程 兵， 楊思明， 巴 硯， 夏 志

(中海油研究總院， 北京 100027)

TLP平臺(tái)上部模塊總體布置探索

程 兵， 楊思明， 巴 硯， 夏 志

(中海油研究總院， 北京 100027)

TLP平臺(tái)(Tension Leg Platform，即張力腿平臺(tái))作為浮式平臺(tái)的一種，在國(guó)際上已廣泛應(yīng)用于深水油氣田開(kāi)發(fā)。在中國(guó)南海某油田開(kāi)發(fā)前期研究中，首次涉及到TLP方案研究，并對(duì)其設(shè)計(jì)、建造和安裝技術(shù)進(jìn)行了探索。其中TLP上部模塊總體布置技術(shù)對(duì)TLP平臺(tái)的安全和總體性能有著重要影響，因此需要探索其總體布置原則和特點(diǎn), 分析其在總體布置上不同于導(dǎo)管架平臺(tái)的特殊要求，并結(jié)合這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)具體的布置方案。該文結(jié)合前期研究中的一個(gè)TLP開(kāi)發(fā)方案實(shí)例，對(duì)TLP上部模塊總體布置的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，供海洋石油工程設(shè)計(jì)人員參考。

深水；張力腿平臺(tái)；上部模塊；總體布置

0 引言

目前，隨著淺水油氣資源的持續(xù)開(kāi)發(fā)和深水開(kāi)采技術(shù)的逐漸成熟，海洋石油工業(yè)正走向深水時(shí)代。深水油氣田開(kāi)發(fā)所用的浮式平臺(tái)主要有半潛式平臺(tái)、Spar平臺(tái)以及TLP平臺(tái)。浮式平臺(tái)沒(méi)有連接平臺(tái)與海底的桁架結(jié)構(gòu)，僅靠自身的浮力來(lái)支撐其上部的重量，使得平臺(tái)在水深時(shí)成本不會(huì)大幅增加，降低了深水油氣田開(kāi)發(fā)的成本。TLP作為其中的一種，在國(guó)際上得到了廣泛的應(yīng)用[1]，但在國(guó)內(nèi)尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用案例。由于上部模塊總體布置對(duì)TLP平臺(tái)性能有著重要的影響，因此需要對(duì)TLP平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和形式進(jìn)行了解，并探索上部模塊總體布置原則和特點(diǎn)，分析其在總體布置上區(qū)別于導(dǎo)管架平臺(tái)的特殊要求，并結(jié)合這些特點(diǎn)設(shè)計(jì)具體的布置方案。

1 TLP平臺(tái)簡(jiǎn)介

圖1 張力腿平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

TLP平臺(tái)由上部模塊、主船體(包括浮箱和立柱)、張力腿筋腱(TENDON)、張力腿基礎(chǔ)、立管系統(tǒng)(包括鉆井/生產(chǎn)立管和外輸立管)等部分組成(如圖1所示)，是一種垂直系泊的順應(yīng)式平臺(tái)，通過(guò)數(shù)條張力腿與海底相接，其張力筋腱(TENDON)中具有很大的預(yù)張力，這種預(yù)張力是由平臺(tái)本體的剩余浮力提供的。TLP平臺(tái)可以避免結(jié)構(gòu)和波浪的主頻率發(fā)生共振，有著優(yōu)良的動(dòng)力性能。由于其平面外的運(yùn)動(dòng)近似于剛性，橫搖、縱搖、垂蕩的運(yùn)動(dòng)幅度都比較小，可以非常方便地安裝干式采油樹(shù)系統(tǒng)，因此TLP平臺(tái)非常適合用作深水區(qū)域的采油作業(yè)。

自1954年美國(guó)學(xué)者R.D. Marsh最早提出的張力索組平臺(tái)概念以來(lái)，TLP平臺(tái)在理論研究和實(shí)際生產(chǎn)上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。1984年，世界上第一座TLP Hutton由CONOCO公司建造，安裝于北海水深147 m處，目前已經(jīng)退役。

