Использование дистанционно эксплуатируемых транспортных средств для добычи полезных ископаемых и нефти под водой

Эволюция добычи глубоководных ресурсов

Голод человечества по энергии и сырью толкнул исследование в самые глубокие области океана. Оффшорные нефтяные и газовые месторождения составляют примерно одну треть мировой добычи нефти, в то время как обширные залежи полиметаллических конкреций, массивных сульфидов морского дна и богатых кобальтом корок ожидают развития на безднных равнинах. В основе этой подводной границы лежит технология, которая коренным образом изменила то, как компании находят, добывают и управляют этими ресурсами: Удаленное эксплуатируемое транспортное средство (ROV) .

Эти беспилотные, привязанные роботы могут спускаться на тысячи метров, работая там, где давление раздавило бы пилотируемую подводную лодку и где темнота и холод делают невозможным погружение человека. ROV стали рабочими лошадками подводной техники, позволяя все от съемки перспективной морской горы до поддержания многомиллиардной нефтяной платформы. Их роль в подводной добыче полезных ископаемых и нефти не просто вспомогательная - это часто единственное практическое средство выполнения критических задач.

Понимание удаленных управляемых транспортных средств

Основные компоненты и дизайн

ROV - это роботизированный подводный аппарат, связанный с надводным судном через tether (пупочный кабель), который обеспечивает питание, команды и данные в режиме реального времени. Большинство современных ROV рабочего класса состоят из:

От ранних погружных до современных рабочих лошадок

Первые ROV появились в 1960-х годах, в основном для военных миссий по восстановлению. К 1980-м годам нефтегазовая промышленность приняла их для инспекции трубопроводов и обслуживания платформы. Сегодня ROV работают на глубинах более 6000 метров (класс FLT:0]Kaiko ] Переход от простых наблюдательных транспортных средств к высокопроизводительным машинам рабочего класса был обусловлен достижениями в области гидравлики, электроники и волоконно-оптической связи. Такие компании, как FLT:2]Oceaneering и Saab Seaeye теперь поставляют семейства транспортных средств, которые могут поднимать несколько тонн, работать непрерывно в течение нескольких недель и выполнять задачи, когда-то предназначенные для дайверов-людей.

Применение в добыче нефти и газа

Добыча углеводородов в море зависит от подводной инфраструктуры: угодья, коллекторы, линии потока, подъемники и платформы. ROV являются неотъемлемой частью на каждом этапе.

Опрос и подготовка сайта

Перед бурением одной скважины РОВ осматривают морское дно. Они создают батиметрические карты высокого разрешения, выявляют опасности (валуны, крутые склоны, трубопроводы с более ранних месторождений) и размещают маяки акустического позиционирования. Современные РОВ рабочего класса, оснащенные многолучевыми эхо-звуковыми аппаратами, могут эффективно покрывать большие площади. Эти данные поступают в инженерные проекты и оценки воздействия на окружающую среду.

Поддержка бурения

Во время бурения РОВ остаются на стоянке около бурового пола буровой установки, следя за стеком предупредителя выдувания (БОП), направляя сверло в скважину и проверяя на наличие утечек. Они также могут приводить в действие клапаны, эксплуатировать системы акустического высвобождения и извлекать сброшенные объекты. Возможность мгновенного вмешательства без вытягивания подъемника экономит дни простоя.

Установка и ввод в эксплуатацию

Подводное оборудование — деревья, прыгуны, пуповины — устанавливается динамически расположенными (DP) судами с использованием развертывания крана. ROV обеспечивают визуальную обратную связь, направляют нагрузки в положение и выполняют задачи соединения, такие как крепление зажимов, спаривающихся соединителей и крутящих моментов. Без ROV такие установки потребуют дайверов на скромных глубинах или дорогих пилотируемых погружных аппаратов.

Инспекция, техническое обслуживание и ремонт (IMR)

Большинство операций ROV подпадают под IMR. Тысячи километров трубопроводов, гибких подъемников и подводной инфраструктуры требуют периодического осмотра.

  • Визуальный осмотр (катодная защита, целостность покрытия, картирование мусора)
  • Неразрушающее тестирование (ультразвуковая толщина стенки, обнаружение магнитных частиц)
  • Очистка морского роста с использованием водных струй или щеток
  • Велосипед Valve и соединения горячих ножей
  • Ремонтные операции, такие как замена анодов, установка ремонта зажимов или резка и восстановление поврежденных секций.

Инцидент с командой 8 в Мексиканском заливе, где ROV прорезал поврежденный подъемник, чтобы остановить утечку, подчеркивает роль этих машин в спасении жизни и защите окружающей среды.

