浮式平臺(tái)一體化海洋監(jiān)測(cè)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(zé)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(guó)南海1500 米水深陵水氣田的“深海一號(hào)” 能源站-陵水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，是我國(guó)第一座深水浮式生產(chǎn)平臺(tái),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(duì)于新型平臺(tái)在極端環(huán)境下的響應(yīng)缺乏了解，對(duì)于深水平臺(tái)運(yùn)維缺乏相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)，因此這對(duì)平臺(tái)安全性提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了保障平臺(tái)在全生命周期內(nèi)安全作業(yè)和提高運(yùn)維管理效率，平臺(tái)上安裝了一套完整的一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （Integrated Marine Monitoring System,IMMS）。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以幫助平臺(tái)作業(yè)人員實(shí)時(shí)了解平臺(tái)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，從而為決策提供數(shù)據(jù)支持；而且通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析，可以校核數(shù)值計(jì)算結(jié)果，從而改善設(shè)計(jì)方法等。

1 一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展

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

在我國(guó)，從1990年開(kāi)始，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)就被應(yīng)用于南海和渤海油氣平臺(tái)，但是主要集中在FPSO 平臺(tái)。魏躍峰等人基于“南海奮進(jìn)號(hào)” 平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(hào)”半潛式平臺(tái)上設(shè)計(jì)安裝了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和研究。上海交通大學(xué)依托國(guó)家科技重大專項(xiàng)，研發(fā)了"深海平臺(tái)安全保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)"，并且成功應(yīng)用于"海洋石油981"鉆井平臺(tái)。但是總體而言，我國(guó)對(duì)浮式生產(chǎn)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)仍處于試驗(yàn)和驗(yàn)證階段。

近年來(lái)，隨著海洋平臺(tái)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容越來(lái)越廣泛，越來(lái)越多的專業(yè)公司參與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和集成。如英國(guó)Pulse，美國(guó)Stress Engineering，丹麥Force Technology 等公司專長(zhǎng)于系泊和立管監(jiān)測(cè)；英國(guó)BMT和Strainstall 公司專長(zhǎng)于海洋環(huán)境和平臺(tái)姿態(tài)監(jiān)測(cè)，以及系統(tǒng)集成等。為了避免相互孤立，平臺(tái)上一般都將各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)集成在一起，形成一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在統(tǒng)一的集成軟件上進(jìn)行展示，從而讓作業(yè)人員能夠綜合評(píng)價(jià)平臺(tái)整體狀態(tài)。在我國(guó)，雖然早期的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都由國(guó)外公司集成；但是近年來(lái)多條FPSO 平臺(tái)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造和升級(jí)，以及監(jiān)測(cè)軟件的開(kāi)發(fā)集成等已經(jīng)開(kāi)始由國(guó)內(nèi)公司自己主導(dǎo)。

如今，平臺(tái)上每天采集的監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)、日常運(yùn)維、管理決策提供支持顯得越來(lái)越重要和緊迫。近年來(lái)，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(wèn)題正逐漸得到解決。

2 一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

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

圖1 一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和設(shè)備

海洋環(huán)境是造成浮式平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要因素。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括風(fēng)速和風(fēng)向、海流剖面、波浪參數(shù)、空氣溫度和濕度、大氣壓力、能見(jiàn)度、水溫和鹽度等。

測(cè)量風(fēng)速和方向的儀器是風(fēng)速計(jì)。最常用的為超聲波型；其他的還包括機(jī)械風(fēng)杯式、熱電式、電容式、壓差式、氣壓式等。

測(cè)量波浪參數(shù)的主要儀器包括波浪浮標(biāo),平臺(tái)甲板氣隙探測(cè)設(shè)備，和 X-波段雷達(dá)等三種。

測(cè)量流的主要儀器是聲學(xué)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(cè)量整個(gè)水柱的流速和流向，一般需要裝置多個(gè)ADCP — 水平型用于測(cè)量表面流速和垂直型用于測(cè)量不同深度的流剖面。

