TLP平臺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(Tension Leg Platform，即張力腿平臺)作為浮式平臺的一種，在國際上已廣泛應用于深水油氣田開發(fā)。在中國南海某油田開發(fā)前期研究中，首次涉及到TLP方案研究，并對其設計、建造和安裝技術進行了探索。其中TLP上部模塊總體布置技術對TLP平臺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, 分析其在總體布置上不同于導管架平臺的特殊要求，并結合這些特點設計具體的布置方案。該文結合前期研究中的一個TLP開發(fā)方案實例，對TLP上部模塊總體布置的特點進行了總結，供海洋石油工程設計人員參考。

深水；張力腿平臺；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)開發(fā)和深水開采技術的逐漸成熟，海洋石油工業(yè)正走向深水時代。深水油氣田開發(fā)所用的浮式平臺主要有半潛式平臺、Spar平臺以及TLP平臺。浮式平臺沒有連接平臺與海底的桁架結構，僅靠自身的浮力來支撐其上部的重量，使得平臺在水深時成本不會大幅增加，降低了深水油氣田開發(fā)的成本。TLP作為其中的一種，在國際上得到了廣泛的應用[1]，但在國內(nèi)尚無實際應用案例。由于上部模塊總體布置對TLP平臺性能有著重要的影響，因此需要對TLP平臺的結構和形式進行了解，并探索上部模塊總體布置原則和特點，分析其在總體布置上區(qū)別于導管架平臺的特殊要求，并結合這些特點設計具體的布置方案。

1 TLP平臺簡介

圖1 張力腿平臺結構組成

TLP平臺由上部模塊、主船體(包括浮箱和立柱)、張力腿筋腱(TENDON)、張力腿基礎、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式平臺，通過數(shù)條張力腿與海底相接，其張力筋腱(TENDON)中具有很大的預張力，這種預張力是由平臺本體的剩余浮力提供的。TLP平臺可以避免結構和波浪的主頻率發(fā)生共振，有著優(yōu)良的動力性能。由于其平面外的運動近似于剛性，橫搖、縱搖、垂蕩的運動幅度都比較小，可以非常方便地安裝干式采油樹系統(tǒng)，因此TLP平臺非常適合用作深水區(qū)域的采油作業(yè)。

自1954年美國學者R.D. Marsh最早提出的張力索組平臺概念以來，TLP平臺在理論研究和實際生產(chǎn)上都取得了長足的進步[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個立柱和4個連接的浮體組成，立柱的水線面較大，穩(wěn)性較好，并通過張力腿固定于海底。SeaStar TLP僅在甲板和浮筒間使用一個中央柱，上端支撐平臺甲板，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減少。E-TLP是由傳統(tǒng)TLP改進的，在環(huán)形浮箱的每一個角上，都有一個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

2 TLP平臺上部模塊總體布置基本原則

TLP平臺上部模塊總體布置對于平臺的穩(wěn)性、安全性能都有直接的影響，因此，布置時主要考慮的原則就是系統(tǒng)的安全性、可操作性和經(jīng)濟性。為了達到這樣的設計目的，在總體布置時，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)境條件確定平臺方位，滿足火炬的布置要求以及工作船的?？亢椭鄙w機的安全起降等因素；

