用于TLP平臺(tái)和SPAR平臺(tái)，回接連接器是其重要組成部分。介紹了頂部張緊立管的類型和特點(diǎn)及回接連接器的分類、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、安裝技術(shù)。液壓驅(qū)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)型回接連接器的優(yōu)點(diǎn)是體積小、承受彎矩和剪力大，適用于水深＞1 500m的各種浮式平臺(tái)，是今后的發(fā)展方向。

深水；頂部張緊立管；液壓回接連接器；安裝技術(shù)

海洋石油資源量約占全球石油資源總量的34%，探明率約為30%。在已探明儲(chǔ)量中，水深＜500m的淺海仍占主導(dǎo)地位。隨著石油勘探技術(shù)與裝備的發(fā)展，正逐步加大深海石油的勘探和開發(fā)力度［1］。TLP（張力腿）平臺(tái)和SPAR平臺(tái)具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、抗惡劣環(huán)境作用能力強(qiáng)、可移動(dòng)并且安全性良好等優(yōu)勢(shì)，已成為深海石油鉆探、生產(chǎn)、處理加工和儲(chǔ)存的2種重要平臺(tái)［2－3］。TLP平臺(tái)的應(yīng)用水深可達(dá)到1 829m（6 000ft）［4］，而SPAR平臺(tái)的最高應(yīng)用水深可達(dá)到3 000m［3］。由于TLP平臺(tái)和SPAR平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)很小，因此可以支撐頂部張緊立管（TTR）［5］。回接連接器位于頂部張緊立管最下端，實(shí)現(xiàn)頂部張緊立管和井口之間的連接。由于工作環(huán)境惡劣，要想得到一種強(qiáng)度足夠、技術(shù)可行的方案，設(shè)計(jì)、制造的難度很大，國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛起步。

1 頂部張緊立管

頂部張緊立管（TTR）是連接水下生產(chǎn)系統(tǒng)與動(dòng)力浮式生產(chǎn)設(shè)施的長(zhǎng)撓性圓柱筒，用于干式采油樹生產(chǎn)設(shè)施，例如TLP平臺(tái)和SPAR平臺(tái)［6］。與其他類型的立管相比，頂部張緊立管在頂部有張力的作用，通過張力支撐立管重力，防止底部壓縮，限制VIV損壞和鄰近立管間的碰撞。TTR可進(jìn)行完井操作，不需使用單獨(dú)的鉆井平臺(tái)，可完成生產(chǎn)、回注、鉆井和外輸?shù)裙δ堋?/p>

1.1 分類

頂部張緊立管通常用作鉆井立管和生產(chǎn)立管。如圖1所示為多種類型的頂部張緊立管。傳統(tǒng)的勘探鉆井立管使用帶有水下BOP的低壓立管，例如Auger TLP。具有鉆井能力的大部分浮式生產(chǎn)平臺(tái)現(xiàn)在都使用水面BOP的頂部張緊立管，例如Hutton TLP。最近，在相對(duì)溫和的環(huán)境中已經(jīng)使用分離式BOP進(jìn)行勘探鉆井作業(yè)。

圖1 頂部張緊立管的類型

1.2 結(jié)構(gòu)組成

用于SPAR平臺(tái)和TLP平臺(tái)的TTR立管結(jié)構(gòu)基本相同，主要區(qū)別在于頂部支撐和張緊立管的方式。本文以TLP為例介紹TTR立管的典型結(jié)構(gòu)。TLP平臺(tái)通過系索（或鋼管）將平臺(tái)本體與海底的錨基（或樁基）連結(jié)起來，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能較好，幾乎沒有升沉和縱搖運(yùn)動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)平穩(wěn)。因此，可以使用干式采油樹，集鉆井、完井、修井等作業(yè)于一體，能夠同時(shí)使用頂部張緊立管和鋼懸鏈線立管（SCR）。TLP平臺(tái)使用的頂部張緊立管的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示［7］。

