張力腿平臺海上安裝技術研究

王浩宇，黃山田，王火平，李 健，王 楊，魏佳廣

1.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300461

2.中海石油深海開發有限公司，廣東深圳 518067

3.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300452

4.中海油安全技術服務有限公司，天津300456

張力腿平臺海上安裝技術研究

王浩宇1，黃山田1，王火平2，李 健3，王 楊4，魏佳廣1

1.海洋石油工程股份有限公司安裝公司，天津 300461

2.中海石油深海開發有限公司，廣東深圳 518067

3.中海石油（中國）有限公司蓬勃作業公司，天津 300452

4.中海油安全技術服務有限公司，天津300456

張力腿平臺（TLP）是一種垂直系泊的順應式平臺，其主要工作原理是通過平臺自身的浮體結構，產生遠大于平臺自重的浮力，從而使張力腿產生預張緊力。張力腿平臺的結構形式使其海上安裝方式有別于傳統的樁基式導管架平臺，但其相關技術一直被國外公司掌握并壟斷。結合500 m水深油田生產裝備TLP自主研發課題，研究了張力腿平臺海上安裝的各個環節與關鍵技術，系統詳細地闡述了張力腿平臺的安裝方案作業流程，有助于打破國際關鍵壟斷，突破關鍵技術。同時，也為我國南海深水張力腿平臺的進一步研發與施工奠定理論基礎和技術儲備。

張力腿平臺（TLP）；海上安裝；深水

隨著淺海油氣田勘探開發逐漸趨于飽和，深水油氣田已成為了油氣生產的主要接替區。我國海洋油氣田的開發重點也逐步轉向深海區域。據統計，我國南海深水海域油氣儲量約為230億～300億t，有“第二個波斯灣”之稱，是未來主要的海上油氣增長點[1]。因此，開發研究深水采油平臺裝備是我國能源及經濟可持續發展的重要保障。

張力腿平臺（TLP）作為一種典型深水油氣田開發的平臺類型，經過20多年的發展逐步走向成熟，已經在國際上得到了較為廣泛的應用。目前世界上已投入使用的張力腿平臺共有24座，但相關技術一直被國外公司掌握并壟斷。打破國際壟斷，突破關鍵技術，掌握張力腿平臺相關海上安裝方案是推動我國南海油氣田開發的關鍵。依托“500 m水深油田生產裝備TLP自主研發”課題，研究張力腿平臺海上安裝各個環節與關鍵技術，有助于打破國外對張力腿平臺的技術壟斷，為我國南海油田的開發提供新的有效模式。

1 張力腿平臺特點

張力腿平臺是一種垂直系泊的順應式平臺，其主要原理是通過平臺自身的浮體結構，產生遠大于平臺自重的浮力，使張力腿時刻處于張緊狀態。當平臺受到水平風、浪載荷時，在張力腿張緊力的作用下，平臺具有自動恢復到平衡位置的趨勢。張力腿平臺這樣的結構形式使得它所受的環境載荷可以通過平臺自身的慣性力來得到平衡，從而使張力腿平臺具有良好的運動性[2]。

目前國外已投入使用的張力腿平臺的結構特征各有不同，但具有以下共同的特點[3]：

（1）張力腿平臺具有順應式結構物的特點，平臺在風、浪、流等作用下會發生水平位移，但由于張力腿的系泊，會使平臺圍繞一平衡位置運動。

（2）張力腿平臺在豎直方向接近于固定式結構，這使得張力腿平臺可以保留傳統的固定式生產平臺的許多生產與維護方式。

（3）平臺在張力腿預張緊力的作用下，幾乎不會產生垂蕩運動。張力腿平臺的結構形式也決定了平臺難有橫搖與縱搖運動，平臺的主要搖蕩運動為縱蕩、橫蕩和艏搖，因而具有良好的平穩特性。

（4）平臺結構通過張力腿實現垂直錨泊，因此，張力腿平臺沒有錨固半徑的限制。

（5）張力腿平臺可以通過合理選擇上浮體結構形式和設置合理的張力腿張緊力來決定張力腿系泊系統的剛度，進而調整張力腿平臺的固有震蕩周期，使其避開海面的波浪頻率。

2 張力腿平臺安裝設計參數

針對300～500 m水深油田的開發，傳統的固定式平臺已不再適合，張力腿平臺由于其優秀的運動性能成為南海深水油田開發較適合的方案?！?00 m水深油田生產裝備TLP自主研發”課題中張力腿平臺的安裝技術研究，就是以南海流花油田群16-2區塊相關數據為設計基礎。流花油田群包括流花16-2、流花11-1三井區等油田設施，流花16-2油田水深約403.7 m，位于中國南海珠江口盆地番禺低隆起最東端，東側和南側分別緊鄰東沙隆起和白云東凹，距香港東南約240 km。流花油田群原油具有低比重、低黏度、低含硫、低凝固點的特點[4]。圖1為流花油田群示意。流花16-2張力腿平臺設計參數參照文獻[5]。

