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(kāi)發(fā)逐步成為主流，國(guó)內(nèi)深水乃至超深水鉆井平臺(tái)的數(shù)量較10 年前增加了1 倍以上，國(guó)內(nèi)船廠參與建造的深水浮式鉆井平臺(tái)也到達(dá)全球各個(gè)海域參與作業(yè)。目前，國(guó)內(nèi)已有的深水鉆井平臺(tái)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(tái)作業(yè)過(guò)程中，平臺(tái)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(tái)為保持作業(yè)過(guò)程中與鉆井井位的相對(duì)位置，通常采用動(dòng)力定位、錨泊定位或動(dòng)力輔助錨泊定位等3 種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(tái)船位維持能力。動(dòng)力定位（Dynamic Positioning, DP）系統(tǒng)的工作性能直接影響平臺(tái)的正常運(yùn)營(yíng)和安全作業(yè)，如果動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)備出現(xiàn)故障，會(huì)給平臺(tái)作業(yè)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患。

國(guó)內(nèi)海上石油工業(yè)起步較晚，目前與國(guó)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(tái)，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(guó)內(nèi)北斗定位系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)取得長(zhǎng)足進(jìn)步，海洋油氣平臺(tái)已增設(shè)北斗定位系統(tǒng)。而海洋鉆井平臺(tái)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(guó)內(nèi)也有相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)與平臺(tái)配備的其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)、平衡等開(kāi)展了相關(guān)研究[3-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)度，海洋鉆井平臺(tái)配備的HIPAP 系統(tǒng)已逐步替換為國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)，應(yīng)用HIPAP 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)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(guó)際局勢(shì)變化，國(guó)外衛(wèi)星定位系統(tǒng)仍壟斷相關(guān)行業(yè)，積極應(yīng)用國(guó)內(nèi)成熟產(chǎn)品探索替代國(guó)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(guó)內(nèi)“卡脖子”的關(guān)鍵[5]。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)主要組成

目前鉆井平臺(tái)的動(dòng)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(cè)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(rùn)滑油、冷卻水等系統(tǒng)）[6]。

1.2 組件冗余配置

海洋鉆井平臺(tái)動(dòng)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(lái)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(guó)深海鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)主要采用DPS3系統(tǒng)，其位置參考系統(tǒng)、動(dòng)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(tái)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(dòng)力定位的可靠性越高，同時(shí)對(duì)影響定位的因素控制得越好。國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范已對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的能力進(jìn)行分級(jí)，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)前動(dòng)力定位系統(tǒng)主要分級(jí)包括DP1、DP2、DP3, 中國(guó)船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)分級(jí)的最低要求如表1 所示。

表1 CCS對(duì)DP分級(jí)的最低要求

從DPS3 定位的整個(gè)系統(tǒng)來(lái)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(tái)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(tái)在2012 年10 月份出現(xiàn)電站故障，造成4 臺(tái)推進(jìn)器停止工作，主要原因是DP3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。故障發(fā)生后，技術(shù)人員重新設(shè)計(jì)并修改，該平臺(tái)后續(xù)運(yùn)營(yíng)1.5 a 未出現(xiàn)同類(lèi)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(cè)量系統(tǒng)包括兩部分：第一部分是外部環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)，主要有電羅經(jīng)、MRU、風(fēng)速風(fēng)向儀等，這些測(cè)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(dòng)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(wú)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(guó)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(guó)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(guó)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(guò)定位系統(tǒng)的計(jì)算和動(dòng)力位置設(shè)備的動(dòng)力輸出，保持平臺(tái)定位。GNSS 定位效果會(huì)受到各種各樣的因素的影響，主要包括4 類(lèi)：第一類(lèi)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(hào)中加入高頻抖動(dòng)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(tái)使用的是民用碼，關(guān)閉不僅影響鉆井平臺(tái)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(duì)單一船舶關(guān)閉信號(hào)。第二類(lèi)是與傳播途徑有關(guān)的因素，主要是電離層對(duì)流層延遲、多路徑效應(yīng)（由于接收機(jī)周?chē)h(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接到的衛(wèi)星信號(hào)中包含各種反射和折射信號(hào)）。第三類(lèi)因素是自然因素，比如太陽(yáng)風(fēng)暴等。第四類(lèi)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(lèi)因素根據(jù)目前多數(shù)鉆井平臺(tái)運(yùn)營(yíng)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(wèn)題，但需考慮定位系統(tǒng)的硬件使用壽命及突發(fā)問(wèn)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(tái)仍有兩套（或更多）海底HIPAP聲納系統(tǒng)，沒(méi)有動(dòng)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(dòng)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(hào)處理技術(shù)[7-8]。該系統(tǒng)采用超短基線（SSBL）和長(zhǎng)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(cè)量精度。對(duì)于用長(zhǎng)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(dòng)力定位平臺(tái)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(guò)海水介質(zhì)傳輸?shù)桨惭b在平臺(tái)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(lèi)：第一類(lèi)是鉆井平臺(tái)自身因素，包括平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的影響（主要是推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)）、平臺(tái)上噪聲產(chǎn)生的影響、平臺(tái)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(lèi)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(dòng)、附近行船的噪聲、海洋生物的噪聲等；第三類(lèi)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(tái)為載體，對(duì)平臺(tái)配置的HIPAP 定位系統(tǒng)進(jìn)行了單獨(dú)定位能力測(cè)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(lèi)水下聲學(xué)高精度定位系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)開(kāi)展相關(guān)研究，相關(guān)產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的動(dòng)力定位船舶及海工裝備。圖1展示了國(guó)內(nèi)南海某半潛平臺(tái)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(dòng)，安裝于其上的應(yīng)答器可作為定點(diǎn)位置參考，通過(guò)聲波信號(hào)傳輸監(jiān)測(cè)基線陣與應(yīng)答器之間的相對(duì)位置，從而確定平臺(tái)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(cè)試

測(cè)試期間，動(dòng)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(cè)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(zhǎng)時(shí)間定位時(shí)，因深海內(nèi)對(duì)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(cè)，即使備用多套聲吶定位系統(tǒng)，由于系統(tǒng)均是通過(guò)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間定位工具應(yīng)用。這也就意味著，如果鉆井平臺(tái)GNSS 系統(tǒng)因某種原因被關(guān)閉，鉆井平臺(tái)的定位無(wú)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(dòng)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(guó)內(nèi)深水海洋鉆井平臺(tái)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(tái)正在逐步擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)化設(shè)備的配置率，積極部署國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平的國(guó)產(chǎn)化設(shè)備與組件。動(dòng)力定位系統(tǒng)作為海洋鉆井平臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，充分發(fā)揮水下聲學(xué)定位的優(yōu)勢(shì)，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(chǔ)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(lái)的海洋油田作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)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(zhǎng)期工作的耐久性與可靠性問(wèn)題，通過(guò)水下聲納系統(tǒng)提供永久位置參考，避免對(duì)GNSS 系統(tǒng)的過(guò)度依賴。