Positioning Systems Integration For Locating Offshore Platforms

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Petrol ve doğal gaz (hidrokarbon), dünyadaki gelişmişlik, ekonomi, sanayileşme, refah düzeyi, teknoloji, siyasi istikrar ve politika gibi kavramlarla iç içe geçmiş ve günümüz dünyasında, birincil enerji kaynağı olarak peşinden koşulan stratejik bir madde haline gelmiştir. Teknolojideki ilerlemelere bakıldığında, itici gücün ya askeri araştırmalardan ya da petrol sektöründeki araştırma geliştirme çalışmalarından kaynaklandığı görülmektedir. 21. Yüzyıla girerken birçok gelişmiş ülkede petrol/doğal gazdan enerji elde edilmesinin, özellikle de taşıtlarda kullanımının çok çeşitli alternatifleri araştırılmaktadır; ancak petrokimya sektörü için alternatiflerin bulunması oldukça zordur. Türkiye’ye özellikle güneydoğuda komşu olan ülkelerde önemli miktarlarda rezervi bulunan ve görece daha zahmetsiz yöntemlerle üretilen petrol/doğal gaz, jeolojik yapının tektonik hareketler nedeniyle çoğu bölgede son derece faylanmış bir durumda olmasından dolayı ülkemizde önemli miktarlarda bulunmamaktadır; bu nedenle ülkemiz bir “petrol” ülkesi değildir. Türkiye, günlük petrol ihtiyacının ancak %10 kadarını üretebilmekte, geri kalan %90’ını ise ithal etmektedir. Son yıllarda tüm dünyada petrol ve doğal gaz endüstrisi, arama çalışmalarında kara alanlarındaki faaliyetlerin yanında, denizlere yönelmektedir. Türkiye de karalarda büyük rezerv keşifleri bulunmadığından, özellikle 2000’li yılların başında Karadeniz’de Akçakoca açıklarında açılan deniz kuyusundaki doğal gaz keşfinden sonra, çevresindeki denizlerde petrol/doğal gaz arama faaliyetlerini yoğunlaştırmıştır. Çevremizde, başta Karadeniz Havzası ve Akdeniz olmak üzere denizlerde arama çalışmaları sürmekte, açık deniz platformları kuyular açmaya devam etmektedir; bu konunun güncelliğini ve önemini uzunca bir süre koruyacağı da açıkça görülmektedir. Denizlerde petrol/doğal gaz arama çalışmaları çok aşamalı ve oldukça maliyetli çalışmalardır. Sondaj, artık bu çalışmaların somut sonuçlar verdiği, deniz tabanının altına dair net bilgiler veren bir işlemdir. Deniz alanlarında petrol/doğal gaz arama kuyusu açmak için, sığ sularda jack-up, derin sularda ise semi-submersible veya drillship türü açık deniz sondaj platformları kullanılmaktadır. Kullanılacak bu platformların başka bir kuyu yerinden ya da beklediği bir limandan, hedef kuyu konumuna (deniz yüzeyinde) kendi gücüyle veya çekici römorkörler aracılığıyla doğru olarak getirilmesi ve platformun üzerindeki sondaj kulesi doğrultusunun, açılması planlanan noktaya, belirlenen hassasiyet sınırlarında konumlandırılması gerekmektedir. Denizlerde açılan bir kuyunun maliyetinin sığ deniz kuyuları için onlarca milyon Amerikan Dolarını, derin deniz kuyuları için de birkaç yüz milyon Amerikan Dolarını bulduğu dikkate alındığında, platformun istenen yere taşınması sırasında planlanan rotadan sapması nedeniyle yaşanacak bir gecikme, hem zaman kaybına hem de maliyetlerde artışa neden olacaktır. Açık denizlerde hidrokarbon arama amaçlı olarak açılacak bir kuyunun konumuna karar verilmesinde, verilerin toplanması, işlenmesi, yorumlanması, yer altı haritalarının çıkarılması, modellemelerin ve yorumların yapılması gibi çalışmalar yapılmakta; çok sayıda bileşen dikkate alınmaktadır. Bir başka deyişle, bir konumda hidrokarbon bulunması için çok sayıda bileşenin (200 kadar bileşen) aynı anda bir arada olması gerekmektedir. Bu nedenle, platformdaki sondaj kulesi orta ekseninin hedeflenen kuyu koordinatlarına, belli bir tolerans sınırı içerisinde oldukça hassas biçimde ve olabildiğince kısa sürede getirilmesi oldukça önemlidir. Benzer şekilde, daha önce açılmış bir kuyu için, geliştirme çalışmaları ya da üretime yönelik çalışmalarda da yine çok hassas biçimde konumlandırma yapılması gerekmektedir. Ayrıca, istenen konuma konumlandırılan semi-submersible ya da drillship türü sondaj platformunun, bulunduğu yerdeki hareketi nedeniyle, sondaj donanımının kuyu delme sırasında belli bir güvenlik alanının dışına çıkması, donanımın zarar görmesine neden olabilmekte ve çalışmanın sağlıklı ilerlemesini engellemektedir. Bu hareketin, belirlenen sınırlar içerisinde tutulabilmesi için, gerçek zamanlı sağlıklı konum bilgisine gereksinim vardır. Ülkemizde bu çalışmaları gerçekleştirecek teknolojik donanım, yazılım ve teknik personelin bulunmadığı, bu nedenle halen bu hizmetlerin bu konuda faaliyet gösteren yabancı firmalardan temin edildiği tespit edilmiştir. Denizlerde yapılan tüm ölçmeler ve diğer çalışmalar genellikle konum bilgilerini temel aldığından, denizlerde konum belirleme çok önemli bir görevdir. Konum belirlemede oluşabilecek bir hata, yüksek maliyetli olan hidrokarbon arama