深水浮式平台监测系统研制及应用

冯加果，谢 彬，谢文会，王世圣，武文华

(1. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 引 言

随着深远海油气开发的需要，越来越多的浮式平台应用于深远海开发，确保平台安全非常重要。模型试验技术[1 – 2]是确保平台安全的重要手段，而平台海上安全监测则是将模型试验技术搬到了海上现场，进一步通过实际监测得到平台真实情况的手段，因此平台安全监测如同模型试验一样，对平台安全尤为重要，通过监测数据的实时采集、处理、分析, 确定平台的安全状态，具有快捷、省时、精度高、实时控制等优点，受到越来越多的重视[3]。而由于水池水深、锚链截断、相似性等原因，水池模型试验在校核平台安全性上和水深上也有一定的局限性，但深远海浮式平台安全监测弥补了这些不足，逐渐作为一种评估平台安全的重要手段。

研究和开发深水海洋浮式平台的监测系统，是预防和减少平台安全事故的一种有效手段，国外开展过关于海洋浮式平台的监测研究[4 – 6]，为平台的安全运行积累了经验、提供了指导。通过浮式平台监测系统可以有效掌握和了解平台的相关重要参数，可以有效地预防一些安全事故，提前核实、评价平台的安全性问题并给出指导意见。因此，开发海洋浮式平台的监测系统能够积累现场监测数据和相关经验，有利于今后浮式平台在我国海域的安全生产和运维。

我国海洋石油工程正处在由浅水到深水的跨越阶段，正在积极进行南海深水开发的技术储备，并已经开始在南海开展大量深水开发工作。在此阶段，同步发展海洋浮式平台监测技术，对南海海洋环境作用下的海洋浮式平台情况进行测量，可以为建立针对南海海域的浮式平台完整性管理系统进行技术积累，同时可以积累南海现场测量数据，增加对南海海洋环境、浮式平台适应性、运营维保的认识，为今后南海深水区域浮式平台的全面应用和安全运营提供数据、积累经验，开发深水海洋浮式平台的监测系统十分必要。

1 浮式平台监测系统开发特点

浮式平台在海洋环境中，会遭受恶劣的海洋环境，而为了进行安全监测和评估，本次开发的浮式平台监测系统具备以下几个特点：

1）监测信息及监测方案是浮式平台监测系统的核心，监测系统需要完整获得平台所受的环境情况（风、浪、流）、平台的运动和系泊系统情况。

浮体运动是浮体结构安全保障最为重要的信息，是平台甲板净气隙、浮体稳性的直接表现，影响着浮体的系泊系统安全和立管安全，主要包括6个自由度运动[7 – 8]。浮式平台运动监测数据比模型试验的数据更接近真实情况，也更能反映平台的性能和状况，积累的监测数据可以为浮式平台的设计、评估、规范适应性修正、平台的安全生产等提供指导和依据，也为我国未来深水浮式平台的设计提供实际参数，是重点的监测内容之一；系泊系统的锚链张力测量是掌握平台安全信息的关键。

2）监测系统的远程控制及信息共享，便于陆地和海上人员查看、使用原型测量系统和监测数据，不再局限于海洋平台人员，便于扩大发挥监测系统、监测数据的作用及影响力。

3）台风过程中监测信息的持续获取。台风期间的监测数据对安全评估更有价值，需要实现台风条件下平台断电后的海洋平台现场监测，获取宝贵的台风条件下的监测数据。

4）集成化监测站，减少平台走线及现场施工，“弱化”监测系统的存在，减少对平台生产的影响，节省费用。

2 流花“南海挑战号”FPS 浮式平台监测系统

2012年，借助流花“南海挑战号”FPS坞修的时机，在该平台上实施了自主开发的监测系统，该监测系统的实施示意图如图1所示，监测内容主要包括环境荷载、平台响应和系泊系统的监测，相关信息如表1所示。

图 1 流花“南海挑战号”FPS 浮式平台监测系统示意图Fig. 1 Schematic diagram of floating platform monitoring system for Liuhua Nanhai Tiaozhan FPS

为了获得撤台期间平台的环境条件和响应信息，监测系统拥有1套独立的供电系统，为监测系统提供电力，在台风过境、平台断电期间也能保证各个传感器数据的正常采集，可获取极端天气下的宝贵数据；远程监测在海洋监测中逐渐应用[9], 本项目基于VPN的远程监测技术，通过远程网络便可实现对各个监测量实时监测、数据传输和对监测系统的控制，确保了数据的安全性和控制的实时性，同时研发了北斗信息传送软件，确保在台风期间将部分监测数据传递到陆地，供生产和安全管理人员参考。

