水下GPS定位技術(shù)在流花 41 油田井口定位中的應(yīng)用

蘇 峰， 張偉國， 李澤民， 暢元江， 陳國明

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東深圳 518067；2.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 山東青島 266580)

?深水鉆井完井專題?

蘇 峰1， 張偉國1， 李澤民2， 暢元江2， 陳國明2

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司, 廣東深圳 518067；2.中國石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心， 山東青島 266580)

在國內(nèi)首個采用深水開發(fā)模式自營開發(fā)油田——流花 4-1 油田(LH4-1 油田)的鉆井作業(yè)中，要求對水下井口精確定位和井口導(dǎo)向基盤方位精確控制，為滿足作業(yè)要求，采用了水下GPS定位技術(shù)。該技術(shù)利用水聲相對定位技術(shù)與GPS水面高精度定位技術(shù)相結(jié)合的方式，經(jīng)過比較分析水聲定位技術(shù)三大系統(tǒng)長基線定位技術(shù)、短基線定位技術(shù)和超短基線定位技術(shù)的特點，在 LH4-1 油田水下井口定位作業(yè)中選用了長基線定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)組合形成的組合定位系統(tǒng)，編制了水下無線羅經(jīng)和水下機器人配合下水下井口精確定位及井口導(dǎo)向基盤控制的詳細施工程序。作業(yè)后測量表明，定位精度均滿足設(shè)計要求，取得了良好的實施效果，圓滿解決了 LH4-1 油田鉆井水下井口精確定位及基盤方位精確控制的難題。

水下井口裝置 水下定位 GPS定位 水聲定位 流花 4-1 油田

1 概 述

在海上油氣田勘探、開發(fā)和工程安裝作業(yè)中，定位技術(shù)起著非常重要的作用，往往需要根據(jù)對定位精度要求的不同，選擇使用水面定位技術(shù)或水下定位技術(shù)。GPS定位技術(shù)是目前較通用的水面定位技術(shù)，具有全天性、實時性的特點。隨著水下油氣田開發(fā)的不斷發(fā)展，水下定位技術(shù)的應(yīng)用也越來越多。水聲定位技術(shù)作為一種重要的水下定位技術(shù)也廣泛應(yīng)用于水下井口定位、水下設(shè)施工程安裝等作業(yè)中。而且,水聲定位系統(tǒng)還可以和其他定位系統(tǒng)相結(jié)合形成組合定位系統(tǒng)，將單一定位系統(tǒng)的優(yōu)點結(jié)合在一起，從而使定位系統(tǒng)的精度更高、功能更強大，通常應(yīng)用最多的是GPS定位和水下機器人(remote operated vehicle，ROV)的組合。

流花 4-1 (以下簡寫為 LH4-1)油田是我國首個采用深水開發(fā)模式的自營開發(fā)油田，該油田位于中國南海珠江口盆地，所在海域水深260～300 m，該油田共有8口井，已有1口井完鉆，需新鉆7口生產(chǎn)井，油田開發(fā)工程方案確定為“叢式井-中心管匯”(見圖1)。為滿足叢式井鉆井和生產(chǎn)設(shè)施安裝的需要，定位精度要求水下井口實際位置與設(shè)計位置之間的誤差小于1 m，井口導(dǎo)向基盤(permanent guide base，PGB)實際安裝艏向與設(shè)計要求方位誤差小于5°且傾斜度小于1°。為此，在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，采用GPS定位系統(tǒng)與長基線水下定位系統(tǒng)組合形成的水下GPS定位系統(tǒng)，依托水下無線電羅經(jīng)和ROV的支持，完成了南海流花油田叢式井各井口的精確定位、井口導(dǎo)向基盤的精確控制與安裝等任務(wù)。

圖1 LH41 油田水下井口布置方案示意Fig.1 Schematic of LH41 Oilfield underwater wellhead layout

2 水下定位技術(shù)

現(xiàn)有水下定位技術(shù)，按照是否需要設(shè)置聲基陣，可分為水聲定位技術(shù)和激光聲遙感技術(shù)2大類。水聲定位技術(shù)需要設(shè)置聲基陣，目前應(yīng)用廣泛；激光聲遙感技術(shù)是利用激光在水中產(chǎn)生聲波并在空氣中接收水下目標反射或散射的聲波來感知水下目標，具有機動靈活、覆蓋水域廣的特點，但精度相對較低，應(yīng)用較少。由GPS定位和水聲定位相結(jié)合形成的水下GPS定位技術(shù)則是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，它利用水聲相對定位技術(shù)將GPS水面高精度定位能力向水下延伸，使?jié)摵狡?或ROV)在工作潛深可以獲得自身的經(jīng)緯度坐標，且定位精度可以保證與GPS水面定位精度在同一量級[1]。

