[交大智慧]上海交大技术为深海油气开采诊断、护航[图]

[编者按] 一百多年来，交大人用知识和智慧创造累累硕果，谱写了近现代史上的诸多“第一”。这是人才培养的智慧、科学研究的智慧、服务社会的智慧、为国争光的智慧。新闻网特推出“交大智慧”专栏，聚焦交大人的智慧之光，展现交大人为国家发展和社会进步作出的重大贡献。

中国三分之一的油气资源蕴藏在风大浪急、地质复杂的南海深处，亟待开发利用。“十二五”期间，我国斥巨资打造的“深海舰队”作业能力已初具规模。与此同时，上海交大自主研发的“平台安全保障监测系统”日夜为“海洋石油981”等海上油气平台保驾护航，它被称为深海油气开采中的“诊断专家”。

深海掘金的背后

2014年8月18日，由中国海油深水旗舰作业装备“海洋石油981”深水钻井平台进行的陵水17-2-1井测试，获优质高产油气流。这口井的测试成功，是中国深水自营勘探获得的第一个高产大气田，也给因能源需求而日益焦躁的中国带来巨大的惊喜。    

中国南海拥有约占中国油气总资源量的三分之一的石油和天然气，其中70%的资源都蕴藏于150多万平方公里的深水区域。神秘的深海，为中国发展提供了巨大的诱惑和机遇。就当人们的目光都聚焦在“海洋石油981”如何在深海掘金之时，却没有人注意到，这个庞然大物，如何在惊涛骇浪中安全运行？如何在大洋深处平稳开采？又如何面对南海那些不期而至的台风？    

海上油气开采，历来是高投入、高科技、高风险的“三高”行业。类似于墨西哥湾“深水地平线”那样的非自然性灾难事故大约10年就会发生一次，造成的原油污染和生态灾难是难以用金钱来估量的。而中国南海深水区更是无风三尺浪，台风多，海底坡度大、地形崎岖，并且存在内波流——一种因海水密度、质量差异形成的海洋流，最快速度可达到2m/s，能量巨大，几分钟或几十分钟内可将一座大型的轮船移位几十公里。因此，在南海开采，面临着更多的未知、更大的风险和更强的挑战。    

“治病于未然”

当全世界的石油公司将资金与技术打造成钻头，比赛谁能钻得更深、创造更多神话的时候，上海交大海洋工程国家重点实验室杨建民团队却选择了“保障平台安全”这个看似并不起眼的课题。    

这道题目的选择源自于一种不同寻常的思路：面对梦魇般的原油污染和生态灾难，“亡羊补牢”远不如“防患于未然”。世人皆知东汉末年的神医华佗，擅长以外科手术和治疗各种绝症而闻名于世。而在华佗看来，最高明的医术是防患于未然。由上海交大海洋工程国家重点实验室研发的“深海平台安全保障监测系统”，就是这样一个“治未病”的良医。    

2010年开始，上海交大海洋工程国家重点实验室开展“海洋石油981”半潜式钻井平台现场监测项目的研究。    

海洋浮式平台的现场监测工作，不同于一般的理论研究和水池模型试验研究，需要多方的全力配合才能获得最有效的宝贵数据。因此，在监测工作开展的过程中，上海交通大学课题组全力与981项目组、外高桥船厂以及中船重工第708研究所合作，获取有价值的监测数据，为我国将来完全自主设计深水半潜式钻井平台，提供宝贵的实测数据支持。    

依托“监测系统”，就好像为“981”带上了24小时的监护仪，实时监测它的“心率”、“血压”、“呼吸”、“体温”等重要参数，同时，还收集风力、风向、波浪、海潮、海流、盐度等不同的海洋环境条件对平台运动的影响，这些数据通过分析、对比等处理后，呈送给指挥中心和相关专家。如有异常，及时把问题和隐患消除在事故没有发生之前。    

目前，该监测系统正在“海洋石油981”平台上正常监测采集作业，日夜守护着“981”的安全。    

揭秘“三大法宝”

