深水浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

馮加果，謝 彬，謝文會(huì)，王世圣，武文華

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；2. 大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 引 言

隨著深遠(yuǎn)海油氣開發(fā)的需要，越來越多的浮式平臺(tái)應(yīng)用于深遠(yuǎn)海開發(fā)，確保平臺(tái)安全非常重要。模型試驗(yàn)技術(shù)[1 – 2]是確保平臺(tái)安全的重要手段，而平臺(tái)海上安全監(jiān)測(cè)則是將模型試驗(yàn)技術(shù)搬到了海上現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)一步通過實(shí)際監(jiān)測(cè)得到平臺(tái)真實(shí)情況的手段，因此平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)如同模型試驗(yàn)一樣，對(duì)平臺(tái)安全尤為重要，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、分析, 確定平臺(tái)的安全狀態(tài)，具有快捷、省時(shí)、精度高、實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)，受到越來越多的重視[3]。而由于水池水深、錨鏈截?cái)唷⑾嗨菩缘仍?，水池模型試?yàn)在校核平臺(tái)安全性上和水深上也有一定的局限性，但深遠(yuǎn)海浮式平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)彌補(bǔ)了這些不足，逐漸作為一種評(píng)估平臺(tái)安全的重要手段。

研究和開發(fā)深水海洋浮式平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是預(yù)防和減少平臺(tái)安全事故的一種有效手段，國外開展過關(guān)于海洋浮式平臺(tái)的監(jiān)測(cè)研究[4 – 6]，為平臺(tái)的安全運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)、提供了指導(dǎo)。通過浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效掌握和了解平臺(tái)的相關(guān)重要參數(shù)，可以有效地預(yù)防一些安全事故，提前核實(shí)、評(píng)價(jià)平臺(tái)的安全性問題并給出指導(dǎo)意見。因此，開發(fā)海洋浮式平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠積累現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，有利于今后浮式平臺(tái)在我國海域的安全生產(chǎn)和運(yùn)維。

我國海洋石油工程正處在由淺水到深水的跨越階段，正在積極進(jìn)行南海深水開發(fā)的技術(shù)儲(chǔ)備，并已經(jīng)開始在南海開展大量深水開發(fā)工作。在此階段，同步發(fā)展海洋浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)南海海洋環(huán)境作用下的海洋浮式平臺(tái)情況進(jìn)行測(cè)量，可以為建立針對(duì)南海海域的浮式平臺(tái)完整性管理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)積累，同時(shí)可以積累南?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，增加對(duì)南海海洋環(huán)境、浮式平臺(tái)適應(yīng)性、運(yùn)營維保的認(rèn)識(shí)，為今后南海深水區(qū)域浮式平臺(tái)的全面應(yīng)用和安全運(yùn)營提供數(shù)據(jù)、積累經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)深水海洋浮式平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)十分必要。

1 浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)特點(diǎn)

浮式平臺(tái)在海洋環(huán)境中，會(huì)遭受惡劣的海洋環(huán)境，而為了進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)和評(píng)估，本次開發(fā)的浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）監(jiān)測(cè)信息及監(jiān)測(cè)方案是浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要完整獲得平臺(tái)所受的環(huán)境情況（風(fēng)、浪、流）、平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)情況。

浮體運(yùn)動(dòng)是浮體結(jié)構(gòu)安全保障最為重要的信息，是平臺(tái)甲板凈氣隙、浮體穩(wěn)性的直接表現(xiàn)，影響著浮體的系泊系統(tǒng)安全和立管安全，主要包括6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)[7 – 8]。浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比模型試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)情況，也更能反映平臺(tái)的性能和狀況，積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以為浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)、評(píng)估、規(guī)范適應(yīng)性修正、平臺(tái)的安全生產(chǎn)等提供指導(dǎo)和依據(jù)，也為我國未來深水浮式平臺(tái)的設(shè)計(jì)提供實(shí)際參數(shù)，是重點(diǎn)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一；系泊系統(tǒng)的錨鏈張力測(cè)量是掌握平臺(tái)安全信息的關(guān)鍵。

