專利名稱：自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種海上平臺對接定位引導方法，尤其是一種自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法。
背景技術：
海洋石油鉆井平臺是海洋油氣開發(fā)的基礎裝備，目前海洋石油裝備產(chǎn)業(yè)在海洋油氣產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的帶動下，正處于高速發(fā)展的新時期。鉆井平臺與海上固定平臺對接定位是一項精度要求高、施工復雜的海洋工程。在鉆井平臺對接移動過程中，由于受到風及海流的影響，鉆井平臺會產(chǎn)生晃動，且自身無動力系統(tǒng)，在接近固定平臺時易刮碰固定平臺；同時固定平臺都延伸出多條管線，定位過程也存在鉆井平臺樁腿刮碰海底管線的風險。所以，采用較為先進的對接定位引導方法尤為重要。以往傳統(tǒng)的自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法是采用聲學定位的方法，基本原理是聲學測量系統(tǒng)收發(fā)換能器向水下應答器發(fā)送詢問信號，應答器收到收發(fā)換能器的信號后發(fā)送應答信號，收發(fā)換能器通過測量聲學信號來測定目標距收發(fā)換能器的距離。即在鉆井平臺與固定平臺對接前，鉆井平臺的船底安裝收發(fā)換能器，固定平臺水下樁腿安裝應答器來實現(xiàn)鉆井平臺與固定平臺相對距離測量。該方法存在有以下不足一是精度低，水聲定位系統(tǒng)誤差在2米左右；二是安裝調試程序復雜，具有危險性，收發(fā)換能器及應答器的安裝都需要潛水員潛水作業(yè)，具有一定的人身作業(yè)安全隱患；同時安裝位置需要不斷校準，費時費力，作業(yè)周期長；三是水下設備在作業(yè)時，易被刮碰而損壞，故障率高。
發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種作業(yè)安全可靠、定位精度高的自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法。實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術方案是該平臺對接定位引導方法步驟是(I)設備的安裝DGPS天線安裝在平臺頂部開闊處，接收機安裝在中控室；電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備安裝在中控室內，在鉆井平臺調平狀態(tài)下調整光纖陀螺航姿系統(tǒng)設備基座使其保持水平，同時調整電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備首向線與鉆井平臺艏艉線平行；自動跟蹤全站儀安裝在鉆井平臺尾部，反射棱鏡安裝在固定平臺上。(2)引導鉆井平臺拖航對接定位引導系統(tǒng)引導鉆井平臺撤離原停留位置拖航至固定平臺所在的作業(yè)海區(qū)。(3)引導鉆井平臺粗就位鉆井平臺在主拖船的拖帶下，在定位引導系統(tǒng)實時顯示鉆井平臺航向、位置、速度以及鉆井平臺與固定平臺的相對距離和方位下，引導鉆井平臺到粗就位的預定位置。(4)引導拋錨船布錨粗就位結束后，定位系統(tǒng)引導拋錨船在設計位置布錨，使錨產(chǎn)生有利于鉆井平臺與固定平臺對接的最佳合力；若作業(yè)區(qū)附近分布海底管線、電纜等水下設施，錨位點設計時要求錨位點與水下管線等設施距離要大于100米；若錨位要跨過管線要求錨位點與管線距離要大于200米。(5)固定平臺位置及方位復測原有固定平臺的位置及方位數(shù)據(jù)不一定正確，因此要由技術人員攜帶定位測向設備上固定平臺上完成固定平臺位置及方位的復測。(6)引導鉆井平臺完成精就位選擇在平潮或流速較小的海況下，在定位系統(tǒng)引導下，通過四個錨及使用拖船進行拖曳的合力作用使鉆井平臺到達設計位置完成精就位與固定平臺對接；同時盡量要通過調整各水艙儲水量，保證鉆井平臺在精就位過程中船體保持水平(船體的傾斜會產(chǎn)生位置偏差)。(7)鉆井平臺位置及方位復測壓載結束后，鉆井平臺調平，定位系統(tǒng)對鉆井平臺的最終位置進行復測，現(xiàn)場向甲方監(jiān)督提供最終結果。所述的鉆井平臺粗就位位置具體要求為鉆井平臺到固定平臺中心距離60 90
