李景福 馮 斌

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)的建立及應(yīng)用

李景福 馮 斌

(中海石油(中國)有限公司深圳分公司)

番禺34-1油田導(dǎo)管架是國內(nèi)第二大深水導(dǎo)管架,其結(jié)構(gòu)體積大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工時間長,通過設(shè)立基線、利用經(jīng)緯儀進(jìn)行施工控制容易造成誤差的積累,導(dǎo)管架建造精度達(dá)不到要求。通過調(diào)研與設(shè)計,建立了該油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)布設(shè)方案,開展了測量控制網(wǎng)應(yīng)用中的一系列關(guān)鍵技術(shù)研究,較好地解決了該油田大型導(dǎo)管架建造測量難題,控制了導(dǎo)管架整體建造精度,值得在后續(xù)大型導(dǎo)管架建造項目中推廣應(yīng)用。

番禺34-1油田;深水導(dǎo)管架;測量控制網(wǎng);布設(shè)方案;關(guān)鍵技術(shù);建造精度控制

目前在國內(nèi)中小型導(dǎo)管架施工中,由于導(dǎo)管架的尺寸不大,導(dǎo)管架的吊裝、組對過程主要是通過設(shè)立基線、利用經(jīng)緯儀進(jìn)行施工控制。當(dāng)承建大型導(dǎo)管架時,由于其本身高度高、底部面積大、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致施工工期長、相對誤差精度要求高,這樣就造成施工困難和影響誤差產(chǎn)生的因素增多,而且誤差容易積累。

番禺34-1油田導(dǎo)管架為8腿16裙樁結(jié)構(gòu),長203 m,底部尺寸82 m×82 m,導(dǎo)管架質(zhì)重2 300 t,僅次于荔灣3-1氣田導(dǎo)管架,是國內(nèi)第二大深水導(dǎo)管架。該導(dǎo)管架采用臥式建造,縱向有8個水平層,橫向有4個水平層,底部最高點距離地面102 m;導(dǎo)管架構(gòu)件眾多、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸控制困難,在施工中,用傳統(tǒng)方法容易造成誤差積累,導(dǎo)致導(dǎo)管架建造的整體精度達(dá)不到要求。經(jīng)過調(diào)研,國外在大型導(dǎo)管架建造中利用測量控制網(wǎng)技術(shù)較好地解決了這些問題,但國內(nèi)還沒有應(yīng)用此項技術(shù)的先例。

為此,在番禺34-1油田導(dǎo)管架建造時首次采用了測量控制網(wǎng)技術(shù),成功地利用控制網(wǎng)進(jìn)行了導(dǎo)管架施工過程中的尺寸控制,靈活地控制了視線的長度、仰角,較好地解決了結(jié)構(gòu)通視問題。由于控制點的點位在不同季節(jié)的變化是很小的,所以在該導(dǎo)管架施工過程中利用控制網(wǎng)對已施工部位進(jìn)行定位,并將特征數(shù)據(jù)應(yīng)用到待施工部位,較好地解決了不同季節(jié)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同尺寸特征的問題,很好地控制了誤差積累。

1 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)布設(shè)方案設(shè)計

測量控制網(wǎng)可用于單片預(yù)制時的尺寸控制與坐標(biāo)采集,以便對單片焊接前后點位變化的規(guī)律進(jìn)行分析,控制單片預(yù)制的質(zhì)量;同時實現(xiàn)對單片吊裝、組對時的實時控制,保證整體精度。

1.1 測量控制網(wǎng)實測方案確定

大型導(dǎo)管架所利用的場地大,單片預(yù)制時結(jié)構(gòu)高度大,所以在測量控制網(wǎng)設(shè)計之初就要充分考慮到周圍遮擋及后期復(fù)測的問題[1]。在番禺34-1油田導(dǎo)管架建造項目測量控制網(wǎng)設(shè)計之初,提出了附和導(dǎo)線、傳統(tǒng)三角網(wǎng)、環(huán)形三角網(wǎng)等3種控制網(wǎng)實測方案(圖1～3),并進(jìn)行了對比。

