苗俊田，蘇健凱，周正航，崔嘉晨

（中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東青島，266300）

0 引言

近些年，生產(chǎn)實(shí)踐、科研活動(dòng)深受各種客觀環(huán)境的約制，很難對(duì)相關(guān)對(duì)象進(jìn)行直觀性試驗(yàn)。因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)系統(tǒng)，很難開(kāi)展原型試驗(yàn)。即便是支持試驗(yàn)，也需要投入極大的成本，甚至帶來(lái)頗為嚴(yán)重的破壞效應(yīng)。此時(shí)，利用間接的方式進(jìn)行試驗(yàn)，構(gòu)建和所研究過(guò)程、對(duì)象有著顯著相類(lèi)性的模型，然后間接的對(duì)有關(guān)原型進(jìn)行研究，探索其中的規(guī)律性。物理仿真，就是按照實(shí)際系統(tǒng)物理屬性，打造相應(yīng)的模型，然后開(kāi)展對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)。該仿真就是按照實(shí)際數(shù)學(xué)關(guān)系，構(gòu)建對(duì)應(yīng)模型，進(jìn)而完成相關(guān)試驗(yàn)[1]。在計(jì)算機(jī)上對(duì)各種模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)是數(shù)學(xué)仿真的前提，通俗來(lái)講就是計(jì)算機(jī)仿真。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，之前計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)一般應(yīng)用在國(guó)防和高科技領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)拓展到了醫(yī)學(xué)和軍事等領(lǐng)域。在石油工業(yè)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多，對(duì)于石油工業(yè)未來(lái)的發(fā)展起著非常關(guān)鍵的作用，石油工業(yè)中一部分計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)成為不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。

1 數(shù)字計(jì)算仿真

對(duì)于數(shù)字仿真技術(shù)而言，就是通過(guò)構(gòu)建相關(guān)數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，從而將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行擬合。通常借助于提前選定的相似模型，借助于原始信息，對(duì)其進(jìn)行仿真，然后將得出的結(jié)果與實(shí)情結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，然后再立足于兩者差異來(lái)對(duì)模型加以修正，通過(guò)持續(xù)優(yōu)化，獲得最佳模型，進(jìn)而借助于該模型對(duì)相類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行解決，從而得到最優(yōu)問(wèn)題解[2]。數(shù)字模型建立工作流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字模型建立流程

數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)特點(diǎn)為：(1)確定尋求的數(shù)學(xué)模型；(2)保證計(jì)算機(jī)仿真最終結(jié)果的準(zhǔn)確；(3)對(duì)計(jì)算速度要求較少；(4)最終結(jié)果大部分由數(shù)字來(lái)呈現(xiàn)；(5)計(jì)算機(jī)工作過(guò)程中不需要人工幫助；(6)仿真工作的完成只需一個(gè)計(jì)算機(jī)。

圖2 數(shù)字仿真求解流程圖

例如，在油氣田開(kāi)發(fā)優(yōu)化方法和油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中用于制定開(kāi)發(fā)方案的過(guò)程模擬中，需要根據(jù)各種類(lèi)型的油氣藏，創(chuàng)建與之相對(duì)應(yīng)的油氣儲(chǔ)罐描述模型，最后在通過(guò)模擬仿真得出在各種開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)下，采收率、油氣產(chǎn)量以及壓力等各個(gè)指標(biāo)與時(shí)間改變呈現(xiàn)出的具體特征，方便后期分析數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出最佳的方案。在油田生產(chǎn)以及開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)揮較大作用的還有“油藏?cái)?shù)值模擬”。該類(lèi)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在石油工業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用，并且還漸漸拓展到了石油工業(yè)的其他領(lǐng)域。

2 工程仿真

在實(shí)際工程領(lǐng)域，可以借助于仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，具體需要基于相關(guān)專(zhuān)家系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的演化過(guò)程來(lái)對(duì)其加以模擬，從而對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的特點(diǎn)進(jìn)行展現(xiàn)，也就是將仿真運(yùn)算與實(shí)際情況進(jìn)行有效的擬合，使得每個(gè)階段結(jié)果都能夠獲得高水平的擬合。因?yàn)橐獙?duì)工程問(wèn)題進(jìn)行解決[3]。為此，需要提出更高可信度的建設(shè)意見(jiàn)，就需要數(shù)學(xué)模型存在著較高的完善、準(zhǔn)確度。對(duì)于很難借助于數(shù)學(xué)模型來(lái)加以描述的對(duì)象，僅僅借助于專(zhuān)家系統(tǒng)，來(lái)對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。當(dāng)然，想要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)通常頗為困難，尤其是石油工業(yè)，因?yàn)樵撔袠I(yè)所研究的對(duì)象大多處于地下深層，存在著很多非確定性影響要素，這使得專(zhuān)家系統(tǒng)與模型的構(gòu)建變得頗為困難。