米，鉆井平臺方位偏差< 5°。所述的鉆井平臺與固定平臺對接時，要滿足以下天氣條件風速小于8米/秒，浪聞小于I米。本發(fā)明采用的方法與現(xiàn)有技術相比，有以下優(yōu)點(I)設備安裝使用簡單可行。定位引導系統(tǒng)設備重量輕、體積小、攜帶方便，設備安裝簡單，取消潛水作業(yè)，縮短工期，提高工作效率。(2)系統(tǒng)定位精度高。系統(tǒng)整體技術性能及指標如下 系統(tǒng)可以實現(xiàn)三維定位·目標高精度自由跟蹤，無需手動操作 具有虛擬現(xiàn)實場景實時顯示能力籲橫搖精度0.05°籲縱搖精度0.05° 航向精度0.1° 相對位置測量精度0. 05m 數(shù)據(jù)更新率10Hz(3)該方法還具有直觀性、安全性、可靠性、實時性、容錯性等多方面優(yōu)點。
具體實施例方式本發(fā)明采用的設備及工作原理本發(fā)明使用光纖陀螺航姿設備(FOG)、差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(DGPS)、電羅經(jīng)、全站儀和計算機組成對接定位引導系統(tǒng)，實現(xiàn)鉆井平臺的定位引導作業(yè)。對接作業(yè)時，工作人員首先到達固定平臺，精確測量固定平臺精確位置以及方位信息；在鉆井平臺上利用光纖陀螺航姿設備(FOG)測量鉆井平臺的姿態(tài)，光纖陀螺航姿設備(FOG)及電羅經(jīng)組合完成鉆井平臺的航向測量，DGPS和全站儀測量鉆井平臺與固定平臺的相對位置及傾角，并將這些信息全部送入計算機主機，在主機中對采集到的數(shù)據(jù)進行預處理和時間同步，然后進行坐標轉換，使各部分坐標統(tǒng)一，進行誤差補償之后利用信息融合技術將數(shù)據(jù)進行融合，并在屏幕上實時進行三維顯示，同時通過記錄的數(shù)據(jù)信息在計算機主機中可實現(xiàn)場景還原。系統(tǒng)對鉆井平臺實時的航向姿態(tài)以及鉆井平臺與固定平臺的相對位置進行實時監(jiān)測，利用拖船以及鉆井平臺自身的錨纜，沿著設定的引導線向固定平臺靠近，直至達到設計要求位置后插樁固定，完成對接作業(yè)。固定平臺坐標系為Kj為固定平臺的方位角，&與Yj方向一致，P為定位點，其坐標在OjXjYjZj中為(xjp，yip, zjp)，在WGS-84坐標系中為(xp，yp, zp)，鉆井平臺的橫搖角為Θ，縱搖角為V，航向角為K。在對接過程中，鉆井平臺與固定平臺的相對位置由以下幾個參數(shù)決定(I)鉆井平臺艏向K。(2)縱向距離Pe :固定平臺基準點Oj到鉆井平臺對接面(通常為艉部)的垂直距離。 Pe = [yp-xptan (K-Kj) ] cos (K-Kj) +zJpsin Ψ(3)橫向偏距Se :固定平臺基準點Oj到鉆井平臺艏艉線(中軸線)的垂直距離。Se= [xp_yptan (K-Kj) ] cos (K-Kj)+zjPsin Θ若Se小于O,定義橫向偏左；若Se大于O,定義橫向偏右。(4)徑向距離Re:Re=把+S1e(5)高差Zp :定位點P與固定平臺基準點的高度差。(6)牽引角Dp :定位點P與固定平臺基準點Oj的方位角。Dp = Kj+arctan(xp/yp)對接定位引導系統(tǒng)是一個特殊的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，它需要采集多個導航傳感器的輸出信號，進行航姿和組合濾波解算，并通過通信接口或顯示控制裝置輸出定位結果，以及三維動態(tài)顯示。根據(jù)對接定位引導系統(tǒng)的需求，對接定位引導系統(tǒng)軟件主要需要實現(xiàn)如下功能1)DGPS信息的解算；2)光纖航姿信息的解算及相關的預處理和誤差修正；3) DGPS、光纖航姿設備、電羅經(jīng)和全站儀等的信息融合，即通過聯(lián)邦卡爾曼濾波器，從而得到高精度的位置、速度和姿態(tài)信息；4)數(shù)據(jù)通信功能；5)信息顯示；6)場景二維顯不；7)數(shù)據(jù)后處理等功能。本發(fā)明中系統(tǒng)采用的關鍵技術(I)整套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過程需要嚴格按照時間同步的標準進行。以DGPS時鐘信息為時間參考基準，參照各部分設備的性能，設定相應的采樣頻率，在主機中通過軟件實現(xiàn)DGPS、光纖陀螺航姿設備(FOG)、電羅經(jīng)、全站儀數(shù)據(jù)的同步采集與存儲，并對數(shù)據(jù)進行預處理，濾除由于各種隨機噪聲產(chǎn)生的影響。