多容量立管张紧器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及用于开采水下贮藏的石油和天然气的近海浮式平台或船舶的领域。更具体地，本发明涉及一种用于多容量立管张紧器的系统和设备，该多容量立管张紧器从海底井口或地下结构延伸到浮式平台或船舶。
【背景技术】
[0002]用于开采水下贮藏的石油和天然气的近海平台通常支撑采油立管，该采油立管从海床上的一个或多个井口或结构延伸至平台。在深水应用中，通常使用浮式平台(例如，柱体式平台(SPAR平台)、张力腿平台、扩展牵引平台以及半潜式平台)。风、浪、流引起这些平台的运动。因此，用于这种平台的立管必须被张紧，从而允许平台相对于立管移动。而且，必须保持立管张力，以使得立管在其自身的重量下不会屈曲。因此，张紧机构必须在明确限定的范围内向立管施加大体连续的张力。
[0003]液压气动张紧器系统是一种通常用于在各种平台上支撑立管(已知为“顶部张紧式立管”)的立管张紧机构。具有气动蓄能器的多个被动液压缸(passive hydrauliccylinders)被连接在平台与立管之间，以提供并保持必要的立管张力。平台响应于上文提及的环境条件(主要是升沉运动和水平运动)而相对于平台产生立管长度的变化，从而引起张紧汽缸来回运动。在立管行程期间，由气体压缩或膨胀引起的弹簧效应使立管与低升沉平台运动部分地隔离。对于水平(或漫漂)运动，气体的压缩引起张紧汽缸上的负载变化，这种负载变化与升沉运动的负载变化类似。
[0004]构成这种液压气动张紧系统的液压缸包括活塞，其中，活塞杆至少间接地连接至立管，使得引起活塞相对于其汽缸的运动的压力产生期望的立管张紧。
[0005]目前生产了具有各种尺寸/大小的这种液压气动张紧器系统，每个系统均对应于某一负载容量(下文进一步详细说明)O在US 4’ 886，397,US 3’ 902，319,GB 2’ 109，036以及US 5’ 846’ 028 A中公开了现有技术的立管张紧器系统的典型状态的实例。
[0006]然而，对于这些现有技术的张紧器系统而言常见的是，这些系统均构成设计用于特定的负载容量的系统。通常，在钻机/浮式平台上仅具有用于一个张紧系统尺寸的空间，因此设定了可用负载容量范围的明确的限制。在钻机的设计期间，已知这些现有技术系统的设计师考虑钻机必须执行哪种类型的操作，并且基于这个特定的钻机的最大需求来选择张紧系统。选择钻机(以及由此选择张紧尺寸)的标准可为海水深度、泥浆比重、立管类型以及任务。任务通常从例如需要大型系统的盲目钻探变换成例如需要明显更少的立管张紧容量的修井作业或生产检测。对于立管张紧的需求可仅为安装的立管张紧器的最大容量的10%。在这些情况下，由于相对较大的负载变化引起例如井口和/或立管上疲劳的风险，所以最大和最重的张紧器系统通常是不合适的。
[0007]图2A和图2B示出了目前在行业中使用的两个不同的汽缸的主要现有技术示图。汽缸活塞2由活塞杆2’和活塞头2”构成并且在汽缸I内滑动地轴颈连接，汽缸活塞的有效截面除了确定活塞头2”上的净压差以外，还确定施加到汽缸活塞2上(并且因此施加到所讨论的立管(未示出)上)的总力(F = pA)。气体压力源和合适的高压气动蓄能器5允许至少部分地控制引起汽缸压力的活塞运动。
[0008]为了在设计期间确保用于各种钻机要求的正确的容量，主要选择了两个可替代的布置；单动式(图2A)和双动式(图2B)。
