NO781696L - Fremgangsmaate og system for posisjonsbestemmelse og dynamisk posisjonering av flytende boreplattformer og liknende - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og system for

posisjonsbestemmelse og dyna-

misk posisjonering av flytende

boreplattformer og liknende

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte .og et system for bestemmelse av de relative horisontale posisjoner av de øvre og nedre ender av en fleksibel forbindelsesline som er opphengt i en flytende, marin plattform.

Den stadig økende grad av oljeforbruk sammenkoplet med de aktuelle priskrav fra de største oljeproduserende land, har skapt behov for offshore olje- og gassbrønnborings- og produksjonsoperasjoner i vannområder med stadig økende dybde, og et resulterende sjøplattformposisjonerings- eller plassopprett-holdelsesproblem av stadig økende kompleksitet og vanskelighet.. I denne sistnevnte henseende er det kjent at offshore olje- og gassbrønnborings- og produksjonsoperasjoner på forholdsvis grunt vann, opp til en dybde på ca. 600 m, f.eks., kan utføres fra en fast, tårnlikende konstruksjon som hviler direkte på og er fast forankret direkte til havbunnen. På større dyp må det benyttes flytende plattformer for sådanne operasjoner. Disse plattformer må på-en eller annen måte holdes i en forholdsvis fast posisjon over brønnhullet som bores i,eller brønnhodet på havbunnen.

