海洋無(wú)隔水管修井的數(shù)字孿生框架與可視化交互

王文明，侯春來(lái)，武振宇，王 路，顧繼俊，何令普

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249；2.長(zhǎng)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(kāi)采，作為油井后續(xù)維護(hù)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(tái)為載體，利用修井管柱完成作業(yè)[1]，這種方式的鉆井平臺(tái)資源獲取難度大、作業(yè)效率低、價(jià)格昂貴，阻礙了海洋修井作業(yè)的有序開(kāi)展[2]。近年來(lái)，一種基于連續(xù)油管(Coiled Tubing，CT)的新型無(wú)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(dòng)便捷的動(dòng)態(tài)定位船舶減少了船只部署時(shí)間，而且通過(guò)具有連續(xù)下入和起出優(yōu)點(diǎn)的連續(xù)油管提升了作業(yè)效率[3]。該技術(shù)受到國(guó)際石油公司的高度關(guān)注，Island Offshore，Aker Solutions，F(xiàn)MC，Altus Intervention，Schlumberger等公司均開(kāi)展過(guò)相關(guān)作業(yè)[3]。例如，2014年Island Offshore公司利用無(wú)隔水管連續(xù)油管作業(yè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)放水域的海底井眼數(shù)據(jù)進(jìn)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?yàn)檫B續(xù)油管剛度小，結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，受力易導(dǎo)致過(guò)度屈曲變形，所以容易引發(fā)作業(yè)事故[6]，而且復(fù)雜的海洋環(huán)境進(jìn)一步增加了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。因此，海洋RLWI作業(yè)技術(shù)難度大，為保障作業(yè)安全，需要進(jìn)一步提升該工藝的安全性與智能性。

近年來(lái)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生(Digital Twin，DT)在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[7]，其為借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段[8]。物理實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中可觀察和可識(shí)別的事物，而虛擬實(shí)體或稱數(shù)字孿生體是與物理實(shí)體或過(guò)程相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化模型的實(shí)例。在建立修井?dāng)?shù)字孿生體過(guò)程中，修井系統(tǒng)通過(guò)在虛擬空間中完成多物理量、多尺度、多概率的仿真映射來(lái)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體裝備的運(yùn)行維護(hù)，甚至全生命周期過(guò)程管理[9-10]。目前，數(shù)字孿生技術(shù)因其在海洋油氣領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)而得到廣泛重視。2017年，eDrilling建立了鉆井平臺(tái)的數(shù)字孿生模型，通過(guò)獲取井下鉆探數(shù)據(jù)和井身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了鉆井過(guò)程可視化。據(jù)eDrilling數(shù)據(jù)顯示，數(shù)字孿生平臺(tái)降低了鉆井安全風(fēng)險(xiǎn)，縮短了鉆井時(shí)間[11]。2018年，Kongsberg，DNV GL等共同建立了聯(lián)合仿真平臺(tái)，用于優(yōu)化測(cè)試管理系統(tǒng)[12]。

為提高修井的安全性與智能化，本文針對(duì)修井服務(wù)階段的運(yùn)行管理，將海洋RLWI技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)融合來(lái)保障修井任務(wù)作業(yè)的安全性。因此，本文采用Unity 3D建立人機(jī)交互界面，進(jìn)行作業(yè)過(guò)程監(jiān)控與設(shè)備實(shí)時(shí)信息可視化；基于物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)數(shù)據(jù)交互，將物理實(shí)體與虛擬實(shí)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(wù)策略。通過(guò)構(gòu)建以上海洋修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了修井服務(wù)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(guān)配套設(shè)備展開(kāi)，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(shí)體、虛擬實(shí)體、虛實(shí)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(wù)模塊等構(gòu)成。

1.1 物理實(shí)體

海洋RLWI裝備主要分為水上和水下兩部分，配套設(shè)備和功能如表1所示。水上部分的物理實(shí)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(shí)體主要由下注入器、遙控?zé)o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(jī)甲板、吊機(jī)、動(dòng)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(guò)程中，連續(xù)油管纏繞和存儲(chǔ)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(guò)在設(shè)備上部署基于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器，修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)采集設(shè)備多尺度、多物理場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，如滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度、注入頭的注入力和注入速度、連續(xù)油管的應(yīng)力和應(yīng)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(shè)備組成

