CN102975816B

CN102975816B - 自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法

Info

Publication number: CN102975816B
Application number: CN201210545112.6A
Authority: CN
Inventors: 邹铁军; 张国利; 杜军波; 孟巍; 牛慧军; 解晶; 孙立刚
Original assignee: PLA 92941 ARMY
Current assignee: PLA 92941 ARMY
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-12-17
Also published as: CN102975816A

Abstract

本发明公开了一种自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法，该平台对接定位引导方法步骤是：通过设备的安装，引导钻井平台拖航，引导钻井平台粗就位，引导抛锚船布锚，固定平台位置及方位复测，引导钻井平台完成精就位，钻井平台位置及方位复测等步骤，实现自升式钻井平台海上固定平台对接定位引导。该对接定位引导方法应用过程简单，设备重量轻、体积小、携带方便，设备安装简单，取消潜水作业，缩短工期，提高工作效率；系统定位精度高，可实现横摇精度：0.05°，纵摇精度：0.05°，航向精度：0.1，相对位置测量精度：0.05m，还具有直观性、安全性、可靠性、实时性、容错性等方面优点。

Description

自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法

一、技术领域

本发明涉及的是一种海上平台对接定位引导方法，尤其是一种自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法。

二、背景技术

海洋石油钻井平台是海洋油气开发的基础装备，目前海洋石油装备产业在海洋油气产业持续快速发展的带动下，正处于高速发展的新时期。钻井平台与海上固定平台对接定位是一项精度要求高、施工复杂的海洋工程。在钻井平台对接移动过程中，由于受到风及海流的影响，钻井平台会产生晃动，且自身无动力系统，在接近固定平台时易刮碰固定平台；同时固定平台都延伸出多条管线，定位过程也存在钻井平台桩腿刮碰海底管线的风险。所以，采用较为先进的对接定位引导方法尤为重要。以往传统的自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法是采用声学定位的方法，基本原理是声学测量系统收发换能器向水下应答器发送询问信号，应答器收到收发换能器的信号后发送应答信号，收发换能器通过测量声学信号来测定目标距收发换能器的距离。即在钻井平台与固定平台对接前，钻井平台的船底安装收发换能器，固定平台水下桩腿安装应答器来实现钻井平台与固定平台相对距离测量。该方法存在有以下不足：一是精度低，水声定位系统误差在2米左右；二是安装调试程序复杂，具有危险性，收发换能器及应答器的安装都需要潜水员潜水作业，具有一定的人身作业安全隐患；同时安装位置需要不断校准，费时费力，作业周期长；三是水下设备在作业时，易被刮碰而损坏，故障率高。

三、发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种作业安全可靠、定位精度高的自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法。

实现本发明的目的采用的技术方案是：该平台对接定位引导方法步骤是：

(1)设备的安装：DGPS天线安装在平台顶部开阔处，接收机安装在中控室；电罗经及光纤陀螺航姿设备安装在中控室内，在钻井平台调平状态下调整光纤陀螺航姿系统设备基座使其保持水平，同时调整电罗经及光纤陀螺航姿设备首向线与钻井平台艏艉线平行；自动跟踪全站仪安装在钻井平台尾部，反射棱镜安装在固定平台上。

(2)引导钻井平台拖航：对接定位引导系统引导钻井平台撤离原停留位置拖航至固定平台所在的作业海区。

(3)引导钻井平台粗就位：钻井平台在主拖船的拖带下，在定位引导系统实时显示钻井平台航向、位置、速度以及钻井平台与固定平台的相对距离和方位下，引导钻井平台到粗就位的预定位置。

(4)引导抛锚船布锚：粗就位结束后，定位系统引导抛锚船在设计位置布锚，使锚产生有利于钻井平台与固定平台对接的最佳合力；若作业区附近分布海底管线、电缆等水下设施，锚位点设计时要求锚位点与水下管线等设施距离要大于100米；若锚位要跨过管线要求锚位点与管线距离要大于200米。