对于锚链系统的监测，研发和实施了水下倾角传感器进行锚链系统的监测装置和夹具，实现了采用ROV装卸水下传感器的水下监测技术。

在平台坞修期间，在浮箱上安装了水下应变仪，在坞内进行调试，但平台到油田就位之后，应变仪没有读数，效果不理想，说明应变片监测容易失效，对于今后平台的结构应力监测建议考虑其他手段，比如光纤光栅FBG监测。

表 1 浮式平台监测系统的监测信息Tab. 1 Monitoring information of floating platform monitoring system

3 监测数据及应用展望

目前，“南海挑战号”原型监测系统已服役近5年多，期间共捕获7次台风及3次季风数据，为极端灾害天气下环境参数获取和结构响应特征分析提供了有力的数据支持，同时风速仪、波浪仪、GPS、倾角等传感器目前已获得了3年左右日常环境下的有效数据，图2给出多个台风情况下风速曲线，图3为水下倾角传感器计算得到的锚链张力和loadcell锚链张力对比图，图4给出倾角和水深的谱密度（PSD）结果。

图 2 多个台风情况下风速曲线Fig. 2 Wind speed curve of multiple typhoon

图 3 水下监测的锚链张力和 loadcell对比图Fig. 3 The mooring tension of underwater monitoring VS loadcell

通过监测系统得到了多年的实测数据，可以通过实测波浪谱与Jonswap波浪谱对比得出南海海域Jonswap波浪谱的谱形参数为1.67，如图5所示。图6给出平台在极端荷载条件下垂荡实测值与理论值对比情况。

图 4 倾角和水深的谱密度（PSD）结果Fig. 4 PSD results of inclination and water depth

图 5 实测波浪谱与 Jonswap 波浪谱对比Fig. 5 Wave spectrum(Monitoring VS Jonswap)

当然，虽然实现了从日常海况监测到台风期间监测、从海上控制到陆上访问等功能，但是监测系统的进一步功能完善和监测数据的利用还有发展空间，比如进一步完善监测系统从水面向水下监测、从点到面形成监测网，从单个平台监测到建立深水工程设施监测中心从而形成监测网。

图 6 实测值与理论值对比（垂荡）Fig. 6 Heave (Monitoring VS Theory)

另外，涡激运动（Vortex Induced Motions，VIM）是浮式平台很重要的运动特性，也是影响平台安全的不确定因素之一，对平台立管的疲劳寿命影响很大，目前工业界通过数值分析手段不能准确模拟，主要通过VIM试验来进行评估和分析，而通过监测系统观测和研究VIM是另外一种重要手段，Oriol Rijken[10]在2017年OTC会议上分享了Independence Hub和Thunder Hawk半潜式平台在超过200 d的海上现场监测中观测到了VIM情况，并给出分析，图7给出了Thunder Hawk半潜式平台监测到的VIM运动情况，因此，建议下一步可以通过流花“南海挑战号”监测数据分析VIM运动。

图 7 Thunder Hawk 半潜式平台监测到的 VIM 运动情况[10]Fig. 7 The monitoring VIM of Thunder Hawk[10]

4 结 语

通过研究给出了浮式平台监测系统的监测信息及监测方案，并成功在我国南海流花油田“挑战号”FPS平台上实施了1套监测系统，得到以下结果和建议：

1）开发并成功实施了浮式平台的环境、浮体运动和系泊系统水下监测，实现了深水浮式平台的集成监测站，获得多个台风期间的数据和多年的监测信息，为今后该平台的评估、未来深水浮式平台设计反馈、现场预报或预警、现场生产技术支持等提供数据和依据；

2）台风期间的监测数据对安全评估最有价值，实现了台风期间监测和数据传输的功能，实现了监测系统远程控制和“互联网+”数据共享，便于扩大和发挥监测系统、监测数据的作用及影响力；

3）建议在下一阶段开展从水面向水下监测、从点到面形成监测网，从单个平台监测到建立深水工程设施监测中心从而形成监测网，并向南海岛礁、其他海上设施推广和实施监测系统，最终形成南海区域监测网络，本研究为将来海洋工程领域全面推广和应用监测及评价技术提供了典型示范。

4）浮式平台涡激运动（VIM）是影响平台及立管安全的关键因素，而目前无法通过数值模拟分析VIM，因此通过监测系统观测和分析VIM是重要的研究手段和方法，建议下一步通过海上现场监测数据来研究和分析浮式平台VIM。