УДК:
DOI:

Перспективные средства и методы контроля работоспособности подводных добычных комплексов на месторождениях Арктического шельфа

Рromising means and methods of monitoring the operability of underwater production complexes in the fields of the Arctic shelf

Yu.A. KHARCHENKO
Russian State University of Oil and Gas I. M. Gubkina
Moscow, 119991, Russian Federation

Разработка месторождений в Арктическом регионе и на Дальневосточном шельфе России осложняется наличием ледовых образований. Продолжительность ледового периода может варьироваться от 5 до 9 месяцев, в течение которых подводное оборудование месторождения недоступно для осмотра и ремонта традиционными методами. В данной работе рассматриваются методы инспектирования и обслуживания подводных добычных комплексов, которые могут быть использованы при разработке арктических месторождений.

The development of oil-gaz fields in the Arctic region and on the Far Eastern shelf of Russia is complicated by the presence of ice formations. The duration of the ice period can vary from 5 to 9 months, during which the underwater equipment of the oil-gaz fields is unavailable for inspection and repair by traditional methods. This paper discusses methods of inspection and maintenance of underwater production complexes that can be used in the development of Arctic oil-gaz fields.

Наибольший объем углеводородов морских месторождений России сосредоточен на Арктичес-
ком и Охотском шельфе. Этот регион характеризуется экстремальными погодными и климатическими условиями, наличием льда, а расстояние от побережья до месторождений может варьироваться от десятков до сотен километров.
Наиболее подходящим вариантом для разработки углеводородов в таких условиях является использование подводного добычного комплекса (ПДК), поскольку он в меньшей степени зависит от погодных условий и наличия льда.
Особые требования, связанные с уникальностью района, а также его удаленностью, требуют внимания для повышения безопасности, надежности и сокращения времени реагирования, а также затрат на подводное наблюдение и инспекцию. На данный момент в российской практике в случае выхода из строя подводного оборудования в ледовый период начало ремонтных работ откладывается до освобождения акватории ото льда.
Эксплуатирующие компании должны управлять километрами подводных трубопроводов, подводной фонтанной арматурой, манифольдами и другими объектами ПДК, которые требуют осмотра, технического обслуживания и/или ремонта для предотвращения эксплуатационных и экологических рисков и производственных потерь. Подводное наблюдение и инспекция, как ключевой компонент в системе управления и контроля за работоспособностью, – это активный подход к выявлению областей улучшения или нарушений. В дополнение к нормативным требованиям хорошо разработанный план подводной инспекции приносит пользу оператору, повышая надежность подводного оборудования и безопасность ПДК [1, 2]. Основные задачи подводной диагностики, технического обслуживания и ремонта объектов и трубопроводов ПДК включают:
• визуальный осмотр (общий и детальный);
• контроль толщины стенок линейных объектов, например, с помощью ультразвукового контроля (УТ);
• измерение катодной защиты (CP);
• неразрушающий контроль;
• картирование с использованием сонаров электронного сканирования и лазерной батиметрии;
• обнаружение утечек;
• мониторинг состояния окружающей mсреды;
• открытие/закрытие клапанов и задвижек;
• очистка и удаление от морских обрастаний;
• закачка химреагентов;
• техническое обслуживание и ремонт.
1. Мониторинг и инспекция
В нефтегазовой промышленности требуемые показатели надежности подводного оборудования оказывают значительное влияние на капитальные затраты (из-за высокого уровня сложности проектирования и требований к надежности) и эксплуатационные затраты (из-за необходимости периодической замены и ремонта), в частности, для удаленных глубоководных районов.
Цели производственной эффективности могут быть достигнуты операторами, определяющими только надлежащую стратегию диагностики, технического обслуживания и ремонта (ДТОиР) для проверки состояния объектов ПДК, для которой обычно требуются роботизированные системы, такие как телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) или автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА) (рис. 1).
Мониторинг и инспекцию объектов ПДК можно разделить на несколько основных этапов:
1. Контроль технологических параметров.
2. Наблюдение и инспекция ПДК с использованием роботизированных систем.
3. Техническое обслуживание и ремонт.
4. Формирование необходимого комплекта запасных частей.