(5)固定平台位置及方位复测：原有固定平台的位置及方位数据不一定正确，因此要由技术人员携带定位测向设备上固定平台上完成固定平台位置及方位的复测。

(6)引导钻井平台完成精就位：选择在平潮或流速较小的海况下，在定位系统引导下，通过四个锚及使用拖船进行拖曳的合力作用使钻井平台到达设计位置完成精就位与固定平台对接；同时尽量要通过调整各水舱储水量，保证钻井平台在精就位过程中船体保持水平(船体的倾斜会产生位置偏差)。

(7)钻井平台位置及方位复测：压载结束后，钻井平台调平，定位系统对钻井平台的最终位置进行复测，现场向甲方监督提供最终结果。

所述的钻井平台粗就位位置具体要求为：钻井平台到固定平台中心距离：60～90米，钻井平台方位偏差：＜5°。

所述的钻井平台与固定平台对接时，要满足以下天气条件：风速小于8米/秒，浪高小于1米。

本发明采用的方法与现有技术相比，有以下优点：

(1)设备安装使用简单可行。定位引导系统设备重量轻、体积小、携带方便，设备安装简单，取消潜水作业，缩短工期，提高工作效率。

(2)系统定位精度高。系统整体技术性能及指标如下：

●系统可以实现三维定位

●目标高精度自由跟踪，无需手动操作

●具有虚拟现实场景实时显示能力

●横摇精度：0.05°

●纵摇精度：0.05°

●航向精度：0.1°

●相对位置测量精度：0.05m

●数据更新率：10Hz

(3)该方法还具有直观性、安全性、可靠性、实时性、容错性等多方面优点。

四、具体实施方式

本发明采用的设备及工作原理：

本发明使用光纤陀螺航姿设备(FOG)、差分全球卫星定位系统(DGPS)、电罗经、全站仪和计算机组成对接定位引导系统，实现钻井平台的定位引导作业。对接作业时，工作人员首先到达固定平台，精确测量固定平台精确位置以及方位信息；在钻井平台上利用光纤陀螺航姿设备(FOG)测量钻井平台的姿态，光纤陀螺航姿设备(FOG)及电罗经组合完成钻井平台的航向测量，DGPS和全站仪测量钻井平台与固定平台的相对位置及倾角，并将这些信息全部送入计算机主机，在主机中对采集到的数据进行预处理和时间同步，然后进行坐标转换，使各部分坐标统一，进行误差补偿之后利用信息融合技术将数据进行融合，并在屏幕上实时进行三维显示，同时通过记录的数据信息在计算机主机中可实现场景还原。系统对钻井平台实时的航向姿态以及钻井平台与固定平台的相对位置进行实时监测，利用拖船以及钻井平台自身的锚缆，沿着设定的引导线向固定平台靠近，直至达到设计要求位置后插桩固定，完成对接作业。

固定平台坐标系为O_jX_jY_jZ_j，K_j为固定平台的方位角，K_j与Y_j方向一致，P为定位点，其坐标在O_jX_jY_jZ_j中为(x_jp，y_ip，z_jp)，在WGS-84坐标系中为(x_p，y_p，z_p)，钻井平台的横摇角为θ，纵摇角为ψ，航向角为K。在对接过程中，钻井平台与固定平台的相对位置由以下几个参数决定：

(1)钻井平台艏向K。

(2)纵向距离P_e：固定平台基准点O_j到钻井平台对接面(通常为艉部)的垂直距离。

P_e＝[y_p-x_ptan(K-K_j)]cos(K-K_j)+z_jpsinψ

(3)横向偏距S_e：固定平台基准点O_j到钻井平台艏艉线(中轴线)的垂直距离。

S_e＝[x_p-y_ptan(K-K_j)]cos(K-K_j)+z_jpsinθ

若S_e小于0，定义横向偏左；若S_e大于0，定义横向偏右。

(4)径向距离R_e：

R_{e} = \sqrt{P_{e}^{2} + S_{e}^{2}}

(5)高差Z_p：定位点P与固定平台基准点O_j的高度差。

(6)牵引角D_p：定位点P与固定平台基准点O_j的方位角。

D_p＝K_j+arctan(x_p/y_p)

