TLP平台的发展历史和现状

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自1954年美国的R.D.Marsh提出采用倾斜系泊方式的索群固定的海洋平台方案以来,张力腿平台(TLP)经过近50年的发展,已经形成了比较成熟的理论体系。1984年第一座实用化TLP——Hutton平台在北海建成之后,TLP在生产领域的应用也越来越普遍,逐渐成为了当今世界深海干树采油领域的两大主力 (另一种当前广泛使用的深海采油平台是Spar)。

进入上个世纪90年代之后,TLP平台的发展进一步加速,在生产区域方面,TLP的应用已经从北海和墨西哥湾扩展到了西非沿海;在平台种类方面,TLP已经在原有的传统类型TLP基础上,发展出了Mini-TLP、ETLP等多种新概念张力腿平台,加之不断地采用最新的科学技术,TLP平台在降低成本,提高适应性、稳定性和安全性的道路上取得了长足的进步。

图1 现有TLP平台名称及应用水深

经典TLP

1992年,挪威的Saga石油公司在Snorre油田第一期的开发工作中采用了TLP的设计方案,这是北海区域第一座真正意义上的深水平台结构,它引进了一种简单经济的海洋浮式结构的锚固基础——裙式重力基础,第一次使用轻质紧密型混凝土(LWA)制造大型吸力锚。Snorre平台一共使用了4个混凝土构吸力锚,每个重5200t。经过大量的实验模拟和生产实践,证明Snorre平台的混凝土基座是一种新型经济的海洋浮体结构的基础形式,比较适合软粘土海底地基。Snorre TLP的产权后来划归Norsk Hydro石油公司所有。

1995年,世界上第一座混凝土结构的张力腿平台在北海的Heidrun油田建成,平台的业主是挪威的Conoco石油公司,Heidrun TLP与其他的TLP相比,具有较大的吃水,平台本体和张力腿系统通过结构调整减小了一阶波浪运动,但是结构高阶的Ringing较其他TLP显著。

从1994年到2001年,Shell石油公司在墨西哥湾相继制造了五座传统类型的TLP,分别是Auger、Mars、Ram/Powell、Ursa和Brutus,1999年,BP建成了该公司第一座TLP,这6座张力腿平台接连打破了深海采油平台工作水深的世界纪录,其中Ursa的水深更是突破了千米大关,达到了1158m,证明了TLP设计在深水海域的实用性。从吨位上来看,Ursa是当时世界上最大的TLP,排水量达到了97500t。

传统类型TLP是目前世界上数量最多的TLP,占了平台总数的一半以上。

Mini-TLP

Mini-TLP不是一种简单缩小化的传统类型TLP,它通过对平台上体、立柱以及张力腿系统进行结构上的改进,从而达到优化各项参数、以更小吨位获得更大载荷的目标。自1998年7月世界上第一座Mini-TLP——British Borneo公司的Morpeth TLP安装下水以来,Mini-TLP在生产领域的应用发展迅速,截至2003年初,全世界已有在役的Mini-TLP五座。目前,世界上出现的Mini-TLP主要由两大系列,一是由Atlantia公司设计的SeaStar TLP系列,一是由MODEC公司设计的MOSES TLP系列。

（1）Seastar TLP

SeaStar TLP是最早按照Mini-TLP概念设计的张力腿平台,该TLP由Atlantia公司设计,经过多年的生产实践,SeaStar TLP被公认为一种安全、可靠、稳定、经济的张力腿平台形式,并已形成了一个完整的系列,其技术已经趋于成熟。

SeaStar TLP打破了传统类型TLP的三柱或四柱式结构,其主体采用了一种非常独特的单柱式设计,这一圆柱体结构称为中央柱,中央柱穿过水平面,上端支撑平台甲板,在接近下端的部位,通过内部的水平和斜拉牵条连接固定了三根矩形截面的浮筒,各浮筒向外延伸成悬臂梁结构,彼此在水平面上的夹角为120°,形成辐射状,且浮筒的末端截面逐渐缩小。这三根浮筒向平台本体提供浮力,并且在外端与张力腿系统连接。中央柱中开有中央井,立管系统通过中央井与上体管道相接。

从1998年至2001年,世界在役和在建的SeaStar TLP共4座,全部位于墨西哥湾,这些平台都采用海底桩基连接,上体都为双层甲板结构,其中Typhoon和Matterhorn是干树平台。

2005年，Chevron位于墨西哥湾的Typhoon TLP（Seastar TLP ）在飓风Rita的袭击中翻沉，最后作为人工鱼礁沉入海底，成为了第一座也是迄今为止唯一一座被台风摧毁的TLP平台。这一事件沉重打击了Sesatr TLP这一概念，由于这次事故，Seastar TLP也许将再也不被工业界所采用。

