HIPAP系統(tǒng)在深水浮式平臺定位系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

尹東流

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

0 引言

隨著海洋石油工業(yè)的逐步發(fā)展，深水海洋油氣開發(fā)逐步成為主流，國內(nèi)深水乃至超深水鉆井平臺的數(shù)量較10 年前增加了1 倍以上，國內(nèi)船廠參與建造的深水浮式鉆井平臺也到達(dá)全球各個(gè)海域參與作業(yè)。目前，國內(nèi)已有的深水鉆井平臺作業(yè)水深覆蓋3000 m 以內(nèi)水深，作業(yè)井深也突破了10 000 m[1]。浮式鉆井平臺作業(yè)過程中，平臺本身在風(fēng)浪作用下將發(fā)生升沉、搖晃及位置偏移，而鉆井管柱、隔水管等鉆井設(shè)備需鉆入海底，位置不能發(fā)生位移。浮式鉆井平臺為保持作業(yè)過程中與鉆井井位的相對位置，通常采用動力定位、錨泊定位或動力輔助錨泊定位等3 種方式來實(shí)現(xiàn)平臺位置的定量定位。3 種定位方式均需依托位置參考系統(tǒng)提供參考，實(shí)現(xiàn)平臺船位維持能力。動力定位（Dynamic Positioning, DP）系統(tǒng)的工作性能直接影響平臺的正常運(yùn)營和安全作業(yè)，如果動力定位系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障，會給平臺作業(yè)帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。

國內(nèi)海上石油工業(yè)起步較晚，目前與國際先進(jìn)水平相比仍有一定差異[2]。當(dāng)前在服役的和處于建造中的浮式鉆井平臺，仍應(yīng)用GPS 系統(tǒng)作為主要位置參考系統(tǒng)，其他定位系統(tǒng)作為輔助。近些年國內(nèi)北斗定位系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)取得長足進(jìn)步，海洋油氣平臺已增設(shè)北斗定位系統(tǒng)。而海洋鉆井平臺為實(shí)現(xiàn)鉆井作業(yè)期間的精確定位，通常還配備多套HIPAP 位置參考系統(tǒng)。且國內(nèi)也有相關(guān)機(jī)構(gòu)對動力定位系統(tǒng)與平臺配備的其他系統(tǒng)聯(lián)動、平衡等開展了相關(guān)研究[3-4]。

近年來，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)取得了長足進(jìn)度，海洋鉆井平臺配備的HIPAP 系統(tǒng)已逐步替換為國產(chǎn)系統(tǒng)，應(yīng)用HIPAP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆井平臺作業(yè)期間的定位將成為衛(wèi)星定位的有益補(bǔ)充手段。同時(shí)，考慮國際局勢變化，國外衛(wèi)星定位系統(tǒng)仍壟斷相關(guān)行業(yè)，積極應(yīng)用國內(nèi)成熟產(chǎn)品探索替代國外技術(shù)，攻克其中的關(guān)鍵部件與應(yīng)用技術(shù)，就成為破解國內(nèi)“卡脖子”的關(guān)鍵[5]。

1 動力定位系統(tǒng)簡介

1.1 鉆井平臺動力定位系統(tǒng)主要組成

目前鉆井平臺的動力定位系統(tǒng)主要包括電力系統(tǒng)（含主機(jī)、電站及電站控制系統(tǒng)等）、位置參考及環(huán)境測量系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)GNSS、HIPAP 系統(tǒng)、電羅經(jīng)、MRU、風(fēng)向風(fēng)速儀等）、控制系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）、推進(jìn)器系統(tǒng)（推進(jìn)器控制系統(tǒng)、推進(jìn)器、變壓器、變頻器等）、輔助服務(wù)系統(tǒng)（潤滑油、冷卻水等系統(tǒng)）[6]。