Реагирование на чрезвычайные ситуации

ROV являются первыми респондентами во время взрывов, разливов или отказов оборудования. В катастрофе Deepwater Horizon 2010 года десятки ROV были развернуты с нескольких судов для захвата скважины, мониторинга разлива и попытки операций по вмешательству на рекордных глубинах 1500 метров. Их способность круглосуточно работать в давлении сдавливания была необходима.

Применение в глубоководной добыче полезных ископаемых

В то время как морская нефть и газ являются зрелой отраслью, глубоководная добыча все еще развивается. ROV имеют решающее значение на всех этапах разведки и потенциальной добычи.

Разведка и оценка ресурсов

Международные районы морского дна («Зона»), управляемые Международным органом по морскому дну , содержат обширные залежи полиметаллических конкреций (богатых марганцем, никелем, кобальтом, медью и редкоземельными металлами), массивных сульфидов морского дна (SMS), богатых золотом, серебром, медью и цинком, и кобальтовых железомарганцевых корок. ROV, оснащенные камерами, кернерами и профилерами снизу, систематически пробуют эти месторождения. Например, камеры DeepSea Power & Light и Schilling Robotics манипуляторы являются стандартными для разведочных ROV, управляемых такими компаниями, как Nautilus Minerals (теперь DeepGreen Metals) и исследовательские учреждения [[F

ROV собирают осадочные керны, берут пробы и размещают камеры для донного переноса для документирования бентических сообществ. Эти данные составляют основу для оценки ресурсов и экологических исходных условий, требуемых кодами добычи.

Поддержка горнодобывающих машин

Предлагаемые глубоководные системы добычи включают в себя большие, автономные или дистанционно управляемые гусеничные машины, которые вырезают и собирают руду с морского дна. ROV будут поддерживать эти операции:

  • Осмотр морского дна перед горным транспортным средством
  • Мониторинг шлейфа осадка, созданного во время резки
  • Выполнение технического обслуживания и удаления мусора на горнодобывающей машине
  • Подключение и отключение кабелей питания / пуповины
  • Восстановление потерянного или застрявшего оборудования.

В проекте Nautilus Minerals Solwara 1 (Папуа — Новая Гвинея) ROV планировалось обрабатывать весь рабочий процесс от разведки до установки подводного насоса и восходящей системы. Хотя этот проект застопорился, роль ROV в добыче остается неизменной.

Мониторинг окружающей среды

Регуляторные рамки предписывают проведение экологических базовых обследований и долгосрочного мониторинга. ROVs развертывают пробоотборники воды (например, бутылки Niskin), собирают осадок для токсикологии и записывают видео бентосной фауны. Автономные подводные аппараты (AUV) могут дополнять ROV, но только ROV обеспечивают контроль в режиме реального времени с высокой пропускной способностью для деликатного отбора проб и интерактивного принятия решений.

Технические преимущества перед другими методами

Глубинная способность

В то время как пилотируемые подводные аппараты могут достигать 6000 метров (FLT:0) Ограничивающий фактор (FLT:1)), они дороги в эксплуатации, имеют ограниченную выносливость (6-12 часов) и несут неотъемлемые человеческие риски. ROV с рейтингом до 4000 метров являются обычным явлением, а сверхглубокие системы достигают 7000 метров. Они могут оставаться под водой в течение нескольких недель, ограниченные только потребностями в обслуживании и усталостью экипажа на материнском корабле.

Сила и толинг

Поскольку РОВ получают питание через свои привязные кабели (обычно 50-200 кВт), они могут одновременно работать с гидравлическими системами большой мощности, манипуляторами и широким спектром инструментов.

Качество данных и контроль в реальном времени

Волоконно-оптические пуповины позволяют непрерывно передавать данные HD-видео и датчиков высокой пропускной способности. Пилоты в диспетчерской получают немедленную обратную связь, позволяя точные манипуляции. Напротив, AUV работают автономно и должны всплыть до извлечения данных. Для задач, требующих интерактивного принятия решений, таких как выравнивание фланга в сильных токах, ROV не имеют себе равных.

Безопасность

Устранение присутствия человека в опасных средах (высокое давление, токсичность, риски запутывания) значительно снижает вероятность несчастных случаев. ROV могут работать в районах с сероводородом, вблизи скважин, подвергающихся выдуванию, или в условиях нулевой видимости после штормов. Скорость смертности для операций ROV составляет часть от этого для операций по погружению.

Эффективность затрат

Хотя затраты на спред ROV высоки (часто $ 100 000- $ 300 000 в день для судна, ROV и экипажа), они значительно ниже, чем спреды для глубоководного насыщения, которые требуют декомпрессионных камер, специализированных лодок и очень ограниченных интервалов поверхности. ROV также работают 24/7, что позволяет погода, в то время как операции по погружению ограничены состоянием моря и дневным светом.

