Автономные подводные роботы для глубоководного бурения

Немалая часть ресурсов нефти и газа Земли находится под ее океанами. Однако из—за падения спроса и установившихся на рынке низких цен на нефть, наличия ее запасов и излишков, а теперь и последствий пандемии коронавируса COVID-19, приведшей к закрытию предприятий и появлению ряда ограничений, и других факторов неопределенности, объем буровых работ в нефтегазовой отрасли резко сократился. Но, несмотря на имеющиеся проблемы, добыча нефти и газа все же продолжается. При этом более чем из 1000 буровых установок, действующих в настоящее время по всему миру, почти 200 находятся на шельфе морей и океанов.

Буровые установки для добычи нефти и природного газа могут работать на глубине до 3 км. Многие из этих глубоководных скважин и трубопроводных систем полагаются на беспилотные подводные аппараты, которые помогают выполнять установку, инспекцию, ремонт и техническое обслуживание. Но беспилотные аппараты обычно необходимо транспортировать к морскому объекту, который может находиться на расстоянии 100 или более миль от берега, а затем дистанционно управлять ими, часто с помощью троса и кабеля. Причем при этой, довольно распространенной практике требуется еще судно поддержки и сопровождения.

В 2014 году группа робототехников из НАСА решила изменить эту парадигму. Так появилась компания Houston Mechatronics (HMI), специалисты которой и разработали комбинированный автономный подводный аппарат (autonomous underwater vehicle, AUV) и дистанционно управляемый аппарат (remotely operated vehicle, ROV) с возможностью переключения между двумя функциональными формами.

«Мы считаем, что подводные операции неэффективны из—за использования больших надводных платформ, таких как подводная лодка, — сказал Шон Халпин (Sean Halpin), старший вице—президент компании HMI по продуктам и услугам. — Если мы сможем вывести подводную лодку из эксплуатации, то уменьшим огромные расходы на ее содержание, обслуживание и эксплантацию. Вот в чем проблема. Мы уверены, что сможем выполнить инспекцию, техническое обслуживание и ремонт примерно за половину стоимости того, сколько это все стоит сегодня».

Подводный трансформер

Аппарат компании HMI под названием Aquanaut («Акванавт») — это полностью электрический подводный робот, который трансформируется из AUV дальнего действия в автономный ROV с двумя сильными манипуляторами (рис. 1). В режиме AUV, с руками—манипуляторами, заключенными в его гидродинамический корпус, который может трансформироваться в подводную лодку благодаря бортовой литий—ионной батарее и двигателям, приводящим его в действие, аппарат может за одну миссию преодолеть расстояние более чем в 50 морских миль. Во время плавания подводного робота Aquanaut его бортовые высокоточные геофизические инструменты позволяют обследовать морское дно и собирать данные.

Рис. 1. Автономный подводный аппарат (AUV) трансформируется в дистанционно управляемый аппарат (ROV) с массивными манипуляторами и надежным сенсорным комплексом, подходящим для выполнения работ на подводных нефтяных месторождениях.

Все изображение предоставлено компаниями Houston Mechatronics, Inc./Robotic Industries Association

Когда робот достигает места назначения, он переходит в режим ROV. Верхняя половина корпуса поднимается, «голова» робота поворачивается и устанавливается на свое рабочее место, открывая доступ к стереокамерам и мощным 3D-сенсорам. Дополнительные подруливающие устройства увеличивают маневренность робота. Два восьмиосевых рычага со встроенными датчиками силы и захватами уже готовы к работе. Задачи манипуляции могут включать гидроабразивную очистку, проверку катодной защиты (распространенный метод уменьшения коррозии для находящихся под водой металлических конструкций), обнаружение затопленных элементов, а также решать другие задачи, необходимые для оценки состояния размещенных на морском дне нефтегазовых активов.

Связь осуществляется через встроенный акустический модем. Для коммуникации используется небольшое беспилотное надводное судно, задача которого передавать сигналы между роботом и спутниками связи, что позволяет управлять роботом буквально из любой точки мира. Несмотря на сложность, этот коммуникационный сценарий знаком создателям Aquanaut еще по их временам работы в НАСА, когда они создавали для агентства сложных роботов, предназначенных для работы в удаленных местах, например в космосе.

Компания HMI была основана Николаусом Рэдфордом (Nicolaus Radford) и Регом Берка (Reg Berka), оба ранее работали в НАСА. Генеральный директор Рэдфорд руководил исследованиями в области гуманоидной робототехники, в том числе Valkyrie (Валькирии) и Robonaut (Робонавта), для Международной космической станции и будущих миссий на Марс.

