番禺34-1油田导管架测量控制网的建立及应用

李景福 冯 斌

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

番禺34-1油田导管架测量控制网的建立及应用

李景福 冯 斌

(中海石油(中国)有限公司深圳分公司)

番禺34-1油田导管架是国内第二大深水导管架,其结构体积大、内部结构复杂、施工时间长,通过设立基线、利用经纬仪进行施工控制容易造成误差的积累,导管架建造精度达不到要求。通过调研与设计,建立了该油田导管架测量控制网布设方案,开展了测量控制网应用中的一系列关键技术研究,较好地解决了该油田大型导管架建造测量难题,控制了导管架整体建造精度,值得在后续大型导管架建造项目中推广应用。

番禺34-1油田;深水导管架;测量控制网;布设方案;关键技术;建造精度控制

目前在国内中小型导管架施工中,由于导管架的尺寸不大,导管架的吊装、组对过程主要是通过设立基线、利用经纬仪进行施工控制。当承建大型导管架时,由于其本身高度高、底部面积大、结构质量大、内部结构复杂,导致施工工期长、相对误差精度要求高,这样就造成施工困难和影响误差产生的因素增多,而且误差容易积累。

番禺34-1油田导管架为8腿16裙桩结构,长203 m,底部尺寸82 m×82 m,导管架质重2 300 t,仅次于荔湾3-1气田导管架,是国内第二大深水导管架。该导管架采用卧式建造,纵向有8个水平层,横向有4个水平层,底部最高点距离地面102 m;导管架构件众多、空间结构复杂、尺寸控制困难,在施工中,用传统方法容易造成误差积累,导致导管架建造的整体精度达不到要求。经过调研,国外在大型导管架建造中利用测量控制网技术较好地解决了这些问题,但国内还没有应用此项技术的先例。

为此,在番禺34-1油田导管架建造时首次采用了测量控制网技术,成功地利用控制网进行了导管架施工过程中的尺寸控制,灵活地控制了视线的长度、仰角,较好地解决了结构通视问题。由于控制点的点位在不同季节的变化是很小的,所以在该导管架施工过程中利用控制网对已施工部位进行定位,并将特征数据应用到待施工部位,较好地解决了不同季节结构呈现不同尺寸特征的问题,很好地控制了误差积累。

1 番禺34-1油田导管架测量控制网布设方案设计

测量控制网可用于单片预制时的尺寸控制与坐标采集,以便对单片焊接前后点位变化的规律进行分析,控制单片预制的质量;同时实现对单片吊装、组对时的实时控制,保证整体精度。

1.1 测量控制网实测方案确定

大型导管架所利用的场地大,单片预制时结构高度大,所以在测量控制网设计之初就要充分考虑到周围遮挡及后期复测的问题[1]。在番禺34-1油田导管架建造项目测量控制网设计之初,提出了附和导线、传统三角网、环形三角网等3种控制网实测方案(图1～3),并进行了对比。

附和导线的网形最为简单,实测时所需的时间、人力、物力消耗也最少,同时相邻点位之间能保证很好的通视性,但是其点位精度相对于其他2种网形也是最低的,因此考虑到导管架在各个方向都要求有较高的精度,这种方案不可行。

传统三角网的网形最为复杂,当然这种网形的点位精度也最高。但在实测过程中要求过多的时间、人力、物力,而且实测时受点位之间通视情况的影响很大,造成工程后期的控制网复测非常困难,甚至不可能,所以这种方案的可行性也不大。

图1 番禺34-1油田导管架测量控制网附和导线实测方案

图2 番禺34-1油田导管架测量控制网传统三角网实测方案

图3 番禺34-1油田导管架测量控制网环形三角网实测方案

环形三角网的网形难度适中,其点位相对于传统三角网较弱,但相对于附和导线有了质的提高,同时,这种方案受通视条件的影响相对于传统三角网也有大幅降低,而且在随后的复测过程中可以方便地进行复测,所以环形三角网在番禺34-1油田导管架建造中是比较理想的测量控制网实测方案,测量时采用的主要测量仪器是Leica TPS1201+型全站仪,辅之以高度游标卡尺、温湿度气压计等测量计量工具。

