海洋石油工程概论论文

深海采油装置—张力腿平台概述

摘要：海洋工程油气开发逐步向深海域进军，目前主要的深海平台样式是张力腿平台，其结构一般有平台本体、张力腿系统和基础系统三部分组成。本文主要是对张力腿平台的分类及工作原理进行了简要个论述。

关键词：张力腿平台；分类；平台结构原理

深海石油、天然气资源的开发前景十分广阔，随着海洋工程开发技术的进步和发展，对深海石油资源的开发已不存在技术上的问题。由于深海环境恶劣，对相应的勘探、开采技术装备的设计和使用提出了更高的要求。其相关的决定因素有两个：其一是技术性问题，即在深海恶劣的环境载荷作用下，技术装备的总体性能要满足工作状态下正常作业的要求和极限状态安全性的要求；其二，深海石油装备应有较好的经济性相对较低的成本才有利于回收和较好的经济效益。目前在深海领域投入使用的海洋平台主要有两大类：固定式平台（主要是重力式）；顺应式平台（主要为张力腿式）。实践证明顺应式张力腿平台比之固定式平台较好地解决了技术性和经济性因素两者间的矛盾，其造价相对较低，总体性能优异，是深海水域的理想平台型式。

张力腿平台（Tension Leg Platform，简称TLP）是在平台本体上设置的多组有预张力的绷紧的钢质缆索即张力腿系统将其固定于海底锚固基础上，从而保证了平台本体与海底井口的相对位置

在允许的工作范围内。从结构上一般可以将其划分为五部分：平台上体、立柱（含横撑、斜撑）、下体（含沉箱）、张力腿、锚固基础。

TLP结构上的特点使其与同类平台如半潜式相比较，具有波浪中运动性能好、抗恶劣环境作用能力强等优点；与固定式平台相比，除了造价低以外，其抗震能力显著优于前者，且便于移位，可以重复利用，大大提高了其通用性和经济性。张力腿平台最重要的特点是平台的竖向运动很小，水平方向的运动是顺应式的，结构惯性力主要是水平方向的回弹力。

一、张力腿平台的分类

1、按照总体结构分类

根据张力腿平台结构形式进化的阶段，大致可将它们分为两个大类，即第一代张力腿平台和第二代张力腿平台。

第一代张力腿平台是最早出现的张力腿平台，也是当今世界上数量最多的张力腿平台。20世纪80年代的Hutton和 Jolliet平台是较早建成的平台，为传统张力腿平台提供了丰富的数据积累和优良的工作记录。

第二代张力腿平台出现于20世纪90年代初期，它是在第一代张力腿平台的基础上发展起来的。第二代张力腿平台在继承传统类型张力腿平台优良运动性能和良好经济效益的同时，对结构形式进行了优化改进，使张力腿平台更适合于深海环境，并且降低了建造成本。目前投入生产实践的第二代张力腿平台共分为三大系列，分别是由Atlantia公司设计的 SeaStar系列张力腿平台、由MODEC公司设计的MOSES系列张力腿平台以及由ABB公司设计的延伸式张力腿平台（简称ETLP）。

2、按照采油树位置不同分类

按照采油树安装位置的不同，张力腿平台可以划分为湿树平台和干树平台两大类。

湿树平台（wettreesplatform）的采油树位于海底，平台上安装有独立的全套生产处理设施以支持一定数量的海底油井。海底油井通过柔性输油管和钢制悬链线立管（简称SCR）与平台上生产设施相连，平台上的全部生产活动都要通过这些管线来进行。其优点是采油树位于海底，减少了平台上体的负载，不需要建造体积庞大的平台主体，因而降低了平台的总体造价。

