浮式平臺一體化海洋監測系統的利用和發展

朱海山，何驍勇，陳勇軍，王婷婷，張大剛

（1.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028; 2.北京迪瑪爾海洋技術有限公司,北京 100085）

2021年安裝于我國南海1500 米水深陵水氣田的“深海一號” 能源站-陵水半潛式生產儲油平臺，是我國第一座深水浮式生產平臺,也是第一次采用聚酯纜系泊系統和第一次采用鋼制懸鏈線立管。由于南海環境條件惡劣，作業公司對于新型平臺在極端環境下的響應缺乏了解，對于深水平臺運維缺乏相應的經驗，因此這對平臺安全性提出了嚴峻挑戰。為了保障平臺在全生命周期內安全作業和提高運維管理效率，平臺上安裝了一套完整的一體化海洋監測系統 （Integrated Marine Monitoring System,IMMS）。監測系統不僅可以幫助平臺作業人員實時了解平臺的實際運行狀態，從而為決策提供數據支持；而且通過對實測數據的處理和分析，可以校核數值計算結果，從而改善設計方法等。

1 一體化海洋監測系統的發展

英國BMT 公司于1987年在康菲石油的 Joliet 張力腿平臺上安裝了一套性能監測系統，這是一體化海洋監測系統的雛形。1995年，第一座混凝土船體的張力腿平臺Heidrun 安裝在挪威海域，平臺上配置了一套用于采集環境參數、張力腿張力和運動響應等信息的監測系統。2002年，世界上第一座超深水平臺由英國石油安裝在墨西哥灣1650 米水深的Horn Mountain 油田。平臺配備了一套完整的一體化海洋監測系統，能夠實現對船體、系泊系統、以及立管系統響應信息的同步測量?，F在，幾乎所有的深水浮式生產平臺都配置有一套監測系統，雖然監測的內容不盡相同。

在我國，從1990年開始，現場監測就被應用于南海和渤海油氣平臺，但是主要集中在FPSO 平臺。魏躍峰等人基于“南海奮進號” 平臺現場實測數據分析研究了FPSO 尾甩現象。杜宇等人為 “南海挑戰號”半潛式平臺上設計安裝了現場監測系統，同時對監測數據進行了分析和研究。上海交通大學依托國家科技重大專項，研發了"深海平臺安全保障監測系統"，并且成功應用于"海洋石油981"鉆井平臺。但是總體而言，我國對浮式生產平臺的監測仍處于試驗和驗證階段。

近年來，隨著海洋平臺的監測內容越來越廣泛，越來越多的專業公司參與監測系統的設計、安裝和集成。如英國Pulse，美國Stress Engineering，丹麥Force Technology 等公司專長于系泊和立管監測；英國BMT和Strainstall 公司專長于海洋環境和平臺姿態監測，以及系統集成等。為了避免相互孤立，平臺上一般都將各子系統的數據通過網絡集成在一起，形成一體化海洋監測系統，在統一的集成軟件上進行展示，從而讓作業人員能夠綜合評價平臺整體狀態。在我國，雖然早期的監測系統都由國外公司集成；但是近年來多條FPSO 平臺的監測系統改造和升級，以及監測軟件的開發集成等已經開始由國內公司自己主導。

如今，平臺上每天采集的監測數據量非常巨大，如何有效地整理、分析、和利用這些數據為工程設計、日常運維、管理決策提供支持顯得越來越重要和緊迫。近年來，隨著人工智能、大數據、數字孿生等新興技術的蓬勃發展，這一問題正逐漸得到解決。

2 一體化海洋監測系統的組成

深水浮式油氣生產平臺的一體化海洋監測系統用于監測海洋環境、平臺姿態、結構應力、系泊立管張力等。除了海洋環境和平臺姿態外，其他部分（子系統）通常都由專門的公司負責，自成體系；與主體監測系統只是進行數據交互，如圖1所示。

圖1 一體化監測系統組成

2.1 監測內容和設備

海洋環境是造成浮式平臺動態響應的主要因素。海洋環境監測的主要內容包括風速和風向、海流剖面、波浪參數、空氣溫度和濕度、大氣壓力、能見度、水溫和鹽度等。

測量風速和方向的儀器是風速計。最常用的為超聲波型；其他的還包括機械風杯式、熱電式、電容式、壓差式、氣壓式等。

測量波浪參數的主要儀器包括波浪浮標,平臺甲板氣隙探測設備，和 X-波段雷達等三種。

測量流的主要儀器是聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)；其他的類型還包括旋槳式流速儀、電磁式流速儀等。為了測量整個水柱的流速和流向，一般需要裝置多個ADCP — 水平型用于測量表面流速和垂直型用于測量不同深度的流剖面。

