Oilfield Review

Una nueva plataforma para la exploración
y producción en áreas marinas
Peter Carragher
Rose & Associates, LLP
Houston, Texas, EUA
Graham Hine
Liquid Robotics, Inc.
Sunnyvale, California, EUA
Patrick Legh-Smith
Gatwick, Inglaterra
Jeffrey Mayville
Rod Nelson
Houston, Texas
Sudhir Pai
Liquid Robotics Oil & Gas
Houston, Texas
Iain Parnum
Universidad de Curtin
Perth, Australia Occidental, Australia
Paul Shone
Chevron Energy Technology Company
Londres, Inglaterra
Jonathan Smith
Shell Exploration and Production Company
Houston, Texas
Christian Tichatschke
Total E&P Uruguay BV
Montevideo, Uruguay
Traducción del artículo publicado en
Oilfield Review Invierno de 2013/2014: 25, no. 4.
Copyright © 2014 Schlumberger.
Por su colaboración en la preparación de este artículo,
se agradece a Joanne Masters y Jona Steenbrink, Liquid
Robotics Inc., Sunnyvale, California.
DART es una marca de la Administración Nacional
Oceánica y Atmosférica de EUA.
Wave Glider es una marca registrada de Liquid Robotics, Inc.
46
La disponibilidad de datos exactos es esencial para el desarrollo de los modelos
climáticos y los pronósticos meteorológicos utilizados en la planeación de las
operaciones de E&P en áreas marinas. Se ha desarrollado un nuevo vehículo marino
autónomo controlado en forma remota para transportar varios sensores destinados a
la ejecución de levantamientos meteorológicos y oceanográficos detallados a través
de vastas distancias y bajo condiciones extremas. El rol de esta nueva plataforma de
sensores se está expandiendo para sustentar un abanico aún más amplio de misiones.
Los océanos cubren más del 70% de la superficie
terrestre y han desempeñado un rol dominante
en su historia geológica. Si bien contienen una
porción sustancial de los recursos naturales de
nuestro planeta, sus profundidades permanecen
mayormente inexploradas. El monitoreo a largo
plazo a través de las vastas extensiones oceánicas, puede conducir a un mayor conocimiento de
los procesos que continúan configurando el planeta y a la vez ayudar a los científicos a descubrir
nuevos recursos y predecir el impacto de las fuerzas oceánicas que podrían afectar el comercio o
alterar el curso de la vida cotidiana.
Las fuerzas de la naturaleza, tales como los
huracanes y los tifones, constituyen una amenaza
recurrente para las miles de comunidades costeras; los terremotos y los tsunamis se producen
con menos frecuencia, pero a menudo ocasionan
más daños.1 Los episodios que azotan el planeta y
los patrones del tiempo influenciados por los océanos no sólo amenazan a los habitantes de las costas, sino que además impactan la industria y el
comercio de todo el mundo. La industria del petróleo y el gas percibe los efectos meteorológicos
en las fluctuaciones estacionales de la demanda.
En el ambiente marino, los efectos meteorológicos obligan a los operadores a efectuar concesiones:
¿Es prudente movilizar un equipo de perforación,
está muy alto el oleaje para descargar los equipos,
o son muy intensos los vientos para las operaciones con helicópteros? Los datos meteorológicos y
oceanográficos, o metoceánicos —especialmente
la altura de las olas y los períodos entre olas, la
velocidad y la dirección del viento, y las corrientes superficiales o subterráneas— proporcionan
información crucial para la planeación de los
movimientos y el emplazamiento de los equipos
de perforación. Las brigadas a cargo de los levantamientos geofísicos deben evaluar los efectos de
las mareas y las corrientes en las estelas de los
cables sísmicos marinos a medida que son remolcados a través del agua.2 La altura de las olas es un
parámetro clave utilizado en el diseño de las plataformas de producción, y las líneas de conducción
deben ser instaladas de manera tal de tolerar las
corrientes submarinas. El monitoreo oceánico desempeña un rol integral en la evaluación y gestión
de riesgos ya que proporciona información que
ayuda a los meteorólogos, planificadores y el personal de campo a evaluar la atención que deben
prestar a las fuerzas de la naturaleza.
Pero a menudo el monitoreo constituye una
propuesta costosa. Las plataformas de sensores
convencionales, tales como boyas, embarcaciones,
aeronaves y satélites, son onerosas y sus fases de
planeación, compra y construcción demandan plazos considerables. El personal de soporte de
estas plataformas y sus misiones también debe
ser entrenado y dirigido. Los sensores instalados
en los satélites y las aeronaves cazadoras de tormentas evalúan la columna de aire y la superficie
de los océanos pero son limitados en cuanto a
resistencia en el lugar del hecho, velocidad de
transmisión de datos de muestreo en tiempo real
y capacidad de medición de las condiciones existentes en la interfaz mar-aire o debajo de ésta.
Oilfield Review
Las embarcaciones oceanográficas pueden recorrer grandes distancias y a la vez obtener diversas
mediciones, pero ni las embarcaciones ni la tripulación están preparadas para tolerar condiciones extremas y además deben regresar a puerto
al cabo de un tiempo limitado para su reaprovisionamiento. Las boyas de observación del océano
también pueden equiparse con sensores, pero
dado que se encuentran ancladas en su lugar,
miden las condiciones existentes en una localización relativamente fija.3 El costo de construir,
desplegar o tripular una plataforma de levantamiento metoceánico a menudo parte del orden
de varios millones de dólares y se incrementa con
las complejidades, los riesgos o las ambiciones de
la misión.
Existe un complemento, y en ciertos casos una
alternativa, con respecto a los satélites, los aviones y los barcos. Se trata de una plataforma de
sensores, móvil y automatizada, para el monitoreo de las condiciones oceánicas. Este concepto
forma parte de una progresión que condujo al
desarrollo de los vehículos operados en forma
remota (ROVs), que se han convertido en dispositivos esenciales de inspección e intervención para
las operaciones petroleras en aguas profundas.4
Con uno o dos pilotos calificados en la superficie, el
ROV puede hacer uso de herramientas y energía
para llevar a cabo tareas complejas en un ambiente
prohibitivamente oscuro, frío y de alta presión.