1.2 虛擬實(shí)體

海洋修井系統(tǒng)的虛擬實(shí)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(cè)面的異構(gòu)模型[13]。在構(gòu)建虛擬實(shí)體時(shí)，需要將上述模型在功能和結(jié)構(gòu)上集成融合，形成對(duì)物理設(shè)備的完整映射。首先構(gòu)建三維幾何模型，將模型導(dǎo)入可視化平臺(tái)，添加設(shè)備物理屬性；然后針對(duì)修井系統(tǒng)，基于海洋管柱力學(xué)理論構(gòu)建行為模型，建立一套具有交互功能和臨界真實(shí)操作環(huán)境的修井虛擬仿真系統(tǒng)；同時(shí)，借助仿真引擎工具實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體的可視化，并通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)技術(shù)使虛擬環(huán)境具有沉浸感；最后，通過(guò)建立虛擬實(shí)體的規(guī)則模型制定虛擬實(shí)體的控制策略。

1.3 虛實(shí)數(shù)據(jù)連接

海洋修井系統(tǒng)的虛實(shí)數(shù)據(jù)連接是實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備、虛擬設(shè)備、服務(wù)三者數(shù)據(jù)采集，并有效驅(qū)動(dòng)三者運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)。首先合理布置物理設(shè)備上的傳感器檢測(cè)點(diǎn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集修井系統(tǒng)物理設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)；然后在虛擬設(shè)備上設(shè)置對(duì)應(yīng)檢測(cè)點(diǎn)，采集相應(yīng)位置的仿真數(shù)據(jù)。在對(duì)物理設(shè)備、虛擬設(shè)備、服務(wù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與仿真后，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)海洋修井虛擬實(shí)體[14]。例如，針對(duì)修井起關(guān)鍵作用的連續(xù)油管設(shè)備，利用應(yīng)變、位移、壓力傳感器檢測(cè)連續(xù)油管的應(yīng)變、位移、注入力等力學(xué)特性?；诳删幊炭刂破?Programming Logic Controller, PLC)的開(kāi)放平臺(tái)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(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬空間中的對(duì)應(yīng)模型，與連續(xù)油管虛擬設(shè)備形成的仿真數(shù)據(jù)建立映射關(guān)系，并形成修井作業(yè)策略。同時(shí)，采用OPC UA協(xié)議傳輸卷筒電機(jī)和注入頭電機(jī)的控制數(shù)據(jù)，對(duì)連續(xù)油管卷筒的收放速度、上下注入頭的注入速度進(jìn)行聯(lián)合控制。通過(guò)不斷迭代與優(yōu)化以上采集控制過(guò)程，可以實(shí)現(xiàn)物理世界與虛擬世界實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連接與動(dòng)態(tài)交互。

1.4 數(shù)據(jù)分析

海洋修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)三者的實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，是數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。修井系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程采用MySQL工具形成數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)MATLAB濾波、降噪后進(jìn)行時(shí)頻域分析，再利用規(guī)則模型設(shè)定的閾值進(jìn)行超出報(bào)警。為進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)形成響應(yīng)模型，用于物理實(shí)體與虛擬實(shí)體設(shè)備的故障診斷；利用測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以調(diào)整響應(yīng)模型；根據(jù)產(chǎn)生的故障分析結(jié)果制定設(shè)備的作業(yè)、維修等決策策略。同時(shí)，采用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)虛擬實(shí)體修井服務(wù)階段的特性，并制定相應(yīng)的預(yù)測(cè)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(duì)連續(xù)油管的剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)信息為修井設(shè)備的預(yù)測(cè)維修和作業(yè)優(yōu)化提供依據(jù)。

