浅谈智能机器人在石油勘探领域中的应用
发布时间：2020-01-11
摘要当今，人类社会正在步入人工智能时代，智能机器人正在助力多种行业，石油公司也积极探索智能机器人在油气勘探中的应用。本文梳理了国外油气行业中智能机器人的应用状况，分析了智能机器人在油气勘探领域应用的优势、挑战、市场需求及对策，对未来智能机器人在油气勘探应用充满期待。
关键词智能机器人节点仪器油气勘探地震采集
0引言
智能机器人靠内、外部信息传感器感知外界，由“大脑”(中央处理器)思考问题，将“大脑”的决定传给由电机控制的执行机构———手，达到“手眼”协调。当前，科幻电影中的高智能机器人激发了人们对智能机器人的向往;现实中，战胜象棋大师的“深蓝”，战胜围棋大师的“阿尔法狗”都使人们看到智能机器人在特定领域应用的成功。同时，智能机器人也在高效、便捷地改变着人们的日常生活，人们正潜移默化地接受着机器人带来的便利。
目前，石油勘探行业迎来了蓬勃发展的时机，对智能机器人有了迫切的需求。中国工程院院士李德毅表示：“智能机器人在石油勘探以及能源化工等生产领域大有可为”。
1石油勘探为何需要智能机器人
(1)环境需求
当前的石油勘探，特别是海洋石油勘探的区域大多处于高温、极寒、海洋、沼泽等环境条件，不适合人类进入，机器人替代人类在这块区域工作，可以消除员工危险。
(2)工作性质
石油勘探未来发展趋势是应用巨量节点采集设备的高密度地震勘探，工作强度大，单一重复性高，完成这种类型的工作正是机器人的优势。
(3)效率和质量
智能机器人代替人类工作，效率往往成倍递增;而且工作质量标准统一，不像人类受情绪、技能、劳累因素影响。
(4)资源需求
高密度地震勘探会产生巨大的人力需求，人力成本巨大，现有的人力资源根本无法满足生产需求，高效的智能机器人才能解决这个难题。
2机器人用于石油勘探行业所面临的挑战
石油勘探行业对智能机器人的应用有着迫切的需求，但要将机器人切实地应用到石油勘探行业，还面临不少挑战。
2.1技术层面
国外企业经过几十年的发展，在机器人研发和应用方面积累了丰富的技术和经验;国内机器人近年来得益于国内、外形势的发展，取得了蓬勃地发展，但国内机器人主要集中在低端市场，高端市场产品极少，关键技术上，比如说控制系统、伺服电机、传感器等重视不够，未见突破。而石油勘探行业工作环境为复杂多变的野外，用于石油勘探行业的机器人必须具有宽环境适应性。关键技术是限制其能否成功应用的主要瓶颈，关键技术取得突破如低温伺服电机，才能开发出具有复杂环境自适应的智能机器人，助力地震数据高效采集。
2.2观念层面
目前，因国际油价持续低迷，促使国内地震勘探走在高效采集路上，大道数地震采集用传统方法施工需要更多人力、设备、成本，为降低成本，提高效率，需要智能化、自动化设备应用于地震数据采集施工中。而国内地震数据采集多年来采用传统地震数据采集方法，地震队管理人员及相关人员已经习惯于原有施工方法。智能机器人要想成功应用于地震采集中，必须经过设备本身定制化设计，施工流程的标准制定，多年现场尝试应用，最终才能投入实际生产。要想让人们观念上认可智能机器人在地震采集中的应用，必然是个长期过程。
2.3专业人才层面
近几年智能机器人产业在蓬勃发展，但相关人才发展却严重滞后，各高校也纷纷开设相关专业，人才培养需要周期，不可能一蹴而就。就勘探公司目前情况而言具备机器人技术知识，懂机器人应用、维护技术和管理的人才几乎没有，这种情况，即使目前有地震采集机器人，也无法保障机器人正常、高效地运行，机器人也不能充分发挥应有的效用。
3国外油气行业机器人使用情况
总部位于西班牙圣地亚哥的研究机构“联创”(Linknovate)专题报告指出，全球油气工业已走出弱需求、低油价艰难时期，如今正在复苏。2018年，油气工业准备迎接来自机器人、四维地震技术、移动技术、云计算技术、可穿戴装备五大趋势的挑战。作为五大挑战智能机器人目前在油气行业使用情况少之又少。
3.1高危环境作业机器人
荷兰壳牌石油公司开发出一款可以用于监控设备和执行安全检查任务的机器人，名为“Sensabot”如图1所示。这款机器人是为哈萨克斯坦卡萨干油田研发的，由于卡萨干油田含有致命硫化氢气体，这些人工岛渐渐变成无人岛，很多工作必须得由机器人来完成。
“Sensabot”是第一台在油气行业被许可用于爆炸性环境的机器人，它可以在暴风雨的海上平台等恶劣的环境下工作，可在不需要检修的情况下连续工作6个月。它可以在碎石地、泥地、污水和雪地里行走，甚至可以通过轨道垂直攀爬建筑物。
3.2油气储层探测机器人
沙特阿美公司开发地层中应用纳米机器人是一种化学分子系统和机械系统的有机结合体，其垂直分辨率远高于测井和岩芯分析，可以辅助探测油藏中被遗漏发现的油气，优化井位设计，纳米机器人有望成为未来油气勘探开发工程的一个前沿发展方向。如图2所示。
3.3钻井机器人