En flytende, oljebrønnborende installasjon, f.eks., har en flytende boreplattform og en borstreng som strekker seg fra plattformen til havbunnen og som drives i rotasjon fra plattformen for å bore et brønnhull i bunnen. En flytende, olje- eller gassproduserende installasjon har et stigerør som strekker seg fra den flytende plattform til brønnhodet på havbunnen, og en-pumpeanordning på plattformen for pumping av olje oppover gjennom stigerøret. Borstrengen og brønnrøret eller stigerøret, alt etter omstendighetene, er således fiksert ved sin nedre ende mens den øvre ende beveger seg horisontalt og vertikalt med den flytende plattform. Slik plattformen flyter på vannflaten, blir den utsatt for forskyvning fra sin optimale posisjon over brønnhullet eller brønnhodet på grunn av vind*-, bølge- og/eller havstrømvirkning.. En anordning for plattformposisjonering eller plassopprettholdelse må følgelig være.til-yeiebragt for å holde plattformen i posisjon mot virkningen av sådanne krefter. ;To generelle typer av plattformposisjoneringsmetoder, den ene passiv og den andre dynamisk, er blitt uttenkt for dette formål. Den passive plattformposisjoneringsmetode innebærer ganske enkelt forankring eller tjoring av plattformen i en fast posisjon med kabler som strekker seg fra plattformen til ankeret som er festet til havbunnen. Den dynamiske plattformposisjoneringsmetode innebærer avføling av avvikelse av den flytende plattform fra' dens optimale posisjon og kontinuerlig driving av plattformen tilbake mot denne posisjon. Den foreliggende oppfinnelse angår en dynamisk plattformposisjoneringsmetode. ;Et stort antall forskjellige dynamiske plattformposisjoneringsmetoder er tidligere kjent. Noen av disse er beskrevet i de amerikanske patenter nr. 3.121.954, 3.148.653, 3.187.704, 3 .191.570-, 3.311.079 , 3 . 369 .516 , 3 . 508 . 512 , 3 .588.796, 3 . 730 .1.26, 3.886.887 og 3.948.201. ;De dynamiske, plattformposisjoneringsmetoder som ér beskrevet i mange av disse patenter, innebærer avføling og gene-rering av signaler som, referert til et valgt koordinatsystem, representerer vinkelen for en forbindelsesline som strekker seg fra plattformen til en fast referanseposisjon på havbunnen, og styring av et plattform-fremdriftssystem som reaksjon på disse signaler på en slik måte at plattformen opprettholdes i en ønsket horisontal posisjon i forhold til referansen. Forbindelseslinen er en kabel i U.S. patent nr.' 3.187.704, og et brønnrør eller en borstreng i patent nr. 3.191.570. Patent nr. 3.148.-653 viser to forbindelsesliner, den ene en kabel og den andre en borstreng. ;De tidligere kjente dynamiske posisjoneringssystemer for flytende plattformer som benytter en sådan forbindelsesline, lider av. to vesentlige mangler som den foreliggende oppfinnelse overvinner. Den første mangel ligger i det faktum at disse plattformposisjoneringssystemer antar at forbindelseslinen er i hovedsaken lineær langs hele sin lengde fra den flytende plattform til havbunnen og baserer seg på en vinkelmåling av bare den ene.ende av forbindelseslinen. I noen tilfeller ut-føres denne vinkelmåling på den flytende plattform, slik som i ;patent nr. 3.121.954, og i andre tilfeller utføres målingen på havbunnen, slik som i patent nr. 3.191.570. Patent nr. 3.148.-653, som benytter to separate forbindelsesliner, dvs. en kabel og en borstreng, utfører kabelvinkelmålingen på plattformen og borstrengvinkelmålingen på havbunnen. ;I virkelig praksis blir imidlertid forbindelseslinen mer og mer ulineær, og dens ikke-lineæritet blir mer tidsvari-abel etterhvert som vanndybden øker, på grunn av flere faktorer, såsom overflatebølgeindusert plattformbevegelse som frembringer vandrende spenningsbølger eller bølgebevegelser i forbindelseslinen, havstrømmer, vekten av selve forbindelseslinen, varier-ende forbindélseslinestramming og liknende. ;Den andre mangel er knyttet til den faseforsinkelse som eksisterer mellom sann plattformposisjon og følermålt plattformposisjon, særlig ved dybder som overskrider ca. 750 m, når forbindelseslinens bunnvinkel benyttes for posisjonsbestemmelse. Denne faseforsinkelse skyldes den passeringstid som er nødvendig for at plattformbevegelsesinduserte spenningsbølger eller bølge-bevegelser skal utbre seg nedover gjennom forbindelseslinen til bunnvinkelf øl.eren. Når et posis jonsmålesystem som innfører en sådan faseforsinkelse innbygges i et dynamisk posisjoneringssystem med lukket sløyfe, foringes lukket-sløyfe-systemets stabilitet, og systemet kan i noen tilfeller bli helt ustabilt. ;Som en konsekvens av de foregående, og andre mangler er de eksisterende dynamiske posisjoneringssystemer av den beskrevne type effektive bare på forholdsvis grunt vann opp til dybder av størrelsesorden 750 m. På. den annen side forventer nåværende og fremtidige offshore-oljeoperasjoner nøyaktig sjø- " plattformposisjonering i vannområder med dybder opp til 1800 m og mer. Det er følgelig et behov for et forbedret dynamisk posisjoneringssystem eller plassopprettholdélsessystem for marine plattformer. ;Ifølge en side ved oppfinnelsen er det tilveiebragt en fremgangsmåte og et system for bestemmelse av de relative horisontale posisjoner av en flytende mar.in plattform og den nedre ende av en nedsenket, fleksibel line, i det følgende betegnet som forbindelsesline, som strekker seg fra plattformen til havbunnen. Denne opphengte line kan være- en kabel for forankring av plattformen til havbunnen, en borstreng for boring av et brønnhul-1 i havbunnen, eller et stigerør for befestigelse til et brønnhode på havbunnen. En annen side ved oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for dynamisk posisjonering eller plassopprettholdelse av en flytende plattform, hvor den posisjonsbestemmende teknikk ifølge oppfinnelsen utnyttes til å holde en flytende plattform i en ønsket posisjon i forhold til et referansepunkt på havbunnen. Oppfinnelsen er særlig egnet for benyttelse på forholdsvis dypt vann, av størrelsesorden 1800 m eller mer,- f.eks. hvor overflatebølgeindusert bevegelse ;av den flytende plattform og andre fluktuerende krefter frembringer vandrende bølgebevegelser i forbindelseslinen. ;Oppfinnelsen innebærer avføling og frembringelse, av vinkelsignaler som inneholder informasjon som representerer de vertikale hellingsvinkler for den nedsenkede forbindelsesline ved eller nær dennes øvre og nedre ender, og., dersom det er nødvendig for posisjonsbestemmelse, også asimutihformasjon som bestemmer forbindelseslinens asimutvinkel■eller -retning i forhold til en valgt asimutref eranse. Disse vinkelsignaler filtre--res for å eliminere høyere ordens frekvenskomponenter som frembringes av pverflatebølgeinduserte forbindelsesline-bølgebevegel- . ser og liknende, slik at de filtrerte vinkelsignaler i virkeligheten representerer de midlere vertikale hellingsvinkler for ;forbindelseslinens ender, dvs. de øvre og nedre vertikale hel-'lingsvinkler for omhyllingen av den undulerende eller bølgende, ;forbindelsesline. De filtrerte signaler, kombineres i en forutbestemt reiasjon med.signaler som representerer valgte forbindelsesline-, plattform- og sjøparametre, i det følgende samlet betegnet som grunnleggende .systemparametre, for å frembringe et utgangssignal som representerer de relative horisontale posisjoner av forbindelseslinens øvre og nedre ender. Dersom det antas at forbindelseslinen er- forankret til havbunnen, representerer dette utgangssignal den horisontale posisjon av platt- ;formen i forhold til forbindelseslinens havbunnsforankringspunkt. ;Oppfinnelsen, i den grad den angår plattformposisjonering eller •plassopprettholdelse, utnytter det posisjonsbestemmende system og et plattformfremdriftssystem for opprettholdelse av en flytende plattform i en forutbestemt horisontal posisjon i forhold til et valgt havbunn-referansepunkt. I overensstemmelse med denne side ved oppfinnelsen er forbindelseslinen forankret til havbunnen, og utgangssignalet fra det posisjonsbestemmende system utnyttes til å styre plattformfremdriftssystemet på en slik måte at plattformen holdes i den ønskede posisjon. ;Ved noen anvendelser kan de grunnleggende systemparametre holde seg tilstrekkelig konstante under en vilkårlig gitt operasjonsperidde til å muliggjøre at de samme parameterverdier kan benyttes under hele operasjonsperioden. Ved andre anvendelser kan i det minste noen av disse parametre være utsatt for forandring. Oppfinnelsen omfatter avføling av sådanne varier-bare parametre og oppdatering av disses verdier etter ønske. ;Fremgangsmåten og systemet ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte, karakteriserende trekk. ;Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 skjematisk illustrerer et sjøplattform-posisjoneringssystem ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et skjematisk kretsdiagram av systemet, fig.. 3 illustrerer skjematisk den. ;algoritme som benyttes ved oppfinnelsen, fig. 4 og 5 er diagram-mer som illustrerer visse relasjoner som inngår i utledningen ;av en posisjonslikning for benyttelse ved oppfinnelsen, og fig. 6 viser.et liknende riss som på fig. 1 og viser benyttelse av et stigerør som forbindelsesline. ;Idet det først henvis til fig. 1, betegner henvisnings-tallet 10 en marin plattform som flyter på overflaten av en vann-masse 12, f.eks. havet, og som må holdes i en forutbestemt horisontal posisjon i forhold.til en referanse P på havbunnen 14. ;Plattformen 10 er utstyrt med et posisjonsbéstemmende system 16 ifølge oppfinnelsen for frembringelse av et posisjonssignal som representerer plattformens horisontale posisjon i forhold til havbunnreferansen P, og med et dynamisk plattformposisjoner-ings- eller plassopprettholdende system 18 som styres av dette posisjonssignal for å holde den flytende p,lattform 10 i en ønsket posisjon i forhold til havbunnreferansen. ;Generelt angitt omfatter det posisjonsbéstemmende system for den flytende plattform en fleksibel forbindelsesline 20 som strekker seg fra den flytende plattform 10- til havbunnen 14, en anordning 22 for avføling og regulering av strammingen av eller strekket i denne forbindelsesline, en anordning 24 for avføling og frembringelse av vinkelsignaler som, referert til et valgt koordinatsystem, representerer den vertikale helling og de horisontale asimutvinkler for forbindelseslinen 20 ved eller nær dennes øvre og nedre ender, og i noen tilfeller også endringshastighetene for disse vinkler, og en signalbehandlende anordning 25 for kombinasjon av disse vinkelsignaler i overensstemmelse med. en posisjonslikning som uttrykker relasjonen mellom f orbindelseslinevinklene og valgte systemparametrederi-blant forbindelsesline-, plattform- og havparametre, for tilveiebringelse av et posis.jonsutgangssignal som representerer den horisontale posisjon av den marine konstruksjon 10 i forhold til havbunnreferansen P. Denne likning korrigerer eller kompenserer for f aseforsinkelse mellom sann plattf ormposis jon og føler-avfølt plattformposisjon på grunn av forplantnings- eller utbre-delsestiden for plattformbevegelsesinduserte spenninger langs forbindelseslinen. Den signalbehandlende anordning 25 filtrerer vinkelsignalene fra forbindelseslinens vinkelfølere for å fjerne høyere ordens sigrialfrekvenser som skriver seg fra overflate-bølgeinduserte bølgebevegelser i forbindelseslinen. Systemopera-sjonen forløper på en slik måte at plattformposisjonsbestemmelsen er basert på en forholdsvis nøyaktig approksimasjon av den midlere ikke-lineære bane eller omhylling for forbindelseslinen 20. Som et resultat av dette tilveiebringer det posisjonsbéstemmende system 1-6 et utgangssignal som med. en forholdsvis høy grad av nøyaktighet, selv på forholdsvis dypt vann av størrelses-orden 1800 m eller mer, representerer den horisontale posisjon av plattformen i forhold til havbunnreferansen. ;Slik som tidligere nevnt, og slik det vil fremgå av;den etterfølgende beskrivelse, kan forbindelseslinen 20' være en kabel, en oljebrønn-borstreng, en brønnrørstreng éller et stige-rør eller