Инвесторы компании делают ставку не только на трансформационный характер форм—фактора Aquanaut, но и на трансформацию технологий и услуг HMI в энергетическом секторе в целом. Вместе с крупнейшей нефтесервисной компанией Schlumberger и буровой фирмой Transocean компания HMI привлекла $26 млн за два инвестиционных раунда и планирует закрыть инвестиции серии C в течение следующих двух кварталов.

Подводный сервис по инспекции морских активов

Компания HMI нацелена на два основных рынка: энергетика, которая включает нефть и газ и растущий сектор возобновляемых источников энергии, и оборону. В настоящее время они работают с Министерством обороны США (U.S. Department of Defense, DoD), но в будущем компания HMI ожидает международного интереса к таким приложениям, как безопасность портов. А в этом применении робот Aquanaut может незаметно патрулировать прибрежные воды без обнаружения с поверхности. Компания HMI также видит потенциал на рынке телекоммуникаций, инспектируя и поддерживая протяженные линии связи под водными путями.

Клиенты, в частности нефтяные компании, могут заключить договор напрямую с компанией HMI, и в этом случае она развернет свой робот Aquanaut и выполнит работу самостоятельно, удаленно управляя Aquanaut и напрямую взаимодействуя с клиентом. Другой вариант — партнерство с признанным поставщиком услуг в нефтегазовой отрасли. В этом случае компания HMI доставит Aquanaut и обеспечит его работо­способность, а другой поставщик услуг будет давать указания HMI и нести ответственность за все взаимодействия с клиентами.

В будущем парки роботов Aquanaut обеспечат их эффективное применение в различных областях. Возьмем аналогию с Uber. Компания заказывает робот Aquanaut, и в нужный момент он отправляется выполнять работу со своей зарядной станции для AUV, расположенной на морском дне, что является частью новой идеи для реализации непрерывной подводной мобильности без подъема на поверхность. Свободные ROV могут быть доставлены из пункта A в пункт Б по мере необходимости, но требуют наличия группы операторов на надводном судне. Однако их преимущество заключается в том, что благодаря технологии компании HMI один оператор парка, член группы от HMI, находящийся на суше, сможет контролировать и управлять сразу несколькими роботами.

Совместное управление против полной автономии

В компании HMI обоснованно считают, что высокий уровень управляемости — это наиболее эффективный способ развертывания роботов Aquanaut в энергетическом секторе, где руководство нефтегазовых компаний может убедиться, что технология работает безопасно и эффективно. Это особенно верно в отношении офшорной нефтегазовой отрасли, не склонной к риску, где идея полной робототехнической автономии нуждается в дальнейшем продвижении. Для того чтобы внести предельную ясность, компания HMI использует термин «совместное управление» для обозначения полуавтономной удаленной работы роботов Aquanaut.

«На рынке нефти и газа робот принимает решения только о том, как что—то делать эффективно, — подчеркнул Шон Халпин. — Если мы скажем: иди, потрогай это, — он правильно расположит свои манипуляторы. Мы даем ему только эту свободу и устанавливаем границы для этого действия».

Робот Aquanaut обладает гораздо большей автономностью (рис. 2), в связи с чем Шон Халпин отметил, что этот рынок пока еще не готов принять это как данность: «Они хотят работать с человеком—оператором намного чаще, чем на рынке оборонной продукции, где им действительно нравится высокая степень автономии».

Рис. 2. Подводный робот, предназначенный для проверки морских нефтегазовых активов без необходимости использования дорогостоящих надводных вспомогательных судов

Так почему же у робота Aquanaut такое массивное оснащение? Компания HMI предвидела, какие действия придется выполнять роботу в этих средах, в частности ему предстоит проделывать манипуляцим с инструментами и поворот клапанов, но пройдет некоторое время, прежде чем отрасль будет готова отказаться от ограничения на подобные действия со стороны роботов.

«Обычный ROV выглядит как маленький холодильник с двумя маленькими лапками, как у тираннозавра, — поясняет Шон Халпин. — Таким образом, вам придется долго перемещать такой аппарат. Робот Aquanaut имеет на 40% больше рабочего пространства для манипуляций, чем обычный ROV».

Если подводный аппарат находится в положении, когда его манипуляторы не могут должным образом выполнять задачу, он переместится сам. И у всего робота Aquanaut предусмотрена одна общая система управления.

«Все дело в эффективности. Мы не хотим тратить три часа на то, чтобы подобрать инструмент».

Может быть, когда-нибудь робот «Акванавт» от компании HMI будет работать самостоятельно, в одиночку. Но это произойдет лишь после того, как эта технология завоюет доверие энергетического сектора. Тем временем пока мы не осознаем все то, что подводные трансформеры могут делать на морском дне, они будут работать под управлением своих операторов, находящихся в безопасности на берегу.