CN103482026B - 一种用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统及系泊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种海洋工程油气开发领域中的用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统及系泊方法，GPS实时记录海洋平台的运动响应值，当海洋平台的运动响应值小于预设合理响应值时，判断当前的海况是普通海况，反之是极限海况；极限海况时，拉紧张紧式系缆，第二拉力传感器将悬链线式系缆上的张力A、第一拉力传感器将张紧式系缆上的张力B均传到控制模块中，控制模块通过公式计算出C值，若C值小于预设合理差值，则保持张紧式系缆长度不变，反之则比较张力A和B，如果A<B,放松张紧式系缆的长度，如果A>B,收缩张紧式系缆的长度；本发明自动完成单套悬链线式系泊系统与混合系泊系统之间的智能切换，简单、便捷。

Description

一种用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统及系泊方法

技术领域

本发明涉及一种系泊系统，尤其涉及一种用于超深水浮式结构物的系泊系统，属于海洋工程油气开发领域。

背景技术

世界海洋石油储量80%以上都集中在水深500m之内，然而海洋面积的70%以上都在3000m～6000m之间，大量的海域面积还有待探明。目前除少数海域，大部分地区的近海油气资源已经日渐枯竭，向深海发展已经成为必然趋势。在深海的油气资源开发中遇到的主要问题是：深海的海洋环境更恶劣，环境载荷更大，无论是对于钻井平台还是生产平台来说，在深海环境中，系泊系统是保证海洋平台在海上进行正常的生产作业的重要设备。海洋平台常采用的系泊系统有：动力系泊定位系统（DPS）和锚泊系泊系统，其中锚泊系泊系统又分为悬链线式和张紧式。随着向更深海域油气资源开采步伐的迈进，现有的系泊系统遇到如下瓶颈：

1、悬链线式系泊系统由“钢链-钢缆-钢链”组成，依靠自重为浮体提供恢复力，应用广泛、技术成熟，但当水深到达1000m以上时，系统重量过大、成本剧增，系泊效率降低。

2、张紧式系泊系统由“钢链-聚合材料-钢链”组成，利用系缆轴向张力提供恢复力，而系缆主要由聚合材料构成，由于其材料和力学性能非常复杂，从而导致在动张力和疲劳分析时，不得不采用较大的安全系数。

3、动力系泊定位系统，通过各个方向多个推力器将平台控制在目标区域，能在任何水深下工作，定位方便快捷；但是建造成本较高，因系统包括控制系统、推力器、传感器设备等；风险较高，因当设备故障时可能丧失系泊定位能力，使用成本较高，因燃料消耗及需要专门人员操作和维护设备。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中存在的重量大、成本高、技术复杂等缺点，提出一种系统重量轻、技术简单、成本较低的超深水（3000m深水以下）浮式结构物的混合式系泊系统及其系泊方法。

为实现上述目的，本发明所述混合式系泊系统采用如下技术方案：海洋平台上设有控制模块、GPS、支座和绞车，张紧式系缆一端通过第一海底锚固定于海底，另一端连接绞车，张紧式系缆上设有第一拉力传感器，悬链线式系缆一端通过第二海底锚固定在海底，另一端连接支座，在悬链线式系缆上设有第二拉力传感器，GPS测定海洋平台的实时运动响应值，控制模块分别连接GPS、第一、第二拉力传感器并控制绞车动作。

本发明所述混合式系泊系统的系泊方法采用的技术方案是具有如下步骤：

A、GPS实时记录海洋平台的运动响应值，与预设合理响应值比较，当海洋平台的运动响应值小于预设合理响应值时，判断当前的海况是普通海况，反之，判断当前的海况是极限海况。

B、极限海况时，控制模块控制绞车拉紧张紧式系缆，第二拉力传感器将悬链线式系缆上的张力A、第一拉力传感器将张紧式系缆上的张力B均传到控制模块中，控制模块通过公式                                                计算出C值，将C值与预设合理差值对比，若C值小于预设合理差值，则保持张紧式系缆的长度不变，若C值大于预设合理差值，则比较张力A和B，如果A<B,控制模块控制绞车放松张紧式系缆的长度，如果A>B,控制模块控制绞车收缩张紧式系缆的长度。

 C、普通海况时，控制模块控制绞车放松张紧式系缆的长度，使张紧式系缆没有张力，不为海洋平台提供恢复力，悬链线系缆给海洋平台提供恢复力。

  本发明采用上述技术方案后，与现有技术相比具有如下优点：

 1、减少了悬链式系缆的根数，所以减轻了重量、增加了平台的可变载荷、提高了系泊系统经济性。

2、在极限海况时，启动张紧式系泊缆，与常规悬链线式系缆同时存在，张紧式系缆由聚合材料组成，重量轻、经济性好。并且张紧式系泊系统只是在极限海况时才启用，大大减少了疲劳情况的发生，也最大可能的降低了材料复杂的力学性能所带来的不利影响。

