Control of a thruster assisted position mooring system for a semi-submersible with an asymmetric mooring configuration

Abstract

Norsk kontinentalsokkel er værutsatt, spesielt over vinterhalvåret. Derfor er det behov for spesialbygde halvt-nedsenkbare borerigger for tøffe forhold. I et forsøk på å øke oppetiden, minske miljøutslipp og øke sikkerheten har flere boreselskap valgt å utstyre nybygg eller bygge om eldre rigger, slik at de kan bruke forankringssystemer på feltet. For enkelhetens skyld burde forankringen legges i en symmetrisk konfigurasjon. På grunn av subsea infrastruktur er dette ikke alltid mulig. Asymmetrien gjør systemet mer komplekst, fordi man får forskjellige forankringskrefter avhengig av posisjon rundt likevekt. Ekstremvær krever robust og presis posisjonering. Uhell relatert til thruster-assistert forankring tyder på at det fortsatt er rom for forbedring.

I denne avhandlingen lages en simulasjonsmodell for en forankret halvt-nedsenkbar plattform ved hjelp av Simulink/Matlab. Forankringssytemet modelleres med en kvasi-statisk tilnærming, hvor de opprettende kreftene påvirker fartøyet igjennom den lavfrekvente dynamikken. Videre, så foreslås en overordnet vekslingskontroller for bedre håndtering av det asymmetriske forankringssytemet. Målene for den foreslåtte kontrolleren er mer presis posisjonering og redusert energiforbruk. Ytelsen sammenlignes med en generisk kontroller som antar symmetrisk forankring. Simuleringer gjennomføres med varierende værforhold for å kvantifisere forskjellen på de to framgangsmåtene.

Simuleringene viser at den foreslåtte kontrolleren fører til mer presis posisjonering sammenlignet med den generiske kontrolleren. Forbedringen er derimot ikke like stor som forventet. Det at kontrolleren er mye «stivere» sammenlignet med forankringssystemet trekkes frem som en av grunnene til den begrensede forbedringen. Selv om den foreslåtte kontrolleren fører til mer presis posisjonering, så krever den også mer energi.

The exploration and production of oil and gas on the Norwegian continental shelf (NCS) has led to the demand for fit for purpose mobile offshore drilling units (MODU’s). The NCS experiences unforgiving weather, particularly over the winter months. Hence semi-submersibles built for harsh-environments are utilized in mid- to deep-water. In an effort to increase the operational window, redundancy and environmental emissions several drilling operators have equipped semi-submersible newbuilds or retrofitted existing vessels with mooring systems. For simplicity, the mooring systems should be laid in a symmetric configuration around the vessel. Due to subsea infrastructure or seabed conditions this is however not always possible. The asymmetry introduces complexity, because the restoring forces will vary with position around the mooring equilibrium position. Extreme weather requires robust and precise station-keeping systems. Incidents related to thruster assisted position mooring (TAPM) solutions suggest that there is still significant room for improvement.

In this thesis a simulation model of a moored semi-submersible is implemented using the Simulink/Matlab framework. The mooring system is modelled using a quasi-static approach, where the restoring forces act on the vessel through the low-frequency (LF) dynamics. Furthermore, a supervisor switching controller for better handling of asymmetric mooring systems is proposed. The objectives of the suggested controller are precise station-keeping and reduced fuel consumption. The performance is compared to a simple controller assuming symmetric mooring configuration. Simulations are carried out under varying environmental conditions to quantify variations between the two approaches.

The simulations show that the proposed controller leads to more precise station-keeping compared to the base case. However, the improvement was not of the magnitude expected. Having a significantly “stiffer” controller compared to the mooring system is believed to be one of the reasons for the limited gain. Furthermore, despite the proposed controller leading to more precise station-keeping, it came at the cost of higher energy consumption.