平臺(tái)位置和姿態(tài)是平臺(tái)作業(yè)者最關(guān)心的數(shù)據(jù)之一，相關(guān)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括平臺(tái)6 個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和加速度、平臺(tái)吃水、以及甲板氣隙等。

平臺(tái)的位置和位移一般可以通過(guò)差分全球定位系統(tǒng)準(zhǔn)確地測(cè)量到。平臺(tái)的方位角和傾斜角則可以通過(guò)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量。

一體化海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器設(shè)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(jiàn)的形式，采用纜線供電和傳送數(shù)據(jù)，具備安裝方便，維護(hù)容易，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)；但是纜線容易損害，布置需要避免穿過(guò)非安全區(qū)域等。硬連線主要用于安裝在平臺(tái)上部組塊和浮體內(nèi)部的傳感器。獨(dú)立應(yīng)用型是將所有相關(guān)設(shè)備集中放置在一個(gè)金屬容器內(nèi)，包括電池和儲(chǔ)存卡；然后定期采用ROV 取回，更換電池和下載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。獨(dú)立應(yīng)用型雖然安裝處理方便容易，但是取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)非實(shí)時(shí)，ROV 使用成本高。所以獨(dú)立應(yīng)用型主要用于深水中和海底的結(jié)構(gòu)物監(jiān)測(cè)。聲波傳輸型是介于獨(dú)立和硬連線之間，包含用于與平臺(tái)進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)傳遞的聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器；設(shè)備采用電池供電，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在平臺(tái)上。安裝在平臺(tái)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(cè)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(gè)模塊，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊用于從各個(gè)傳感器采集實(shí)時(shí)測(cè)量到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行清洗和儲(chǔ)存；以及鑒定和警示可能失效的傳感器等。為了不影響平臺(tái)在臺(tái)風(fēng)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(luò)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(jìn)行。數(shù)據(jù)采集模塊一般采用LabVIEW 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

數(shù)據(jù)展示模塊主要是對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用儀表盤、表格、和動(dòng)畫(huà)等形式進(jìn)行可視化顯示；對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、導(dǎo)出、和時(shí)間序列繪制，以及基本統(tǒng)計(jì)分析等。數(shù)據(jù)展示模塊一般采用C++、C#等常規(guī)編程語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。圖3為平臺(tái)姿態(tài)實(shí)時(shí)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(cè)案例和效果分析

美國(guó)Anadarko 公司的Marco Polo 平臺(tái)位于墨西哥灣1300 米水深處，是一個(gè)監(jiān)測(cè)比較齊全的深水浮式生產(chǎn)平臺(tái)。為了檢驗(yàn)深水TLP 的設(shè)計(jì)方法、評(píng)估環(huán)境荷載及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，美國(guó)多家公司為這個(gè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理成立了一個(gè)為期5年的JIP 項(xiàng)目（2004-2009）。平臺(tái)主要監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器布置如圖4所示。

圖4 平臺(tái)傳感器布置

在JIP 項(xiàng)目期間，平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄正常運(yùn)行時(shí)間達(dá)99%；經(jīng)歷了Ivan、Katrina、Rita、Ike 等多個(gè)颶風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)62m/s，最大浪高達(dá)28m。平臺(tái)雖然接近颶風(fēng)中心，最近距離僅45 海里，但是沒(méi)有受到明顯損害，而且還完整地監(jiān)測(cè)和記錄了颶風(fēng)過(guò)程中的海洋環(huán)境和平臺(tái)響應(yīng)等數(shù)據(jù)，達(dá)到了JIP 項(xiàng)目的目的。

圖5為平臺(tái)測(cè)量得到的Ike 颶風(fēng)過(guò)境的波浪數(shù)據(jù)，包含上升和衰減過(guò)程，最大有義波高達(dá)12.1 米。圖6為平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的垂蕩運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)的頻率非常接近。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確性，而且也同時(shí)可以證明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖5 平臺(tái)颶風(fēng)Ike 過(guò)境測(cè)得的極端波浪

圖6 平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)譜比較-實(shí)測(cè)和分析

4 結(jié)論

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