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        高精度水聲定位技術(shù)在深海油田系泊安裝中的應(yīng)用

        2022-05-30 10:48:04吳穎媛于淼王火平趙韻
        中國新通信 2022年11期

        吳穎媛 于淼 王火平 趙韻

        摘要:油氣資源在目前的經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用,在復(fù)雜多變的海洋環(huán)境下,針對深水油田群生產(chǎn)平臺系泊安裝需要高精度水下測量,本文提出一種高精度相對測陣水下定位技術(shù)。該技術(shù)首先基于射線傳播模型進(jìn)行部分信標(biāo)絕對位置解算,然后使用信標(biāo)間相互測距信息進(jìn)行最小二乘法平差優(yōu)化其余信標(biāo)。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明,經(jīng)信標(biāo)間相互測距信息平差計算,不僅提高海底信標(biāo)精度,而且提高了作業(yè)效率。

        關(guān)鍵詞:深水油田群;高精度相對測陣;射線傳播模型;最小二乘法平差優(yōu)化

        一、引言

        在21世紀(jì),世界各國已經(jīng)開始開發(fā)和利用海洋資源,海洋油氣資源開采對國民經(jīng)濟建設(shè)和國家戰(zhàn)略安全具有重要意義[1-3]。近年來,隨著我國經(jīng)濟社會發(fā)展對能源需求持續(xù)增長,石油對外依存度達(dá)到70%以上[4-5]。海洋石油與海洋事業(yè)和海洋法律具有密切聯(lián)系的產(chǎn)業(yè)。所以,海洋石油工業(yè)需結(jié)合新時代高新技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和發(fā)展[3,5]。深水油田群開發(fā)具有比淺海及陸上油田開發(fā)更多的挑戰(zhàn)。目前國外深水油田群開發(fā)的涉及勘探、鉆井、測井和試井等主要技術(shù)難點,國內(nèi)的對深水油田群開發(fā)正處于發(fā)展階段。未來全球海洋工程裝備必將具有高端化、深?;腿蚧忍攸c,海上油氣開發(fā)平臺也將向大型化深海化方向發(fā)展[3,5]。深水油田群開發(fā)采用浮式生產(chǎn)儲卸油系統(tǒng)(FPSO)[6-8]。FPSO始于20世紀(jì)70年代中期,F(xiàn)PSO的建造主要取決于造船市場和超級油輪市場的起伏。目前,基于深水油田群開發(fā)的新設(shè)計概念和新規(guī)范,F(xiàn)PSO正擺脫常規(guī)船舶依賴概念,逐步向海洋工程設(shè)施方法。

        FPSO主要通過采用永久式內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)。系泊系統(tǒng)一方面能夠保證FPSO在預(yù)定海域的定位和安全功能外,另一方面需要為FPSO向水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供功能控制。內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)主要包括大型浮體、內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)、錨泊系統(tǒng)和立管系統(tǒng)。FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)計需考慮復(fù)雜的海域條件,包括海域位置、水文和氣象條件等。本文介紹的FPSO系泊系統(tǒng)是用錨腿固定于海底,錨基礎(chǔ)采用吸力錨,在待測錨樁和錨鏈點處,由測量船攜帶遙控?zé)o人潛水器(ROV)協(xié)助布設(shè)水下信標(biāo),經(jīng)高精度水聲定位系統(tǒng)對信標(biāo)進(jìn)行定位,完成對錨鏈點和錨樁的測量,輔助完成系泊。目前水上目標(biāo)定位主要采用全球衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)輔助的技術(shù)手段,但當(dāng)目標(biāo)處于水下時,由于水介質(zhì)對于無線電磁波的強烈吸收作用,導(dǎo)致衛(wèi)星無法完成對水下目標(biāo)的定位。所以,水下定位主要通過以聲波為信息載體的水聲定位技術(shù)實現(xiàn)。FPSO系泊系統(tǒng)的完成對水聲定位系統(tǒng)的種類和精度具有較高的要求。長基線定位系統(tǒng)適用于這種FPSO系泊系統(tǒng)的深水高精度要求,長基線定位系統(tǒng)通過測量載體到位置已知的海底應(yīng)答器的相對距離,利用球面距離交會方法解算目標(biāo)位置。在高精度的水聲定位需求下,不僅要求水聲定位系統(tǒng)具有高精度的聲學(xué)測量標(biāo)準(zhǔn),還要求水聲定位過程中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行高精度的修正。

