融合機理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動的深水浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)在線實時預(yù)測

摘 要 當前對于浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)的計算大多采用時域耦合分析方法，無法做到姿態(tài)實時預(yù)測。針對這個問題，提出一種融合機理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動的深水浮式生產(chǎn)平臺姿態(tài)在線實時預(yù)測方法，對浮式生產(chǎn)平臺位移等運動姿態(tài)進行實時預(yù)測。使用該方法可以計算獲得浮式平臺運動姿態(tài)相關(guān)均值和極值，為深水浮式平臺的實時監(jiān)測和安全作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞 深水浮式平臺 平臺運動姿態(tài) 在線實時預(yù)測 位移

中圖分類號 TP29" "文獻標志碼 A" "文章編號 1000-3932（2024）06-1101-07

國際上對海洋平臺結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測可以追溯到20世紀70年代，最初的監(jiān)測主要針對的是固定式平臺，以便監(jiān)測結(jié)構(gòu)的損傷［1，2］。1987年BMT公司為康菲石油公司的浮式平臺Joliet TLWP開發(fā)了最早的性能監(jiān)測系統(tǒng)（Performance Monitoring System，PMS）。隨著傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的進步，自20世紀80年代以來，隨著對深遠海域平臺實施多系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測逐漸應(yīng)用和普及，監(jiān)測內(nèi)容和技術(shù)手段日趨豐富和完善［3］。

隨著我國海洋油氣資源開采逐步從近淺海區(qū)域走向遠深海區(qū)域，浮式生產(chǎn)平臺的應(yīng)用場景越來越廣泛。作為油氣資源儲量最豐富的地區(qū)之一，中國南海地處亞洲季風區(qū)，每年臺風期長且對浮式生產(chǎn)平臺的影響作用范圍大，加上各種氣象水文極端因素的聯(lián)合作用，使得南海成為全球氣候條件最為惡劣的海域之一。在中國南海海域，為了保障深水浮式生產(chǎn)平臺安全生產(chǎn)與作業(yè)，尤其保障浮式生產(chǎn)平臺在臺風天氣下的遠程遙控生產(chǎn)，運動姿態(tài)的實時預(yù)測至關(guān)重要。筆者以復(fù)雜工況下的浮式生產(chǎn)平臺實際工程應(yīng)用和安全操作需求為出發(fā)點，提出融合機理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動的深水浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)在線實時預(yù)測方法。

1 深水浮式平臺姿態(tài)預(yù)測現(xiàn)狀

我國南海浮式生產(chǎn)平臺設(shè)計與生產(chǎn)缺乏長期有效準確的現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)參考，尤其是在南海北部。為了彌補浮式生產(chǎn)平臺現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)方面的不足，中國海油聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)高校對半潛生產(chǎn)平臺“南海挑戰(zhàn)號”開展了現(xiàn)場監(jiān)測，實現(xiàn)了平臺結(jié)構(gòu)的水下監(jiān)測、系統(tǒng)的遠程監(jiān)控與干預(yù)以及臺風期間的獨立監(jiān)測，獲得了環(huán)境數(shù)據(jù)、浮式平臺運動姿態(tài)數(shù)據(jù)、立管數(shù)據(jù)和水下結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，其中包含多個臺風天氣下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，在浮式平臺現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域邁出了重要的一步。

綜合以往深水浮式平臺的現(xiàn)場監(jiān)測案例和經(jīng)驗［4，5］，我國自主設(shè)計的世界首座十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺“深海一號能源站”配備了國產(chǎn)一體化海洋監(jiān)測系統(tǒng)［6～9］（圖1），包含6個監(jiān)測子系統(tǒng)，分別為海洋環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、平臺位置與姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、系泊監(jiān)測系統(tǒng)、立管監(jiān)測系統(tǒng)、浮體結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)與壓載控制系統(tǒng)，可實時監(jiān)測浮式平臺所在海域的風、浪、流、溫/濕度等水文氣象參數(shù)，平臺位置、運動姿態(tài)與吃水參數(shù)，系泊纜張力和收放長度參數(shù)，立管頂部張力、柔性連接頭轉(zhuǎn)角、渦激振動響應(yīng)參數(shù)，浮體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)，所有艙室的液位以及閥門、泵和水密門/通道等的狀態(tài)參數(shù)。為我國南海深水浮式生產(chǎn)平臺的生產(chǎn)運維和相關(guān)浮式生產(chǎn)平臺重要裝備的研究設(shè)計提供了參考和現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)支持。