TLP主要有以下幾種類型：傳統(tǒng)TLP、Seastar TLP、 MOSES TLP、E-TLP(如圖2所示)。傳統(tǒng)TLP由4個(gè)立柱和4個(gè)連接的浮體組成，立柱的水線面較大，穩(wěn)性較好，并通過(guò)張力腿固定于海底。SeaStar TLP僅在甲板和浮筒間使用一個(gè)中央柱，上端支撐平臺(tái)甲板，下端與三根截面為矩形的浮筒相連接。MOSES TLP主體依然使用四根立柱，但立柱間距要小得多，截面很小且為四邊形，因而水線面積較少，所受的波浪力也相應(yīng)減少。E-TLP是由傳統(tǒng)TLP改進(jìn)的，在環(huán)形浮箱的每一個(gè)角上，都有一個(gè)截面為矩形的懸臂梁向外伸出，末端與張力腿相連接。

圖2 四種TLP平臺(tái)

2 TLP平臺(tái)上部模塊總體布置基本原則

TLP平臺(tái)上部模塊總體布置對(duì)于平臺(tái)的穩(wěn)性、安全性能都有直接的影響，因此，布置時(shí)主要考慮的原則就是系統(tǒng)的安全性、可操作性和經(jīng)濟(jì)性。為了達(dá)到這樣的設(shè)計(jì)目的，在總體布置時(shí)，需要遵守有一些基本原則[3]：

(1) 總體布置合理，滿足鉆修井、采油及工藝流程的最佳需要，操作安全可靠；

(2) 根據(jù)環(huán)境條件確定平臺(tái)方位，滿足火炬的布置要求以及工作船的?？亢椭鄙w機(jī)的安全起降等因素；

(3) 平臺(tái)的設(shè)施、設(shè)備布置應(yīng)考慮重量在甲板上均勻分布，盡量減小偏心；

(4) 平臺(tái)的設(shè)施、設(shè)備布置應(yīng)考慮上部模塊的安裝方式和安裝要求；

(5) 布置設(shè)備時(shí)，考慮逃生路線及所有設(shè)備的操作和維修空間，救生設(shè)備放置在安全且能順利到達(dá)的位置，使得工作人員能盡快安全脫離危險(xiǎn)區(qū)域。

3 TLP平臺(tái)總體布置方案介紹

在南海約400 m水深的某油田的開(kāi)發(fā)前期研究中，設(shè)計(jì)了多種開(kāi)發(fā)方案，其中一種就是建造一座TLP平臺(tái)作為井口平臺(tái)，然后將產(chǎn)出流體輸送到新建的FPSO進(jìn)行處理。該TLP平臺(tái)采用模塊鉆機(jī)進(jìn)行后期鉆井、修井、打調(diào)整井等。TLP上部模塊共設(shè)3層甲板，分別是直升機(jī)甲板、主甲板和生產(chǎn)甲板。其上設(shè)有鉆機(jī)配套設(shè)施、原油處理設(shè)施、公用設(shè)施和電氣房間等。

直升機(jī)甲板設(shè)在生活樓房間頂部，在布置時(shí)，考慮了所在海域的風(fēng)向，保證直升機(jī)起降的安全，并保證平臺(tái)火炬等設(shè)施不會(huì)形成干擾。

主甲板東側(cè)布置了可容90人的生活樓，兩艘救生艇懸掛于生活樓東側(cè)舷外，直升機(jī)甲板位于生活樓頂，生活樓的北側(cè)布置了氮?dú)庀到y(tǒng)、工廠風(fēng)和儀表風(fēng)系統(tǒng)。主甲板東南側(cè)布置了一些水處理的設(shè)施。主甲板中部是井口區(qū)，布置了16口井槽，按照4×4排列。西側(cè)是鉆機(jī)模塊(不包含泥漿系統(tǒng))。甲板南、北側(cè)各設(shè)有一臺(tái)吊機(jī)，火炬臂位于甲板的西南角。主甲板總體布置如圖3所示。

