金 顥

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司，廣東 深圳

1. 前言

有纜遙控水下機(jī)器人是人類認(rèn)識(shí)、開發(fā)海洋的必要工具之一，也是建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)、捍衛(wèi)國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必需技術(shù)手段[1]。

海洋機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)時(shí)期：20世紀(jì)60年代，載人潛水器(HOV)的出現(xiàn)是第1階段的標(biāo)志；第2階段，在20世紀(jì)70年遙控水下機(jī)器人(ROV)迅速發(fā)展[2]；第3階段大約為20世紀(jì)80年代，以自主水下機(jī)器人(AUV)的發(fā)展和水面機(jī)器人(USV)的出現(xiàn)為特征；現(xiàn)階段已經(jīng)進(jìn)入了混合型水下機(jī)器人的時(shí)代。根據(jù)ROV在海洋石油行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展需求，提出了ROV發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和趨勢(shì)，對(duì)海洋石油設(shè)施檢查、維護(hù)和維修具有一定的指導(dǎo)意義。

南海東部海域A深水油田距香港240 km，井口區(qū)域水深約300 m。該油田采用水下井口開發(fā)模式，油氣通過(guò)海底管道輸送至浮式生產(chǎn)貯油系統(tǒng)。油田應(yīng)用的水底臥式采油樹在建造期間和現(xiàn)場(chǎng)安裝期間應(yīng)用了遙控機(jī)器人參與作業(yè)。

2. ROV及臥式采油樹

ROV與潛水員相比，其在深水作業(yè)中的作業(yè)時(shí)間不受限制，由地面控制單元的遠(yuǎn)程操作，運(yùn)行環(huán)境相對(duì)安全，操作深度可達(dá)3000 m以上；水下操作功率大，能完成潛水員無(wú)法完成的工作；支持較少的設(shè)備，操作和維護(hù)比飽和潛水作業(yè)容易。水下采油樹是一種控制和調(diào)節(jié)油井產(chǎn)量的裝置，為鋼絲繩、電纜和連續(xù)油管作業(yè)提供了條件和通道。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，可分為立式和臥式兩種[3] [4]。深水油氣田開發(fā)中通常使用一種水平的臥式采油樹。該種樹的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)ROV操作更加友好，使用機(jī)械手或扭矩工具來(lái)控制樹的閥門較為方便。

南海東部海域A深水油田使用的臥式采油樹的工作壓力級(jí)別為5000 psi (34.5 MPa)，采油樹主體為普通碳鋼鑄造，與產(chǎn)出液接觸的面選用HH等級(jí)材料，主通通徑為4.5 in，重量約為38 t。該項(xiàng)目使用的ROV功率為125馬力，包括1個(gè)七功能機(jī)械手，具備常規(guī)觀察、提供液壓及大功率扭矩的機(jī)械操作功能。

3. ROV安裝臥式采油樹作業(yè)

3.1. ROV參與系統(tǒng)整體測(cè)試

每批次臥式采油樹在投入使用之前均需進(jìn)行一系列試驗(yàn)測(cè)試，如工廠測(cè)試和系統(tǒng)完整性測(cè)試(SIT)等。工廠測(cè)試可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否合理及發(fā)現(xiàn)加工制造過(guò)程中的質(zhì)量和工藝問(wèn)題，并為后續(xù)的SIT打下基礎(chǔ)。SIT的主要目的是測(cè)試包括ROV在內(nèi)的相關(guān)安裝設(shè)備與采油樹系統(tǒng)的兼容性，ROV與采油樹之間界面是否設(shè)計(jì)合理，安裝工具之間是否有相互干涉的現(xiàn)象。同時(shí)使客戶和其他相關(guān)合作方熟悉設(shè)備系統(tǒng)以及作業(yè)流程等，為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)安裝做好準(zhǔn)備工作。

ROV在系統(tǒng)整體測(cè)試作業(yè)中主要參與采油樹面板上閥門開關(guān)工具的就位、操作應(yīng)急剪切管和拔插采油樹帽上的液壓和電源插頭等。模擬就位采油樹安裝期間所需的修井控制系統(tǒng)(IWOCS)，并開展相應(yīng)操作。臥式采油樹的部分部件和設(shè)備在水底條件下設(shè)計(jì)為可更換，如臥式采油樹中央控制器、流量閥和油嘴等。在SIT測(cè)試過(guò)程中，ROV需要實(shí)際操作上述可更換配件的拆裝作業(yè)。采油樹系統(tǒng)復(fù)雜，液相、電路及機(jī)械界面多，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免發(fā)生干涉的情況，通過(guò)SIT可以有效發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，為高效開展現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在南海東部海域A深水油田臥式采油樹SIT過(guò)程中用到設(shè)備包括：118 t吊車、升降機(jī)、ROV (100 HP，可提供10000 psi液壓，水下拖拽力約3000 N)。