        深水油田群海域海洋環(huán)境條件惡劣,水聲高精度定位系統(tǒng)受諸多因素限制。一方面海洋環(huán)境復(fù)雜多變,溫度、鹽度和壓力的變化使得水聲信道發(fā)生時間變化和空間變化,不僅導(dǎo)致接收端聲信號的畸變,影響信號的檢測和估計性能,最終影響水聲定位系統(tǒng)的工作性能,而且會引起聲速發(fā)生梯度變化,造成聲線彎曲,導(dǎo)致水聲測量偏差[9-11];另一方面,海洋環(huán)境各類噪聲,如波浪、潮汐和生物等噪聲,干擾水聲信號進(jìn)而降低信噪比[12-13],為保證接收端信號有效地提取和處理,必須通過加大聲源級和抑制噪聲等信號處理技術(shù)。另外,海洋環(huán)境中的不均勻的散射容易引起定位系統(tǒng)的聲信號散射,進(jìn)而導(dǎo)致形成混響影響接收端信號檢測性能。本次深水油田群中錨安裝精度需優(yōu)于0.5m,傳統(tǒng)的水聲定位系統(tǒng)的設(shè)備和技術(shù)在該海域條件仍然面臨挑戰(zhàn)。

        目前,國際上主流的定位系統(tǒng),如法國IXBLUE公司生產(chǎn)的RAMSEE定位系統(tǒng)系列,通過稀疏陣列定位完成水下陣型測定[14];英國的Sonardyne公司新Compatt系列信標(biāo)融合水聲通信技術(shù),代替過去單基線依次測量,可以同時多模式工作測量多個基線,大大提高陣型測量效率[15]。盡管目前國內(nèi)長基線定位聲學(xué)設(shè)備研發(fā)已經(jīng)取得一定的成果[16-17],但水下陣型測量技術(shù)多數(shù)仍然處于依次對各陣元單獨標(biāo)定階段,當(dāng)陣元數(shù)量較多時,這種標(biāo)定方式的每個信標(biāo)受海洋聲速變化影響,可能影響定位精度,而且需要長時間和大成本支持。哈爾濱工程大學(xué)在水下信標(biāo)定位理論研究方面取得一定成果,蘭華林提出了一種深海聲信標(biāo)的精確標(biāo)定方法,該方法修正了水下聲線彎曲對定位精度的影響[18];李莉基于長基線同步定位原理,對單基線相對陣型測量進(jìn)行了初步探索[19]。

        基于深水油田開發(fā)對精度優(yōu)于0.5m的需求,本文提出相對測陣定位技術(shù),利用絕對定位坐標(biāo)和信標(biāo)間基線長度測量進(jìn)行平差優(yōu)化海底信標(biāo)精度。這種相對測陣技術(shù)是建立在考慮聲線彎曲的模型解算基礎(chǔ)上,基于射線聲學(xué)模型進(jìn)行絕對位置定位,再結(jié)合部分絕對坐標(biāo)和信標(biāo)間距測量平差優(yōu)化海底信標(biāo)位置精度。本文旨在通過對海底信標(biāo)經(jīng)相對測陣技術(shù)定位后,能夠提高深海信標(biāo)定位精度,進(jìn)而提高作業(yè)效率。

        二、相對測陣定位的基本原理

        在水聲定位系統(tǒng)對錨點上布放的多個信標(biāo)測量時,傳統(tǒng)的定位方法是對每個信標(biāo)依次進(jìn)行獨立的圓軌跡定位,測量船上裝有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)和姿態(tài)傳感器,經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移計算船底安裝的換能器坐標(biāo),測量圓軌跡是以每個信標(biāo)為圓心、深度為半徑進(jìn)行聲學(xué)測量,但是這種定位方式不僅作業(yè)時間跨度大、成本高,而且每個信標(biāo)的定位精度不一致。本文的方法是只需對部分信標(biāo)進(jìn)行絕對位置標(biāo)定解算,然后增加信標(biāo)間相互測量距離就能得到高精度的定位結(jié)果。

