HIPAP系統在深水浮式平臺定位系統中的應用研究

尹東流

（中海油田服務股份有限公司，河北三河 065201）

0 引言

隨著海洋石油工業的逐步發展，深水海洋油氣開發逐步成為主流，國內深水乃至超深水鉆井平臺的數量較10 年前增加了1 倍以上，國內船廠參與建造的深水浮式鉆井平臺也到達全球各個海域參與作業。目前，國內已有的深水鉆井平臺作業水深覆蓋3000 m 以內水深，作業井深也突破了10 000 m[1]。浮式鉆井平臺作業過程中，平臺本身在風浪作用下將發生升沉、搖晃及位置偏移，而鉆井管柱、隔水管等鉆井設備需鉆入海底，位置不能發生位移。浮式鉆井平臺為保持作業過程中與鉆井井位的相對位置，通常采用動力定位、錨泊定位或動力輔助錨泊定位等3 種方式來實現平臺位置的定量定位。3 種定位方式均需依托位置參考系統提供參考，實現平臺船位維持能力。動力定位（Dynamic Positioning, DP）系統的工作性能直接影響平臺的正常運營和安全作業，如果動力定位系統設備出現故障，會給平臺作業帶來極大的風險和安全隱患。

國內海上石油工業起步較晚，目前與國際先進水平相比仍有一定差異[2]。當前在服役的和處于建造中的浮式鉆井平臺，仍應用GPS 系統作為主要位置參考系統，其他定位系統作為輔助。近些年國內北斗定位系統應用已經取得長足進步，海洋油氣平臺已增設北斗定位系統。而海洋鉆井平臺為實現鉆井作業期間的精確定位，通常還配備多套HIPAP 位置參考系統。且國內也有相關機構對動力定位系統與平臺配備的其他系統聯動、平衡等開展了相關研究[3-4]。

近年來，國內相關技術取得了長足進度，海洋鉆井平臺配備的HIPAP 系統已逐步替換為國產系統，應用HIPAP 系統實現鉆井平臺作業期間的定位將成為衛星定位的有益補充手段。同時，考慮國際局勢變化，國外衛星定位系統仍壟斷相關行業，積極應用國內成熟產品探索替代國外技術，攻克其中的關鍵部件與應用技術，就成為破解國內“卡脖子”的關鍵[5]。

1 動力定位系統簡介

1.1 鉆井平臺動力定位系統主要組成

目前鉆井平臺的動力定位系統主要包括電力系統（含主機、電站及電站控制系統等）、位置參考及環境測量系統（全球定位系統GNSS、HIPAP 系統、電羅經、MRU、風向風速儀等）、控制系統（計算機控制系統）、推進器系統（推進器控制系統、推進器、變壓器、變頻器等）、輔助服務系統（潤滑油、冷卻水等系統）[6]。

1.2 組件冗余配置

海洋鉆井平臺動力定位系統各組成部分共同工作完成定位，系統的可靠性是由移位后保持定位的能力來確定的。系統配置各功能部分能力越大，DP系統越可靠。目前我國深海鉆井平臺動力定位系統主要采用DPS3系統，其位置參考系統、動力系統及推進系統均有冗余，控制系統也有配有離線備份。

DPS3 系統每個主要組成部分都有2 套以上的冗余量，意味著任何單一主要設備出現故障，仍有冗余設備在系統中運行，保證平臺正常定位功能，冗余量越多，系統的功能越可靠，安全性越高，動力定位的可靠性越高，同時對影響定位的因素控制得越好。國內外相關規范已對動力定位系統的能力進行分級，設置相應標準，當前動力定位系統主要分級包括DP1、DP2、DP3, 中國船級社對動力定位系統分級的最低要求如表1 所示。

表1 CCS對DP分級的最低要求

從DPS3 定位的整個系統來看，電力系統、控制系統、推進器系統和服務系統均屬于鉆井平臺內部部件安裝組成部分，主要受內部因素影響，例如硬件故障、控制系統故障等。即便這些系統均有較高的冗余量，并且相應的物資配件和技術支持有保障，但仍不可避免故障的發生。例如，某平臺在2012 年10 月份出現電站故障，造成4 臺推進器停止工作，主要原因是DP3 系統設計問題。故障發生后，技術人員重新設計并修改，該平臺后續運營1.5 a 未出現同類故障，系統工作穩定。

2 位置參考系統

目前DPS3 位置參考及環境測量系統包括兩部分：第一部分是外部環境測量系統，主要有電羅經、MRU、風速風向儀等，這些測量設備屬于內部設備且有冗余，這部分發生故障而導致動力定位失效的概率非常低；第二部分是位置參考系統，包括GNSS 系統和HIPAP 系統，需要與外部設備配合使用，GNSS 系統是利用衛星目標定位，而HIPAP 是利用水下目標定位，二者受外界因素的影響非常高。這兩套系統（GNSS 和HIPAP）互為冗余，可無縫替代使用。同時，DPS3 系統配備GNSS 系統3 套、HIPAP 系統2 套（或更多），最大限度地保障故障發生后的應急替換。