圖3 主甲板總體布置圖

生產(chǎn)甲板東側(cè)布置了兩層電氣房間。電氣房間的南北側(cè)布置了海水處理系統(tǒng)和消防泵等安全設(shè)施，西側(cè)布置了A60防火墻，以分隔危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)。生產(chǎn)甲板中部是井口區(qū)，安裝了采油樹(shù)。井槽北側(cè)布置了管匯、加熱器等，西側(cè)布置了分離器、外輸泵等處理設(shè)施。井槽南側(cè)布置了開(kāi)閉排系統(tǒng)。此外，甲板西側(cè)布置了泥漿系統(tǒng)。生產(chǎn)甲板總體布置如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)甲板總體布置圖

4 TLP平臺(tái)上部模塊總體布置特點(diǎn)

作為海上油氣開(kāi)發(fā)設(shè)施，TLP平臺(tái)上部模塊總體布置方法與導(dǎo)管架平臺(tái)有很多相似之處，但作為浮式平臺(tái)，其布置也有著區(qū)別于導(dǎo)管架平臺(tái)的特點(diǎn)，在完成幾個(gè)TLP方案的總體布置研究后，將TLP平臺(tái)上部模塊布置的一些特點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) TLP平臺(tái)對(duì)重心的要求很高，既要嚴(yán)格控制重心的高度，又要讓偏心在可控范圍之內(nèi)。在進(jìn)行總體布置設(shè)計(jì)時(shí)，需要及時(shí)同結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通，以做好重心控制。機(jī)械設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)盡量選取臥式設(shè)備，盡量將較大較重的設(shè)備布置在下層甲板。在本次設(shè)計(jì)中，由于鉆機(jī)模塊過(guò)大，為了節(jié)省上層面積，降低重心，并保證下層面積得到充分地利用，將其中的泥漿模塊(含泥漿泵、泥漿罐)布置在了生產(chǎn)甲板上，從整體上控制了其重心的位置。

(2) 作為浮體，TLP平臺(tái)對(duì)風(fēng)比較敏感，因?yàn)檩^大的風(fēng)力會(huì)造成其偏移。布置時(shí)，在沒(méi)有其它不利影響的前提下，應(yīng)盡量將其較窄的一面對(duì)著主風(fēng)向，可減少受風(fēng)面積，使平臺(tái)受到風(fēng)的影響較小。

(3) 在考慮主梁布置時(shí)，應(yīng)將四個(gè)主梁圍成正方形(或者接近正方形)，在進(jìn)行面積和軸線的調(diào)整時(shí)，也要在保證主梁圍成正方形的前提下，再通過(guò)適當(dāng)調(diào)整外圍飄出的甲板長(zhǎng)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)總圖面積的優(yōu)化。這是由于四個(gè)立柱本身圍成的就是正方形，因此將主梁也圍成正方形更有利于撐桿(POST)的布置，從而連接船體和上部模塊。另外，導(dǎo)管架平臺(tái)的工作甲板面積可以很小，可以與其他甲板面積差異很大，但TLP平臺(tái)的主甲板和生產(chǎn)甲板面積應(yīng)盡量避免差異。

(4) TLP平臺(tái)的柴油罐、淡水罐及其配套的泵和過(guò)濾器等安全設(shè)施可以布置在船體上，以節(jié)省上部模塊的空間、降低重心。

(5) 輸送油氣的立管、各類泵護(hù)管等需要從海里登上平臺(tái)的管道，應(yīng)從四個(gè)立柱處爬上平臺(tái)，因此，對(duì)應(yīng)的清管球收發(fā)器、海水提升泵、柴油消防泵、電動(dòng)消防泵等設(shè)備，均布置在平臺(tái)的生產(chǎn)甲板上對(duì)應(yīng)于立柱的區(qū)域。