3、混合系统中的悬链线式系泊系统，是常规的技术非常成熟的一种方式，而采用的张紧式系泊系统由于只是少数极限海况启用，最大程度上降低了其不利因素所带来的影响，所以相比于动力系泊定位系统，本发明技术简单、成熟。

4、在极限海况时，由单套的悬链线式系泊系统变成双套的混合式系泊系统，不仅有利于对平台运动响应及系缆动力响应的控制，也减轻了与悬链线式系泊系统相连的绞车的负荷。

5、本发明利用GPS、张力感应器、控制模块，自动完成单套悬链线式系泊系统与混合系泊系统之间的智能切换，简单、高效、便捷，可用于海上所有系泊浮式结构物作为定位系统。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明在极限海况时两套系泊系统同时工作的示意图；

图2是本发明在普通海况时单套悬链线式系泊系统工作的示意图。

图中：1.海平面；2.海洋平台；3.支座；4.绞车；5.第二拉力传感器；6.第一拉力传感器；7.控制模块；8. GPS；9.悬链式系缆；10.张紧式系缆；11.第一海底锚；12.第二海底锚；13.海底。

具体实施方式

参见图1和图2 所示，本发明包括漂浮在海平面1上的海洋平台2，海洋平台2上安装控制模块7、GPS8、支座3、绞车4。张紧式系缆10一端通过第一海底锚11固定于海底13，另一端连接在海洋平台2的绞车4上。在张紧式系缆10上安装第一拉力传感器6。悬链线式系缆9一端通过第二海底锚12固定在海底13，另一端连接在支座3上，在悬链线式系缆9上装有第二拉力传感器5。

控制模块7分别连接GPS8、第一拉力传感器6、第二拉力传感器5和控制绞车4的动作。GPS8用于测定海洋平台2的实时运动响应值，控制模块7用于判断当前海况为普通海况还是极限海况以及通过绞车4控制张紧式系缆10的长度。第一拉力传感器6用于测定张紧式系缆10的实时张力值，第二拉力传感器5用于测定悬链式系缆9的实时张力值，并将实时张力值送给控制模块7。

普通海况使用单套传统的悬链线式系泊系统，此时张紧式系泊系统处于松弛备用状态，如附图2所示。极限海况时使用混合系泊系统，如图1所示，并且通过调整张紧式系缆10的长度控制张紧式系缆10与悬链线式系缆9的张力，智能控制两种系泊系统对海洋平台2提供的水平恢复力。并且根据海况的变化实现混合系泊系统与单套传统系泊系统的智能切换。

GPS8实时记录海洋平台2的运动响应值，不断与预设定合理响应值做出比较，以判断当前的海况是否进入极限海况，预设的合理响应值是水深的6%的响应值。当海洋平台2的运动响应值小于水深的6%响应值时，海洋平台2在普通海况，使用单套系泊系统，反之，在极限海况，启动混合式系泊系统。

在极限海况时启动混合式系泊系统，当GPS8实时记录海洋平台2的运动响应值超过水深的6%时，控制模块7开始工作，发出指令，迅速启动混合式系泊系统，即控制模块7控制绞车4工作，绞车4迅速拉紧张紧式系缆10。第二拉力传感器5和第一拉力传感器6开始工作，不断将各自系缆上的实时张力传到控制模块7中，控制模块7进行两种系缆的张力比对，将第二拉力传感器5传回的张力计为A，第一拉力传感器6传回的张力值计为B，通过公式计算出C值，将C值与预设定的合理差值比例作对比，若C值小于预设定的合理差值，说明海洋平台2的运动在合理范围之内，此时只需保持张紧式系缆10的长度不变；若超过预设定的合理差值比例，系统将做出调整。结合两种系缆物理属性、控制模块灵敏性以及实际海况综合确定，设定的合理差值范围取5%～10%之间。若C值大于预设合理差值5%～10%，则进一步比较张力A和张力B，如果A<B,即悬链线系缆9上的张力更小，此时控制模块7控制绞车4放松张紧式系缆10的长度；如果A>B,即悬链线系缆9上的张力更大，此时控制模块7控制绞车4收缩张紧式系缆10的长度。在调整完张紧式系缆10的长度后，将新的A与B值再次传回控制模块7，再计算此时新的C值，以此循环，不断类推。