3.2. 現(xiàn)場(chǎng)海底外觀巡查

ROV按照作業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)水下采油樹或井口結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀檢查，以確定目標(biāo)對(duì)象及其附近的海底沒(méi)有障礙物，任何一個(gè)障礙可能影響采油樹安裝和回收作業(yè)的順利開展；作業(yè)過(guò)程中，觀察記錄井口的水平度，閥門指示器的狀態(tài)，指導(dǎo)地面工程師制定可行方案和進(jìn)行相應(yīng)操作；在所有安裝工程完成后，ROV還將對(duì)作業(yè)對(duì)象及周圍環(huán)境進(jìn)行全面的外觀巡查和錄制視頻并存檔。

3.3. 揭開/關(guān)閉井口蓋

在安裝作業(yè)前，ROV下潛至水下井口處，使用機(jī)械手將井口蓋揭開，并將其放置在井口底板附近合適的位置。在揭開井口蓋后，如發(fā)現(xiàn)井口密封面上有海生物堆積，ROV可更換專用的清潔和打磨工具對(duì)密封面進(jìn)行清潔和拋光處理。在完成采油樹安裝作業(yè)后，ROV將井口蓋回位。

3.4. 追蹤/監(jiān)視采油樹下入

臥式采油樹通過(guò)繩纜或鉆具從鉆井船或工程船下放至水下井口的過(guò)程中，深海海流等環(huán)境因素可能帶來(lái)一些不利影響。為了實(shí)時(shí)定位臥式采油樹的深度信息并確保樹的安全，ROV需要在采油樹下入水底的過(guò)程中不間斷地跟蹤和觀察目標(biāo)。由于海浪原因，鉆井船或工程船一直存在縱向上的升沉運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)周期3 s左右，ROV為了消除該種高頻運(yùn)動(dòng)影響，實(shí)時(shí)跟蹤采油樹的位置，ROV的臍帶線纜要補(bǔ)償、消除該種不利因素。

3.5. 輔助采油樹與井口連接

在臥式采油樹與水下井口對(duì)接操作中，由ROV從不同角度觀察兩者之間的相對(duì)位置，有條件的情況下可以考慮使用2臺(tái)ROV從不同角度觀察，以減少對(duì)接時(shí)間，提高工作效率，降低碰撞風(fēng)險(xiǎn)。安裝作業(yè)船舶操作員根據(jù)ROV操作員提供的位置參數(shù)調(diào)整船舶水平位置，同時(shí)水底臥式采油樹相對(duì)井口的位置也相應(yīng)得到調(diào)整，直到兩者成功連接。

3.6. 調(diào)整臥式采油樹艏向

由于安裝的臥式采油樹需與水下生產(chǎn)系統(tǒng)中的其他管匯接口對(duì)接，因此采油樹的艏向方位有較高的安裝要求。按照設(shè)計(jì)要求，A油田的臥式采油樹的安裝方位精度要求小于5?。在從工程船或鉆井船下入的水下采油樹的方位是隨機(jī)的，因此在采油樹與井口連接前必須按照設(shè)計(jì)要求調(diào)整采油樹的方向，以方便正確安裝在采油樹和其他海床結(jié)構(gòu)之間的連接管匯。采油樹上有對(duì)接孔，ROV通過(guò)該孔與采油樹剛性對(duì)接為一體。ROV利用自身帶有的高精度羅經(jīng)儀確定方位，隨后螺旋漿推力調(diào)整至設(shè)計(jì)所需的采油樹方位。在操作過(guò)程中，另一個(gè)ROV在附近觀察ROV和采油樹的位置。通過(guò)應(yīng)用該安裝方法，A油田的8顆采油樹成功安裝并達(dá)到安裝精度要求。

3.7. 鎖定/解鎖

完成臥式采油樹和井口對(duì)接后，ROV需要在采油樹面板上的液壓注入通道內(nèi)插入注壓工具，通過(guò)ROV系統(tǒng)內(nèi)的高壓泵注入高壓推動(dòng)采油樹鎖定井口頭的液壓缸，從而將臥式采油樹牢牢鎖定在井口頭上，逆過(guò)程可將采油樹從井口解鎖。A油田采油樹的鎖緊壓力為3500 psi (24.1 MPa)。

3.8. 完整性測(cè)試

采油樹安裝完成后，為了驗(yàn)證采油樹與井口連接的密封完整性，ROV從采油樹面板上相應(yīng)的注壓通道注入壓力。A油田采油樹的密封性試驗(yàn)壓力為3500 psi (24.1 MPa)。在測(cè)試過(guò)程中，ROV觀察壓力表的變化，15 min內(nèi)壓力沒(méi)有下降，表示測(cè)試成功，采油樹的安裝基本完成。

