浮式钻井水面钻柱升沉 运动补偿器与张紧器系统

钻柱升沉运动补偿器（Mot ion Compensation，简称MC）的主要用途 解决浮动式钻井中因半潜式平台（或浮 船）在波浪和潮汐作用下产生的上下升 沉运动、造成钻头也上下升沉运动使之 不能进行正常钻进这一特殊困难。确 保使用各类型钻具（含钻头）在平台 （船）浮动条件下进行正常钻井作业。

MC不但可以补偿浮动式钻井中钻 柱的升沉运动，还可以保持和调节钻 压，延长钻头寿命，提高钻速，避免或 减少孔内事故；与TDS组合，实现长距 离自动送钻钻井并可精确调节卡钻时安 全提升钻具的负荷，更显示其提高钻井效率、安全处理孔内卡钻事故的能力。 起吊、送入和回收钻具、水下钻 井设备和专用工具等；浮动条件下进行 取芯钻井、测井等作业；打捞井内落入 物；井内有钻杆时应急关闭BOP；当立 管张紧器损坏后，可用它作为应急代 用；起吊、送入安装和回收完井井内管 串、电潜泵和水下采油树。

张紧器的主要用途 张紧器主要用 于张紧水下钻井设备的各类入水绳缆， 如永久导向绳、水下电视导向绳、入水 管缆等，以免入水绳缆相互缠绕或与水 下设备缠绕，造成不能下入或取出有关 水下设备和工具，从而造成工作中断的 故障。

钻柱升沉运动补偿器与张紧器的 分类 钻柱升沉运动补偿器与张紧器的 工作原理基本相同，按动作原理主要分 为被动型与主动型两大类。

被动型补偿器与张紧器：即在船 受海浪或潮汐作用上升时，靠船的举升 力将蓄能器的气体再度压缩以储存能 量；当海浪或潮汐作用使船下沉时，蓄 能器内压缩的气体膨胀而释放能量，以 补偿或张紧钻柱或绳缆。即补偿器与张 紧器的能量来源于船的升沉，故其几乎 不消耗动力，经济、简单、可靠，是目 前用得最多的一种。

主动型补偿器与张紧器：早期采 用静液传动方法，即在船受海浪或潮 汐作用上升时，用泵将工作液缸的液 体抽出（或使液马达倒转）；当海浪 或潮汐作用使船下沉时，用泵使工作 液缸充油（或使液马达正转），以达 到补偿或张紧钻柱或绳缆。即补偿器 与张紧器的能量是靠动力机驱动液马 达来实现。近期对钻柱升沉运动补偿 采用数控变频驱动与控制钻机绞车的 方法，即通过电脑按预调钻压（即绞 车提吊荷重）实施恒压自动送钻并补 偿平台（船）的升沉运动的新工艺装 备，实现主动型升沉运动补偿。

除上述数控变频驱动与控制钻机 绞车的主动型升沉运动补偿外，按补 偿器、张紧器的结构还可分为液缸活 塞（或柱塞）式和液压泵—液马达式 两种；在液缸活塞（或柱塞）式中， 还可分为压杆式（即活塞杆受压）和 拉伸式（活塞杆工作时始终处于受拉 伸状态）。