1.2 实测时的注意事项

1)在进行测量之前必须保证控制点稳定,防止因为控制点点位本身不稳、发生位移而产生误差或错误。

2)测量工作尽量选择在阴天时进行,以防止由于日晒而引起观测墩或三角架弯曲,以及仪器由于日晒而发生轴倾斜;同时,注意在每次测量之前必须把所用的仪器置于室外一段时间,待仪器完全与室外温度一致后方可进行测量,以防止因为仪器冷却不均匀而导致仪器内轴倾斜。

3)每次测量时要严格记录当时的气候条件,如气温、气压、相对湿度,以便对观测值进行相应的修正;数据修正时假定导管架整体结构为一线性、弹性结构,各个临近节点间结构相似、相互制约,具有同比例的伸长或收缩量,通过对比测量点周边节点在不同环境条件下的测量数据即可修正该测量点的测量数据。

4)每一站的测量最好是由同一个人完成,以避免不同人产生的视差以及过分调焦引起的视准轴变化;在进行微调时,最后的旋转方向尽量保持一致,以防止来回旋转微调而引起水平度盘发生不确定性旋转等。

1.3 测量数据处理

测量控制网采用的平差方法为间接平差法[2],是在最小二乘准则要求下求出误差方程中的待定参数,在数学中是求多元函数的极值问题。实际观测中的观测量有边长及夹角,想要得到的最终数据是每个待求点的坐标,所以可根据起算数据及观测数据计算出每一个待求点的近似坐标,以此作为平差模型的平差参数。

在番禺34-1油田导管架测量数据处理过程中,取2个位置相对固定的点作为起算数据点,所有未知点的近似坐标均是利用这2个点的起算数据及观测值进行计算,进而进行严密平差。需要注意的是,在确定这2个位置相对固定的点作为起算数据点时,这2个点之间的距离要保证有足够长(做到“长边定短边”),并且要在解算之前在不同的气候条件下利用相同的仪器进行多次往返测量后取平均值。另外,要根据实际情况确定这2个点之间的真实方向关系,在平差过程中将这2个点作为固定点来处理。

2 测量控制网应用中的关键技术

2.1 导管架中心线的确定

为了利用测量控制网和基线进行同步施工控制,需要将导管腿的中心线与控制网进行整合。在实施过程中利用控制网测量导管腿的各个节点坐标,拟合出导管腿的中心线,再利用控制网将中心线的位置坐标测量出来,同时根据中心线将整个坐标系的坐标及点位进行旋转、平移(图4)。

图4 番禺34-1油田导管架测量控制网坐标系的定义

2.2 单片吊装前有关问题的解决

导管架测量控制网建立后,将导管架模型数据导入控制网,这样导管架的每个部位在控制网坐标系中都有一个理论三维坐标,进而可利用控制网进行其他工作。一方面,在单片预制过程中需要控制单片的水平程度、拉筋夹角,同时还需要通过检查节点之间的跨距来判断主拉筋上样冲点的正确性;另一方面,在单片预制完成进行吊装之前,需要在单片的一些特征部位布置测量点(以花片为例,点位布置见图5),以在吊装过程中进行实时控制。

图5 番禺34-1油田导管架测量控制网单片测量监控点的布设

2.3 施工过程中仪器架设方法

在吊装过程中,根据测量部位的不同可以灵活选取方法进行仪器架设。由于所有的控制点位于同一个控制网中,点位之间是相互关联的,所以只要各点点位精度均匀,即使在不同的地方架设仪器也不会存在总体误差积累的问题[3]。

1)当所需观测的部位在控制点能够观测或方便观测时,可直接在一个控制点位架设仪器,在另外一个控制点位架设棱镜进行后视定向(图6)。

图6 番禺34-1油田导管架测量控制网测量时后视定向

2)当所需观测的部位在控制点位不能够观测或不方便观测时,可在2个或多个控制点位架设棱镜,在一个既能够观测到目标又能够看到棱镜的地方架设仪器进行后方交会定向(图7)。

