HIPAP系统在深水浮式平台定位系统中的应用研究

尹东流

（中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201）

0 引言

随着海洋石油工业的逐步发展，深水海洋油气开发逐步成为主流，国内深水乃至超深水钻井平台的数量较10 年前增加了1 倍以上，国内船厂参与建造的深水浮式钻井平台也到达全球各个海域参与作业。目前，国内已有的深水钻井平台作业水深覆盖3000 m 以内水深，作业井深也突破了10 000 m[1]。浮式钻井平台作业过程中，平台本身在风浪作用下将发生升沉、摇晃及位置偏移，而钻井管柱、隔水管等钻井设备需钻入海底，位置不能发生位移。浮式钻井平台为保持作业过程中与钻井井位的相对位置，通常采用动力定位、锚泊定位或动力辅助锚泊定位等3 种方式来实现平台位置的定量定位。3 种定位方式均需依托位置参考系统提供参考，实现平台船位维持能力。动力定位（Dynamic Positioning, DP）系统的工作性能直接影响平台的正常运营和安全作业，如果动力定位系统设备出现故障，会给平台作业带来极大的风险和安全隐患。

国内海上石油工业起步较晚，目前与国际先进水平相比仍有一定差异[2]。当前在服役的和处于建造中的浮式钻井平台，仍应用GPS 系统作为主要位置参考系统，其他定位系统作为辅助。近些年国内北斗定位系统应用已经取得长足进步，海洋油气平台已增设北斗定位系统。而海洋钻井平台为实现钻井作业期间的精确定位，通常还配备多套HIPAP 位置参考系统。且国内也有相关机构对动力定位系统与平台配备的其他系统联动、平衡等开展了相关研究[3-4]。

近年来，国内相关技术取得了长足进度，海洋钻井平台配备的HIPAP 系统已逐步替换为国产系统，应用HIPAP 系统实现钻井平台作业期间的定位将成为卫星定位的有益补充手段。同时，考虑国际局势变化，国外卫星定位系统仍垄断相关行业，积极应用国内成熟产品探索替代国外技术，攻克其中的关键部件与应用技术，就成为破解国内“卡脖子”的关键[5]。

1 动力定位系统简介

1.1 钻井平台动力定位系统主要组成

目前钻井平台的动力定位系统主要包括电力系统（含主机、电站及电站控制系统等）、位置参考及环境测量系统（全球定位系统GNSS、HIPAP 系统、电罗经、MRU、风向风速仪等）、控制系统（计算机控制系统）、推进器系统（推进器控制系统、推进器、变压器、变频器等）、辅助服务系统（润滑油、冷却水等系统）[6]。

1.2 组件冗余配置

海洋钻井平台动力定位系统各组成部分共同工作完成定位，系统的可靠性是由移位后保持定位的能力来确定的。系统配置各功能部分能力越大，DP系统越可靠。目前我国深海钻井平台动力定位系统主要采用DPS3系统，其位置参考系统、动力系统及推进系统均有冗余，控制系统也有配有离线备份。

DPS3 系统每个主要组成部分都有2 套以上的冗余量，意味着任何单一主要设备出现故障，仍有冗余设备在系统中运行，保证平台正常定位功能，冗余量越多，系统的功能越可靠，安全性越高，动力定位的可靠性越高，同时对影响定位的因素控制得越好。国内外相关规范已对动力定位系统的能力进行分级，设置相应标准，当前动力定位系统主要分级包括DP1、DP2、DP3, 中国船级社对动力定位系统分级的最低要求如表1 所示。

表1 CCS对DP分级的最低要求

从DPS3 定位的整个系统来看，电力系统、控制系统、推进器系统和服务系统均属于钻井平台内部部件安装组成部分，主要受内部因素影响，例如硬件故障、控制系统故障等。即便这些系统均有较高的冗余量，并且相应的物资配件和技术支持有保障，但仍不可避免故障的发生。例如，某平台在2012 年10 月份出现电站故障，造成4 台推进器停止工作，主要原因是DP3 系统设计问题。故障发生后，技术人员重新设计并修改，该平台后续运营1.5 a 未出现同类故障，系统工作稳定。

2 位置参考系统

目前DPS3 位置参考及环境测量系统包括两部分：第一部分是外部环境测量系统，主要有电罗经、MRU、风速风向仪等，这些测量设备属于内部设备且有冗余，这部分发生故障而导致动力定位失效的概率非常低；第二部分是位置参考系统，包括GNSS 系统和HIPAP 系统，需要与外部设备配合使用，GNSS 系统是利用卫星目标定位，而HIPAP 是利用水下目标定位，二者受外界因素的影响非常高。这两套系统（GNSS 和HIPAP）互为冗余，可无缝替代使用。同时，DPS3 系统配备GNSS 系统3 套、HIPAP 系统2 套（或更多），最大限度地保障故障发生后的应急替换。