Algunos ROVs con el tiempo dejaron de utilizar
sus cables umbilicales de comando y control para
recibir los comandos a través de sistemas telemétricos submarinos; ahora, en los levantamientos
submarinos, se utilizan como rutina vehículos
subacuáticos autónomos (AUV). Estos vehículos
no tripulados han contribuido a expandir la
envolvente de las operaciones en aguas profundas, demostrando ser esenciales para el incremento de la productividad y la seguridad en uno
de los ambientes más hostiles de la Tierra, pero
requieren soporte desde la superficie.5
El vehículo marino autónomo (AMV) Wave
Glider, desarrollado por Liquid Robotics, Inc., es
un vehículo híbrido para la superficie marina y
subacuático que ha llevado el concepto de autonomía más allá del de los vehículos AUV.6 Esta plataforma de sensores accionados por las olas permite
la recolección y transmisión de los datos recolectados en el mar, en misiones de hasta un año de
duración. El vehículo puede atravesar miles de
kilómetros de océano para recoger datos oceanográficos, tomar lecturas meteorológicas y a la vez
mantener una posición fija, o dar vueltas alrededor de un equipo de perforación a una distancia
prefijada para proporcionar advertencias tempranas en caso de amenazas para la seguridad o
el medio ambiente.
Una vez desplegado, no utiliza tripulación, no
requiere combustible y no produce emisiones, lo
que elimina tanto el riesgo para el personal como
el impacto ambiental. Por un costo muy inferior
al de una boya amarrada o al de una embarcación
con tripulación, el vehículo Wave Glider proporciona movilidad y autonomía a lo largo de grandes distancias para las misiones prolongadas de
1. Bunting T, Chapman C, Christie P, Singh SC y Sledzik J:
“La ciencia de los Tsunamis,” Oilfield Review 19, no. 3
(Invierno de 2007/2008): 4–19.
2. La estela es la desviación lateral de un cable sísmico
marino respecto de la dirección de remolque prevista,
conforme las corrientes marinas desvían el cable de
su rumbo.
3. El diámetro exacto de esa localización fija es definido por
el círculo de vigilancia del sistema de anclaje de la boya,
que es una función de la longitud de la cadena que une
el ancla a la boya. Para tolerar condiciones extremas de
mareas y altura de las olas, la boya se ancla con una
cadena de acero cuyo largo normalmente triplica o
quintuplica la profundidad del agua. Si bien esta cadena
extra sirve para reducir la carga de impacto en los
aparejos de fondeo utilizados para anclar la boya,
también implica que la posición exacta de una boya
variará con las mareas, los vientos y las corrientes.
4. Para obtener más información sobre los vehículos ROV
en aplicaciones de aguas profundas, consulte: Downton
G, Gómez S, Haci M, Maidla E y Royce C: “Robots al
rescate,” Oilfield Review 22, no. 3 (Marzo de 2011): 16–27.
5. Manley JE y Hine G: “Persistent Unmanned Surface
Vehicles for Subsea Support,” artículo OTC 21453,
presentado en la Conferencia de Tecnología Marina,
Houston, 2 al 5 de mayo de 2011.
6. En el año 2012, Liquid Robotics, Inc. y Schlumberger
formaron una unión transitoria de empresas denominada
Liquid Robotics Oil & Gas para extender los servicios de
los vehículos marinos autónomos a la industria del
petróleo y el gas.
Volumen 25, no.4
47
Estación meteorológica
Luz indicadora de posición
Panel solar
Componentes electrónicos
de comando y control
Componentes electrónicos
de la carga útil
Punto de levantamiento
Componentes electrónicos
de la carga útil
Bahía de carga de popa
Bahía de carga de proa
Flotador de superficie
Cable umbilical
Potencia y comunicaciones
Timón
Aletas
Planeador sumergido
Puntos de fijación de la carga útil submarina
> Diseño del sistema Wave Glider. Este vehículo marino autónomo se divide en tres subsistemas
principales: el flotador de superficie, el cable umbilical y el planeador sumergido. Cada subsistema
puede ser configurado para satisfacer las necesidades del cliente.
monitoreo oceánico. Y ya han ejecutado cientos
de misiones,
recorriendo desde la región del
Weather station
Ártico
hasta
Australia
y desde las Islas Canarias
Location marker light
hasta Loch Ness en Escocia.
Este artículo analiza el desarrollo de esta plataforma autónoma de sensores para múltiples
misiones y describe sus aplicaciones; desde la
medición de parámetros metoceánicos hasta la
detección de manifestaciones de petróleo. Algunos
ejemplos del Golfo de México y otras áreas
demuestran cómo las plataformas de monitoreo
móviles, automatizadas y persistentes han
demostrado ser ventajosas para las campañas de
exploración y producción marinas.
El diseño del vehículo
El AMV Wave Glider utiliza la energía de las olas
para la propulsión, en tanto que la energía solar
suministra potencia al motor del timón, el sistema de navegación y los componentes electrónicos de la carga útil. Este AMV consta de un
flotador superficial y un planeador sumergido
conectados por un cable umbilical electromecánico (izquierda). Cada una de estas piezas puede
sustentar un arreglo de sensores para generar
una carga útil de acuerdo con las necesidades de
cada misión. El flotador pesa alrededor de 68 kg
[150 lbm], incluyendo una carga útil habitual.
El flotador mide 208 por 60 cm [82 por 24 pulgadas]. Su cubierta sustenta las antenas para el
sistema GPS, las comunicaciones satelitales y los
sistemas de prevención de colisiones, además de
un mástil con una luz indicadora de posición y una
bandera para una mayor visibilidad. Su superficie
aloja además dos paneles fotovoltaicos que realimentan continuamente las baterías de iones de
litio utilizadas para suministrar energía a los sistemas de navegación y comunicaciones del vehículo,
y las cargas útiles de los sensores. Cuenta además
con siete paquetes de baterías inteligentes, alojados
Solar panel
Command and control
electronics
Payload electronics
Payload electronics
Lift point
Aft payload bay
Forward payload bay
Amplitud
de la ola
Umbilical power
and communications
Wings
Rudder
Subsea payload attachment points
> Propulsión con las olas. El sistema Wave Glider transforma una porción de su movimiento vertical en impulso de avance. Cuando el flotador de superficie
se eleva en la cresta de una ola, hace subir el planeador sumergido con el cable umbilical. Los seis pares de aletas articuladas del planeador son
presionadas hacia abajo a medida que el planeador se eleva y esa elevación se traduce en un movimiento de avance y ascenso, que hace adelantar el
flotador (centro). Cuando el flotador se desplaza fuera de la cresta, las aletas del planeador se inclinan hacia arriba, lo que nuevamente se traduce en un
movimiento de avance (derecha). El movimiento de las olas es mayor en la superficie del agua y decrece con la profundidad. La magnitud de la fuerza de
propulsión de avance es proporcional a la diferencia entre las amplitudes de las olas en el flotador de superficie y en las aletas del planeador sumergido.