雖然構(gòu)建這種仿真系統(tǒng)有著較高的困難度，但是如果成功建立之后就具有較高的實(shí)用性，而且還能發(fā)揮頗高的作用，同時(shí)也能帶來(lái)很多的經(jīng)濟(jì)效益。譬如Amoco（阿莫科，美國(guó)）公司在上世紀(jì)八十年代就成功打造了鉆井工程仿真系統(tǒng)，并將其簡(jiǎn)稱(chēng)為ESD。此系統(tǒng)融合了專(zhuān)家系統(tǒng)，立足于鉆井地質(zhì)、工程等領(lǐng)域諸多精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，這樣就能在鉆井作業(yè)尚未開(kāi)工之際，就能按照具體設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)上進(jìn)行仿真處理，在成功施工之后就能獲得有關(guān)鉆頭、工期等運(yùn)用數(shù)量，同時(shí)還針對(duì)耗用的材料、成本等內(nèi)容進(jìn)行明確[4]。當(dāng)然，還能針對(duì)不同階段的問(wèn)題，進(jìn)行提前預(yù)判，給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)舉措等，進(jìn)而為整個(gè)施工提供更具有參考性的意見(jiàn)。在具體施工之際，只要將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入此仿真系統(tǒng)，就能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行綜合判斷與分析，并給出潛在的問(wèn)題，以及后續(xù)發(fā)展趨向，以及對(duì)結(jié)果帶來(lái)的影響，為后續(xù)施工提出相關(guān)建議等。美國(guó)Superior這家企業(yè)也開(kāi)發(fā)出相類(lèi)系統(tǒng)，只不過(guò)在規(guī)模上相對(duì)較小，在正式使用后，能夠提升鉆井工作量，比例達(dá)到百分之八十七，而成本則能減小百分之二十九，這意味著，每年節(jié)約的成本的平均值可達(dá)0.24億美元。同時(shí)也意味著借助于該仿真系統(tǒng)，能夠顯著提升鉆井成功率，而且還能進(jìn)一步降低成本，使得工作效率顯著提升，進(jìn)而帶來(lái)頗為顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)前，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)了應(yīng)用頗為廣泛的仿真系統(tǒng)，這樣在設(shè)計(jì)某種機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，就無(wú)需利用經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)相關(guān)安全系數(shù)、部件進(jìn)行遴選，而是借助于仿真系統(tǒng)，就可以直接對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載與模擬。為設(shè)計(jì)的設(shè)備提供更多的“載荷”，最終展現(xiàn)出設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有哪些薄弱點(diǎn)，然后再對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。利用這種循環(huán)的方式，不斷改善機(jī)械系統(tǒng)性能，使之更好的滿足具體應(yīng)用需求。這種仿真設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)C(jī)械設(shè)計(jì)效率進(jìn)行顯著提升，同時(shí)還能進(jìn)一步減小設(shè)計(jì)成本，使得設(shè)計(jì)更加具有科學(xué)與精密性，當(dāng)然，也能進(jìn)一步減短投入市場(chǎng)所需要的時(shí)間。

想要真正將油氣井田管理實(shí)現(xiàn)智能管理，不僅要結(jié)合優(yōu)秀專(zhuān)家的成功有效開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)還要依靠經(jīng)驗(yàn)公式分析、物理模擬以及數(shù)學(xué)計(jì)算，針對(duì)儲(chǔ)罐的實(shí)際地質(zhì)特點(diǎn)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)案例，提出先進(jìn)對(duì)策，用于儲(chǔ)罐的管理和生產(chǎn)，并以此為目標(biāo)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，分析當(dāng)下油氣田生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)濟(jì)決策、油氣井的生產(chǎn)狀況、一系列技術(shù)問(wèn)題、診斷故障原因等。

計(jì)算機(jī)工程仿真的特點(diǎn)是:(1)數(shù)學(xué)模型完整、精準(zhǔn)性。(2)對(duì)于非定量問(wèn)題要有專(zhuān)家系統(tǒng)解決。(3)要有模擬中間結(jié)果和實(shí)時(shí)采集的能力。(4)實(shí)時(shí)性強(qiáng)。(5)最終仿真結(jié)果可以以動(dòng)態(tài)圖形來(lái)呈現(xiàn)。(6)計(jì)算機(jī)仿真工作期間人工可以進(jìn)行干預(yù)。(7)有較強(qiáng)的傳輸、采集系統(tǒng)。