çalışmalarını geçersiz kılabilecektir. Genel olarak denizlerde konumlandırma çalışmalarında, biri temel sistem diğeri yedek sistem olmak üzere en az iki konum belirleme sistemi kullanılmaktadır. Son yıllarda DGPS, global olması sayesinde ve sağladığı doğruluk nedeniyle, geleneksel konum belirleme sistemlerinin yerini almış ve neredeyse tüm uygulamalarda birincil sistem olarak kullanılmaya başlamıştır. Buna rağmen, bazı durumlarda DGPS yeterli doğruluğu sağlayamayabilir ya da hiç konum belirleyemeyebilir ya da GPS’nin kullanımı kısıtlanabilir. Tek başına uydu tabanlı bir sistem olan GPS’ye bağımlı olmak olumsuz sonuçlar doğurabilir. Bunun yanında, ölçü ve konum belirleme güvenirliği bakımından, fazla ölçü yapmak gerekmektedir. Bu nedenlerle, denizlerde yapılan konum belirleme çalışmalarında diğer uydu tabanlı konum belirleme sistemlerinin de (GLONASS ve GALILEO gibi) kullanımı ve farklı ilkeleri temel alan diğer konum belirleme sistemleriyle (yersel radyo bazlı sistemler, ilave sensörler gibi) entegrasyon sağlanması oldukça önem kazanmaktadır. Dinamik bir çevrede özellikle DGNSS ve gyropusula iyi bir entegrasyon sağlamaktadır. Tez çalışmasının amacı, denizlerde petrol/doğal gaz arama kuyusu açmak için kullanılan platformların, bir konumdan diğerine taşınması sırasında navigasyonunu ve öngörülen kuyu hedefine konumlandırılmasını sağlayacak ve bu platformun konumunun, konumlandırıldığı mekânlarda istenen sınırlar içerisinde kontrol altında tutulabilmesi için kuyu açma çalışmaları sırasında anlık olarak izlenmesine olanak verecek bir konumlandırma ve izleme sisteminin (alet, donanım ve yazılım sisteminin) geliştirilmesidir. Ülkemizde bu konuda ilk kez araştırmaların gerçekleştirileceği bu çalışma sonucunda sözü edilen konulardaki dışa bağımlılığın ortadan kaldırılması, bu hizmetlerin ithal edilmesinin önüne geçilmesi ve bu gibi becerilerin ülkemize kazandırılması hedeflenmektedir. Tez çalışması kapsamında platformun sondaj kulesinin anlık olarak konumunun belirlenmesinde, kullanılabilir global uydu sistemleri olan GPS ve GLONASS ile yakında kullanılabilir hale gelecek olan GALILEO sistemlerinden konum verilerini alma özelliklerine sahip çift frekanslı GNSS alıcılarının kullanımı öngörülmüş, bunların yanında platformun azimutunun anlık olarak belirlenmesi için de gyropusula sensörü, donanımlara dâhil edilmiştir. Araştırmalarda özellikle, elektronik bileşenlerin uyumlu bir biçimde entegrasyonu, GNSS alıcılarıyla yapılacak konum ölçmeleri için farklı yöntemlerle (DGNSS, RTK) ve farklı kaynaklardan (uydu, yer istasyonu, ağ gibi) farklı araçlarla (GSM modem, radyo modem, internet) düzeltme verilerinin anlık olarak alınmasına yönelik çalışmalar yapılması ve deniz aracını istenen konuma getirme konusunda kontrol ve görsel bir arayüz sağlayacak konumlandırma yazılımının geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu çerçevede, denizlerde konum belirleme çalışmaları ve mevcut konumlandırma sistemleri incelenmiş ve yeterlilikleri belirlenerek, geliştirilebilecek yönlerinin ortaya konması sağlanmıştır. Gerçek zamanlı konumların yüksek doğrulukla elde edilebilmesi için düzeltme verilerinin alınacağı kaynaklar ve iletim araçları araştırılmış ve çalışma yapılacak bölgede kullanılabilecek bir referans istasyonu oluşturulmuştur. Bileşenlerin entegrasyonunu sağlayacak bir sistem tasarımı gerçekleştirilmiş, matematik ve geometrik bağıntılar ortaya konmuştur. Konumlandırma sisteminin en önemli bileşenlerinden biri olan konumlandırma yazılımı için akış şemaları çıkarılmış ve MariNAV konumlandırma yazılımı geliştirilmiştir. MariNAV konumlandırma yazılımı, GNSS alıcılarından seri ara birim aracılığıyla bilgisayara gelen NMEA cümlelerinden konum verilerini ayrıştırıp, gerekli işlemleri (dönüşümler vb.) yaparak platformdaki sondaj kulesi orta ekseninin koordinatlarını anlık olarak hesaplamakta ve bu değerlere bağlı olarak platformu grafik bir arayüzde Mekânsal/Coğrafi Bilgi Sistemi yaklaşımıyla, dünya üzerindeki konumuna göre görselleştirmekte, platformun konumunun kontrol edilmesini ve yönlendirilmesini sağlamakta ve elde edilen bilgileri veritabanında saklayarak daha sonra sorgulanmasına ve analiz edilmesine imkân vermektedir. Tez çalışması kapsamında son olarak, konumlandırma sisteminin testleri gerçekleştirilmiş, sistemin yetenekleri ve gelecekte üzerinde çalışılması gereken noktalar ortaya konmuş ve çalışmanın sonuçları ile birlikte ileride yapılacak çalışmalar için öneriler verilmiştir. Bu çalışma ile geliştirilen konumlandırma sisteminin açık denizlerde petrol/doğal gaz arama çalışmalarının yoğunlaştığı çevre denizlerdeki tüm çalışmalarda hizmet vermesi beklenmektedir. Ayrıca bu sistem sadece açık denizlerde petrol/doğal gaz arama çalışmalarında değil, denizlerde