(6) TLP平臺(tái)的井口間距要比導(dǎo)管架平臺(tái)大，本方案為4 m×4 m，16口井所需的井口區(qū)面積為18 m×18 m。這是因?yàn)門(mén)LP平臺(tái)井口區(qū)上來(lái)的生產(chǎn)立管，相對(duì)平臺(tái)會(huì)有所運(yùn)動(dòng)，因此需要足夠空間防止立管干涉，保證井口區(qū)的安全性；同時(shí)，立管頂部的張緊器尺寸較大，為了滿足其布置需求和保證操作空間，也需要采用較大的井口間距。此外，生產(chǎn)甲板層高為8 m，采油樹(shù)區(qū)域需安裝一個(gè)局部二層甲板，便于進(jìn)行采油樹(shù)的日常維護(hù)、儀表檢修等操作。

(7) 深水的水下作業(yè)離不開(kāi)ROV的使用，在TLP平臺(tái)上，往往會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)ROV月池，通常距離吊機(jī)較近，便于進(jìn)行吊起和下放ROV的操作。

(8) 如果生產(chǎn)甲板面積大于主甲板，主甲板無(wú)法完全覆蓋住生產(chǎn)甲板，則需要考慮防止落物的問(wèn)題。這時(shí)可以考慮在主甲板設(shè)置人員防護(hù)欄，以減小甲板重量，同時(shí)避免落物。

(9) 根據(jù)API RP 2T中關(guān)于氣隙的要求，底層甲板標(biāo)高的確定應(yīng)考慮百年一遇和千年一遇的最大波高，保證百年一遇時(shí)底層甲板的上緣不上浪，千年一遇時(shí)底層甲板下緣不受到砰擊。

5 結(jié)語(yǔ)

盡管目前TLP平臺(tái)在國(guó)內(nèi)尚處研究階段，但隨著海洋石油的發(fā)展，其在南海深水油氣田開(kāi)發(fā)中有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，對(duì)TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)、建造和安裝的研究具有重大的意義。作為總體布置設(shè)計(jì)人員，也需要不斷積累經(jīng)驗(yàn)，在導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)外已建TLP平臺(tái)的成功經(jīng)驗(yàn)，找出TLP平臺(tái)上部模塊總體布置的設(shè)計(jì)方法，為T(mén)LP平臺(tái)在國(guó)內(nèi)的成功應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1] 王忠暢，高靜坤，謝彬等.張力腿平臺(tái)總體尺度規(guī)劃研究[J].中國(guó)海上油氣，2007，19(3) :200-202.

[2] 楊雄文，樊洪海. TLP平臺(tái)結(jié)構(gòu)型式及其總體性能分析 [J].石油機(jī)械，2008，36 (5):70-73.

[3] 中國(guó)海洋石油總公司.海洋石油工程設(shè)計(jì)指南(設(shè)計(jì)概論與工藝設(shè)計(jì)分冊(cè))[M].北京:石油工業(yè)出版社，2007.

Exploration on Topside General Layout of TLP

CHENG Bin, YANG Si-ming, BA Yen, XIA Zhi

(CNOOC Research Insititute, Beijing 100027, China)

As one of the floating platforms, TLP (namely Tension Leg Platform) is widely used in the development of deepwater oil and gas fields abroad. During the feasibility research of certain oilfield development in South China Sea, TLP plan is studied for the first time domestically, and explorations are done on the technologies of design, construction and installation of TLP. Among those technologies, topside general layout is of great significance to the safety and global performance of TLP. It’s therefore necessary to explore the general layout guidelines and characteristics of TLP, analyze the special requirements of TLP general layout which distinguishes from jacket platform, then make the detailed plan of layout. Based on an example of TLP development plans, this paper summarizes the characteristics of TLP topside general layout, which could be of some value for offshore petroleum design engineers.

deepwater； TLP； topside；general layout

2013-08-12

程 兵(1983-)，男，工程師。

1001-4500(2014)04-0021-04

P75

A