(3) 平臺的設施、設備布置應考慮重量在甲板上均勻分布，盡量減小偏心；

(4) 平臺的設施、設備布置應考慮上部模塊的安裝方式和安裝要求；

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

3 TLP平臺總體布置方案介紹

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

直升機甲板設在生活樓房間頂部，在布置時，考慮了所在海域的風向，保證直升機起降的安全，并保證平臺火炬等設施不會形成干擾。

主甲板東側布置了可容90人的生活樓，兩艘救生艇懸掛于生活樓東側舷外，直升機甲板位于生活樓頂，生活樓的北側布置了氮氣系統(tǒng)、工廠風和儀表風系統(tǒng)。主甲板東南側布置了一些水處理的設施。主甲板中部是井口區(qū)，布置了16口井槽，按照4×4排列。西側是鉆機模塊(不包含泥漿系統(tǒng))。甲板南、北側各設有一臺吊機，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)甲板東側布置了兩層電氣房間。電氣房間的南北側布置了海水處理系統(tǒng)和消防泵等安全設施，西側布置了A60防火墻，以分隔危險區(qū)和安全區(qū)。生產(chǎn)甲板中部是井口區(qū)，安裝了采油樹。井槽北側布置了管匯、加熱器等，西側布置了分離器、外輸泵等處理設施。井槽南側布置了開閉排系統(tǒng)。此外，甲板西側布置了泥漿系統(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平臺上部模塊總體布置特點

作為海上油氣開發(fā)設施，TLP平臺上部模塊總體布置方法與導管架平臺有很多相似之處，但作為浮式平臺，其布置也有著區(qū)別于導管架平臺的特點，在完成幾個TLP方案的總體布置研究后，將TLP平臺上部模塊布置的一些特點總結如下：

(1) TLP平臺對重心的要求很高，既要嚴格控制重心的高度，又要讓偏心在可控范圍之內(nèi)。在進行總體布置設計時，需要及時同結構專業(yè)溝通，以做好重心控制。機械設備選型時，應盡量選取臥式設備，盡量將較大較重的設備布置在下層甲板。在本次設計中，由于鉆機模塊過大，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平臺對風比較敏感，因為較大的風力會造成其偏移。布置時，在沒有其它不利影響的前提下，應盡量將其較窄的一面對著主風向，可減少受風面積，使平臺受到風的影響較小。

(3) 在考慮主梁布置時，應將四個主梁圍成正方形(或者接近正方形)，在進行面積和軸線的調(diào)整時，也要在保證主梁圍成正方形的前提下，再通過適當調(diào)整外圍飄出的甲板長度，來實現(xiàn)總圖面積的優(yōu)化。這是由于四個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，導管架平臺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平臺的主甲板和生產(chǎn)甲板面積應盡量避免差異。

(4) TLP平臺的柴油罐、淡水罐及其配套的泵和過濾器等安全設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、各類泵護管等需要從海里登上平臺的管道，應從四個立柱處爬上平臺，因此，對應的清管球收發(fā)器、海水提升泵、柴油消防泵、電動消防泵等設備，均布置在平臺的生產(chǎn)甲板上對應于立柱的區(qū)域。

(6) TLP平臺的井口間距要比導管架平臺大，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。這是因為TLP平臺井口區(qū)上來的生產(chǎn)立管，相對平臺會有所運動，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，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，采油樹區(qū)域需安裝一個局部二層甲板，便于進行采油樹的日常維護、儀表檢修等操作。

(7) 深水的水下作業(yè)離不開ROV的使用，在TLP平臺上，往往會設計一個ROV月池，通常距離吊機較近，便于進行吊起和下放ROV的操作。

(8) 如果生產(chǎn)甲板面積大于主甲板，主甲板無法完全覆蓋住生產(chǎn)甲板，則需要考慮防止落物的問題。這時可以考慮在主甲板設置人員防護欄，以減小甲板重量，同時避免落物。

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

5 結語

盡管目前TLP平臺在國內(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發(fā)中有著廣闊的應用前景，因此，對TLP平臺設計、建造和安裝的研究具有重大的意義。作為總體布置設計人員，也需要不斷積累經(jīng)驗，在導管架平臺設計經(jīng)驗的基礎上，結合國外已建TLP平臺的成功經(jīng)驗，找出TLP平臺上部模塊總體布置的設計方法，為TLP平臺在國內(nèi)的成功應用奠定基礎。

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

[2] 楊雄文，樊洪海. TLP平臺結構型式及其總體性能分析 [J].石油機械，2008，36 (5):70-73.

[3] 中國海洋石油總公司.海洋石油工程設計指南(設計概論與工藝設計分冊)[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

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