[0009]单动式:在立管张紧系统中布置液压缸的最简单方法是如所谓的单动式汽缸，在后文中被称为柱塞。在柱塞中，活塞头2”通常不密封，并且该活塞头包括穿过头部2”的多个活塞穿孔6，从而平衡活塞头2上方和下方的压力(P)。在活塞2在汽缸I内移动时，位于其中的汽缸流体流过穿孔6。因此，活塞2的有效截面(A)等于活塞杆2’的有效的径向截面。通过单个高压蓄能器5确保汽缸I内所需的流体压力，该高压蓄能器通过高压管道8与汽缸I流体连通。此外，蓄能器5通常通过浮动活塞7而被分成高压气体端5’和高压流体端5”，其中，高压管道8连接至高压流体端5”。为了在高压气体端5’上提供必须的压力，并且因此通过所引起的浮动活塞7的平移运动而在高压流体端5”中产生流体的期望压缩，储气罐(未示出)通过高压气体管道9以流体连通的方式连接至高压气体端5’。
[0010]双动式:图2B示出了现有技术立管张紧系统中的可替代的液压缸；双动式汽缸。至于活塞，双动式系统包括:压缩汽缸1，该压缩汽缸具有活塞2、2’、2” ；高压蓄能器5、5’、5” ;浮动活塞7 ;高压管道8以及高压气体管道9。然而，与柱塞布置相比，双动式汽缸中的活塞头2”与汽缸I的内壁形成液密分离，因此，有效地将汽缸I分成两个相互液密的室；第一汽缸室I’和第二汽缸室I”。通过在汽缸的内壁与活塞头2”的周缘之间设置一个或多个活塞密封件20可实现分离。为了能够控制第一汽缸室I’中的压力(即，在活塞杆2’侧上的压力)，压力源(诸如，低压蓄能器10)通过低压管道11而与第一汽缸室I’以流体连通的方式连接。在图2B中，该低压蓄能器10示出为部分流体填充的容器，低压流体管道11的开口端插入到该容器中。形成在第一汽缸室I’内的压力必须足够低，以避免上文提及的高压蓄能器5、5’、5”在第二汽缸室I”中引起的压力没有明显抵消。关于双动式系统的其他详细内容，见例如US 2008/0304916 Al。
[0011]应用这两种类型的液压缸的张紧系统提供了覆盖上文提及的两个容量要求的立管的张紧。更具体地，柱塞型和双动式可成功地应用于低容量要求(例如，修井作业或生产测试)以及高容量要求(例如，盲目钻探)。然而，如前文所述，需要一种立管张紧器系统，该系统可处理钻机要求的上述变化，而不会引起任何明显的操作风险(例如井口和/或立管上的疲劳)。
[0012]公开了能够处理容量变化的各种张紧器系统。在US 4’ 362’438中可找出一个实例，其公开了一种张紧器系统，该系统具有连接至所讨论的立管的至少两个液压缸。在US4’ 362’ 438中公开的解决方案的目的在于，在任意剩余的功能性液压缸之间重新分配总压力，以便在一个或多个汽缸内具有非期望的压力变化(例如，疲劳)的情况下，保持恒定的立管张紧。因此，没有提供允许在大型高容量系统与小型低容量系统之间变化的系统。另一个实例是公开文件US 4351261 A，其公开了一种升沉补偿系统，该系统借助于在多个高压蓄能器之间转换而调节具有用于负载平衡的不同要求的各种操作。然而，这种解决方案也不允许在具有高容量的大型系统与具有低容量的小型系统之间变化。因此，所有上述公开文件均公开了与本发明的问题明显不同的问题的解决方案，即，处理由于钻机需求中的可预测的变化而造成的大容量变化。
[0013]因此，本发明的目的在于，提供一种用于连接至立管张紧系统的汽缸组件，该汽缸组件克服了上述缺点，即，提供一种稳定的并且容易操作的张紧组件，该张紧组件能够在两个全功能系统之间转换，每个系统均呈现了覆盖预先计算的容量范围的不同端点的张紧容量，例如，从低于整个钻机估计寿命中预期的立管张紧容量要求的10%直到100%。
【发明内容】
[0014]通过应用在一系统(相对较小量的流体流过该系统，造成相应较小的气体压缩)与另一系统(相对较大量的流体流过该系统，造成相应较大的流体压缩)之间转换的基本理念实现了上文确定的目的。