王文明，侯春來，武振宇，王 路，顧繼俊，何令普

(1.中國石油大學(北京) 機械與儲運工程學院，北京 102249；2.長慶油田第四采油廠，陜西 靖邊 718500)

0 引言

為了確保海洋油井順利開采，作為油井后續(xù)維護的一種作業(yè)方式，修井具有重要的作用。傳統(tǒng)的海洋修井是以大型鉆井船或半潛式鉆井平臺為載體，利用修井管柱完成作業(yè)[1]，這種方式的鉆井平臺資源獲取難度大、作業(yè)效率低、價格昂貴，阻礙了海洋修井作業(yè)的有序開展[2]。近年來，一種基于連續(xù)油管(Coiled Tubing，CT)的新型無隔水管修井方法(Riserless Light Well Intervention, RLWI)提供了更優(yōu)的解決方案，該方法不但采用移動便捷的動態(tài)定位船舶減少了船只部署時間，而且通過具有連續(xù)下入和起出優(yōu)點的連續(xù)油管提升了作業(yè)效率[3]。該技術受到國際石油公司的高度關注，Island Offshore，Aker Solutions，F(xiàn)MC，Altus Intervention，Schlumberger等公司均開展過相關作業(yè)[3]。例如，2014年Island Offshore公司利用無隔水管連續(xù)油管作業(yè)系統(tǒng)對開放水域的海底井眼數(shù)據(jù)進行了采集[4]；Aker Solutions提供了連續(xù)油管井底堵塞物清理解決方案，有效提高了油氣采收率[5]。然而，因為連續(xù)油管剛度小，結構細長，受力易導致過度屈曲變形，所以容易引發(fā)作業(yè)事故[6]，而且復雜的海洋環(huán)境進一步增加了作業(yè)風險。因此，海洋RLWI作業(yè)技術難度大，為保障作業(yè)安全，需要進一步提升該工藝的安全性與智能性。

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術的快速發(fā)展，數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)在各個工業(yè)領域得到廣泛應用[7]，其為借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段[8]。物理實體是現(xiàn)實世界中可觀察和可識別的事物，而虛擬實體或稱數(shù)字孿生體是與物理實體或過程相對應的數(shù)字化模型的實例。在建立修井數(shù)字孿生體過程中，修井系統(tǒng)通過在虛擬空間中完成多物理量、多尺度、多概率的仿真映射來實現(xiàn)物理實體裝備的運行維護，甚至全生命周期過程管理[9-10]。目前，數(shù)字孿生技術因其在海洋油氣領域的優(yōu)勢而得到廣泛重視。2017年，eDrilling建立了鉆井平臺的數(shù)字孿生模型，通過獲取井下鉆探數(shù)據(jù)和井身結構數(shù)據(jù)實現(xiàn)了鉆井過程可視化。據(jù)eDrilling數(shù)據(jù)顯示，數(shù)字孿生平臺降低了鉆井安全風險，縮短了鉆井時間[11]。2018年，Kongsberg，DNV GL等共同建立了聯(lián)合仿真平臺，用于優(yōu)化測試管理系統(tǒng)[12]。

為提高修井的安全性與智能化，本文針對修井服務階段的運行管理，將海洋RLWI技術與數(shù)字孿生技術融合來保障修井任務作業(yè)的安全性。因此，本文采用Unity 3D建立人機交互界面，進行作業(yè)過程監(jiān)控與設備實時信息可視化；基于物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)虛實數(shù)據(jù)交互，將物理實體與虛擬實體相融合；采用MATLAB智能算法分析數(shù)據(jù)，從而制定修井服務策略。通過構建以上海洋修井數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)了修井服務階段的故障診斷和作業(yè)決策。

1 海洋連續(xù)油管修井的數(shù)字孿生五維模型框架

海洋RLWI主要圍繞連續(xù)油管的相關配套設備展開，其數(shù)字孿生系統(tǒng)采用五維模型框架，如圖1所示。系統(tǒng)由修井系統(tǒng)物理實體、虛擬實體、虛實數(shù)據(jù)連接、基于人工智能的數(shù)據(jù)分析、作業(yè)決策服務模塊等構成。

