海洋无隔水管修井的数字孪生框架与可视化交互

王文明，侯春来，武振宇，王 路，顾继俊，何令普

(1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院，北京 102249；2.长庆油田第四采油厂，陕西 靖边 718500)

0 引言

为了确保海洋油井顺利开采，作为油井后续维护的一种作业方式，修井具有重要的作用。传统的海洋修井是以大型钻井船或半潜式钻井平台为载体，利用修井管柱完成作业[1]，这种方式的钻井平台资源获取难度大、作业效率低、价格昂贵，阻碍了海洋修井作业的有序开展[2]。近年来，一种基于连续油管(Coiled Tubing，CT)的新型无隔水管修井方法(Riserless Light Well Intervention, RLWI)提供了更优的解决方案，该方法不但采用移动便捷的动态定位船舶减少了船只部署时间，而且通过具有连续下入和起出优点的连续油管提升了作业效率[3]。该技术受到国际石油公司的高度关注，Island Offshore，Aker Solutions，FMC，Altus Intervention，Schlumberger等公司均开展过相关作业[3]。例如，2014年Island Offshore公司利用无隔水管连续油管作业系统对开放水域的海底井眼数据进行了采集[4]；Aker Solutions提供了连续油管井底堵塞物清理解决方案，有效提高了油气采收率[5]。然而，因为连续油管刚度小，结构细长，受力易导致过度屈曲变形，所以容易引发作业事故[6]，而且复杂的海洋环境进一步增加了作业风险。因此，海洋RLWI作业技术难度大，为保障作业安全，需要进一步提升该工艺的安全性与智能性。

近年来，随着人工智能、大数据、云计算、物联网等技术的快速发展，数字孪生(Digital Twin，DT)在各个工业领域得到广泛应用[7]，其为借助历史数据、实时数据和算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[8]。物理实体是现实世界中可观察和可识别的事物，而虚拟实体或称数字孪生体是与物理实体或过程相对应的数字化模型的实例。在建立修井数字孪生体过程中，修井系统通过在虚拟空间中完成多物理量、多尺度、多概率的仿真映射来实现物理实体装备的运行维护，甚至全生命周期过程管理[9-10]。目前，数字孪生技术因其在海洋油气领域的优势而得到广泛重视。2017年，eDrilling建立了钻井平台的数字孪生模型，通过获取井下钻探数据和井身结构数据实现了钻井过程可视化。据eDrilling数据显示，数字孪生平台降低了钻井安全风险，缩短了钻井时间[11]。2018年，Kongsberg，DNV GL等共同建立了联合仿真平台，用于优化测试管理系统[12]。

为提高修井的安全性与智能化，本文针对修井服务阶段的运行管理，将海洋RLWI技术与数字孪生技术融合来保障修井任务作业的安全性。因此，本文采用Unity 3D建立人机交互界面，进行作业过程监控与设备实时信息可视化；基于物联网采集数据实现虚实数据交互，将物理实体与虚拟实体相融合；采用MATLAB智能算法分析数据，从而制定修井服务策略。通过构建以上海洋修井数字孪生系统，实现了修井服务阶段的故障诊断和作业决策。

1 海洋连续油管修井的数字孪生五维模型框架

海洋RLWI主要围绕连续油管的相关配套设备展开，其数字孪生系统采用五维模型框架，如图1所示。系统由修井系统物理实体、虚拟实体、虚实数据连接、基于人工智能的数据分析、作业决策服务模块等构成。

1.1 物理实体

海洋RLWI装备主要分为水上和水下两部分，配套设备和功能如表1所示。水上部分的物理实体主要由作业船、卷筒、连续油管、上注入器等组成；水下部分的物理实体主要由下注入器、遥控无人潜水器(Remote Operated Vehicle, ROV)、防喷器等组成。修井作业船起到装载修井装备的作用，通常需要具备直升机甲板、吊机、动力定位系统、控制室、足够的甲板面积等基本配置。作业过程中，连续油管缠绕和存储在卷筒中，经鹅颈、上注入头、月池、下注入头、防喷器等下入至海底井筒，其下入和起出的作用力由上、下注入头提供；防喷器为安全屏障，起防止井喷的作用；ROV起视频监视和辅助操作的作用。通过在设备上部署基于物联网的传感器，修井数字孪生系统采集设备多尺度、多物理场的运行数据和环境数据，如滚筒的运转速度、注入头的注入力和注入速度、连续油管的应力和应变、管内液体压力、海流海浪的周期与速度等。

表1 RLWI作业设备组成

1.2 虚拟实体

海洋修井系统的虚拟实体包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型，是具有不同生命周期、不同侧面的异构模型[13]。在构建虚拟实体时，需要将上述模型在功能和结构上集成融合，形成对物理设备的完整映射。首先构建三维几何模型，将模型导入可视化平台，添加设备物理属性；然后针对修井系统，基于海洋管柱力学理论构建行为模型，建立一套具有交互功能和临界真实操作环境的修井虚拟仿真系统；同时，借助仿真引擎工具实现虚拟实体的可视化，并通过虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术使虚拟环境具有沉浸感；最后，通过建立虚拟实体的规则模型制定虚拟实体的控制策略。