1.2 組件冗余配置

海洋鉆井平臺動力定位系統(tǒng)各組成部分共同工作完成定位，系統(tǒng)的可靠性是由移位后保持定位的能力來確定的。系統(tǒng)配置各功能部分能力越大，DP系統(tǒng)越可靠。目前我國深海鉆井平臺動力定位系統(tǒng)主要采用DPS3系統(tǒng)，其位置參考系統(tǒng)、動力系統(tǒng)及推進(jìn)系統(tǒng)均有冗余，控制系統(tǒng)也有配有離線備份。

DPS3 系統(tǒng)每個(gè)主要組成部分都有2 套以上的冗余量，意味著任何單一主要設(shè)備出現(xiàn)故障，仍有冗余設(shè)備在系統(tǒng)中運(yùn)行，保證平臺正常定位功能，冗余量越多，系統(tǒng)的功能越可靠，安全性越高，動力定位的可靠性越高，同時(shí)對影響定位的因素控制得越好。國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范已對動力定位系統(tǒng)的能力進(jìn)行分級，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前動力定位系統(tǒng)主要分級包括DP1、DP2、DP3, 中國船級社對動力定位系統(tǒng)分級的最低要求如表1 所示。

表1 CCS對DP分級的最低要求

從DPS3 定位的整個(gè)系統(tǒng)來看，電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)和服務(wù)系統(tǒng)均屬于鉆井平臺內(nèi)部部件安裝組成部分，主要受內(nèi)部因素影響，例如硬件故障、控制系統(tǒng)故障等。即便這些系統(tǒng)均有較高的冗余量，并且相應(yīng)的物資配件和技術(shù)支持有保障，但仍不可避免故障的發(fā)生。例如，某平臺在2012 年10 月份出現(xiàn)電站故障，造成4 臺推進(jìn)器停止工作，主要原因是DP3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。故障發(fā)生后，技術(shù)人員重新設(shè)計(jì)并修改，該平臺后續(xù)運(yùn)營1.5 a 未出現(xiàn)同類故障，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

2 位置參考系統(tǒng)

目前DPS3 位置參考及環(huán)境測量系統(tǒng)包括兩部分：第一部分是外部環(huán)境測量系統(tǒng)，主要有電羅經(jīng)、MRU、風(fēng)速風(fēng)向儀等，這些測量設(shè)備屬于內(nèi)部設(shè)備且有冗余，這部分發(fā)生故障而導(dǎo)致動力定位失效的概率非常低；第二部分是位置參考系統(tǒng)，包括GNSS 系統(tǒng)和HIPAP 系統(tǒng)，需要與外部設(shè)備配合使用，GNSS 系統(tǒng)是利用衛(wèi)星目標(biāo)定位，而HIPAP 是利用水下目標(biāo)定位，二者受外界因素的影響非常高。這兩套系統(tǒng)（GNSS 和HIPAP）互為冗余，可無縫替代使用。同時(shí)，DPS3 系統(tǒng)配備GNSS 系統(tǒng)3 套、HIPAP 系統(tǒng)2 套（或更多），最大限度地保障故障發(fā)生后的應(yīng)急替換。

2.1 衛(wèi)星定位系統(tǒng)

