Растущий мировой спрос на нефть и газ в комплексе с истощением месторождений в исторически сложившихся районах добычи приводит нефтяную промышленность к задачам, связанным с работами в глубоководных и труднодоступных районах Мирового океана. Перспективные месторождения зачастую располагаются все дальше от берега, что вызывает качественно новые технические, логистические, экологические и технологические проблемы. В итоге перед нефтегазовыми компаниями ставятся еще более сложные задачи по организации обнаружения и обеспечения добычи полезных ископаемых на континентальном шельфе и в перспективе на океаническом дне.

Актуальность развития морской резидентной робототехники 

Освоение ресурсов Мирового океана, в частности глубоководных месторождений углеводородов [1], является сложной комплексной задачей, требующей решений не только в плоскости инженерии и подводно-технических работ. Повышенное внимание в современных условиях к вопросам экологии и эффективности уже оказывает значительное влияние на технико-экономические обоснования перспективных проектов и текущую деятельность по существующим месторождениям на самых разных стадиях разведки и эксплуатации. Морские операции переживают период «цифровизации» [2]. Усложняется и детализируется само планирование морских операций, вернее сказать моделирование, где ведущую роль играет анализ рисков [3], для корректного проведения которого теперь недостаточно просто океанологических данных, а необходимы данные оперативной океанологии, позволяющие ориентироваться уже не только в крупномасштабных, но и в мезомасштабных и тонкоструктурных полях движений вод [4]. На наших глазах уходят в прошлое технологии массового применения обитаемых надводных стационарных платформ со всей сопутствующей свитой технологий обеспечения и сотнями человек задействованного персонала непосредственно в морских условиях. Всё шире из опытной [5] в коммерческую [6, 7] эксплуатацию переходят робототехнические технологии как в самой, теперь уже донной, инфраструктуре месторождений, так и в инновационных средствах обеспечения, смещая «человеческий фактор» в комфортный уют береговых центров, причём начиная с самых первых шагов месторождения как такового [8–10] и не заканчивая его последним продуктивным днём, переходя в длительное мониторинговое сопровождение [11, 12].

В мировой практике использование подводных добывающих комплексов (ПДК) в донной инфраструктуре месторождений [13–15] нашло широкое применение: к 2016 г. уже насчитывалось более 130 морских месторождений, где применялись подводные технологии добычи углеводородов. Эта технология основывается на системе подводного заканчивания скважин, устья которых располагаются на морском дне, и дополняется различными донными технологическими устройствами (сепараторы, компрессоры и т.д.). Например, на континентальном шельфе Норвегии внедрены технологии подводной добычи на месторождениях Снёвит и Ормен Ланге. По классической схеме освоения данных месторождений сначала большой объём работ, выполнявшийся с использованием научно-исследовательских судов (НИС), с которых экспедиционным методом долго и дорого велись океанографические, экологические, сейсмические, геотехнические исследования, гидрографическая съёмка рельефа дна, далее шли освоение, ввод в эксплуатацию и сама эксплуатация с безусловно широким задействованием различных образцов уникальных и специализированных судов обеспечения и робототехники – телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) рабочего и осмотрового классов, дистанционно управляемых инструментов. Пример выполнения работ типичными ТНПА на донной инфраструктуре представлен на рисунке 1.