48
Oilfield Review
Volumen 25, no.4
Características de la superficie marina
Calma vítrea
Ondulada
Uniforme o con olas pequeñas
Leve
Moderada
Tempestuosa
Muy tempestuosa
Alta
Muy alta
Fenomenalmente alta
de avance independiente de la dirección de las
olas mientras su flotador asciende y desciende con
cada ola y el planeador remolca el flotador hacia
adelante (página anterior, abajo).
La velocidad de avance depende de la fuerza
de flotabilidad total provista por el flotador cuando
se encuentra unido al peso del planeador. La masa
y la flotabilidad del vehículo varían con la carga
útil, de modo que el flotador, el cable umbilical y el
planeador deben equilibrarse y ajustarse para
lograr un desempeño óptimo de la propulsión.
El AMV está diseñado para operar en condiciones
variables entre un estado del mar equivalente a 0 y
un estado equivalente a 6 (arriba).
El vehículo puede alcanzar velocidades de
hasta 1 m/s [2 nudos] y, en condiciones normales
con olas de 0,3 a 1 m [1 a 3 pies], alcanza entre 0,5 y
0,75 m/s [1 y 1,5 nudos].9 Con esta velocidad, puede
recorrer aproximadamente 1 000 km [620 millas,
540 millas náuticas] en un mes. Además, puede
obtener energía de las olas de baja amplitud y
alta frecuencia —tales como las del oleaje
eólico— de manera que hasta en condiciones
calmas, su velocidad rara vez cae por debajo de
0,25 m/s [0,5 nudos].10
Este AMV ha demostrado su capacidad para
operar en estados extremos del mar. Un vehículo
Wave Glider, llamado G2, experimentó una aproximación con el huracán Isaac en agosto de 2012.
La tormenta pasó a una distancia de 100 km
[60 millas] de la localización del G2 en el Golfo
de México. Cuando el huracán viró en dirección
hacia el vehículo, su piloto —que monitoreaba la
situación desde el centro de soporte de operaciones (OSC) de Sunnyvale, en California, EUA—
emitió una instrucción de cambio de rumbo que
lo alejó del peligro. Equipado con sensores para
medir la velocidad del agua, la temperatura del
aire y del agua, la velocidad del viento y la presión barométrica, el G2 transmitió los datos a
pesar de su proximidad a la tormenta (abajo).
Más recientemente, en octubre de 2012, otro
100
Velocidad del viento, nudos
34
32
30
28
26
24
10
60
40
20
Tiempo
1 020
8
6
4
2
0
80
0
Tiempo
Presión barométrica, mbar
  7.Pai S: “Wave Glider—Introduction to an Innovative
Autonomous Remotely Piloted Ocean Data Collection
Platform,” artículo SPE 166626, presentado en la
Conferencia y Exhibición del Petróleo y el Gas del
Área Marina de Europa de la SPE, Aberdeen, 3 al
6 de septiembre de 2013.
  8.Leroy F y Hine G: “Persistent Unmanned Surface
Vehicles for Well and Field Support,” artículo OTC 22545,
presentado en la Conferencia de Tecnología Marina,
Brasil, Río de Janeiro, 4 al 6 de octubre de 2011.
  9.Un nudo, o milla náutica por hora, equivale a 1,151 millas
terrestres por hora [1,852 km/h].
10.Dalgleish FR, Ouyang B, Vuorenkoski AK, Thomas JC
y Carragher PD: “Towards Persistent Real-Time
Autonomous Surveillance and Mapping of Surface
Hydrocarbons,” artículo OTC 24241, presentado en la
Conferencia de Tecnología Marina, Houston, 6 al 9 de
mayo de 2013.
Altura de las olas, m
0
0 a 0,1
0,1 a 0,5
0,5 a 1,25
1,25 a 2,5
2,5 a 4
4a6
6a9
9 a 14
Más de 14
> Tabla de estados del mar. La Organización Meteorológica Mundial clasifica la
fuerza de los mares de acuerdo con la altura cada vez mayor de las olas. El AMV
Wave Glider puede operar con un valor del estado del mar de 6.
Temperatura en la superficie
del mar, °C
La locomoción en el océano
El sistema de propulsión del vehículo Wave Glider
es pasivo y mecánico; y convierte la energía del
movimiento de las olas en impulso.8 Este sistema
de propulsión explota la diferencia natural del
movimiento de las olas entre el flotador de superficie y el planeador sumergido. Las orejas o aletas
articuladas adosadas al planeador sumergido convierten la energía de las olas para generar más de
1,3 kN [300 lbf] de impulso a medida que rotan en
sentido vertical. El vehículo produce un impulso
Estado del mar
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Altura significativa de
la ola, m
en el interior del flotador y aislados eléctricamente
con un sistema de circuitos de descarga y monitoreo
que permite la utilización de sólo dos baterías por
vez.7 Dos bahías de carga útil sustentan un total de
18 kg [40 lbm] entre sensores y equipos.
El cable umbilical, de unos 5,8 m [19 pies] de
largo, proporciona una conexión flexible entre el
flotador de superficie y el planeador sumergido.
Este cable sirve además como conducto para la
transmisión de los comandos de navegación y la
energía al planeador.
El planeador sumergido tiene una longitud de
2 m [6,5 pies]. El planeador se desliza sobre seis
pares de aletas subacuáticas que propulsan el sistema Wave Glider entero hacia adelante. La estructura del planeador sustenta un timón y su unidad
de control. La estructura pesa aproximadamente
68 kg y puede soportar varios sensores.
