遙控機器人在深水A油田臥式采油樹作業(yè)中的應用

金 顥

中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東 深圳

1. 前言

有纜遙控水下機器人是人類認識、開發(fā)海洋的必要工具之一，也是建設海洋強國、捍衛(wèi)國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必需技術手段[1]。

海洋機器人的發(fā)展經(jīng)歷了4個時期：20世紀60年代，載人潛水器(HOV)的出現(xiàn)是第1階段的標志；第2階段，在20世紀70年遙控水下機器人(ROV)迅速發(fā)展[2]；第3階段大約為20世紀80年代，以自主水下機器人(AUV)的發(fā)展和水面機器人(USV)的出現(xiàn)為特征；現(xiàn)階段已經(jīng)進入了混合型水下機器人的時代。根據(jù)ROV在海洋石油行業(yè)中的應用現(xiàn)狀和未來發(fā)展需求，提出了ROV發(fā)展的關鍵技術和趨勢，對海洋石油設施檢查、維護和維修具有一定的指導意義。

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，油氣通過海底管道輸送至浮式生產(chǎn)貯油系統(tǒng)。油田應用的水底臥式采油樹在建造期間和現(xiàn)場安裝期間應用了遙控機器人參與作業(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)時間不受限制，由地面控制單元的遠程操作，運行環(huán)境相對安全，操作深度可達3000 m以上；水下操作功率大，能完成潛水員無法完成的工作；支持較少的設備，操作和維護比飽和潛水作業(yè)容易。水下采油樹是一種控制和調節(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)其結構，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。該種樹的結構設計對ROV操作更加友好，使用機械手或扭矩工具來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等級材料，主通通徑為4.5 in，重量約為38 t。該項目使用的ROV功率為125馬力，包括1個七功能機械手，具備常規(guī)觀察、提供液壓及大功率扭矩的機械操作功能。

3. ROV安裝臥式采油樹作業(yè)

3.1. ROV參與系統(tǒng)整體測試

每批次臥式采油樹在投入使用之前均需進行一系列試驗測試，如工廠測試和系統(tǒng)完整性測試(SIT)等。工廠測試可以檢驗設計是否合理及發(fā)現(xiàn)加工制造過程中的質量和工藝問題，并為后續(xù)的SIT打下基礎。SIT的主要目的是測試包括ROV在內的相關安裝設備與采油樹系統(tǒng)的兼容性，ROV與采油樹之間界面是否設計合理，安裝工具之間是否有相互干涉的現(xiàn)象。同時使客戶和其他相關合作方熟悉設備系統(tǒng)以及作業(yè)流程等，為后續(xù)現(xiàn)場安裝做好準備工作。

ROV在系統(tǒng)整體測試作業(yè)中主要參與采油樹面板上閥門開關工具的就位、操作應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)，并開展相應操作。臥式采油樹的部分部件和設備在水底條件下設計為可更換，如臥式采油樹中央控制器、流量閥和油嘴等。在SIT測試過程中，ROV需要實際操作上述可更換配件的拆裝作業(yè)。采油樹系統(tǒng)復雜，液相、電路及機械界面多，在設計過程中難免發(fā)生干涉的情況，通過SIT可以有效發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設計中存在的問題，為高效開展現(xiàn)場作業(yè)打下堅實的基礎。

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

3.2. 現(xiàn)場海底外觀巡查

ROV按照作業(yè)設計對水下采油樹或井口結構進行外觀檢查，以確定目標對象及其附近的海底沒有障礙物，任何一個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)過程中，觀察記錄井口的水平度，閥門指示器的狀態(tài)，指導地面工程師制定可行方案和進行相應操作；在所有安裝工程完成后，ROV還將對作業(yè)對象及周圍環(huán)境進行全面的外觀巡查和錄制視頻并存檔。

3.3. 揭開/關閉井口蓋

在安裝作業(yè)前，ROV下潛至水下井口處，使用機械手將井口蓋揭開，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密封面進行清潔和拋光處理。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

臥式采油樹通過繩纜或鉆具從鉆井船或工程船下放至水下井口的過程中，深海海流等環(huán)境因素可能帶來一些不利影響。為了實時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程中不間斷地跟蹤和觀察目標。由于海浪原因，鉆井船或工程船一直存在縱向上的升沉運動，運動周期3 s左右，ROV為了消除該種高頻運動影響，實時跟蹤采油樹的位置，ROV的臍帶線纜要補償、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接操作中，由ROV從不同角度觀察兩者之間的相對位置，有條件的情況下可以考慮使用2臺ROV從不同角度觀察，以減少對接時間，提高工作效率，降低碰撞風險。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)調整船舶水平位置，同時水底臥式采油樹相對井口的位置也相應得到調整，直到兩者成功連接。