2.1 水聲定位技術(shù)

水聲定位技術(shù)主要包括長基線(long base line，LBL)定位技術(shù)、短基線(short base line，SBL)定位技術(shù)、超短基線(ultra short base line，USBL)定位技術(shù)[1-2]。水聲定位系統(tǒng)的工作頻率一般為18～36 kHz，工作范圍為2～3 km，工作水深達到3 000 m。工作中，定位系統(tǒng)需要利用換能器和應(yīng)答器通過對距離和角度的測量計算完成定位。

USBL系統(tǒng)中，應(yīng)答器安裝在定位目標上，船載換能器通過測量出到應(yīng)答器的水平和垂直角度及斜距完成定位。它具有安裝簡單、操作方便、無需組建水下基線陣和測距精度高等優(yōu)點，但需要做大量的校準工作，定位精度隨著目標相對水深和工作水深的增加而降低。主要適用于為潛水員水下作業(yè)提供高精度定位信息(確保潛水員的安全)，以及監(jiān)控水下設(shè)備在較淺水域進行檢測和勘探。

SBL系統(tǒng)中，需要在艦船上安裝至少3個換能器陣，換能器之間的位置關(guān)系已知，應(yīng)答器安裝在定位目標上，用艦船上的多個換能器測量到同一個應(yīng)答器的距離，從而計算出目標的位置。它同樣具有安裝簡單、使用方便的特點，但是基線長度要大于40 m才能實現(xiàn)高精度測量，也需要進行大量的校準工作。SBL是介于USBL和LBL之間的一種系統(tǒng)，由于需要對船體進行改造，才能放置換能器基陣，從而使SBL的應(yīng)用受到一定的限制。

LBL系統(tǒng)中，應(yīng)答器陣列部署在海底的已知點上，水面艦只安裝一個換能器，用換能器測量到水底應(yīng)答器的斜距，從而計算出自身的坐標位置。它的定位精度與水深無關(guān)，精度較USBL和SBL方式定位高，多余觀測值增加，對于大面積的調(diào)查區(qū)域，可以得到非常高的相對定位精度，作用范圍大，用于時延、相位和頻率等參數(shù)估計的水聲信號處理系統(tǒng)和用于載體姿態(tài)修正和航跡濾波等的后置數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，測量基陣安裝校準精度要求較低。但是LBL系統(tǒng)復(fù)雜，操作繁瑣，需要長時間布設(shè)和收回海底聲基陣[3-6]。該定位系統(tǒng)主要適用于海洋石油水下鉆采、水下考古打撈等需要高精度定位的工程。

由于 LH4-1 油田施工中對ROV和水下設(shè)施的精確定位要求較高，常用的SBL、USBL水下定位系統(tǒng)達不到設(shè)計精度要求，經(jīng)綜合考慮決定選用定位精度高、作用范圍大的LBL系統(tǒng)進行水下定位。

2.2 GPS與LBL組合定位技術(shù)

GPS定位是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，是一種全球性、全天候、連續(xù)的水面定位導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位精度高、速度快等特點。也是目前世界上應(yīng)用最廣泛、實用性最強的水面定位系統(tǒng)。

LBL定位系統(tǒng)包括安裝于船上的收發(fā)器或ROV和一系列位置已知的固定于海底的應(yīng)答器，應(yīng)答器之間的距離構(gòu)成基線，長度在上百米到幾千米之間，相對USBL、SBL來講由于基線長度較長，故稱為LBL系統(tǒng)。

LBL定位技術(shù)所需的硬件系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)包括水面控制器、換能器、問答傳感器、應(yīng)答器和海底智能信標等。其中，水面控制器控制信號傳輸并對接收到的信息進行實時處理；換能器負責完成能量與信號的轉(zhuǎn)換；問答傳感器發(fā)送控制單元的命令并接收反饋的信息；應(yīng)答器對問答傳感器發(fā)送的命令作出相應(yīng)應(yīng)答；海底智能信標需預(yù)先布置于海底，為坐標推算的基點。

圖2 LBL硬件系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic of LBL hardware system

