适用于南海深水海域的张力腿浮式平台方案研究

摘 要：本文针对南海500m中深水海域油田开发需求，结合油田环境条件与国内建造场地条件，设计形成能够适应组块-船体集成后整体拖航安装的“宽浮箱”TLP方案，并对其拖航稳性、安装稳性、极端条件下的运动响应与张力腿方案开展设计分析，分析结果表明：本方案能够满足国内建造与拖航要求，在南海千年一遇条件下最大偏移55m，张力腿最大张力38634KN，对应最小安全系数1.45，张力腿顶端和底部的最大倾角均小于10°，均满足设计要求。本研究成果具备建造安装便利性，为南海深水油田开发提供了有益的参考。  

关键词：张力腿浮式平台、张力腿、稳性分析、运动性能分析  

0引言  

当前中国南海油田主要的开发模式为“钢桩导管架+浮式生产储卸装置（Floating Production Storage Offloading, FPSO）”，一般认为钢桩导管架平台适应水深为400m以内，随着水深的增加，钢桩导管架的整体成本显著增加。目标油田位于南海500m水深区域，难以采用钢桩导管架平台进行经济性开发。另一方面，目标油田开发井口数多、钻井费用高、井下操作复杂，需要浮式平台具有钻井和修井功能，这使得浮式平台需要具备支撑多干式井口的开发能力。目前工业界得到广泛应用的干式浮式平台仅有深吃水立柱式平台（Spar）和张力腿平台（Tension Leg Platform, TLP）两种，Spar与TLP的主要技术对比如图1所示。考虑到适应水深、开发井口数适应性、甲板面积、海上安装难度等方面要求，TLP更适应目标油田开发需求，拟选择TLP方案开展研究。

图1 Spar与TLP平台适应情况对比^[1]  

目前全世界先后共投产30艘TLP，1艘退役，1艘被台风摧毁，最小服役水深为184m，主流服役水深为400~1500m，能够良好适应目标油田开发水深要求。TLP包括四种主要类型：经典TLP、Seastar TLP、MOSES TLP、ETLP，四种TLP主要技术参数对比如图2所示^[1][2]。经典TLP占TLP服役数量的50%，具有适应水深范围广、负载比高、适应井口数多、技术成熟可靠的优点，同时不存在专利限制，本项目选择经典TLP作为目标TLP浮式平台型式进行设计研究。  

a.TLP平台类型、服役水深与干式井口数对比

b.TLP平台类型、服役水深与组块重量对比  

c. TLP平台类型、服役水深与负载比（组块重量/排水量）对比  

图2 四种TLP主要技术参数对比  

1设计输入条件  

1.1 目标油田环境条件参数  

目标油田水深500m，百年一遇、千年一遇环境条件及其与临近油田相关参数对比如表1所示。通过表1可以发现，该海域环境条件相比于临近海域略为温和，百年一遇波高条件基本，千年一遇波浪条件显著降低；极端环境条件下表面流速、一小时平均风速基本相当。  

表1 环境条件参数对比  

1.2 开发要求  

目标油田离岸200公里以上，周边缺乏依托设施，需要采用浮式生产装置进行独立开发。油田井口数量达到20口以上，同时，由于油品物性特点以及井口压力限制，浮式平台需要具备钻井与修井功能。综合油田整体客观情况，拟布置一艘FPSO及TLP浮式平台进行油田开发。  

TLP平台对于组块重量较为敏感，由于目标油田井口数较多，达到24口，同时需要平台具备钻井修井功能，平台功能不宜过多，除钻井机具、相关配套电力设施以及生活设施外，TLP平台不配备相关生产设备，生产设备尽量布置在FPSO上以充分降低TLP组块重量，提高经济性。组块操作重量为1.6万吨，干重1.2万吨，TLP平台以此为输入条件开展主尺度设计。  

1.3 建造拖航限制条件  

TLP平台船体可采用场地建造或船坞建造的方式，组块与船体可采用顶升或吊装方式实现与船体的集成。完成集成平台后续拖带至场地码头进行调试，随后拖带出港。这就要求平台在总装集成后整体吃水不超过9m，以满足国内多数建造场地码头水深以及航道条件要求。  

在集成完毕后平台可选择湿拖运输，但由于张力腿平台较为紧凑，相比于半潜式生产平台，其稳性较弱，需评估其在极端条件下的稳性能力。同时，平台就位后需要增加吃水以完成张力腿的回接作业，整个操作过程需要满足稳性要求。  

1.4 运动周期设计与稳性设计要求  

TLP平台在张力腿系统牵引与刚度贡献下，升沉及横摇、纵摇运动固有周期原理波浪主要能量范围（3~30s），从而实现较好的在位运动性能。通常要求这三个运动自由度的运动固有周期为2~5s，位于2~3s为宜。  

