张力腿上部模块总体布置初探

巴 砚，刘 伟，王春升

(中海油研究总院，北京 100028)

张力腿上部模块总体布置初探

巴 砚，刘 伟，王春升

(中海油研究总院，北京 100028)

张力腿平台(TLP)是一种应用在中、深水的海洋平台，在国外应用广泛，国内以前没有设计使用经验。伴随着中国海油的深海战略，国内以南海某油田作为目标油田对TLP平台进行了概念研究和基本设计。结合研究设计经验，介绍了TLP平台井口区总体设计技术，总结了TLP平台上部模块总体设计方法,以期为浮式平台上部模块设计提供借鉴。

张力腿平台；上部模块；总体设计；井口区

0 引 言

随着浅水油气资源的持续开采，我国海洋石油工业正着眼走向深水。张力腿平台(TLP)作为一种广泛应用于国际中、深水油气田开发的海洋平台，适应水深范围较广，目前应用水深从271 m(OVENG)到1 425 m(MAGNOLIA)。

中国南海某目标油田水深404 m，经过经济比选拟采用TLP平台形式进行开发，由此进行了国内首次TLP平台设计。该平台拟采用四立柱传统型张力腿平台(CTLP)，平台上设干式采油树、模块钻机、油水分离设施、生产水处理设施、相关辅助设施以及生活楼与直升机甲板，平台电力由临近的浮式生产储油装置(FPSO)提供。平台上共设16口井槽，呈4×4排列。

平台的上部模块是平台实现生产功能的主体，此前国内对于张力腿平台的研究主要基于张力腿平台的形式、平台的运动响应及水动力特性[1～4]，针对上部模块的研究相对薄弱。上部模块总体布置设计是TLP平台设计流程中的关键环节之一[5]。本文介绍了TLP平台井口区设计技术，总结了TLP平台上部模块总体设计方法。

1 井口区总体设计

TLP平台作为浮式平台，为减少钻井时对平台重心的影响，井口区一般布置在平台中央。如图1所示，TLP平台井口区由采油树、生产立管、张紧器、跨接管、脐带缆、采油树操作平台等部分组成。其中，张紧器用来保证顶张紧式立管(TTR)的张力，跨接管、脐带缆用于连接上部模块和立管，并吸收二者相对运动时产生的位移。井口区设计的重点在于确定张紧器位置、井槽间距、及甲板层间距等。

图1 井口区组成Fig.1 Composition of wellbay

1.1 张紧器位置

张紧器悬挂位置一般有三种，分别是悬挂在主甲板底部、悬挂在生产甲板和主甲板之间、悬挂在生产甲板底部。其中悬挂在主甲板底部与在生产甲板底部的布置方式相似，均为张紧器悬挂在甲板结构梁下，如图2所示。悬挂在生产甲板和主甲板之间的布置方式则是张紧器悬挂在单独的结构框架上，这个框架支撑在生产甲板上，如图3所示。

图2 张紧器布置图1Fig.2 Arrangement of tensioner 1

目前张紧器的三种布置方式均有实际应用案例，其优缺点如下：张紧器悬挂在主甲板底部的布置方式会使采油树高超过主甲板面，需要在主甲板以上设置一层结构梁来悬挂跨接管和脐带缆，以保证二者间不会发生缠绕。张紧器悬挂在生产甲板和主甲板之间的布置方式会影响层间距。张紧器悬挂在生产甲板底部的布置方式则可能让张紧器受到海浪的拍击，同时还需要增设张紧器操作甲板。表1是三种布置方式优缺点的汇总。作业公司可根据各自的作业习惯及风险承受能力选择不同的方案。

图3 张紧器布置图2Fig.3 Arrangement of tensioner 2

表1 张紧器位置的优缺点Table 1 Advantages and disadvantages of tensioner position

1.2 井槽间距

井槽间距是指两排井槽几何中心的距离，等同于生产立管中心距。导管架平台上井槽间距通常为1.8～2.5 m，而TLP平台井槽间距一般为3～6 m，部分甚至高达8 m，如表2所示，因此井槽间距是影响上部模块面积的关键因素之一。TLP平台井槽间距的确定应进行干涉分析，以避免立管及采油树、采油树操作平台、脐带缆、跨接管的交叉干涉，同时井槽间距还应满足水下机器人(ROV)进入立管间检测操作的空间需求[6]。

表2 部分张力腿平台的井槽间距Table 2 Wellbay slots spacing of part of several tension leg platforms

1.3 层间距

通常导管架固定平台的层间距取决于甲板上设备、房间、管道、电仪托架等设施的高度需求。而TLP平台上部模块的层间距除了要满足上述常规需求外，还应满足TTR与平台相对运动所需要的竖向空间。TTR所需层高由以下几部分组成：井口区结构梁尺寸,采油树顶部安全距离，采油树、立管的向上行程，生产软管接头以上的采油树高度，脐带缆垂度，脐带缆向下行程和脐带缆底部安全距离,具体如图4所示。