钻柱升沉运动补偿器按安装位置

不同分为天车型、游车型与绞车型三 种；在常用的游车—被动型中又可分为 单缸式、双缸式和多缸式；按其工作介 质不同还可分为气体介质和气液介质两 种，等等。

补偿器在绞车型中，还可分为液 马达驱动补偿型（主动型）、死绳上装 设升沉补偿装置（被动型）及近期出现 的数控变频驱动与控制钻机绞车的主动 补偿型（实现恒压自动送钻与补偿升沉 运动）三种。这三种形式中，死绳上装 设升沉补偿装置曾在钻井船上使用过， 该装置是通过调节游动系统上钢丝绳的 有效长度来补偿在波浪作用下游动滑车 与大钩随船体升沉的位移，从而实现保 持和调节井底钻压的目的；这种方式的 升沉运动补偿装置不占井架上的空间， 维修和保养均在下面，所以使用比较方 便；但是它要装设一套可感应游动系统 钢丝绳上拉力变化的系统，另外，钢丝 绳寿命也会降低，因此罕见推广使用。 由于数控变频驱动与控制钻机绞车实现 恒压自动送钻与补偿升沉运动的方法可 采用传统的钻井绞车操作工艺、不增添 额外的装备、可实现长距离自动送钻； 但它也有钢丝绳寿命会降低、长的钢丝 绳会降低升沉运动的反应灵敏度等缺 点。数控变频驱动与控制钻机绞车的主 动补偿型与现有游车型和天车型钻柱运 动补偿器各有其优缺点，而数控变频驱 动与控制钻机绞车的主动补偿型优点更 为明显。

国外钻柱升沉运动补偿 器的生产厂商及其技术

NOV集团瓦科-谢弗尔（Varco- Shaffer）公司生产的钻柱升沉运动补 偿器 美国NOV集团瓦科-谢弗尔公司 （以下简称Shaffer）生产的钻柱升沉运 动补偿器，多数是装于游车上的。 Shaffer公司生产的游车型钻柱升沉 运动补偿器用于常规水深、深水和超 深水的产品分别为400k、600k、800k 与1000k型，其额定补偿能力分别为 1,780kN（400 kps）、2,670kN （600 kps）、3,560kN （800 kps）和4,450kN （1000 kps）。

Shaffer公司生产的游车型钻柱升沉 运动补偿器主要技术规格见表1。 该公司生产用于深水和超深水的 天车型钻柱升沉运动补偿器主要产品规 格见表2。

Shaffer公司用于深水和超深水天车 型钻柱升沉运动补偿器为直立型安装， 优点是无需加高井架主体；不需要两条 活动的高压油管，管线短；液缸可采用 游车型产品而节约制造成本。缺点是需要特制天车且天车顶部太高，钻井船重 心显然增高；安装与维修均不方便。 卡姆伦（Cameron）公司生产的 钻柱运动补偿器 Cameron公司主要生 产用于深水和超深水的钻柱升沉运动补 偿器，补偿能力为3,560 kN (800 kps)， 最大达4,006kN（900 kps）。Cameron 公司游车型钻柱升沉运动补偿器原理、 特点与谢弗尔公司生产的游车型钻柱升 沉运动补偿器基本类似。

挪威液力提升（Hydralift）公司 生产的钻柱升沉运动补偿器 挪威 Hydralift公司天车型补偿器主要技术参 数见表3。

挪威海事液压（MH）公司生产的 钻柱升沉运动补偿器 挪威MH公司生 产游车型升沉运动补偿器其动作原理与 Shaffer公司生产的被动型钻柱运动补偿 器类似。该游车型升沉补偿器最大补偿 行程为7.62 m （25 ft）；适应平台升沉 ±2.0 m，周期12 sec；最大的补偿能力 2670kN。

美国G E 公司所属维高公司 （Vetco）生产的游车型钻柱运动补偿 器 美国GE公司所属维高公司于二十 世纪七十年代初研制的装于游车上的 钻柱升沉运动补偿器，分双液缸和单 液缸两种。其活塞杆均受张力，工作 介质为压缩空气—硅油。由于其工作 介质较昂贵及市场占有率低等因素， 目前已停产。

张紧系统的分类、 组成、典型结构与特点

张紧系统的分类与基本组成 张紧 系统目前用于海洋平台（船）钻井全部 采用被动型。

张紧器按用途分类及其基本组成 如下：张紧器按用途分为立管张紧系 统、导向绳张紧系统（用于有导向绳的 钻井水下设备系统）、入水控制管缆张 紧系统（用于有入水控制管缆导向绳系 统）、水下电视导向绳张紧系统（用于 有水下电视导向绳的系统）等。

