張力腿上部模塊總體布置初探

巴 硯，劉 偉，王春升

(中海油研究總院，北京 100028)

張力腿上部模塊總體布置初探

巴 硯，劉 偉，王春升

(中海油研究總院，北京 100028)

張力腿平臺(TLP)是一種應用在中、深水的海洋平臺，在國外應用廣泛，國內以前沒有設計使用經驗。伴隨著中國海油的深海戰略，國內以南海某油田作為目標油田對TLP平臺進行了概念研究和基本設計。結合研究設計經驗，介紹了TLP平臺井口區總體設計技術，總結了TLP平臺上部模塊總體設計方法,以期為浮式平臺上部模塊設計提供借鑒。

張力腿平臺；上部模塊；總體設計；井口區

0 引 言

隨著淺水油氣資源的持續開采，我國海洋石油工業正著眼走向深水。張力腿平臺(TLP)作為一種廣泛應用于國際中、深水油氣田開發的海洋平臺，適應水深范圍較廣，目前應用水深從271 m(OVENG)到1 425 m(MAGNOLIA)。

中國南海某目標油田水深404 m，經過經濟比選擬采用TLP平臺形式進行開發，由此進行了國內首次TLP平臺設計。該平臺擬采用四立柱傳統型張力腿平臺(CTLP)，平臺上設干式采油樹、模塊鉆機、油水分離設施、生產水處理設施、相關輔助設施以及生活樓與直升機甲板，平臺電力由臨近的浮式生產儲油裝置(FPSO)提供。平臺上共設16口井槽，呈4×4排列。

平臺的上部模塊是平臺實現生產功能的主體，此前國內對于張力腿平臺的研究主要基于張力腿平臺的形式、平臺的運動響應及水動力特性[1～4]，針對上部模塊的研究相對薄弱。上部模塊總體布置設計是TLP平臺設計流程中的關鍵環節之一[5]。本文介紹了TLP平臺井口區設計技術，總結了TLP平臺上部模塊總體設計方法。

1 井口區總體設計

TLP平臺作為浮式平臺，為減少鉆井時對平臺重心的影響，井口區一般布置在平臺中央。如圖1所示，TLP平臺井口區由采油樹、生產立管、張緊器、跨接管、臍帶纜、采油樹操作平臺等部分組成。其中，張緊器用來保證頂張緊式立管(TTR)的張力，跨接管、臍帶纜用于連接上部模塊和立管，并吸收二者相對運動時產生的位移。井口區設計的重點在于確定張緊器位置、井槽間距、及甲板層間距等。

圖1 井口區組成Fig.1 Composition of wellbay

1.1 張緊器位置

張緊器懸掛位置一般有三種，分別是懸掛在主甲板底部、懸掛在生產甲板和主甲板之間、懸掛在生產甲板底部。其中懸掛在主甲板底部與在生產甲板底部的布置方式相似，均為張緊器懸掛在甲板結構梁下，如圖2所示。懸掛在生產甲板和主甲板之間的布置方式則是張緊器懸掛在單獨的結構框架上，這個框架支撐在生產甲板上，如圖3所示。

圖2 張緊器布置圖1Fig.2 Arrangement of tensioner 1

目前張緊器的三種布置方式均有實際應用案例，其優缺點如下：張緊器懸掛在主甲板底部的布置方式會使采油樹高超過主甲板面，需要在主甲板以上設置一層結構梁來懸掛跨接管和臍帶纜，以保證二者間不會發生纏繞。張緊器懸掛在生產甲板和主甲板之間的布置方式會影響層間距。張緊器懸掛在生產甲板底部的布置方式則可能讓張緊器受到海浪的拍擊，同時還需要增設張緊器操作甲板。表1是三種布置方式優缺點的匯總。作業公司可根據各自的作業習慣及風險承受能力選擇不同的方案。

圖3 張緊器布置圖2Fig.3 Arrangement of tensioner 2

表1 張緊器位置的優缺點Table 1 Advantages and disadvantages of tensioner position

1.2 井槽間距

井槽間距是指兩排井槽幾何中心的距離，等同于生產立管中心距。導管架平臺上井槽間距通常為1.8～2.5 m，而TLP平臺井槽間距一般為3～6 m，部分甚至高達8 m，如表2所示，因此井槽間距是影響上部模塊面積的關鍵因素之一。TLP平臺井槽間距的確定應進行干涉分析，以避免立管及采油樹、采油樹操作平臺、臍帶纜、跨接管的交叉干涉，同時井槽間距還應滿足水下機器人(ROV)進入立管間檢測操作的空間需求[6]。

表2 部分張力腿平臺的井槽間距Table 2 Wellbay slots spacing of part of several tension leg platforms

1.3 層間距

通常導管架固定平臺的層間距取決于甲板上設備、房間、管道、電儀托架等設施的高度需求。而TLP平臺上部模塊的層間距除了要滿足上述常規需求外，還應滿足TTR與平臺相對運動所需要的豎向空間。TTR所需層高由以下幾部分組成：井口區結構梁尺寸,采油樹頂部安全距離，采油樹、立管的向上行程，生產軟管接頭以上的采油樹高度，臍帶纜垂度，臍帶纜向下行程和臍帶纜底部安全距離,具體如圖4所示。

圖4 TTR所需層高示意圖Fig.4 Schematic diagram for elevation TTR needed

南海TLP平臺選擇將張緊器布置在生產甲板以下，以降低甲板層間距，降低上部模塊重量和重心；通過立管的干涉分析、行程計算等，井槽間距最終確定為4.5 m，甲板間距為9.5 m。圖5為井口區布置效果圖。