图2 Seastar TLP 和Moses TLP

（2）Moses TLP

MOSES TLP是“最小化深海水面设备结构”(Minimum Offshore Surface Equipment Structure)的简称,这种Mini-TLP是由MODEC公司开发的,设计排水量3000～50000t,工作水深范围300～1800m。

MOSES TLP继承了传统张力腿平台的各项主要优点(例如小垂荡运动等),同时又通过对传统TLP的结构进行全方位的改进,创新性地利用各项现有技术,从而以更低的造价提供与传统TLP同样的功能,其主要改进点在于以下各方面:

在平台主体方面。MOSESTLP的平台浮力主要由一个位于平台基座中的浮舱来提供,平台基座位于水面以下深处,形状比较特殊,基座中央为一正方体,每条棱沿对角线向外延伸形成悬臂梁结构,悬臂梁纵截面为三角形,张力腿系统就连接在这四条悬臂梁的顶端,这种特殊的平台基座的设计,能使张力腿系统所受到的动力载荷最小化。立柱与基座连为一体,分别坐落在基座顶面的四个边角上。

与单柱主体SeaStar TLP不同,MOSES TLP的主体设计仍然沿袭了传统TLP的四角柱结构,据该类平台的设计者Dr Pieter Wybro介绍,立柱之间保持一定距离能够提供给平台上体更大支撑力,改善甲板的受力情况,从而减少上体的建造费用。而与传统类型的TLP比较,MOSES TLP的立柱又要细得多,因此在近水线面处受力面积很小,减少了平台所受到的波浪载荷。为了降低建造成本,MOSES TLP主体采用了平面直角结构的设计,所有的模块,包括立柱都是多面体结构,这使平台主体的制造完全可以使用船厂的标准流水生产线制造,省去了很多建造工艺上的麻烦。

在张力腿系统方面。由于平台主体的特殊设计,降低了平台在“疲劳区域”中的运动响应,从而可以减少MOSES TLP的张力腿系统中的预张力,大大简化了张力腿系统的设计。平台的张力腿系统全部采用标准化部件制造,降低了制造成本。

在井口系统方面。MOSESTLP取消了传统的中央井结构。其立管系统是沿着平台外侧连接到安装在平台一端远离中心处的井口装置上,这一改动带来了很大的有利因素:

其一,使井口装置尽可能地远离生活区,提高了安全系数;

其二,MOSES TLP的偏心式井口装置设计,不但减小了事故发生的可能性,并且在发生故障后,由于立管/井口系统都位于平台外侧,检修也很方便。

在立管系统方面。MOSES TLP首次采用了一种被动式弹簧立管张紧系统,取代了传统的液压气动张紧系统。这一系统由一系列弹簧组构成,其结构刚度远比一般的立管张紧系统要大,在这种张紧系统的支撑下,立管的活动量只有两英尺左右,大大小于传统TLP上六英尺的立管活动量,显示了良好的稳定性。与传统的液压气动张紧系统相比,被动式弹簧张紧系统造价更低,结构更简单,几乎不需要维护,而且受环境载荷影响也较小。另外,由于弹簧组始终保持张紧状态,因此该系统还具有自动故障防护功能,即使是在发生全面故障的情况下,也不会损失立管,而传统的张紧系统则没有这种功能。

另外,MOSES TLP结构简单,安装方式灵活,可适用多种深海作业设备进行安装作业,如SSDV,多功能船、井架驳船等,主体可以直接拖航到安装地点,而不需要特种驳船运输,从而降低了平台安装费用。

世界上第一座MOSESTLP是El Paso公司的Prince TLP,该平台于2001年在墨西哥湾的Ewing Bank Blocks 1003安装下水,水深440m。PrinceTLP还是世界上第一座支持干树系统的Mini-TLP,设计日产50000桶原油、227万m3天然气。

PrinceTLP主体排水量为13200t,设计吃水34.7m。立柱为矩形截面,共四根,每根的截面尺度为长7m、宽5.5m。基座直径22.9m,悬臂梁顶端与张力腿系统相接,共有4条张力腿,每根张力腿由2条张力筋腱组成。张力筋腱由若干根标准铣加工钢管首尾连接而成,每段钢管的标准长度为89.3m,直径0.61m,壁厚0.021m,连接起来的张力筋腱总长度超过425m,下端通过筋腱插座与8根直径1.6m的海底桩基相连。平台上体为三层甲板结构,甲板总面积达到了4645 m2,顶层甲板上可以安装一台1200HP的钻塔。Prince TLP的主体钢结构重量只有3000t,提供的有效载荷却达到了5500t,其中甲板重1510t,上体重量3000t,另有555t平台压载。张力腿中的预张力也较传统TLP为小,只有3447t（这里指的应该是总和）。