由于DGPS、光纖陀螺航姿設備(F0G)、電羅經(jīng)、全站儀這幾部分數(shù)據(jù)的采樣頻率不同，需要進一步進行處理以確保時間的完全同步。(2)為保證信息融合準確無誤，系統(tǒng)的坐標系選擇應保持嚴格的統(tǒng)一。本方案中組合系統(tǒng)信息融合的坐標系以WGS-84為基準，對設備數(shù)據(jù)進行坐標轉換，各部分數(shù)據(jù)嚴格統(tǒng)一至WGS-84下進行運算。(3)鉆井平臺與固定平臺對接的過程中，由于設備自身精度、安裝位置、甲板變形、桿臂效應和海上作業(yè)環(huán)境的多變性、復雜性以及不確定性等原因，在主機中實現(xiàn)誤差的分析和補償工作十分必要。(4)系統(tǒng)的信息融合利用無置位式聯(lián)邦卡爾曼濾波器實現(xiàn)。光纖陀螺航姿設備(FOG)、DGPS、電羅經(jīng)可以兩兩組合形成3個航向子濾波器，另外DGPS配合全站儀也可以形成一個航向子濾波器。而鉆井平臺相對于固定平臺的位置，則由DGPS和全站儀組合形成子濾波器提供。所有子濾波器之間無信息交流，獨立濾波，沒有反饋重置帶來的相互影響，因此一個子系統(tǒng)的故障不會影響另一個子系統(tǒng)，提供了最高的容錯性。此外，由于光纖陀螺航姿設備(FOG)、DGPS、電羅經(jīng)都可以提供航行信息，并可以兩兩組合，為航向的確定提供了多套冗余；DGPS、全站儀都可以提供鉆井平臺與固定平臺的相對位置信息，為相對位置的確定提供了多套冗余。因此，多套冗余給整個系統(tǒng)提供了更加安全、更加準確的保障。(5)計算機主機中的三維實時顯示。主機中需要實時顯示鉆井平臺的速度、位置、方位、姿態(tài)角以及固定平臺方位、位置等信息，用實時顯示對鉆井平臺和固定平臺的對接進行引導。(6)當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，無法正常工作的情況下，系統(tǒng)接收到報警信息，利用已存儲的數(shù)據(jù)進行對接場景還原。另外后處理技術還可以對系統(tǒng)各部分進行性能評估，為系統(tǒng)更可靠的保障。整個系統(tǒng)方案功能性比較全面，具有多套冗余信息，為鉆井平臺和固定平臺對接定位引導的順利進行提供了保證，即使在故障情況下也能夠有效的實現(xiàn)場景還原，容錯性好，操作性可行。該平臺對接定位引導方法步驟是(I)設備的安裝DGPS天線安裝在平臺頂部開闊處，接收機安裝在中控室；電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備安裝在中控室內，在鉆井平臺調平狀態(tài)下調整光纖陀螺航姿系統(tǒng)設備基座使其保持水平，同時調整電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備首向線與鉆井平臺艏艉線平行；自動跟蹤全站儀安裝在鉆井平臺尾部，反射棱鏡安裝在固定平臺上。(2)引導鉆井平臺拖航由DGPS、光纖陀螺航姿設備(FOG)、電羅經(jīng)和全站儀組成的對接定位引導系統(tǒng)引導鉆井平臺撤離原停留位置拖航至固定平臺所在的作業(yè)海區(qū)。(3)引導鉆井平臺粗就位鉆井平臺在主拖船的拖帶下，在定位引導系統(tǒng)實時顯示鉆井平臺航向、位置、速度以及鉆井平臺與固定平臺的相對距離和方位下，引導鉆井平臺到粗就位的預定位置。為了便于完成拋錨及精就位，需要使鉆井平臺的位置接近固定平臺，同時考慮避免由于粗就位樁穴位置離精就位樁穴位置太近而造成插樁時滑樁。鉆井平臺粗就位位置具體要求為鉆井平臺到固定平臺中心距離60 90米，鉆井平臺方位偏差< 5°。(4)引導拋錨船布錨粗就位結束后，定位系統(tǒng)引導拋錨船在設計位置布錨，使錨產(chǎn)生有利于鉆井平臺與固定平臺對接的最佳合力；若作業(yè)區(qū)附近分布海底管線、電纜等水下設施，錨位點設計時要求錨位點與水下管線等設施距離要大于100米；若錨位要跨過管線(即管線位于錨點及鉆井平臺中間)，要考慮到可能走錨的風險，要求錨位點與管線距離要大于200米。(5)固定平臺位置及方位復測原有固定平臺的位置及方位數(shù)據(jù)不一定正確，因此要由技術人員攜帶定位測向設備上固定平臺完成固定平臺位置及方位的復測。