El flotador de superficie de perfil bajo, el
cable umbilical de alta resistencia y el planeador
robusto permiten que el vehículo continúe operando a través de los intensos vientos y las altas
olas del mar abierto. El planeador se encuentra
protegido de las condiciones climáticas de la
superficie y actúa como un ancla flotante para
contrarrestar los efectos del viento y el oleaje en
el flotador de superficie. El modelo actual, la plataforma Wave Glider SV2, ha sobrevivido a cinco
huracanes y tres ciclones tropicales y ha registrado más de 560 000 km [300 000 millas náuticas] desde el año 2009.
Tiempo
1 010
1 000
990
980
970
Tiempo
> Lecturas de los sensores de tormenta. Cuando el huracán Isaac viró en dirección hacia la plataforma
Wave Glider G2, los sensores del AMV registraron una caída significativa de la temperatura del agua,
registrándose vientos sostenidos de 40 nudos [74 km/h] y ráfagas de hasta 74 nudos [137 km/h] con la
caída de la presión barométrica a 988,3 mbar [14,3 lpc].
49
presencia de capas brillantes superficiales de
petróleo
•registradores acústicos pasivos para detectar y
analizar las vocalizaciones de los mamíferos
marinos.
Los clientes pueden monitorear el estado del
vehículo y los datos en tiempo real. Un esquema
de credenciales basado en cuentas proporciona
seguridad en las comunicaciones con el vehículo
a través de Internet. Las actualizaciones se ejecutan generalmente según los intervalos especificados por el cliente y oscilan entre 1 y 15 minutos.
Un disco rígido a bordo registra las frecuencias
de muestreo de mayor resolución.
> Capacidad de mantenimiento de la estación. Una boya de observación de mar abierto (derecha)
fue amarrada al lado de un registrador de presión de fondo marino (BPR) para retransmitir los datos
del BPR a un grupo de científicos ubicados en tierra firme. A pesar de haber sido amarrada al lado del
BPR, los vientos y las corrientes tendían a empujar la boya hacia el cuadrante sudeste de su círculo
de vigilancia de 3 400 m [11 000 pies]. Para determinar su confiabilidad como estación retransmisora
de los datos del BPR, se probó un AMV Wave Glider (izquierda).
AMV Wave Glider atravesó exitosamente vientos
de 130 km/hora [70 nudos] para transmitir los
datos meteorológicos en tiempo real mientras el
huracán Sandy se desplazaba hacia el norte, a lo
largo de la costa este de EUA.11 En condiciones
tormentosas, el rendimiento del vehículo se
potencia como resultado del incremento de la
energía de las olas, lo que le permite mantener el
rumbo previsto.
El sistema de propulsión del vehículo Wave
Glider también le permite mantener la posición
en una localización, aún en presencia de corrientes de marea o corrientes en remolino. El sistema
sencillamente se dirige hacia un punto de ruta
(waypoint) designado; un conjunto programado
de coordenadas geográficas. Cuando se aproxima a
los límites de un círculo de vigilancia predefinido,
gira y regresa reiteradas veces al mismo punto.
El AMV puede mantener la posición por mucho
tiempo con un círculo de vigilancia de hasta 50 m
[164 pies] de diámetro, dependiendo de las
corrientes y del estado del mar. Por el contrario,
los sistemas de amarre de boyas en las profundidades oceánicas emplean aparejos de fondeo que
producen un círculo de vigilancia mucho más
amplio (arriba).
La plataforma de sensores
El sistema AMV Wave Glider puede alojar una amplia gama de sensores ya sea estándar o bien diseñados a medida de las necesidades de la misión.
50
Un receptor GPS no sólo determina la posición
del vehículo, sino que además proporciona una
marca de tiempo precisa para todos los datos
registrados en la misión. Los paneles fotovoltaicos mantienen cargadas las baterías de iones de
litio para sustentar los sistemas de WiFi, celulares o comunicaciones satelitales, el procesamiento de datos a bordo y varias cargas útiles.
De acuerdo con las especificaciones del cliente,
es posible configurar cargas útiles de sensores
adicionales:
•sensores meteorológicos para registrar la presión barométrica, la temperatura del aire, la
dirección y la velocidad del viento y las ráfagas
•sensores de olas para registrar la altura, el
período y la dirección de las olas
•módems acústicos para recolectar datos de los
sensores instalados en estructuras submarinas
o en el fondo del mar
•sensores batimétricos para mapear la profundidad del agua
•sensores de corrientes para registrar la dirección y la velocidad
•sensores de salinidad y temperatura del agua
•sistemas de fluorometría para detectar la presencia de petróleo, turbidez y clorofila en el agua
•magnetómetros para medir la magnitud y la
dirección de los campos magnéticos
•cámaras para proporcionar imágenes en tiempo
real; también utilizadas para monitorear la
proximidad con respecto al hielo o verificar la
Pilotaje por control remoto
El sistema AMV Wave Glider puede ser programado
para viajar directamente entre una localización y
otra o para seguir una ruta específica definida por
múltiples conjuntos de coordenadas geográficas o
puntos de ruta. El sistema GPS a bordo guía el vehículo desde un punto de ruta hasta otro. El vehículo
utiliza un receptor GPS de 12 canales como su principal sensor de navegación, junto con una brújula
compensada por la inclinación con acelerómetros
triaxiales y un sensor de la velocidad del agua. Este
sistema ofrece una precisión de navegación superior a 3 m [10 pies].12
Alternativamente, los pilotos del vehículo Wave
Glider pueden direccionar sus cargas en forma
remota (próxima página, arriba). La información
de comando y control se transmite por enlace satelital con una interfaz de usuario segura, basada en
la Red, para dirigir las unidades.13 El Sistema de
Manejo de los AMVs Wave Glider permite a los
pilotos emitir comandos de rumbo utilizando una
computadora con Internet o un teléfono celular
que permita navegar en la Red.14
La prevención de colisiones es crucial para el
éxito de los programas de los vehículos autónomos. Una estrategia clave para el AMV es poder
ver y ser visto, de modo de ejecutar los comandos
de navegación a tiempo para evitar accidentes.
Generalmente, se instalan un mástil, una bandera
y una luz para indicar visualmente la posición del
flotador del AMV. Más importante aún es el hecho
de que el flotador transporta un paquete integrado
de componentes electrónicos para destacar
su posición. Un intensificador de blancos de radar
11.Pai, referencia 7.