        (一)絕對定位技術(shù)

        (二)相對測陣定位技術(shù)

        三、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

        在2019年8月,中海石油深海開發(fā)有限公司聯(lián)合哈爾濱工程大學(xué)和海洋石油工程股份有限公司(COOEC)對深水油田群錨安裝過程的錨鏈點進(jìn)行精確定位實驗,在待測錨樁和錨鏈點處,由測量船攜帶遙控?zé)o人潛水器(ROV)協(xié)助信標(biāo)布放如圖3所示,并對各信標(biāo)進(jìn)行編號,該深海油田系泊錨安裝精度要求優(yōu)于0.5m。

        海底信標(biāo)布設(shè)完成后,對海上實驗設(shè)備進(jìn)行安裝和準(zhǔn)備,如圖4所示。實驗主要分為絕對標(biāo)定過程和陣元相互測量距離過程。在完成實驗前準(zhǔn)備工作后,絕對標(biāo)定實驗使裝有GNSS和電羅經(jīng)的測量船對每個信標(biāo)按照預(yù)定航跡進(jìn)行聲學(xué)測量,5號信標(biāo)定位航跡為半徑約400m的圓叉,交叉線航跡的夾角為60°,航行軌跡如圖5(1)所示,其余信標(biāo)使用相同半徑圓航跡進(jìn)行標(biāo)定。并在實驗中測定聲速剖面如圖5(2)所示。將5個信標(biāo)的測量數(shù)據(jù)經(jīng)非線性最小二乘法計算坐標(biāo)值,并以英國的Sonardyne公司水下定位系統(tǒng)結(jié)果(由COOEC提供)為參考,其結(jié)果差值如表1所示,水平差值最小為4號信標(biāo)的0.1487m,最大為3號信標(biāo)的0.6306m,與參考差值表明,傳統(tǒng)的絕對聲學(xué)定位技術(shù)可能無法滿足高精度作業(yè)要求。

        在絕對定位實驗完成后,對所有信標(biāo)進(jìn)行信標(biāo)間相互距離測量。在相對測陣聲學(xué)定位過程中,首先由吊機吊放換能器入水42米,然后逐個對信標(biāo)發(fā)送相對測陣指令,使信標(biāo)進(jìn)行相對距離測量并上傳測距結(jié)果。陣元間基線距離測量如表2所示。以信標(biāo)2號和信標(biāo)4號為起始計算條件,平差計算求得其余信標(biāo)坐標(biāo),和參考值的結(jié)果差值如表3所示,坐標(biāo)差值整體減小了,最大為3號信標(biāo)的0.2553m。實驗結(jié)果表明,新高精度水下定位技術(shù)不僅滿足0.5m的作業(yè)需求,而且優(yōu)化了所有信標(biāo)的定位精度。與國外同型最先進(jìn)水下定位系統(tǒng)的比測,驗證了國產(chǎn)水聲定位裝備的精度及可靠性與國外同型最先進(jìn)裝備一致。

        四、結(jié)束語

        面對深海油田群系泊安裝作業(yè)點測量優(yōu)于0.5m的高精度需求,本文提出一種高精度水聲定位技術(shù),不僅提高了海底作業(yè)點信標(biāo)的定位精度,而且簡化了作業(yè)流程,節(jié)約作業(yè)時間和成本。

        該方法在傳統(tǒng)的絕對定位技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用相對測陣定位技術(shù),即測量信標(biāo)相互間的基線長度,以部分信標(biāo)絕對定位位置為起算條件,使用基線長度測量進(jìn)行約束,使信標(biāo)坐標(biāo)經(jīng)最小二乘平差計算得到修正。

        實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明,海底信標(biāo)經(jīng)相對測陣技術(shù)定位后,不僅提高了深海信標(biāo)定位精度,而且提高作業(yè)效率。

        作者單位:吳穎媛? ? 中海石油(中國)有限公司深圳分公司

        于淼? ? 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院? ? 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學(xué))工業(yè)和信息化部

        王火平? ? 中海石油(中國)有限公司深圳分公司

        趙韻? ? 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院? ? 海洋信息獲取與安全工信部重點實驗室(哈爾濱工程大學(xué))工業(yè)和信息化部

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