张力腿平台
1.TLP的特征及工作原理
TLP（见图8-1）是一种半顺应式半刚性的平台，解决了传统移动式平台运动性能和定位性能难以满足深水作业需求的问题，广泛应用于深海油气开发领域。它不仅升沉运动较小，而且控制方向的张力对非控制方向的运动具有牵制作用，所以漂移摇摆的幅度也比一般半潜式平台小。TLP具有波浪中运动性能好、抵抗恶劣环境能力强、造价低、干湿采油树均可布置等优点，已成为海洋工业深水采油平台的主要形式之一。
TLP适用于水深较深的海域（300～2 000米）、且油气储量较大的油田。TLP一般由上部模块、甲板、下浮体、张力钢索及锚系、底基等几部分组成。下浮体可以是3～6组沉箱，下设3～6组张力钢索，垂直于海底锚定。平台及其下部浮体受海水浮力，使张力腿始终处于张紧状态，故在钻井或采油作业时，几乎没有升沉运动和平移运动，稳定性好。
图8-1 TLP
TLP设计最主要的思想是使平台半顺应半刚性。较大的张力腿预张力使平台平面外的运动（横摇、纵摇和升沉）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。此外，TLP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、横荡和艏摇），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。TLP这样的结构形式使得结构具有良好的运动性能。
TLP的张力腿系统在初始位置是直立的，平台的纵荡运动不会引起纵摇，但一般会和平台的垂向运动相耦合，即纵荡引起升沉。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TLP的设计中，张力腿锚固位置容许偏差量很重要。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艏摇的旋转中心。因此，在TLP设计中，张力腿保持平衡也很重要。
TLP在张力腿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TLP，其升沉运动的固有周期为2～4秒，而纵横荡运动的固有周期为100～200秒；横摇、纵摇运动固有周期均低于4秒，而艏摇的运动固有周期则高于40秒。整个结构的频率跨越在海浪的一阶频率谱两端，从而避免了结构和海浪能量集中的频率发生共振，使平台结构受力合理，动力性能良好。迄今为止，TLP有着良好的安全记录，这与结构设计上的成功是密不可分的。
2.TLP的类型
2018年统计世界上在役的TLP共有28座，另有1座待安装，1座在建。这些TLP的基本工作原理一致，但是结构形式以及应用方式却各不相同，为了清楚地区分它们，从以下三个方面对TLP进行分类。
1）按照总体结构分类
从1984年至今的30余年时间里，对TLP结构形式的优化一直是人们关注的热点问题。为了进一步降低TLP的成本，提高其适应性、稳定性和安全性，全世界的研究机构和石油公司不断提出新形式的TLP，并将其投入实际生产领域进行检验，从而形成了多种多样的TLP平台。根据TLP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TLP和第二代TLP。
第一代TLP是最早出现的TLP，称为传统类型的CTLP。也是投产最多的TLP。
自1984年以来，CTLP在生产实践中不断发展，其理论研究和工程应用已经趋于成熟。20世纪80年代，Hutton和Jolliet平台的生产应用，为传统TLP提供了丰富的数据积累和优良的工作记录。进入20世纪90年代以来，传统类型的TLP继续飞速发展，Snorre CTLP和Heidrun TLP分别于1992年和1995年相继建成，使北海的TLP数量达3座。从1994年到2001年，Shell石油公司又在墨西哥湾连续制造了5座传统类型的TLP，分别是Auger TLP、Mars TLP、Ram／Powell TLP、Ursa TLP和Brutus TLP。1999年，BP也建成了该公司的第一座TLP Marlin TLP。2003年，Chevron公司在印度尼西亚的加里曼丹岛以东海域建成了West Seno A TLP，从而首次将TLP引入到亚洲海域。这些TLP保持着TLP工作性能的多项世界纪录，其中，Heidrun TLP的排水量达到290 310吨，是世界现役的TLP中吨位最大的一座；Snorre CTLP日产石油190 000桶、天然气3.2×106立方米，保持TLP生产能力的世界纪录；2016年Big Foot TLP工作水深达到了1 600米，成为工作水深最深的TLP。
通过第一代TLP的生产实践，进一步证明了TLP在深海域半刚性半柔性的优良运动性能和经济性，但是同时亦发现传统的TLP结构形式仍存在着一定的不足。
（1）在水深超过1 200米的极深水域，随着张力腿长度的增加，出现了张力腿自重过大的问题，并且由于张力腿在深水中的受力情况发生改变，因此影响了平台的定位性能。
（2）在降低造价、改善受力情况和运动性能方面，传统类型TLP的本体结构仍需进一步改进。
（3）差频载荷是一个缓慢变化的力，它将和同样缓慢变化的TLP平面内的运动发生共振。另外，风的激振力也在这个差频范围内，必然会加剧这种慢漂运动。