3 張力腿平臺海上安裝技術方案設計

張力腿平臺的海上安裝過程，總體上可分為井口基盤與樁基安裝、張力腿組對與安裝、上部模塊對接安裝三個技術階段。

3.1 井口基盤和樁基安裝

圖1 流花油田群示意

張力腿平臺海上安裝，首先要進行的就是井口基盤與鋼樁的安裝作業。與傳統的導管架樁基式平臺不同，張力腿平臺的井口基盤與鋼樁在就位過程中，沒有類似導管架的限位結構。因此，在就位過程中，要應用海底定位信標并結合水下機器人（ROV）進行精就位作業[6]。其主要安裝方案如下：

（1）長基線（LBL）定位系統布置，即通過定位信標確定井口基盤與鋼樁精就位位置[5]。

（2）鋼樁運輸駁船的靠泊與扶正。流花16-2張力腿平臺設計有八根鋼樁，鋼樁運輸駁船靠泊主作業船后，首先將鋼樁平吊至起樁通道，待夾樁器將鋼樁夾緊后，將鋼樁扶正，如圖2所示。

圖2 鋼樁扶正示意

（3）鋼樁插樁作業。由于張力腿平臺沒有導管腿或是裙樁套筒等用來導向和限制鋼樁安裝位置的結構，其鋼樁插樁作業步驟如圖3所示流程進行，其插樁示意如圖4所示。

（4）打樁作業。鋼樁完成插樁作業后，即進行打樁作業。打樁錘起錘后，兩臺ROV也隨打樁錘一起入水，一臺ROV觀測打樁錘，另一臺觀測液壓管線；當鋼樁打樁至距離設計入泥深度約1.5 m（通過ROV觀測）時，再次核實鋼樁相對于基準面的高度，然后將鋼樁緩慢打至設計入泥深度。

圖3 鋼樁插樁作業流程示意

圖4 插樁作業示意

（5）安裝帶有陽極的張力腿導向裝置。鋼樁安裝完畢后，要在鋼樁頂端安裝帶有陽極的張力腿導向裝置，以便后續張力腿的安裝。在安裝之前，首先要測量鋼樁內部土塞高度，若土塞高度超過設計要求，則需要進行掏土塞作業，確保張力腿安裝時能夠順利與鋼樁內部的張力腿接收鍵（如圖5所示）相連接。

圖5 樁頭內部的張力腿接收鍵

3.2 張力腿安裝

張力腿是張力腿平臺中主要的受力錨泊單元，由頂部段（TTS）、主體段（MBS）和底部段（TBS）三部分構成。其中，頂部段有用于連接上部模塊的帶螺紋的調節段，底部段有用于插入鋼樁內部、與樁頭內部張力腿接收鍵連接的底接頭[7]，如圖6所示。

圖6 張力腿組成示意

張力腿在海上安裝作業之前，需要將前期設計、制作完成的張力腿組對接長平臺、臨時浮筒安裝平臺在主作業船設計位置進行安裝并調試好。張力腿組對接長平臺用于對接張力腿各個分段，臨時浮筒安裝平臺用于張力腿頂端安裝臨時浮筒（見圖7），以確保張力腿與鋼樁對接之后，張力腿在水中成豎直狀態，可以進行張力腿與上部模塊的對接作業。

圖7 張力腿組對接長平臺與臨時浮筒安裝平臺

張力腿的海上安裝作業，主要分4個步驟：

（1）固定張力腿底部分段TBS于組對接長平臺。

（2）起吊下一分段MBS，使用專用連接器與張力腿底部分段TBS連接。流花16-2張力腿平臺張力腿MBS段設計為4節，依次重復操作，直至MBS組對完成。

（3）安裝張力腿頂部分段TTS，對接完成后，移動張力腿至臨時浮筒安裝平臺，將浮筒固定于張力腿上，如圖8所示。

（4）起吊帶有浮筒的張力腿并下放（見圖9），在ROV監視下，插入鋼樁樁頭的張力腿接收裝置，如圖10所示。

圖8 張力腿浮筒安裝示意

圖9 張力腿起吊

圖10 張力腿插向接收裝置

依次將8個張力腿安裝完畢后，將相鄰立柱的張力腿用鋼絲繩索具進行連接、綁扎，避免浮筒碰撞破損導致張力腿傾倒，如圖11所示。

圖11 張力腿綁扎示意

3.3 上部模塊安裝

3.3.1 上部模塊濕拖運輸

上部模塊在青島船塢內總裝完成后，安裝出塢臨時助浮浮筒，當船塢注水后上部模塊浮起，在絞車的牽引下，平臺移動到船塢口。上部模塊出塢后，由港作拖輪協助拖帶至外錨地，在外錨地將臨時助浮浮筒拆除[8]。根據流花16-2張力腿平臺設計重量，其空船吃水為13 m，為保證其拖航穩性，通過傾斜計算得出其拖航吃水不得＜15 m，抗臺吃水不得＜25 m。