1.1 物理實體

海洋RLWI裝備主要分為水上和水下兩部分，配套設備和功能如表1所示。水上部分的物理實體主要由作業(yè)船、卷筒、連續(xù)油管、上注入器等組成；水下部分的物理實體主要由下注入器、遙控無人潛水器(Remote Operated Vehicle, ROV)、防噴器等組成。修井作業(yè)船起到裝載修井裝備的作用，通常需要具備直升機甲板、吊機、動力定位系統(tǒng)、控制室、足夠的甲板面積等基本配置。作業(yè)過程中，連續(xù)油管纏繞和存儲在卷筒中，經(jīng)鵝頸、上注入頭、月池、下注入頭、防噴器等下入至海底井筒，其下入和起出的作用力由上、下注入頭提供；防噴器為安全屏障，起防止井噴的作用；ROV起視頻監(jiān)視和輔助操作的作用。通過在設備上部署基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器，修井數(shù)字孿生系統(tǒng)采集設備多尺度、多物理場的運行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，如滾筒的運轉速度、注入頭的注入力和注入速度、連續(xù)油管的應力和應變、管內(nèi)液體壓力、海流海浪的周期與速度等。

表1 RLWI作業(yè)設備組成

1.2 虛擬實體

海洋修井系統(tǒng)的虛擬實體包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型，是具有不同生命周期、不同側面的異構模型[13]。在構建虛擬實體時，需要將上述模型在功能和結構上集成融合，形成對物理設備的完整映射。首先構建三維幾何模型，將模型導入可視化平臺，添加設備物理屬性；然后針對修井系統(tǒng)，基于海洋管柱力學理論構建行為模型，建立一套具有交互功能和臨界真實操作環(huán)境的修井虛擬仿真系統(tǒng)；同時，借助仿真引擎工具實現(xiàn)虛擬實體的可視化，并通過虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality, VR)技術使虛擬環(huán)境具有沉浸感；最后，通過建立虛擬實體的規(guī)則模型制定虛擬實體的控制策略。

1.3 虛實數(shù)據(jù)連接

海洋修井系統(tǒng)的虛實數(shù)據(jù)連接是實現(xiàn)物理設備、虛擬設備、服務三者數(shù)據(jù)采集，并有效驅動三者運行的必要環(huán)節(jié)。首先合理布置物理設備上的傳感器檢測點，通過物聯(lián)網(wǎng)技術采集修井系統(tǒng)物理設備的運行數(shù)據(jù)；然后在虛擬設備上設置對應檢測點，采集相應位置的仿真數(shù)據(jù)。在對物理設備、虛擬設備、服務進行在線監(jiān)測與仿真后，實時驅動海洋修井虛擬實體[14]。例如，針對修井起關鍵作用的連續(xù)油管設備，利用應變、位移、壓力傳感器檢測連續(xù)油管的應變、位移、注入力等力學特性?；诳删幊炭刂破?Programming Logic Controller, PLC)的開放平臺通信統(tǒng)一框架協(xié)議(Open Platform Communication Unified Architecture, OPC UA)采集連續(xù)油管的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過調(diào)用數(shù)據(jù)驅動虛擬空間中的對應模型，與連續(xù)油管虛擬設備形成的仿真數(shù)據(jù)建立映射關系，并形成修井作業(yè)策略。同時，采用OPC UA協(xié)議傳輸卷筒電機和注入頭電機的控制數(shù)據(jù)，對連續(xù)油管卷筒的收放速度、上下注入頭的注入速度進行聯(lián)合控制。通過不斷迭代與優(yōu)化以上采集控制過程，可以實現(xiàn)物理世界與虛擬世界實時數(shù)據(jù)的連接與動態(tài)交互。

1.4 數(shù)據(jù)分析

海洋修井數(shù)字孿生系統(tǒng)作業(yè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括物理實體、虛擬實體、服務三者的實時和歷史數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生系統(tǒng)運行的基礎。修井系統(tǒng)作業(yè)過程采用MySQL工具形成數(shù)據(jù)庫，通過MATLAB濾波、降噪后進行時頻域分析，再利用規(guī)則模型設定的閾值進行超出報警。為進一步利用數(shù)據(jù)，將訓練數(shù)據(jù)輸入深度學習網(wǎng)絡形成響應模型，用于物理實體與虛擬實體設備的故障診斷；利用測試數(shù)據(jù)進行測試，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡參數(shù)，以調(diào)整響應模型；根據(jù)產(chǎn)生的故障分析結果制定設備的作業(yè)、維修等決策策略。同時，采用數(shù)據(jù)預測方法預測虛擬實體修井服務階段的特性，并制定相應的預測維修策略。例如，采用故障概率法確定連續(xù)油管的疲勞損傷曲線，對連續(xù)油管的剩余壽命進行預測，預測信息為修井設備的預測維修和作業(yè)優(yōu)化提供依據(jù)。