liknende. I den etterfølgende beskrivelse skal•det antas at forbindelseslinens 20 nedre ende er forankret til havbunnen 14 ved havbunnreferansen P. Man skal imidlertid være klar over at prinsippene for og realiseringen av den forelig- . gende oppfinnelse er like anvendelige for bestemmelse av den relative posisjon av de øvre og nedre ender av en line eller et stigerør' som ikke er festet til havbunnen. ;Slik som tidligere angitt, omfatter oppfinnelsen, ved beregningen av plattformens 10 horisontale posisjon, måling og utnyttelse av de vertikale hellingsvinkler ved eller nær begge ender av forbindelseslinen 20. For dette formål omfatter den vinkelsignalfrembringende anordning 24 vinkelfølende anordninger 26, 2,8 ved eller nær både de nedre og øvre ender av f orbindelseslinen. ;Man vil være klar over at plattformens 10 horisontale posisjon i forhold til havbunnreferansen P kan måles og uttrykkes ved et vilkårlig egnet koordinatsystem. I den foreliggende beskrivelse måles og uttrykkes plattformposisjonen ved hjelp av et kartesisk koordinatsystem hvis Z-akse er vertikal og passerer gjennom referansen P, og hvis X- og Y-akser er horisontale i . hhv. øst/vest- og nord/syd-retningehe. Den nedre forbindelses-linjeendes vinkelføleranordning 26■frembringer et utgangssignal . som representerer hellingsvinkelen for en tangent til den nedre forbindelseslinjeende, målt i hhv. X-Z-planet og i Y-Z-planet. Disse to hellingsvinkler definerer åpenbart både den samme vertikale helling av den nedre f orbindelseslin jeende,. dvs. vinkelen mellom Z-aksen og en tangent til det nedre parti av forbindelses-linjen målt i det plan som inneholder sistnevnte akse og tangent, ;og asimutvinkelen for den nedre ende, dvs. vinkelen mellom sistnevnte plan og et valgt nullplan, såsom X-Z-planet. Den øvre ;vinkelføleranordning 28 frembringer et utgangssignal som representerer den vertikale hellingsvinkel for en tangent til forbindelseslinens øvre ende målt i to vertikale, innbyrdes perpendikulære plan av plattformen 10 parallelle med hhv. X-Z- ;og Y-Z-planene. Disse hellingsvinkler definerer både den sanne vertikale hellingsvinkel og asimutvinkelen for den øvre for- ;bindelseslineende. Slik det skal forklares senere, kan vinkel-føleranordningene 26, 28 ved noen anvendelser også avføle og frembringe signaler'som representerer endringshastighetene for forbindelseslinens hellingsvinkler. ;Ved dette punkt er det av betydning å erindre fra den foregående beskrivelse at de eksisterende dynamiske flyteplatt-form-posisjonerin<g>ss<y>stemer av den generelle klasse som den foreliggende oppfinnelse . tilhører , er mangelfulle av den grunn at de ignorerer faseforsinkelse i systemene og antar at forbindelseslinen 20 er lineær fra flyteplattformen 10.til havbunnen 14. I virkeligheten.eksisterer det imidlertid en betydelig fasefor-. sinkelse mellom den nedre vinkelfølers utgangssignal og den virkelige plattformposisjon. Denne faseforsinkelse øker med vanndybden og er et resultat av den passeringstid som ér nødven-dig for at spenningsbølger eller siderettede deformasjoner som frembringes i forbindelseslinens øvre ende av bølgeinduserte bevegelser og andre bevegelser av plattformen, skal utbre seg. ;nedover gjennom forbindelseslinen til den nedre forbindelsesline-vinkelføler 26 og reflekteres i en. tilsvarende endring i hellings/asimut-vinkelutgangssignalet fra den nevnte vinkelføler. Videre avviker forbindelseslinen vesentlig fra en lineær tilstand både på grunn av forholdsvis statiske krefter, såsom gravita-sjons- og vannstrømkrefter•som forsøker å bringe forbindelseslinen til å bli krum, og på grunn av dynamiske krefter, såsom bølgeindusert bevegelse av flyteplattformen, som forårsaker vandrende deformasjoner eller bølgebevegelser i forbindelseslinen. Sådan systemfaseforsinkelse og forbindelsesline-ikke-lineæritet øker med vanndybden og er avhengig av forskjellige andre faktorer, såsom de fysiske egenskaper, dvs. stivhet, vekt pr. lengdeenhet., etc, av forbindelseslinen, • strammingen i linen og flyteplattformens karakteristika. Da sådan faseforsinkelse og ,forbindelsesline-ikkelineæritet øker med dybden og ikke tas i betraktning i eller infaktoreres i den plattformposisjonsbestemmelse som utføres av de eksisterende dynamiske plattformposisjoneringssystemer, er disse eksisterende systemer begren-set i anvendelse, til de forholdsvis grunne vanndybder som er nevnt tidligere. ;Ved den foreliggende oppfinnelse blir derimot system faseforsinkelse og forbindelsesline-ikkelineæritet korrigert for eller innfaktorert i plattformposisjonsbestemmelsen på en måte som gir en forholdsvis nøyaktig bestemmelse eller måling av plattformens 10 posisjon i forhold til havbunnreferansen P, også på vanndybder av størrelsesorden 1800 m eller mer. For dette formål er den plattformposisjonsbestemmelse som inngår i . den foreliggende oppfinnelse, basert på en plattformposisjons-likning som enkelt uttrykt kan angis som følger: ;A, B •= f (a, b, a<1>, b' , K) (1) hvor: A, B er koordinater som representerer plattformens horisontale posisjon i forhold til nullpos/is jonen, uttrykt ved et valgt koordinatsystem, ;a, b, a', b' er hhv. de vertikale hellingsvinkler og horisontale asimutvinkler, uttrykt ved det valgte koordinatsystem, for forbindelseslinen 20 ved eller nær dennes øvre hhv. nedre ender, ;K er valgte posisjonsbestemmélséssystemparametre, såsom forbindelseslinestramming, vekt pr. lengdeenhet,' treghetsmoment, stivhet eller elastisitetsmodul, vanndybde, havstrømretning og -størrelse, sjøspektrum, ;etc. , og;. f er en funksjonssammenheng mellom størrelsene a, b, a', b' og K som effektivt tilveiebringer plattformposis jons-koordinatverdier A, B basert på en forholdsvis nøyaktig approksimasjon av systemfaseforsinkelsen og den sanne krumning av forbindelseslinen. ;Innenfor oppfinnelsens ramme ligger enhver funksjonssammenheng f for størrelsene a, b, a<1>, b<1>, K som vil gi en plattformposisjonsbestemmelse eller -måling med tilstrekkelig nøyak-tighet for den spesielle aktuelle anvendelse, og utnyttelse av hvilket som helst egnet koordinatsystem som referansesystem for posisjonsbestemmelsen. De nedenfor angitte plattformposisjonslikninger (2), (3) definerer en for tiden foretrukket sammenheng f for benyttelse ved utførelse av oppfinnelsen. Denne sammenheng, dvs. plattformposisjonslikningene, er basert på det kar- ;tesiske koordinatsystem som er angitt på fig. 4 og 5.;Den måte på hvilken plattformposisjonslikningene (2);og (3) utledes, skal beskrives i detalj senere under henvisning til fig. 4 og 5. Det er på dette punkt tilstrekkelig å si at det kartesiske koordinatsystem på fig. 4 og 5 er representert ved de viste X-, Y- og Z-akser hvis origo er beliggende i havbunn-referansepunktet P. Dette koordinatsystems X- og Y-akser er horisontale og innrettet i valgte retninger, såsom øst/vest- s hhv. nord/syd-retningene.' Z-aksen er vertikal og passerer gjennom referansepunktet. ;Plattformposisjonslikningene er som følger:; ; hvor:;X, Y er X- og Y-koordinatene for plattformen 10 uttrykt ved det kartesiske koordinatsystem som er vist på fig. 4 og 5, ;^x^topp' ^y^opp er de vertikale hellingsvinkler ved eller nær forbindelseslinens 20 øvre ende målt i X-Y- hhv. Y-Z-planene, ;(ot .), , (a ), er de vertikale hellingsvinkler ved ;x bunn y bunn • ..?eller nær forbindelseslinens nedre ende målt i X-Z-hhv. Y-Z-planene, og ;Kl'K2er m;"-3delverdi- eller forsterkningsfaktorer;som kan være komplekse funksjoner av frekvensen og/ eller i fellesskap omfatte et antall systemparametre.. ;Slik som senere forklart i detalj, kan forsterknihgs-faktorene K^, bestemmes analytisk eller empirisk og velges slik at de korrigerer eller kompenserer for den tidligere nevnte faseforsinkelse i posisjonsbestemmelsessystemet, særlig på forholdsvis dypt vann. Vinkelsignalene fra følerene 26, 28 som representerer.de momentane verdier av line- eller kabelvinklene (et ) , ,' (ot ), , (a ), , (ot ), ., filtreres videre på den x topp y topp x bunn y bunn<f>iltreres videre ^ den senere beskrevne måte for å eliminere de høyere frekvenskomponenter som frembringes av overflatebølgeinduserte undulasjoner eller bølgebevegelser i kabelen 20. Disse filtrerte vinkelsignaler representerer de midlere vertikale hellingsvinkler' for kabelen, eller angitt på en annen måte, de vertikale hellingsvinkler for kabelomhyllingen, og kombineres i overensstemmelse ;med posisjonslikningene (2), (3) for å oppnå plattformposisjonen. ;Det spesielle plattformposisjonsbestemmelsessystem.;16 som er vist på fig. 1-5, skal nå beskrives i detalj. I;dette viste posisjonsbestemmelsessystem er forbindelseslinen 20;en kabel som strekker seg fra flyteplattformen 10 til en basisdel eller sokkel 30 som er solid festet til havbunnen 14. ;Kabelens nedre ende er solid forankret til denne basisdel på;den nedenfor forklarte måte. Kabelens øvre ende er forbundet med strammingsanordningen 22 som bæres på plattformen 10 og virker slik at den opprettholder et forholdsvis konstant spenn eller strekk i kabelen. ;Mange forskjellige kabelstramningsmekanismer som er egnet for benyttelse i forbindelse med oppfinnelsen, er tilgjengelige. Det er følgelig unødvendig å.vise og beskrive stramningsanordningen i detalj. Av denne grunn er stramningsanordningen i bare skjematisk form vist å omfatte en strammetrommel 32 på hvilken kabelens 20 øvre ende er viklet, og en kabelstrekk-føl-ende anordning 34 som omfatter en strekkfølsom rull 35 over ;hvilken kabelen passerer til trommelen. Strammetrommelen er motordrevet under styring av føleranordningen 34 og.som reaksjon på kabelstrekket på en slik måte at det opprettholdes et forholdsvis konstant, forutbestemt strekk i kabelen. ;Den nedre kabelvinkelføleranordning 26 omfatter en to-aksers hellingsføler 36 av pendeltypen•som måler og frembringer utgangss.ignaler som representerer den vertikale hellingsvinkel for kabelens 2 0 nedre ende i to faste, innbyrdes perpendikulære plan av kabelbasisdelen 30 og en retningsreferarisekilde 38 i kabelbasisdelen 30 for måling og frembringelse av et signal som representerer den horisontale retning av basisdelen i forhold til jorden.' Det vil derfor innsees at utgangssignalene fra den nedre kabelvinkelføleranordning 26, dvs. hellingsføleren 36 og referansekilden 33, tilveiebringer den nødvendige informasjon for beregning av de nedre kabelhellingsvinkler' (ax)]3Unn; ;^ay^bunn de tidligere angitte plattformposisjonslikninger (2) , ,(3) . Det ansees å ligge innenfor oppfinnelsens ramme å ;innledningsvis . installere .'ba,sisdelen 30' på havbunnen 14 med hel-lingsf ølerens 36 hellingsmålingsplan nøyaktig innrettet med ko-ordinatsystemets X-Z- og Y-Z-plan. I dette tilfelle vil héllings-føleren 36 måle de nedre kabelh. ellin^ gsvinkler (a x )b, un■ n , (a y ),bunndirekte, og basisdel-referansekilden 38 kan elimineres eller i det minste ikke benyttes for hellingsvinkelberegning. ;Hellingsfølerne kan ved noen anvendelser også frembringe utgangssignaler som representerer endringshastighetene for kabelendevinklene for anvendelse i den plattformposisjons-.beregning som utføres av posisjonsbestemmelsessystemet 16. To-aksers akselerometere eller hellingsfølere som er egnet for benyttelse i det plattformposisjonsbéstemmende system 16, er tilgjengelige fra et antall leverandører, deriblant de amerikanske firmaer Schaevitz Co., Delco Corporation, Minneapolis Honeywell Co., og Litton Industries. ;Slik.som foran angitt, omfatter flyteplattform-posisjonsbestemmelsessystemet 16 en signalbehandlende anordning 25. Denne signalbehandlende anordning mottar de momentane kabelvinkelsignaler fra kabel- og vinkelføleranordningene 26, 28, filtrerer disse signaler for å fjerne de høyere ordens frekvenskomponenter som frembringes på grunn av bølgeinduserte undulasjoner i kabelen, og kombinerer de filtrerte vinkelsignaler i overensstemmelse med plattformposisjonslikningene (2), (3) for ;å frembringe et plattformposisjonsutgangssignal som representerer den horisontale posisjon av den marine plattform 10 