张紧式系缆10由重量小、造价低的聚合材料构成，且张紧式系缆10和悬链式系缆9给平台提供相等的恢复力，这样就避免了某一种系缆受力过大的情况的发生，在极限海况有效控制海洋平台2运动响应的同时也最大程度保护了两套系泊系统。因为悬链线式系缆9是通过系缆重量来提供恢复力的，它在海底有很长的一段躺底段，随着海洋平台2运动响应的不断漂移，躺底段不断被拉起放下，提供的恢复力也不断变化，这时就需要调节张紧式系缆10的长度，即调整张紧式系缆10的张力，使两种系缆张力达到动态平衡，共同承担海洋平台2系泊定位责任。

普通海况时使用单套系泊系统，当GPS8实时记录海洋平台2的运动响应值小于水深的6%时，控制模块7发出指令由混合式系泊系统转为单套悬链式系泊系统，此时控制模块7控制绞车4迅速放松张紧式系缆10的长度，使它的长度远远大于海洋平台2至锚点的距离，此时张紧式系缆10呈现悬链线形状，由于其采用重量极轻的纤维系缆制成，张紧式系缆10几乎没有张力，不为海洋平台2提供恢复力，此时的张紧式系缆10很长，具有很小的预张力，处于放松、备用和休息状态，避免一直使用时带来的松弛-张紧情况的发生，最大程度的降低了疲劳发生的概率，这对张紧式系缆10是极大地保护。此时悬链线系缆9呈悬链线形状，由于系缆采用重量很大的钢链制成，此时系缆重量给海洋平台2提供恢复力。

图1和图2仅示出一根张紧式系缆10和一根悬链式系缆9，实际上海洋平台2的每一面上都有两根悬链式系缆9和两根张紧式系缆10，即四个面共有8根悬链式系缆9和8根张紧式系缆10。在实际海洋中运行的海洋平台2，所受的风浪流等环境力入射方向的不断变化，海洋平台2各个面上的系缆会承担不同的恢复力，所以这就要求每一面都对应一个控制模块7，总共四个控制模块7分别调整其所负责的张紧式系缆10的长度情况和不同系泊系统之间的切换。因此，在极限海况时，可能只是海洋平台2的某一面使用了混合式系泊系统，此时工作中的系缆包括8根悬链式系缆9与两根张紧式系缆10，与16根悬链式系缆9的系泊系统相比，这大大减轻了整套系泊系统的重量，增加了海洋平台2的可变载荷；同时，由于只是在少数的极限海况才启用张紧式系缆10，这也最大程度上降低了这一系泊方式不利因素所带来的影响。

Claims (3)

1.一种用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统，海洋平台（2）漂浮在海平面（1）上，其特征是：海洋平台（2）上设有控制模块（7）、GPS（8）、支座（3）和绞车（4），张紧式系缆（10）一端通过第一海底锚（11）固定于海底（13），另一端连接绞车（4），张紧式系缆（10）上设有第一拉力传感器（6），悬链线式系缆（9）一端通过第二海底锚（12）固定在海底（13），另一端连接支座（3），在悬链线式系缆（9）上设有第二拉力传感器（5），GPS（8）测定海洋平台（2）的实时运动响应值，控制模块（7）分别连接GPS（8）、第一、第二拉力传感器（6、5）并控制绞车（4）动作。

2.根据权利要求1所述一种用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统，其特征是：海洋平台（2）的每一面上都设有两根悬链式系缆（9）和两根张紧式系缆（10），每一面都对应设有一个控制模块（7）。

3.一种如权利要求1所述用于超深水浮式结构物的混合式系泊系统的系泊方法，其特征是具有如下步骤：

A、GPS（8）实时记录海洋平台（2）的运动响应值，与预设合理响应值比较，当海洋平台（2）的运动响应值小于预设合理响应值时，判断当前的海况是普通海况，反之，判断当前的海况是极限海况；

B、极限海况时，控制模块（7）控制绞车（4）拉紧张紧式系缆（10），第二拉力传感器（5）将悬链线式系缆（9）上的张力A、第一拉力传感器（6）将张紧式系缆（10）上的张力B均传到控制模块（7）中，控制模块（7）通过公式                                               计算出C值，将C值与预设合理差值对比，若C值小于预设合理差值，则保持张紧式系缆（10）的长度不变，若C值大于预设合理差值，则比较张力A和B，如果A<B,控制模块（7）控制绞车（4）放松张紧式系缆（10）的长度，如果A>B,控制模块（7）控制绞车（4）收缩张紧式系缆（10）的长度；

 C、普通海况时，控制模块（7）控制绞车（4）放松张紧式系缆（10）的长度，使张紧式系缆（10）没有张力，不为海洋平台（2）提供恢复力，悬链线系缆（9）给海洋平台（2）提供恢复力。