图7 番禺34-1油田导管架测量控制网测量时后方交会定向

3)当只需要对目标的高程进行控制时,可以在一个或多个控制点架设棱镜,在既能够看到目标又能看到棱镜的地方架设仪器进行交会高程快速传递(图8)。

图8 番禺34-1油田导管架测量控制网测量时交会高程快速传递

2.4 测量数据复测

在控制网数据测量完成后,外界环境条件肯定会发生一定的变化,为了保证控制网测量数据在任何情况下的准确性,需要对其进行复测。

1)当发生季节交替时,尤其是由冬天过渡到春天(化冻季节)以及由秋天过渡到冬天(上冻季节)时需要进行相应的控制网复测。

2)控制网建立满1年后,也应该进行相应的复测。

3)如遇其他特殊情况,也可根据实际问题增加复测的次数。

此外,在复测的过程中应尽量保证测量条件与初测时保持一致或相似,包括仪器、人员、环境条件等。在复测结果的使用方面,必须根据实际情况进行分析,比如是极个别点位发生了偏差还是整体点位发生了位移,必须根据实际数据结合现场实际情况进行分析,不可一概而论。

3 应用效果

在番禺34-1油田导管架建造过程中,综合考虑测量精度要求、观测可行性、测量工作量等因素选择了以环形三角网为基础建立测控网,参考控制网的理论坐标在导管架总装场地四周均匀对称布设了14个永久测站点和1个临时测站点,使得导管架总装场地围拢在以测站点纵向连线为经、横向连线为纬的三维空间内。该导管架所有的建造数据均可通过在测站点上布设的仪器测得,并且通过灵活地选择测站点解决了结构通视问题。另外,由于该导管架测量控制网测站点的位置相对固定、建造精度高、受环境因素影响小,保证了测量精度,同时利用测量控制网对数据进行处理,有效降低了总体误差积累。据测量,番禺34-1油田导管架建造完工后所有节点的建造偏差均在10 mm以内,导管架整体尺寸控制良好,导管架海上安装时漂浮状态极佳,再次佐证了导管架的良好建造精度。实践证明,测量控制网能够有效解决大型导管架建造测量难题,较好地控制整体建造精度,值得在后续大型导管架建造项目中推广应用。

当然,测量控制网技术在番禺34-1油田导管架建造中的应用在国内尚属首次,测量控制网在建立过程中还存在诸多问题,如遮挡、沉降、受日照影响等,需要各专业人员在今后的实际应用中共同努力去解决。

[1] 赵吉先,田养权.核电工程控制网的布设及其特点[J].测绘工程,1998,7(4):52-55.

[2] 武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].2版.武汉:武汉大学出版社,2009.

[3] 张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2005.

Establishment and application of measuring control network in PY34-1 oilfield jacket construction

Li Jingfu Feng Bin
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.Guangdong,518067)

PY34-1 oilfield jacket is the second largest deep water jacket in China,with huge structure body,complex internal structure and long construction time.By setting up baseline,to use the theodolite for construction control is easy to cause the accumulation of errors,so the jacket construction accuracy cannot meet the requirements.Through the investigation and design,we established the jacket measuring control network layout plan,carried out the researches on a series of key techniques in application of measuring control network,solved the difficulties in the large jacket construction measurement and controlled the jacket overall construction accuracy better.This method is worth being popularized and applied in future large jacket construction project.

PY34-1 oilfield;deep water jacket; measuring control network;layout plan;key techniques;construction accuracy control

2013-11-21改回日期:2014-01-05

(编辑:叶秋敏)

李景福,工程师,2003毕业于天津大学船舶与海洋工程系船体专业,现主要从事海洋石油工程开发工作。地址:广东省深圳市南山区蛇口兴华路6号南海意库产业园5栋202(邮编:518067)。E-mail:lijf3@cnooc.com.cn。