журнал "Нефть. Газ. Новации", № 10/2021>>
Освоение подводных месторождений углеводородов — сложная комплексная задача. Помимо инженерии и подводно-технических работ сегодня на первый план выходят вопросы экологии и рентабельности, что диктует необходимость детального моделирования морских операций с использованием данных оперативной океанографии для ориентирования в крупномасштабных, мезомасштабных и тонкоструктурных морских полях.
Уходят в прошлое обитаемые надводные стационарные платформы с сотнями человек персонала, задействованного в морских условиях. Робототехника используется в донной инфраструктуре месторождений, смещая «человеческий фактор» в комфортные береговые центры.
К 2016 г. технология подводных добывающих комплексов (ПДК) была реализована на 130 морских месторождениях (рис.1). Классическая схема предполагает использование многочисленных судов, с которых экспедиционным методом долго и дорого ведутся геологоразведка, освоение, ввод в эксплуатацию и сама эксплуатация с привлечением телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА). При этом приходится терять время на мобилизацию, транзит на расстояние 100 и более миль, ожидание погодного окна, работу с удержанием позиции, сжигая тонны топлива, расходуя моторесурс и повышая себестоимость проекта.
Рис.1 Пример подводой инфраструктуры месторождения
Необходимы технологии, повышающие производительность и сокращающие операционные затраты. Выход — роботизация на примере проекта Ормен Ланге (Норвегия), где контроль и мониторинг в районе месторождения (давление, температура, геометрия морского дна) выполняют автоматические донные станции, образующие посредством гидроакустической связи и безэкипажной дистанционно управляемой надводной платформы сетевой интернет вещей с выходом через спутниковый радиоканал на береговой центр управления.
На этом принципе сетевых технологий участники проекта Ормен Ланге компании Royal Dutch Shell и Equinor на практике применили технологии подводной резидентной робототехники.
Резидентная робототехника – новейший класс морских робототехнических комплексов (МРТК) для постоянного функционирования на акватории с базированием на подводные доковые станции для подзарядки, смены инструмента, реконфигурации и связи с береговым или судовым центром управления.
Рис.2 Примеры зарубежных интервенционных аппаратов резидентного базирования
Основу составляют гибридные необитаемые аппараты (ТНПА/АНПА) интервенционного класса (рис. 2), выполняющие:
- осмотр и мониторинг;
- легкие «интервенционные» операции: работу с гидравлическими разъемами и поворотными клапанами, подключение электрических кабелей ПДК, очистку разъёмов, отбор проб жидкостей или грунта;
- тяжелые «интервенционные» операции: замену сменных блоков ПДК, переключение дроссельных модулей, строительство и ремонт.
Управление резидентным МРТК обеспечивается через доковые станции, подводные ретрансляторы и/или на основе встроенных интеллектуальных адаптивных систем автономного функционирования и взаимодействия с другими роботами (элементами групповой технологии).
Большинство доковых 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.
В России внедрены подводные добычные комплексы, и есть тренд развития подводной робототехники и сопутствующих технологий для освоения и эксплуатации морских месторождений, что подтверждает программа инновационного развития ПАО «Газпром».
С 2012 г. АО «НПП ПТ «Океанос» и ФГБОУ ВО СПбГМТУ в инициативном порядке разрабатывают инновационные элементы единого комплекса резидентной робототехники: подводный и волновой глайдеры, манипулятор, кастомизированные ТНПА, морские групповые технологии. В 2018 г. создан первый в России демонстратор технологий легкого интервенционного АНПА (ЛИ АНПА) с 5-ти степенным манипуляторным комплексом (МК) с электромеханическим приводом (рис. 3). На борту аппарата кроме адаптивной программно-модульной системы управления реализованы системы гидроакустической навигации, технического зрения, безджойстикового управления МК, беспроводной подводной оптической связи со скоростью передачи данных до 20 Мбит/с и др.
Рис.3 Демонстратор технологий легкого интервенционного автономного необитаемого подводного аппарата ЛИ АНПА
Модульность позволяет мобильно реконфигурировать системы управления верхнего и среднего уровня, дополнять список задач и корректировать уже поставленные миссии. Аппарат работает в дистанционном проводном/беспроводном и автономном режимах.
В ходе натурных испытаний и исследований на полигоне подводной робототехники испытательного бассейна СПбГМТУ (рис.4) успешно отработаны:
- дистанционная работа МК на макете подводной панели ПДК через оптический канал связи видеосистемы и телеметрии ЛИ АНПА;
- автоматизированные работы МК на макете подводной панели ПДК с помощью технического зрения;
- автоматический выход ЛИ АНПА и удержание целевой позиции в процессе пробоотбора грунта;
- удержание ЛИ АНПА и/или МК в заданной позиции в недетерминированной среде (с учетом внешних возмущающих воздействий).
Рис.4 Эксперименты по работе демонстратора технологий ЛИ АНПА с макетами панелей ПДК и процесс забора грунта
Параллельно ведется работа по созданию единой океанологической обсерватории/сервисной донной станции для группы разнородных МРТК.
Удаленный пункт управления выполняет диагностику необитаемых аппаратов, находящихся в доке сервисной станции, анализирует выполнение миссий, формирует базу данных. Сюда же поступает информация с сенсорной базы выносных приборов океанографических обсерваторий, результаты проверок состояния ПДК, данные телеметрии групп аппаратов, выполняющих миссии.
Оператор пункта управления может удаленно управлять аппаратом, в случае сервисных работ МК в районе ПДК или стыковки аппарата с доковой станцией.
Для этого АО «НПП ПТ «Океанос» реализована технология удаленного контроля и управления резидентными МРТК на базе системы дальней связи LoRa. Эта технология успешно апробирована МЧС России во время морского натурного эксперимента по удаленному управлению ТНПА в целях мониторинга подводных потенциально опасных объектов. Блок управления и оператор ТНПА располагались на береговом пункте, а спускоподъемная система и рабочее тело аппарата находились в 250 м от берега на безэкипажной платформе на базе шлюпки Ял-4П. Благодаря разработанной системе было выполнено успешное дистанционное управление ТНПА, получена вся сервисная информация с телеметрии аппарата.
АО «НПП ПТ «Океанос» продемонстрировало возможность применения разработанных технологий и систем в задачах подводной нефтегазодобычи. Резидентная робототехника обеспечит круглогодичную работу на арктическом континентальном шельфе в течение длительного времени без привязки к ледовым условиям. Сложные адаптируемые и интеллектуальные алгоритмы управления позволяют безопасно взаимодействовать и функционировать в неизвестной (частично известной) динамически изменяющейся морской среде.
Концепция донной многофункциональной океанографической обсерватории с базированием резидентной робототехники решает проблему круглогодичного океанологического и экологического мониторинга, а также круглогодичной эксплуатации донной нефтегазовой инфраструктуры в тяжелых условиях Арктики. Снижение операционных расходов на подобные работы и вне Арктического региона будут востребованы на внутреннем и внешнем рынке. При этом разработанная концепция системы удаленного контроля и управления позволит сократить затраты на выполнение мониторинговых и сервисных работ.
авторы: Занин В.Ю., Маевский А.М.