附和導(dǎo)線的網(wǎng)形最為簡單,實測時所需的時間、人力、物力消耗也最少,同時相鄰點位之間能保證很好的通視性,但是其點位精度相對于其他2種網(wǎng)形也是最低的,因此考慮到導(dǎo)管架在各個方向都要求有較高的精度,這種方案不可行。

傳統(tǒng)三角網(wǎng)的網(wǎng)形最為復(fù)雜,當(dāng)然這種網(wǎng)形的點位精度也最高。但在實測過程中要求過多的時間、人力、物力,而且實測時受點位之間通視情況的影響很大,造成工程后期的控制網(wǎng)復(fù)測非常困難,甚至不可能,所以這種方案的可行性也不大。

圖1 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)附和導(dǎo)線實測方案

圖2 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)傳統(tǒng)三角網(wǎng)實測方案

圖3 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)環(huán)形三角網(wǎng)實測方案

環(huán)形三角網(wǎng)的網(wǎng)形難度適中,其點位相對于傳統(tǒng)三角網(wǎng)較弱,但相對于附和導(dǎo)線有了質(zhì)的提高,同時,這種方案受通視條件的影響相對于傳統(tǒng)三角網(wǎng)也有大幅降低,而且在隨后的復(fù)測過程中可以方便地進(jìn)行復(fù)測,所以環(huán)形三角網(wǎng)在番禺34-1油田導(dǎo)管架建造中是比較理想的測量控制網(wǎng)實測方案,測量時采用的主要測量儀器是Leica TPS1201+型全站儀,輔之以高度游標(biāo)卡尺、溫濕度氣壓計等測量計量工具。

1.2 實測時的注意事項

1)在進(jìn)行測量之前必須保證控制點穩(wěn)定,防止因為控制點點位本身不穩(wěn)、發(fā)生位移而產(chǎn)生誤差或錯誤。

2)測量工作盡量選擇在陰天時進(jìn)行,以防止由于日曬而引起觀測墩或三角架彎曲,以及儀器由于日曬而發(fā)生軸傾斜;同時,注意在每次測量之前必須把所用的儀器置于室外一段時間,待儀器完全與室外溫度一致后方可進(jìn)行測量,以防止因為儀器冷卻不均勻而導(dǎo)致儀器內(nèi)軸傾斜。

3)每次測量時要嚴(yán)格記錄當(dāng)時的氣候條件,如氣溫、氣壓、相對濕度,以便對觀測值進(jìn)行相應(yīng)的修正;數(shù)據(jù)修正時假定導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)為一線性、彈性結(jié)構(gòu),各個臨近節(jié)點間結(jié)構(gòu)相似、相互制約,具有同比例的伸長或收縮量,通過對比測量點周邊節(jié)點在不同環(huán)境條件下的測量數(shù)據(jù)即可修正該測量點的測量數(shù)據(jù)。

4)每一站的測量最好是由同一個人完成,以避免不同人產(chǎn)生的視差以及過分調(diào)焦引起的視準(zhǔn)軸變化;在進(jìn)行微調(diào)時,最后的旋轉(zhuǎn)方向盡量保持一致,以防止來回旋轉(zhuǎn)微調(diào)而引起水平度盤發(fā)生不確定性旋轉(zhuǎn)等。

1.3 測量數(shù)據(jù)處理

測量控制網(wǎng)采用的平差方法為間接平差法[2],是在最小二乘準(zhǔn)則要求下求出誤差方程中的待定參數(shù),在數(shù)學(xué)中是求多元函數(shù)的極值問題。實際觀測中的觀測量有邊長及夾角,想要得到的最終數(shù)據(jù)是每個待求點的坐標(biāo),所以可根據(jù)起算數(shù)據(jù)及觀測數(shù)據(jù)計算出每一個待求點的近似坐標(biāo),以此作為平差模型的平差參數(shù)。