i forhold til havbunnreferansen P uttrykt i det benyttede kartesiske ;koordinatsystem. Den signalbehandlende anordning 25 omfatter;en regnemaskin 44 for utførelse av de aktuelle matematiske be- , ;regninger som inngår i posisjonslikningene (2) , (3) . De filtrerte vinkelsignaler fra vinkelføleranordningene 26, 28 til-føres til denne regnemaskinen sammen med kabel-, plattform- og havparameterdata som innføres via et operatø.rtastbord 46. ;•Regnemaskinen 4 4 mater ut resultater til en utlesningsanordning 48 som kan fremvise plattformens 10 koordinater og/eller inn- ;gangsdataene fra tastbordet 46. Regnemaskinen 44 utmater også resultater til plattformposisjoneringssystemet 18 som arbeider for å holde plattformen i en valgt horisontal posisjon i forhold til havbunn-nullposisjonen P. ;Den nedre kabelendes vinkelinformasjon fra den nedre kabelende-vinkelføleranordning 26 overføres til regnemaskinen 44, som er beliggende på plattformen 10, via en signaloverfør-ingsbane 50 i kabelen 20. Det vil innsees av fagfolk på området at mange forskjellige signaloverføringsmetoder kan benyttes for å overføre den nedre kabelendes vinkelinformasjon til overflaten via overføringsbanen 50. Det spesielle sjøplattform-posisjonsbestemmelsessystem som er vist på tegningene, benytter et signaloverf øringssystem 52 med frekvensskiftnøkling (FSK) for dette formål. ;FSK-systemet 52 er av konvensjonell utførelse og omfatter en analog multiplekser 54 til hvilken det tilføres kabel-endevinkel- og hastighetssignaler fra den nedre kabelendes to-.aksers hellingsføler 36, og kabelbasisdel-retningssignalet fra kabelbasisdel-referansekilden 38. Multiplekseren 54 avgir utgangssignal til en sammenknyttende (engelsk: "uplink" ) FSK-mo-dulator og kabeldriver 56 via en analog/digital (A/D)-omformer 58. Tisinnstillings- og styrefunksjonen for FSK-systemet 52 tilveiebringes ved hjelp av en tidsinnstillings- og styrelogikk-enhet 60. Elektrisk energi til den nedre kabelendes vinkelføler-anordning 26 og til FSK-systemet 52 tilveiebringes fra en kraftkilde 62 på plattformen 10 via en overføringsbane 64 for elektrisk energi i kabelen 20. Denne kraftkilde energiserer en likestrømskraftforsyning 66 som inngår- i FSK-systemet 52 og som tilfører drifts.effekt til sistnevnte system og en kalibrerings-, spenning til den analoge multiplekser 54. Det vil således innsees at FSK-systemet 52 omformer kabelvinkelsignalene (medregnet vinkelhastighetssignaler dersom sådane er tilstede) fra den nedre to-aksers hellingsføler 36 og kabelbasisdel-retningssignalet fra referansekilden 38 til multipleksede, digitale FSK-modulerte signaler som inneholder vinkelinformasjon for den nedre kabe-lénde, kabelbasisdel-retningsinformasjon og multi-pleks-tidsinnstillingsinformasjon. ;De digitale, multipleksede, FSK-modulerte signaler fra FSK-systemet 52 overføres som "uplink"-signaler via uplink-kabelsignaloverføringsbanen 50 til kretser 68 på den flytende plattform 10. Inngangskretsen 68 omfatter en FSK-demodulator 70 som mottar og demodulerer disse uplink-signaler og utmater den inneholdte digitale signalinformasjon, dvs. nedre kabelende-vinkel, kabelbasisdelretning og multipleks-tidsirtnstillingsin-formasjon, til en tidsinnstillings-utstrekkings- og datakondisjoneringskrets 72. Denne tidsinnstillingsutstrekkings- og datakondisjoneringskrets mottar også kabelendevinkelsignaler ;(medregnet vinkelhastighetsignaler dersom sådane er tilstede);fra den øvre kabelendes to-aksers hellingsføler 40 og flyte-plattformretningssignalet fra plattformreferansekilden 42 via en A/D-omformer 74 og en signaloverføringsbane 76, og utmater tidsinnstillingsinformasjon til A/D-omformeren 74 via en tids-innstillingssignal-overføringsbane 78. Tidsinnstillingsutstrekkings- og datakondisjoneringskretsen 72 omfatter en konvensjonell signalkondisjonerings- eller signaltilpasningskrets som til-passer sine mange inngangssignaler for riktig operasjon i regnemaskinen 44. De.tilpassede vinkelsignaler for øvre og nedre kabelende og de tilpassede kabelbasisdel- og flyteplattform-retningssignaler fra kondisjoneringskretsen 72 innmates til regnemaskinen 44 via en signaloverføringsbane 80. Via en signaloverf øringsbane 82 innmater kretsen 72 til regnemaskinen 44 også et dataklarsignal som reaksjon på mottagelse av signalinformasjon fra de nedre og. øvre kabelvinkelfølere 36, 40 og kabelbasisdel- og plattform-referansekildene 38, 42. Operatør-tastbordet 46. innmater signaler til regnemaskinen 44 via en signaloverf øringsbane 84.. ;Idet det nå henvises til fig. 3., har regnemaskinen 44 tre datainngangskanaler 86, 88, 90. Kanalen 86 er en system-parameter-inngangskanal som omfatter en forsterkningsfaktor-bestemmelsesanordning 92 som skal beskrives senere. Det er her tilstrekkelig å si at denne forsterkningsfaktorbestemmelsesan-ordning fra tastbordet 46 via signalbanen 84 mottar systempara-meterdata fra hvilke forsterkningsfaktoreneK^, K2i de tidligere nevnte plattformposisjonslikninger (2), (3) kan bestemmes. Forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen behandler. disse parameterdata og utmater til regnemaskininngangskanaléne 83, 90 signaler som representerer f orsterkningsf aktorer K-^ hhv. K- som svarer til de innmatede parameterdata fra tastbordet 46. ;Regnemaskininngangskanaléne 88, 90 er inngangskanaler for hhv. de nedre og øvre kabelvinkler.. Hver av kanalene 88, 90 omfatter en begynnelseskabelvinkel-beregningskrets 94, en etter-følgende multiplikatorkrets 96 og en avsluttende lavpassfilter-.v krets 98. Fra datakondis joneringskretsen 72 via signaloverf ør-ihgsbanen 80 mottar den nedre kabelvinkel-inngangskanal 88 tilpassede kabelvinkelsignaler som inneholder informasjon som representerer de to innbyrdes perpendikulære kabelvinkler som måles av den øvre kabelhellingsvinkelføler 40, og den marine plattforms 10 retning som måles av plattformreferansekilden 42. ;Det vil nå ihnsees at kabelvinkelinrigangskarialene.88, . ;90 for regnemaskinen 40 mottar informasjon utfra hvilken de ;respektive vertikale kabelhellingsvinkler (a ), , (a ), , ^ ^ x bunn' y bunn (ctx)topp, (-a ) t i plattformposis jonslikningene (.2) , (3) kan beregnes. Kanalenes kabelvinkelberegningskretser' 94 utfører disse beregninger. Nærmere bestemt er kabelvinkelberegnings-kretsen 94 for den nedre kabelvinkelinngangskanal 88 programmert for beregning av de nedre kabelvinkler (a ), , (a ), . Den ;2 3 x bunn y bunn;øvre kanals kabelvinkelberegningskrets 94 er programmert for beregning av de øvre kabelvinkler (a ), , (a ), ;^, ^ xtopp'y topp;De bereg^ nede nedre kabelvinkle<r>(et x ), bunn , (a y ),bunn fra vinkelberegningskretsen 94 for. den nedre kabelvinkelinngangskanal 88 og forsterkningsfaktoren ^ fra forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen 92 innmates begge til multiplikatorkretsen 96 for den nedre kanal. Utgangssignalené fra denne multipli- ;katorkrets er signaler som representerer produktene K~ (ct ), ;^ ^ 1 • 2 x bunn og K~ (a ), • På liknende måte blir de beregnede øvre kabel--. ;^ 2 y bunn ^ . vinkler (et ) . , (a ) . fra vinkelberegningskretsen 94 for x'topp y topp ^ ^ ;den øvre kabelvinkelinngangskanal 90 og forsterkningsfaktoren K^ fra forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen 92 begge inn-matet til multiplikatorkretsen 96 for den øvre kanal.. Utgangssignalené fra denne multiplikatorkrets er signaler som representerer produktene Kn (a ) , , Kn (a ) . ;terer c 1 x'topp' 1 y topp;Utgangssignalene fra kanalmultiplikatorene 96 tilføres til lavpassfilterkretsene 98. Slik som forklart nedenfor, filtrerer disse f ilterkrets.er ut høyere ordens frekvenser som er til stede i kabelvinkelsignalene fra kabelhellingsvinkelfølerne 36, 40 på grunn av bølgeindusert bevegelse av den flytende plattform 10 som frembringer vandrende spenningsbølger eller bølge-bevegelsér i kabelen 20. De filtrerte utgangssignaler fra multi-plikatorkretsene 94, 96 representerer produkter, ikke av de ;momentane kabelhellingsvinkler (ct ) . , (a ) ^ , (a ), , momentan<e>^ (a x topp (a y topp (a x bunn ;(a y ), bunn , men snarere p^ rodukter av de midlere kabalhelling3svink-ler, dvs. de øvre og nedre hellingsvinkler for kabelomhyllingen. ;Disse filtrerte utgangssignaler fra multiplikatorene. ;94 , 96; innmates til en tilstandsberegner 100. Denne filstands-beregner er en enkel adderer som summerer de filtrerte signal-. produkter K, (a ), , K, (ct ) , , K-(a ), , K~(ct ), i over-c 1 x topp 1 y topp 2 x'bunn' 2 y bunnover-ensstemmelse med plattf ormposis jonslikningene ('2) , (3) for å oppnå plattformposisjonskoordinatene X, Y. Tilstandsberegnerens ;utgangssignal kan filtreres ved 102 for å fjerne eventuelle gjenværende,, uønskede frekvenser i koordinat-utgangssignalene. ;Slik som tidligere angitt, kan forbindelseslinen mellom den flytende plattform 10 og havbunnen 14 være forskjellig fra en kabel. På fig. 6, f.eks., er plattformen 10a en oljé-eller gassbrønnborende eller en olje- eller gassproduserende plattform, og forbindelseslinen 20a er et stigerør som strekker seg fra plattformen til en brønnboring eller et brønnhode 30a på havbunnen 14.. Når det dreier seg om en boreplattform, strekker en borstreng (ikke vist) seg gjennom stigerøret. Når det gjelder en oljeproduksjonsplattform, pumpes olje til overflaten gjennom stigerøret. Stigerørets 30a nedre ende er koplet til brønnhodet ved et ledd 31a som kan være et kuleledd. Stigerørets øvre ende er ved hjelp av et andre ledd 31a, som også kan være et kuleledd, koplet til en på plattformen 10a anordnet, vertikalt bevegelig rørledning 33a som kommuniserer med en oljepumpe, en gasspumpe eller boreslampumpe (ikke vist) på plattformen. ;En konvensjonell stigerør-strammeanording . 22a som er koplet til rørledningen 33a, er anordnet for avføling. og regulering av stigerørets strekk eller spenning for. å opprettholde et forholds vis konstant strekk i stigerøret. Denne strammeanordning kan f.eks. være en kabelstrammingsanordning av liknende type som anordningen på.fig. 1, hvor kabelen 20 er festet til rørledningen 33a for å utøve en oppadrettet trekkraft på stigerøret 20a. Hellingsvinkelfølere 36a, 40a, f.eks. to-aksers aksellerometere eller hellingsfølere av liknende type.som de som er benyttet på'fig. 1, er montert på stigerøret ved eller nær dettes ender. ;Det på fig. 6 viste system er ellers i det vesentlige identisk med systemet ifølge fig. 1-5. ;Utledningen av posisjonslikningene (2), (3) skal nå ■forklares under henvisning til fig. 4 og 5..Fig. 4 viser en grafisk representasjon i perspektiv av den flytende, marine plattform 10, havbunnreferansen P, den fleksible forbindelsesline eller kabel 20, og det kartesiske koordinatsystem X, Y, Z på hvilket posisjonslikningene (2), (3) er basert. Fig. 5 illustrerer projeksjonen av plattformen 10 og kabelen 20 på koordi-natsystemets X-Z-plan. ;På fig. 5 er og-T^tangenter til de øvre og nedre ender av kabelen 20. Disse tangenter skjærer hverandre i et punkt a. En line b er trukket gjennom dette skjæringspunkt a parallelt med X-aksen, og en line c er trukket gjennom det øvre tangeringspunkt d mellom kabelen 20 og tangenten. , parallelt med Z-aksen. Linjene b og c skjærer hverandre i punktet e og skjærer hhv. Z- og X-aksene i punkter f og g. Av praktiske hensyn er tangeringspunktet d beliggende ved havoverflaten., og skjæringspunktet g er beliggende pa havbunnen 14. ;Ut fra en betraktning av fig.- 5 er det åpenbart at vinkelen a, mellom tangenten T, og linjen c og vinkelen a_ ;mellom tangenten T,,. og Z-aksen definerer de øvre og nedre vertikale hellingsvinkler for kabelen 20, målt i XZ-planet. Det vil også innsees at disse hellingsvinkler er vinkler i rettvinklede. trekanter a, d, e hhv., a, f, p. For bekvemmelighets skyld betegnes sidene i trekanten a, d, e med h^, X^, , og sidene i trekanten a, f, p betegnes med h2, X2, K2. ;Basert på enkel trigonometri er det åpenbart, at.; ; For små hellingsvinkler av størrelsesorden v 10 O eller mindre, gjelder følgende approksimasjoner: ; og sin ot2x = a2x ■*■ radianer