1.1. Контроль технологических параметров
Первым шагом в оценке рабоспособности является мониторинг технологических параметров. Система SCADA используется для мониторинга технологических параметров и позволяет непрерывно измерять параметры окружающей среды и технологические процессы на контролируемых объектах, регистрировать события, предупреждать о недопустимых отклонениях параметров, сигнализировать об аварийных ситуациях, обеспечивает сбор и архивирование данных. Важно отметить, что на основе такого мониторинга часто невозможно определить вновь возникший дефект оборудования. Технологическая схема ПДК представлена на рис. 2.
Для выявления возникающих инцидентов, которые могут в дальнейшем перерасти в аварийную ситуацию, необходимо провести расчеты технологического процесса добычи и транспортировки продукции скважин с использованием специализированных программных средств, а также производить периодический прямой визуальный осмотр подводного оборудования.

1.2. Наблюдение и инспекция ПДК с использованием роботизированных систем
Роботизированные системы, такие как телеуправляемый необитаемый подводный аппарат (ТНПА) или автономный необитаемый подводный аппарат (АНПА), использовались для контроля за целостностью подводного оборудования, включая диагностику, техническое обслуживание и ремонт на протяжении десятилетий.
В зависимости от назначения роботизированные системы могут быть в целом охарактеризованы как аппараты инспекционного типа и аппараты для проведения рабочих операций.
Инспекционные аппараты используются для проведения:
• обследований и инспекций;
• наблюдений за оборудованием и технологическими процессами;
• деятельности по мониторингу окружающей среды.
Со своей стороны, аппараты проведения рабочих операций используются для:
• оперативной деятельности (например, приведение в действие клапана);
• диагностики, технического обслуживания и ремонта.
Вышеописанная классификация носит общий характер, на данный момент современные подводные аппараты позволяют совмещать несколько функций.

1.2.1. ТНПА
Обычный телеуправляемый необитаемый подводный аппарат имеет физическую связь с судном с использованием кабеля и дистанционно управляется оператором. Он может выполнять различные задачи, включая обследование, инспекцию, операции с клапанами и другими инструментами, связанные с использованием манипуляторов. ТНПА способны работать на больших глубинах, выполнять задачи по проведению ремонтных работ с помощью гидравлических приводов и обеспечивать передачу видео в режиме реального времени. Управление и передача данных осуществляются через кабель, ведущий к судну.
Классификация ТНПА представлена ниже в табл. 1 [3].
Использование ТНПА в арктическом регионе осложняется наличием льда. Эта проблема имеет несколько составляющих:
• необходимость использования судов арктического класса, позволяющих им работать в ледовых условиях;
• высокий риск обрыва ТНПА-кабеля при работе во льдах, обусловленный низкой надежностью существующих методов удержания судна в точке при воздействии дрейфующих ледяных полей;
• удаленность существующих баз для размещения ремонтного оборудования и судовых баз.
Для решения вышеуказанных проблем целесообразно использовать автономные транспортные средства– АНПА.

1.2.2. АНПА
Автономные подводные транспортные средства – это аппараты, которые выполняют подводные задачи без физического подключения к своему оператору. АНПА запрограммированы или могут управляться оператором с использование аккустических и оптических методов передачи данных. В настоящее время АНПА широко используются для обследования, инспектирования и постоянного мониторинга окружающей среды. Эти аппараты также могут быть оснащены различным датчиками и сенсорами для расширения своих функций. [4]. Автономные подводные аппараты способны работать на глубине до 6000 м, в отличие от ТНПА, использование которых ограничено для глубоководных районов (рис. 3).
Возможность выполнения подводных работ без вспомогательного судна позволяет значительно снизить затраты и риски проведения морских операций по обследованию ПДК. Однако отсутствие вспомогательного судна и кабеля управления создает две основные проблемы:
• обеспечение заряда батареи аппарата;
• обеспечение устойчивой связи с аппаратом.
В настоящее время АНПА ограничены по дальности действия и продолжительности работы емкостью своей батареи, т.к. АНПА используют электрическую энергию для движения, питания датчиков и сбора данных [4]. Использование зарядных станций, которые стационарно установлены на морском дне в районе проведения работ, может увеличить продолжительность работы подводных аппаратов за счет перезарядки их батарей в море. Кроме того, зарядная станция может обеспечить аппарат каналом связи с оператором, находящимся на берегу, а также может быть использована для хранения и передачи данных. Однако зарядные станции еще недоступны для свободной продажи и их применение требует изменений в ПДК архитектуре.