在當前以大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)為特征的時代背景下，作為海上深水油氣田開發(fā)的重要裝備，深水浮式平臺的監(jiān)測技術(shù)也越來越受到重視［10～12］。通過可靠的方式采集到現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以用于檢驗和完善浮式平臺設(shè)計理論方法，也可為浮式生產(chǎn)平臺在服役期間的特定作業(yè)和臨時風險提供預(yù)警和決策。

目前，浮式平臺的運動姿態(tài)通常采用時域耦合計算方法，該方法通過水池模型試驗進行驗證，并考慮了平臺、系泊和立管之間的耦合效應(yīng)，其計算精度較高，被廣泛采用。大數(shù)據(jù)和人工智能的興起為浮式平臺的運動姿態(tài)預(yù)測提供了潛在的數(shù)值預(yù)測手段，但耦合計算仍然需要花費大量時間，且大數(shù)據(jù)和人工智能預(yù)測計算方法還處于探索階段，實際應(yīng)用尚未成熟。因此，筆者基于世界首座十萬噸級深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺“深海一號能源站”的時域耦合機理分析，結(jié)合以往工程實踐經(jīng)驗，對深水浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和擬合，提供一種適用于實際工程應(yīng)用的深水浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)在線實時預(yù)測方法，可快速評價平臺姿態(tài)，用于深水浮式生產(chǎn)平臺的在線實時姿態(tài)預(yù)測和預(yù)警管理。

2 深水浮式生產(chǎn)平臺系泊懸鏈線方程

文中深水浮式生產(chǎn)平臺在線實時姿態(tài)預(yù)測針對的是深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺“深海一號能源站”。“深海一號能源站”深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺安裝海域水深為1 422 m，其系泊系統(tǒng)分為4組，每組4根聚酯系泊纜，共16根系泊纜，平臺相關(guān)設(shè)計尺寸如下：

立柱邊長 21.00 m

立柱高度 59.00 m

立柱中心間距 70.50 m

浮箱高度 9.00 m

浮箱寬度 21.00 m

浮箱長度 49.50 m

平臺吃水-作業(yè) 35.0～40.0 m

在諸多實際應(yīng)用中，如懸索吊橋、架空電纜等，都涉及到懸鏈線［13，14］。基本懸鏈線函數(shù)是超越函數(shù)，應(yīng)用中可以通過拋物線逼近、級數(shù)展開求解高次方程等數(shù)學(xué)方法近似求解?；緫益溇€函數(shù)如下：

y=cosh x=■" " " "（1）

根據(jù)泰勒級數(shù)展開，懸鏈線的超越函數(shù)可表達為：

y=1+■+■+■+■+…=1+■+o（x4）" "（2）

其中，o（x4）表示x4的高階無窮小。

對于深海浮式平臺系泊，以單段懸鏈線為例（圖2）。假定海床是平坦的，纜線在x-z平面內(nèi)運動，圖中x是沿海床的水平坐標，z是沿水深的垂直坐標，h是纜線截面離海床的高度，s是從海床接觸點算起的有效纜線長度，SB是纜線位于海床上的長度，T是有效纜線長度為s處截面的張力，T■是纜線在高度h處截面的張力，φ是纜線在有效長度s處的水平夾角，φ0是纜線與海床接觸點處的水平夾角，φw是纜線在高度h處的水平夾角。

圖3所示為一段受力線單元，忽略纜線的彎曲剛度和動力響應(yīng)。圖中D和F分別為作用在單元垂向和切向上的單位長度水動力；w是纜線的單位長度濕重，即線單元的干重減去作用在線單元上的浮力；A是纜線的截面積；E是彈性模量；ds是纜線微單元。