Ved omskrivning av likningene (4) og (5) idet det tas hensyn til approksimasjonene (6), får man:

Plattformens 10 X-koordinat er:

Det er åpenbart at en liknende analytisk metode basert .på projeksjonen av plattformen 10 og kabelen 20 på koordinat-systemets Y-plan ville gi følgende likning:

hvor og K2er de samme som i likning ' (9) , og ct-^ , & 2y er ^e Øvre og nedre vertikale kabelhellingsvinkler målt i Y-planet.

Ovenstående likninger (9) og (10) er åpenbart de tidligere posisjonslikninger (2), (3) hvor de øvre og nedre kabelhellingsvinkler er betegnet med indeksene "topp" og "bunn".

Fremgangsmåten for bestemmelse av forsterkningsfaktorene' K1, K2 i plattformposisjonslikningene (2), (3) skal nå om-tales. Dersom det antas at forbindelseslinens 20, 20a fysiske egenskaper er slik at den kan approksimeres ved en ensartet

bjelke med neglisjerbar stivhet, dvs. neglisjerbar EI (Young's

modul x tr.eghetsmoment) , kan forsterkningsfaktorene , K2 bestemmes analytisk på følgende måte.

Først .betraktes den stabile tilstand hvor det ikke

er tilstede noen bølger eller andre variable krefter som virker på plattformen 10, 10a eller f orbindelseslinen '20 , 20a, og strekket i forbindelseslinen holdes konstant. Det kan lett vises analytisk at under disse stabile forhold kan den horisontale forskyvning (beregnet) mellom de øvre og nedre ender av forbindelseslinen uttrykkes, ved likningene

hvor H = horisontal forskyvning

T B = forbindelseslinestrekk ved bunnen

- forbindelseslinestrekk ved toppen

a_, = forbindelseslinehellingsvinkel ved bunnen aT = forbindelseslinehellingsvinkel ved toppen

D = vanndypde Ovenstående likninger (11) viser-at under de antatte stabile forhold kan den horisontale forskyvning av forbindelseslineendene beregnes eller bestemmes analytisk ved benyttelse av. enten den nedre eller den øvre forbindelseslinehellingsvinkel alene..

En virkelig marin omgivelse av den type i hvilken oppfinnelsen er beregnet å benyttes, er imidlertid ikke en stabil omgivelse, men i stedet en.dynamisk omgivelse hvor en flytende plattform er.utsatt for bølgevirkning. Et viktig trekk ved den foreliggende oppfinnelse ligger i det faktum at den tar hensyn til dynamikken i plattformsystemet og den marine omgivelse og kompenserer eller korrigerer for en viss faseforsinkelse som denne dynamikk innfører i systemet.