3.6. 調整臥式采油樹艏向

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接，因此采油樹的艏向方位有較高的安裝要求。按照設計要求，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的，因此在采油樹與井口連接前必須按照設計要求調整采油樹的方向，以方便正確安裝在采油樹和其他海床結構之間的連接管匯。采油樹上有對接孔，ROV通過該孔與采油樹剛性對接為一體。ROV利用自身帶有的高精度羅經(jīng)儀確定方位，隨后螺旋漿推力調整至設計所需的采油樹方位。在操作過程中，另一個ROV在附近觀察ROV和采油樹的位置。通過應用該安裝方法，A油田的8顆采油樹成功安裝并達到安裝精度要求。

3.7. 鎖定/解鎖

完成臥式采油樹和井口對接后，ROV需要在采油樹面板上的液壓注入通道內插入注壓工具，通過ROV系統(tǒng)內的高壓泵注入高壓推動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. 完整性測試

采油樹安裝完成后，為了驗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的注壓通道注入壓力。A油田采油樹的密封性試驗壓力為3500 psi (24.1 MPa)。在測試過程中，ROV觀察壓力表的變化，15 min內壓力沒有下降，表示測試成功，采油樹的安裝基本完成。

4. 技術發(fā)展方向

4.1. 工具攜帶能力待提高

海洋石油鉆井平臺及機具費用昂貴，每天動輒數(shù)百萬人民幣，保證作業(yè)的連續(xù)性對項目控制成本至關重要。由于當前工業(yè)應用ROV的專一性，導致其在完成采油樹安裝的某個步驟和進行下一個任務前需要出水更換工具[5] [6]。每次更換工具起下、改裝和測試的時間平均需要3～5 h，對深水平臺來說是個不小的成本負擔。往往一顆采油樹安裝期間需要多種工具，據(jù)統(tǒng)計A油田在采油樹安裝期間，平均更換工具的時間為3 h左右。

雖然當前的ROV具備一定多工具的攜帶能力，但深水ROV應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間，既可以降低作業(yè)成本，也可以降低起下作業(yè)過程中的風險[7] [8]。

4.2. 應研發(fā)更高效的工具

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

應在提升相關工具的效率上開展技術工作。另外，應研發(fā)ROV可攜帶的光潔度檢測工具，盡量減少依賴人為主觀判斷，為技術決策提供科學手段，避免返工。

4.3. 高清和廣域視頻技術研發(fā)

在安裝臥式采油樹過程中，采用2臺ROV配合作業(yè)，其中一臺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施的相對位置。陸相廣域視頻技術(360?攝像技術)較為成熟，已投入工業(yè)應用。如能將陸相的廣域視頻技術應用到水下遙控機器人安裝臥式采油樹作業(yè)過程中，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ROV的成本。

4.4. 導航與定位系統(tǒng)

由于上覆海水的影響，定位與導航技術是ROV在水下作業(yè)時正常安全運行的首要保障，是一項技術復雜程度很高的系統(tǒng)。目前用于水下導航的技術有引力導航系統(tǒng)，重力導航系統(tǒng)，慣性導航系統(tǒng)，地磁場導航系統(tǒng)，海底地形導航系統(tǒng)，長基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算導航系統(tǒng)等[9] [10]。不同技術之間優(yōu)缺點明顯，技術的選擇或者開發(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)復雜，如A油田應用的長基線方式定位需要提前用工程船布置6個信標才能確保其正常工作。因此，在不降低系統(tǒng)精度的同時，利用先進技術，進一步降低系統(tǒng)的復雜性是未來應該努力的方向。

5. 結語

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

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

[2] 黃明泉. 水下機器人ROV在海底管線檢測中的應用[J]. 海洋地質前沿, 2012, 28(2): 52-57.

[3] 晏勇, 馬培蓀, 王道炎, 等. 深海ROV及其作業(yè)系統(tǒng)綜述[J]. 機器人, 2005, 27(1): 82-89.

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

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

[6] 張立勛, 劉乃釗, 王啟明, 等. 水下機器人作業(yè)機械手液壓自動對接腕[J]. 機床與液壓, 1996, 24(2): 33- 35.

[7] WHOI Marine Operations-NDSF Vehicles Overview. http://www.whoi.edu/marine/ndsf/vehicles/, 2003-10-13.

[8] 邊志剛, 黃東武, 李冬. ROV 在海洋測繪中的應用研究[C]//中國航海學會航標專業(yè)委員會測繪學組學術研討會學術交流論文集. 北京: 中國航海學會, 2009.

[9] 張杰, 紀文亮. 在海洋石油工程項目中ROV的基本運作模式[J]. 中國造船, 2007, 48(增刊): 138-140.

[10] 陳宗恒, 盛堰, 陶軍. 遙控水下機器人(ROV)結構綜述——以hysub130-ROV為例[J]. 海洋地質, 2009(3): 64-71.