深水浮式平台的类型.docx

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深水浮式平台的类型

深水浮式平台的类型

深海有着强大的油气资源储备。

不断涌现的各种新型采油平台技术促进着深海采油技术的高速发展，这些技术概括起来可分为四大类：

张力腿式平台（TLP），单筒式平台（SPAR），半潜式平台（SEMI）和浮（船）式生产平台（FPSO）。

在每一大类中，又有很多不同的技术概念。

下面就不同型式的平台使用和特点分别做介绍。

图1：

深水平台类型

一、深海张力腿平台的发展概况及发展趋势

图2：

张力腿平台的发展

自1954年美国的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采油领域的两大主力军之一（另一种当前广泛使用的深海采油平台是Spar,将在后面部分中进行详细介绍）。

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地科学技术，TLP平台在降低成本，提高适应性、稳定性和安全性地道路上取得了长足地进步。

下面将简要介绍张力腿平台的总体结构，然后对1990年之后TLP平台的发展状况进行详细的论述。

1、张力腿平台总体结构简介

张力腿平台（TensionLegplatform,简称TLP）是一种典型的顺应式平台，通过数条张力腿与海底相连。

张力腿平台的张力筋腱中具有很大的预张力，这种预张力是由平台本体的剩余浮力提供的。

在这种以预张力形式出现的剩余浮力作用下，张力腿时刻处于受预拉的绷紧状态，从而使得平台本体在平面外的运动（横摇、纵摇、垂荡）近于刚性，而平面内的运动（横荡、纵荡、首摇）则显示出柔性，环境载荷可以通过平面内运动的惯性力而不是结构内力来平衡。

张力腿平台在各个自由度上的运动固有周期都远离常见的海洋能量集中频带，一座典型的TLP，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，这就避免了调和共振的发生，显示出良好的稳定性。

一座典型的TLP平台的总体结构，一般都是矩形或三角形，平台上体位于水面以上，通过4根或是3根立柱连接下体，立柱为圆柱型结构，主要作用是提供给平台本体必要的结构刚度。

平台的浮力由位于水面之下的沉体浮箱提供，浮箱首尾与各立柱相接，形成环状结构。

张力腿与立柱呈一一对应，每条张力腿由1~4根张力筋腱组成，上端固定在平台本体上，下端与海底基座模板相连，或是直接连接在桩基顶端。

有时候为了增加平台系统的侧向刚度，还会安装斜线系泊索系统，作为垂直张力腿系统的辅助。

海底基础将平台固定入位主要有桩基或是吸力式基础两种形式。

中央井位于平台上体，可以支持干树系统，生产立管通过中井上与生产设备相接，下与海底油井相接。

张力腿平台的总体结构特点，使它在深海作业具有运动性能好，抗恶劣环境作用能力强，造价低等优点，并且便于移位，可以重复利用，通用性好。

因此，张力腿平台作为优秀的深海平台，受到世界多国的高度重视，我国也将TLP技术列入第二个“863”计划，其发展一直朝气蓬勃。

2、典型TLP的发展状况

由于TLP在经济上和技术上的优势，使其获得了很大的发展。

从1990年至今，世界上相继建成8座典型的TLP，不断地打破水深和吨位的世界记录，并时有创新成果出现。

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，比较适合软粘海底地基。

SnorreTLP的产权后来划归NorskHydro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，HeidrunTLP与其它的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显着。

从1994年到2001年，shell石油公司在墨西哥湾相继制造了五座典型的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记录，其中Ursa的水深更是突破了千米大关，达到了1158米，证明了TLP设计在深水海域的实用性，从吨位上来看，Ursa是世界上目前最大的TLP，排水量达到了97500t。

典型TLP是目前世界上数量最多的TLP，占了平台总数的一半以上，并正朝着更大水深，更大吨位的方向发展。

表1是典型TLP的资料。

表11990年后建成的典型TLP基本情况

名称

形式

地理位置

水深（m）

就位时间

操作方

Hutton

CTLP

NorthSea

148

1984

ORYX

Jolliet

CTLP

GoM

536

1989

ConocoPhillips

Snorre

CTLP

Norway

300

1992

SagaPetro.

Auger

CTLP

GoM

872

1994

Shell

Heidrun

CTLP

Norw.Sea

350

1995

Statoil

Mars

CTLP

GoM

896

1996

Shell

Ram/Powell

CTLP

GoM

1143

1997

Shell

Morpeth

STLP

GoM

518

1998

Agip

URSA

CTLP

GoM

1219

1999

Shell

Marlin

CTLP

GoM

988

1999

BP

Allegheny

STLP

GoM

1006

1999

Agip

Typhoon

STLP

GoM

640

2001

ChevronTexaco

Brutus

CTLP

GoM

910

2001

Shell

Prince

MOSES

GoM

455

2001

ElPaso

WestSenoA

CTLP

Indonesia

1021

2002

UNOCAL

Matterhorn

STLP

GoM

860

2003

TotalFinaElf

MarcoPolo

MOSES

GoM

1311

2004

Anadarko

KizombaA

ETLP

WestAfrica

1177

2003

ExxonMobil

Magnolia

ETLP

GoM

1433

2004

ConocoPhillips

KizombaB

ETLP

WestAfrica

1100

2004

ExxonMobil

WestSenoB

CTLP

Indonesia

914

2005

UNOCAL

Okume

MOSES

Equit.Guinea

500

2006

AmeradaHess

Oveng

MOSES

Equit.Guinea

280

2006

AmeradaHess

Neptune

TLP

GoM

1510

2007

BHPB

目前张力腿平台有以下几种结构型式：

传统式（ConventionalTLP），海之星（SeastarTLP），MOSES（MOSESTLP），伸张式（ETLP），其中后三种型式相对于传统式可统称为新型TLP。