对接定位引导系统是一个特殊的数据采集与处理系统，它需要采集多个导航传感器的输出信号，进行航姿和组合滤波解算，并通过通信接口或显示控制装置输出定位结果，以及三维动态显示。

根据对接定位引导系统的需求，对接定位引导系统软件主要需要实现如下功能：

1)DGPS信息的解算；

2)光纤航姿信息的解算及相关的预处理和误差修正；

3)DGPS、光纤航姿设备、电罗经和全站仪等的信息融合，即通过联邦卡尔曼滤波器，从而得到高精度的位置、速度和姿态信息；

4)数据通信功能；

5)信息显示；

6)场景三维显示；

7)数据后处理等功能。

本发明中系统采用的关键技术：

(1)整套系统的数据采集过程需要严格按照时间同步的标准进行。以DGPS时钟信息为时间参考基准，参照各部分设备的性能，设定相应的采样频率，在主机中通过软件实现DGPS、光纤陀螺航姿设备(FOG)、电罗经、全站仪数据的同步采集与存储，并对数据进行预处理，滤除由于各种随机噪声产生的影响。由于DGPS、光纤陀螺航姿设备(FOG)、电罗经、全站仪这几部分数据的采样频率不同，需要进一步进行处理以确保时间的完全同步。

(2)为保证信息融合准确无误，系统的坐标系选择应保持严格的统一。本方案中组合系统信息融合的坐标系以WGS-84为基准，对设备数据进行坐标转换，各部分数据严格统一至WGS-84下进行运算。

(3)钻井平台与固定平台对接的过程中，由于设备自身精度、安装位置、甲板变形、杆臂效应和海上作业环境的多变性、复杂性以及不确定性等原因，在主机中实现误差的分析和补偿工作十分必要。

(4)系统的信息融合利用无置位式联邦卡尔曼滤波器实现。光纤陀螺航姿设备(FOG)、DGPS、电罗经可以两两组合形成3个航向子滤波器，另外DGPS配合全站仪也可以形成一个航向子滤波器。而钻井平台相对于固定平台的位置，则由DGPS和全站仪组合形成子滤波器提供。所有子滤波器之间无信息交流，独立滤波，没有反馈重置带来的相互影响，因此一个子系统的故障不会影响另一个子系统，提供了最高的容错性。此外，由于光纤陀螺航姿设备(FOG)、DGPS、电罗经都可以提供航行信息，并可以两两组合，为航向的确定提供了多套冗余；DGPS、全站仪都可以提供钻井平台与固定平台的相对位置信息，为相对位置的确定提供了多套冗余。因此，多套冗余给整个系统提供了更加安全、更加准确的保障。

(5)计算机主机中的三维实时显示。主机中需要实时显示钻井平台的速度、位置、方位、姿态角以及固定平台方位、位置等信息，用实时显示对钻井平台和固定平台的对接进行引导。

(6)当系统出现故障，无法正常工作的情况下，系统接收到报警信息，利用已存储的数据进行对接场景还原。另外后处理技术还可以对系统各部分进行性能评估，为系统更可靠的保障。

整个系统方案功能性比较全面，具有多套冗余信息，为钻井平台和固定平台对接定位引导的顺利进行提供了保证，即使在故障情况下也能够有效的实现场景还原，容错性好，操作性可行。

该平台对接定位引导方法步骤是：

(2)引导钻井平台拖航：由DGPS、光纤陀螺航姿设备(FOG)、电罗经和全站仪组成的对接定位引导系统引导钻井平台撤离原停留位置拖航至固定平台所在的作业海区。

(3)引导钻井平台粗就位：钻井平台在主拖船的拖带下，在定位引导系统实时显示钻井平台航向、位置、速度以及钻井平台与固定平台的相对距离和方位下，引导钻井平台到粗就位的预定位置。为了便于完成抛锚及精就位，需要使钻井平台的位置接近固定平台，同时考虑避免由于粗就位桩穴位置离精就位桩穴位置太近而造成插桩时滑桩。钻井平台粗就位位置具体要求为：钻井平台到固定平台中心距离：60～90米，钻井平台方位偏差：＜5°。