石油工業(yè)的很多領(lǐng)域都可以應(yīng)用到工程仿真技術(shù)，在該領(lǐng)域應(yīng)用前景較為廣闊。伴隨著相關(guān)技術(shù)的成熟，工程仿真技術(shù)也會(huì)更進(jìn)一步的發(fā)展。

3 操作培訓(xùn)仿真與應(yīng)用前景

3.1 操作培訓(xùn)仿真

對(duì)于各個(gè)崗位技術(shù)人員進(jìn)行仿真操作訓(xùn)練就是操作培訓(xùn)仿真。因?yàn)橐獙?duì)工作人員進(jìn)行較嚴(yán)格的操作培訓(xùn)，所以就要求工作人員可以有更加直觀的操作感受，使工作人員在培訓(xùn)的過(guò)程中可以有一種身臨其境的感受，達(dá)到最佳的培訓(xùn)效果，進(jìn)而對(duì)于培訓(xùn)仿真裝置要求更高，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)實(shí)際情況要與數(shù)字結(jié)果保持一致，進(jìn)而就需要很多基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型，這與工程仿真有較大的相似性。(2)其全部操作要和實(shí)際保持一致。(3) 實(shí)物操作感受要與實(shí)際相同。(4)聽(tīng)覺(jué)與視覺(jué)所帶來(lái)的感受要與實(shí)際相同。(5)最終操作現(xiàn)象與結(jié)果要與實(shí)際相同。

在操作培訓(xùn)的過(guò)程中采用模擬裝置其條件較多，不僅對(duì)于數(shù)學(xué)模型有一系列要求，對(duì)于工程仿真與轉(zhuǎn)接系統(tǒng)也有較多要求，并且還需要具備過(guò)程再現(xiàn)能力。

由于石油鉆井作業(yè)具有特殊性，為此，在對(duì)應(yīng)仿真系統(tǒng)培訓(xùn)環(huán)節(jié)，需要對(duì)仿真出現(xiàn)的各種“客觀對(duì)象”進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)與分析。其中就涉及到鉆具組合、鉆地層對(duì)應(yīng)參量、噴咀組合、鉆頭遴選等。在仿真系統(tǒng)中，需要對(duì)操作者所給出的相關(guān)參量與“客觀對(duì)象”有關(guān)參量，利用主流數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果與狀態(tài)，可以借助于圖形、數(shù)字等方式，向操作人員進(jìn)行反饋，使之對(duì)其產(chǎn)生清晰的認(rèn)知，從而進(jìn)行精準(zhǔn)操作。因?yàn)樗麄兊牟僮鬟^(guò)程具有一定的連續(xù)性，為此，模型的運(yùn)算需要緊密結(jié)合實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行。若是需要對(duì)參與培訓(xùn)的人員開(kāi)展鉆井事故等方面培訓(xùn)，那么作為教師需要對(duì)各種井下、地面等領(lǐng)域的事故原因進(jìn)行深入分析。利用專(zhuān)家系統(tǒng)將相關(guān)參量、知識(shí)借助于多元化方式傳遞至受訓(xùn)者，這些受訓(xùn)者能夠根據(jù)感受到的動(dòng)態(tài)改變，對(duì)其進(jìn)行正確故障診斷，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)制，對(duì)其運(yùn)用科學(xué)的舉措。

該仿真培訓(xùn)在海外已經(jīng)得到頗為廣泛的重視，而且也應(yīng)用至不同石油工業(yè)領(lǐng)域，譬如鉆井、修井、鉆井平臺(tái)吊車(chē)控制等。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的工作開(kāi)展的相對(duì)較晚，在上世紀(jì)九十年代之前，國(guó)內(nèi)對(duì)一定數(shù)量的鉆井模擬設(shè)備進(jìn)行了引入，從而對(duì)井控、鉆井等領(lǐng)域的培訓(xùn)問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)解決，然而具體效果并不是十分良好。

3.2 應(yīng)用前景

(l)將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)培訓(xùn)中心，可以給培訓(xùn)人員營(yíng)造一個(gè)較為真實(shí)的場(chǎng)景，對(duì)于提升教學(xué)質(zhì)量是非常有利的。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行教學(xué)，培訓(xùn)學(xué)員就不用到現(xiàn)場(chǎng)去，大大降低了教學(xué)成本。

(2)對(duì)于采油機(jī)械與鉆機(jī)的仿真分析，如果在機(jī)械設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以充分利用應(yīng)力和動(dòng)力仿真兩種技術(shù)可以將設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)單化。不僅僅可以是設(shè)計(jì)成本降到最低，減少設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)，還可以對(duì)于參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)對(duì)于故障診斷也可以利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。不僅可以診斷工作事故，還可以診斷機(jī)械故障。當(dāng)前大部分工作人員都是通過(guò)自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)械故障進(jìn)行診斷，有的還會(huì)通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行診斷。