Проблемы и ограничения

Высокие начальные и эксплуатационные затраты

Система РОВ рабочего класса может стоить от 2 до 5 миллионов долларов, часто требуя специального вспомогательного судна стоимостью в десятки тысяч долларов в день. Экипаж — пилот, второй пилот и руководитель — должен быть высококвалифицированным. Меньшие операторы могут изо всех сил пытаться позволить себе капитальные затраты без долгосрочных контрактов.

Сила и ограничения Tether

Несмотря на прочную мощность, привязка накладывает вес и сопротивление. Сильные течения (такие как Гольфстрим) могут ограничивать пропускную способность ROV или требовать больших TMS. Динамическое позиционирование надводного судна имеет важное значение, но добавляет сложность и расход топлива. Привязка также создает риски зацепления подводных конструкций.

Задержка в коммуникации

В то время как волоконная оптика устраняет значительную задержку, физическое расстояние (несколько километров) вводит несколько миллисекунд задержки. Для некоторых задач точности, особенно с использованием манипуляторов обратной связи, эта задержка может быть проблематичной. Расширенные алгоритмы управления и прогнозные дисплеи смягчают, но не устраняют проблему.

Обслуживание и время простоя

ROV работают в коррозионной среде высокого давления. Отказывают печати, камеры затопляются, возникают гидравлические утечки. Регулярное обслуживание после каждого развертывания занимает часы. В суровых условиях время простоя автомобиля может составлять 10-20% от рабочего времени.

Нехватка навыков

Промышленность сталкивается с нехваткой опытных пилотов ROV. Обучение новичка до уровня профессионала занимает несколько лет. Сохранение талантливых пилотов является проблемой по мере старения рабочей силы. Компании вкладывают значительные средства в симуляторы и программы наставничества.

Будущие тенденции и события

Большая автономия и гибридные автомобили

Технология батарей, улучшенные датчики и ИИ толкают ROV к полуавтономным или автономным режимам. Гибридные конструкции AUV/ROV (например, ]Hydroid REMUS ) могут автономно перемещаться между точками пути, а затем привязываться к док-станции для задач высокой мощности и управления в режиме реального времени. Это снижает необходимость постоянного присутствия судна поддержки.

Искусственный интеллект и машинное обучение

ИИ применяется для анализа изображений в реальном времени для обнаружения дефектов трубопровода, автоматической идентификации видов во время экологических обследований и управления движением для сложных задач манипулятора. Это снижает нагрузку на пилота и повышает эффективность.

Улучшение хранения энергии и энергоснабжения

Литий-ионные батареи позволяют более короткие привязи или даже операции свободного плавания в течение ограниченного времени. Топливные элементы и индуктивные зарядные станции могут дополнительно увеличить выносливость.

Продвинутые материалы и датчики

Новые композиционные материалы снижают вес и коррозию. Квантовые датчики для обнаружения магнитного и гравитационного полей могут улучшить нацеливание на ресурсы. Высокоскоростные LIDAR и 3D-сонар обеспечивают лучшую ситуационную осведомленность в мутной воде.

Мониторинг окружающей среды и соблюдение нормативных требований

Будущие РОВ будут нести все более богатые наборы датчиков для мониторинга окружающей среды (растворенный кислород, рН, мутность, шум). По мере того, как глубоководная добыча будет двигаться в направлении коммерческого производства, регулирующие органы потребуют постоянного мониторинга шлейфов осадочных пород и бентических воздействий. РОВ будут основным инструментом для проверки соответствия.

Глубже, длиннее и более устойчивы

Поскольку промышленность нацелена на глубину более 4000 метров для углеводородов (например, досолевые месторождения на шельфе Бразилии) и полезных ископаемых (например, зона Кларион-Клиппертон), ROV должны быть оценены на 6000 + метров. Разрабатываются подводные распределительные мощности и беспривязные операции с использованием подводных док-станций.

Заключение

Удалённые управляемые транспортные средства стали незаменимым компонентом подводной добычи полезных ископаемых и нефти. Они превратили подводную инженерию из высокорискованной, ограниченной глубины деятельности в рутинную промышленную операцию, способную достичь самых больших глубин океана. От поддержки крупнейших в мире нефтяных платформ до обеспечения первых шагов в глубоководной добыче, ROV обеспечивают безопасность, эффективность и качество данных, которые не могут соответствовать никаким другим технологиям.

Проблемы стоимости, сложности и нехватки навыков остаются, но быстрый прогресс в автономии, энергетических системах и сенсорных технологиях обещает сделать ROV еще более способными и доступными. По мере того, как глобальный спрос на энергию и критически важные минералы продолжает расти, роль ROV будет только углубляться - в буквальном и переносном смысле. Машины, которые когда-то просто заглядывали в бездну, теперь активно формируют будущее добычи ресурсов под нашими океанами.