張力腿平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖研究

魏佳廣，李懷亮，黃山田，張立邦，王浩宇，李 可

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

張力腿平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖研究

魏佳廣，李懷亮，黃山田，張立邦，王浩宇，李 可

海洋石油工程股份有限公司，天津 300461

TLP平臺(tái)的海上運(yùn)輸、安裝均屬高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高難度作業(yè)，其長(zhǎng)距離濕拖則更具挑戰(zhàn)性。以流花油田某TLP平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖為例，在給出了適應(yīng)中國(guó)海域TLP平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖設(shè)計(jì)嘗試方案的基礎(chǔ)上，計(jì)算了TLP平臺(tái)的拖航力，配置了濕拖資源（包括拖輪選型及配合方式），并對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析。模擬計(jì)算結(jié)果表明，該嘗試方案給出的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可為我國(guó)TLP長(zhǎng)距離濕拖工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

TLP平臺(tái)；長(zhǎng)距離濕拖；拖航阻力；運(yùn)動(dòng)分析

世界淺海油氣資源日益枯竭，深水已成為油氣儲(chǔ)量和產(chǎn)量的主要接替區(qū)。在“十二五”期間之前，我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)主要集中在渤海、黃海、南海西部等淺海區(qū)域，我國(guó)海洋工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)僅局限在300 m水深之內(nèi)，此水深范圍的工程設(shè)計(jì)、建造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)等方面的技術(shù)與國(guó)外基本同步。隨著淺海石油天然氣資源勘探開(kāi)發(fā)的日益枯竭，深水油氣開(kāi)發(fā)是世界油氣開(kāi)發(fā)的大勢(shì)所趨[1]，“十三五”期間我國(guó)深海油氣資源開(kāi)發(fā)也將迎來(lái)空前的發(fā)展良機(jī)。

目前應(yīng)用于深水開(kāi)發(fā)的浮式系統(tǒng)主要有SPAR、SEMI、FPSO、TLP四種結(jié)構(gòu)形式[2]。TLP（Tension Leg Platform）平臺(tái)作為國(guó)際上深水油氣田開(kāi)發(fā)設(shè)施中的一種重要形式，在國(guó)外已有近30年的應(yīng)用歷史，目前全球有近30座TLP平臺(tái)在使用，而TLP平臺(tái)的海上運(yùn)輸、安裝在我國(guó)尚屬首次。TLP平臺(tái)無(wú)論是模塊的重量、結(jié)構(gòu)型式等自身?xiàng)l件，還是水深限制等外部條件，其長(zhǎng)距離濕拖及海上安裝都存在著極大的技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)[3]。

本文基于流花油田某TLP平臺(tái)前期工程設(shè)計(jì)研究，主要從TLP的基礎(chǔ)參數(shù)、濕拖影響因素、拖航阻力、濕拖運(yùn)動(dòng)分析及濕拖方案設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面，針對(duì)TLP平臺(tái)的安裝難點(diǎn)之一長(zhǎng)距離濕拖進(jìn)行研究，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

1 流花油田TL P平臺(tái)簡(jiǎn)介

流花某油田位于中國(guó)南海珠江口盆地，油田水深約403.7 m，油田開(kāi)發(fā)的前期工程設(shè)計(jì)方案中首次考慮在國(guó)內(nèi)應(yīng)用TLP平臺(tái)。流花油田TLP平臺(tái)由上部組塊、浮體（hull）、張力腿（tendon）、頂張力井口立管和樁基礎(chǔ)（foundation pile） 構(gòu)成[4]，其概念設(shè)計(jì)的主要組成及各部件參數(shù)見(jiàn)表1。本刊2017年第4期的文章中對(duì)該平臺(tái)的概況已有介紹[5]，本文著重研究該平臺(tái)的長(zhǎng)距離濕拖運(yùn)輸工藝。

2 某TL P平臺(tái)濕拖方案設(shè)計(jì)

2.1 濕拖路線(xiàn)