2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制及信息共享，便于陸地和海上人員查看、使用原型測(cè)量系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，不再局限于海洋平臺(tái)人員，便于擴(kuò)大發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作用及影響力。

3）臺(tái)風(fēng)過程中監(jiān)測(cè)信息的持續(xù)獲取。臺(tái)風(fēng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)安全評(píng)估更有價(jià)值，需要實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)條件下平臺(tái)斷電后的海洋平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲取寶貴的臺(tái)風(fēng)條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4）集成化監(jiān)測(cè)站，減少平臺(tái)走線及現(xiàn)場(chǎng)施工，“弱化”監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的存在，減少對(duì)平臺(tái)生產(chǎn)的影響，節(jié)省費(fèi)用。

2 流花“南海挑戰(zhàn)號(hào)”FPS 浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2012年，借助流花“南海挑戰(zhàn)號(hào)”FPS塢修的時(shí)機(jī)，在該平臺(tái)上實(shí)施了自主開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施示意圖如圖1所示，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括環(huán)境荷載、平臺(tái)響應(yīng)和系泊系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，相關(guān)信息如表1所示。

圖 1 流花“南海挑戰(zhàn)號(hào)”FPS 浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of floating platform monitoring system for Liuhua Nanhai Tiaozhan FPS

為了獲得撤臺(tái)期間平臺(tái)的環(huán)境條件和響應(yīng)信息，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有1套獨(dú)立的供電系統(tǒng)，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供電力，在臺(tái)風(fēng)過境、平臺(tái)斷電期間也能保證各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的正常采集，可獲取極端天氣下的寶貴數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)在海洋監(jiān)測(cè)中逐漸應(yīng)用[9], 本項(xiàng)目基于VPN的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制，確保了數(shù)據(jù)的安全性和控制的實(shí)時(shí)性，同時(shí)研發(fā)了北斗信息傳送軟件，確保在臺(tái)風(fēng)期間將部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞到陸地，供生產(chǎn)和安全管理人員參考。

對(duì)于錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，研發(fā)和實(shí)施了水下傾角傳感器進(jìn)行錨鏈系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)裝置和夾具，實(shí)現(xiàn)了采用ROV裝卸水下傳感器的水下監(jiān)測(cè)技術(shù)。

在平臺(tái)塢修期間，在浮箱上安裝了水下應(yīng)變儀，在塢內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，但平臺(tái)到油田就位之后，應(yīng)變儀沒有讀數(shù)，效果不理想，說明應(yīng)變片監(jiān)測(cè)容易失效，對(duì)于今后平臺(tái)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)建議考慮其他手段，比如光纖光柵FBG監(jiān)測(cè)。

表 1 浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息Tab. 1 Monitoring information of floating platform monitoring system

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及應(yīng)用展望

目前，“南海挑戰(zhàn)號(hào)”原型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已服役近5年多，期間共捕獲7次臺(tái)風(fēng)及3次季風(fēng)數(shù)據(jù)，為極端災(zāi)害天氣下環(huán)境參數(shù)獲取和結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征分析提供了有力的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)風(fēng)速儀、波浪儀、GPS、傾角等傳感器目前已獲得了3年左右日常環(huán)境下的有效數(shù)據(jù)，圖2給出多個(gè)臺(tái)風(fēng)情況下風(fēng)速曲線，圖3為水下傾角傳感器計(jì)算得到的錨鏈張力和loadcell錨鏈張力對(duì)比圖，圖4給出傾角和水深的譜密度（PSD）結(jié)果。

圖 2 多個(gè)臺(tái)風(fēng)情況下風(fēng)速曲線Fig. 2 Wind speed curve of multiple typhoon

圖 3 水下監(jiān)測(cè)的錨鏈張力和 loadcell對(duì)比圖Fig. 3 The mooring tension of underwater monitoring VS loadcell