1.5 作業(yè)決策服務(wù)分析

根據(jù)海洋修井作業(yè)系統(tǒng)的物理實(shí)體和虛擬實(shí)體，在虛實(shí)融合的修井?dāng)?shù)字孿生平臺(tái)上設(shè)計(jì)其作業(yè)決策服務(wù)模型，以優(yōu)化物理實(shí)體修井作業(yè)。針對(duì)修井作業(yè)階段的需求，實(shí)現(xiàn)的服務(wù)功能包括修井過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)、裝備的數(shù)據(jù)顯示、設(shè)備故障診斷、連續(xù)油管壽命預(yù)測(cè)分析等。虛擬現(xiàn)實(shí)功能可以模擬作業(yè)操作和進(jìn)行人員培訓(xùn)；利用數(shù)據(jù)顯示可以監(jiān)視物理實(shí)體設(shè)備的運(yùn)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(yù)測(cè)分析可以進(jìn)行連續(xù)油管的健康預(yù)測(cè)。通過(guò)不斷優(yōu)化迭代服務(wù)模型，能夠使其盡量真實(shí)地映射物理設(shè)備的決策需求。

2 多模型融合的虛擬實(shí)體可視化交互

海洋修井的虛擬實(shí)體實(shí)現(xiàn)過(guò)程融合了三維設(shè)計(jì)模型、虛擬樣機(jī)仿真模型、故障診斷與決策模型和虛擬現(xiàn)實(shí)等信息[15]，如圖2所示。其中：三維設(shè)計(jì)模型包括機(jī)械裝配體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、零件幾何描述等信息；虛擬樣機(jī)仿真模型體現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，用于在虛擬空間測(cè)試和評(píng)估產(chǎn)品或服務(wù)過(guò)程的特定特征；故障診斷與決策模型基于歷史、運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法，對(duì)故障、壽命預(yù)測(cè)信息進(jìn)行有效分析和預(yù)測(cè)；虛擬現(xiàn)實(shí)能夠?yàn)橛脩籼峁┏两降奶摂M現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)。

2.1 三維設(shè)計(jì)模型

基于模型工程定義技術(shù)(Model Based Definition, MBD)構(gòu)建的側(cè)重作業(yè)服務(wù)周期的三維模型包括尺寸、公差和工藝等信息[16]。在收集設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，部分沒(méi)有MBD數(shù)據(jù)的設(shè)備通過(guò)FARO三維激光掃描儀采集點(diǎn)云圖來(lái)采集設(shè)備的外部輪廓和局部細(xì)節(jié)圖，并采用實(shí)地取景收集設(shè)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(shè)備的三維模型，并進(jìn)行機(jī)械裝配。因?yàn)镾olidWorks模型過(guò)于精細(xì)，面和面之間會(huì)產(chǎn)生大量冗余，運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)會(huì)造成電腦負(fù)荷過(guò)大，所以將建立好的模型以Step或者IGS格式導(dǎo)入3D MAX軟件，然后對(duì)導(dǎo)入的模型進(jìn)行減面處理以降低模型復(fù)雜度，并為模型材質(zhì)渲染貼圖。同時(shí)，在3D MAX里為關(guān)鍵零件和角色添加骨骼，制作骨骼動(dòng)畫，產(chǎn)生設(shè)備運(yùn)動(dòng)和人物行走效果。最后，將制作好的渲染模型和動(dòng)畫以FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D來(lái)建立場(chǎng)景。

2.2 虛擬樣機(jī)仿真模型

首先，將建立好的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D軟件，建立海洋地形、天空盒、魚群等虛擬場(chǎng)景；其次，添加Box Collider，Rigid Body等組件，模擬真實(shí)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(duì)海洋修井設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真和交互設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)模型成功建立后，修井交互系統(tǒng)可以通過(guò)Unity 3D中的腳本編程模擬連續(xù)油管運(yùn)動(dòng)、設(shè)備起升，以及作業(yè)過(guò)程中壓力和應(yīng)力的實(shí)時(shí)顯示。考慮修井管柱的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，采用差分法求解無(wú)隔水管力學(xué)模型，對(duì)連續(xù)油管作業(yè)過(guò)程中的軸向力、橫向位移、彎矩和應(yīng)力進(jìn)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(duì)RLWI作業(yè)的影響。