1.5 作業(yè)決策服務分析

根據(jù)海洋修井作業(yè)系統(tǒng)的物理實體和虛擬實體，在虛實融合的修井數(shù)字孿生平臺上設計其作業(yè)決策服務模型，以優(yōu)化物理實體修井作業(yè)。針對修井作業(yè)階段的需求，實現(xiàn)的服務功能包括修井過程的虛擬現(xiàn)實、裝備的數(shù)據(jù)顯示、設備故障診斷、連續(xù)油管壽命預測分析等。虛擬現(xiàn)實功能可以模擬作業(yè)操作和進行人員培訓；利用數(shù)據(jù)顯示可以監(jiān)視物理實體設備的運行狀況；故障診斷可以優(yōu)化修井作業(yè)的管理決策；壽命預測分析可以進行連續(xù)油管的健康預測。通過不斷優(yōu)化迭代服務模型，能夠使其盡量真實地映射物理設備的決策需求。

2 多模型融合的虛擬實體可視化交互

海洋修井的虛擬實體實現(xiàn)過程融合了三維設計模型、虛擬樣機仿真模型、故障診斷與決策模型和虛擬現(xiàn)實等信息[15]，如圖2所示。其中：三維設計模型包括機械裝配體拓撲結構、零件幾何描述等信息；虛擬樣機仿真模型體現(xiàn)了運動學和動力學特征，用于在虛擬空間測試和評估產(chǎn)品或服務過程的特定特征；故障診斷與決策模型基于歷史、運行數(shù)據(jù)驅動的故障診斷方法，對故障、壽命預測信息進行有效分析和預測；虛擬現(xiàn)實能夠為用戶提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗。

2.1 三維設計模型

基于模型工程定義技術(Model Based Definition, MBD)構建的側重作業(yè)服務周期的三維模型包括尺寸、公差和工藝等信息[16]。在收集設備數(shù)據(jù)時，部分沒有MBD數(shù)據(jù)的設備通過FARO三維激光掃描儀采集點云圖來采集設備的外部輪廓和局部細節(jié)圖，并采用實地取景收集設備的尺寸、工藝流程等重要信息，從而優(yōu)化模型。數(shù)據(jù)采集完畢后，利用SolidWorks軟件建立設備的三維模型，并進行機械裝配。因為SolidWorks模型過于精細，面和面之間會產(chǎn)生大量冗余，運行系統(tǒng)時會造成電腦負荷過大，所以將建立好的模型以Step或者IGS格式導入3D MAX軟件，然后對導入的模型進行減面處理以降低模型復雜度，并為模型材質渲染貼圖。同時，在3D MAX里為關鍵零件和角色添加骨骼，制作骨骼動畫，產(chǎn)生設備運動和人物行走效果。最后，將制作好的渲染模型和動畫以FBX格式導入Unity 3D來建立場景。

2.2 虛擬樣機仿真模型

首先，將建立好的模型導入Unity 3D軟件，建立海洋地形、天空盒、魚群等虛擬場景；其次，添加Box Collider，Rigid Body等組件，模擬真實世界的碰撞和重力效果；最后，借助軟件自帶的C#腳本編程功能和物理引擎對海洋修井設備進行動態(tài)仿真和交互設計。虛擬樣機模型成功建立后，修井交互系統(tǒng)可以通過Unity 3D中的腳本編程模擬連續(xù)油管運動、設備起升，以及作業(yè)過程中壓力和應力的實時顯示?？紤]修井管柱的運動學和動力學特征，采用差分法求解無隔水管力學模型，對連續(xù)油管作業(yè)過程中的軸向力、橫向位移、彎矩和應力進行分析[17-18]；考慮海洋深度、海流速度、波浪周期和波浪高度等因素，增加了環(huán)境對RLWI作業(yè)的影響。

2.3 數(shù)據(jù)驅動的故障診斷與決策模型

海洋修井系統(tǒng)的故障診斷與決策模型如圖3所示，物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)后，采用MATLAB分析數(shù)據(jù)進行故障診斷和決策分析，并與Unity 3D進行數(shù)據(jù)交互。建立診斷與決策模型的步驟如下：①利用物聯(lián)網(wǎng)的WIFI、遠距離無線電(Long Range Radio，LoRa)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Thing，NBIoT)等物理層協(xié)議，以及多物理場傳感器對平臺橫移量、風速、海流速度等參數(shù)進行采集[19]。②Unity 3D通過OPC UA協(xié)議采集PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在本地服務器形成數(shù)據(jù)庫[20-21]。③Unity 3D和MATLAB之間通過腳本編程進行通信交互，Unity 3D為服務端，MATLAB為客戶端，通過通信端口將實時數(shù)據(jù)傳入MATLAB。④采用MATLAB分析異常數(shù)據(jù)并進行故障診斷，從而有效分析和預測設備的運行與故障情況。通過規(guī)則模型觸發(fā)事件，對決策進行判斷并執(zhí)行。⑤將傳感信號傳送給PLC，PLC接收到信號后發(fā)出控制信號，對物理設備進行相應地調(diào)整。通過循環(huán)采集、分析、診斷、決策過程，可以不斷優(yōu)化基于數(shù)據(jù)驅動的故障診斷與決策模型。