ve karalarda gerçek zamanlı konumlandırmaya gereksinim duyulan herhangi bir çalışmaya da uyarlanarak kullanılabilecektir.Crude oil and natural gas (hydrocarbon) have been collectively termed with the development of the world, economy, industry, wealth level, technology and political stability and strategically become a primary energy source in today’s world. If we have look at the proceedings of technology, it can easily be understood that driving force is coming from the Research and Development (R&D) studies in either military researches or research activities in petroleum industry. At the beginning of the 21th century, there have been research activities carried by most of the developed countries which has focused to find alternatives for energy which is produced from petroleum products, especially usage for vehicles, but finding alternatives for petrochemical industry is nearly impossible. In Turkey, there are not petroleum/natural gas reserves abundant which are plenty of and produced relatively easier methods in the neighboring countries, especially southeastern neighbours, because of the faulty nature of geological structure caused by tectonic movements in most of the regions of the country. So, our country is not a “petroleum” country. Petroleum production of Turkey can only meet %10 of the required amount, the rest is being imported. In last years, petroleum industry turns to offshore besides land areas for exploration activities. Because there are not important petroleum/natural gas reserve discoveries in the land areas, Turkey has been focused exploration activities as well in surrounding offshore areas, especially after the discovery of natural gas offshore of Akçakoca-in Black Sea in the beginning of 2000s. In our region, there have been exploration activities in offshore areas, especially in Black Sea Basin and Mediterranean Sea, and offshore drilling rigs have continued to drill exploration wells. It is obvious that this topic will keep hot for a long time in the next future. Petroleum exploration activities in offshore environments are costly and have a lot of stages. Drilling is a stage which gives concrete results and information about sub-bottom of the sea areas. In order to drill exploration wells in offshore areas, jack-up rig is used in shallow waters while semi-submersibles or drillships are used in deep/ultra deep waters. For the wells that are planned to drill in the offshore sea areas, petroleum platforms must be transported from another well location that was drilled before or from a port in which the platform stays to new well location whose coordinates are predefined. Carrying this platform (this process is called Rig Moving) to this location by its own engine or by trailer vehicles and locating the axis direction of the drilling rig of the platform to predefined targeted well (on sea surface) precisely staying inside of positioning tolerance are fundamental parts of whole study. Cost of a well drilled in shallow waters is generally a number of ten million dollars while a number of hundred million dollars in deep/ultra deep waters. Thus, even a small deviation from the planned route of the platform may delay whole study and cause extra costs. Positions of points which are decided to drill exploration wells in offshore areas are defined according to some studies, such as geophysics seismic data acquisition, data processing, geophysics seismic interpretation, mapping and modeling; moreover, a lot of factors are taken into consideration. In another words, there should be nearly 200 factors together at the same time for existence of petroleum in a location. Therefore, positioning the platform’s ‘rotary table’ precisely and asap to predefined targeted well coordinates staying inside of positioning tolerance is very important. Similarly, precise positioning is also necessary for development studies or production activities for previously drilled wells. In addition, if the axis of the drilling rig’s ‘rotary table’ passes over the security circle limits during drilling because of the movements of semi-submersible or drillship platform that is conveyed to planned well location, the equipment may be injured and this situation may prevent whole study to proceed. Correct real time positioning (dynamic positioning) data is necessary in order to keep these movements in predefined limits. In Turkey there are no dedicated technological equipment, software and technical staff for such studies and it is determined that this services have still been done by experienced foreign companies. Positioning in offshore environments is very important task because all measurements and other activities in the sea are generally based on location, namely