在番禺34-1油田導(dǎo)管架測量數(shù)據(jù)處理過程中,取2個位置相對固定的點作為起算數(shù)據(jù)點,所有未知點的近似坐標(biāo)均是利用這2個點的起算數(shù)據(jù)及觀測值進(jìn)行計算,進(jìn)而進(jìn)行嚴(yán)密平差。需要注意的是,在確定這2個位置相對固定的點作為起算數(shù)據(jù)點時,這2個點之間的距離要保證有足夠長(做到“長邊定短邊”),并且要在解算之前在不同的氣候條件下利用相同的儀器進(jìn)行多次往返測量后取平均值。另外,要根據(jù)實際情況確定這2個點之間的真實方向關(guān)系,在平差過程中將這2個點作為固定點來處理。

2 測量控制網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 導(dǎo)管架中心線的確定

為了利用測量控制網(wǎng)和基線進(jìn)行同步施工控制,需要將導(dǎo)管腿的中心線與控制網(wǎng)進(jìn)行整合。在實施過程中利用控制網(wǎng)測量導(dǎo)管腿的各個節(jié)點坐標(biāo),擬合出導(dǎo)管腿的中心線,再利用控制網(wǎng)將中心線的位置坐標(biāo)測量出來,同時根據(jù)中心線將整個坐標(biāo)系的坐標(biāo)及點位進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移(圖4)。

圖4 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)坐標(biāo)系的定義

2.2 單片吊裝前有關(guān)問題的解決

導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)建立后,將導(dǎo)管架模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入控制網(wǎng),這樣導(dǎo)管架的每個部位在控制網(wǎng)坐標(biāo)系中都有一個理論三維坐標(biāo),進(jìn)而可利用控制網(wǎng)進(jìn)行其他工作。一方面,在單片預(yù)制過程中需要控制單片的水平程度、拉筋夾角,同時還需要通過檢查節(jié)點之間的跨距來判斷主拉筋上樣沖點的正確性;另一方面,在單片預(yù)制完成進(jìn)行吊裝之前,需要在單片的一些特征部位布置測量點(以花片為例,點位布置見圖5),以在吊裝過程中進(jìn)行實時控制。

圖5 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)單片測量監(jiān)控點的布設(shè)

2.3 施工過程中儀器架設(shè)方法

在吊裝過程中,根據(jù)測量部位的不同可以靈活選取方法進(jìn)行儀器架設(shè)。由于所有的控制點位于同一個控制網(wǎng)中,點位之間是相互關(guān)聯(lián)的,所以只要各點點位精度均勻,即使在不同的地方架設(shè)儀器也不會存在總體誤差積累的問題[3]。

1)當(dāng)所需觀測的部位在控制點能夠觀測或方便觀測時,可直接在一個控制點位架設(shè)儀器,在另外一個控制點位架設(shè)棱鏡進(jìn)行后視定向(圖6)。

圖6 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)測量時后視定向

2)當(dāng)所需觀測的部位在控制點位不能夠觀測或不方便觀測時,可在2個或多個控制點位架設(shè)棱鏡,在一個既能夠觀測到目標(biāo)又能夠看到棱鏡的地方架設(shè)儀器進(jìn)行后方交會定向(圖7)。

圖7 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)測量時后方交會定向

3)當(dāng)只需要對目標(biāo)的高程進(jìn)行控制時,可以在一個或多個控制點架設(shè)棱鏡,在既能夠看到目標(biāo)又能看到棱鏡的地方架設(shè)儀器進(jìn)行交會高程快速傳遞(圖8)。

圖8 番禺34-1油田導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)測量時交會高程快速傳遞

2.4 測量數(shù)據(jù)復(fù)測

在控制網(wǎng)數(shù)據(jù)測量完成后,外界環(huán)境條件肯定會發(fā)生一定的變化,為了保證控制網(wǎng)測量數(shù)據(jù)在任何情況下的準(zhǔn)確性,需要對其進(jìn)行復(fù)測。

1)當(dāng)發(fā)生季節(jié)交替時,尤其是由冬天過渡到春天(化凍季節(jié))以及由秋天過渡到冬天(上凍季節(jié))時需要進(jìn)行相應(yīng)的控制網(wǎng)復(fù)測。

