浮式平臺一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的利用和發(fā)展

朱海山，何驍勇，陳勇軍，王婷婷，張大剛

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028; 2.北京迪瑪爾海洋技術(shù)有限公司,北京 100085）

2021年安裝于我國南海1500 米水深陵水氣田的“深海一號” 能源站-陵水半潛式生產(chǎn)儲油平臺，是我國第一座深水浮式生產(chǎn)平臺,也是第一次采用聚酯纜系泊系統(tǒng)和第一次采用鋼制懸鏈線立管。由于南海環(huán)境條件惡劣，作業(yè)公司對于新型平臺在極端環(huán)境下的響應缺乏了解，對于深水平臺運維缺乏相應的經(jīng)驗，因此這對平臺安全性提出了嚴峻挑戰(zhàn)。為了保障平臺在全生命周期內(nèi)安全作業(yè)和提高運維管理效率，平臺上安裝了一套完整的一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng) （Integrated Marine Monitoring System,IMMS）。監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以幫助平臺作業(yè)人員實時了解平臺的實際運行狀態(tài)，從而為決策提供數(shù)據(jù)支持；而且通過對實測數(shù)據(jù)的處理和分析，可以校核數(shù)值計算結(jié)果，從而改善設計方法等。

1 一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展

英國BMT 公司于1987年在康菲石油的 Joliet 張力腿平臺上安裝了一套性能監(jiān)測系統(tǒng)，這是一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的雛形。1995年，第一座混凝土船體的張力腿平臺Heidrun 安裝在挪威海域，平臺上配置了一套用于采集環(huán)境參數(shù)、張力腿張力和運動響應等信息的監(jiān)測系統(tǒng)。2002年，世界上第一座超深水平臺由英國石油安裝在墨西哥灣1650 米水深的Horn Mountain 油田。平臺配備了一套完整的一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對船體、系泊系統(tǒng)、以及立管系統(tǒng)響應信息的同步測量?，F(xiàn)在，幾乎所有的深水浮式生產(chǎn)平臺都配置有一套監(jiān)測系統(tǒng)，雖然監(jiān)測的內(nèi)容不盡相同。

在我國，從1990年開始，現(xiàn)場監(jiān)測就被應用于南海和渤海油氣平臺，但是主要集中在FPSO 平臺。魏躍峰等人基于“南海奮進號” 平臺現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析研究了FPSO 尾甩現(xiàn)象。杜宇等人為 “南海挑戰(zhàn)號”半潛式平臺上設計安裝了現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，同時對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析和研究。上海交通大學依托國家科技重大專項，研發(fā)了"深海平臺安全保障監(jiān)測系統(tǒng)"，并且成功應用于"海洋石油981"鉆井平臺。但是總體而言，我國對浮式生產(chǎn)平臺的監(jiān)測仍處于試驗和驗證階段。

近年來，隨著海洋平臺的監(jiān)測內(nèi)容越來越廣泛，越來越多的專業(yè)公司參與監(jiān)測系統(tǒng)的設計、安裝和集成。如英國Pulse，美國Stress Engineering，丹麥Force Technology 等公司專長于系泊和立管監(jiān)測；英國BMT和Strainstall 公司專長于海洋環(huán)境和平臺姿態(tài)監(jiān)測，以及系統(tǒng)集成等。為了避免相互孤立，平臺上一般都將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡集成在一起，形成一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)，在統(tǒng)一的集成軟件上進行展示，從而讓作業(yè)人員能夠綜合評價平臺整體狀態(tài)。在我國，雖然早期的監(jiān)測系統(tǒng)都由國外公司集成；但是近年來多條FPSO 平臺的監(jiān)測系統(tǒng)改造和升級，以及監(jiān)測軟件的開發(fā)集成等已經(jīng)開始由國內(nèi)公司自己主導。

如今，平臺上每天采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)量非常巨大，如何有效地整理、分析、和利用這些數(shù)據(jù)為工程設計、日常運維、管理決策提供支持顯得越來越重要和緊迫。近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，這一問題正逐漸得到解決。

2 一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的組成

深水浮式油氣生產(chǎn)平臺的一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測海洋環(huán)境、平臺姿態(tài)、結(jié)構(gòu)應力、系泊立管張力等。除了海洋環(huán)境和平臺姿態(tài)外，其他部分（子系統(tǒng)）通常都由專門的公司負責，自成體系；與主體監(jiān)測系統(tǒng)只是進行數(shù)據(jù)交互，如圖1所示。

圖1 一體化監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測內(nèi)容和設備

海洋環(huán)境是造成浮式平臺動態(tài)響應的主要因素。海洋環(huán)境監(jiān)測的主要內(nèi)容包括風速和風向、海流剖面、波浪參數(shù)、空氣溫度和濕度、大氣壓力、能見度、水溫和鹽度等。