При этом и НИС, и конструкционным судам, и судам обеспечения ТНПА обычно приходилось терять время на мобилизацию/демобилизацию, транзит на расстоянии 100 и более миль, работу с удержанием позиции или штормование в ожидании погодного окна, сжигая тонны и тонны топлива, расходуя моторесурс и повышая себестоимость проекта. Совокупность стоимости обслуживающего судна, работ операторов ТНПА и времени необходимого для выполнения работ ведёт к высоким временным и экономическим расходам. Общие инвестиции на 2014 год составили более 50 миллиардов долларов [16, 17] (включая береговой завод по подготовке газа). И это всё ещё с учётом экологической и технологической нормативной базы «до позеленения энергетики». Как следствие, сегодня, в эпоху волатильности цен на углеводороды, необходимы такие технологии, которые повышали бы производительность при одновременном сокращении затрат на выполнение работ. И на том же Ормен Ланге реальным выходом стала роботизация, в частности полная передача функций мониторинга морского дна в районе месторождения (давление, температура, геометрии (наклонов, просадки) морского дна), как элемента управления месторождением автоматическим донным станциям, образующим посредством гидроакустической связи и безэкипажной дистанционно управляемой надводной платформы сетевой интернет вещей с выходом через спутниковый радиоканал на береговой центр управления [18, 19]. На этом же принципе сетевых технологий и в абсолютно тех же самых целях участники проекта Ормен Ланге в лице компаний Royal Dutch Shell и Equinor развили в практическую плоскость технологии подводных резидентных систем морской робототехники. 

Резидентная робототехника – современный тренд в области освоения шельфовых месторождений

Резидентная робототехника – новейший класс морских робототехнических комплексов (МРТК), предназначенных для постоянного функционирования на акватории с базированием на подводные доковые станции, обеспечивающие подзарядку, смену инструментария и конфигурации аппарата в зависимости от типа планируемой миссии, коммуникации с береговым или судовым центром управления. Подводные резидентные системы являются самым развивающимся и востребованным направлением морской робототехники в мире [20–22]. Основой подводных резидентных систем является разработка интервенционных необитаемых аппаратов, как правило гибридных исполнений (ТНПА/АНПА), отличающихся своей многофункциональностью и высоким уровнем интеллектуализации, а также имеющих целый ряд сопутствующих технологий, обеспечивающих процесс длительного функционирования аппаратов в экстремальной морской среде.

Резидентная робототехника может быть включена как в состав донной инфраструктуры нефтегазового месторождения, в том числе с базированием МРТК на донные или расположенные в водной толще доковые станции, имеющие энергетические и командные коммуникации с объектами надводной (коммуникационные или энерго-коммуникационные буи, безэкипажные дистанционно управляемые надводные платформы, суда) или береговой инфраструктуры, так и в экологические и океанологические обсерватории, также задействованные в технологиях морской газо- и нефтедобычи [23]. Управление резидентным МРТК обеспечивается частично дистанционно через доковые станции, подводные ретрансляторы и/или на основе встроенных интеллектуальных адаптивных систем, обеспечивающих автономное функционирование с учётом адаптивности, реконфигурируемости и взаимодействия с другими роботами (элементы групповой технологии). Операции, выполняемые такого рода аппаратами, носят название «интервенционные», что буквально означает «воздействие или работу с неким объектом». Класс сложности данных операций крайне велик ввиду многочисленных факторов неопределенности, начиная с недетерменированности среды функционирования МРТК, заканчивая сложной внутренней системой сопряженного взаимодействия манипулятор – ТНПА/АНПА.

Как видно из рисунка 2, авторами выделены основные типы выполняемых АНПА задач: задачи, содержащие в себе операции осмотрового типа, и задачи, состоящие из «интервенционных» операций [24]. Так, к интервенционным задачам робототехники можно отнести условно «легкие» задачи, связанные с работой манипуляторного комплекса с гидравлическими разъемами и поворотными клапанами, с подключением/отключением электрических кабелей ПДК, очисткой разъёмов, пробоотбором жидкостей/грунта и прочее. К условно «тяжелым» операциям относятся задачи, связанные с заменой сменных модулей ПДК, переключением дроссельных модулей, строительные и ремонтные работы.

О результатах интенсивной работы в области проектирования и применения подводных резидентных аппаратов [25–28] свидетельствуют фотографии разработанных резидентных систем, представленные на рисунке 3.

