自升式平臺靠導管架精密定位與安全控制研究

李學成

（1.中海輝固地學服務(wù)（深圳）有限公司，廣東 深圳 518000；2.廣東省海上油氣設(shè)施檢測工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展及海洋資源開發(fā)進程的加快，海上采油平臺、海管、海纜成為重要的基礎(chǔ)設(shè)施。中國海油已在中國沿海建設(shè)數(shù)百座采油平臺及近7000km 石油管線和數(shù)百座導管架設(shè)施。

淺海區(qū)域海上油田建設(shè)、維護對海上鉆井、完井、修井有了更多的實際業(yè)務(wù)需求，且均需采用鉆井船靠導管架精就位作業(yè)。海上平臺、海底管線和電纜等油田設(shè)施布局復雜且較為集中，給后期自升式鉆井平臺調(diào)整井作業(yè)施工帶來很大困難。同時，由于作業(yè)越來越頻繁，施工量逐年增加，因此存在1 個采油平臺或?qū)Ч芗芏啻瓮？裤@井船的情況，受就裝腳印影響，滑樁導致升船前后位置偏移的情況時有發(fā)生，因此需要采用現(xiàn)有裝備技術(shù)提高就位精度，以便于現(xiàn)場指揮。針對該困難，發(fā)明了以多次精確就位及導管架帶纜為代表的就位技術(shù)，解決了在海上油田中調(diào)整井作業(yè)時遇到的技術(shù)難題，在現(xiàn)場操作中，也發(fā)揮了極佳的應(yīng)用效果。全站儀在陸地測量作業(yè)應(yīng)用中已展現(xiàn)了良好的觀測精度，該文主要研究以全站儀海上應(yīng)用為基礎(chǔ)的精就位技術(shù)及安全控制手段，為鉆井平臺就位及插樁安全作業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

該研究涉及的資源與儀器設(shè)備主要有自升式鉆井平臺、測量級羅經(jīng)、高精度DGNSS、綜合導航系統(tǒng)、綜合導航系統(tǒng)、平臺/拖輪拋錨定位系統(tǒng)、全站儀等，主要設(shè)備系統(tǒng)及功能見表1。

表1 裝備資源與功能

SET1100R 全站儀采用先進激光和電子技術(shù)，在測量中顯得更加輕便、耐用和富有效率。該儀器特點：有2 個液晶顯示屏可以方便查看測量中的數(shù)據(jù)；多功能的鍵盤可以簡化操作；能夠直接輸入已知點的坐標，也能夠直接輸出SDR33的數(shù)據(jù)格式。特有的望遠鏡設(shè)計保證了測量的快捷和精確，能夠直接接收棱鏡反射回來的信號，也能夠直接接收反射片反射回來的信號。還可以以無合作目標的方式觀測，提高作業(yè)效率。

SET1100R 全站儀的精度和參數(shù)見表2。

表2 SET1100R 全站儀性能參數(shù)

1.2 原理

自升式平臺靠導管架精就位是海上定位作業(yè)的一種類型，采用相對定位方式精確地引導可移動鉆井平臺按照設(shè)計位置關(guān)系靠近海上已有的生產(chǎn)設(shè)施，進行下一步生產(chǎn)活動。精就位包括確立位置和方向相對關(guān)系2 個方面。將2 臺精密測量全站儀架設(shè)在鉆井平臺后甲板，實時跟蹤測量全站儀到導管架或采油平臺上已知靶點的距離和方位，輸入綜合導航系統(tǒng)并坐標反算獲得全站儀站點坐標，通過最小二乘法獲得最終平臺參考點坐標。

根據(jù)導管架上已知目標點A 坐標計算平臺基點Datum的坐標的原理如圖1 和公式（1）所示。

圖1 自升式鉆井平臺靠導管架精就位原理圖

式中：，為架站點STN1 相對Datum 的偏移量，E為點東向坐標，N為點北向坐標，S和分別為STN1 到已知目標點的平面距離S和水平觀測角，α為平臺艏向。

采用相同的原理原理課推導出根據(jù)STN2 計算的Datum的坐標，鑒于測量誤差的存在，通過兩全站儀觀測并推算的鉆井平臺基點坐標不一致，最終基點坐標通常根據(jù)最小二乘法計算最終基點坐標，基點坐標實時輸入綜合導航系統(tǒng)并顯示平臺和導管架相對關(guān)系。

1.3 實施流程

海上鉆井平臺靠導管架精就位流程如下：作業(yè)前期準備→導管架的復測→平臺拖航作業(yè)→平臺進場，初就位→平臺精就位作業(yè)→數(shù)據(jù)采集。

作業(yè)前準備階段主要根據(jù)工區(qū)附近其他鉆井船、采油平臺、海底管線、海底電纜等其他海底地貌數(shù)據(jù)資料進行方案設(shè)計；根據(jù)方案設(shè)計配置并測試相應(yīng)的軟硬件資源，以確保達到海上應(yīng)用要求。