由圖2可以看出：頂部張緊立管一般由張緊器系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)單根、標(biāo)準(zhǔn)單根連接接頭、龍骨接頭、回接連接器和錐形應(yīng)力單根等組成。其中，回接連接器和錐形應(yīng)力單根用來連接生產(chǎn)立管和已完井的水下井口?；亟舆B接器和錐形應(yīng)力接頭可作為1個(gè)整體構(gòu)件制造。

圖2 TLP平臺(tái)頂部張緊立管的主要結(jié)構(gòu)

2 回接連接器

位于TTR立管最下端的回接連接器能實(shí)現(xiàn)TTR立管和井口之間的連接，要保證頂部張緊立管和井口之間緊密連接而無泄漏，且回接連接器安裝和拆卸可靠、方便。

1） 實(shí)現(xiàn)頂部張緊立管和井口之間的連接，保證流體流動(dòng)的完整性。

2） 能夠方便實(shí)現(xiàn)連接和松開。

3） 能夠承受極限拉力、彎矩和剪力。

2.1 類型及特點(diǎn)

回接連接器按連接部位可以分為內(nèi)部回接連接器和外部回接連接器。內(nèi)部回接連接器是靠井口內(nèi)部的溝槽進(jìn)行連接，而外部回接連接器是靠井口的外溝槽進(jìn)行連接。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可以分為常規(guī)連接器和細(xì)長(zhǎng)型連接器。

圖3為內(nèi)部回接連接器結(jié)構(gòu)，圖4為內(nèi)部回接連接器實(shí)物，其主要特點(diǎn)為：

1） 連接器外徑825.5mm（32.5英寸），適用于SPAR平臺(tái)。

2） 單根立管連接使用普通的金屬密封，雙立管使用VX型井口密封。

3） 彎矩承受能力強(qiáng)。

圖3 內(nèi)部回接連接器結(jié)構(gòu)

圖4 內(nèi)部回接連接器實(shí)物

圖5為外部回接連接器結(jié)構(gòu)，圖6為外部回接連接器實(shí)物，其具有與內(nèi)部回接連接器相似的特點(diǎn)，但外部回接連接器外徑為1 191.26mm（46.9英寸），適用于TLP平臺(tái)。同時(shí)，外部回接連接器能夠比內(nèi)部回接連接器承受更大的彎矩、極限拉力和剪力。

圖5 外部回接連接器結(jié)構(gòu)

圖6 外部回接連接器實(shí)物

圖7為細(xì)長(zhǎng)型回接連接器。細(xì)長(zhǎng)型回接連接器最大外徑為825.5mm（32.5英寸），可以用于外徑為476.3mm（18英寸）的井口，特別適合用于SPAR平臺(tái)。該結(jié)構(gòu)使其能夠用于TLP和SPAR平臺(tái)，并且和外部回接連接器一樣，能夠承受很大的彎矩、極限拉力和剪力。

圖7 細(xì)長(zhǎng)型回接連接器

此外，還有一些新型回接連接器。圖8為DX系列井口連接器，這種連接器有很多優(yōu)點(diǎn)：

1） 承載能力大。

2） 操作安全、可靠、方便。

3） 鎖緊機(jī)構(gòu)獨(dú)特，載荷分布均勻。

4） 可以簡(jiǎn)單、可靠地進(jìn)行密封圈的更換。

缺點(diǎn)是外徑太大，難以用于SPAR平臺(tái)的某些連接。

圖8 DX井口連接器

2.2 工作原理

細(xì)長(zhǎng)型外部回接連接器的結(jié)構(gòu)形式如圖9所示。連接器的驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)，且有1套備用的機(jī)械解鎖系統(tǒng)［8－9］。該連接器的結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，直徑較小。

圖9 細(xì)長(zhǎng)型外部回接連接器結(jié)構(gòu)