平台拖航主要包括三个主要工况，对应的稳性要求主要包括^[4]：  

1）集成出坞，要求稳性高至少大于1m；  

2）拖航完整条件要求稳性高大于1m，100节风速下面积比大于1.3，恢复力臂大于0；破舱条件50节风速下稳性高大于1m，破舱倾斜角度小于17°，非水密点高度大于4m，浸水点至第一交点大于7°，第二交点至第一交点大于7°，稳性范围内恢复力臂是风倾力臂的2倍以上。  

1.5 张力腿系统设计要求  

根据规范要求^[5][6]，TLP的分析主要包括四类工况：A操作工况，B极端工况，S生存工况，C疲劳工况。以生存工况为例，对于平台整体分析提出的主要校核要求有：  

1）生存工况张力腿最大张力安全系数不小于1.1；  

2）张力腿底部张力需大于0kN；  

3）张力腿顶部倾角小于11°；  

4）张力腿底部倾角小于12°；  

5）极端工况平台甲板不发生甲板上浪等。  

此外，为保证极端条件下顶张紧式立管（Top Tension Riser，TTR）安全，平台的整体平面偏移应小于60m（12%水深）。  

2 TLP方案  

2.1 主尺度方案  

目标平台采用经典TLP型式，由四个立柱和四个浮箱组成，平台整体在位吃水28m，总长总宽为82m，立柱间距62m，立柱直径20m，整体在位排水量为5.5万吨，具体设计及参数如下表所示。  

传统经典TLP的浮箱一般为“窄浮箱”设计，浮箱宽度一般与高度相当，宽高比一般为1，“窄浮箱”能够有效降低在位条件下的升沉波浪载荷，但由于排水体积小，在组块与船体集成后的拖航安装操作对码头与航道水深条件要求较高。考虑到国内主要建造场地码头水深及航道水深多数为9m以内，平台组块与船体集成吃水不应大于9m，这就要求船体具有一定的排水体积以满足拖航吃水要求。  

本TLP方案中没有采用传统的窄浮箱型式，而是采用了“宽浮箱”方案，浮箱宽度达到12m，高度9m，宽高比达到1.33。宽高比的提升保证了平台集成吃水满足要求，也使得在位条件下垂向波浪载荷明显提升，给张力腿设计带来一定挑战。  

表2 张力腿平台主尺度参数  

图3 张力腿平台示意图  

2.2 张力腿方案  

考虑到服役水深500m及以往设计经验，TLP平台采用4×2（四组，每组两根张力腿，共8根张力腿）张力腿系统。刨除船体结构重量以及组块重量后，张力腿系统总预张力为14759t，单根张力腿预张力为1822t，破断力为56020kN。张力腿方案总预张力相当于排水量的27%，较为合理。  

经过设计分析迭代，选择直径为10寸、壁厚为1.8寸的张力腿，进行运动固有周期评估^[7]。  

单根张力腿轴向弹簧作用为： 

其中：EA为轴向刚度、L为张力腿长度。那么，张力腿系统对于平台Z向整体刚度贡献为：                  

式中n为张力腿数量。单根张力腿在横向起到的弹簧作用可以用（3）式表达，即：

其中： T_top为顶部张力，W_Tendon为张力腿水中重量。那么，张力腿系统对于平台平面内整体刚度贡献为：

浮式平台横摇/纵摇刚度可以表达为：

其中：I为水线面二阶面积矩，B为浮心位置，G为重心位置。考虑到张力腿张力作用，则张力腿系统对横摇/纵摇刚度的贡献可以表达为：

式中T为张力腿所受张力，C为张力腿上端悬挂点位置。  

经过初步计算，平台的纵荡、升沉以及横摇固有周期分别为：103s、2.72s和2.33s，均远离波浪主要能量范围，运动固有周期能够满足设计要求。  

3 设计分析  

3.1 拖航与安装稳性  

针对TLP平台船体开展分舱设计。平台立柱采用经典的“十字星”分舱布置，立柱几何中心设置通道，平面内设置四个舱室，浮箱按照等比例划分为两个舱室，在此基础上开展稳性分析。  

图4 张力腿平台的舱室划分  

针对TLP平台进行出坞、拖航、下放三个典型工况的完整稳性与破舱稳性分析。完整稳性分析如下表所示，分析结果表明：平台出坞工况稳性高满足设计要求；拖航工况在100节风速作用下面积比4.63满足设计要求；平台就位下放工况稳性高最小7.52m，满足设计要求。  

表3 完整稳性分析结果  

针对拖航工况开展破舱稳性分析，破舱稳性分析结果如下表所示，分析结果表明：在50节风速作用下，平台拖航工况能够满足各项稳性设计要求。  

表4 破舱稳性分析结果  

3.2 运动性能  

采用WADAM进行张力腿平台的水动力分析。WADAM是一款三维绕射/辐射水动力计算软件，TLP平台的水动力系数、一阶波浪载荷，二阶差频和频载荷通过WADAM软件求解，频域水动力计算采用面元法^[8]，平台平均水面以下部分面源模型如图5所示。采用控制面法进行计算二阶载荷并求解二阶和频、差频载荷。在运动求解分析中，将张力腿系统刚度通过外部刚度的形式添加到计算模型中，以得到合理的平台运动结果和载荷结果。