按照华佗的说法，最高明的医生是“治未病”的医生，那么，“深海平台安全保障监测系统”的过人之处是什么呢？    

首先，是集成创新。系统融合了大数据、高精度实时监测、卫星通信、人工智能、三维仿真等多种技术，包括：平台运动实时测量系统，海风、波浪、海流等海洋动力环境监测，关键结构载荷监测，数据远程传输系统，数据处理与分析系统，数据查看与现场重现系统，安全评估与诊断系统。    

其次，获取了大量宝贵的第一手资料。该系统真实可靠地记录了数万吨的海洋平台在惊涛骇浪中的真实表现，印证了平台设计目标的实现与否、反映各种设备的可靠性，在确保该型平台的安全性的同时，为下一代平台的设计积累了宝贵的资料和参考，为海洋工程的未来发展提供真实的、科学的数据和现场信息。    

其三，可长时间无人监控自动采集。十年前，海洋工程国家重点实验室率先开发了第一代的浮式平台深远海长期监测系统。这是我国首次在油田作业中的海上浮式生产储油船（Floating Production Storage and Offloading，简称FPSO）上进行实测工作。2006年起，实验室开发的实测系统在“南海奋进号”FPSO上开展长期监测。2007年10月，台风“利奇马”袭击FPSO所在海域。几天后，平台上传来振奋的消息：系统成功抵御了台风的考验，并捕捉到了FPSO在台风中的真实数据。而此前我国从未获得过FPSO在台风下的实际表现。这次宝贵的数据为此后我国海洋平台的研发提供了难得的技术资料。    

浮托安装实船应用

经过十多年的艰苦探索，目前，“深海平台安全保障监测系统”已经形成了包括理论研究、试验研究和实船应用在内的完整的体系。    

浮托安装，是监测系统的又一个成功应用。所谓“浮托安装”，就是巧妙地利用海水浮力这只巨手，将前期在陆地上已经组装好、重达数万吨的平台上部组块，平稳地过渡到同样重达数万吨的的导管架上。两个庞然大物必须在无休止的潮汐、波浪、海流，甚至是突袭的台风的影响下完成，精度上必须保证接口的几个点对接一次成功，难度堪比太空对接。    

安装在平台组块关键部位上的监测系统，可为整个安装过程实时提供数据，为指挥者做出正确判断，下达正确指令提供技术依据。上海交大的监测系统已先后在荔湾3-1气田导管架下水、荔湾3-1气田浮托安装、番禺34-1油田导管架下水、陆丰7-2油田浮托安装、渤中35-2油田浮托安装、惠州25-8油田浮托安装、陆丰7-2油田二次浮托安装等项目中成功应用，发挥了不可替代的重要作用。值得一提的是，上述每一个项目，都是我国深海油气开发中的重大项目，可圈可点：荔湾3-1上部组块安装是世界难度最大的浮托安装项目；惠州25-8中心平台组块安装，是中国首例海上动力定位浮托安装作业，也是世界首例于恶劣海况下动力定位浮托安装作业，其平台尺寸和重量都刷新了亚洲动力定位浮托记录；陆丰7-2平台，平台重量、作业水深为低位浮托方式的世界之最。    

荔湾3-1气田，位于南海东部，天然气可采储量在1000亿立方米至1500亿立方米。气田建成后每年天然气处理规模可达120亿立方米，相当于西气东输一期的规模。2013年5月22日，荔湾3-1中心平台组块的浮托安装，堪称是世界上难度最大的浮托安装作业。    

荔湾3-1气田中心平台上部组块，即露出海平面的平台部分，重达重达3.2万吨，由三层甲板组成，顶层甲板长110米，宽77米，比一个标准足球场的面积还要大一些。顶层为生活楼、直升机坪、主电站、压缩机模块和吊机等，下层和底层为油气处理设备、中央控制室、配电室及其他辅助设施。    