the coordinates. Even a small error encountered in positioning may make invalid expensive hydrocarbon exploration activities in offshore. Generally, there are at least two positioning systems in positioning activities in offshore environments: one is basic while another one is spare. In recent years, DGPS has replaced the traditional positioning systems and it has been used as primary system nearly for all applications, because it is worldwide and provides high accuracy. Nevertheless, sometimes DGPS may not provide required accuracy or cannot determine positions at all or even usage of the GPS may be restricted. Relying on only GPS is unfavourable. Moreover, with regard to the geodesy philosophy that requires measurement and positioning confidence, spare measurements are necessary. Therefore, using another global satellite based positioning systems (e.g. GLONASS and GALILEO) as well and integration with positioning systems which are based on different principles (radio based territorial systems, additional sensors etc.) are significant in offshore. In a dynamic environment, such as sea, especially DGNSS and gyrocompass provide a good integration. The main aim of this thesis is to develop a positioning and monitoring system (a tool, equipment and a software system that provides integration of positioning systems) which will direct the navigation of petroleum platforms which are used to drill petroleum/natural gas exploration wells while they transport between two locations and position them onto the targeted well locations. This system will also provide users to control platforms in desired areas and to track them dynamically during drilling where they are located on. When this study which is the first attempt in this area reaches its target, removing the dependency to foreign companies which focus on these specific areas, preventing to spend a lot of money which is paid to foreign companies, and making our country to gain such skills are expected. In the scope of this study, it is anticipated to use three dual frequency GNSS receivers compatible with GPS and GLONASS and GALILEO for determining real time positions of the ‘rotary table’ of the rig’s drilling string. In addition, a gyrocompass sensor is included into equipment in order to measure real time azimuth of the platform. Within the research activities, especially it is targeted to carry out studies for compatible integration of the electronic equipment and obtaining real time corrections for positioning measurements which can be acquired by different methods (e.g. DGNSS, RTK) and different devices (e.g. GSM modem, radio modem, internet) from different sources (e.g. satellite, base station, network) and finally to develop a positioning software. In this context, previous positioning studies in offshore and available rig positioning systems were reviewed and determined their adequacy. After that, deficiencies which may be improved were defined. Sources and communication means for correction data for acquiring real time positions precisely were investigated and a reference station was set up which can be used in study areas. A system design which ensures integration of the components was realized and mathematical and geometric formulas were provided. Flowcharts for positioning software which is the most important element of the positioning system were prepared and MariNAV positioning software was developed. MariNAV positioning software extracts coordinate and azimuth values from NMEA sentences which come from GNSS and gyrocompass sensors respectively to the computer and calculates the coordinates of the rig’s ‘rotary table’ in real time. MariNAV also visualizes the platform’s position on the earth in a GUI (Graphical User Interface) according to Spatial/Geographic Information System approach. Thus, it provides users control over the platform and writing generated information during positioning into the database it also ensures users the possibility to query and analyze the information afterwards. Finally, tests of the system were carried out and capabilities of the system and points which can be studied in the future were determined and in addition to the results of the study, recommendations for future works were given. It is anticipated that the positioning system which was developed within this study will firstly serve for all of the petroleum/natural gas exploration activities which concentrate on the surrounding offshore areas of Turkey. Additionally, this system will not only be used for offshore petroleum/natural gas exploration activities but also it will be able to be used after adaptation for any study which requires real time positioning both in sea or land areas.DoktoraPh