(4)引导抛锚船布锚：粗就位结束后，定位系统引导抛锚船在设计位置布锚，使锚产生有利于钻井平台与固定平台对接的最佳合力；若作业区附近分布海底管线、电缆等水下设施，锚位点设计时要求锚位点与水下管线等设施距离要大于100米；若锚位要跨过管线(即管线位于锚点及钻井平台中间)，要考虑到可能走锚的风险，要求锚位点与管线距离要大于200米。

(5)固定平台位置及方位复测：原有固定平台的位置及方位数据不一定正确，因此要由技术人员携带定位测向设备上固定平台完成固定平台位置及方位的复测。

(6)引导钻井平台完成精就位：选择在平潮或流速较小的海况下，在定位系统引导下，通过四个锚及使用拖船进行拖曳的合力作用使钻井平台到达设计位置与固定平台对接完成精就位。由于钻井平台就位精度要求较高，因此需要满足以下天气条件：风速小于8米/秒，浪高小于1米。

同时尽量要通过调整各水舱储水量，保证钻井平台在精就位过程中船体保持水平(船体的倾斜会产生位置偏差)。

本发明是一种自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法，实现钻井平台定位引导，定位精度高，钻井平台与固定平台相对距离误差可控制在0.05米以内，测向精度达到0.1度；同时可缩短作业周期，经济效益高，实现对接过程的直观性、真实性、高精度、安全性及可靠性。

Claims

1.一种自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法，其特征是：该平台对接定位引导方法步骤是：

(1)设备的安装：DGPS天线安装在平台顶部开阔处，接收机安装在中控室；电罗经及光纤陀螺航姿设备安装在中控室内，在钻井平台调平状态下调整光纤陀螺航姿系统设备基座使其保持水平，同时调整电罗经及光纤陀螺航姿设备首向线与钻井平台艏艉线平行；自动跟踪全站仪安装在钻井平台尾部，反射棱镜安装在固定平台上；

(2)引导钻井平台拖航：对接定位引导系统引导钻井平台撤离原停留位置拖航至固定平台所在的作业海区；

(3)引导钻井平台粗就位：钻井平台在主拖船的拖带下，在定位引导系统实时显示钻井平台航向、位置、速度以及钻井平台与固定平台的相对距离和方位下，引导钻井平台到粗就位的预定位置；

(4)引导抛锚船布锚：粗就位结束后，定位系统引导抛锚船在设计位置布锚，使锚产生有利于钻井平台与固定平台对接的最佳合力；若作业区附近分布海底管线、电缆水下设施，锚位点设计时要求锚位点与水下管线设施距离要大于100米；若锚位要跨过管线要求锚位点与管线距离要大于200米；

(5)固定平台位置及方位复测：原有固定平台的位置及方位数据不一定正确，因此要由技术人员携带定位测向设备上固定平台上完成固定平台位置及方位的复测；

(6)引导钻井平台完成精就位：选择在平潮或流速较小的海况下，在定位系统引导下，通过四个锚及使用拖船进行拖曳的合力作用使钻井平台到达设计位置完成精就位与固定平台对接；同时要通过调整各水舱储水量，保证钻井平台在精就位过程中船体保持水平；

2.如权利要求1所述的自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法，其特征是：所述的钻井平台粗就位位置具体要求为：钻井平台到固定平台中心距离为60～90米，钻井平台方位偏差小于5°。

3.如权利要求1所述的自升式钻井平台与海上固定平台对接定位引导方法，其特征是：所述的钻井平台与固定平台对接时，要满足以下天气条件：风速小于8米/秒，浪高小于1米。