LBL定位系統(tǒng)的應(yīng)用模式主要有絕對定位模式和相對定位模式2種。

1)絕對定位模式。預(yù)先在目標物周邊布設(shè)海底基陣，并通過基陣校準獲得各基陣信標的精確位置，然后通過測量目標物及各海底基陣信標間的相對位置進而確定目標物的絕對位置。

2)相對定位模式。在海底及需要測量相對關(guān)系的結(jié)構(gòu)物上布設(shè)信標，組成一個網(wǎng)絡(luò)，利用聲學(xué)測距的方式在各個信標間進行基線采集，利用信標自帶的深度傳感器進行深度測量，然后利用數(shù)學(xué)模型對采集到的數(shù)據(jù)進行平差處理，進而得到結(jié)構(gòu)物與結(jié)構(gòu)物的相對關(guān)系。

LBL定位系統(tǒng)通過測量收發(fā)器和應(yīng)答器之間的距離，采用測量中的前方或后方交會對目標進行定位。由于LBL定位是基于距離測量的定位技術(shù)，定位精度與水深無關(guān)[3-8]。

根據(jù) LH4-1 油田水下井口定位精度的要求，采用了GPS水面定位與LBL水聲定位結(jié)合的水下GPS 定位技術(shù)，用來精確定位水下井口位置。GPS定位選用Skyfix-XP高精度差分系統(tǒng)和Starfix.seis綜合導(dǎo)航系統(tǒng)。

3 水下基盤方位測量與控制

水下羅經(jīng)系統(tǒng)用來測定套管導(dǎo)向基座的導(dǎo)向樁方向和傾斜方向。它利用陀螺儀的旋動性和定軸性，并借助控制設(shè)備、阻尼設(shè)備和現(xiàn)代電子技術(shù)制造而成，不受鐵磁物質(zhì)影響，水下仍然可以保持良好的穩(wěn)定性，可以在惡劣的海洋氣候下進行探測打撈。水下羅經(jīng)可分為有線水下羅經(jīng)和無線水下羅經(jīng)，有線水下羅經(jīng)的電源由水面以上船舶或設(shè)施提供，無線水下羅經(jīng)則由附帶的電池組來提供電源。

根據(jù)作業(yè)區(qū)域的水深情況，LH4-1 油田水下基盤艏向測量選用了無線水下羅經(jīng)。作業(yè)前，在PGB導(dǎo)向樁上指定位置安裝羅經(jīng)板底座，用以安裝和固定水下羅經(jīng)。水下羅經(jīng)系統(tǒng)將與LBL系統(tǒng)信標相連后，通過LBL系統(tǒng)信標把羅經(jīng)數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式發(fā)送至船上的接收端[9]。

4 水下井口精確定位技術(shù)方案與應(yīng)用

4.1 方案設(shè)計

LH4-1 油田8口井的井口布局設(shè)計方案如圖3所示。

如前所述，LH4-1 油田水下井口定位的具體要求為：1)井口位置與設(shè)計位置誤差小于1 m；2)井口導(dǎo)向基盤首向與設(shè)計方向誤差小于5°，水平方向傾斜度小于1°。為實現(xiàn)上述定位要求，將水下定位作業(yè)分為2個階段：第一階段主要安裝LBL信標陣列和井口沙袋，包括安裝LBL和ROV系統(tǒng)，水下定位系統(tǒng)LBL布陣，對已鉆的A4h井的井口位置復(fù)測、新井口的設(shè)計位置和深度確定，調(diào)查各設(shè)計井口的周圍環(huán)境，新井口位置確定和沙袋放置等；第二階段主要進行鉆井平臺移位和鉆井支持，包括南海5號平臺移位，PGB上的信標、水下羅經(jīng)和斜度儀的安裝， LBL信標位置的復(fù)核和ROV作業(yè)支持等。

圖3 LH41 油田井口布局方案Fig.3 Scheme of LH41 Oilfield wellhead layout

4.2 定位作業(yè)

4.2.1 第一階段作業(yè)

1)安裝LBL和ROV系統(tǒng)。所有水面、水下定位系統(tǒng)和ROV安裝在LBL和ROV支持船上，定位和ROV人員也動員上船，作業(yè)船駛往 LH4-1 油田施工海域工區(qū)。