導管架的位置與艏向是精就位作業(yè)的主要參考數(shù)據(jù)，其精度直接影響就位精度，通常在精就位作業(yè)前對導管架的位置和艏向進行復測，并在導管架上安裝供全站儀觀測的反射靶點，測定目標靶點準確位置。

在平臺及拖輪安裝定位設(shè)備，測量GNSS 天線、錨機導纜孔相對基準點的偏移距，確定架設(shè)全站儀的位置，并將各偏移距輸入導航軟件配置系統(tǒng)參數(shù)；校準鉆井平臺測量羅經(jīng)并將測量羅經(jīng)的改正值輸入導航系統(tǒng)完成系統(tǒng)配置。平臺拔樁并在導航系統(tǒng)引導下由主拖拖輪拖往目標導管架，期間應(yīng)用DGNSS 提供實時位置數(shù)據(jù)。

平臺到達目標導管架1km 范圍時，在綜合導航系統(tǒng)引導下開始進場作業(yè)，進場并初就位于距導管架50m～100m，平臺點樁，使船穩(wěn)定。拖輪在拖輪跟蹤系統(tǒng)引導下將鉆井平臺錨頭布放于設(shè)計位置。鉆井平臺穩(wěn)定后，如果天氣及潮流條件在允許值范圍內(nèi)且后續(xù)條件良好，就在鉆井平臺兩測站點分別架設(shè)全站儀，對中、整平、歸零；實時地瞄準并跟蹤各自觀測目標，由測得的距離、方位數(shù)據(jù)，實時輸入綜合導航系統(tǒng)軟件計算并顯示鉆井平臺與導管架之間相對關(guān)系。

拖航組根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)，指揮作業(yè)人員調(diào)整錨纜長度從而調(diào)整鉆井平臺船位直至將船位調(diào)整至設(shè)計位置；當船位符合設(shè)計要求時開始插樁作業(yè)。

待鉆井平臺升船壓載結(jié)束后采集數(shù)據(jù)，并與之前的采集數(shù)據(jù)進行對比。平臺升船到預(yù)定高度后采集最終數(shù)據(jù)，進行綜合處理與分析，形成定位分析報告并向作業(yè)總監(jiān)確認。定位報告主要包括作業(yè)時間、作業(yè)設(shè)備、參與人員、定位方法、采集數(shù)量情況、最終定位坐標及定位誤差分析等關(guān)鍵信息。

2 應(yīng)用案例及精就位成果

將該文介紹的作業(yè)流程應(yīng)用到移動式平臺拖航與精就位作業(yè)中，驗證該方法的有效性。以HYSY944 平臺就位WZ11-1 導管架平臺為例，技術(shù)要求平臺與導管架縱向距離8m，就位需要覆蓋WZ11-1N 平臺16#井槽A6S1 井（老井為A17H 井），同時注意導管架附近有海底管線安全。方案設(shè)計時考慮HYSY944 平臺橫向懸臂梁左右覆蓋范圍左舷7.315m、右舷7.925m，當懸臂梁從中間覆蓋時，最外井槽之間距離有3×2=6m，懸臂梁鉆塔覆蓋范圍邊緣距左側(cè)最外層井槽4.315 m，距右側(cè)最外層井槽4.925 m?？紤]平臺壓載和升船可能的偏移，就位允許縱向距離偏差±1.0m，允許橫向距離偏差±1.0m；允許艏向偏差±1.5°，設(shè)計從平臺16#井槽A6S1 井（老井為A17H 井）到HYSY944 的懸臂梁最遠端的距離為24.384-15.39=8.994 m。

項目實施階段，通過調(diào)整錨纜長度將HYSY944 鉆井平臺調(diào)整至設(shè)計位置，記錄鉆井平臺初始位置，并實時監(jiān)控升船過程中平臺位置直至升船結(jié)束，當監(jiān)測位置超出限值時，及時通知拖航組并采取調(diào)整措施。項目記錄的升船結(jié)束后壓載前的位置相對涉及位置東向和北向偏差分別為0.45m和0.13m，見表3，滿足±1.0m 的容許值要求。

表3 平臺壓載前就位位置與就位設(shè)計值對比

升船結(jié)束并調(diào)平后進入壓載環(huán)節(jié)，壓載結(jié)束前，平臺受外力影響，同樣會產(chǎn)生位置偏移，結(jié)果顯示，平臺壓載升船后采集位置較壓載前在東向及北向分別偏移0.3m 和0.44m，見表4。就位位置仍在設(shè)計要求容許值范圍內(nèi)，經(jīng)后續(xù)鉆塔覆蓋試驗驗證，鉆塔中心能有效覆蓋設(shè)計井口，全站儀精就位方式準確反映了鉆井船與導管架相對關(guān)系。