該連接器有1種鎖緊方式和2種解鎖方式：液壓鎖緊，液壓解鎖和機(jī)械解鎖。如圖9所示，在連接器的液壓鎖緊過程中，液壓油通過右邊液壓管進(jìn)入由本體和外殼構(gòu)成的上部鎖緊液壓腔，推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，使鎖緊環(huán)向內(nèi)收縮，卡在井口上。液壓解鎖過程與液壓鎖緊過程相反。解鎖液壓油由左邊液壓管進(jìn)入由本體和外殼構(gòu)成的下部解鎖液壓腔，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，使鎖緊環(huán)向外彈開。

當(dāng)液壓解鎖失效時(shí)，可以利用ROV操作專門的工具，向上提升解鎖環(huán)，帶動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到解鎖的效果。

2.3 發(fā)展趨勢(shì)

回接連接器既可以用于鉆井TTR，也可以用于生產(chǎn)TTR。如果是單層立管，既可以使用內(nèi)部連接器，也可以使用外部連接器；如果是雙層立管，內(nèi)層立管一般使用內(nèi)部連接器，外層立管使用外部連接器，原因主要是由于尺寸的限制。針對(duì)連接器本身，液壓驅(qū)動(dòng)方式比機(jī)械驅(qū)動(dòng)更具有優(yōu)勢(shì)，連接器與井口的密封要有預(yù)壓，最好要有備用的解鎖方式。

傳統(tǒng)的連接器在TTR上的應(yīng)用有局限性，尤其是SPAR平臺(tái)上的TTR。可靠實(shí)用的回接連接器需要依靠合理的結(jié)構(gòu)和優(yōu)質(zhì)的材料，細(xì)長(zhǎng)型回接連接器是在外部連接器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的，同時(shí)具有外部連接器的高彎矩承受能力和內(nèi)部連接器的外徑尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，是今后的發(fā)展方向［10］。

3 回接連接器的安裝技術(shù)

TTR回接連接器的安裝是一個(gè)復(fù)雜的過程，內(nèi)部連接器和外部連接器的安裝過程有所不同，通常包括清洗、測(cè)量、運(yùn)輸、起吊、下放等多個(gè)步驟。本文以內(nèi)部連接器為例，介紹其安裝過程。

3.1 清洗和測(cè)量工具下放

在進(jìn)行回接連接器的安裝之前，首先要保證井口與連接器的接口清潔。這是因?yàn)檫B接器和井口之間有多處密封，雜物會(huì)影響密封性能。清洗工作主要是對(duì)水下井口的清洗，拉開回接帽后，開始清洗井口。2條油漆紋用以指示2種不同的清洗操作情況，如圖10～11。

井口的清洗內(nèi)容包括3部分：

1） 井口內(nèi)部和套管懸掛器。

2） 套管懸掛器密封面。

3） 位于井口的VX型墊圈密封位置，即回接鎖緊槽。

第1條油漆紋指示需要清洗的總深度，圖11a顯示沖刷工具下放至清洗井口內(nèi)部和套管懸掛器的位置；第2條油漆紋指示套管懸掛器密封面的清洗位置，圖11b顯示沖刷工具下放至該清洗位置；圖11c顯示沖刷工具下放至位于井口的上部緩沖器位置，以方便清洗井口的VX型墊圈密封位置。

圖10 沖刷工具位于井口上部

圖11 沖刷工具下放位置

井口清洗完畢后，必須下放測(cè)量工具，合理布置ROV操作設(shè)備。對(duì)套管懸掛器和密封裝置的海拔高度進(jìn)行測(cè)量。如圖12所示，其中1為測(cè)量刻度的放大圖，2為測(cè)量工具固定結(jié)構(gòu)的放大圖。

圖12 懸掛器和密封裝置的測(cè)量工具

3.2 運(yùn)輸

以上工作結(jié)束后，開始進(jìn)行立管和回接連接器的安裝。這個(gè)過程包括回接連接器的運(yùn)輸、吊起、豎立和安裝過程。

運(yùn)輸回接連接器時(shí)需要倍加小心，使用專門的船運(yùn)框架運(yùn)輸回接連接器，如圖13。操作過程中要保證起吊設(shè)備不損壞應(yīng)力單根。