12.Pai, referencia 7.
13.Anderson BS y Beatman L: “Autonomous Surface
Vehicle Operations in the Arctic: Regional Baseline
Data Acquisition,” artículo OTC 23737, presentado
en la Conferencia de Tecnología del Ártico, Houston,
3 al 5 de diciembre de 2012.
14.Pai, referencia 7.
15.Dalgleish et al, referencia 10.
Oilfield Review
produce un blanco inconfundible en las pantallas
de los radares de las embarcaciones cercanas.
Y un sistema de comunicaciones satelitales, un
sensor de rumbo azimutal y un GPS se conectan a
un sistema de identificación automática (AIS)
para rastrear el movimiento de la embarcación.
Es requisito que las embarcaciones comerciales estén provistas de sistemas de radar y AIS
(derecha, extremo inferior). El AIS, cuyos datos
se muestran en la pantalla del radar para ayudar
a los navegantes de una embarcación cercana a
rastrear el rumbo del vehículo autónomo, proporciona la capacidad para interrogar e intercambiar
en forma automática datos de posición, rumbo y
velocidad en forma automática. Los datos recíprocos del AIS son retransmitidos automáticamente
desde el AMV a los pilotos del Wave Glider en tierra firme y éstos también monitorean el tráfico
marítimo y emiten comandos de navegación del
AMV para evitar colisiones.
Aplicaciones de E&P
Las plataformas de sensores Wave Glider se adecuan a diversas aplicaciones y misiones científicas.
Su persistencia y alcance permiten a estos AMVs
recolectar datos de series de tiempo a través de
vastas áreas geográficas, lo que posibilita un tipo
de investigación científica que no era posible o
económica utilizando los datos recolectados
desde boyas, embarcaciones o satélites.
La detección de manifestaciones superficiales de hidrocarburos naturales es quizás el
método más antiguo de exploración petrolera.
Desde el punto de vista de un geólogo, el petróleo
presente en la superficie del mar constituye un
buen indicador de la existencia de más reservas por
debajo del lecho marino. A los ecologistas y oceanógrafos les interesa saber además cómo podría afectar el carbono orgánico de estas manifestaciones
los ambientes bentónicos y bentopelágicos adyacentes y las comunidades quimiosintéticas que
éstos sustentan.15
Las interacciones, mezclas y disoluciones biológicas consumen o dispersan una porción de los
hidrocarburos a medida que éstos se elevan a través de la columna de agua, pero algunas burbujas o
gotas pequeñas de hidrocarburos finalmente llegan a la superficie. Allí, se dispersan y forman una
mancha o capa brillante superficial de petróleo,
cuyo ancho y profundidad dependen de las condiciones de la superficie del mar; especialmente la
agitación de las olas, la temperatura y la evaporación, que afectan la velocidad de dispersión.
Estas manchas ocurren con regularidad, pero a
menudo duran poco tiempo. Pueden ser observadas visualmente o detectarse mediante radares de
Volumen 25, no.4
> Estación de control con pilotos. En un centro de soporte de operaciones terrestre, los pilotos
monitorean el tráfico marítimo, las condiciones del mar y los parámetros de operación de los AMVs
durante las 24 horas del día.
apertura sintética (SAR) instalados en satélites.
No obstante, las órbitas de los satélites SAR en
general no admiten más de dos pasadas diarias
por un sitio determinado. Las plataformas de sensores automatizadas, que miden los parámetros
relacionados con los hidrocarburos y otros parámetros ambientales y transmiten los datos a los
investigadores apostados en tierra firme, consti-
tuyen una alternativa efectiva con respecto a las
mediciones satelitales o las mediciones obtenidas
a bordo de embarcaciones.
Las plataformas de sensores Wave Glider han
sido utilizadas en una misión de dos meses de
duración llevada a cabo en el área del Cañón del
Mississippi del Golfo de México para evaluar los
manaderos naturales de petróleo presentes en
Buque de motor Richard Etheridge
11,4 nudos, 139°
CPA 0,20 nm, 8 min
Buque de motor Nathan Bruckenthal
13,4 nudos, 156°
CPA 0,14 nm, 2 min
Buque de motor
Douglas Munro
8,7 nudos, 318°
CPA 0,18 nm, 1 min
Embarcación
propia
> Visualización típica de un sistema AIS. La posición de las embarcaciones, su velocidad, rumbo,
punto de aproximación más cercano (CPA) proyectado en millas náuticas (nm) y el tiempo estimado al
CPA se muestran en una presentación cartográfica electrónica. El sistema AIS actualiza esta información
crucial varias veces por minuto. La embarcación en la que aparece esta visualización (círculo naranja)
pasará cerca de otras tres embarcaciones (rojo) si mantiene su ruta y velocidad actuales.
51
0,268
28,132°
Concentración de hidrocarburos equivalentes, µg/L
28,130°
Latitud
28,128°
28,126°
28,124°
28,122°
0,258
0,249
0,239
0,230
28,120°
28,118°
–89,148°
–89,146°
–89,144°
–89,142°
–89,140°
–89,138°
–89,136°
–89,134°
–89,132°
0,220
Longitud
> Patrón de exploración hexagonal. Los sensores de radar de apertura sintética instalados en satélites
(verde) detectaron una capa superficial brillante resultante de un manadero del Golfo de México.
Durante una salida del Wave Glider, el vehículo de teledetección observó un incremento de las
concentraciones de hidrocarburos. La trayectoria del Wave Glider se encuentra codificada en colores
de acuerdo con la concentración de hidrocarburos. Los eventos detectados, (puntos grandes) en los
que los picos o las transiciones bruscas son registrados en múltiples sensores, muestran dónde el
AMV encontró mayores concentraciones de hidrocarburos semivolátiles, lo que indica la presencia
de acumulaciones nuevas.