在正常拖航情況下，流花16-2張力腿平臺的計算拖航阻力如圖12所示。

圖12 不同風速下張力腿平臺計算拖航阻力

根據計算可以看出，在拖航航速為5 kn、風速為19.3 m/s時，所需的系柱拉力為8 428 kN，考慮80%的效率，系柱拉力不得小于10 535 kN。因此，TLP上部模塊的濕拖方案為前方用拖輪HYSY681（系柱拉力3 430 kN）、HYSY291（系柱拉力3 528 kN）和HYSY691（系柱拉力3 626 kN）作為主拖，后方連接兩個14 000 hp（10 297 kW）輔助拖輪進行協助穩船，如圖13所示。

圖13 TL P上部模塊濕拖示意

TLP上部模塊從青島濕拖至流花現場航程約1 300 n mile（見圖14），舟山海域、臺灣海峽流速較大。

3.3.2 上部模塊對接安裝

圖14 濕拖航線及航行時間對照

TLP上部模塊濕拖至平臺場址，在主浮吊作業船的協助下，進行TLP上部模塊對接作業。主要作業方案分為以下幾步：

（1）在平臺場址附近進行換拖作業。解除TLP上部模塊后方兩條輔助拖輪，將前方拖輪HYSY681和HYSY691分別移至TLP上部模塊的兩側，由拖輪協助主浮吊作業船掛拖TLP上部模塊尾部，如圖15所示。

圖15 TL P上部模塊現場換拖示意

（2）由HYSY291和主作業浮吊船作為主拖，HYSY681和HYSY691協助，將張力腿平臺緩慢移動至設計位置。

（3）解除張力腿頂部的綁扎，使張力腿恢復自由狀態。

（4）絞車下放牽引索，牽引索穿過TLP上部模塊腿部的張力腿套筒后，連接張力腿頂部，見圖16。

圖16 牽引索輔助張力腿連接示意

（5）TLP上部模塊壓載，同時回收牽引索，使張力腿穿過張力腿套筒后，進行平臺對接。

（6）完成平臺對接后，平臺排載，使張力腿達到設計預張力。

（7）回收張力腿浮筒。至此，張力腿平臺安裝完成。

4 結論

國家“十三五”規劃制訂了建設海洋強國的戰略，為積極響應國家南海大開發的發展規劃，本文依托“500 m水深油田生產裝備TLP自主研發”課題，開展了深水張力腿平臺的安裝設計技術研究，形成了一套完整的基于流花16-2油田的張力腿安裝方案，覆蓋了從張力腿平臺鋼樁安裝到最終上部模塊對接的整個海上安裝周期。通過該研究，掌握了主要深水浮式系統張力腿平臺的安裝關鍵技術，為張力腿平臺的工程應用奠定了理論基礎。

[1]張煜，馮永訓.海洋油氣田開發工程概論[M].北京：中國石化出版社，2011.

[2]張智，董艷秋，唐友剛，等.1990年后世界張力腿平臺的發展狀況[J].中國海洋平臺，2004，19（2）：5-11.

[3]吳家鳴.不同類型張力腿平臺的主要結構特征與技術特點[J].海洋科學，2014，38（4）：101-108.

[4]BIN X，AIXIA Z.Engineering mode and platform selection for deepwater oilfield development in South China Sea[J].ACTA PetrolScience，2007，28（1）：115-118.

[5]王浩宇，黃山田，王火平，等.張力腿平臺鋼樁精就位技術研究[J].石油工程建設，2017，43（4）:24-28.

[6]Chris Jones of Xenon Group.2010 worldwide survey of TLPs，TLWPs[J].Offshore Magazine，2010，70（2）：49.

[7]李牧.南海張力腿平臺優化選型研究[D].天津：天津大學，2010.

[8]董艷秋，胡志敏，張翼.張力腿平臺及其基礎設計[J].海洋工程，2000，18（4）：63-68.

Research on offshore installation technologyoftension leg platform

WANG Haoyu1，HUANG Shantian1，WANG Huoping2，LIJian3，WANG Yang4，WEIJiaguang1
1.Installation Company of Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300461，China
2.CNOOC Deepwater Development Co.，Ltd.，Shenzhen 518067，China
3.CNOOC China Limited-Pengbo Operating Company，Tianjin 300452，China
4.CNOOC Safety&Technology Services Co.，Ltd.，Tianjin 300456，China

Tension Leg Platform （TLP）is a kind of vertical mooring compliant platform.The main working principle of TLP is that the self floating structure of the platform can create the buoyancy which is far greater than the platform weight，so that the tension legs have the pre-tensioning force.The structure of the TLP makes it different from the traditional jacket platform，and its related technology has been mastered and monopolized by foreign companies.With the research and development project of 500 m water depth oilfield production equipment TLP，we research the various links and key technology of TLP offshore installation，give detailed and systematic installation process of TLP，which is helpful to break the international technical monopoly and master key technology.It also provides the theoretical basis and technical reserve for the further research and development of TLP in South China Sea.

tension leg platform （TLP）；offshore installation；deepwater

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.05.007

國家科技重大專項（2016ZX05057013）經費資助。

王浩宇（1985-），男，河北滄州人，工程師，2011年畢業于中國石油大學（華東）動力工程及工程熱物理專業，碩士，現從事海洋工程結構安裝設計研究工作。Email：wanghy3@mail.cooec.com.cn

2017-03-23；

2017-09-06