2)水下定位系統(tǒng)LBL布陣。在拖輪到達工區(qū)后，LBL信標陣列將布設(shè)在水下井口的設(shè)計位置周圍。首先把智能信標安裝在特制的架子上，然后由拖輪的吊機逐個吊放在海底設(shè)計位置上。在 LH4-1 油田設(shè)計井管匯中心周圍布設(shè)6個智能信標(如圖4所示)，智能信標布設(shè)完畢后，需要對每一個智能信標進行校準，確保其工作正常。另外，由于LBL定位技術(shù)采用聲速測距，而聲音在水下不同深度的傳播速度有差異，為了提高校準精度，需要對聲速進行校準。作業(yè)者用測速儀測量聲波在水面以下不同深度的傳輸速度，采用平均聲速計算并復(fù)核定位精度。

圖4 管匯中心周圍布設(shè)的信標Fig.4 Setup of beacons around center manifold

3)A4h井井口位置復(fù)測、新井口的位置設(shè)計和深度確定。ROV攜帶1個信標和固定架，下潛移動到已鉆的A4h井井口中心，把LBL信標和固定架安裝在井口中心處，通過采集一段時間的定位位置以獲得該井口中心的最終位置。該信標將一直安裝在該井口直至鉆井結(jié)束，用于檢查LBL水下定位系統(tǒng)的工作情況。由于已知其余各井口與A4h井井口的相對方向和距離，從而可推算各個設(shè)計井口和管匯中心的最新設(shè)計位置。

4)調(diào)查各設(shè)計井口的周圍環(huán)境。ROV沿著穿過各設(shè)計井口的十字交叉線調(diào)查各設(shè)計井口的周圍環(huán)境。如果有障礙物，在ROV能力范圍內(nèi)及時清理，防止影響后續(xù)作業(yè)；對不能清理的障礙物，應(yīng)把位置反饋給導(dǎo)航系統(tǒng)以通過其他方式清理。

5)新井口位置確定和沙袋安裝。確定新井口設(shè)計位置后，根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)者代表的要求，ROV在LBL定位系統(tǒng)的導(dǎo)引下，移動到第一個新井口。當ROV移動到設(shè)計位置正上方時，在以該井口設(shè)計位置為圓心、半徑為10 m的范圍內(nèi)，再次調(diào)查該設(shè)計井口周圍的海底情況。確定井口和周圍沒有障礙物后，ROV把沙袋定向架置于設(shè)計井口中心位置，然后利用水下信標采集其位置信息。當獲得的沙袋定向架中心點位置在井口設(shè)計位置精度范圍內(nèi)時，ROV將把沙袋定向架置于井口設(shè)計位置(如圖5所示)。

圖5 沙袋定向架安裝示意Fig.5 Schematic of sandbag frame installation

隨后，ROV把4個沙袋投放在沙袋定向架的4個角，然后ROV把沙袋定位架吊離，吊離后海底只保留4個沙袋用以確定井口位置。吊離沙袋定位架時，不挪動沙袋，一旦挪動將導(dǎo)致井口位置發(fā)生變化，且需要重新安裝定位架和沙袋(如圖6所示)。LH4-1 油田有7口井要安裝定向架和沙袋，每口井安裝4個沙袋，共需28個沙袋。28個沙袋投放結(jié)束后，即可開始第二階段的施工。

圖6 沙袋安裝示意Fig.6 Schematic of sandbag installation

4.2.2 第二階段作業(yè)

1)南海5號平臺移位。LH4-1 油田鉆井選用南海5號半潛式鉆井平臺。平臺移位之前，水面定位設(shè)備和拖輪跟蹤系統(tǒng)安裝在南海5號上。檢查所有設(shè)備工作正常后，南海5號在定位導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航下就位于 LH4-1 油田水下管匯中心設(shè)計位置的上方海面上，然后通過拋錨定位系統(tǒng)把各個錨準確拋到設(shè)計位置上。拋錨過程中，不要讓錨鏈觸碰海底的沙袋和LBL信標。平臺就位后進行壓載，壓載后進行錨鏈調(diào)整，最終完成平臺移位。

2)PGB上的信標、水下羅經(jīng)和傾斜儀安裝。在PGB下水之前，將2個LBL信標(帶測深感應(yīng)器)、1個水下羅經(jīng)和傾斜儀安裝和固定在PGB上，然后測量2個LBL信標的安裝位置，并校準水下羅經(jīng)和傾斜儀，確保測量精度。

3)LBL信標和第1口井沙袋。平臺移位完成后，需要立即檢查井口周圍的信標，確保信標工作正常且位置沒有發(fā)生變化。另外，ROV還需要檢查并確認沙袋也沒有移動。