Estación meteorológica
Perfilador de
corrientes
Medidor de
retrodifusión
Transmisómetro
Sensor de la
velocidad del agua
Sensores de la conductividad,
la temperatura y la presión del agua,
y del oxígeno disuelto
Sonar remolcado
> AMV con sonar remolcado. Esta plataforma de sensores obtuvo mediciones de referencia de la
suspensión de partículas en la columna de agua a lo largo de la ruta de dragado de una línea de
conducción propuesta. El AMV fue configurado para obtener mediciones del tiempo en la superficie y la
velocidad y la dirección de las corrientes, junto con mediciones del oxígeno disuelto y la conductividad,
temperatura y presión del agua. Los sensores del sonar remolcado obtuvieron mediciones de la turbidez.
52
las proximidades de los domos salinos y los volcanes de lodo. La carga útil científica del AMV consistió en un sensor de velocidad del agua, instalado
en el flotador, una estación meteorológica instalada
en el mástil, un fluorómetro para medir las concentraciones bajas de hidrocarburos semivolátiles y
dos sensores ópticos para medir las concentraciones de material orgánico disuelto y suspendido por
medio de la técnica de fluorescencia.16 Previo al
despliegue del AMV, se calibró la respuesta de los
sensores ópticos para conocer las concentraciones de petróleo crudo en las diversas etapas de
alteración superficial en un centro de pruebas con
tanques de almacenamiento temporal. Los datos
resultantes de los sensores del Wave Glider ayudaron a los científicos a mapear la localización y la
extensión de las capas brillantes superficiales de
petróleo (izquierda).
Del otro lado del mundo, la Unidad de
Tecnología Ambiental de Chevron, en colaboración con el Centro de Ciencia y Tecnología Marina
de la Universidad de Curtin en Perth, Australia
Occidental, desplegó una configuración única de
sensores en dos plataformas de sensores Wave
Glider.17 Los AMVs obtuvieron datos de turbidez
de referencia previo al inicio de las operaciones
de dragado para una línea de conducción del área
marina de Australia. Desplegadas en tres salidas,
las plataformas de sensores AMV llevaron a cabo
levantamientos metoceánicos y obtuvieron mediciones para evaluar la turbidez a través de las
áreas afectadas por el dragado.
Durante la primera salida, el sistema obtuvo
varias mediciones metocéanicas, incluidas la
dirección y la magnitud de las corrientes oceánicas, la temperatura del aire, la velocidad y la
dirección del viento, la presión atmosférica, y la
temperatura y la salinidad del agua. Estos datos
proporcionaron valiosa información ambiental de
referencia que ayudó a los científicos a planificar
las salidas posteriores (próxima página).
La siguiente salida, efectuada para obtener
datos detallados sobre la suspensión de las partículas, también demostró la capacidad de remolque del planeador Wave Glider. Un AMV arrastró
un módulo de sensores de sonar remolcados por
detrás del planeador sumergido para medir la
turbidez (izquierda). El sonar remolcado midió la
transmisión óptica para determinar la atenuación
de la luz y midió la retrodifusión con tres longitudes
de onda diferentes para calcular los sedimentos
suspendidos y el tamaño medio de las partículas.
Luego de establecer una referencia previa al dragado, los AMVs fueron desplegados nuevamente
para medir los sedimentos suspendidos durante
la operación de dragado.
Oilfield Review
Azimut de las corrientes
Profundidad, m
0°
180°
360°
–20
–40
0
12
24
Tiempo transcurrido, horas
36
48
60
48
60
Velocidad de las corrientes, m/s
Profundidad, m
0
.25
.50
–20
–40
0
12
24
Tiempo transcurrido, horas
36
> Corrientes y profundidad. En el área marina de Australia Occidental, un AMV Wave Glider registró sondeos del fondo marino hasta 60 m [200 pies] de
profundidad, junto con la velocidad y la dirección de las corrientes. La influencia de las mareas en la dirección de las corrientes es pronunciada en las
profundidades más someras y la dirección cambia en incrementos de aproximadamente seis horas (rojo y azul, extremo superior). Las corrientes mostraron
variaciones irregulares de la velocidad a lo largo del trayecto del levantamiento (extremo inferior). Todas las mediciones están vinculadas al tiempo y las
coordenadas GPS.
La tercera salida permitió a los científicos
comparar los datos obtenidos con los sensores
del sonar durante la segunda salida con los datos
obtenidos con un sensor óptico diferente para
rastrear los sedimentos suspendidos y la distribución granulométrica. Esta comparación de los
resultados de los sensores de última generación
ayudó al operador a determinar el mejor sistema
de sensores para los despliegues futuros. Una vez
concluido el dragado, se llevará a cabo un levantamiento final. La repetición de estos levantamientos (técnica de lapsos de tiempo) permitirá a
Volumen 25, no.4
los científicos comparar los perfiles antes, durante
y después del dragado para evaluar cualquier
impacto ambiental en el corto o el largo plazo.
El AMV también ha ayudado a los geofísicos a
diseñar levantamientos sísmicos. Las embarcaciones sísmicas emplean varios cables sísmicos
acústicos, remolcados en paralelo, para adquirir
datos geofísicos. Estos cables sísmicos marinos, de
varios miles de metros de largo, no siempre siguen
la embarcación sísmica directamente en línea,
sino que se desvían lateralmente en respuesta a
las mareas y las corrientes con que se encuentran.
Si bien los cables sísmicos marinos son orientables, esta estela puede producir vacíos en la cobertura de los datos obtenidos en un área y obligar a la
embarcación sísmica a regresar a esa área para
readquirir y rellenar los datos faltantes. A fin de
contrarrestar los efectos de las mareas y las
corrientes, los planificadores de levantamientos a
16.Dalgleish et al, referencia 10.
17.Pai S y Shone P: “Remotely Piloted Ocean Vehicles to
Conduct METOC and Turbidity Pre-Site Survey,” artículo
presentado en la 75a Conferencia y Exhibición de la
EAGE, Londres, 10 al 13 de junio de 2013.
53
Velocidad de las corrientes transversales
a la dirección de la embarcación, en nudos
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
06:00, 24 de marzo
Babor
Estribor
00:00, 24 de marzo
18:00, 23 de marzo
12:00, 23 de marzo
> Datos de las corrientes. La velocidad de las corrientes a través de un área de levantamiento
fue transmitida al WG Columbus (inserto) para ayudar a predecir las posiciones del cable sísmico
marino a medida que la embarcación pasaba cerca de una plataforma de producción y de otras
obstrucciones potenciales.
menudo orientan los levantamientos en línea con
la dirección de la corriente predominante.
