18.9m,装有一座1000马力的钻塔。张力筋腱共6根,每两根为一组与悬臂式浮筒外端相连,张力筋腱直径0.81m,下端连接海底桩基,桩基共6根,每根直径2.44m、长126.5,总重2100t。这四座TLP的资料见表2所列。
表2 SeaStar系列TLP资料列表(重量单位:t 尺度单位:m)名称MorpethTyphoonMatterhorn公司British BorneoChevronTotalFinaElf水深建成年份5186408601998199920012004位置Ewing Bank block 921Green Canyon Block 254Green Canyon Block 237有效载荷400040005000中央柱直径高度17.717.717.725.634.134.134.138.1张力腿数 量6666AlleghenyBritish Borneo1006Mississippi Canyon Block 24311000 (2) MOSES Mini-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(图4)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:
图4 MOSES TLP 总体图
在平台主体方面。MOSES TLP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
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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 Picter 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。MOSES TLP取消了传统的中央井结构。其立管系统是沿着平台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,立管的活动只有两英尺左右,大大小于传统造价更低,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。
在平台上体方面,MOSES TLP的上体采用了降低成本的导管架平台甲板设计,重量相对较轻。平台上体和主体结构以及立管张力之间不会相互影响。
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MOSES TLP是EIPaso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。Prince TLP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。
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Prince TLP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4645m2,顶层甲板可以安装一台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。
1999年,Prince TLP在德克萨斯州德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。
EI 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Spars International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EI 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。
目前,世界上还有一座MOSES TLP正在建造中,这便是Anadarko公司的Marco Polo TLP,这座TLP的规模更大,其体积是Prince TLP的两倍还有余,上体重量(包括甲板钢结构)达到了14300t。从尺度和吨位上来看,Marco Polo已经和传统大型TLP不相上下,但是由于该平台仍然采用了MODEC公司的MOSES树采油系统,设计日产量为100000桶原油、700万m3天然气。
Marco Polo TLP在2003年末安装在墨西哥湾的Green Canyon Block 608,水深1310m,打破由Ursa TLP保持的1133m的TLP工作水深世界记录。正式产油在2004年第一季度实现。
4、 ETLP的发展状况
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
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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,在环形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。
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图5 ETLP
目前世界有三座ETLP在建,其中最早落成的一座是ExxonMobil公司的Kizomba A ETLP(图4),该平台位于西非安哥拉沿海的Block 15,水深1250m,于2003年9月安装下水,在2004年开始正式生产,日产原油250000bbl。Kizomba A 的主体尺度为120m×120m×42m(长×宽×高),重13000t,上体尺度为80m×80m×37m,重12000t,平台总重超过58000t。该平台为四柱式ETLP,方形立柱,主体通过8条张力筋腱与海底基础相连。Kiaomba A ETLP 建成投产一年之后,Exxon Mobil公司还将在Block 15建成一座ETLP,名为Kizomba B,该TLP的结构和尺度几乎和Kizomba A完全一样,主体由韩国现代重工负责制造,预计将于2005年6月安装下水。
2003年末,Conoco Phillips公司的Magnolia ETLP在墨西哥湾的Garden Banks Block 783安装下水。该ETLP将打破Marco Polo TLP刚刚创下的TLP平台工作水深的世界记录,其工作水深将达到1433m。平台的立柱为圆柱形,上体支持6套干树系统,设计日产原油50000bbl,天然气425万m3。
5、 TLP的一种新发展
最近国外海洋工程界提出了浮式生产钻井系统(FPDSO)的新概念,即在浮式生产系统的基础上加上钻井的功能:浮式生产系统(FOSO)+张力腿钻井甲板(TLP)。
该装置采用类似张力腿平台的技术用拉索将钻井甲板系于海底,甲板载荷则通过舷外的重块系统平衡,重块位于水下100m,以避免波浪作用和减少摆动。该装置的优点是钻井甲板几乎没有升沉、纵摇和横摇运动对钻井甲板没有影响;没有吃水变化的限制;采油树和防喷器可方便地放在钻井甲板上。
这种装置分别于1998年6月和2000年10月在挪威的Marintek水池和荷兰的Marin水池进行了模型试验,并于2001年8月对巴西1200m水深的海域进行了可行性研究。
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