新型TLP的出现，使得TLP在安装技术及成本等方面有所改善，从而提高了TLP在各种浮式钻采平台的竞争力。

3、Mini－TLP的发展状况

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，以MODEC公司生产的PrinceMini-TLP为例，该平台的排水量为13200t，上体重量5500t，而一座具有相近上体重量的传统类型TLP，如JollietTLP，其排水量却有16700t。

Mini-TLP体积小、造价低、灵活性好、受环境载荷的影响也较传统TLP要小，非常适合于开发中小油田。

自1998年7月世界上第一座Mini-TLP—BritishBorneo公司的MorpethTLP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，另有一座在建，发展前景良好。

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SeaStarTLP系列，一是由MODEC公司设计的MOSESTLP系列，下文就将分别对这两种类型的Mini-TLP进行详细论述。

（1）SeaStarMini-TLP

SeaStarTLP是最早按照Mini-TLP概念设计的张力腿平台（图1），该TLP由Atlantia公司设计，经过多年的生产实践，SeaStarTLP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。

SeaStarTLP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，彼此在水面上的夹角为120度，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连。

图3SeaStar总体图

从1998年至2001年，世界在役和在建的SeaStarTLP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。

规模最大的一座是在建的TotalFinaElf公司的MatterhornTLP,这座TLP的体积和吨位都是其他三座TLP的近两倍，排水量达到23950t，设计吃水32m，干舷高度21m，中央柱主体有效半径（从浮筒顶端至中央柱中心的距离）54.6m，中央井直径11m，浮筒在中央柱处高度为12.8m，在外端的高度则减少为8.2m。

平台上体为双层甲板结构，甲板高度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。

（2）MOSESMini-TLP

MOSESTLP是“最小化深海水面设备结构”（MinimumOffshoreSurfaceEquipmentStructure）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。

MOSESTLP（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4MOSESTLP总体图

在平台主体方面。

MOSESTLP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SeaStarTLP不同，MOSESTLP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DrPicterWybro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，MOSESTLP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，MOSESTLP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MOSESTLP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，MOSESTLP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。

MOSESTLP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，MOSESTLP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，MOSESTLP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EIPaso公司的PrinceTLP，该平台于2001年在墨西哥湾的EwingBankBlocks1003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4645m2，顶层甲板可以安装一台1200HP的钻塔。

PrinceTLP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，PrinceTLP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。

EIPaso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MOSESTLP之外，还有Altantia公司的SuperSeaStarMini-TLP、Kvaerner公司的DeepDraftFloater、以及SparsInternational公司TrussSpar等三个平台方案，结果，MOSESTLP在竞争中脱颖而出，成为了EIPaso公司的最终选择，从这一点上也可以看出MOSESTLP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MOSESTLP正在建造中，这便是Anadarko公司的MarcoPoloTLP，这座TLP的规模更大，其体积是PrinceTLP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，MarcoPolo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。

MarcoPoloTLP在2003年末安装在墨西哥湾的GreenCanyonBlock608，水深1310m，打破由UrsaTLP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ExtendedTensionLegPlatform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最显着的特点，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。

图5ETLP

目前世界有三座ETLP在建，其中最早落成的一座是ExxonMobil公司的KizombaAETLP（图4），该平台位于西非安哥拉沿海的Block15，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。

KizombaA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。

KiaombaAETLP建成投产一年之后，ExxonMobil公司还将在Block15建成一座ETLP，名为KizombaB，该TLP的结构和尺度几乎和KizombaA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，ConocoPhillips公司的MagnoliaETLP在墨西哥湾的GardenBanksBlock783安装下水。

该ETLP将打破MarcoPoloTLP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。

二、单柱式（spar）生产平台的发展历程

随着近海油气工业朝着深水和超深水未勘探地区寻找新油气发现和生产的发展，SPAR平台已成为最富吸引力的发展概念之一。

图6、SPAR平台的发展

1、单柱式（spar）生产平台的发展历程

1987年，EdwardE.Horton在柱形浮标（spar）和张力腿平台概念的基础上提出一种用于深水的生产平台，即单柱平台（Spar

最近BP公司又委托MCDERMOTT.ALKER等公司共同设计建造五座桁架式单柱平台（Trussspar），用于水深1220～1830m的墨西哥湾海域。

这种平台主体的一部分由以前的圆柱型变为桁架结构，在架下部加以压载，当平台的储油能力要求不高时，这种结构更轻，运动性能和稳定性更好，更为经济有效。

单柱式平台的优点是造价低，便于安装，可以重复使用，因而对边际油田比较适用。

另外，它的柱体内部可以储油，它的大吃水形成对立管的良好保护，同时其运动响应对水深变化不敏感，更适宜于在深水海域应用，由于不需要另外的浮式储油系统，将生产和储油合在一个平台，这种平台特别适合于孤立的，不适合于铺设海底管线的油田。

图7Oryx生产和修井Spar的外轮廓图图8Oryx生产和修井Spar的内轮廓图

2、Oryx单柱平台

Oryx平台是Oryx能源公司委托JRayMcdermott公司于1996年建造安装的世界上第一座单柱式生产平台，图5所示为Oryx平台船体的外侧轮廓图，图6所示为其内侧轮廓图。

表10所示为特征参数。

Oryx平台用来从位于中央井座的多达16口井开采石油和天然气，油气经由穿越平台外部的锚链管的柔性管线外输。

表3Oryx单柱平台的详细数据

设备

井槽、立管、

套管

16井槽，立管9-5/8″，54lb/ft，L80套管

船舶

能力

设备和工作

载荷

3355吨

产油能力

25，000bfpd

甲板结构钢

1243吨

产气能力

30，000mcfd

船体结构重量

11791吨

管线泵

25，000bopd

船体舾装设