I denne henseende betraktes en instrumental, horisontal bevegelse av den flytende plattform. 10, 10a som følge av bølgevirkning eller manøvrering- av plattformen for å returnere denne mot en ønsket horisontal posisjon i forhold til. havbunn- referansepunktet P. Denne horisontale plattformbevegelse forårsaker tilsvarende sidebevegelse av forbindelseslinens øvre ende i forhold til dens nedre ende og dermed også en endring av forbindelseslinens øvre og nedre hellingsvinkler. Disse hellingsvinkler endres imidlertid ikke momentant med og i direkte sammenheng med bevegelsen av forbindelseslinens øvre ende på en slik måte at de momentane hellingsvinkler nøyaktig avspeiler de løpende, relative, horisontale posisjoner av forbindelseslineendene og dermed den horisontale posisjon av den.flytende plattform i forhold til havbunnreferansen P. I stedet frembringer plattformbevegelsen spenninger eller spenningsbølger som for-planter seg langs forbindelseslinen i form av vandrende bølge-bevegelser eller undulasjoner i linen på stort sett samme måte som vandrende bølger frembringés i et langt rep når man smekker med den ene ende av repet. Som en følge av dette avspeiles ikke plattformbevegelsen i en endring i forbindelseslinens bunnhel-lingsvinkel før de bevegelsesinduserte spenningsbølger i forbindelseslinen når den nedre hellingsvinkelføler 36,.36a. Heller ikke da inntar den nedre forbindelseslineende umiddel-bart en ny stabil hellingsvinkel svarende til plattformens horisontale posisjon ved slutten av den inkrementale plattformbevegelse som frembrakte hellingsvinkelendringeh. I stedet vil bunn-hellingsvinkelen fluktuere .etter hvert som forbidelseslinens•.

spenningsbølger eller undulasjoner vandrer nedover og deretter reflekteres oppover forbi bunnende-hellingsvinkelføleren. Den øvre forbindelseslinehellingsvinkel har en tendens til å endre seg momentant med og i ledende forhold til plattformbevegelse. Hellingsvinkelfluktuasjoner opptrer også ved forbindelseslinens øvre ende som følge av de vandrende stressbølger eller undulasjoner i linen.

Det er åpenbart ut fra den foregående diskusjon at i en virkelig, dynamisk, marin omgivelse hvor den flytende plattform utsettes for bølgevirkning, frembringer den resulterende bølgeinduserte bevegelse av plattformen komplekse spennings-bølger eller undulasjoner i forbindelseslinen som vandrer kontinuerlig frem og tilbake langs linen mellom de nedre og øvre hellingsvinkelfølere. De nedre og øvre forbindelseslinehellingsvinkler, og dermed også hellingsvinkelutgangssignalene fra den nedre og øvre hellingsvinkelfølere, fluktuerer således kontinuerlig med en periode eller frekvens som står i forhold til perioden for overflatebølgene rundt middelverdier som er relatert til den løpende horisontale posisjon av plattformen i forhold til havbunnreferansen P, og i virkeligheten er hellingsvinklene for den undulerende forbindelseslines omhylling. På grunn av gangtiden for de plattformbevegelsesinduserte spennings-bølger eller undulasjoner langs forbindelseslinen mellom, vinkel-, følerne, eksisterer videre en faseforsinkelse mellom utgangssignalet fra den nedre hellingsvinkelføler1 i forhold til utgangssignalet fra den øvre føler.

I en virkelig sjøplattforminstallasjon ifølge oppfinnelsen, hvor plattformsystemets,dynamikk må tas i betraktning på grunn av bølgevirkning, må følgelig hellingsvinkelutgangssignalene. fra de nedre og øvre hellingsvinkelfølere avveies for å tilveiebringe den riktige faserelasjon mellom følernes utgangssignaler. Forsterkningsfaktorene K-^, K2i posisjonslikningene (2), (3) er skala- eller vektfaktorer som sørger for denne av-veining.

For å analysere faseegenskapene for en gitt forbindelsesline, formes sistnevnte ved hjelp av en enkel tidsforsinkelse x som representerer gangtiden for plattformbevegelsesinduserte spenningsbølger mellom de nedre og øvre hellingsvinkelfølere. Utgangssignalet fra den øvre føler 40 antas å være proporsjonalt med hastigheten, dvs. hellingsvinkel-endringshastigheten, av forbindelseslinens øvre ende. Under.disse betingelser kan det vises at:

hvor .

= tidsfasevinkelen for den øvre forbindelseslinehellingsvinkel aT i forhold ti'1 plattformhastigheten,

oa = vinkelfrekvensen for plattformens svingebevegelse,

og

D, T^, T„ er slik som definert i likning (11) .

1 B

For enhver gitt plattform- og forbindelseslinekonfigurasjon kan verdiene av $., x, w bestemmes på den nedenfor beskrevne måte. Dersom disse verdier antas å være kjent for en spesiell plattform-bg forbindelseslinekonfigurasjon av interesse, tilveiebringer følgelig ovenstående likninger (12) og (13) en metode for bestemmelse av forsterknings- eller vektfaktorene K1?K2som deretter kan benyttes i posisjonslikningene (2), (3) til å bestemme plattformens horisontale posisjon i forhold til havbunnreferansen.

Dersom de fysiske egenskaper for forbindelseslinen er slik at de forenklende antagelser som er benyttet i den foregående utvikling,, ikke kan anvendes, kan forsterknings- eller vektfaktorene , K2bestemmes empirisk ved hjelp av en passende regnemaskin-simuleringsmetode. En sådan simuleringsmeto.de er beskrevet i ASME-publikasjon-nr. 77-PET-39 som rapporterer en fremstilling,som ble presentert på Energy Technology Conference and Exhibit, Houston, Texas, 18-22. september 1977. Denne simuleringsmetode er basert på og benytter i hovedsaken de samme likninger som en tidligere Mohole-stigerøravhandling som ble rapportert i NESCO (National Engineering Science Co) Report nr. 183-2A, januar 1965, med tittelen "Dynamic Stress Analyses of the Mohole Riser System". Selv om ASME-publikasjonen. diskuterer simulering i forbindelse med et marint stigerør, slik som det som er vist på fig. 6 på tegningene, vil det være åpenbart for fagfolk pa området at simuleringen også dekker andre former for forbindelsesliner, såsom kabelen på fig. 1-5.

Fremgangsmåten for bestemmelse av forsterknings- eller vektfaktorene , K2ved benyttelse av forbindelsesline-simuleringen ifølge ASME-publikasjonen omfatter.følgende trinn: 1. Bestemmelse for den flytende plattform og forbindelsesline som er av interesse, de kritiske, fysiske egenskaper som

inngår i ASME-simuleringeh.

2. Definisjon av de verste-tilfelle-verdier, som forventes å påtreffes for de omgivelsesforhold som inngår i ASME-simuleringen. 3. Definisjon av områdene for strekk eller spenning, slamvekt (dersom det passer for tilfellet) og vanndybde for den anvendelse som er av interesse. 4. Benyttelse av de data som er oppnådd i trinnene 1, 2 og 3, som inngangsdata til ASME-forbindelseslinesimuleringen for å generere tidshistoriene for bevegelsen av den øvre forbindelseslineende og for de øvre og nedre forbindelseslinehellingsvinkler for spesielle inngangsparameterkombinasjoner av

interesse.

5. For hvert tilfelle som er simulert i trinn 4, utvelgelse av et antall sett, fortrinnsvis tre, av forsterkningsfaktorer Kl'K2°^kombinasjon av disse faktorsett og tilhørende hellingsvinkel-tidshistorier fra trinn 4 i overensstemmelse med posis jonslikningene (2)', (3) for å oppnå, for hvert valgt forsterkningsfaktorsett, tidshistorien for den beregnede horisontale posisjon av.den øvre forbindelselineende i forhold til den nedre ende, f.eks.:

hvor:

x est (t) = tidshistorien for X-koordinaten for den øvre forbindelseslineende

a x (t)m T = tidshistorien for den øv.re forbindelseslinehellingsvinkel i X-Z-planet

a (t) = tidshistorien for den nedre forbindelses-X £>

linehellingsvinkel i X-Z-planet

y est (t) = tidshistorien for Y-koordinaten for den øvre forbindelseslineende

a (t)',p = tidshistorien for den øvre f orbindelses-linehellingsvinkel i Y-Z-planet

a (t)^ = tidshistorien for den nedre forbindelses-y B

linehellingsvinkel i Y-Z-planet

6. Benyttelse av Fourier-transformasjonen for å oppnå amplitude-og fasekurver for de bergnede tidshistorier for den øvre forbindelseslineendeposisjon oppnådd i trinn 5 for hvert valgt forsterkningsfaktorsett , K2, og amplitude- og fasekurver for de tilhørende tidshistorier for den øvre forbindelseslineendeposisjon oppnådd i trinn 4 ved hjelp av ASME-simulerings-metoden. 7. Valg av de f orsterkningsf aktorer K-^, som gir beregnede tidshistorier for den øvre forbindelseslineende som har dé foretrukne amplitude- og fasekarakteristikker i forhold til de simuleringsgenererte posisjonstidshistorier som er oppnådd i trinn 4.

