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(tái)(TLP)是一種應(yīng)用在中、深水的海洋平臺(tái)，在國(guó)外應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)以前沒(méi)有設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)。伴隨著中國(guó)海油的深海戰(zhàn)略，國(guó)內(nèi)以南海某油田作為目標(biāo)油田對(duì)TLP平臺(tái)進(jìn)行了概念研究和基本設(shè)計(jì)。結(jié)合研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了TLP平臺(tái)井口區(qū)總體設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了TLP平臺(tái)上部模塊總體設(shè)計(jì)方法,以期為浮式平臺(tái)上部模塊設(shè)計(jì)提供借鑒。

張力腿平臺(tái)；上部模塊；總體設(shè)計(jì)；井口區(qū)

0 引 言

隨著淺水油氣資源的持續(xù)開(kāi)采，我國(guó)海洋石油工業(yè)正著眼走向深水。張力腿平臺(tái)(TLP)作為一種廣泛應(yīng)用于國(guó)際中、深水油氣田開(kāi)發(fā)的海洋平臺(tái)，適應(yīng)水深范圍較廣，目前應(yīng)用水深從271 m(OVENG)到1 425 m(MAGNOLIA)。

中國(guó)南海某目標(biāo)油田水深404 m，經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)比選擬采用TLP平臺(tái)形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，由此進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)擬采用四立柱傳統(tǒng)型張力腿平臺(tái)(CTLP)，平臺(tái)上設(shè)干式采油樹(shù)、模塊鉆機(jī)、油水分離設(shè)施、生產(chǎn)水處理設(shè)施、相關(guān)輔助設(shè)施以及生活樓與直升機(jī)甲板，平臺(tái)電力由臨近的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)提供。平臺(tái)上共設(shè)16口井槽，呈4×4排列。

平臺(tái)的上部模塊是平臺(tái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)功能的主體，此前國(guó)內(nèi)對(duì)于張力腿平臺(tái)的研究主要基于張力腿平臺(tái)的形式、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及水動(dòng)力特性[1～4]，針對(duì)上部模塊的研究相對(duì)薄弱。上部模塊總體布置設(shè)計(jì)是TLP平臺(tái)設(shè)計(jì)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5]。本文介紹了TLP平臺(tái)井口區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了TLP平臺(tái)上部模塊總體設(shè)計(jì)方法。

1 井口區(qū)總體設(shè)計(jì)

TLP平臺(tái)作為浮式平臺(tái)，為減少鉆井時(shí)對(duì)平臺(tái)重心的影響，井口區(qū)一般布置在平臺(tái)中央。如圖1所示，TLP平臺(tái)井口區(qū)由采油樹(shù)、生產(chǎn)立管、張緊器、跨接管、臍帶纜、采油樹(shù)操作平臺(tái)等部分組成。其中，張緊器用來(lái)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的位移。井口區(qū)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)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(qū)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(chǎn)甲板和主甲板之間、懸掛在生產(chǎn)甲板底部。其中懸掛在主甲板底部與在生產(chǎn)甲板底部的布置方式相似，均為張緊器懸掛在甲板結(jié)構(gòu)梁下，如圖2所示。懸掛在生產(chǎn)甲板和主甲板之間的布置方式則是張緊器懸掛在單獨(dú)的結(jié)構(gòu)框架上，這個(gè)框架支撐在生產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用案例，其優(yōu)缺點(diǎn)如下：張緊器懸掛在主甲板底部的布置方式會(huì)使采油樹(shù)高超過(guò)主甲板面，需要在主甲板以上設(shè)置一層結(jié)構(gòu)梁來(lái)懸掛跨接管和臍帶纜，以保證二者間不會(huì)發(fā)生纏繞。張緊器懸掛在生產(chǎn)甲板和主甲板之間的布置方式會(huì)影響層間距。張緊器懸掛在生產(chǎn)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(shí)還需要增設(shè)張緊器操作甲板。表1是三種布置方式優(yōu)缺點(diǎn)的匯總。作業(yè)公司可根據(jù)各自的作業(yè)習(xí)慣及風(fēng)險(xiǎn)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(yōu)缺點(diǎn)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(chǎn)立管中心距。導(dǎo)管架平臺(tái)上井槽間距通常為1.8～2.5 m，而TLP平臺(tái)井槽間距一般為3～6 m，部分甚至高達(dá)8 m，如表2所示，因此井槽間距是影響上部模塊面積的關(guān)鍵因素之一。TLP平臺(tái)井槽間距的確定應(yīng)進(jìn)行干涉分析，以避免立管及采油樹(shù)、采油樹(shù)操作平臺(tái)、臍帶纜、跨接管的交叉干涉，同時(shí)井槽間距還應(yīng)滿足水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)入立管間檢測(cè)操作的空間需求[6]。

表2 部分張力腿平臺(tái)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(dǎo)管架固定平臺(tái)的層間距取決于甲板上設(shè)備、房間、管道、電儀托架等設(shè)施的高度需求。而TLP平臺(tái)上部模塊的層間距除了要滿足上述常規(guī)需求外，還應(yīng)滿足TTR與平臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需要的豎向空間。TTR所需層高由以下幾部分組成：井口區(qū)結(jié)構(gòu)梁尺寸,采油樹(shù)頂部安全距離，采油樹(shù)、立管的向上行程，生產(chǎn)軟管接頭以上的采油樹(shù)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(tái)選擇將張緊器布置在生產(chǎn)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(guò)立管的干涉分析、行程計(jì)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(qū)布置效果圖。