（4）波浪的高频分量和高频水动力会引起TLP平面外的共振，TLP结构这两个问题随着水深的增加而加剧，对结构的安全性有很大的影响。
（5）传统的TLP是通过海底基础固定入位的，随着水深的增加，海底基础的设计、施工变得十分复杂。
传统类型的TLP结构在经济、安全和动力特性方面，均不能很好地适应更深的水域。各国学者对TLP结构形式的不断改进完善非常重视，因此，混合式TLP及悬式TLP等新型的TLP便应运而生。
第二代TLP出现于20世纪90年代初期，它是在第一代TLP的基础上发展起来的。第二代TLP在继承传统类型TLP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TLP更适合于深海环境，并且降低了建造成本。世界海洋工程界积极发展第二代TLP，各大公司纷纷提出了种类繁多的平台设计方案。总的来说，目前投入生产实践的第二代TLP共分为三大系列，分别是由Atlantia公司设计的SeaStar系列TLP、由MODEC公司设计的Moses系列TLP以及由ABB公司设计的ETLP。
另外，除了以上这些已投入实际生产应用的TLP以外，在过去的几十年里，海洋工程界的科研人员还提出了不少很有价值的设计方案，并且围绕这些方案进行了广泛而深入的研究和试验。虽然由于种种原因，这些平台设计方案至今仍未进入生产领域，但是了解它们，对于开拓人们的思路，更好地进行下一步的研究是大有裨益的。
2）按照采油树位置不同分类
按照采油树安装位置的不同，TLP可以划分为湿树平台和干树平台两大类。
湿树平台的采油树位于海底，平台上安装有独立的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。由于不安装垂直的张紧式立管，不需要考虑平台吃水变化对生产立管的影响，从而简化了平台的设计。湿树平台非常适用于分布面广、出油点分散的油田。它以柔性输油管和钢制悬链线立管组成分布广泛的海底管线系统，再以湿树平台作为管汇中心，便可以控制较广的区域。另外，湿树平台的生产储备能力具有很大的弹性，新增的设备和海底油井容易加装到现有的生产系统中，对油田的远期开发比较方便。
干树平台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。TLP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。因为平台与生产立管之间的相对运动量较小，因此可以采用结构简单、造价低廉的立管张紧装置。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TLP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。另外，由于采油树位于平台之上，因此维修方便，易于管理，还省去了将海底采油树回接到平台上体的硬件费用。
需要指出的是，现有的TLP大多是所处海域的中心平台，有的TLP除了在平台上体安装有干树系统，能够自行进行探采和控井工作之外，同时还通过柔性输油管和钢制悬链线立管与附近油田的海底采油系统或其他卫星平台相连，作为其石油处理和输出的中心。在此情况下，这些TLP自身就结合了干树和湿树两种系统。因此，在对各TLP进行分类时所依据的标准是看该平台是否拥有支持干树系统的能力。(https://www.daowen.com)
3）按照功能和应用方式分类
目前TLP的功能和应用方式非常灵活，如果以此为标准进行分类，可将TLP划分为大载荷TLP、迷你型TLP、井口TLP三大类。
大载荷TLP是这三种TLP中历史最悠久的一种类型，它是一种体积巨大、造价昂贵的TLP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TLP，其中3座位于北海油田，6座位于墨西哥湾。因为张力腿的预张力很好地限制了平台的垂荡运动，因此控井设施可以安装在这种平台的上体，以便于设备的维护和修理工作。在历史上，这种生产系统之所以得到业界的青睐，主要原因就在于它能够安装干树采油系统。但是，由于其高昂的造价和对极深水环境的不适应性，人们现在已经逐渐失去了对建造大载荷TLP的兴趣。当工作水深超过1 200米时，张力筋腱自重过大是大载荷TLP最主要的问题。
迷你型TLP（见图8-2）并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有效载荷的目标。迷你型TLP相对于同等规模的传统类型TLP，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。而且与大载荷TLP不同，迷你型TLP能够在极深水环境中稳定地工作，这也是它之所以能够逐渐取代大载荷TLP，占据当今TLP建造主流的最重要的原因。
图8-2 迷你型TLP
井口张力腿平台（tension leg wellhead platform，TLWP）是一种经济型的TLP。与前两种TLP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等。TLP与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TLP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TLP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。这一系统经过实践检验，已被证明是一种有效且经济的海上油气开发方式，十分适合在没有或是缺少海底管线系统和永久性基地，且需要进行钻探、完井和油井维护工作的油田区域使用。