Как уже отмечалось, наличие доковых станций для резидентных аппаратов является необходимым фактором, расширяющим имеющийся функционал и увеличивающим потенциал от применения данных ТНПА/АНПА. Доковые базовые станции это:

·      основные элементы глобальных информационных сетевых структур для исследования и наблюдения за Мировым океаном в различных целях;

·      платформы-носители приборных систем и комплексов (способны вести исследования и мониторинг непосредственного окружения в режиме реального времени);

·      унифицированные силовые и информационные узлы для подводной техники различных типов, производителей, в т.ч. автономных необитаемых аппаратов, подводных глайдеров и т.д.

Большинство станций имеет собственный приборный отсек с процессинговым модулем, высокоскоростной канал цифровой проводной или беспроводной (4G) связи с береговым центром управления, бесконтактные разъемы электропитания (для подключения и подзарядки различных типов аппаратов) и т.д., как приведённый на рисунке 4 проект унифицированной донной доковой станции Blue Logic.

Отечественное направление исследований и разработок в сфере резидентной робототехники

На данный момент в РФ ведется активное обсуждение вопроса развития подводной робототехники и сопутствующих технологий. Программы инновационного развития ПАО «Газпром» имеют соответствующие пункты, подтверждающие необходимость разработки и внедрения технологий «освоения нефтегазовых объектов на шельфе с использованием подводных добычных систем» и «подводных робототехнических комплексов для контроля технического состояния объектов обустройства морских месторождений».

АО «НПП ПТ «Океанос» совместно с ФГБОУ ВО СПбГМТУ с 2012 года ведет инициативную последовательную разработку ряда инновационных проектов, направленных на развитие сферы резидентной робототехники [20–23]. Подводный глайдер и манипулятор, волновой глайдер, кастомизированные ТНПА, а также направление морских групповых технологий обеспечивают всесторонне интеграцию имеющихся наработок в единый комплекс резидентной робототехники. С 2018 года кооперация работ с научными предприятиями ООО «Световые системы» и АО «Зеленоградский инновационно-технологический центр» позволила реализовать комплексную разработку первого отечественного демонстратора технологии легкого интервенционного АНПА [29] с системой беспроводной подводной оптической связи высокой производительности, изображенного на рисунке 5.

Существующий демонстратор технологий ЛИ АНПА оснащен пятистепенным манипуляторным комплексом с электромеханическим приводом [30] собственной разработки, способным в автоматическом и автономном режиме выполнять широкий спектр технических задач в нефтегазовой отрасли и работах по освоению ресурсов океана. Задачи, отрабатываемые на демонстраторе технологий: мониторинг подводной обстановки, подводные осмотровые и инспекционные работы, операции по управлению и обслуживанию донных объектов с помощью манипуляторного комплекса, выполнение работ по забору фракций грунта и иных образцов. Для успешного решения поставленных задач на борту ЛИ АНПА реализованы системы гидроакустической навигации, технического зрения, беспроводной подводной оптической связи, которая позволяет передавать информацию на скорости до 20 мбит/с, адаптивная программно-модульная система управления аппаратом, система безджойстикового управления МК и другие [31]. Аппарат способен работать как в дистанционном проводном/беспроводном, так и автономном режимах, что необходимо в практических задачах резидентной робототехники (рисунок 6).

С целью апробации разработанных технологий были проведены натурные испытания, исследования и показы на полигоне подводной робототехники испытательного бассейна ФГБОУ ВО СПбГМТУ [32], отображенные на рисунке 7. В ходе испытаний были проведены следующие работы:

- выполнение дистанционной работы МК на макете подводной панели ПДК (с учетом передачи данных видео системы и телеметрии ЛИ АНПА через оптический канал связи);

- выполнение автоматизированных работ МК на макете подводной панели ПДК (с учетом работы системы технического зрения);

- выполнение работ по автоматическому выходу ЛИ АНПА и удержанию целевой позиции в процессе выполнения работ по забору грунта;

- выполнение работ по удержанию позиции ЛИ АНПА и/или исполнительной степени манипуляторного комплекса в заданной позиции в недетерминированной среде (с учетом внешних возмущающих воздействий);

Таким образом, успешное выполнение подобных операций в автономном и автоматизированном режиме в рамках представленных результатов демонстрирует научную и практическую ценность и актуальность разработанной программно-аппаратной системы.