干树平台（drytreesplatform）的采油树则位于平台之上，由垂直生产立管直接连接到位于平台井口甲板的采油树上。张力腿平台优良的运动性能，使其在安装干树系统方面具有很大的优势。干树平台的生产活动主要通过顶张紧立管来进行。其优点是海底油井和表面干树直接通过生产立管垂直连接，可在平台上体安装钻塔，使张力腿平台自行实现钻井、完井功能，避免了远期油田开发中需要调用其他钻井设施而使平台生产中断的问题。

3、按照功能和应用方式分类

按照功能和应用方式可将张力腿平台划分为大载荷张力腿平台、迷你型张力腿平台、井口张力腿平台三大类。

大载荷张力腿平台（largedeckloadTLP）是这三种张力腿平台中历史最悠久的一种类型，它是一种体积巨大、造价昂贵的张力腿平台形式，能够支持一套高生产能力的原油处理设施。目前全世界共有9座大载荷张力腿平台，其中3座位于北海油田，6座位于墨西哥湾。

迷你型张力腿平台（Mini-TLP）并不是一种简单缩小化的传统类型张力腿平台，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有效载荷的目标。迷你型张力腿平台相对于同等规模的传统类型张力腿平台，具有体积小、造价低、灵活性好、受环境载荷小等优点，非常适合于开发中小油田。

井口张力腿平台（Tension Leg Wellhead Platform，简称TLWP）是一种经济型的张力腿平台。与前两种张力腿平台不同，井口张力腿不能独立进行生产工作，在它的平台上体只安装有控井设施，而其他的石油生产和处理设施都安装在一艘位于平台附近的辅助生产设施上，如FPSO（浮式生产储油装置）等。TLP和FPSO之间通过管线相接，共同形成一套完整的海上油田开发系统。这种组合充分发挥了张力腿平台本体与生产立管系统之间相对运动量小、运动性能优良的优点，加之FPSO 运动灵活、装载量大、造价相对较低的长处，因此由张力腿平台承担钻探和井口操作的各项功能，而原油处理、储藏和运输等工作由FPSO完成。

二、张力腿平台的工作原理及性能

张力腿平台设计最主要的思想是使平台半顺应半刚性。它通过自身的结构形式，产生远大于结构自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分就称为剩余浮力，这部分剩余浮力与预张力平衡。预张力作用在张力腿平台的垂直张力腿系统上，使张力腿时刻处于受张拉的绷紧状态。较大的张力腿预张力使平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小，近似于刚性。张力腿将平台和海底固接在一起，为生产提供一个相对平稳安全的工作环境。另一方面，张力腿平台本体主要是直立浮筒结构，一般浮筒所受波浪力的水平方向分力较垂直方向分力大，因而通过张力腿在平面内的柔性，实现平台平面内的运动（纵荡、横荡和首摇），即为顺应式。这样，较大的环境载荷能够通过惯性力来平衡，而不需要通过结构内力来平衡。张力腿平台这样的结构形式使得结构具有良好的运动性能。

张力腿平台的张力腿系统在初始位置是直立的，平台的纵荡运动将不引起纵摇，但一般会和平台的垂向运动相耦合，即纵荡引起垂荡。在运动过程中没有一个张力腿松弛，它们始终保持等长度平行状态。如果有任意一个张力腿未校准，则会破坏这种理想的平衡性质。因此在张力腿平台的设计中，张腿锚固位置容许的偏差量很重要。同时，设想使用非平行的张力腿，这样的张力腿虽然亦可将平台固定于某一空间位置，但不平行的张力腿必然会在空间相交于一点，这一点将是平台横荡引起首摇的旋转中心。

张力腿平台在张力腿系泊系统张力变化和平台本体浮力变化控制下，平台平面内的运动固有频率低于波浪频率，而平面外的运动固有频率高于波浪频率。一座典型的张力腿平台，其垂荡运动的固有周期为2～4s，而纵横荡运动的固有周期为100～200s；横摇、纵摇运动固有周期均低于4s，而首摇的运动固有周期则高于40s。整个结构的频率跨越在海浪的一阶频率谱两端，从而避免了结