2.1 衛星定位系統

當前四大衛星定位系統（GNSS）主要包括美國全球定位系統（GPS）、歐盟“伽利略”系統（Galileo）、俄羅斯“格洛納斯”系統（GLONASS）、中國北斗系統（BDS），目前應用最多的是GNSS 系統。GNSS 系統主要是一套接收裝置，只要實時連續接收到美國24 顆衛星中的3 顆及以上數據就可準確定位。GNSS 系統接收到位置信息后，經過定位系統的計算和動力位置設備的動力輸出，保持平臺定位。GNSS 定位效果會受到各種各樣的因素的影響，主要包括4 類：第一類是與GNSS 衛星有關的因素，主要是人為干預（在GNSS 基準信號中加入高頻抖動等方法）、衛星星歷誤差、衛星鐘差等。GNSS 有軍用和民用兩種碼，鉆井平臺使用的是民用碼，關閉不僅影響鉆井平臺的定位作業，也影響該區域的所有的飛機和船舶，該系統做不到對單一船舶關閉信號。第二類是與傳播途徑有關的因素，主要是電離層對流層延遲、多路徑效應（由于接收機周圍環境的影響，使得接收機所接到的衛星信號中包含各種反射和折射信號）。第三類因素是自然因素，比如太陽風暴等。第四類是與接收機有關的因素，主要是接收機軟件和硬件故障引起的誤差、GNSS 控制系統或計算機造成的影響、數據處理軟件的影響。這類因素根據目前多數鉆井平臺運營和使用效果，相關的硬件和軟件系統運行非常穩定，并且應用非常普遍，未出現影響定位的關鍵問題，但需考慮定位系統的硬件使用壽命及突發問題，提前清理日常常規所需配件，補充缺少的配件，同時應保證技術支持。

即便GNSS系統失效，鉆井平臺仍有兩套（或更多）海底HIPAP聲納系統，沒有動力定位系統失位風險。

2.2 HIPAP系統

HIPAP 系統（即水聲動力位置參考系統）用于提供水下目標的精確位置，如遠程操作工具（ROV）、拖曳體或固定轉發器。要達到這樣的精度，HIPAP 系統采用球形傳感器的設計和獨特的信號處理技術[7-8]。該系統采用超短基線（SSBL）和長基線（LBL）定位技術。HIPAP 作為超短基線系統，采用獨特的加工技術，具有非常高的角度和距離測量精度。對于用長基線操作該系統則可以同時定位幾個海底應答器和計算船舶的位置。DPS3 動力定位平臺上一般共兩套或更多HIPAP 系統，互為冗余，用預先放置在海底的信標發出聲波作為信息載體，通過海水介質傳輸到安裝在平臺上的接收裝置，作為位置參考系統。影響水聲定位系統效果的主要因素主要包括3 類：第一類是鉆井平臺自身因素，包括平臺運動速度的影響（主要是推進器的運轉）、平臺上噪聲產生的影響、平臺上其他設備干擾，例如拖輪靠泊等產生的噪聲等；第二類是環境因素，如海洋水體中聲速的深度分布、環境噪聲及水體的混響，水中溫度、鹽度、壓力、地震擾動、附近行船的噪聲、海洋生物的噪聲等；第三類因素是設備因素，指水聲定位系統的軟件設備及硬件設備的故障將導致定位系統失效。水聲定位系統的配件，主要包括信標、電池、接收系統的配件。

3 HIPAP系統單獨應用定位試驗

本文以南海某半潛鉆井平臺為載體，對平臺配置的HIPAP 定位系統進行了單獨定位能力測試與分析，探索其獨立完成位置參考功能的可行性。

3.1 HIPAP系統構成

HIPAP 系統原指挪威康斯伯格公司生產的高精度聲納定位系統，目前已廣泛指代此類水下聲學高精度定位系統。國內現已有高?；蜓芯繖C構開展相關研究，相關產品已廣泛應用于國內的動力定位船舶及海工裝備。圖1展示了國內南海某半潛平臺配置的水下高精度聲學定位系統組件及布置示意圖。水下聲學定位系統的關鍵組件包括超短基線陣與水下應答器，井口防噴器與井下管柱連接后不再移動，安裝于其上的應答器可作為定點位置參考，通過聲波信號傳輸監測基線陣與應答器之間的相對位置，從而確定平臺位置。

圖1 水下高精度聲學定位系統組件及布置示意圖

3.2 HIPAP系統單獨定位測試

測試期間，動力系統系統中切斷GNSS 位置參考系統，使用2 套水聲定位系統和1 套水聲定位系統進行定位，測試了15 min，工作正常，船位穩定。試驗證明僅使用HIPAP 系統可以進行短時間定位。

HIPAP 系統用于長時間定位時，因深海內對于水聲的影響因素廣泛存在，而且影響時間也不能夠準確預測，即使備用多套聲吶定位系統，由于系統均是通過海水作為傳輸的介質，故只要傳輸介質受到影響，所有的聲吶定位系統也將會受到影響。因此，HIPAP 系統可用于短時間定位使用，不宜作為長時間定位工具應用。這也就意味著，如果鉆井平臺GNSS 系統因某種原因被關閉，鉆井平臺的定位無法連續保證，不能夠準確定位。

值得注意的是，按照WSOG（Well Specific Operational Guideline）的要求，若失去水聲動力位置參考系統（即HIPAP 系統）或GNSS 系統中的任何一套系統，將要求停止作業，進入應急解脫準備狀態。

4 結論

國內深水海洋鉆井平臺的建造與運維相關技術手段已逐步成熟，在建或現役的平臺正在逐步擴大國產化設備的配置率，積極部署國內領先水平的國產化設備與組件。動力定位系統作為海洋鉆井平臺的關鍵設備，充分發揮水下聲學定位的優勢，可以實現作業期間的短期定位參考，作為衛星定位系統失效時的補充位置參考，為后續位置參考系統更換或應急操作提供儲備時間。

本文也為水下定位系統的發展方向提出了一個新的思路。未來的海洋油田作業現場可通過導管架、水下信標等方式提供固定位置參考，解決水下聲學定位系統長期工作的耐久性與可靠性問題，通過水下聲納系統提供永久位置參考，避免對GNSS 系統的過度依賴。