2)控制網(wǎng)建立滿1年后,也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)測。

3)如遇其他特殊情況,也可根據(jù)實際問題增加復(fù)測的次數(shù)。

此外,在復(fù)測的過程中應(yīng)盡量保證測量條件與初測時保持一致或相似,包括儀器、人員、環(huán)境條件等。在復(fù)測結(jié)果的使用方面,必須根據(jù)實際情況進(jìn)行分析,比如是極個別點位發(fā)生了偏差還是整體點位發(fā)生了位移,必須根據(jù)實際數(shù)據(jù)結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行分析,不可一概而論。

3 應(yīng)用效果

在番禺34-1油田導(dǎo)管架建造過程中,綜合考慮測量精度要求、觀測可行性、測量工作量等因素選擇了以環(huán)形三角網(wǎng)為基礎(chǔ)建立測控網(wǎng),參考控制網(wǎng)的理論坐標(biāo)在導(dǎo)管架總裝場地四周均勻?qū)ΨQ布設(shè)了14個永久測站點和1個臨時測站點,使得導(dǎo)管架總裝場地圍攏在以測站點縱向連線為經(jīng)、橫向連線為緯的三維空間內(nèi)。該導(dǎo)管架所有的建造數(shù)據(jù)均可通過在測站點上布設(shè)的儀器測得,并且通過靈活地選擇測站點解決了結(jié)構(gòu)通視問題。另外,由于該導(dǎo)管架測量控制網(wǎng)測站點的位置相對固定、建造精度高、受環(huán)境因素影響小,保證了測量精度,同時利用測量控制網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,有效降低了總體誤差積累。據(jù)測量,番禺34-1油田導(dǎo)管架建造完工后所有節(jié)點的建造偏差均在10 mm以內(nèi),導(dǎo)管架整體尺寸控制良好,導(dǎo)管架海上安裝時漂浮狀態(tài)極佳,再次佐證了導(dǎo)管架的良好建造精度。實踐證明,測量控制網(wǎng)能夠有效解決大型導(dǎo)管架建造測量難題,較好地控制整體建造精度,值得在后續(xù)大型導(dǎo)管架建造項目中推廣應(yīng)用。

當(dāng)然,測量控制網(wǎng)技術(shù)在番禺34-1油田導(dǎo)管架建造中的應(yīng)用在國內(nèi)尚屬首次,測量控制網(wǎng)在建立過程中還存在諸多問題,如遮擋、沉降、受日照影響等,需要各專業(yè)人員在今后的實際應(yīng)用中共同努力去解決。

[1] 趙吉先,田養(yǎng)權(quán).核電工程控制網(wǎng)的布設(shè)及其特點[J].測繪工程,1998,7(4):52-55.

[2] 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組.誤差理論與測量平差基礎(chǔ)[M].2版.武漢:武漢大學(xué)出版社,2009.

[3] 張正祿.工程測量學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2005.

Establishment and application of measuring control network in PY34-1 oilfield jacket construction

Li Jingfu Feng Bin
(Shenzhen Branch of CNOOC Ltd.Guangdong,518067)

PY34-1 oilfield jacket is the second largest deep water jacket in China,with huge structure body,complex internal structure and long construction time.By setting up baseline,to use the theodolite for construction control is easy to cause the accumulation of errors,so the jacket construction accuracy cannot meet the requirements.Through the investigation and design,we established the jacket measuring control network layout plan,carried out the researches on a series of key techniques in application of measuring control network,solved the difficulties in the large jacket construction measurement and controlled the jacket overall construction accuracy better.This method is worth being popularized and applied in future large jacket construction project.

PY34-1 oilfield;deep water jacket; measuring control network;layout plan;key techniques;construction accuracy control

2013-11-21改回日期:2014-01-05

(編輯:葉秋敏)

李景福,工程師,2003畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程系船體專業(yè),現(xiàn)主要從事海洋石油工程開發(fā)工作。地址:廣東省深圳市南山區(qū)蛇口興華路6號南海意庫產(chǎn)業(yè)園5棟202(郵編:518067)。E-mail:lijf3@cnooc.com.cn。