流花油田某TLP平臺(tái)假定于青島船塢建造，并從青島碼頭濕拖至流花油田現(xiàn)場(chǎng)，濕拖航程約1 400 n mile，屬于長(zhǎng)距離濕拖。濕拖對(duì)航線(xiàn)的選擇、航速的設(shè)計(jì)、主拖資源的配置、應(yīng)急預(yù)案的制訂要求非常高。其濕拖路線(xiàn)主要途徑青島港、渤海、上海、舟山港、臺(tái)灣海峽、終至南海流花目標(biāo)油田。濕拖工藝流程主要為：青島船塢出港→青島外錨地傾斜試驗(yàn)→TLP平臺(tái)調(diào)載（轉(zhuǎn)換為濕拖模式，吃水與TLP出港時(shí)吃水設(shè)計(jì)不同）→濕拖拖帶系統(tǒng)連接及濕拖準(zhǔn)備→主拖輪濕拖TLP平臺(tái)至流花油田現(xiàn)場(chǎng)→TLP海上安裝。TLP平臺(tái)濕拖路線(xiàn)示意見(jiàn)圖1，濕拖參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 TL P平臺(tái)基礎(chǔ)參數(shù)

圖1 流花TL P平臺(tái)濕拖路線(xiàn)示意

表2 流花TL P平臺(tái)濕拖參數(shù)

2.2 濕拖阻力及資源配置

濕拖阻力的分析對(duì)于濕拖資源配置、濕拖速度的設(shè)計(jì)、工期的預(yù)估、方案的制訂非常關(guān)鍵。主拖輪的拖航能力取決于濕拖阻力的大小，一般來(lái)說(shuō)，濕拖阻力由三個(gè)因素組成：風(fēng)載荷、流力和平均漂移力，TLP平臺(tái)拖力的設(shè)計(jì)就是要考慮克服這三部分的阻力，此外還要留有一定的安全系數(shù)。

TLP平臺(tái)濕拖計(jì)算的環(huán)境條件取10年一遇的極端海況環(huán)境條件[6]，見(jiàn)表3，并以此確定拖輪資源配置（拖輪選型）。張力腿平臺(tái)可以采用平行拖拉方式，也可以采用對(duì)角方向拖拉方式，對(duì)角向拖拉方式比平行拖拉方式通常需要更大的拖力。

表3 TL P濕拖環(huán)境條件（10年一遇）

根據(jù)上述濕拖環(huán)境條件，計(jì)算流花TLP平臺(tái)濕拖吃水15 m時(shí)拖航阻力與速度的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2 TL P平臺(tái)濕拖阻力與拖航速度的關(guān)系

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)濕拖速度分別達(dá)到3、4、5 kn時(shí)，對(duì)應(yīng)拖航阻力分別達(dá)到4 640、6 310、8 600 kN，若按照濕拖5 kn航速來(lái)算，則所需拖航系柱拉力大于8 600 kN，再考慮80%的效率，可得系柱拉力不得小于10 750 kN。據(jù)此配置拖輪資源，根據(jù)國(guó)內(nèi)大部分拖輪資源的系柱力設(shè)計(jì)規(guī)格，可選擇采用3條拖輪主拖TLP的方式進(jìn)行濕拖，見(jiàn)表4、圖3。

2.3 運(yùn)動(dòng)分析

青島至流花油田航程約1 400 n mile，按照平均拖速4 kn計(jì)算，航行時(shí)間約15 d，因此長(zhǎng)距離濕拖需要制訂多種風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)急預(yù)案，以確保安全、順利濕拖TLP平臺(tái)至油田現(xiàn)場(chǎng)。

表4 TL P拖輪配置

圖3 TL P平臺(tái)濕拖方式

拖航過(guò)程中最常出現(xiàn)的情況是迎浪，即波浪從船首到船尾，為使計(jì)算結(jié)果更加全面可靠，對(duì)±45°方向來(lái)波情況也需要計(jì)算[7]。圖4為T(mén)LP模型，圖5為橫搖運(yùn)動(dòng)的幅值響應(yīng)函數(shù)RAO分析結(jié)果。

