8-14 海洋深水浮式平台现场监测研究进展

海洋深水浮式平台现场监测研究进展∗屈衍1，季顺迎2，时忠民1（1. 中海石油研究中心，北京 100027；2. 大连理工大学，辽宁大连 116023）摘要：在深水油气田开发中，现场实时监测可为平台系统的作业生产提供实时的数据支持，并对平台设计方案进行校核与评估。

平台监测系统已经逐步成为深水浮式平台完整性管理的重要系统之一。

本文对国外已经开展的深水油气田开发中的浮式平台及立管、系泊系统的现场监测技术进行了归纳。

选取了已有的浮式平台现场监测系统实例进行了分析。

通过对国外深水油气开发中监测技术和经验的分析和归纳，对我国相关技术的应用将起到一定的促进作用。

关键词：现场监测；浮式平台；立管系统；系泊系统1 前言近年来，随着深水油气田开发的迅速发展，越来越多的深水浮式平台在美国墨西哥湾、欧洲北海、巴西海域和西非沿海等海域得到了应用。

由于浮式平台结构形式复杂，发展历史相对较短，其设计，分析理论尚不完善。

工程界对平台在实际海洋环境中的总体性能是否与设计结果相一致并没有完全的把握。

在灾害海洋环境作用下，也发生了多起浮式平台破坏的事故。

如墨西哥湾2005年Katrina和Rita飓风中，约16座浮式钻井平台发生平台移位及系泊系统损坏[1]，TLP平台Typhoon在Rita飓风过后倾覆等。

为了改进善这一现状，石油公司大力发展了浮式平台系统的完整性管理技术（FSIM，Floating System Integrity Management）。

其主要任务是通过对平台系统现场监测和平台检测，得到平台在实际海况作用下的响应，进而制定符合现场情况的平台操作策略，改进新平台的设计方法，同时对平台在灾害环境下可能发生的风险进行更为准确的评估。

[2 OTC 20137]浮式平台系统的现场监测是完整性管理技术中的核心部分，其主要作用可以归纳为：为平台设施的安全操作提供数据；评估、校核平台的在位表现；缩短平台灾害环境下的关断时间，降低损失；准确评估平台未来可以承受的回接能力；为平台破坏后涉及法律事务提供数据支持[3 OTC 18626]。

鉴于现场监测的重要性，目前，几乎所有的浮式平台系统都已经安装了现场监测系统。

我国海洋石油工程正处在由浅水到深水的跨越阶段，国家正在积极进行南海深水开发的技术储备，并已经开始建造针对南海的3000米水深半潜式钻井平台。

鉴于南海目前仍没有深水作业的浮式平台，因此，需要同步发展浮式平台监测技术，对南海海洋环境作用下的浮式平台响应进行测量。

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。

考虑到深海现场监测的方案和部分设施需要在平台设计和建造前进行确定，以便在陆上进行前期工作。

因此，在我国深海油气平台开发建造前就应对现场监测的方案、原理和技术进行深入系统的分析整理。

为此，本文针对国际上深水浮式平台现场监测的主要工作进行了回顾，对现场监测的实施方案以及关键技术进行了分析总结，其目的主要是收集当前深水油气开发工程中的现场监测方案和技术、整理相关的监测经验，为我国开展深海油气中的现场实时监测技术提供依据。

本文首先对深水海洋环境、浮式平台结构系统、系泊系统、立管系统监测技术进行介绍，对IMMS系统及IRMS系统技术进行总结，并选取几个在浮式平台上开展的实际监测项目内容进行介绍。

2 浮式平台结构的现场实时监测目前的深水浮式生产平台形式可以概括为三大类：张力腿平台(TLP)、深吃水立柱式平台(SPAR)、半潜式平台(SEMI)。

对于深水浮式平台结构的实时监测主要是对运动和位置进行测量，以确定其与附属的立管、系泊/张力腿系统的相对运动和作用力。

对于平台的运动和位置一般测量其6个自由度上的运动响应，其中平台的平动分量通常采用3个线加速度计测量，转动分量用3个高精度角速度计进行测量。

浮式平台的平动周期通常为20 s以上或者更高。

采用加速度传感器，安装的位置一般要避免平台振动的影响。

此外，GPS定位系统也一种有效的测量平台运动的有效方法。

如果测量平台的准静态倾角，最精确的办法就是采用倾角仪\倾斜计。

由于结构动力特性的不同，因此在对平台结构进行运动和响应监测时应有针对性地选用不同特性的传资助项目：国家重大专项课题资助项目(2006AA09ZX026-002).作者简介：屈衍(1977-)，男，辽宁辽阳人，博士，工程师，主要从事海洋工程和工程力学专业研究。

感器。

例如，在墨西哥湾(GoM)的Allegheny Seastar TLP平台监测中，选用4 Hz频率采集6个上部张力腿的张力，选用1 Hz的GPS测量平台的运动情况。