3.TLP的设计
TLP是利用绷紧状态的张力腿产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。TLP采用锚固定位的，但与一般的半潜式平台不同，其所用张力元件绷紧成直线，不是悬垂线，链缆等元件下端与水底不是相切的，而是几乎垂直的。用的是桩锚（即打入水底的桩为锚）或重力式锚（重块）等，不是一般容易起放的抓锚。TLP的重量小于浮力，差额由张力元件向下的拉力来平衡，而且此拉力应大于由波浪产生的力，使张力腿上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。作用于张力腿式钻井平台上的各种力并不是固定不变。在重力方面，会因载荷与压载水的改变而变化；浮力方面，会因波浪峰谷的变化而增减；扰动力方面，因风浪的扰动会在垂向与水平方向产生周期变化。因此，张力腿的设计，必须周密考虑不同的载荷与海况。一般TLP的重心高、浮心低，非锚固情况时要求初稳性高为正值，为此要求稳心半径大或水线面的惯性矩大，这样在平台发生严重事故时，仍能正浮于水面。要达到此目的，就要把立柱设计得较粗，这样必然会使平台在波浪中的运动响应较大。也有一种把立柱设计得很细，虽然初稳性高可能出现负值，但在张力腿拉力的作用下也是稳定的。这种平台在波浪中的运动响应较小，造价也可能低些，不过安全性较差。
4.TLP的发展
TLP的发展具有多样化的特点，该平台的进步并不是盲目地追求大水深、大吨位，而是紧密结合实际的需要，致力于发展在不同水深、不同油田规模情况下最合适的平台类型。目前，TLP已经形成了一套从深水到超深水、从中小油田到大型油田的完整的平台体系，并且仍在不断地采用最新技术，朝着降低平台造价、提高平台承载效率、增强平台适应性的方向继续飞速发展。
最早的TLP出现于20世纪80年代，由Conoco公司于1984年在英国北海Hutton油田157米水深处建成投产，取得了良好的经济效益。进入90年代以来，传统型TLP继续飞速发展，各大石油公司相继研发投产了十多座传统型TLP，应用于北海、墨西哥湾和印度尼西亚的加里曼丹岛以东海域。第二代TLP于20世纪90年代初期，在第一代TLP的基础上发展起来。各大公司纷纷提出了种类繁多的平台设计方案，对结构形式进行了优化改进，使TLP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TLP共分为三大系列，分别是由Atlantia公司设计的Seastar系列TLP、由MODEC公司设计的Moses系列TLP以及由ABB公司设计的延伸式TLP。目前，TLP应用的最大水深为1 600米，是位于墨西哥湾的Big Foot TLP，它同时也是世界上最大的TLP。
TLP的工程服务供应商主要来自欧美发达国家，这些供应商拥有较完备的设计理论与分析方法，有丰富的TLP建造安装经验，长期向海洋石油领域提供服务和咨询工作。
通过对已建的TLP的设计研究、投入生产以及后期的试验监测，全世界研究者们已掌握了大量有关TLP的工作性能和核心技术资料，特别是围绕Hutton TLP的设计、安装、投产等方面的研究更是取得了突破性的进展。这些研究成果具有重要的学术和工程价值，是后续研究的基础。
总的来说，TLP的研究内容一般集中在以下几个方面：
（1）结构优化设计。
（2）结构动力分析。
（3）结构的施工与安装方法。
（4）整体平台的系统管理（包括结构的现场监测）。
其中，平台结构的动力分析研究是整个TLP设计的核心部分，它决定了最终结构的设计方案，以及结构的构造和施工、安装的方法。
5.我国TLP的研发
我国对于TLP的研究起步较晚，在研究、设计及制造领域与国际先进水平存在较大差距。目前，我国尚无TLP设计建造使用经验，但是国内已有相当一部分学者对其展开了各方面的研究工作。
海洋石油工程股份有限公司成立了国家863计划“典型深水平台概念设计研究”课题组，提出了一套评估TLP总体强度的分析方法。
2015年工信部、财政部下发“TLP设计、建造、安装关键技术及应用研究”项目的立项批复文件，由中海油深海开发有限公司牵头，中海油深圳分公司、海洋石油工程股份有限公司、中国船舶及海洋工程设计研究院、哈尔滨工程大学、国家海洋局第一海洋研究所参研，总投资9 600万元，瞄准我国海洋石油开发现实需求，满足恶劣海洋环境条件，开展500米水深TLP总体设计技术、建造技术、安装及调试关键技术研究，完成了500米水深TLP的自主开发和工程化应用。
（1）500米水深TLP基本设计技术研究包括设计环境条件及总体方案、平台工艺流程设计、运动性能数值预报及模型试验、平台主体结构设计和分析、立管系统与立管张紧设备设计关键技术、张力筋腱系统设计关键技术、TLP锚固基础设计分析技术、系统集成及集成控制设计研究。
（2）500米水深TLP建造技术及关键设备安装调试技术研究包括关键建造工艺、关键设备安装调试技术研究。
该项目的研究为TLP在我国深水海域的应用奠定了基础。