表4 平臺壓載前后就位成果比較

3 討論

3.1 精就位誤差

自升式鉆井平臺設(shè)計上懸臂梁可縱向滑出且能橫向移動，以使鉆臺覆蓋所有的井口?？紤]到不同的工區(qū)的地質(zhì)條件對鉆臺負荷要求不同，懸臂梁通常不移動到橫向和縱向的理論最大值。

為滿足設(shè)計覆蓋要求，保證作業(yè)順利實施，精就位時應(yīng)嚴格控制鉆井平臺船尾至導管架的縱向距離、橫向距離及艏向偏差。

從原理公式可知，平臺坐標的取決于3 個變量：平臺首向heading、全站儀到觀測點的距離以及水平觀測角。定位的誤差有距離誤差、水平測角誤差、平臺首向誤差。具體包括全站儀對中誤差、測站的補償值偏差、儀器觀測差值、靶標測量誤差、全站儀歸零差、全站儀整平誤差、角誤差、羅經(jīng)的軸線與平臺的軸線不平行誤差等。鉆井平臺靠導管架精就位為厘米級高精度就位，任何誤差的積累將造成就位位置偏差從而導致鉆塔無法覆蓋設(shè)計井口，為保證作業(yè)精度，測量期間，應(yīng)嚴格對中、整平、歸零，并仔細確認觀測靶標位置，通過雙站點同時觀測目標點并比較分別運算獲得的基點坐標值差值小于0.02m 才可以進行后續(xù)作業(yè)。

3.2 精就位風險及控制

自升式鉆井平臺精就位作業(yè)為高風險作業(yè)，任何差錯將造成嚴重損失。因此必須掌握自升式鉆井平臺的精就位的風險，并進行控制。通常，作業(yè)前須進行地質(zhì)勘查及地貌調(diào)查以獲得該區(qū)域的地層破裂強度；獲得水深數(shù)據(jù)以獲得既往平臺精就位裝腳印情況，判斷鉆井平臺滑移方向并提前預(yù)防；嚴格將初就位位置控制在距導管架距離50m～100m，以保證最遠端的錨能在精就位過程中產(chǎn)生足夠的抓力，避免走錨事故發(fā)生；嚴格對精就位進行過程控制，綜合考慮風流涌浪等海洋氣象條件，保證精就位作業(yè)按要求在能見度 1n mile～1.5 n mile，風速低于10 m/s，平流情況下進行。精就位作業(yè)時，根據(jù)綜合導航系統(tǒng)對鉆井船位置偏差和艏向進行調(diào)整，隨時注意海流和風流對鉆井平臺的推力，通過控制拖帶船舶張力和調(diào)整鉆井平臺樁靴與海底摩擦力，防止移動速度過快導致錨纜遭受的張力過大造成斷裂。在綜合導航引導的基礎(chǔ)上安排專人進行測距，實時監(jiān)測鉆井平臺與采油平臺或者導管架的距離，對整個過程進行定位監(jiān)控，隨時根據(jù)船體與設(shè)計就位坐標的偏差，調(diào)節(jié)鉆井平臺的各個錨鏈的收放調(diào)整船位到達設(shè)計位置，最終達到作業(yè)要求并點樁固定船位。

自升式鉆井船就位采油平臺或?qū)Ч芗埽涓浇ǔ星捌谧鳂I(yè)平臺留下的樁腳印，各平臺樁靴腳印大小和相對距離各不相同。在自升式平臺升船過程中存在樁靴受力向阻力較小的區(qū)域滑動，如圖2 所示，導致平臺就位失敗，嚴重時撞擊采油平臺的事故發(fā)生，因此升船過程總必須通過精就位裝備及綜合導航系統(tǒng)實時監(jiān)控，副拖輪帶纜，隨時應(yīng)對滑移現(xiàn)象，直至升船結(jié)束。

圖2 鉆井平臺滑樁風險示意

4 結(jié)論

基于全站儀相對定位的海上精就位技術(shù)能夠很好地滿足鉆井平臺靠導管架作業(yè)要求，對于提供實時船位相對關(guān)系供指揮決策具有重要意義。同時，在精就位作業(yè)過程中，必須嚴格控制產(chǎn)生相應(yīng)誤差的因素，提高作業(yè)精度，避免就位信息不準導致就位失敗。

隨著海上油氣田不斷開發(fā)調(diào)整，油田設(shè)施周邊海底管纜愈加呈現(xiàn)復雜化、密集化特征，為后續(xù)自升式鉆井平臺精就位作業(yè)帶來更大困難。新的形勢對作業(yè)前調(diào)查、作業(yè)過程控制及裝備保障手段提出了更高的要求。良好的作業(yè)前地質(zhì)地貌調(diào)查，作業(yè)船舶的性能提升、測量及導航裝備技術(shù)的升級改造都有利于提供更可靠的參考信息。隨著裝備技術(shù)水平提升，測量機器人及VR 技術(shù)的出現(xiàn)，視覺自動識別技術(shù)及三維導航技術(shù)的海上應(yīng)用將是精就位的重要研究方向，將為海上精就位作業(yè)提供更有力的技術(shù)支撐。