4)水下定位作業(yè)和ROV作業(yè)支持。當PGB下水后，首先確認2個LBL信標、1個水下羅經(jīng)和傾斜儀正常工作，并用ROV確認鉆頭伸出套管的長度，然后慢慢下放PGB和套管。當鉆頭下放至泥面以上0.5 m時暫停下放，用ROV讀出位于PGB上的3個傾斜儀的讀數(shù)，用以準確測定PGB的位置和傾斜度以及鉆頭的位置等。調(diào)整鉆頭位置至設(shè)計井口位置的正上方，并控制傾斜儀的讀數(shù)小于0.5°后，即可進行鉆井作業(yè)。

鉆井過程中，LBL定位和測量系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)測PGB的方向和傾斜度等，鉆至設(shè)計深度后，再次確認上述監(jiān)測數(shù)據(jù)是否滿足設(shè)計要求。當該井表層鉆井與PGB的安裝結(jié)束以后，ROV移動到下一個設(shè)計井口位置重復(fù)進行上述工作，完成下一口井的定位及表層鉆井作業(yè)。

4.3 定位技術(shù)應(yīng)用效果

在水下無線羅經(jīng)和ROV的支持下，通過應(yīng)用LBL水下定位技術(shù)，LH4-1 油田最終成功完成7口井的鉆井作業(yè)和PGB水下安裝的定位作業(yè)任務(wù)，水下井口和PGB的實際安裝情況與設(shè)計情況的誤差見表1。

表1 井口和PGB實際安裝與設(shè)計情況的誤差

由表1可知，井口定位中最大誤差發(fā)生在A3h井，井口實際位置與設(shè)計位置之間的誤差為0.439 m，小于定位精度要求的1 m；PGB實際艏向與設(shè)計方向最大誤差發(fā)生在A2h井，其值為2.60°，小于艏向精度要求的最大誤差5°；PGB傾斜度最大為1.00°，未大于PGB傾斜度的最大誤差要求。綜上，LH4-1 油田水下叢式井口的鉆井與水下安裝順利完成，施工作業(yè)的定位精度均滿足設(shè)計要求，水下定位取得良好的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

在流花 4-1 油田的開發(fā)方案設(shè)計中，提出了對水下井口精確定位和井口導(dǎo)向基盤方位精確控制的要求，采用長基線水下定位結(jié)合GPS高精度水面定位的水下GPS定位技術(shù)，選用水下無線羅經(jīng)控制導(dǎo)向基盤艏向，成功解決了水下井口精確定位和基盤方位精確控制的難題。水下GPS定位技術(shù)在該項目的成功應(yīng)用，為深水勘探、開發(fā)及工程安裝的精確定位作業(yè)提供了較完備的技術(shù)方案，積累了作業(yè)和管理經(jīng)驗，可供深水鉆井中進行類似作業(yè)時借鑒。

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SuFeng1，ZhangWeiguo1，LiZemin2，ChangYuanjiang2，ChenGuoming2

(1.ShenzhenBranchCompany,CNOOC,Shenzhen,Guangdong,518067，China;2.CenterforOffshoreEngineeringandSafetyTechnology，ChinaUniversityofPetroleum(Huadong),Qingdao,Shandong,266580,China)

During drilling operation of the first independently operated deep water oilfield—LH4-1 Oilfield，precise positioning of underwater wellhead and precise control of the permanent guide base azimuth were needed.In order to meet this requirement,underwater GPS positioning technique was adopted,which combines water sonic and GPS positioning.long base line system and GPS positioning system were selected in the underwater positioning operation of LH4-1 through the comparison among long base line system,short base line system and ultra short base line system.Detailed precise positioning procedure with the support of underwater wireless gyro and remote operated vehicle were set up.In the positioning application in LH4-1 Oilfield development,all the requirements of precise positioning and azimuth control were satisfied.

underwater wellhead；underwater positioning；GPS positioning；acoustic positioning；Liuhua 4-1 Oilfield

2013-03-01；改回日期2013-05-01。

蘇峰(1974—)，男，河南周口人，1997年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院鉆井工程專業(yè)，工程師， 現(xiàn)從事深水海洋油氣鉆井技術(shù)與項目管理工作。

聯(lián)系方式：(0755)26022481，sufeng@cnooc.com.cn。

國家科技重大專項子課題“深水鉆完井工程技術(shù)”(編號：2011ZX05026-001-05)、教育部“長江學(xué)者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃”項目“海洋油氣井鉆完井理論與工程”(編號：IRT1086)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(編號：11CX05009A)資助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.008

TE951

A

1001-0890(2013)03-0040-06

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