通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了多年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以通過實(shí)測(cè)波浪譜與Jonswap波浪譜對(duì)比得出南海海域Jonswap波浪譜的譜形參數(shù)為1.67，如圖5所示。圖6給出平臺(tái)在極端荷載條件下垂蕩實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比情況。

圖 4 傾角和水深的譜密度（PSD）結(jié)果Fig. 4 PSD results of inclination and water depth

圖 5 實(shí)測(cè)波浪譜與 Jonswap 波浪譜對(duì)比Fig. 5 Wave spectrum(Monitoring VS Jonswap)

當(dāng)然，雖然實(shí)現(xiàn)了從日常海況監(jiān)測(cè)到臺(tái)風(fēng)期間監(jiān)測(cè)、從海上控制到陸上訪問等功能，但是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的進(jìn)一步功能完善和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的利用還有發(fā)展空間，比如進(jìn)一步完善監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從水面向水下監(jiān)測(cè)、從點(diǎn)到面形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從單個(gè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到建立深水工程設(shè)施監(jiān)測(cè)中心從而形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

圖 6 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比（垂蕩）Fig. 6 Heave (Monitoring VS Theory)

另外，渦激運(yùn)動(dòng)（Vortex Induced Motions，VIM）是浮式平臺(tái)很重要的運(yùn)動(dòng)特性，也是影響平臺(tái)安全的不確定因素之一，對(duì)平臺(tái)立管的疲勞壽命影響很大，目前工業(yè)界通過數(shù)值分析手段不能準(zhǔn)確模擬，主要通過VIM試驗(yàn)來進(jìn)行評(píng)估和分析，而通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)和研究VIM是另外一種重要手段，Oriol Rijken[10]在2017年OTC會(huì)議上分享了Independence Hub和Thunder Hawk半潛式平臺(tái)在超過200 d的海上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中觀測(cè)到了VIM情況，并給出分析，圖7給出了Thunder Hawk半潛式平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的VIM運(yùn)動(dòng)情況，因此，建議下一步可以通過流花“南海挑戰(zhàn)號(hào)”監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析VIM運(yùn)動(dòng)。

圖 7 Thunder Hawk 半潛式平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的 VIM 運(yùn)動(dòng)情況[10]Fig. 7 The monitoring VIM of Thunder Hawk[10]

4 結(jié) 語

通過研究給出了浮式平臺(tái)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息及監(jiān)測(cè)方案，并成功在我國南海流花油田“挑戰(zhàn)號(hào)”FPS平臺(tái)上實(shí)施了1套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到以下結(jié)果和建議：

1）開發(fā)并成功實(shí)施了浮式平臺(tái)的環(huán)境、浮體運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)水下監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了深水浮式平臺(tái)的集成監(jiān)測(cè)站，獲得多個(gè)臺(tái)風(fēng)期間的數(shù)據(jù)和多年的監(jiān)測(cè)信息，為今后該平臺(tái)的評(píng)估、未來深水浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)反饋、現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)或預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)技術(shù)支持等提供數(shù)據(jù)和依據(jù)；

2）臺(tái)風(fēng)期間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)安全評(píng)估最有價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)期間監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，?shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制和“互聯(lián)網(wǎng)+”數(shù)據(jù)共享，便于擴(kuò)大和發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作用及影響力；

3）建議在下一階段開展從水面向水下監(jiān)測(cè)、從點(diǎn)到面形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從單個(gè)平臺(tái)監(jiān)測(cè)到建立深水工程設(shè)施監(jiān)測(cè)中心從而形成監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并向南海島礁、其他海上設(shè)施推廣和實(shí)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，最終形成南海區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，本研究為將來海洋工程領(lǐng)域全面推廣和應(yīng)用監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)技術(shù)提供了典型示范。

4）浮式平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)（VIM）是影響平臺(tái)及立管安全的關(guān)鍵因素，而目前無法通過數(shù)值模擬分析VIM，因此通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)和分析VIM是重要的研究手段和方法，建議下一步通過海上現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來研究和分析浮式平臺(tái)VIM。