La estela del cable sísmico marino se vuelve
un problema aún mayor cuando se adquieren
levantamientos en las proximidades de objetos
fijos, tales como boyas, equipos de perforación o
plataformas de producción. Como soporte de la
operación de una embarcación sísmica de
Satélite
AMV Wave Glider
AUV
ROV
Colector múltiple
> Puerta de enlace de comunicaciones. Como soporte de las operaciones petroleras, el AMV Wave
Glider constituirá un enlace útil para la retransmisión de datos y comandos entre el fondo marino y
las instalaciones del operador. En este ejemplo, el AMV puede manejar las comunicaciones con un
AUV sumergido, un ROV y un colector múltiple submarino además de plataformas, un satélite y una
nave de soporte en la superficie (de Manley y Hine, referencia 5). (Copyright 2008, Conferencia de
Tecnología Marina. Reproducido con la autorización de OTC. Se prohíbe cualquier otra reproducción
sin autorización.)
54
WesternGeco en el Golfo de México, se desplegaron tres vehículos sensores Wave Glider para
reportar los datos meteorológicos y de las corrientes en tiempo real, en las proximidades de los equipos y las plataformas de perforación del área del
levantamiento. Cada AMV utilizó un perfilador acústico de corriente Doppler (ADCP) para medir la
velocidad y dirección de las corrientes. Los datos
fueron enviados a través de un servicio seguro de
Internet al jefe de brigada a bordo de la embarcación sísmica WG Columbus (izquierda). Esta información ayudó al jefe de brigada de levantamiento
sísmico a determinar cuán cerca podría la embarcación sortear las obstrucciones y a la vez evitar el
enredo del cable sísmico marino.18
En un caso similar, Total utilizó los perfiladores ADCP como asistencia en el diseño de levantamientos sísmicos en el área marina de Uruguay.
En ese país, un grupo de geofísicos procuraba
estudiar un área cerca de la confluencia de dos
corrientes oceánicas. Para adaptar la adquisición
a las corrientes prevalecientes en forma diaria y
de ese modo incrementar la seguridad operacional, Total desplegó un AMV Wave Glider para medir
la intensidad de las corrientes. Los datos fueron
transmitidos en tiempo real vía satélite mientras
el levantamiento se encontraba en curso.
Los AMVs Wave Glider también pueden proporcionar una plataforma persistente para facilitar la comunicación con los sensores y equipos
submarinos mediante un módem acústico, ya sea
para el control operacional o para evaluar los activos submarinos (izquierda). Shell ha utilizado los
módems acústicos Wave Glider en pruebas de
referenciamiento para recolectar datos de los
transpondedores submarinos de monitoreo de presión del Golfo de México. En la mayoría de los
casos, dichos datos pueden ser registrados, transferidos vía satélite y analizados en cualquier lugar
del mundo.
Más allá del campo petrolero
Los episodios acaecidos en la década pasada
señalan la devastación que ocasionaron a las
comunidades costeras los terremotos marinos o
las grandes tormentas. Para alertar a las comunidades acerca de los peligros inminentes, los científicos necesitan contar con datos relevantes en
tiempo real. En el caso de los tsunamis, los sensores desplegados en boyas pueden ayudar a localizar el epicentro de un sismo y medir la magnitud
del desplazamiento del fondo marino. Para monitorear dichos datos, se ha instalado un arreglo de
boyas de datos oceánicos. La Administración
Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) de EUA
monitorea los datos de la red DART (Evaluación y
Aviso de Tsunami en la Profundidad del Océano),
Oilfield Review
Satélite
Centro de alerta
temprana de tsunamis
AMV Wave Glider
Registrador de presión de fondo marino
> Monitoreo de los tsunamis. La NOAA utiliza las lecturas de presión de fondo para detectar la actividad sísmica que podría producir un tsunami. Una plataforma de
sensores Wave Glider ha sido empleada para retransmitir los datos en tiempo real desde un BPR a un centro de alerta temprana de tsunamis instalado en tierra firme.
establecida para detectar tsunamis y adquirir
datos para efectuar pronósticos en tiempo real.
Actualmente, la NOAA cuenta con 39 estaciones
de monitoreo DART en su red y las estaciones de
otras naciones también aportan datos. Cada estación DART consiste en un registrador de presión
de fondo marino (BPR) con una boya de superficie anclada a su lado. Un enlace acústico transmite los datos y comandos entre la boya y el BPR,
que recolecta las lecturas de presión y temperatura a intervalos de 15 segundos. Los datos son
retransmitidos del BPR a la boya, y luego el satélite de comunicaciones los transmite a los centros de alerta de tsunamis de todo el mundo.19
Los científicos de la NOAA reconocieron que el
mantenimiento de algunas de las estaciones DART
después de su despliegue presentaría desafíos operacionales. Cuando una estación experimenta una
falla, el costo de movilizar una embarcación para
efectuar reparaciones puede exceder el presupuesto del programa. Para incrementar la red, la
NOAA ha desplegado un AMV Wave Glider con un
módem acústico de baja frecuencia para obtener
observaciones de tsunamis en tiempo real. Este tsunámetro móvil autónomo actúa como una puerta
de enlace de comunicaciones para la transmisión
de datos sísmicos en vivo desde el fondo hasta la
superficie del océano y su posterior retransmisión
a la costa vía satélite (arriba). El AMV, que también recolecta información meteorológica en
tiempo real, puede ser programado para viajar a
Volumen 25, no.4
localizaciones determinadas o regresar a la costa
cuando se imparte el comando.
El pronóstico preciso de las tormentas también
es crucial para la protección de las vidas y los activos de las comunidades costeras. Habiendo desarrollado herramientas para predecir el curso
general que puede adoptar una tormenta, la NOAA
ahora intenta mejorar las predicciones acerca de
su intensidad. A lo largo de la costa este y la costa
del golfo de EUA, las mayores amenazas provienen de los huracanes. En un esfuerzo para comprender mejor cómo se incrementa o se reduce la
intensidad de los huracanes, la NOAA está apuntando a la interfaz mar-aire, donde las aguas cálidas transfieren la energía térmica al sistema de
tormentas suprayacente. Los especialistas en el
clima consideran que las temperaturas por debajo
de la superficie del océano pueden contribuir significativamente a este intercambio de energía ya
que los vientos de tormenta y los maremotos agitan las aguas por debajo de la superficie.