2.4 虛擬現(xiàn)實人機交互

虛擬現(xiàn)實技術不但可以滿足設備場景可視化，而且可以呈現(xiàn)逼真的三維效果和虛擬環(huán)境的實時交互[22-23]。為提升海洋修井作業(yè)系統(tǒng)的沉浸感，采用虛擬現(xiàn)實技術進行人機交互，方法如圖4所示。模型的場景信息與HTC Vive設備連接，通過第一視角進行場景漫游，給操作人員以高度的沉浸感。通過將SteamVRPlugin和VRTK插件包導入Unity 3D工程場景中，將監(jiān)控腳本分別掛載到VR應用場景中的VR攝像機和操控手柄上，然后配置好監(jiān)控軟件開發(fā)工具包(Software Development Kit，SDK)中的參數(shù)，再將VR眼鏡與電腦相連，即可進行人物瞬移、物體觸碰、物體拾取、物體使用和菜單交互，為用戶提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗。為進一步提高虛擬體驗，使用NGUI插件對系統(tǒng)的工作界面進行設計。在Unity 3D引擎中，通過添加按鈕并給按鈕添加對應的腳本，可以點擊按鈕來切換場景，再通過腳本編程和功能參數(shù)設定，即可完成設備的各個部件運轉及參數(shù)的實時反饋。最后寫入腳本控制數(shù)據(jù)，采用Graph_Maker圖表插件將實時數(shù)據(jù)在二維和三維圖表中展示。

3 修井數(shù)字孿生應用案例分析

根據(jù)提出的海洋修井數(shù)字孿生系統(tǒng)框架，基于多模型融合的虛擬實體實現(xiàn)方法，本文開展了修井數(shù)字孿生系統(tǒng)的應用案例設計與分析。案例以Unity 3D三維虛擬引擎為主，MATLAB軟件數(shù)據(jù)分析為輔，搭建了一套海洋連續(xù)油管修井的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)了物理世界與虛擬世界的交互融合，如圖5所示。系統(tǒng)通過OPC UA協(xié)議采集修井過程設備的數(shù)據(jù)，將修井設備的實時狀態(tài)和數(shù)據(jù)反映在Unity 3D引擎上，構建了設備實時動態(tài)虛擬模型并進行展示，實現(xiàn)了管柱力學監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實、修井分析、故障診斷和安全管理5個功能。

3.1 修井監(jiān)控功能

虛擬實體的三維模型如圖5a～圖5d所示，分別為作業(yè)船俯視視角1、作業(yè)船俯視視角2、作業(yè)船數(shù)據(jù)監(jiān)測、井控體數(shù)據(jù)監(jiān)測。通過圖形用戶交互界面(Graphic User Interface，GUI)，操作人員能夠遠程觀測整體作業(yè)進度并切換觀測視角。另外，可以選擇單獨查看某個修井作業(yè)設備的實時運轉情況(如圖5c和圖5d)，也可以查看設備的運動和運行數(shù)據(jù)信息，從而評估設備的運行狀態(tài)。在對物理空間和虛擬空間系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行分析后，可以采用指令控制作業(yè)船、水下、井下物理實體設備。存儲到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)將用于在設備作業(yè)服務階段進行進一步優(yōu)化與仿真。

3.2 修井管柱分析功能

海洋修井系統(tǒng)存在不同的井況，有效分析連續(xù)油管的管柱特性是可靠作業(yè)的關鍵。針對定向井、水平井、彎曲井和復雜井4種海洋油氣井井筒(如圖5e)，選擇確定工況后進入對應模塊進行管柱分析，包括下入深度預測、外界因素引起的軸向力變化等，同時對涉及的連續(xù)油管作業(yè)管柱屈曲行為、軸向力分布、軸向變形等力學規(guī)律進行分析。系統(tǒng)通過融入海洋作業(yè)船橫移量、阻力系數(shù)、海洋表面風力速度、海洋表面海流速度等環(huán)境參數(shù)，對連續(xù)油管海洋環(huán)境力學特性進行分析，同時結合現(xiàn)有地質數(shù)據(jù)庫對鉆修井過程進行井下模擬，并直觀、準確地顯示地層的三維結構、井眼軌跡、測井曲線和靶點等抽象信息。

