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(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、捍衛(wèi)國家安全和實(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)加工制造過程中的質(zhì)量和工藝問題，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(shè)計(jì)中存在的問題，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(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。在操作過程中，另一個(gè)ROV在附近觀察ROV和采油樹的位置。通過應(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)試過程中，ROV觀察壓力表的變化，15 min內(nèi)壓力沒有下降，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)來說是個(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程中，鎖緊采油樹后，發(fā)生壓力測(cè)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(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)雜性是未來應(yīng)該努力的方向。

5. 結(jié)語

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)過程中得到了越來越廣泛的應(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.

[2] 黃明泉. 水下機(jī)器人ROV在海底管線檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 海洋地質(zhì)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(jī)器人, 2005, 27(1): 82-89.

[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.

[6] 張立勛, 劉乃釗, 王啟明, 等. 水下機(jī)器人作業(yè)機(jī)械手液壓自動(dòng)對(duì)接腕[J]. 機(jī)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(cè)繪中的應(yīng)用研究[C]//中國航海學(xué)會(huì)航標(biāo)專業(yè)委員會(huì)測(cè)繪學(xué)組學(xué)術(shù)研討會(huì)學(xué)術(shù)交流論文集. 北京: 中國航海學(xué)會(huì), 2009.

[9] 張杰, 紀(jì)文亮. 在海洋石油工程項(xiàng)目中ROV的基本運(yùn)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(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.