No obstante, la extracción de datos del centro
de un huracán puede ser difícil. Los aviones cazatormentas vuelan en dirección hacia estos sistemas climáticos violentos a varios miles de pies por
encima del océano. Ellos exploran la tormenta
utilizando un radar para medir las condiciones
existentes en la superficie del océano o lanzan los
sensores para obtener un perfil vertical detallado
de las condiciones atmosféricas presentes en el
interior de la tormenta.20 Los satélites observan
las temperaturas de la superficie desde cientos o
miles de millas por encima del agua, pero estas
mediciones pueden ser oscurecidas por la nubosidad y no proporcionan información sobre el
calor intercambiado en las aguas agitadas por las
tormentas debajo de la superficie. Además, necesitan ser comparadas con las mediciones en sitio
obtenidas en el ambiente real de la tormenta.
Dichas mediciones sólo pueden recogerse aventurándose en la tormenta propiamente dicha.
18.Pai, referencia 7.
19.Manley y Hine, referencia 5.
Para obtener más información sobre el sistema DART,
consulte: “Deep-Ocean Assessment and Reporting of
Tsunamis (DART) Description,” NOAA National Data
Buoy Center (Centro Nacional de Datos de Boyas de
la NOAA), http://www.ndbc.noaa.gov/dart/dart.shtml
(Se accedió el 20 de noviembre de 2013).
Green DS: “Transitioning NOAA Moored Buoy
Systems From Research to Operations,” en Actas
de la Conferencia MTS/IEEE OCEANS 2006, Boston,
Massachusetts, EUA, 15 al 21 de septiembre de 2006.
20.Las sondas eyectables obtienen un perfil vertical de las
condiciones a medida que descienden en paracaídas a
través de una tormenta. La temperatura, la humedad, la
presión, la velocidad del viento, la dirección del viento y
las coordenadas GPS son transmitidas a la aeronave de
lanzamiento cada 0,5 segundo. Un lanzamiento desde
7 000 m [20 000 pies] puede insumir 7 minutos.
Para obtener más información sobre las capacidades de
la sonda eyectable, consulte: “GPS Dropsonde,”
Corporación Universitaria para la Investigación
Atmosférica y Centro Nacional de Investigación
Atmosférica, Laboratorio de Observación de la Tierra,
https://www.eol.ucar.edu/node/3145 (Se accedió el
6 de diciembre de 2013).
55
> La onda del futuro. El prototipo Wave Glider SV3 actual está provisto de un sistema de propulsión eléctrico con una hélice de arrastre bajo (cono negro
debajo de la aleta vertical). Este modelo más grande alojará una carga útil de 45 kg [100 lbm].
Dado que estos ambientes son demasiado turbulentos para las embarcaciones meteorológicas
tripuladas o las aeronaves de investigación, los
científicos de la NOAA están probando las plataformas de sensores móviles autónomas para observar esta transferencia de energía. La NOAA ha
utilizado el AMV Wave Glider en el Océano
Atlántico para recolectar datos críticos en áreas
cuyo acceso por otros medios resultaría muy arduo
o muy peligroso. Para el monitoreo de un área al
norte de Puerto Rico, la plataforma de sensores
está equipada con una estación meteorológica
estándar para medir la temperatura, la humedad,
la presión barométrica, la velocidad y la dirección
del viento y las ráfagas. Además, está provista de un
sensor de oleaje direccional y una cadena con termistor para medir la temperatura del agua desde la
superficie hasta 7 m [23 pies] de profundidad.
Esta plataforma de sensores demostró que es posible obtener mediciones de temperatura de alta
calidad de la porción superior del océano y transmitirlas a distancia en tiempo real, utilizando
vehículos autónomos en un ambiente riguroso.
21.Leroy y Hine, referencia 8.
22.Leroy y Hine, referencia 8.
56
Un AMV también permite a los científicos recolectar datos de varias localizaciones a medida que el
vehículo da vueltas a través de la tormenta.
La onda del futuro
Luego de viajar 14 meses y recorrer 14 800 km
[9 200 millas] a través del Océano Pacífico, el AMV
Wave Glider ha logrado un historial de confiabilidad.
Esta plataforma autónoma de sensores demostró
ser capaz de ejecutar varias funciones importantes de monitoreo marino previamente asignadas a
embarcaciones tripuladas; sin embargo, durante
un tiempo más largo y a un costo más bajo que los
métodos tradicionales. Además, su capacidad de
mantenimiento de la posición le permite reproducir las funciones de persistencia y medición de una
boya de monitoreo marino amarrada. En este
modo, el vehículo reduce significativamente los
costos, el tiempo y los riesgos incurridos por las
embarcaciones y las brigadas para desplegar, recuperar y mantener una red tradicional de boyas.
Su tamaño compacto ofrece además gran flexibilidad y adaptabilidad para un despliegue rápido
en situaciones imprevistas o en rápido cambio
para monitorear las condiciones existentes en,
sobre o debajo de la superficie del océano.21
A medida que las actividades de exploración y
producción marinas accedan a áreas más profundas y más remotas de los océanos, los equipos de
perforación, las plataformas de producción, las
embarcaciones y las líneas de conducción empleados en estas operaciones utilizarán el soporte de los
vehículos autónomos cada vez con más frecuencia.
La capacidad para operar en la interfaz mar-aire o
debajo de ésta le servirá al cliente del AMV para la
retransmisión de comunicaciones entre las instalaciones de superficie y las del subsuelo.
Una nueva generación de vehículos Wave
Glider más grandes, con diseños específicos, proporcionará soporte a las instalaciones de pozos del
subsuelo y las operaciones de campo. El modelo
SV3 será un 35% más largo que los modelos previos
y transportará una carga útil más grande. Los sistemas futuros podrán generar electricidad a partir
del movimiento de las olas y además podrán
incluir sistemas de propulsión eléctrica auxiliares
para mejorar las capacidades de maniobrabilidad
y prevención de colisiones (arriba).22 La próxima
generación de vehículos autónomos Wave Glider
será esencial para extender las fronteras de la
exploración y la producción.
— MV
Oilfield Review