图5 张力腿平台水动力计算网格模型  

考虑张力腿耦合贡献，TLP平台运动固有周期为：纵荡102.1s，横荡102.1s，升沉2.68s，横摇2.49s，纵摇2.49s，艏摇66.9s。升沉、横摇/纵摇运动固有周期与极端工况波浪谱对比如图6所示，可以发现，平台的运动固有周期以及典型响应峰值均远离波浪能量集中周期范围，整体运动性能良好。  

图6 张力腿平台升沉、纵摇运动固有周期与极端海况波浪谱周期分布对比  

3.3 极端条件张力腿响应  

平台、张力腿以及TTR全耦合时域分析通过Orcaflex软件实现^[9]，完整的耦合计算模型如图7所示。在模型中，张力腿与TTR模型采用三维梁单元计算理论计算并被划分为合适数量的单元数目。在时域分析中，这些单元能够考虑自身重量、浮力、刚度，并可考虑附加质量、拖曳力系数等水动力载荷。  

在时域计算中，平台的风、流载荷通过建立等效的莫里森单元来考虑。平台的水动力分析通过WADAM实现，将WADAM的分析结果导入Orcaflex中来考虑平台受到的波浪载荷。为保证计算结果的随机性，每个工况都进行5个不同波浪种子的模拟。平台的水平漂移、加速度、张力腿响应等结果完全由时域模拟计算得出，计算结果为5个波浪种子模拟结果的均值。  

图7 TLP平台时域耦合分析模型  

千年一遇环境条件下，TLP平台极端情况下最大偏移55m，相当于水深的11%，重心最大下沉2.56m，最小气隙约5.06m。张力腿最大张力38634KN，最小安全系数1.45，张力腿顶端和底部的最大倾角均小于10°，均满足设计要求。  

表5 TLP平台运动分析结果汇总  

表6 TLP偏移与张力腿张力、倾角分析结果汇总  

4 结论  

本文针对500m深水孤立油田的开发需求，开展张力腿浮式平台设计研究，针对性提出了“宽浮箱”张力腿平台方案，并开展了舱室布置设计、稳性分析、运动性能分析以及张力腿响应分析，通过建立平台-张力腿-立管耦合计算模型，对平台运动、张力腿响应及平台甲板气隙等进行了全耦合时域分析并对计算结果进行了校核，相关分析结果表明：  

1）“宽浮箱”张力腿平台方案能够满足目标油田环境条件要求、建造拖航要求以及相关设计要求；  

2）平台方案能够满足稳性设计要求；  

3）平台整体运动性能良好，千年一遇条件下最大平面偏移为55m，仅为水深的11%；张力腿最大张力38634kN，张力安全系数以及倾斜角度均满足设计要求；  

4）平台气隙处于临界状态，有可能出现甲板上浪。  

“宽浮箱”张力腿平台方案能够良好地适应目标油田开发要求，降低总装集成作业对于建造场地与航道条件的要求，有效满足南海深水油气开发中对于复杂井下作业的需求，进一步助力南海深水油气资源开发。目前平台方案在甲板上浪、立管设计、平台尺度及舱室布置优化等方面还需进一步深入研究。  

参考文献  

[1].Offshore Magazine. 2010 Worldwide survey of TLP, TLWPs. [Online] Available: http://www.offshore-mag.com/maps-posters.html.   

[2].Steven J. Leverette; Stephen B. Hodges. The Tension Leg Platform: from Hutton to Big Foot[C]. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA, 2020.5.  

[3].高巍，张继春，朱为全. 南海“浅深水”海域经典TLP平台整体运动性能分析[J]. 船舶工程. 2017.6.  

[4].ABS MODU. Rules for building and classing Mobile offshore drilling units[S]. 2019.7.  

[5].API RP 2T. Planning, Designing, and Constructing Tension Leg Platforms, API Recommended Practice 2T[S], 2010.7.  

[6].API RP 2SK. Design and An alysis of Station Keeping Systems for Floating Structures, API Recommended Practice[S], 2008.5.  

[7].N.D.P.Barltrop. Floating Structures: A Guide for Design and A nalysis[M]. Houston: Oilfield Publication Inc,1998:Volume Two:11-29~11-57.  

[8].SESAM user manual WADAM: Wave an alysis by diffraction and Morison theory, valid from program version 9.6[M]. DNV. 2023.5  

[9].Orcina Ltd.Orcaflex User Manual 11.0e[M]. Orcina Ltd. Daltongate Ulverston Cumbria UK, 2021.5.

本文发表于 舰船科学技术，2025年7月