2.1 卫星定位系统

当前四大卫星定位系统（GNSS）主要包括美国全球定位系统（GPS）、欧盟“伽利略”系统（Galileo）、俄罗斯“格洛纳斯”系统（GLONASS）、中国北斗系统（BDS），目前应用最多的是GNSS 系统。GNSS 系统主要是一套接收装置，只要实时连续接收到美国24 颗卫星中的3 颗及以上数据就可准确定位。GNSS 系统接收到位置信息后，经过定位系统的计算和动力位置设备的动力输出，保持平台定位。GNSS 定位效果会受到各种各样的因素的影响，主要包括4 类：第一类是与GNSS 卫星有关的因素，主要是人为干预（在GNSS 基准信号中加入高频抖动等方法）、卫星星历误差、卫星钟差等。GNSS 有军用和民用两种码，钻井平台使用的是民用码，关闭不仅影响钻井平台的定位作业，也影响该区域的所有的飞机和船舶，该系统做不到对单一船舶关闭信号。第二类是与传播途径有关的因素，主要是电离层对流层延迟、多路径效应（由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接到的卫星信号中包含各种反射和折射信号）。第三类因素是自然因素，比如太阳风暴等。第四类是与接收机有关的因素，主要是接收机软件和硬件故障引起的误差、GNSS 控制系统或计算机造成的影响、数据处理软件的影响。这类因素根据目前多数钻井平台运营和使用效果，相关的硬件和软件系统运行非常稳定，并且应用非常普遍，未出现影响定位的关键问题，但需考虑定位系统的硬件使用寿命及突发问题，提前清理日常常规所需配件，补充缺少的配件，同时应保证技术支持。

即便GNSS系统失效，钻井平台仍有两套（或更多）海底HIPAP声纳系统，没有动力定位系统失位风险。

2.2 HIPAP系统

HIPAP 系统（即水声动力位置参考系统）用于提供水下目标的精确位置，如远程操作工具（ROV）、拖曳体或固定转发器。要达到这样的精度，HIPAP 系统采用球形传感器的设计和独特的信号处理技术[7-8]。该系统采用超短基线（SSBL）和长基线（LBL）定位技术。HIPAP 作为超短基线系统，采用独特的加工技术，具有非常高的角度和距离测量精度。对于用长基线操作该系统则可以同时定位几个海底应答器和计算船舶的位置。DPS3 动力定位平台上一般共两套或更多HIPAP 系统，互为冗余，用预先放置在海底的信标发出声波作为信息载体，通过海水介质传输到安装在平台上的接收装置，作为位置参考系统。影响水声定位系统效果的主要因素主要包括3 类：第一类是钻井平台自身因素，包括平台运动速度的影响（主要是推进器的运转）、平台上噪声产生的影响、平台上其他设备干扰，例如拖轮靠泊等产生的噪声等；第二类是环境因素，如海洋水体中声速的深度分布、环境噪声及水体的混响，水中温度、盐度、压力、地震扰动、附近行船的噪声、海洋生物的噪声等；第三类因素是设备因素，指水声定位系统的软件设备及硬件设备的故障将导致定位系统失效。水声定位系统的配件，主要包括信标、电池、接收系统的配件。

3 HIPAP系统单独应用定位试验

本文以南海某半潜钻井平台为载体，对平台配置的HIPAP 定位系统进行了单独定位能力测试与分析，探索其独立完成位置参考功能的可行性。

3.1 HIPAP系统构成

HIPAP 系统原指挪威康斯伯格公司生产的高精度声纳定位系统，目前已广泛指代此类水下声学高精度定位系统。国内现已有高校或研究机构开展相关研究，相关产品已广泛应用于国内的动力定位船舶及海工装备。图1展示了国内南海某半潜平台配置的水下高精度声学定位系统组件及布置示意图。水下声学定位系统的关键组件包括超短基线阵与水下应答器，井口防喷器与井下管柱连接后不再移动，安装于其上的应答器可作为定点位置参考，通过声波信号传输监测基线阵与应答器之间的相对位置，从而确定平台位置。

图1 水下高精度声学定位系统组件及布置示意图

3.2 HIPAP系统单独定位测试

测试期间，动力系统系统中切断GNSS 位置参考系统，使用2 套水声定位系统和1 套水声定位系统进行定位，测试了15 min，工作正常，船位稳定。试验证明仅使用HIPAP 系统可以进行短时间定位。

HIPAP 系统用于长时间定位时，因深海内对于水声的影响因素广泛存在，而且影响时间也不能够准确预测，即使备用多套声呐定位系统，由于系统均是通过海水作为传输的介质，故只要传输介质受到影响，所有的声呐定位系统也将会受到影响。因此，HIPAP 系统可用于短时间定位使用，不宜作为长时间定位工具应用。这也就意味着，如果钻井平台GNSS 系统因某种原因被关闭，钻井平台的定位无法连续保证，不能够准确定位。

值得注意的是，按照WSOG（Well Specific Operational Guideline）的要求，若失去水声动力位置参考系统（即HIPAP 系统）或GNSS 系统中的任何一套系统，将要求停止作业，进入应急解脱准备状态。

4 结论

国内深水海洋钻井平台的建造与运维相关技术手段已逐步成熟，在建或现役的平台正在逐步扩大国产化设备的配置率，积极部署国内领先水平的国产化设备与组件。动力定位系统作为海洋钻井平台的关键设备，充分发挥水下声学定位的优势，可以实现作业期间的短期定位参考，作为卫星定位系统失效时的补充位置参考，为后续位置参考系统更换或应急操作提供储备时间。

本文也为水下定位系统的发展方向提出了一个新的思路。未来的海洋油田作业现场可通过导管架、水下信标等方式提供固定位置参考，解决水下声学定位系统长期工作的耐久性与可靠性问题，通过水下声纳系统提供永久位置参考，避免对GNSS 系统的过度依赖。