3.3 故障診斷功能

海洋修井數(shù)字孿生系統(tǒng)具有故障診斷功能，其利用深度學習算法構建響應模型，通過不斷增加作業(yè)服務數(shù)據(jù)對不同修井工況進行故障預警與維護分析，并將故障診斷信息通過C#腳本嵌入Unity 3D來顯示故障預警和常規(guī)維護分析結果。將以上信息通過本地服務器和云端服務器進行可視化，可使操作人員及時調(diào)整作業(yè)策略。系統(tǒng)GUI界面設有按鈕交互功能，出現(xiàn)故障或突發(fā)狀況時可通過按鈕控制物理實體設備啟停。例如，系統(tǒng)可顯示連續(xù)油管關鍵點處的應力應變數(shù)據(jù)，感知潛在故障、作業(yè)誤差等，當卷筒速度超過系統(tǒng)設定閾值時通過腳本控制緊急關閉系統(tǒng)。

3.4 虛擬現(xiàn)實人機交互功能

通過將虛擬現(xiàn)實同仿真技術、數(shù)據(jù)存儲和集成等各項技術進行改進與融合，可以監(jiān)控連續(xù)油管修井過程并進行沉浸式體驗，如圖5f～圖5i所示。其中，操作人員以第一視角通過鍵盤控制人物的行走和跳躍，同時用鼠標控制人物的行進方向；通過敲擊鍵盤字母“B”返回交互界面，通過點擊對應按鈕切換場景；在海洋模擬場景中，使用漫游視角可以進行場景漫游，通過MySQL數(shù)據(jù)庫訪問設備屬性及運行信息，點擊設備即可查詢其對應的工藝信息和設備信息。

3.5 安全管理與決策功能

由于海洋與井下環(huán)境復雜多變，修井過程中存在眾多安全問題。修井數(shù)字孿生系統(tǒng)可以讓操作人員快速掌握設備的操作方法和物理特性，并根據(jù)其異常數(shù)據(jù)做出分析決策，及時向物理實體下達應急指令。在修井作業(yè)危險辨識的基礎上，利用規(guī)則模型制定安全評價方法，完成修井作業(yè)危險源辨識評價，并提出相應的控制措施。系統(tǒng)包括海洋修井常見的作業(yè)事故，主要有連續(xù)油管疲勞折斷、連續(xù)油管注入力過大、火災、井噴等，通過數(shù)據(jù)分析對故障進行預測，可以及時做出決策，避免事故的發(fā)生。

4 結束語

本文提出一種基于海洋連續(xù)油管修井的數(shù)字孿生框架，通過構建多模型融合虛擬實體，實現(xiàn)對修井過程的虛實交互，從而提高海洋油氣修井的安全性與智能性。

針對海洋修井作業(yè)工況提出海洋連續(xù)油管修井的數(shù)字孿生五維模型框架，包括物理實體、虛擬實體、虛實數(shù)據(jù)連接、人工智能數(shù)據(jù)分析、作業(yè)決策服務等。采用SolidWorks軟件創(chuàng)建了修井系統(tǒng)三維模型，采用Unity 3D建立了海洋RLWI系統(tǒng)虛擬仿真模型?；赑LC硬件實現(xiàn)了物平臺與修井虛擬仿真平臺之間的信息傳遞，并結合物聯(lián)網(wǎng)通信技術對平臺數(shù)據(jù)進行集成，真實地模擬了修井系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及運行參數(shù)的改變情況，同時可以控制物理實體設備。通過Unity 3D與MATLAB通信，基于數(shù)據(jù)驅動完成了故障診斷和作業(yè)優(yōu)化。修井數(shù)字孿生系統(tǒng)具有管柱力學監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實、修井分析、故障診斷和安全管理等功能，有效提高了海洋修井的安全管理和智能決策水平。

本文有關海洋RLWI數(shù)字孿生技術的研究，不但可以使該技術國產(chǎn)化，從而掌握海洋修井核心技術，推動我國海洋工程裝備的發(fā)展，而且對實現(xiàn)油氣產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉型具有重要的推進作用。然而，海洋修井數(shù)字孿生系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、海洋管柱力學、信息技術、人工智能等領域的技術，研究難度較大，目前只完成了部分任務，下一步將在規(guī)則模型、故障診斷、服務決策等方面進行進一步優(yōu)化和完善。