圖5 井口區(qū)效果圖Fig.5 Rendering of wellbay

2 上部模塊總體設(shè)計(jì)方法

上部模塊總體設(shè)計(jì)成果影響整個(gè)平臺(tái)的尺度、排水量、浮體運(yùn)動(dòng)性能等，還會(huì)影響平臺(tái)的建造、施工、安裝方案。圖6為T(mén)LP平臺(tái)上部模塊總體設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程。

圖6 上部模塊總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Flow chart of topside layout deisgn

2.1 確定平臺(tái)方位

平臺(tái)方位是指平臺(tái)北(通常指垂直于平臺(tái)長(zhǎng)邊的方向)與大地真北的位置關(guān)系。在確定平臺(tái)方位時(shí)通常需要考慮主流向、主風(fēng)向和主浪向，平臺(tái)與整個(gè)油田的整體關(guān)系等[8]。圖7所示的平臺(tái)方位有利于在主風(fēng)向條件下平臺(tái)供應(yīng)船安全靠船，利于直升機(jī)抵離平臺(tái)，便于平臺(tái)上可燃?xì)怏w擴(kuò)散。

2.2 確定井口區(qū)布置

平臺(tái)方位確定后，可按照前文內(nèi)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(guī)劃設(shè)施布置

在確定井口區(qū)布置后對(duì)平臺(tái)設(shè)施進(jìn)行布置。主甲板通常用于布置鉆機(jī)、生活樓和直升機(jī)甲板等設(shè)施。其余設(shè)施通常布置在生產(chǎn)甲板。根據(jù)工藝流程將油水分離設(shè)施、生產(chǎn)水處理設(shè)施等危險(xiǎn)設(shè)備布置在主風(fēng)向的下風(fēng)向，將公用/儀表氣系統(tǒng)、工作間等非危險(xiǎn)設(shè)施布置在主風(fēng)向的上風(fēng)向，以保障平臺(tái)安全。由于TLP平臺(tái)船體通常是由四個(gè)立柱圍成的正方形，上部模塊甲板也應(yīng)盡量規(guī)劃成正方形，以與船體對(duì)應(yīng)。

2.4 確定主結(jié)構(gòu)梁位置

TLP平臺(tái)上部模塊的主結(jié)構(gòu)梁通常有兩組，其中一組結(jié)構(gòu)梁布置在上部模塊內(nèi)部，環(huán)繞井口區(qū)，橫向縱向各2根,見(jiàn)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(jiàn)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(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，以便上部模塊的載荷更好地傳遞到船體。根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要，可在兩組中間設(shè)其他結(jié)構(gòu)梁。

2.5 核實(shí)重量重心

TLP對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的平衡要求嚴(yán)格，整個(gè)系統(tǒng)的布置、尺度對(duì)重量的變化非常敏感[9]。在上部模塊設(shè)備規(guī)劃完成之后，要對(duì)模塊的重量重心進(jìn)行估算，避免超重或偏心的情況發(fā)生。如發(fā)生超重的情況，需要對(duì)設(shè)備、結(jié)構(gòu)重量采取減重措施，如減少設(shè)計(jì)余量、減少甲板面積等。如發(fā)生偏心的情況，則需要對(duì)上部模塊總體設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，具體措施包括調(diào)整鉆機(jī)的灰罐、工作間、生活樓的位置等。通常上部模塊重心偏心應(yīng)控制在3 m以內(nèi)，以減少對(duì)船體排水量的影響。同時(shí)結(jié)合張力腿平臺(tái)船體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可把淡水系統(tǒng)、柴油系統(tǒng)等公用設(shè)備布置在船體之中以減少上部模塊重量并適當(dāng)降低重心。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)海洋工程事業(yè)不斷向深水挺進(jìn)，TLP、SPAR等適用于中、深水油氣田的浮式海洋平臺(tái)將逐漸在國(guó)內(nèi)進(jìn)入高速發(fā)展通道，有廣泛的應(yīng)用前景。本文結(jié)合南海某油田TLP平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹了TLP平臺(tái)井口區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)了TLP上部模塊的設(shè)計(jì)方法，以期為同行業(yè)人員提供支持與參考，為T(mén)LP平臺(tái)在國(guó)內(nèi)的成功應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1] 董艷秋,胡志敏,張翼. 張力腿平臺(tái)及其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].海洋工程，2000,18(4)：63.

[2] 徐萬(wàn)海,曾曉輝,吳應(yīng)湘,等. 深水張力腿平臺(tái)與系泊系統(tǒng)的耦合動(dòng)力響應(yīng)[J].振動(dòng)與沖擊，2009,28(2)：145.

[3] 谷家揚(yáng),呂海寧,楊建民.隨機(jī)波浪中張力腿平臺(tái)耦合運(yùn)動(dòng)及系泊系統(tǒng)特性研究[J].2012,30(4)：42.

[4] 谷家揚(yáng),黃祥宏,盧燕祥.基于DES方法的張力腿平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)水動(dòng)力特性研究[J].2015,19(1-2)：52.

[5] 閆功偉，歐陽(yáng)萍.張力腿平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)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(tái)頂張緊式立管干涉分析[J].海洋工程裝備與技術(shù),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(tái)總體尺度規(guī)劃研究[J].中國(guó)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(tái)總體布置方面的研究。

P751

A

2095-7297(2015)05-0320-05