平臺位置和姿態是平臺作業者最關心的數據之一，相關的監測內容包括平臺6 個自由度的運動和加速度、平臺吃水、以及甲板氣隙等。

平臺的位置和位移一般可以通過差分全球定位系統準確地測量到。平臺的方位角和傾斜角則可以通過慣性導航系統測量。

一體化海洋監測系統的傳感器設備與數據采集器的連接方式一般包括三種形式。硬連線型是最常見的形式，采用纜線供電和傳送數據，具備安裝方便，維護容易，數據傳輸實時等優點；但是纜線容易損害，布置需要避免穿過非安全區域等。硬連線主要用于安裝在平臺上部組塊和浮體內部的傳感器。獨立應用型是將所有相關設備集中放置在一個金屬容器內，包括電池和儲存卡；然后定期采用ROV 取回，更換電池和下載監測數據。獨立應用型雖然安裝處理方便容易，但是取得的監測數據非實時，ROV 使用成本高。所以獨立應用型主要用于深水中和海底的結構物監測。聲波傳輸型是介于獨立和硬連線之間，包含用于與平臺進行通訊和數據傳遞的聲學調制解調器；設備采用電池供電，數據儲存在平臺上。安裝在平臺基線附件的流速儀便采用聲波傳輸。

2.2 數據采集和展示軟件

一體化海洋監測系統的集成軟件主要包括數據采集和數據展示兩個模塊，如圖2所示。數據采集模塊用于從各個傳感器采集實時測量到的數據，并進行清洗和儲存；以及鑒定和警示可能失效的傳感器等。為了不影響平臺在臺風撤離期間的數據采集，系統一般都配備有UPS 不間斷電源。

圖2 集成軟件總體架構圖

傳感器的數據采集一般采用串口通訊或網絡方式獲取數據。集成軟件與其他子系統的數據交互則一般采用Modbus 或OPC Server 進行。數據采集模塊一般采用LabVIEW 語言進行開發。

數據展示模塊主要是對實時監測數據用儀表盤、表格、和動畫等形式進行可視化顯示；對歷史數據進行查詢、導出、和時間序列繪制，以及基本統計分析等。數據展示模塊一般采用C++、C#等常規編程語言進行開發。圖3為平臺姿態實時數據展示界面。

圖3 數據展示界面示意圖

3 監測案例和效果分析

美國Anadarko 公司的Marco Polo 平臺位于墨西哥灣1300 米水深處，是一個監測比較齊全的深水浮式生產平臺。為了檢驗深水TLP 的設計方法、評估環境荷載及平臺運動，美國多家公司為這個平臺的監測及數據處理成立了一個為期5年的JIP 項目（2004-2009）。平臺主要監測設備和傳感器布置如圖4所示。

圖4 平臺傳感器布置

在JIP 項目期間，平臺監測數據記錄正常運行時間達99%；經歷了Ivan、Katrina、Rita、Ike 等多個颶風，最大風速達62m/s，最大浪高達28m。平臺雖然接近颶風中心，最近距離僅45 海里，但是沒有受到明顯損害，而且還完整地監測和記錄了颶風過程中的海洋環境和平臺響應等數據，達到了JIP 項目的目的。

圖5為平臺測量得到的Ike 颶風過境的波浪數據，包含上升和衰減過程，最大有義波高達12.1 米。圖6為平臺監測到的垂蕩運動譜與數值分析結果比較 - 雖然譜形狀有一定的差異，但是譜峰及對應的頻率非常接近。通過對監測數據的分析和與數值分析的校核，不但可以證明數值分析的準確性，而且也同時可以證明監測數據的可靠性。

圖5 平臺颶風Ike 過境測得的極端波浪

圖6 平臺垂蕩運動譜比較-實測和分析

4 結論

基于我國海上油氣開發逐步走向深水，并開始采用技術先進的浮式生產平臺，本文綜合闡述了用于保證浮式平臺安全生產的一體化海洋監測系統的歷史、組成、現狀、案例及監測效果分析等，對我國深水油氣田開發將起到一定的借鑒作用。