尽管GPS不能监测到波浪作用下的平台运动，但可识别出其平均运动情况[7]。

此外，在平台甲板上安装了200 Hz的加速度传感器以测量平台振动情况。

如果在每个张力腿上安装吃水计，这样平台的升降就可以由吃水计测量结果和潮汐表确定。

由于环境荷载对平台工作状态的重要性，对风、浪和流的作用荷载进行测量将会更加有效地获得作用力的大小。

然而，由于以上环境要素作用力的特殊性，各环境荷载不易直接测量。

它一方面可以通过安装在平台上的压强传感器进行局部荷载的测量，另外还可以通过构件间的内力进行推算。

平台构件间的内力则通过测量其相对变形或局部应变进行确定。

通过对浮式平台结构的动力过程监测，可确定不同类型平台结构的动力特性，同时为分析平台结构与立管、系泊系统之间的耦合作用提供依据。

最早的深水现场监测系统是由BMT公司在1987年为CONOCO公司的Joliet TLWP平台开发的，随后不断发展和完善。

Edwards et al.(2005)对当前浮式平台的综合性海洋监测系统(IMMS)进行了全面地分析，并指出现场监测的主要内容[3]。

近年来，平台系统的整体性监测系统有了迅速的发展，并在深水油气开发中发挥着强有力的作用。

3 立管系统的现场监测立管系统是指用来连接浮式平台和海底井口的传输管线，是深海油气开发工程中非常复杂的一部分。

由于深水环境的不确定因素以及立管设计中的不足，使得现场实时监测更为重要。

它在保障立管系统的完整性、制定现场操作方案、优化检验方法、制定维修方案以及改进设计等方面均起着重要的作用。

Chezhian et al.(2006)对当前不同类型立管的监测方法和技术进行了全面的总结和归纳，并指出在立管监测主要考虑如下两个问题：监测目的、位置、方法以及对平台和立管的重要性；如何利用测量结果提供反馈信息[8]。

当前立管监测中的重点发展技术包括：提高立管角速度测量的精度、减小传感器的尺寸和重量、降低长周期应变测量的造价、立管内部流速监测、全长度光纤应变测量技术、深水光纤ROV安装、测量数据的存储和遥感传递等[8]。

目前，较广泛采用的立管系统主要包括顶部张紧立管(TTR)、柔性立管、钢悬链立管(SCR)和混合立管等4种。

针对不同类型的立管类型，发展了不同的现场监测技术。

3.1 TTR监测TTR主要用于干式采油树类型的浮式生产系统与海底系统的连接，并方泛地应用于TLP和Spar平台。

由于TTR在与上部浮式平台和海底基础竖直相连处的转角受到约束，其在波浪和海流作用下对平台竖直运动非常敏感。

如果顶部张力为负，TTR很容易发生屈曲现象。

此外，涡激振动(VIV)导致的TTR疲劳损伤也是一个非常重要的问题。

对于TTR立管，一般需要对其顶部的拉力和弯矩进行监测。

例如，在GoM的一个SPAR平台上，Thethi et al. (2005) 为研究TTR的疲劳问题，采用2H Offshore 公司自行设计的自容式传感器进行了现场监测[9]。

该传感器该测量仪里面设置三向加速度传感器和二向角速度计。

它重约4 kg，内存128M，可适用于10 000 ft 水深测量。

在TTR上的传感器分布及由水下机器人(ROV)安装过程如下图所示。

此外，由于每个TTR立管均安装充满空气或氮气的浮桶，并通过立杆将采油树与平台底舱相连。

在连接器处可以进行立管所受拉力和弯矩的测量。

一般一个TTR立管监测系统由三个应变压力计组成。

该压力计的使作寿命可达8年，其量程可根据不同情况而确定，一般可达1500 kips，其精度可达1%左右[3]。

在立管的VIV监测中，Natarajan et al. (2006)采用线性回归法进行了传感器位置的优化布置，以及传感器的数量及精度、深水声纳数据传输中的电力供应、加速度传感器的应变片和光纤测量技术及其温度补偿、长期监测中的仪器校对和稳定性。

在立管监测中，传统的应变片传感器具有如下缺点：高温条件下粘接的寿命较短、焊点降低立管疲劳寿命、深水条件下的密封保护条件苛刻[10]。

这时更多地采用光纤测量技术进行ROV安装，从而避免了对立管结构的损伤[11]。

在TTR立管中，对立管冲程的测量也是一个重要部分。

它可通过立管与平台间的相对位置来判断其是否在可允许范围之，还还反映出立管浮桶是否提供了适当的浮力。

冲程的测量一般通过安装在平台底部与立管间的一个位置转换器进行测量。

3.2 SCR立管监测SCR集海底管线与立管于一身，将井口与浮式平台结构相连，具有成本低，无需顶部预张力，对浮体漂移和升沉容度大，适用于高温高压介质等优点，是深水油气开发的首选立管系统。

1994年Shell公司在GoM的872 m水深处安装了第一条SCR，现已成功地应用于不同类型的浮式平台，其应用水深已超过3 000 m。

目前，在深水油气开发中，已安装使用了100多条SCR[12]。

为了适应于不同水深的需要，SCR的概念不断发展和延伸，目前主要有4种类型的SCR系统：简单悬链式立管、浮力波/缓波悬链线立管、陡波悬链线立管和L型立管。

缓波和陡波立管是为减小立管的顶部张力而设计的，其隆起部分由浮力实现。

因此，它们可适用于更深海域。

图1 TTR测量仪分布及ROV安装过程示意图[9]一般SCR的现场监测可包括：VIV、波浪及平台运动引起的SCR疲劳载荷、下接触点等特殊部位的极值载荷、立管与床基的作用特性等[13]。

在柔性连接处，对相对和绝对的角度、运动的测量一般需要ROV 进行辅助。

对于SCR立管的测量是相对非常困难和昂贵的。

共有16家公司和协会等联合进行了SCR的完整性管理的联合工业项目(IM JIP)，其目标主要有两个：一是建立一个系统的SCR现场整体性管理方法，二是研究当时适用于SCR检测和监测的最新技术[14]。

对于立管的VIV监测，一般采用加速度和应变传感器。

为了测量VIV情况下立管的振动情况，传感器的布点位置需要进行优化设计，其间隔至少要低于1/4个波长。

在下接触点处，由于立管的曲率最大，其所承受的弯矩也最大。

因此，VIV引起的疲劳破坏也最易发生在下接触点处。

Natarajan et al. (2007)对平台引起的SCR动力响应、VIV和SCR与海床地基相互作用进行了监测。