Модульность разработанной системы позволяет производить мобильную реконфигурацию системы управления верхнего и среднего уровня, дополнять список выполняемых задач и вносить корректировки в уже поставленные миссии.

Разработка данного демонстратора лежит в общем плане работ по разработке единой комплексной системы океанологической обсерватории/сервисной станции, которая включает в себя использование групп разнородных МРТК и донных многофункциональных океанографических обсерваторий [33, 34], представленных на рисунке 8.

 На наземном пункте удаленного контроля и управления осуществляются работы по диагностике систем необитаемых аппаратов, находящихся в доке сервисной станции, анализируются данные выполненных миссий, формируется база данных полученной информации. Ведется контроль информации от сенсорной базы выносных приборов океанографических обсерваторий, данных мониторинга и проверок состояния ПДК, получение данных телеметрии групп аппаратов, находящихся в процессе выполнения поставленных задач. Еще одним важным моментом пункта контроля и управления является возможность осуществления прямого удаленного управления аппаратом, в случае выполнения сервисных работ манипуляторным комплексом в районе ПДК или выполнения задачи стыковки аппарата с доковой станцией. Для этого АО «НПП ПТ «Океанос» была реализована система удаленного контроля и управления резидентной робототехникой на основе системы дальней связи LoRa.

Практическая работа системы связи была успешно апробирована в процессе проведения натурного эксперимента в морских условиях по удаленному управлению ТНПА в целях мониторинга подводных потенциально опасных объектов (ППОО). В рамках испытания блок управления и оператор ТНПА располагались на береговом пункте, а спуско-подъемная система и рабочее тело ТНПА находились на безэкипажной надводной платформе на базе шлюпки Ял-4П, находящейся в 250 м от берега. Благодаря разработанной системе было выполнено успешное дистанционное управление ТНПА, получена вся сервисная информация с телеметрии аппарата. Иллюстрации с натурного эксперимента приведены на рисунке 9.

Заключение

Развитие области морской робототехники в РФ ни у кого не вызывает сомнений. Целый ряд нерешенных проблем и крайняя необходимость расширения функциональных возможностей уже имеющихся технологий неизбежно приведут к росту производства и спроса на интеллектуальные подводные робототехнические системы. Проведенный анализ показал, что в РФ имеется целый ряд документов, содержание которых направлено на разработку и реализацию проектов, которые смогли бы удовлетворить потребность нефтегазовой отрасли в применении МРТК.

Работы, проведенные АО «НПП ПТ «Океанос», демонстрируют возможность применения разработанных технологий и систем в задачах обеспечения и обслуживания систем нефтегазодобычи. Применение резидентных технологий открывает возможности для круглогодичной работы на континентальном шельфе в арктических условиях в течение длительного времени без привязки к ледовым условиям. Сложные алгоритмы управления являются адаптируемыми и интеллектуальными, что позволяет осуществлять безопасное взаимодействие и функционирование в неизвестной (или частично известной) морской динамически изменяющейся среде.

Предложенный концепт-проект донной многофункциональной океанографической обсерватории с базированием резидентной робототехники позволит обеспечить решение проблемы круглогодичного мониторинга океанологических и экологических задач и круглогодичной эксплуатации донной нефтегазовой инфраструктуры в условиях ледовой обстановки Арктического региона, а также в свете снижения операционных расходов на подобные работы и вне Арктического региона, будет востребован и на внешнем рынке. А разработанная концепция системы удаленного контроля и управления позволит сократить затраты на выполнение мониторинговых и сервисных работ.

Журнал Neftegaz.ru №11 (119), Ноябрь 2021

Новости по теме:

11.11.2021 Резидентная робототехника как эффективный инструмент обеспечения подводных газо- и нефтепромыслов