(6)引導鉆井平臺完成精就位選擇在平潮或流速較小的海況下，在定位系統(tǒng)引導下，通過四個錨及使用拖船進行拖曳的合力作用使鉆井平臺到達設計位置與固定平臺對接完成精就位。由于鉆井平臺就位精度要求較高，因此需要滿足以下天氣條件風速小于8米/秒，浪高小于I米。同時盡量要通過調整各水艙儲水量，保證鉆井平臺在精就位過程中船體保持水平(船體的傾斜會產(chǎn)生位置偏差)。(7)鉆井平臺位置及方位復測壓載結束后，鉆井平臺調平，定位系統(tǒng)對鉆井平臺的最終位置進行復測，現(xiàn)場向甲方監(jiān)督提供最終結果。本發(fā)明是一種自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法，實現(xiàn)鉆井平臺定位引導，定位精度高，鉆井平臺與固定平臺相對距離誤差可控制在O. 05米以內，測向精度達到O.1度；同時可縮短作業(yè)周期，經(jīng)濟效益高，實現(xiàn)對接過程的直觀性、真實性、高精度、安全性及可靠性。
權利要求
1.一種自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法，其特征是該平臺對接定位引導方法步驟是 (1)設備的安裝=DGPS天線安裝在平臺頂部開闊處，接收機安裝在中控室；電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備安裝在中控室內，在鉆井平臺調平狀態(tài)下調整光纖陀螺航姿系統(tǒng)設備基座使其保持水平，同時調整電羅經(jīng)及光纖陀螺航姿設備首向線與鉆井平臺艏艉線平行；自動跟蹤全站儀安裝在鉆井平臺尾部，反射棱鏡安裝在固定平臺上。
(2)引導鉆井平臺拖航對接定位引導系統(tǒng)引導鉆井平臺撤離原停留位置拖航至固定平臺所在的作業(yè)海區(qū)。
(3)引導鉆井平臺粗就位鉆井平臺在主拖船的拖帶下，在定位引導系統(tǒng)實時顯示鉆井平臺航向、位置、速度以及鉆井平臺與固定平臺的相對距離和方位下，引導鉆井平臺到粗就位的預定位置。
(4)引導拋錨船布錨粗就位結束后，定位系統(tǒng)引導拋錨船在設計位置布錨，使錨產(chǎn)生有利于鉆井平臺與固定平臺對接的最佳合力；若作業(yè)區(qū)附近分布海底管線、電纜等水下設施，錨位點設計時要求錨位點與水下管線等設施距離要大于100米；若錨位要跨過管線要求錨位點與管線距離要大于200米。
(5)固定平臺位置及方位復測原有固定平臺的位置及方位數(shù)據(jù)不一定正確，因此要由技術人員攜帶定位測向設備上固定平臺上完成固定平臺位置及方位的復測。
(6)引導鉆井平臺完成精就位選擇在平潮或流速較小的海況下，在定位系統(tǒng)引導下，通過四個錨及使用拖船進行拖曳的合力作用使鉆井平臺到達設計位置完成精就位與固定平臺對接；同時盡量要通過調整各水艙儲水量，保證鉆井平臺在精就位過程中船體保持水平(船體的傾斜會產(chǎn)生位置偏差)。
(7)鉆井平臺位置及方位復測壓載結束后，鉆井平臺調平，定位系統(tǒng)對鉆井平臺的最終位置進行復測，現(xiàn)場向甲方監(jiān)督提供最終結果。
2.如權利要求I所述的自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法，其特征是所述的鉆井平臺粗就位位置具體要求為鉆井平臺到固定平臺中心距離60 90米，鉆井平臺方位偏差<5°。
3.如權利要求I所述的自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法，其特征是所述的鉆井平臺與固定平臺對接時，要滿足以下天氣條件風速小于8米/秒，浪高小于I米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自升式鉆井平臺與海上固定平臺對接定位引導方法，該平臺對接定位引導方法步驟是通過設備的安裝，引導鉆井平臺拖航，引導鉆井平臺粗就位，引導拋錨船布錨，固定平臺位置及方位復測，引導鉆井平臺完成精就位，鉆井平臺位置及方位復測等步驟，實現(xiàn)自升式鉆井平臺海上固定平臺對接定位引導。該對接定位引導方法應用過程簡單，設備重量輕、體積小、攜帶方便，設備安裝簡單，取消潛水作業(yè)，縮短工期，提高工作效率；系統(tǒng)定位精度高，可實現(xiàn)橫搖精度0.05°，縱搖精度0.05°，航向精度0.1，相對位置測量精度0.05m，還具有直觀性、安全性、可靠性、實時性、容錯性等方面優(yōu)點。
文檔編號B63B9/00GK102975816SQ20121054511
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月17日 優(yōu)先權日2012年12月17日
發(fā)明者鄒鐵軍, 張國利, 杜軍波, 孟巍, ?；圮? 解晶, 孫立剛 申請人:中國人民解放軍92941部隊