2.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(jìn)行故障診斷和決策分析，并與Unity 3D進(jìn)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(yuǎn)距離無(wú)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(chǎng)傳感器對(duì)平臺(tái)橫移量、風(fēng)速、海流速度等參數(shù)進(jìn)行采集[19]。②Unity 3D通過(guò)OPC UA協(xié)議采集PLC內(nèi)存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地服務(wù)器形成數(shù)據(jù)庫(kù)[20-21]。③Unity 3D和MATLAB之間通過(guò)腳本編程進(jìn)行通信交互，Unity 3D為服務(wù)端，MATLAB為客戶端，通過(guò)通信端口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入MATLAB。④采用MATLAB分析異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行故障診斷，從而有效分析和預(yù)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行與故障情況。通過(guò)規(guī)則模型觸發(fā)事件，對(duì)決策進(jìn)行判斷并執(zhí)行。⑤將傳感信號(hào)傳送給PLC，PLC接收到信號(hào)后發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整。通過(guò)循環(huán)采集、分析、診斷、決策過(guò)程，可以不斷優(yōu)化基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與決策模型。

2.4 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不但可以滿足設(shè)備場(chǎng)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(shí)時(shí)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(shí)技術(shù)進(jìn)行人機(jī)交互，方法如圖4所示。模型的場(chǎng)景信息與HTC Vive設(shè)備連接，通過(guò)第一視角進(jìn)行場(chǎng)景漫游，給操作人員以高度的沉浸感。通過(guò)將SteamVRPlugin和VRTK插件包導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D工程場(chǎng)景中，將監(jiān)控腳本分別掛載到VR應(yīng)用場(chǎng)景中的VR攝像機(jī)和操控手柄上，然后配置好監(jiān)控軟件開(kāi)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(jìn)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(shí)體驗(yàn)。為進(jìn)一步提高虛擬體驗(yàn)，使用NGUI插件對(duì)系統(tǒng)的工作界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。在Unity 3D引擎中，通過(guò)添加按鈕并給按鈕添加對(duì)應(yīng)的腳本，可以點(diǎn)擊按鈕來(lái)切換場(chǎng)景，再通過(guò)腳本編程和功能參數(shù)設(shè)定，即可完成設(shè)備的各個(gè)部件運(yùn)轉(zhuǎn)及參數(shù)的實(shí)時(shí)反饋。最后寫入腳本控制數(shù)據(jù)，采用Graph_Maker圖表插件將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在二維和三維圖表中展示。

3 修井?dāng)?shù)字孿生應(yīng)用案例分析

根據(jù)提出的海洋修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)框架，基于多模型融合的虛擬實(shí)體實(shí)現(xiàn)方法，本文開(kāi)展了修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用案例設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)OPC UA協(xié)議采集修井過(guò)程設(shè)備的數(shù)據(jù)，將修井設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和數(shù)據(jù)反映在Unity 3D引擎上，構(gòu)建了設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)虛擬模型并進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)了管柱力學(xué)監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實(shí)、修井分析、故障診斷和安全管理5個(gè)功能。

3.1 修井監(jiān)控功能

虛擬實(shí)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(cè)、井控體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)圖形用戶交互界面(Graphic User Interface，GUI)，操作人員能夠遠(yuǎn)程觀測(cè)整體作業(yè)進(jìn)度并切換觀測(cè)視角。另外，可以選擇單獨(dú)查看某個(gè)修井作業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況(如圖5c和圖5d)，也可以查看設(shè)備的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，從而評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在對(duì)物理空間和虛擬空間系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可以采用指令控制作業(yè)船、水下、井下物理實(shí)體設(shè)備。存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)將用于在設(shè)備作業(yè)服務(wù)階段進(jìn)行進(jìn)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(guān)鍵。針對(duì)定向井、水平井、彎曲井和復(fù)雜井4種海洋油氣井井筒(如圖5e)，選擇確定工況后進(jìn)入對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行管柱分析，包括下入深度預(yù)測(cè)、外界因素引起的軸向力變化等，同時(shí)對(duì)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(xué)規(guī)律進(jìn)行分析。系統(tǒng)通過(guò)融入海洋作業(yè)船橫移量、阻力系數(shù)、海洋表面風(fēng)力速度、海洋表面海流速度等環(huán)境參數(shù)，對(duì)連續(xù)油管海洋環(huán)境力學(xué)特性進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)鉆修井過(guò)程進(jìn)行井下模擬，并直觀、準(zhǔn)確地顯示地層的三維結(jié)構(gòu)、井眼軌跡、測(cè)井曲線和靶點(diǎn)等抽象信息。