當(dāng)前四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GNSS）主要包括美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、歐盟“伽利略”系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)（GLONASS）、中國北斗系統(tǒng)（BDS），目前應(yīng)用最多的是GNSS 系統(tǒng)。GNSS 系統(tǒng)主要是一套接收裝置，只要實(shí)時(shí)連續(xù)接收到美國24 顆衛(wèi)星中的3 顆及以上數(shù)據(jù)就可準(zhǔn)確定位。GNSS 系統(tǒng)接收到位置信息后，經(jīng)過定位系統(tǒng)的計(jì)算和動力位置設(shè)備的動力輸出，保持平臺定位。GNSS 定位效果會受到各種各樣的因素的影響，主要包括4 類：第一類是與GNSS 衛(wèi)星有關(guān)的因素，主要是人為干預(yù)（在GNSS 基準(zhǔn)信號中加入高頻抖動等方法）、衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差等。GNSS 有軍用和民用兩種碼，鉆井平臺使用的是民用碼，關(guān)閉不僅影響鉆井平臺的定位作業(yè)，也影響該區(qū)域的所有的飛機(jī)和船舶，該系統(tǒng)做不到對單一船舶關(guān)閉信號。第二類是與傳播途徑有關(guān)的因素，主要是電離層對流層延遲、多路徑效應(yīng)（由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接到的衛(wèi)星信號中包含各種反射和折射信號）。第三類因素是自然因素，比如太陽風(fēng)暴等。第四類是與接收機(jī)有關(guān)的因素，主要是接收機(jī)軟件和硬件故障引起的誤差、GNSS 控制系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)造成的影響、數(shù)據(jù)處理軟件的影響。這類因素根據(jù)目前多數(shù)鉆井平臺運(yùn)營和使用效果，相關(guān)的硬件和軟件系統(tǒng)運(yùn)行非常穩(wěn)定，并且應(yīng)用非常普遍，未出現(xiàn)影響定位的關(guān)鍵問題，但需考慮定位系統(tǒng)的硬件使用壽命及突發(fā)問題，提前清理日常常規(guī)所需配件，補(bǔ)充缺少的配件，同時(shí)應(yīng)保證技術(shù)支持。

即便GNSS系統(tǒng)失效，鉆井平臺仍有兩套（或更多）海底HIPAP聲納系統(tǒng)，沒有動力定位系統(tǒng)失位風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 HIPAP系統(tǒng)

HIPAP 系統(tǒng)（即水聲動力位置參考系統(tǒng)）用于提供水下目標(biāo)的精確位置，如遠(yuǎn)程操作工具（ROV）、拖曳體或固定轉(zhuǎn)發(fā)器。要達(dá)到這樣的精度，HIPAP 系統(tǒng)采用球形傳感器的設(shè)計(jì)和獨(dú)特的信號處理技術(shù)[7-8]。該系統(tǒng)采用超短基線（SSBL）和長基線（LBL）定位技術(shù)。HIPAP 作為超短基線系統(tǒng)，采用獨(dú)特的加工技術(shù)，具有非常高的角度和距離測量精度。對于用長基線操作該系統(tǒng)則可以同時(shí)定位幾個(gè)海底應(yīng)答器和計(jì)算船舶的位置。DPS3 動力定位平臺上一般共兩套或更多HIPAP 系統(tǒng)，互為冗余，用預(yù)先放置在海底的信標(biāo)發(fā)出聲波作為信息載體，通過海水介質(zhì)傳輸?shù)桨惭b在平臺上的接收裝置，作為位置參考系統(tǒng)。影響水聲定位系統(tǒng)效果的主要因素主要包括3 類：第一類是鉆井平臺自身因素，包括平臺運(yùn)動速度的影響（主要是推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)）、平臺上噪聲產(chǎn)生的影響、平臺上其他設(shè)備干擾，例如拖輪靠泊等產(chǎn)生的噪聲等；第二類是環(huán)境因素，如海洋水體中聲速的深度分布、環(huán)境噪聲及水體的混響，水中溫度、鹽度、壓力、地震擾動、附近行船的噪聲、海洋生物的噪聲等；第三類因素是設(shè)備因素，指水聲定位系統(tǒng)的軟件設(shè)備及硬件設(shè)備的故障將導(dǎo)致定位系統(tǒng)失效。水聲定位系統(tǒng)的配件，主要包括信標(biāo)、電池、接收系統(tǒng)的配件。

3 HIPAP系統(tǒng)單獨(dú)應(yīng)用定位試驗(yàn)

本文以南海某半潛鉆井平臺為載體，對平臺配置的HIPAP 定位系統(tǒng)進(jìn)行了單獨(dú)定位能力測試與分析，探索其獨(dú)立完成位置參考功能的可行性。