1999年,Prince TLP在德克萨斯州的OTRC测试中心成功地进行了模型试验,实验模拟了该TLP在457m和1829m两个水深中的响应。实验结果十分理想,是OTRC所有平台测试中最佳的。数据显示,该种平台在风暴状态下,甲板加速度也只有20%g,波浪扰动小,高阶的“Ringing”和“Springing”运动几近于无。

El Paso公司在开发Prince油田的项目时曾采用了公开竞标的方式征集平台设计方案,当时参加竞标的除了MODEC公司的MOSES TLP之外,还有Altantia公司的Super SeaStar Mini-TLP、Kvaerner公司的Deep Draft Floater、以及SparsInternational公司Truss Spar等三个平台方案,结果,MOSES TLP在竞争中脱颖而出,成为了El Paso公司的最终选择,从这一点上也可以看出MOSES TLP在中小油田开发中是具有一定竞争力的。

截止到2015年，全世界共有4座Moses TLP投入运营。三座位于美国墨西哥湾，一座位于西非赤道几内亚。

ETLP

ETLP是Extended Tension Leg Platform的简称,中文意义为延伸式张力腿平台.这种新型的TLP设计概念是由ABB公司提出的。相对于传统类型的TLP,ETLP主要是在平台主体结构上做了改进,其主体由立柱和浮箱两大部分组成,按照立柱数目的不同可以分为三柱式ETLP和四柱式ETLP,立柱有方柱和圆柱两种形式,上端穿出水面支撑着平台上体,下端与浮箱结构相连,浮箱截面的形状为矩形,首尾相接形成环状基座结构,在环状基座的每一个边角上,都有一部分浮箱向外延伸形成悬臂梁,悬臂梁的顶端与张力腿相连接。这种延伸悬臂梁结构是ETLP区别于传统类型TLP最显著的特点,其得名也是由此。

ETLP的延伸悬臂梁设计有很大的益处。张力腿平台系泊点的分布范围是影响平台水动力性能的重要因素,在传统类型的TLP上,张力腿直接连接在立柱的边沿,系泊点的分布要受立柱间距的限制,而ETLP的张力腿上端则连接在延伸悬臂梁的外端,相应地增大了张力腿系泊点的分布范围,给予了设计者在选择立柱间距方面更大的灵活性,一座与传统类型TLP具有相同的系泊点分布范围的ETLP,其立柱可以安装到更靠近平台中心处,而立柱间距又直接决定了平台甲板的尺度,所以ETLP可以选择比传统TLP更小更轻的甲板,从而降低了平台的造价。

另外,因为TLP平台在码头停泊和拖航这两种状态下,主体处于最不稳定的状态,所以传统类型TLP在选择其主体尺度时,是把平台这两种最不稳定的状态作为设计依据的,而ETLP则省略了对这两种临时状态的考虑,其主体尺度的选择,是按照平台在工作状态下的稳定性来考虑的,相应地缩小了主体尺度、简化了主体结构。然而,在平台的系泊系统没有安装完毕之前,ETLP实际上是处于不稳定状态中的,为了弥补稳性,ETLP采用了一种叫做“临时稳性模块”(TSM)的装置,当平台处于在上述的两种不稳定状态下时,便把TSM临时安装在各条延伸悬臂梁上,以保证平台的基本稳性,平台安装完毕后,再将此模块拆卸下来,恢复平台的正常结构。

ETLP在主体设计上的这些改进使得这种平台的耗钢量大大减少,在提供相同有效载荷的情况下,一座ETLP的钢结构重量要比一座传统TLP少近40%。按照业界通用的一项反映TLP平台承载效率的参数---有效荷载/平台结构重量来计算,ETLP此项参数的数值在西非沿海能够达到1.1～1.2,在墨西哥湾能够达到0.8～0.9,而一座传统TLP却一般只能达到0.65,相比之下,ETLP具有明显的优势。

迄今为止，世界上共有4座ETLP投入运营，一座建造完毕等待安装。投入运营的4座ETLP中：一座位于巴西，两座位于安哥拉，一座位于美国墨西哥湾。一座ETLP预计安装在美国墨西哥湾。该平台投产后将成为世界上水深最深的TLP平台（Big Foot，水深1580m）。不过去年由于安装事故使得该平台的投产延期。