I denne sistnevnte henseende velges forsterkningsfaktorene K^, K2fortrinnsvis slik at den beregnede horisontale posisjon av den øvre forbindelseslineende i forhold til bunnenden har følgende egenskaper: (1) Forskjellen i størrelse mellom de virkelige og beregnede posisjoner av forbindelseslineendene er fortrinnsvis' mindre enn .1% av vanndybden for trykk- eller pressfunksjoner, dvs. overflatebølger, med perioder på 100 sekunder og større. (2) Fasen for. den beregnede, øvre forbindelseslineendeposisjon ligger fortrinnsvis foran fasen for den virkelige posisjon med et lite beløp. I verste-tilfelle-tilstanden må den beregnede posisjon ikke ligge etter den virkelige posisjon

, ro

med mer enn 5 .

Den prosedyre som er definert i de foregående, trinn 1-7, gir sett av tilsvarende verdier for forsterkningsfaktorene Kl'K2^or de ^orskjellige parameterkombinasjoner av interesse som er valgt i trinn 4 for regnemaskinsimulering.

i

To forskjellige metoder er således blitt forklart for oppnåelse av forsterkningsfaktorene K^, K2for benyttelse

i plattf ormposis jonslikningene (2)., (3) . Den ene av disse metoder er representert ved likningene (12), (13) og innebærer

løsning av disse.likninger for spesielle verdier av 3, w, x. som kan bestemmes på den nedenfor beskrevne måte. Den andre metode er representert ved den kombinerte'posisjonssimulerings-' og beregningsprosedyre som er definert ved de foregående trinn 1-7

og som gir en.rekke optimale forsterkningsfaktorverdier svarende til forskjellige omgivelses-, plattform- og forbindelseslinepara-metre av interesse.

I overensstemmelse med oppfinnelsen kan forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen 92 være en regnemaskin.for løsning av f orsterkningsf aktorlikningéne (12) , (13) .. I dette tilfelle kan operatørtastbordet 4 6 ha anordninger for selektiv forhånds-inntasting i regnemaskinen 92 av inngangsdata som representerer verdiene av co, x for det .valgte plattform/forbindelsesline-system og det impliserte sjøspektrum. Regnemaskinen 92 vil være programmert for å arbeide med disse data i overensstemmelse med likningene (12), (13), og å innmate til forbindelseslinevinkel-inngangskanalmultiplikåtorene 96 de tilsvarende faktorverdier K1hhv. K2.

Alternativt kan forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen 92 omfatte en hukommelse i hvilken de forskjellige for-sterkningsf aktorer som er oppnådd ved hjelp av den foran beskrevne ASME-simulerings- og beregningsprosedyre er lagret, og fra hvilken de forsterkningsfaktorer som svarer til en vilkårlig valgt parameterkombinasjon som benyttes i trinn 4 av prosedyren, kan utleses i form av tilsvarende forsterkningsfaktorsignaler ved at det i hukommelsen innmates data som.representerer den valgte parameterkombinasjon. I dette tilfelle vil operatørtast-bordet 46 omfatte en anordning for selektiv innmatning av sådane parameterdata i hukommelsen. Ved drift av systemet vil således tastbordoperatøren påvirke tastbordet for å mate eller adressere hukommelsen 92 med parameterdata svarende til de aktuelle hav-tilstander og/eller andre omgivelsestilstander av interesse. Hukommelsen vil reagere på disse inngangsdata ved å utlese de .tilsvarende forsterkningsfaktorer K^, K2til hellingsvinkel-inngangskanalmultiplikatorene 96. ' .Nedenfor er oppsatt en tabell over representative forsterkningsfaktorer for en borstreng/stigerør-kombinasjon

gjennom hvilken borslam sirkuleres under bpreoperasjonen.

Det vil nå ihnsees at under drift av plattformposi-sjonsbestemmelsessystemet ifølge oppfinnelsen blir de øvre og. nedre hellings-- og asimutvinkler for f orbindelseslinen 20, 20a i hellingsvinkelberegnerne 94 målt og omformet til signaler som representerer de øvre og nedre forbindelseslinehellingsvinkler

(ct ) . , (a ), . , (a ), , (a ), som benyttes i plattform- • x topp' y topp' x'bunn y bunn som 1 L posisjonslikningene (2), (3). Disse sistnevnte hellingsvinkler mates til. hellingsvinkel-inngangskanalmultiplikatorene 96 sammen med signaler fra forsterkningsfaktorbestemmelsesanordningen 92 som representerer de f orsterkningsf aktorer K-^, K2som svarer til de aktuelle systemparameterinngangsdata fra tastbordet 46. Multiplikatorene 96 tilveiebringer og utmater signaler som re-

presenterer produktene K-, (ot ) , , K~ (a ), , K, (ot ) , , c ^ 1 x topp 2 x bunn 1 y topp' K2^ay^bunn' ti'L lavPass-kanalfUtrene 98.

Filtrene 98 er avstemt for å filtrere ut høyere ordens frekvenser som er tilstede i produktsignalene fra multiplikatorene 96 og som skriver seg fra bølgeindusert bevegelse av plattformen 10, 10a som ikke resulterer i noen nettoendring av plattformens posisjon. Som et typisk eksempel har disse filtre en

øvre grensefrekvens av størrelsesorden 1/4 perioder pr. sekund. De filtrerte utgangssignaler fra kanalfiltrene 98 er følgelig

i realiteten produktene av forsterkningsfaktorene., K2og de midlere øvre og nedre forbindelseslinehellingsvinkler, dvs. de øvre og nedre hellingsvinkler for den bølgende forbindelses-linekonf iguras jons omhylling som er frembrakt av bølgebevegelsen.

De filtrerte produktsignaler fra filtrene 98 mates til beregneren 100 som adderer produktene i overensstemmelse med posisjonslikningene (2), (3) og utmater signaler som representerer de tilsvarende X- og Y-koordinater for plattformen. Koordinatsignalene fra beregneren 100 kan filtreres ytterligere ved hjelp av filteret 102 for ytterligere undertrykkelse av høy-frekvente pressfunksjoner, såsom bølgevirkning, som ikke frembringer noen nettoendring av .plattf ormposis jonen.

Som foran nevnt, kan likningene (12), (13) benyttes til å bestemme plattf ormposis jonen dersom størrelsene 3, io, .t er kjent. Disse størrelser kan beregnes på følgende måte for et gitt plattform/forbindelseslinesystem og gitt sjøspektrum. Fasevinkelen kan bestemmes ved å benytte den foran nevnte, si-muleringsprosedyre for å generere tidshistoriene for plattformbevegelsen og den øvre forbindelseslinehellingsvinkel, og ut fra disse tidshistorier å bestemme fasevinkelen (3) for den

øvre hellingsvinkel i forhold til plattformbevegelsen. Størrel-sen t bestemmes ved å dividere forbindelseslinelengden med kvad-ratroten av forholdet mellom forbindelseslinens masse pr. lengdeenhet og forbindelseslinestrekket. Størrelsen co kan bestemmes

ved å løse likningene (12), (13) for vektfaktorene K^, K2for et. område av co-verdier ved benyttelse av 3- og x-verdiene, som. er bestemt slik som ovenfor angitt, for det spesielle plattform/ forbindelsesline-system og det sjøspektrum som er av interesse, og velge den co-verdi som gir vektfaktorer som er lik eller kom-mer nærmest de vektfaktorer som oppnåes ved hjelp av den foran-nevnte simulerings/beregnings-prosedyre basert på det samme plattform/forbindelsesline-system og sjøspektrum. Som et seksem-pel ble det funnet at for et simulert plattform/forbindelsesline-system og sjøspektrum holdt fasevinkelen 3 seg tilnærmet konstant på 30° over et vidt område av vanndybder og forbindelseslinestrekk for et område av bølgeperioder fra 100 til 400 sekunder. Ved denne simulering gav en co-verdi på 0,0628 god korrelasjon mellom de vektfaktorverdier som ble oppnådd ved beregning

ved benyttelse av likningene (12), (13), og de vektfaktorer som ble oppnådd ved beregnet simulering.