4. 技術(shù)發(fā)展方向

4.1. 工具攜帶能力待提高

海洋石油鉆井平臺(tái)及機(jī)具費(fèi)用昂貴，每天動(dòng)輒數(shù)百萬(wàn)人民幣，保證作業(yè)的連續(xù)性對(duì)項(xiàng)目控制成本至關(guān)重要。由于當(dāng)前工業(yè)應(yīng)用ROV的專一性，導(dǎo)致其在完成采油樹安裝的某個(gè)步驟和進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)前需要出水更換工具[5] [6]。每次更換工具起下、改裝和測(cè)試的時(shí)間平均需要3～5 h，對(duì)深水平臺(tái)來(lái)說(shuō)是個(gè)不小的成本負(fù)擔(dān)。往往一顆采油樹安裝期間需要多種工具，據(jù)統(tǒng)計(jì)A油田在采油樹安裝期間，平均更換工具的時(shí)間為3 h左右。

雖然當(dāng)前的ROV具備一定多工具的攜帶能力，但深水ROV應(yīng)朝著一次安裝全部工具的方向繼續(xù)研發(fā)，以減少頻繁起下更換工具的時(shí)間，既可以降低作業(yè)成本，也可以降低起下作業(yè)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)[7] [8]。

4.2. 應(yīng)研發(fā)更高效的工具

在A油田安裝采油樹的過(guò)程中，鎖緊采油樹后，發(fā)生壓力測(cè)試過(guò)程不能穩(wěn)壓的情況。其解決方式為解鎖采油樹與井口連接，對(duì)井口密封面進(jìn)行重新深度打磨，最終重新安裝采油樹并試壓合格，解決復(fù)雜情況。主要原因是ROV工具打磨井口的效率低，達(dá)不到精度要求。

應(yīng)在提升相關(guān)工具的效率上開展技術(shù)工作。另外，應(yīng)研發(fā)ROV可攜帶的光潔度檢測(cè)工具，盡量減少依賴人為主觀判斷，為技術(shù)決策提供科學(xué)手段，避免返工。

4.3. 高清和廣域視頻技術(shù)研發(fā)

在安裝臥式采油樹過(guò)程中，采用2臺(tái)ROV配合作業(yè)，其中一臺(tái)ROV主要起觀察作用，觀察正在施工ROV的臍帶纜狀態(tài)及與其他水下已安裝的設(shè)施的相對(duì)位置。陸相廣域視頻技術(shù)(360?攝像技術(shù))較為成熟，已投入工業(yè)應(yīng)用。如能將陸相的廣域視頻技術(shù)應(yīng)用到水下遙控機(jī)器人安裝臥式采油樹作業(yè)過(guò)程中，將可以讓ROV全方位的觀察自身周圍的環(huán)境，即節(jié)約一臺(tái)ROV的成本。

4.4. 導(dǎo)航與定位系統(tǒng)

由于上覆海水的影響，定位與導(dǎo)航技術(shù)是ROV在水下作業(yè)時(shí)正常安全運(yùn)行的首要保障，是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜程度很高的系統(tǒng)。目前用于水下導(dǎo)航的技術(shù)有引力導(dǎo)航系統(tǒng)，重力導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，地磁場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)，海底地形導(dǎo)航系統(tǒng)，長(zhǎng)基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計(jì)程儀組成推算導(dǎo)航系統(tǒng)等[9] [10]。不同技術(shù)之間優(yōu)缺點(diǎn)明顯，技術(shù)的選擇或者開發(fā)也是ROV行業(yè)的一大難題。高精度的可靠定位系統(tǒng)往往成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜，如A油田應(yīng)用的長(zhǎng)基線方式定位需要提前用工程船布置6個(gè)信標(biāo)才能確保其正常工作。因此，在不降低系統(tǒng)精度的同時(shí)，利用先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的復(fù)雜性是未來(lái)應(yīng)該努力的方向。

5. 結(jié)語(yǔ)

隨著深海油氣勘探的深入和ROV技術(shù)的不斷發(fā)展，ROV在深水油氣田開發(fā)過(guò)程中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐。ROV在南海東部海域A深水油田臥式采油樹安裝作業(yè)中起到非常關(guān)鍵的作用，為正常推進(jìn)作業(yè)進(jìn)度及提升施工質(zhì)量提供了有力保障。

[1] 朱康武. 作業(yè)型ROV多變量位姿魯棒控制方法研究[D]: [博士學(xué)位論文]. 杭州: 浙江大學(xué), 2012.

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[4] 吳水華, 劉景泰. 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)軟件組織體系結(jié)構(gòu)[J]. 機(jī)器人, 2003, 25(7): 731-736.

[5] 滕宇浩, 張將, 劉健. 水下機(jī)器人多功能作業(yè)工具包[J]. 機(jī)器人, 2002, 24(6): 492-496.

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[10] 陳宗恒, 盛堰, 陶軍. 遙控水下機(jī)器人(ROV)結(jié)構(gòu)綜述——以hysub130-ROV為例[J]. 海洋地質(zhì), 2009(3): 64-71.