測量風速和方向的儀器是風速計。最常用的為超聲波型；其他的還包括機械風杯式、熱電式、電容式、壓差式、氣壓式等。

測量波浪參數(shù)的主要儀器包括波浪浮標,平臺甲板氣隙探測設備，和 X-波段雷達等三種。

測量流的主要儀器是聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)；其他的類型還包括旋槳式流速儀、電磁式流速儀等。為了測量整個水柱的流速和流向，一般需要裝置多個ADCP — 水平型用于測量表面流速和垂直型用于測量不同深度的流剖面。

平臺位置和姿態(tài)是平臺作業(yè)者最關心的數(shù)據(jù)之一，相關的監(jiān)測內(nèi)容包括平臺6 個自由度的運動和加速度、平臺吃水、以及甲板氣隙等。

平臺的位置和位移一般可以通過差分全球定位系統(tǒng)準確地測量到。平臺的方位角和傾斜角則可以通過慣性導航系統(tǒng)測量。

一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器設備與數(shù)據(jù)采集器的連接方式一般包括三種形式。硬連線型是最常見的形式，采用纜線供電和傳送數(shù)據(jù)，具備安裝方便，維護容易，數(shù)據(jù)傳輸實時等優(yōu)點；但是纜線容易損害，布置需要避免穿過非安全區(qū)域等。硬連線主要用于安裝在平臺上部組塊和浮體內(nèi)部的傳感器。獨立應用型是將所有相關設備集中放置在一個金屬容器內(nèi)，包括電池和儲存卡；然后定期采用ROV 取回，更換電池和下載監(jiān)測數(shù)據(jù)。獨立應用型雖然安裝處理方便容易，但是取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)非實時，ROV 使用成本高。所以獨立應用型主要用于深水中和海底的結(jié)構(gòu)物監(jiān)測。聲波傳輸型是介于獨立和硬連線之間，包含用于與平臺進行通訊和數(shù)據(jù)傳遞的聲學調(diào)制解調(diào)器；設備采用電池供電，數(shù)據(jù)儲存在平臺上。安裝在平臺基線附件的流速儀便采用聲波傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)采集和展示軟件

一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的集成軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)展示兩個模塊，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊用于從各個傳感器采集實時測量到的數(shù)據(jù)，并進行清洗和儲存；以及鑒定和警示可能失效的傳感器等。為了不影響平臺在臺風撤離期間的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)一般都配備有UPS 不間斷電源。

圖2 集成軟件總體架構(gòu)圖

傳感器的數(shù)據(jù)采集一般采用串口通訊或網(wǎng)絡方式獲取數(shù)據(jù)。集成軟件與其他子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互則一般采用Modbus 或OPC Server 進行。數(shù)據(jù)采集模塊一般采用LabVIEW 語言進行開發(fā)。

數(shù)據(jù)展示模塊主要是對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)用儀表盤、表格、和動畫等形式進行可視化顯示；對歷史數(shù)據(jù)進行查詢、導出、和時間序列繪制，以及基本統(tǒng)計分析等。數(shù)據(jù)展示模塊一般采用C++、C#等常規(guī)編程語言進行開發(fā)。圖3為平臺姿態(tài)實時數(shù)據(jù)展示界面。

圖3 數(shù)據(jù)展示界面示意圖

3 監(jiān)測案例和效果分析

美國Anadarko 公司的Marco Polo 平臺位于墨西哥灣1300 米水深處，是一個監(jiān)測比較齊全的深水浮式生產(chǎn)平臺。為了檢驗深水TLP 的設計方法、評估環(huán)境荷載及平臺運動，美國多家公司為這個平臺的監(jiān)測及數(shù)據(jù)處理成立了一個為期5年的JIP 項目（2004-2009）。平臺主要監(jiān)測設備和傳感器布置如圖4所示。

圖4 平臺傳感器布置

在JIP 項目期間，平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄正常運行時間達99%；經(jīng)歷了Ivan、Katrina、Rita、Ike 等多個颶風，最大風速達62m/s，最大浪高達28m。平臺雖然接近颶風中心，最近距離僅45 海里，但是沒有受到明顯損害，而且還完整地監(jiān)測和記錄了颶風過程中的海洋環(huán)境和平臺響應等數(shù)據(jù)，達到了JIP 項目的目的。

圖5為平臺測量得到的Ike 颶風過境的波浪數(shù)據(jù)，包含上升和衰減過程，最大有義波高達12.1 米。圖6為平臺監(jiān)測到的垂蕩運動譜與數(shù)值分析結(jié)果比較 - 雖然譜形狀有一定的差異，但是譜峰及對應的頻率非常接近。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和與數(shù)值分析的校核，不但可以證明數(shù)值分析的準確性，而且也同時可以證明監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 平臺颶風Ike 過境測得的極端波浪

圖6 平臺垂蕩運動譜比較-實測和分析

4 結(jié)論

基于我國海上油氣開發(fā)逐步走向深水，并開始采用技術(shù)先進的浮式生產(chǎn)平臺，本文綜合闡述了用于保證浮式平臺安全生產(chǎn)的一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)的歷史、組成、現(xiàn)狀、案例及監(jiān)測效果分析等，對我國深水油氣田開發(fā)將起到一定的借鑒作用。