圖4 TL P平臺(tái)模型

圖5 TL P平臺(tái)運(yùn)動(dòng)分析

從上述計(jì)算結(jié)果得到，對(duì)于10年一遇的非颶風(fēng)環(huán)境工況，最大橫傾角7.69°，TLP平臺(tái)上部鉆機(jī)重心最大橫向加速度為0.180 g（g為重力加速度）；對(duì)于10年一遇的颶風(fēng)環(huán)境工況，最大橫傾角7.94°，TLP平臺(tái)上部鉆機(jī)重心最大橫向加速度為0.183 g，平臺(tái)的傾斜和搖晃均已經(jīng)考慮在橫向和縱向加速度中。針對(duì)15 m吃水在非颶風(fēng)工況下和25 m吃水在颶風(fēng)工況下作了分析，按照GLNoble Denton規(guī)范，為保證TLP平臺(tái)在10年一遇颶風(fēng)環(huán)境中能穩(wěn)定住，所需要的最小系柱拖力為2 690 kN。因此應(yīng)根據(jù)平臺(tái)的搖晃、升沉起伏情況，選擇好的天氣窗口濕拖TLP平臺(tái)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以流花油田某TLP平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖為例，在嘗試給出了適應(yīng)中國(guó)海域的TLP平臺(tái)長(zhǎng)距離濕拖設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，計(jì)算了TLP平臺(tái)的拖航力，配置了濕拖資源，并對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析。模擬計(jì)算結(jié)果表明，嘗試給出的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可為我國(guó)TLP長(zhǎng)距離濕拖工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

[1]段夢(mèng)蘭，陳永福，李林斌，等.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展[J].海洋工程，2000，18（1）：86-90.

[2]張智，董艷秋，唐友剛，等.1990年后世界TLP平臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2004，19（2）：35-39.

[3]劉錦昆.深水油氣田開(kāi)發(fā)海工平臺(tái)設(shè)施及其應(yīng)用[J].中國(guó)造船，2009，50（11）：58-64.

[4]馮加果，王世圣，李新仲，等.張力腿平臺(tái)濕拖完整穩(wěn)性及破艙穩(wěn)性研究[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2011，26（3）：40-46.

[5]魏佳廣，劉浩，黃山田，等.基于半潛船的TLP平臺(tái)干拖運(yùn)輸研究[J].石油工程建設(shè)，2017，43（4）：37-40.

[6]喻西崇，謝彬，金曉劍，等.國(guó)外深水氣田開(kāi)發(fā)工程模式探討[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2009，3（6）：52-56.

[7]李新仲，王桂林，段夢(mèng)蘭，等.深水油氣田開(kāi)發(fā)中的浮式平臺(tái)新技術(shù)[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2010，4（8）：36-41.

Research of TLP long distance wet-towing

WEIJiaguang，LIHuailiang，HUANG Shantian，ZHANG Libang，WANG Haoyu，LIKe
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China

TLP platform is an important type of floating system in the international deepwater oil and gas field development.The offshore transportation and installation belongs to high technology，high risk and difficulty，especially for long distance wet-towing of TLP.The triallong distance wet-towing scheme of the Liuhua Oilfield TLP is designed to suit China sea area conditions.The towing force calculation，tugboat selection and cooperative wet-towing operations are studied，and the whole motion process during TLP wet-towing is numerically analyzed.The results show that the key design parameters of the trial wet-towing scheme meet the design requirements and have a certain reference for the TLP long distance wet-towing project in China.

TLP；long distance wet-towing；drag force；analysis of motion

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.013

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助、工信部“500 m水深油田生產(chǎn)裝備TLP自主研發(fā)”資助。

魏佳廣（1986-），男，甘肅白銀人，工程師，2011年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)主要從事海洋石油平臺(tái)等設(shè)施安裝設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)研究工作。Email：weijg@mail.cooec.com.cn

2017-10-02