3.1 HIPAP系統(tǒng)構(gòu)成

HIPAP 系統(tǒng)原指挪威康斯伯格公司生產(chǎn)的高精度聲納定位系統(tǒng)，目前已廣泛指代此類水下聲學(xué)高精度定位系統(tǒng)。國內(nèi)現(xiàn)已有高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)開展相關(guān)研究，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)的動力定位船舶及海工裝備。圖1展示了國內(nèi)南海某半潛平臺配置的水下高精度聲學(xué)定位系統(tǒng)組件及布置示意圖。水下聲學(xué)定位系統(tǒng)的關(guān)鍵組件包括超短基線陣與水下應(yīng)答器，井口防噴器與井下管柱連接后不再移動，安裝于其上的應(yīng)答器可作為定點(diǎn)位置參考，通過聲波信號傳輸監(jiān)測基線陣與應(yīng)答器之間的相對位置，從而確定平臺位置。

圖1 水下高精度聲學(xué)定位系統(tǒng)組件及布置示意圖

3.2 HIPAP系統(tǒng)單獨(dú)定位測試

測試期間，動力系統(tǒng)系統(tǒng)中切斷GNSS 位置參考系統(tǒng)，使用2 套水聲定位系統(tǒng)和1 套水聲定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，測試了15 min，工作正常，船位穩(wěn)定。試驗(yàn)證明僅使用HIPAP 系統(tǒng)可以進(jìn)行短時(shí)間定位。

HIPAP 系統(tǒng)用于長時(shí)間定位時(shí)，因深海內(nèi)對于水聲的影響因素廣泛存在，而且影響時(shí)間也不能夠準(zhǔn)確預(yù)測，即使備用多套聲吶定位系統(tǒng)，由于系統(tǒng)均是通過海水作為傳輸?shù)慕橘|(zhì)，故只要傳輸介質(zhì)受到影響，所有的聲吶定位系統(tǒng)也將會受到影響。因此，HIPAP 系統(tǒng)可用于短時(shí)間定位使用，不宜作為長時(shí)間定位工具應(yīng)用。這也就意味著，如果鉆井平臺GNSS 系統(tǒng)因某種原因被關(guān)閉，鉆井平臺的定位無法連續(xù)保證，不能夠準(zhǔn)確定位。

值得注意的是，按照WSOG（Well Specific Operational Guideline）的要求，若失去水聲動力位置參考系統(tǒng)（即HIPAP 系統(tǒng)）或GNSS 系統(tǒng)中的任何一套系統(tǒng)，將要求停止作業(yè)，進(jìn)入應(yīng)急解脫準(zhǔn)備狀態(tài)。

4 結(jié)論

國內(nèi)深水海洋鉆井平臺的建造與運(yùn)維相關(guān)技術(shù)手段已逐步成熟，在建或現(xiàn)役的平臺正在逐步擴(kuò)大國產(chǎn)化設(shè)備的配置率，積極部署國內(nèi)領(lǐng)先水平的國產(chǎn)化設(shè)備與組件。動力定位系統(tǒng)作為海洋鉆井平臺的關(guān)鍵設(shè)備，充分發(fā)揮水下聲學(xué)定位的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)期間的短期定位參考，作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)失效時(shí)的補(bǔ)充位置參考，為后續(xù)位置參考系統(tǒng)更換或應(yīng)急操作提供儲備時(shí)間。

本文也為水下定位系統(tǒng)的發(fā)展方向提出了一個(gè)新的思路。未來的海洋油田作業(yè)現(xiàn)場可通過導(dǎo)管架、水下信標(biāo)等方式提供固定位置參考，解決水下聲學(xué)定位系統(tǒng)長期工作的耐久性與可靠性問題，通過水下聲納系統(tǒng)提供永久位置參考，避免對GNSS 系統(tǒng)的過度依賴。