沿線單元切向和垂向的靜力平衡表達式如下：

dT=wsin φ-F（1+■）" " " （3）

Tdφ=［wcos φ+D（1+■）］ds" " "（4）

忽略水動力D和F的影響和纜線的軸向彈性，可得近似解：

■=tan φdφ" " " " "（5）

dx=cos φds=■dφ" " " （6）

" "dz=sin φds=■" " " " （7）

令V和H分別為有效張力T的垂直和水平分量，即V=Tsin φ，H=Tcos φ，V在觸地點處為V■，可以得到水平位移公式：

x-x0=■sinh-1■-sinh-1■" " "（8）

其中，x■是觸地點水平坐標。因此采用一元二次方程y=ax2+bx+c擬合逼近深海系泊懸鏈線方程可以滿足相關(guān)工程需要。

深水浮式生產(chǎn)平臺，如半潛平臺、TLP平臺等，水平位移作為重要的平臺響應(yīng)，需要考慮相關(guān)環(huán)境載荷，如風、浪、流作用以及其他如立管/系泊系統(tǒng)載荷、剛度等，通過時/頻域的數(shù)值計算來獲得準確的信息。

然而根據(jù)以往的項目經(jīng)驗，平臺靜態(tài)水平位移和平臺外部總載荷通常成多項式關(guān)系。圖4給出了典型深水浮式生產(chǎn)平臺水平力和水平位移的關(guān)系曲線（1 feet=0.3048 m；1 kips=4448.2216 N）。

因此，通過二次方程擬合逼近平臺總體水平位移，應(yīng)能滿足對平臺響應(yīng)進行預(yù)測的實際工程需求。

3 預(yù)測算法

如前所述，深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺的運動姿態(tài)的在線實時預(yù)測將基于時域耦合分析結(jié)果，通過二次方程擬合平臺響應(yīng)與環(huán)境參數(shù)之間的關(guān)系。所有全耦合時域數(shù)值計算基于37 m平臺吃水，部分參數(shù)如下：

排水量 105 kt

16方向 （0～360°）/22.5°

6個環(huán)境條件（回歸期） 1年、5年、10年、50年、

100年、1 000年臺風

系泊系統(tǒng)聚酯纜采用低剛度（靜態(tài)剛度，14xMBL最小破斷載荷），動態(tài)剛度對浮體姿態(tài)響應(yīng)的影響通過修正系數(shù)進行調(diào)節(jié)。

浮體姿態(tài)預(yù)測將基于實測的環(huán)境參數(shù)或者作業(yè)者假設(shè)的環(huán)境參數(shù)：風速及風向，流速剖面及流向，浪高、周期及浪向。

根據(jù)統(tǒng)計和工業(yè)界慣例，浮式平臺運動姿態(tài)（如位移、垂蕩及加速度等）極值通?？赏ㄟ^下式計算：

極值=均值±方差×極值因子" " "（9）

式（9）中右側(cè)的每一項可基于時域耦合分析結(jié)果，采用如下一元二次方程進行擬合：

姿態(tài)參數(shù)預(yù)估=C■×影響參數(shù)2+C■×影響參數(shù)+C■ （10）

其中，姿態(tài)參數(shù)包括均值、方差及極值因子等；影響參數(shù)主要是波高Hs，其他還包括環(huán)境載荷、風速等；C■、C■、C■為擬合系數(shù)。

現(xiàn)以平臺位移的預(yù)測為例進行分析。當預(yù)測平臺位移時，需考慮波浪對平臺產(chǎn)生的載荷，包括均值載荷（慢漂力）和動態(tài)載荷。波浪的均值載荷相對于風和流載荷較小，需通過系數(shù)進行修正，式（9）可修改為：