3.3 故障診斷功能

海洋修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)具有故障診斷功能，其利用深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建響應(yīng)模型，通過(guò)不斷增加作業(yè)服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)不同修井工況進(jìn)行故障預(yù)警與維護(hù)分析，并將故障診斷信息通過(guò)C#腳本嵌入U(xiǎn)nity 3D來(lái)顯示故障預(yù)警和常規(guī)維護(hù)分析結(jié)果。將以上信息通過(guò)本地服務(wù)器和云端服務(wù)器進(jìn)行可視化，可使操作人員及時(shí)調(diào)整作業(yè)策略。系統(tǒng)GUI界面設(shè)有按鈕交互功能，出現(xiàn)故障或突發(fā)狀況時(shí)可通過(guò)按鈕控制物理實(shí)體設(shè)備啟停。例如，系統(tǒng)可顯示連續(xù)油管關(guān)鍵點(diǎn)處的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，感知潛在故障、作業(yè)誤差等，當(dāng)卷筒速度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)通過(guò)腳本控制緊急關(guān)閉系統(tǒng)。

3.4 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互功能

通過(guò)將虛擬現(xiàn)實(shí)同仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和集成等各項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與融合，可以監(jiān)控連續(xù)油管修井過(guò)程并進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，如圖5f～圖5i所示。其中，操作人員以第一視角通過(guò)鍵盤控制人物的行走和跳躍，同時(shí)用鼠標(biāo)控制人物的行進(jìn)方向；通過(guò)敲擊鍵盤字母“B”返回交互界面，通過(guò)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕切換場(chǎng)景；在海洋模擬場(chǎng)景中，使用漫游視角可以進(jìn)行場(chǎng)景漫游，通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)設(shè)備屬性及運(yùn)行信息，點(diǎn)擊設(shè)備即可查詢其對(duì)應(yīng)的工藝信息和設(shè)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(fù)雜多變，修井過(guò)程中存在眾多安全問(wèn)題。修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)可以讓操作人員快速掌握設(shè)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(shí)向物理實(shí)體下達(dá)應(yīng)急指令。在修井作業(yè)危險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，利用規(guī)則模型制定安全評(píng)價(jià)方法，完成修井作業(yè)危險(xiǎn)源辨識(shí)評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的控制措施。系統(tǒng)包括海洋修井常見(jiàn)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(guò)大、火災(zāi)、井噴等，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以及時(shí)做出決策，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(guò)構(gòu)建多模型融合虛擬實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)修井過(guò)程的虛實(shí)交互，從而提高海洋油氣修井的安全性與智能性。

針對(duì)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(shí)體、虛擬實(shí)體、虛實(shí)數(shù)據(jù)連接、人工智能數(shù)據(jù)分析、作業(yè)決策服務(wù)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(shí)現(xiàn)了物平臺(tái)與修井虛擬仿真平臺(tái)之間的信息傳遞，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，真實(shí)地模擬了修井系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)的改變情況，同時(shí)可以控制物理實(shí)體設(shè)備。通過(guò)Unity 3D與MATLAB通信，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)完成了故障診斷和作業(yè)優(yōu)化。修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)具有管柱力學(xué)監(jiān)控、虛擬現(xiàn)實(shí)、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(guān)海洋RLWI數(shù)字孿生技術(shù)的研究，不但可以使該技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，從而掌握海洋修井核心技術(shù)，推動(dòng)我國(guó)海洋工程裝備的發(fā)展，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)油氣產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型具有重要的推進(jìn)作用。然而，海洋修井?dāng)?shù)字孿生系統(tǒng)涉及物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、海洋管柱力學(xué)、信息技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域的技術(shù)，研究難度較大，目前只完成了部分任務(wù)，下一步將在規(guī)則模型、故障診斷、服務(wù)決策等方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和完善。