海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬可視化仿真軟件開發(fā)

陳從磊 張多, 張建兵 連遠鋒

（1.中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院 北京市 100083）

（2.中國石油大學(北京)信息科學與工程學院 北京市 102249）

隨著深水油氣開發(fā)日趨繁榮，如何保障我國海洋油氣資源的安全開采，實現(xiàn)對石油生產(chǎn)的分析、預警與防治，成為現(xiàn)階段海上油氣安全生產(chǎn)的重要發(fā)展戰(zhàn)略[1]。由于海洋石油深水水下生產(chǎn)過程及其運作機理較為復雜并存在嚴重的安全風險，三維海洋工程模擬仿真與可視化作為模擬現(xiàn)實場景的重要手段，可直觀地展示海洋環(huán)境細節(jié)，提升油氣工程工藝環(huán)節(jié)認知，為實現(xiàn)海洋油氣資源的勘探開發(fā)提供堅實的技術(shù)支撐[2]。

1 軟件結(jié)構(gòu)設計與模塊劃分

海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬可視化仿真系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬生產(chǎn)運行狀況，將仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行實時讀取、評估與可視化展示，如圖1所示，由 3個模塊構(gòu)成。各模塊具體包括:

（1）系統(tǒng)設置模塊：水下生產(chǎn)作業(yè)仿真中，虛擬海洋環(huán)境應該為受訓人員提供不同區(qū)域、不同海況以及不同天氣狀況下的真實海洋環(huán)境。海上環(huán)境設置包括天空包圍盒、雨雪霧天氣等；海面環(huán)境設置包括海面風速、有義波高、海面流速、波浪周期等；海底環(huán)境設置包括海水密度、洋流大小、洋流方向和海底地形等。

（2）生產(chǎn)案例庫模塊：海上工程建設、投產(chǎn)及生產(chǎn)運行作業(yè)包括半潛式平臺上部組塊安裝、自由站立式立管安裝、水下采油樹安裝、水下管匯安裝、水下跨接管安裝、海底管道終端安裝、海底集輸管線安裝、水下生產(chǎn)系統(tǒng)投產(chǎn)試運行、密封圈更換、海底管道泄漏不停產(chǎn)維修等10個典型案例。

（3）評估決策模塊：為了實現(xiàn)生產(chǎn)運行過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和同步評價，采用工業(yè)自動化WinCC組態(tài)軟件，以交互式圖形化界面方式顯示理論期望值、傳感器實際測量值、故警報信息等仿真實驗信息[3]。通過將仿真數(shù)據(jù)輸入評價系統(tǒng)，依據(jù)評估指標和操作流程來實現(xiàn)綜合評判。

2 硬件環(huán)境與接口規(guī)范

海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)硬件環(huán)境與接口規(guī)范如圖2所示。仿真系統(tǒng)采用標準HLA分布式架構(gòu)，各仿真組件均遵循統(tǒng)一的接口規(guī)范接入仿真框架運行，具有良好的可擴展性[4]。系統(tǒng)從功能角度分為3個子系統(tǒng)：

（1）仿真控制系統(tǒng)，主要包括教練員站、移動數(shù)字控制端、評估模塊和仿真控制數(shù)據(jù)庫。教練員站負責從生產(chǎn)案例仿真庫中選擇水下案例并配置場景初始化參數(shù)，在系統(tǒng)運行過程中發(fā)出指令對作業(yè)流程進行控制。移動數(shù)字控制端基于VAPS 軟件設計并定義吊機控制臺、絞車控制臺和ROV控制臺的圖形控制面板及數(shù)據(jù)鏈路[5]，如圖3所示。虛擬儀表控制面板通過通信鏈路實現(xiàn)與視景仿真系統(tǒng)的完整數(shù)據(jù)流傳輸，體現(xiàn)了良好的靈活性、通用性和便捷性。

圖1：海洋石油深水水下生產(chǎn)虛擬仿真系統(tǒng)軟件模塊

圖2：系統(tǒng)的硬件環(huán)境與接口規(guī)范

（2）視景仿真系統(tǒng)，主要包括動力解算服務器、模型視景生成器和實時監(jiān)測服務器。動力解算服務器在動力學空間中將動力學模型與幾何模型相關(guān)聯(lián)，進行實時和較高精度的場景目標動力學解算，并將解算結(jié)果傳遞給視景仿真服務器中對應的場景和模型，進而得到逼真的動力學視景效果[6]。實時監(jiān)測服務器負責監(jiān)測生產(chǎn)案例的仿真操作運行狀態(tài)、接收模型運行參數(shù)、報警信息并發(fā)出處置命令。同時，視景仿真生成器采用三通道合成繪制，通過投影系統(tǒng)將畫面輸出到大屏。

（3）物理操作控制端，主要由吊機仿真子系統(tǒng)、絞車仿真子系統(tǒng)和ROV仿真子系統(tǒng)和三部分組成，如圖4所示。物理操作控制端通過OPC技術(shù)實現(xiàn)可編程邏輯控制器（PLC）與仿真服務器之間的通信，將模擬信號映射為參數(shù)指令，驅(qū)動視景仿真系統(tǒng)進行動力學解算及視景繪制。

3 典型應用實例可視化仿真

3.1 水下管匯安裝

圖3：數(shù)字移動操作控制端

圖4：物理操作控制端

圖5：水下管匯安裝過程仿真

圖6：海底管道不停產(chǎn)維修仿真

水下管匯安裝可視化仿真案例應用過程，如圖5所示。

整個案例分為 10個海上工程作業(yè)過程，包括：

（1）管匯安裝準備；

（2）吊機起吊管匯；

（3）旋轉(zhuǎn)吊機，將管匯置于海面上方；

（4）下放管匯通過飛濺區(qū)；

（5）減慢放纜速度，將管匯下放至基盤上方；

（6）利用ROV將管匯與基盤上較高的樁腿對中；

（7）利用ROV調(diào)整管匯主體位置，使其與基盤另一樁腿對中；

（8）繼續(xù)下放并利用ROV將管匯主體和管匯基盤鎖緊；

（9）利用ROV解除索具；

（10）回收索具。

此案例能夠真實地模擬深水水下管匯下放的操作，現(xiàn)場沉浸感強。

3.2 海底管道不停產(chǎn)維修

海底管道不停產(chǎn)維修可視化仿真案例應用過程，如圖6所示。

整個案例分為 9個海上工程作業(yè)過程，包括：

（1）漏點檢測；

（2）海床基礎處理；

（3）管道表面處理；

（4）安裝三通并開孔；

（5）安裝水下封堵機和旁通管道；

（6）切除破損管段；

（7）連接替換管段；

（8）回收維修工具；

（9）連接替換管段。

海底原油管道泄漏基于計算流體動力學CFD方法計算泄漏擴散特性并根據(jù)粒子追蹤模型對溢油粒子的局部速度和位置進行預測，沿著時間軸迭代更新，實現(xiàn)海底管道溢油流場三維動態(tài)可視化。

4 結(jié)論

本文通過對海上工程建設、投產(chǎn)及生產(chǎn)運行等作業(yè)場景多人協(xié)同作業(yè)分布式仿真系統(tǒng)分析，實現(xiàn)了立體、直觀的水下生產(chǎn)作業(yè)過程實時可視化仿真與評估。該系統(tǒng)可以用于工程人員的操作培訓與考核及對擬定維修方案進行演練，對提高施工效率和質(zhì)量以及災害應急輔助決策具有重要意義。