此次作业，不仅要克服平台自身重量大、水深等难题，更要克服南海的恶劣海况。在原定的海上浮托进船的时间，国家气象局预报作业海域将出现短时暴雨伴有7-8级阵风，并且恶劣天气将一直持续到4天后，按照以往的经验这种天气是很难进行海上作业的。在这紧要关头，由上海交大实测团队对现场风浪和船舶运动响应做出精确的测量和深度的分析，并得出结论，由于波浪方向处于首迎浪方向，且风浪周期偏小，即使是波高超出设计波高一半的情况，仍然能安全完成安装作业。现场施工的指挥团队听取了实测报告之后，综合分析各方面因素，做出了按照原计划进行施工的决定。    

整个安装过程长达40多个小时，实测团队的全体成员不眠不休、连续奋战，对诸多关注点进行实时监控作业人员获取了及时、可靠的安装过程检测数据，根据实测数据实时判断安装状况，及时做出准确的调整，确保了整个安装过程顺利进行。伴着小雨，重达3万余吨的平台上部组块与导管架平台的8个支点准确对接，完美啮合，稳稳安放在高达近200米的亚洲最大导管架的顶端。随着中海油“229驳船”与平台安全脱离，缓慢退出导管架，整个安装完美收官。全体工作人员的脸上终于绽放出了笑容，这是使命完成的喜悦，更是责任背后的光荣。    

监测系统未来干什么？

一旦发生海难事故，对于海上救援来说，就四个字：迅速、专业。南海海况气候和地质的复杂性已经超过了墨西哥湾、西非、巴西这三大世界深水油气开发的主要海域。这意味着海洋平台在南海运营虽然可以借鉴世界上其他深水区的成功经验，但没有可以照搬的模式。除此之外，南海海底复杂的地形、海上航线纵横、火山活动频繁、天气和海况本身也对数据采集和处理产生影响。没有可援引的案例，也没有可借鉴的国际经验，面对中国南海的特殊情况，更需要建立我国自主核心技术体系。这正是上海交大海洋工程国家重点实验室使命所在。    

随着实测工作的深入开展，人们对实测技术提出了新的要求，集中体现在时效性上。现有的实测数据通过船上人员定期收集，然后经由卫星网络发回陆地，再经过陆上人员处理和分析，最终得出分析报告。整个过程至少要持续两周。事实上，海洋平台的安全分秒必争，及时预判和实时掌握故障发生的情况非常重要。    

此外，海洋平台系统非常复杂，在海上所经历的力学环境也非常复杂。一旦出现险情，一方面需要为决策者提供全面、有效、快速的数据分析；另一方面，需要众多领域的专家学者同步协同作战，才能做出准确的判断和决策。    

为此，监测系统的“升级版”：“远程专家会诊系统”被列入议事日程。    

远程专家会诊系统，可以将船上的实测数据源源不断地发回陆地基站，并经基站内的自动处理程序进行预处理，并作初步分析。然后，系统对分析结果进行筛选和判断，根据预先设定好的报警条件做出不同级别的报警，如闪灯、鸣笛等。同时，建立专家库，并对专家的擅长领域和资历级别进行分类。正常情况下，进入专家库的专家每天都会收到一份平台监控分析报告。重点关注时期（如台风过境）和报警发生时，会增加监控报告发给专家的频次和发送专家的级别。专家收到分析报告后，根据自己的经验对平台的健康状况进行点评，然后反馈给陆地基站。基站内人员收到专家意见后，将意见进行整理，完成专家综合意见，并反馈给平台运营方。这样，平台上人员每天都可以收到平台在前一天的运营健康报，并可据此对平台的运营计划进行调整。    

“整个深海油气领域，国外已经走了四五十年，而中国不到十年，对于深海油气开发的风险和防范，理论研究和实践都才刚刚开始。我们开发的这套监测系统也刚起步，伴随中国海洋工程的发展，未来还将有更为广泛的应用。作为中国船舶与海洋工程领域科研力量的‘国家队’，我们责无旁贷，时刻准备迎接新的挑战。”杨建民教授充满信心地说。