圖13 回接連接器的運(yùn)輸

3.3 吊起和豎立

吊起是指回接連接器和應(yīng)力單根由平臺(tái)上的吊機(jī)吊起，從運(yùn)輸船轉(zhuǎn)移到平臺(tái)的過程。吊點(diǎn)的選擇要合理，避免對(duì)應(yīng)力單根和連接器造成損壞，如圖14。

圖14 回接連接器和應(yīng)力單根的吊起

回接連接器和應(yīng)力單根原本是水平放置，要想進(jìn)行下放安裝，首先要豎起來。豎立的過程需要滑移小車的輔助，如圖15。豎立過程包括：

1） 連接器斜放在滑移小車上，使用吊機(jī)提起。

2） 滑移小車滑動(dòng)，逐漸提起應(yīng)力單根，滑移小車后撤。

3） 懸掛在空井槽上。

圖15 回接連接器的豎立過程

由于回接連接器和應(yīng)力單根整體很長(zhǎng)，很容易受到損壞，因此該過程需格外小心。

3.4 下放和安裝

回接連接器和應(yīng)力單根豎起后，還需要做一些準(zhǔn)備工作才能進(jìn)行回接連接器的安裝。準(zhǔn)備工作主要是針對(duì)連接器進(jìn)行的，包括：

1） 清洗VX型密封圈和回接連接器下部。

2） 對(duì)連接器止推環(huán)做最后調(diào)整。

3） 調(diào)整內(nèi)部鎖緊環(huán)。

4） 為密封面涂抹潤(rùn)滑脂。

5） 裝金屬對(duì)金屬密封環(huán)。

準(zhǔn)備工作完成后，下放立管和連接器。當(dāng)連接器準(zhǔn)確對(duì)接到井口后，使用ROV為其通入液壓液，鎖緊，安裝完成，如圖16。

圖16 回接連接器安裝完成

4 結(jié)論

1） 介紹了適應(yīng)于TLP平臺(tái)和SPAR平臺(tái)的幾種典型回接連接器結(jié)構(gòu)及其適用范圍。

2） 液壓驅(qū)動(dòng)的細(xì)長(zhǎng)型外部回接連接器具有尺寸小、承受彎矩和剪力的能力強(qiáng)以及安裝方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

3） 回接連接器安裝過程復(fù)雜，需仔細(xì)認(rèn)真，以免對(duì)其造成損傷。

4） 在以后的工作中，需要對(duì)回接連接器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，內(nèi)部鎖緊環(huán)的設(shè)計(jì)是保障回接連接器正常工作的關(guān)鍵部件。

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Tie Back Connector of Top Tension Riser and Its Installation Technology

YIN Rong－h(huán)eng1，HE Yang2，DUAN Meng－lan1，PAN Xiao－dong2，LI Ting－ting1，DUAN Qing－feng1
（1.Offshore Oil and Gas Research Center，China University of Petroleum，Beijing102249，China；2.Offshore Oil Engineering Company，Tianjin300451，China）

Top tensioned riser is broadly used on the TLP and SPAR platform，and tie back connector is the critical part of top tensioned riser.The types of top tensioned riser and its characteristics are introduced in this paper.It has focused on the connector’s classification，structural features，principle of operation and installation technology.The external hydraulic connector of slimline has its advantages，like small size，tolerating high bending moment and shear force，and it will fit all kinds of floating platform under 1 500mdeepwater environment，which will lead the developmental direction.

deep water；top tensioned riser；hydraulic tie back connector；installation technology

1001－3482（2012）08－0001－07

TE952

A

2012－02－19

國(guó)家科技重大專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助“深水水下應(yīng)急維修裝備與技術(shù)”（2011ZX05027－005）；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助（2011CB013702）

尹容衡（1986－），男，湖南邵東人，碩士研究生，主要從事海洋立管和水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究，E－mail：yinrongheng223＠sina.com。