1.2.3 Использование роботизированных систем
Как описано выше, спектр задач, выполняемых традиционными подводными аппаратами, очень похож и ограничен лишь отсутствием коммерчески доступных решений. Использование роботизированных систем, в целом, позволяет выполнять весь спектр подводных операций.
Возможности современных подводных робототехнических систем и доступность необходимых технологий представлены на рис. 5.

Заключение
Учитывая специфику Арктического региона и Дальневосточного шельфа России, к основным техническим трудностям при проведении ДТОиР в ледовых условиях можно отнести:
• продолжительность ледового периода составляет от 5 до 9 месяцев;
• необходимость использования судов арктической категории, позволяющих им работать в ледовых условиях;
• высокий риск обрыва ТНПА-кабеля при работе во льдах, обусловленный низкой надежностью существующих методов удержания судна в точке при воздействии дрейфующих ледяных полей;
• удаленность существующих баз для размещения ремонтного оборудования и судовых баз;
• использование водолазов ограничено.
Учитывая все факторы, можно сделать вывод, что использование АНПА с зарядной станцией или гибридных аппаратов, совмещающих функции ТНПА и АНПА, является наиболее перспективной технологией, которая может быть применена в арктическом регионе для целей обслуживания ПДК. Использование аппаратов с подводным позиционированием сократит время отклика и устранит время для мобилизации судов, кроме того, несомненно, снизит эксплуатационные расходы и риски. Обновление конструкции подводного оборудования и его архитектуры с включением зарядной станции повысит надежность, доступность и ремонтопригодность подводной добычной системы. Однако проблема остается в том, что на современном уровне техники нет коммерчески доступных решений для зарядных станций и гибридных аппаратов. Одним из примеров аппаратов, сочетающих в себе возможности работы как в привязном, так и в свободном состоянии, является семейство устройств под названием Freedom, разработанное Oceaneering. Ожидается, что эти аппараты будут доступны для коммерческого использования, совместно с подводной зарядной станцией к концу 2023 года [5].

Литература

1. Jabari R., and Cheng T. 2020 Autonomous Evolution Robotic Systems for Underwater Surveillance and Inspection. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. doi:10.4043/30759-ms.
2. Arcangeletti G., Mattioli M., Ausborn M., Matskevitch D. and Marcotulli A. 2021. Autonomous Subsea Field Development – Value Proposition, Technology Needs and Gaps for Future Advancemen, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA.
3. NORSOK STANDARD 2003 U-102 Remotely operated vehicle (ROV).
4. LiVecchi A., Copping A., Jenne D., Gorton A., Preus R., Gill G., Robichaud R., Green R., Geerlofs S., Gore S., Hume D., McShane W., Schmaus C. and Spence H. 2019. Powering the Blue Economy. Washington, D.C.
5. Newell T. and Gayathry H. 2020 An Autonomous Underwater Vehicle with Remote Piloting Using 4G Technology. Offshore Technology Conference, Kuala Lumpur Malaysia.
6. Dhanak R. M. and Xiros I. O. 2016. Springer Handbook of Ocean Engineering. (Springer Publishing).

References

1. Jabari R., and Cheng T. 2020. Autonomous Evolution Robotic Systems for Underwater Surveillance and Inspection. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. doi:10.4043/30759-ms. (In English).
2. Arcangeletti G., Mattioli M., Ausborn M., Matskevitch D. and Marcotulli A. 2021. Autonomous Subsea Field Development – Value Proposition, Technology Needs and Gaps for Future Advancemen, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. (In English).
3. NORSOK STANDARD 2003 U-102 Remotely operated vehicle (ROV). (In English).
4. LiVecchi A., Copping A., Jenne D., Gorton A., Preus R., Gill G., Robichaud R., Green R., Geerlofs S., Gore S., Hume D.,
McShane W., Schmaus C. and Spence H. 2019. Powering the Blue Economy. Washington, D.C. (In English).
5. Newell T. and Gayathry H. 2020. An Autonomous Underwater Vehicle with Remote Piloting Using 4G Technology. Offshore Technology Conference, Kuala Lumpur Malaysia. (In English).
6. Dhanak R. M. and Xiros I. O. 2016. Springer Handbook of Ocean Engineering. (Springer Publishing). (In English).

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей

    Авторизация


    регистрация

    Харченко Ю.А.

    Харченко Ю.А.

    д.т.н., профессор кафедры «Освоение морских нефтегазовых месторождений»

    Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина г. Москва, 119991, РФ

    Просмотров статьи: 604

    Рейтинг@Mail.ru

    admin@burneft.ru