極值=均值×修正系數(shù)±方差×極值因子" （11）

波浪的動態(tài)載荷是影響浮式平臺動態(tài)響應(yīng)的最主要因素，可以通過擬相應(yīng)方差、極值因子與波高的關(guān)系得到。

浮式平臺的位移主要由外部環(huán)境載荷和平臺自身系泊系統(tǒng)的橫向剛度決定。平臺位移與水平載荷的擬合關(guān)系如下：

浮式平臺位移=C■×載荷2+C■×載荷+C■ （12）

表1給出了部分浪向下的擬合參數(shù)。

0.0°浪向下浮式平臺位移與載荷的擬合曲線如圖5所示。

基于環(huán)境載荷和上述擬合關(guān)系，計算得到不同環(huán)境條件下不同方向的平臺位移均值，與經(jīng)模型試驗驗證過的時域數(shù)值計算結(jié)果有一些差別。為了提高姿態(tài)預(yù)測的準確度，需要對預(yù)測得到的不同浪向下的位移均值進行修正。平臺位移均值的修正系數(shù)計算公式如下：

平臺位移均值修正系數(shù)=C■×Hs2+C■×Hs+C■" （13）

計算得到的浮式平臺位移修正擬合系數(shù)見表2。

0.0°浪向下位移均值修正系數(shù)與波高的擬合曲線如圖6所示。

通過靜態(tài)計算和均值修正，將最終得到的位移均值與數(shù)值計算結(jié)果進行比較，兩者誤差在

±2%范圍之內(nèi)。

對于方差和極值因子的擬合，選擇合適的擬合參數(shù)非常重要。通過謹慎考慮，波高Hs被選擇作為擬合參數(shù)。位移方差與波高的擬合關(guān)系如下：

位移方差=C■×Hs2+C■×Hs+C■" " （14）

位移方差的擬合系數(shù)見表3。

0.0°浪向下位移方差與波高的擬合曲線如圖7所示。

通過擬合公式預(yù)測得到的位移方差與數(shù)值計算結(jié)果比較，誤差在±5%范圍之內(nèi)。

同理，位移極值因子與波高的擬合關(guān)系如下：

位移極值因子=C■×Hs2+C■×Hs+C■" " （15）

位移極值因子擬合系數(shù)見表4。

0.0°浪向下位移極值因子與波高的擬合曲線如圖8所示。

將上述均值、方差、極值因子擬合公式得到的預(yù)測值代入式（11），即可得到預(yù)測的位移極值。將最終得到的位移極值與數(shù)值計算結(jié)果比較，兩者誤差在±4%之內(nèi)（針對16個方向6個重現(xiàn)值的結(jié)果比較）。

表5提供了部分極值比較結(jié)果。

4 結(jié)束語

提出一種融合機理分析與數(shù)據(jù)驅(qū)動的深水浮式生產(chǎn)平臺運動姿態(tài)在線實時預(yù)測方法，該方法通過選擇主要影響參數(shù)得到均值和極值預(yù)測。從計算結(jié)果看，平臺的姿態(tài)在線實時預(yù)測結(jié)果能夠很好地符合全時域耦合計算結(jié)果，滿足工程和生產(chǎn)作業(yè)要求，實現(xiàn)深水浮式生產(chǎn)平臺快速實時監(jiān)測和預(yù)測。該預(yù)測算法為下一步基于平臺實時監(jiān)測大數(shù)據(jù)的自適應(yīng)修正提供了理論基礎(chǔ)，同時也為未來深水浮式生產(chǎn)平臺在臺風天氣下實現(xiàn)遠程遙控生產(chǎn)和姿態(tài)實時預(yù)測提供了工程實施的可能性。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2024-02-06，修回日期：2024-09-19）

Online Predication of the Motion Attitude of Deep-water Floating Production Platform Based on Combining Mechanism Analysis and Data Driven

HE Xiao-yong1， LI Da1， ZHANG Da-gang2， WANG Ting-ting1， YANG Jia-hui2

（1. CNOOC Research Institute Co.，Ltd.； 2.DMAR Beijing Marine Technology Inc.）

Abstract" "Considering the fact that mostly-adopted time-domain coupling analysis method for calculating the motion attitude of floating oil production platform fails to predict the motion attitude at real time， an online prediction method for it was proposed， which has mechanism analysis and data driven based to predict both displacement and motion attitude at real time. Both mean value and extreme value of the motion attitude calculated provides reference for online monitoring and safe operation of the deepwater floating platform.

Key words" "deep-water floating platform， platform motion attitude， online predication， displacement