图4 TTR所需层高示意图Fig.4 Schematic diagram for elevation TTR needed

南海TLP平台选择将张紧器布置在生产甲板以下，以降低甲板层间距，降低上部模块重量和重心；通过立管的干涉分析、行程计算等，井槽间距最终确定为4.5 m，甲板间距为9.5 m。图5为井口区布置效果图。

图5 井口区效果图Fig.5 Rendering of wellbay

2 上部模块总体设计方法

上部模块总体设计成果影响整个平台的尺度、排水量、浮体运动性能等，还会影响平台的建造、施工、安装方案。图6为TLP平台上部模块总体设计的设计流程。

图6 上部模块总体设计流程图Fig.6 Flow chart of topside layout deisgn

2.1 确定平台方位

平台方位是指平台北(通常指垂直于平台长边的方向)与大地真北的位置关系。在确定平台方位时通常需要考虑主流向、主风向和主浪向，平台与整个油田的整体关系等[8]。图7所示的平台方位有利于在主风向条件下平台供应船安全靠船，利于直升机抵离平台，便于平台上可燃气体扩散。

2.2 确定井口区布置

平台方位确定后，可按照前文内容确定张紧器位置、井槽间距及甲板层间距等。

图7 主甲板布置图Fig.7 Layout for main deck

2.3 初步规划设施布置

在确定井口区布置后对平台设施进行布置。主甲板通常用于布置钻机、生活楼和直升机甲板等设施。其余设施通常布置在生产甲板。根据工艺流程将油水分离设施、生产水处理设施等危险设备布置在主风向的下风向，将公用/仪表气系统、工作间等非危险设施布置在主风向的上风向，以保障平台安全。由于TLP平台船体通常是由四个立柱围成的正方形，上部模块甲板也应尽量规划成正方形，以与船体对应。

2.4 确定主结构梁位置

TLP平台上部模块的主结构梁通常有两组，其中一组结构梁布置在上部模块内部，环绕井口区，横向纵向各2根,见图7中B轴、C轴、2轴和3轴。而另一组布置在上部模块外围，同样为横向纵向各2根，见图7中A轴、D轴、1轴和4轴。外围梁的具体位置需与上部模块与船体的连接结构相对应，以便上部模块的载荷更好地传递到船体。根据结构强度需要，可在两组中间设其他结构梁。

2.5 核实重量重心

TLP对整个系统的平衡要求严格，整个系统的布置、尺度对重量的变化非常敏感[9]。在上部模块设备规划完成之后，要对模块的重量重心进行估算，避免超重或偏心的情况发生。如发生超重的情况，需要对设备、结构重量采取减重措施，如减少设计余量、减少甲板面积等。如发生偏心的情况，则需要对上部模块总体设计进行调整，具体措施包括调整钻机的灰罐、工作间、生活楼的位置等。通常上部模块重心偏心应控制在3 m以内，以减少对船体排水量的影响。同时结合张力腿平台船体的结构特点，可把淡水系统、柴油系统等公用设备布置在船体之中以减少上部模块重量并适当降低重心。

3 结 语

随着我国海洋工程事业不断向深水挺进，TLP、SPAR等适用于中、深水油气田的浮式海洋平台将逐渐在国内进入高速发展通道，有广泛的应用前景。本文结合南海某油田TLP平台的设计经验，介绍了TLP平台井口区设计技术，总结了TLP上部模块的设计方法，以期为同行业人员提供支持与参考，为TLP平台在国内的成功应用奠定基础。

[1] 董艳秋,胡志敏,张翼. 张力腿平台及其基础设计[J].海洋工程，2000,18(4)：63.

[2] 徐万海,曾晓辉,吴应湘,等. 深水张力腿平台与系泊系统的耦合动力响应[J].振动与冲击，2009,28(2)：145.

[3] 谷家扬,吕海宁,杨建民.随机波浪中张力腿平台耦合运动及系泊系统特性研究[J].2012,30(4)：42.

[4] 谷家扬,黄祥宏,卢燕祥.基于DES方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究[J].2015,19(1-2)：52.

[5] 闫功伟，欧阳萍.张力腿平台的整体设计及拟静力性能分析[J].船海工程,2009,38(5):142.

[6] 石云,周晓东,曹静,等. 波流作用下的张力腿平台顶张紧式立管干涉分析[J].海洋工程装备与技术,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] 王忠畅，高静坤，谢彬，等.张力腿平台总体尺度规划研究[J].中国海上油气,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

巴砚(1987—)，男，工程师，主要从事海上平台总体布置方面的研究。

P751

A

2095-7297(2015)05-0320-05