海洋石油深水水下生产虚拟可视化仿真软件开发

陈从磊 张多, 张建兵 连远锋

（1.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院 北京市 100083）

（2.中国石油大学(北京)信息科学与工程学院 北京市 102249）

随着深水油气开发日趋繁荣，如何保障我国海洋油气资源的安全开采，实现对石油生产的分析、预警与防治，成为现阶段海上油气安全生产的重要发展战略[1]。由于海洋石油深水水下生产过程及其运作机理较为复杂并存在严重的安全风险，三维海洋工程模拟仿真与可视化作为模拟现实场景的重要手段，可直观地展示海洋环境细节，提升油气工程工艺环节认知，为实现海洋油气资源的勘探开发提供坚实的技术支撑[2]。

1 软件结构设计与模块划分

海洋石油深水水下生产虚拟可视化仿真系统利用虚拟现实技术来模拟生产运行状况，将仿真结果数据进行实时读取、评估与可视化展示，如图1所示，由 3个模块构成。各模块具体包括:

（1）系统设置模块：水下生产作业仿真中，虚拟海洋环境应该为受训人员提供不同区域、不同海况以及不同天气状况下的真实海洋环境。海上环境设置包括天空包围盒、雨雪雾天气等；海面环境设置包括海面风速、有义波高、海面流速、波浪周期等；海底环境设置包括海水密度、洋流大小、洋流方向和海底地形等。

（2）生产案例库模块：海上工程建设、投产及生产运行作业包括半潜式平台上部组块安装、自由站立式立管安装、水下采油树安装、水下管汇安装、水下跨接管安装、海底管道终端安装、海底集输管线安装、水下生产系统投产试运行、密封圈更换、海底管道泄漏不停产维修等10个典型案例。

（3）评估决策模块：为了实现生产运行过程中的动态数据实时监测和同步评价，采用工业自动化WinCC组态软件，以交互式图形化界面方式显示理论期望值、传感器实际测量值、故警报信息等仿真实验信息[3]。通过将仿真数据输入评价系统，依据评估指标和操作流程来实现综合评判。

2 硬件环境与接口规范

海洋石油深水水下生产虚拟仿真系统硬件环境与接口规范如图2所示。仿真系统采用标准HLA分布式架构，各仿真组件均遵循统一的接口规范接入仿真框架运行，具有良好的可扩展性[4]。系统从功能角度分为3个子系统：

（1）仿真控制系统，主要包括教练员站、移动数字控制端、评估模块和仿真控制数据库。教练员站负责从生产案例仿真库中选择水下案例并配置场景初始化参数，在系统运行过程中发出指令对作业流程进行控制。移动数字控制端基于VAPS 软件设计并定义吊机控制台、绞车控制台和ROV控制台的图形控制面板及数据链路[5]，如图3所示。虚拟仪表控制面板通过通信链路实现与视景仿真系统的完整数据流传输，体现了良好的灵活性、通用性和便捷性。

图1：海洋石油深水水下生产虚拟仿真系统软件模块

图2：系统的硬件环境与接口规范

（2）视景仿真系统，主要包括动力解算服务器、模型视景生成器和实时监测服务器。动力解算服务器在动力学空间中将动力学模型与几何模型相关联，进行实时和较高精度的场景目标动力学解算，并将解算结果传递给视景仿真服务器中对应的场景和模型，进而得到逼真的动力学视景效果[6]。实时监测服务器负责监测生产案例的仿真操作运行状态、接收模型运行参数、报警信息并发出处置命令。同时，视景仿真生成器采用三通道合成绘制，通过投影系统将画面输出到大屏。

（3）物理操作控制端，主要由吊机仿真子系统、绞车仿真子系统和ROV仿真子系统和三部分组成，如图4所示。物理操作控制端通过OPC技术实现可编程逻辑控制器（PLC）与仿真服务器之间的通信，将模拟信号映射为参数指令，驱动视景仿真系统进行动力学解算及视景绘制。

3 典型应用实例可视化仿真

3.1 水下管汇安装

图3：数字移动操作控制端

图4：物理操作控制端

图5：水下管汇安装过程仿真

图6：海底管道不停产维修仿真

水下管汇安装可视化仿真案例应用过程，如图5所示。

整个案例分为 10个海上工程作业过程，包括：

（1）管汇安装准备；

（2）吊机起吊管汇；

（3）旋转吊机，将管汇置于海面上方；

（4）下放管汇通过飞溅区；

（5）减慢放缆速度，将管汇下放至基盘上方；

（6）利用ROV将管汇与基盘上较高的桩腿对中；

（7）利用ROV调整管汇主体位置，使其与基盘另一桩腿对中；

（8）继续下放并利用ROV将管汇主体和管汇基盘锁紧；

（9）利用ROV解除索具；

（10）回收索具。

此案例能够真实地模拟深水水下管汇下放的操作，现场沉浸感强。

3.2 海底管道不停产维修

海底管道不停产维修可视化仿真案例应用过程，如图6所示。

整个案例分为 9个海上工程作业过程，包括：

（1）漏点检测；

（2）海床基础处理；

（3）管道表面处理；

（4）安装三通并开孔；

（5）安装水下封堵机和旁通管道；

（6）切除破损管段；

（7）连接替换管段；

（8）回收维修工具；

（9）连接替换管段。

海底原油管道泄漏基于计算流体动力学CFD方法计算泄漏扩散特性并根据粒子追踪模型对溢油粒子的局部速度和位置进行预测，沿着时间轴迭代更新，实现海底管道溢油流场三维动态可视化。

4 结论

本文通过对海上工程建设、投产及生产运行等作业场景多人协同作业分布式仿真系统分析，实现了立体、直观的水下生产作业过程实时可视化仿真与评估。该系统可以用于工程人员的操作培训与考核及对拟定维修方案进行演练，对提高施工效率和质量以及灾害应急辅助决策具有重要意义。