Slik som tidligere nevnt og som vist på tegningene, tilføres plattformposisjonssignalene fra beregneren 100 til plattformposisjoneringssystemet 18. Dette posisjoneringssystem kan bestå av hvilket som helst egnet posisjoneringssystem, såsom det som er beskrevet i. U.S.. patent 3 .730.126 , for å drive plattformen 10 slik at denne holdes i en ønsket horisontal posisjon i forhold til havbunnreferansen P.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte ved bestemmelse av de relative horisontale posisjoner av de øvre og nedre ender av en fleksibel forbindelsesline som er opphengt i en flytende, marin plattform, hvor linens lengde er mange størrelsesordener større enn den relative horisontale forskyvning av forbindelseslinens ender, karakterisert ved at det avføles og frembringes, vinkelsignaler som representerer de vertikale hellingsvinkler og asimutvinkler for de øvre og nedre ender av forbindelseslinen, og at de nevnte vinkelsignaler kombineres i overensstemmelse med en forutbestemt relasjon mellom hellingsvinklene som kompenserer for faseforskjell mellom følerutgangssignaleh e som følge av forplantningstiden for spenningsbølger gjennom linen, for. å tilveiebringe- et utgangssignal som representerer de nevnte relative horisontale posisjoner.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, for bestemmelse av.de relative horisontale posisjoner av forbindelseslinens øvre og nedre ender i et kartesisk koordinatsystem med en vertikal Z-akse og horisontale X- og Y-akser, karakterisert ved at det avføles og frembringes vinkelsignaler som representerer de øvre og nedre enders vertikale hellingsvinkler målt i vertikale X-plan parallelle med X- og Z-aksene og vertikale Y-plan parallelle med Y- og Z-aksene, og at de nevnte vinkelsignaler kombineres i overensstemmelse med følgende likninger (1) og (2) for å tilveiebringe et utgangssignal som representerer . forbindelseslineendenes relative horisontale posisjoner uttrykt ved.X- og Y-koordinatene for den øvre ende i forhold til den nedre ende:

hvor (ot ), , (a ), er de øvre hhv. nedre vertikale x topp' x bunn v hellingsvinkler for forbindelseslinen målt i de nevnte. s X-plan, (ct yV) t, op. p' , (a y ), bunn er de øvre hhv. nedre vertikale hellingsvinkler for forbindelseslinen målt i de nevnte Y-plan, og K^ , K2 er vektfaktorer som. er avhengige av i det minste noen av følgende forhold: overflatebølgespektrum, fysiske egenskaper for forbindelseslinen, deriblant strekk, elastisitetsmodul, treghetsmoment, boreslam-vekt dersom dette benyttes, og tanktiden for plattformbevegelsesinduserte spenningsbølger gjennom' forbindelseslinen, fysiske egenskaper for plattformen og vann-strøm.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at de nevnte vektfaktorer er lik:

hvor: D - vanndybde T JD = strekk ved bunnen av forbindelseslinen TT = strekk ved toppen av forbindelseslinen = tidsfasevinkelen for den øvre forbindelsesline hellingsvinkel i forhold til plattformhastigheten co = vinkelfrekvensen for plattformens svingende be- bevegelse T = forplantningstid for spenningsbølger gjennom linen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at vektfaktorene for et gitt plattform/forbindelsesline-system og marine tilstander av interesse bestemmes ved sammenlikning av beregnede X- og Y-plattformkoordinater som oppnåes ved løsning av likningene (1) og (2) ved benyttelse av vilkårlige vektfaktorverdier, med simulerte.X- og Y-plattformkoordinater som oppnåes ved regnemaskinsimulering av plattform/for-bindelseslinesysteméts reaksjon på de marine tilstander, og utvelgelse, av de numeriske vektfaktorverdier som gir^den beste korrelasjon mellom de beregnede og simulerte koordinater.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert , ved at de nevnte signaler filtreres for å svekke høyere signalfrekvenser som skriver seg fra bølgeindusert bevegelse av plattformen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at signalkombinasjonstrinnet omfatter tilveiebringelse av vektfaktorsignaler som representerer valgte vektfaktorverdier, frembringelse av produktsignaler som representerer .produktene av de tilsvarende hellingsvinkler og vektfaktorer ifølge likningene (1), (2), summering av produktsignalene ifølge likningene (1), (2) og frembringelse av det nevnte utgangssignal som representerer X, Y-koordinatene, og filtrering av de nevnte signaler for å svekke høyere ordens frekvenskomponenter som er tilstede i signalene på grunn av bølgeindusert plattformbevegelse.

7. System for utførelse av fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-6, for bestemmelse av de relative horisontale posisjoner av de øvre og nedre ender av en fleksibel forbindelsesline som er opphengt i en flytende, marin plattform, hvor linens lengde er mange stø rrelsesordener større enn den relative horisontale forskyvning av forbindelseslinens ender, karakterisert ved at det omfatter en vinkelavfølende anordning som inneholder øvre og nedre forbindelsesline-vinkelfølere for frembringelse av vinkelsignaler som representerer de,vertikale hellingsvinkler og asimutvinkler for forbindelseslinens øvre og nedre ender, og en signalbehandlende anordning for kombinasjon av vinkelsignalene i overensstemmelse med en forutbestemt relasjon mellom hellingsvinklene som kompenserer for faseforskjell mellom følerutgangssignalene som følge av forplantningstiden for spenningsbølger gjennom linen, for å tilveiebringe et utgangssignal som representerer de nevnte relative horisontale posisjoner.

8. System ifølge krav 7, for.bestemmelse av forbindelses-lineendenés relative horisontale posisjoner i et kartesisk koordinatsystem med en vertikal Z-akse og horisontale X- og Y-akser, karakterisert ved at de øvre og nedre for bindelsesline-vinkelfølere. er innrettet til å tilviebringe vinkelsignaler som representerer de vertikale hellingsvinkler for forbindelseslinens øvre og nedre ender, målt i vertikale X-plan parallelle med X- og Z-aksene og vertikale Y-plan parallelle med. Y- og Z-aksene, og at den signalbehandlende anordning er innrettet til å kombinere vinkelsignalene i overensstemmelse med følg-ende likninger (1) og (2) for å tilveiebringe et utgangssignal som representerer forbindelseslineendenes relative horisontale posisjoner uttrykt ved X- og Y-koordinatene for den øvre ende i forhold til den nedre ende:

hvor ^ <a> x^topp' '"x ^b unn er de ^vre nnv- nedre vertikale hellingsvinkler for forbindelseslinen målt i de nevnte X-plan, (a y ) t, opp , (a y ), bunn er de . øvre hhv. nedre vertikale hellingsvinkler for forbindelseslinen målt i de nevnte Y-plan, og , er vektfaktorer som er avhengige av i det minste noen av følgende forhold: overflatebølgespektrum, fysiske egenskaper for forbindelseslinen/ deriblant strekk, elastisitetsmodul, treghetsmoment, boreslam-vekt dersom dette benyttes, og tanktiden for plattformbevegelsesinduserte spenningsbølger gjennom forbindelseslinen, fysiske egenskaper for plattformen <p> g vann-strøm.

9. System ifølge krav 8, k a r' a k t e r .i s e r t ved at vektfaktorene er lik:

I hvor: D = vanndybde T_, = strekk ved bunnen av forbindelseslinen TT = strekk ved toppen av forbindelseslinen = tidsfasevinkelen for den øvre forbindelsesline hellingsvinkel i forhold til plattformhastigheten to = vinkelfrekvensen for.plattformens svingende be- bevegelse t = forplantningstid for speningsbølger gjennom linen.

10. System ifølge- krav 8, karakterisert ved at vektfaktorene for et gitt plattform/forbindelseslinesystem og marine tilstander av interesse bestemmes ved sammenlikning av beregnede X- og Y-plattformkoordinater som oppnåes ved løs-ning av likningene (1) og (2) ved benyttelse av vilkårlige vektfaktorverdier, med simulerte X- og Y-plattformkoordinater som oppnåes ved regnemaskinsimulering av plattform/forbindelsesline-systemets reaksjon på de marine tilstander, og utvelgelse av de numeriske vektfaktorverdier som gir den beste korrelasjon mellom de beregnede og simulerte koordinater.

11. System ifølge krav 7, karakterisert ved at den signalbehandlende anordning omfatter en lavpassfilter-, anordning for svekning av høyere signalfrekvenser som skriver seg fra bølgeindusert bevegelse av plattformen.

12. System ifølge krav 8, karakterisert ved at den signalbehandlende anordning omfatter en anordning for tilveiebringelse av vektfaktorsignaler som .representerer valgte vektfaktorverdier, en anordning for mottagelse av vinkel- og vektfaktorsignalene og tilveiebringelse av produktsignaler som representerer produktene av de tilsvarende hellingsvinkler og vektfaktorer i overensstemmelse med - likningene . (1), (2), en anordning for, summering av produktsignålene i overensstemmelse med likningene (1), (2) og frembringelse av det nevnte utgangs signal som representerer X, Y-koordinatene, og en lavpassfilter-anordning for svekning av høyere ordens frekvenskomponenter som ' er tilstede i signalené på grunn av bølgeindusert plattformbevegelse.