隨著石油勘探開發(fā)逐漸向深層進(jìn)軍，深井、超深井?dāng)?shù)量大幅增多，井下條件越來越復(fù)雜，鉆井、完井、生產(chǎn)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)日益增大，對機(jī)器人技術(shù)等高精尖技術(shù)的依賴程度逐漸加深，進(jìn)一步提高現(xiàn)有技術(shù)水平，向智能化、自動(dòng)化、高安全性和可靠性發(fā)展，同時(shí)降低對環(huán)境的影響、削減生產(chǎn)成本，已經(jīng)成為業(yè)界的共識。與此同時(shí)，為了探索未知的太空領(lǐng)域，人類不斷研制先進(jìn)的航天設(shè)備，陸續(xù)開展了登月、火星探測等太空科研項(xiàng)目，有力推動(dòng)了遠(yuǎn)程控制、精密制造等技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步。
航天技術(shù)與石油勘探開發(fā)，一個(gè)是“上天”，一個(gè)是“入地”，看似風(fēng)馬牛不相及，實(shí)則有異曲同工之妙，如兩者都是在十分有限的空間內(nèi)(太空站、井筒等)進(jìn)行生產(chǎn)、維護(hù)等操作;而且操作環(huán)境惡劣，需要面臨極端的溫度和壓力;兩者都屬于高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)，一個(gè)細(xì)小的失誤就有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，提高可靠性是兩者的共同目標(biāo)。
仿真技術(shù)助力高精尖裝備研發(fā)
美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室一直致力于航天儀器和傳感器的研發(fā)，并在太空探測中得到了成功應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室研制的原位儀器隨著飛行器甚至到達(dá)了太陽系的邊緣，經(jīng)受了從地球到外太空溫度、壓力、濕度等急劇變化帶來的嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了降低能量消耗，最大限度地提高航程，要求航天儀器必須盡可能縮減尺寸和重量。與此類似，深水機(jī)器人的工作環(huán)境要求其具有體積小、重量輕、強(qiáng)度高、能耗低的特點(diǎn)，而且能夠承受低溫、高壓、腐蝕等多種危險(xiǎn)因素。
無獨(dú)有偶，海洋深水環(huán)境的生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，同樣為太空探測提供了借鑒，如Europa、Enceledus星球的鹽水海洋、Titan星球的碳烴化合物湖泊。為此，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開展了一系列研究項(xiàng)目，包括具有碳烴監(jiān)測評估功能的質(zhì)譜儀傳感器、從微觀和宏觀方面監(jiān)測海水特性的阿塞爾誘導(dǎo)熒光檢測儀、微生物采樣器等。深水開發(fā)技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，同樣帶動(dòng)了相關(guān)航天儀器的進(jìn)步。
在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)重要的研發(fā)手段是利用軟件進(jìn)行建模仿真，模擬設(shè)備的工作狀態(tài)。由于研究任務(wù)在時(shí)間和空間上跨度很大，難以同時(shí)兼顧各個(gè)方面;另外引力場、溫度和壓力、腐蝕性氣體等特殊環(huán)境，使得在現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)制重現(xiàn)成本高昂或難以實(shí)現(xiàn);而利用仿真技術(shù)無需建造或復(fù)制研究對象所處的環(huán)境，可以大大降低研發(fā)成本，并且可以將多個(gè)仿真結(jié)果進(jìn)行對比優(yōu)化，驗(yàn)證研發(fā)思路的正確性。正是基于同樣的考慮，建模仿真成為石油工業(yè)研發(fā)的重要手段，如模擬壓裂效果和對環(huán)境的影響、分析深水機(jī)器人的工作狀態(tài)、超深井管柱力學(xué)分析等。從軟件的專業(yè)角度看，機(jī)器人系統(tǒng)需要包括三個(gè)主要因素：地面軟件系統(tǒng)，用于發(fā)出指令并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;機(jī)載軟件系統(tǒng)，植入部分智能;以及目標(biāo)平臺。為了實(shí)現(xiàn)三方的完美協(xié)作，要求軟件系統(tǒng)具有互通性、靈活性、一致性、擴(kuò)展性強(qiáng)、易于維護(hù)、費(fèi)用低的特點(diǎn)。
機(jī)動(dòng)靈活的管內(nèi)機(jī)器人
1997年噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室參與了美國的火星探路者計(jì)劃，并研制了“索杰納號”火星車，它是人類送往火星的第一部火星車，具有高度機(jī)動(dòng)性，能夠克服火星崎嶇不平的表面，展現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室在遠(yuǎn)程操控和精密機(jī)械領(lǐng)域的非凡實(shí)力。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室還研制了用于天然氣管道的管內(nèi)機(jī)器人，設(shè)計(jì)借鑒昆蟲界尺蠖的運(yùn)動(dòng)方法，由多個(gè)短節(jié)組成，每個(gè)短節(jié)之間采用三維自由度的接頭連接。機(jī)器人內(nèi)部裝有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，可以利用高速流動(dòng)的天然氣為機(jī)器人提供能量，它使用可充氣的氣囊推壓管道內(nèi)部，使其能朝任意方向移動(dòng)，并且能夠順利通過管道內(nèi)部的三通和彎接頭，不影響管道內(nèi)天然氣的正常輸送。該機(jī)器人可以用于管道內(nèi)部和海底設(shè)備的檢查及維護(hù)、鉆井平臺水線以上和以下部分的檢測等。
功能強(qiáng)大的 “無人鉆機(jī)”
挪威機(jī)器人鉆井系統(tǒng)公司總部位于斯塔萬格，專門研制創(chuàng)新性的自動(dòng)化機(jī)器人鉆井系統(tǒng)，為海洋和陸地鉆井提供安全度更高、費(fèi)用更低的鉆井方式。2012年9月 5日，該公司與美國航空和航天局(NASA)正式簽訂合作協(xié)議，聯(lián)合研發(fā)自動(dòng)化機(jī)器人鉆機(jī)。2012年8月6日NASA 負(fù)責(zé)的“好奇號”火星探測器成功著陸火星并開展科研任務(wù)，NASA掌握著世界先進(jìn)水平的遠(yuǎn)程控制技術(shù)，這將有助于無人鉆機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的研制。
無人鉆機(jī)系統(tǒng)的研制還得到了挪威國家石油公司、挪威研究院、挪威創(chuàng)新協(xié)會(huì)的支持。無人鉆機(jī)根據(jù)用途分為陸地和海底兩種，分別與現(xiàn)有的陸地和海洋鉆機(jī)兼容，它采用模塊化設(shè)計(jì)，可以通過常規(guī)的起重船送入海底，然后利用臍帶管與動(dòng)力、控制、泥漿等系統(tǒng)連接，通過三維互動(dòng)電腦界面遠(yuǎn)程操控高度自動(dòng)化的機(jī)器人進(jìn)行施工作業(yè)，并且通過應(yīng)用公司專利的海底鉆機(jī)密封和壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工作過程的“污染物零泄漏”，能夠滿足極度惡劣環(huán)境如北極、超深水條件的施工要求，大大降低現(xiàn)場工人的工作強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率、降低施工費(fèi)用。
宇宙航天領(lǐng)域匯集了全球頂尖科學(xué)家，擁有最先進(jìn)的科研儀器，在攻關(guān)太空奧秘的同時(shí)，將一些具有相同性的航天技術(shù)用于石油勘探開發(fā)，不僅可以大大加快石油工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，而且可以從另一領(lǐng)域推動(dòng)航天技術(shù)的發(fā)展。通過兩者的互相利用，兼收并蓄，實(shí)現(xiàn)了雙方的合作共贏。
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