圖5 井口區效果圖Fig.5 Rendering of wellbay

2 上部模塊總體設計方法

上部模塊總體設計成果影響整個平臺的尺度、排水量、浮體運動性能等，還會影響平臺的建造、施工、安裝方案。圖6為TLP平臺上部模塊總體設計的設計流程。

圖6 上部模塊總體設計流程圖Fig.6 Flow chart of topside layout deisgn

2.1 確定平臺方位

平臺方位是指平臺北(通常指垂直于平臺長邊的方向)與大地真北的位置關系。在確定平臺方位時通常需要考慮主流向、主風向和主浪向，平臺與整個油田的整體關系等[8]。圖7所示的平臺方位有利于在主風向條件下平臺供應船安全靠船，利于直升機抵離平臺，便于平臺上可燃氣體擴散。

2.2 確定井口區布置

平臺方位確定后，可按照前文內容確定張緊器位置、井槽間距及甲板層間距等。

圖7 主甲板布置圖Fig.7 Layout for main deck

2.3 初步規劃設施布置

在確定井口區布置后對平臺設施進行布置。主甲板通常用于布置鉆機、生活樓和直升機甲板等設施。其余設施通常布置在生產甲板。根據工藝流程將油水分離設施、生產水處理設施等危險設備布置在主風向的下風向，將公用/儀表氣系統、工作間等非危險設施布置在主風向的上風向，以保障平臺安全。由于TLP平臺船體通常是由四個立柱圍成的正方形，上部模塊甲板也應盡量規劃成正方形，以與船體對應。

2.4 確定主結構梁位置

TLP平臺上部模塊的主結構梁通常有兩組，其中一組結構梁布置在上部模塊內部，環繞井口區，橫向縱向各2根,見圖7中B軸、C軸、2軸和3軸。而另一組布置在上部模塊外圍，同樣為橫向縱向各2根，見圖7中A軸、D軸、1軸和4軸。外圍梁的具體位置需與上部模塊與船體的連接結構相對應，以便上部模塊的載荷更好地傳遞到船體。根據結構強度需要，可在兩組中間設其他結構梁。

2.5 核實重量重心

TLP對整個系統的平衡要求嚴格，整個系統的布置、尺度對重量的變化非常敏感[9]。在上部模塊設備規劃完成之后，要對模塊的重量重心進行估算，避免超重或偏心的情況發生。如發生超重的情況，需要對設備、結構重量采取減重措施，如減少設計余量、減少甲板面積等。如發生偏心的情況，則需要對上部模塊總體設計進行調整，具體措施包括調整鉆機的灰罐、工作間、生活樓的位置等。通常上部模塊重心偏心應控制在3 m以內，以減少對船體排水量的影響。同時結合張力腿平臺船體的結構特點，可把淡水系統、柴油系統等公用設備布置在船體之中以減少上部模塊重量并適當降低重心。

3 結 語

隨著我國海洋工程事業不斷向深水挺進，TLP、SPAR等適用于中、深水油氣田的浮式海洋平臺將逐漸在國內進入高速發展通道，有廣泛的應用前景。本文結合南海某油田TLP平臺的設計經驗，介紹了TLP平臺井口區設計技術，總結了TLP上部模塊的設計方法，以期為同行業人員提供支持與參考，為TLP平臺在國內的成功應用奠定基礎。

[1] 董艷秋,胡志敏,張翼. 張力腿平臺及其基礎設計[J].海洋工程，2000,18(4)：63.

[2] 徐萬海,曾曉輝,吳應湘,等. 深水張力腿平臺與系泊系統的耦合動力響應[J].振動與沖擊，2009,28(2)：145.

[3] 谷家揚,呂海寧,楊建民.隨機波浪中張力腿平臺耦合運動及系泊系統特性研究[J].2012,30(4)：42.

[4] 谷家揚,黃祥宏,盧燕祥.基于DES方法的張力腿平臺主體結構水動力特性研究[J].2015,19(1-2)：52.

[5] 閆功偉，歐陽萍.張力腿平臺的整體設計及擬靜力性能分析[J].船海工程,2009,38(5):142.

[6] 石云,周曉東,曹靜,等. 波流作用下的張力腿平臺頂張緊式立管干涉分析[J].海洋工程裝備與技術,2015,2(2)：84.

[7] Jordan R, Otten J, Trent D, et al. Matterhorn TLP dry-tree production rises[C]. OTC, 2004:16608.

[8] American Petroleum Institute. API RP 2L. Planning, designing and construction of tension leg platforms[S]. 2010.

[9] 王忠暢，高靜坤，謝彬，等.張力腿平臺總體尺度規劃研究[J].中國海上油氣,2007,19(3):200.

PreliminaryStudyofTopsideLayoutDesignofTLP

BA Yan, LIU Wei, WANG Chun-sheng

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Tension leg platform (TLP) is one type of offshore platform used in middle and deep water. It is widely used in foreign countries, but no previous domestic design or use experience has been reported. Along with CNOOC’s deepwater strategy, concept study and basic design of TLP platform are carried out on a target oilfield in the South China Sea. Integrating the study and design experience, we describe the technologies of TLP wellbay layout design and summarize the design method of TLP topside. This research will provide a reference for floating platform topside design.

tension leg platform; topside; layout; wellbay

2015-09-11

巴硯(1987—)，男，工程師，主要從事海上平臺總體布置方面的研究。

P751

A

2095-7297(2015)05-0320-05