张紧器按活塞杆受力主要分为活 塞杆受压缩力和受拉伸力（活塞杆工作 时始终处于受拉伸状态）两种类型；按 每组液缸数量还可分为单液缸型、双液 缸型和多液缸型。

张紧器按作用于张紧物体的方式 分为直接作用型和间接作用型两种。间 接作用型是通过钢绳或链条放大张紧器 液缸的行程并以钢绳或链条通过若干导 向滑轮张紧被张紧的物体（如立管或其 他入水绳缆）。间接作用型张紧器是普 通工作水深的钻井平台（船）用得最多 的，而直接作用型张紧器主要用于超深 水钻井平台（船）或TLP、Spar采油平 台张紧重负荷立管等。

张紧器的基本组成： 张紧器本 体；电动压缩机组（钻柱升沉运动补偿 器与张紧器共用该系统）；电动液压泵 组（钻柱升沉运动补偿器与张紧器共用 该系统）；导向绳收放绞车；导向滑 轮、导向绳等附件。

张紧器的结构特点 以高压压缩 空气作为张紧器的传动介质，减少了 气—液蓄能器的密封环节和油液在往 复运动产生的粘滞阻力，大大提高了 传动效率。

间接作用型张紧器由于采用滑轮 组放大4倍行程的结构，液缸内活塞杆 的行程可减少4倍而使液缸、活塞杆易 于加工制造和降低制造费用。 由于采用活塞杆受压缩型设计， 与活塞杆受拉伸型在相同液缸-活塞杆 直径和工作压力情况下、可有效增大张 紧力。

张紧器与钻柱升沉运动补偿器共 用电动压缩机组和电动液压泵组，简化 系统，节省平台（船）占用面积、空间 及费用。

国外张紧器的 生产厂商及其技术

美国N O V 集团瓦科- 谢弗尔 （Varco-Shaffer）公司生产的立管张 紧器 Shaffer公司生产的立管张紧器主 要技术规格见表4。

Shaffer公司生产的立管张紧器在普 通水深使用60K、 80K或120K型；在深 水使用120K或160K型；在超深水中主 要使用160K、200K或250K型双液缸张 紧器。普通水深则使用14K或16K型作 为导向绳张紧器。

美国卡姆伦（Cameron）公司生产的立管张紧器 Cameron司生产的双 液缸型深水立管张紧器设计的能力可 以达到1,420kN（320 kps），其液缸与 Cameron公司生产的游车型钻柱运动补 偿器可互换使用。其张紧器工作经久 耐用。

挪威海事液压（MH）公司生产的 深水立管张紧器 挪威MH公司生产的 双液缸型深水立管张紧器主要技术规 格：

张紧能力： 3 5 6 k N / 8 0 , 0 0 0 l b s ~ 4 4 5 kN/ 1 0 0 , 0 0 0 l b s ； 5 3 4 kN/ 120,000lbs~712kN/160,000lbs；890kN/ 2,000,000lbs。

张紧行程长度： 1 5 . 2m/ 5 0 f t ； 18.3m/60ft；19.8m/65ft。 挪威MH公司立管张紧器与Shaffer 或Cameron公司同等产品性能和质量相 当，主要用于深水或超深水。 挪威液力提升（Hydralift）公司生 产的立管张紧器 挪威Hydralift公司生 产的张紧器有绳索型和无绳索直接作用 型两种。无绳索直接作用型立管/采油 立管张紧器是一种特殊紧凑型，可以显 著减少占用平台面积与空间，并节省了 大量钢缆及导向滑轮，是一种低价格、 轻重量、减少频繁维护、提高安全度的 张紧器。

美国G E 公司所属维高公司 （Vetco）生产的立管张紧器 维高公 司生产的立管张紧器和导向绳张紧器 均是活塞杆受拉型。活塞杆不存在受 压产生的压杆稳定性问题，所以活塞 杆的截面可以减小。该张紧器工作介 质为压缩空气—硅油。由于其工作介 质较昂贵及市场占有率低等因素，目 前已停产。 【完】