石油行业各类工作中，钻井作业是一种艰苦、危险作业，现在国外石油装备公司开发全自动钻井机器人代替工人从事钻井作业。如图3所示。
3.4检波器埋置机器人
美国GTI公司研究生产了机械地震检波器自动埋置机器人ADSV3。进行检波器快速高效埋置。如图4所示。
3.5巡逻检测机器人
油田现场设备检测是一项危险、枯燥的工作，国外公司开发了巡逻检测机器人。机器人上配备红外线探测器、摄像头、麦克风、气体探测器。其既能走，又能爬楼梯，能替代人工在钻井平台进行巡检。如图5所示。
3.6管道机器人
石油天然气管道需要定期进行内部的清理、保养，否则一旦发生泄漏，后果不堪设想。但油气管道长达几千公里，清理、保养非常困难。管道机器人游走于油气管道内部、通过磁感应传感器收集数据，通过对收集到的数据进行分析，可以判断管道是否需要维护、更换，并可以对管道进行清理、保养。如图6所示。
3.7海洋机器人
作为陆地石油勘探开发的延续，海洋油气被认为是未来世界油气增产的源泉。相比陆地，在复杂的水下条件进行勘探开发难度更大、风险更高，因此对装备的智能化需求更加迫切。目前世界范围内约有超过千台的ROV机器人应用于海洋工程中，其中海洋石油、天然气等资源开发和作业领域应用最多。针对海洋资源设备的海底铺设、安装、检测、维护修理以及潜海勘探作业均有机器人ROV的“身影”，如图7所示。海底电缆(OBC)和海底节点(OBN)的布设均需要利用水下机器人。
4智能机器人使用的市场需求
未来，智能机器人将会越来越多地进入石油勘探相关岗位，重复率高的岗位、高危的岗位、人类无法到达地方完全可能被机器人代替!机器人的“上岗”不仅使石油人摆脱了重复性高且枯燥无味的工作，还在更大程度上保证了石油工人的安全。
就目前而言，智能机器人在石油勘探相关领域应用尚处于探索阶段，对智能机器人巨大需求同当前机器人水平及相关配套技术还存在巨大缺口。下面着重分析地震数据采集技术对机器人的需求。高效地震数据采集已经成为地球物理服务公司的唯一赢利途径，但是，影响地震数据采集效率的因素不仅仅是技术问题，更多的是受到人工效率与成本的制约。亟待专业化机器人应用克服此类瓶颈。
以高效地震数据采集海外某项目为例，该项目排列人员配置，前排人员达到261人，为完成前排工作，需为相应人员配备55台套设备。这些问题直接影响了生产效率，同时也增大了人工成本、安全隐患以及设备资产投入。而地震采集项目所需的排列工作基本属于简单重复性劳作。如开发前排专业机器人完成此项工作，只要能使前排人员降至60～80人，应用专业化机器人12～15台完成当前工作，至少能节省4000万人民币，能达到提速增效、降低成本的目的。以目前我公司年开展十个高效地震数据采集项目为例，对前排专业机器人需求就达到120～150台需求。如前排专业机器人可以通过软件的重新植入定义新的功能，成为通用型工具，方便地应用到地震队其它相关工作，公司每年将会有200台左右此类机器人的需求。
5对策与思路
当前，机器人在石油勘探行业应用的氛围及市场正在孕育，但要在该行业应用成功，还有很长一段路要走。
以地震数据采集为例，影响施工效率的主要因素是野外地震排列的铺设回收，用机器人代替人工完成此项工作，机器人首先要具备下面能力。
强野外环境适应力：能够适应不同地形行走，能够在高温、寒冷地区稳定工作;灵活的手眼协调能力：能通过“眼”各种传感器感知外界情况，通过“脑”感知情况进行分析，将指令传达到“手”执行结构，完成相应工作(采集设备布设或回收);高的施工效率：要能适应高效施工，机器人设备布设效率需达到800～1200单元/天(每天工作10h)，才能有较强的市场竞争力。
其次必须建立专门的机器人应用维修人才队伍。公司应建立机器人应用维修梯队人才，为各地震队进行机器人相应人才配备，这样才能促进机器人应用的良性循环，助力高效地震数据采集。
机器人进行施工作业时具体流程如下：
设置机器人到布设模式，首先上传地震队采集设备布设位置信息及工区地图。机器人根据工区地图及自身感知情况，选择最近路径达到布设位置，进行采集设备布设，布设时，根据感知地层情况，自动选择合适布设方式，完成采集设备布设。同时记录该采集设备布设的质控参数、节点布设位置、行走路径等信息，并进行监视记录。控制单元可以随时调取已布设的任意采集设备信息。完成数据采集后，机器人根据节点布设时的位置、路径等信息并借助传感器识别技术对节点仪器进行回收。机器人技术人员可以远程实时监控机器人状态，发现异常，现场及时进行维修保养。
6结束语
可以预见，随着石油勘探企业和机器人企业不断融合，共同开发针对简单重复性的、具有自主性和复杂环境适应性的智能机器人，并可以通过软件的重新植入定义新的功能，通过批量生产通用智能机器人来降低机器人的价格。通过企业联合培养机器人使用人才，培育机器人应用的人才梯队，在不久的将来，必将迎来智能机器人在石油物探行业应用的春天。
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