1.3 虚实数据连接

海洋修井系统的虚实数据连接是实现物理设备、虚拟设备、服务三者数据采集，并有效驱动三者运行的必要环节。首先合理布置物理设备上的传感器检测点，通过物联网技术采集修井系统物理设备的运行数据；然后在虚拟设备上设置对应检测点，采集相应位置的仿真数据。在对物理设备、虚拟设备、服务进行在线监测与仿真后，实时驱动海洋修井虚拟实体[14]。例如，针对修井起关键作用的连续油管设备，利用应变、位移、压力传感器检测连续油管的应变、位移、注入力等力学特性。基于可编程控制器(Programming Logic Controller, PLC)的开放平台通信统一框架协议(Open Platform Communication Unified Architecture, OPC UA)采集连续油管的实时状态数据，通过调用数据驱动虚拟空间中的对应模型，与连续油管虚拟设备形成的仿真数据建立映射关系，并形成修井作业策略。同时，采用OPC UA协议传输卷筒电机和注入头电机的控制数据，对连续油管卷筒的收放速度、上下注入头的注入速度进行联合控制。通过不断迭代与优化以上采集控制过程，可以实现物理世界与虚拟世界实时数据的连接与动态交互。

1.4 数据分析

海洋修井数字孪生系统作业过程中产生的数据包括物理实体、虚拟实体、服务三者的实时和历史数据，是数字孪生系统运行的基础。修井系统作业过程采用MySQL工具形成数据库，通过MATLAB滤波、降噪后进行时频域分析，再利用规则模型设定的阈值进行超出报警。为进一步利用数据，将训练数据输入深度学习网络形成响应模型，用于物理实体与虚拟实体设备的故障诊断；利用测试数据进行测试，进一步优化网络参数，以调整响应模型；根据产生的故障分析结果制定设备的作业、维修等决策策略。同时，采用数据预测方法预测虚拟实体修井服务阶段的特性，并制定相应的预测维修策略。例如，采用故障概率法确定连续油管的疲劳损伤曲线，对连续油管的剩余寿命进行预测，预测信息为修井设备的预测维修和作业优化提供依据。

1.5 作业决策服务分析

根据海洋修井作业系统的物理实体和虚拟实体，在虚实融合的修井数字孪生平台上设计其作业决策服务模型，以优化物理实体修井作业。针对修井作业阶段的需求，实现的服务功能包括修井过程的虚拟现实、装备的数据显示、设备故障诊断、连续油管寿命预测分析等。虚拟现实功能可以模拟作业操作和进行人员培训；利用数据显示可以监视物理实体设备的运行状况；故障诊断可以优化修井作业的管理决策；寿命预测分析可以进行连续油管的健康预测。通过不断优化迭代服务模型，能够使其尽量真实地映射物理设备的决策需求。

2 多模型融合的虚拟实体可视化交互

海洋修井的虚拟实体实现过程融合了三维设计模型、虚拟样机仿真模型、故障诊断与决策模型和虚拟现实等信息[15]，如图2所示。其中：三维设计模型包括机械装配体拓扑结构、零件几何描述等信息；虚拟样机仿真模型体现了运动学和动力学特征，用于在虚拟空间测试和评估产品或服务过程的特定特征；故障诊断与决策模型基于历史、运行数据驱动的故障诊断方法，对故障、寿命预测信息进行有效分析和预测；虚拟现实能够为用户提供沉浸式的虚拟现实体验。

2.1 三维设计模型

基于模型工程定义技术(Model Based Definition, MBD)构建的侧重作业服务周期的三维模型包括尺寸、公差和工艺等信息[16]。在收集设备数据时，部分没有MBD数据的设备通过FARO三维激光扫描仪采集点云图来采集设备的外部轮廓和局部细节图，并采用实地取景收集设备的尺寸、工艺流程等重要信息，从而优化模型。数据采集完毕后，利用SolidWorks软件建立设备的三维模型，并进行机械装配。因为SolidWorks模型过于精细，面和面之间会产生大量冗余，运行系统时会造成电脑负荷过大，所以将建立好的模型以Step或者IGS格式导入3D MAX软件，然后对导入的模型进行减面处理以降低模型复杂度，并为模型材质渲染贴图。同时，在3D MAX里为关键零件和角色添加骨骼，制作骨骼动画，产生设备运动和人物行走效果。最后，将制作好的渲染模型和动画以FBX格式导入Unity 3D来建立场景。

2.2 虚拟样机仿真模型

首先，将建立好的模型导入Unity 3D软件，建立海洋地形、天空盒、鱼群等虚拟场景；其次，添加Box Collider，Rigid Body等组件，模拟真实世界的碰撞和重力效果；最后，借助软件自带的C#脚本编程功能和物理引擎对海洋修井设备进行动态仿真和交互设计。虚拟样机模型成功建立后，修井交互系统可以通过Unity 3D中的脚本编程模拟连续油管运动、设备起升，以及作业过程中压力和应力的实时显示。考虑修井管柱的运动学和动力学特征，采用差分法求解无隔水管力学模型，对连续油管作业过程中的轴向力、横向位移、弯矩和应力进行分析[17-18]；考虑海洋深度、海流速度、波浪周期和波浪高度等因素，增加了环境对RLWI作业的影响。

2.3 数据驱动的故障诊断与决策模型

海洋修井系统的故障诊断与决策模型如图3所示，物联网感知数据后，采用MATLAB分析数据进行故障诊断和决策分析，并与Unity 3D进行数据交互。建立诊断与决策模型的步骤如下：①利用物联网的WIFI、远距离无线电(Long Range Radio，LoRa)、窄带物联网(Narrow Band Internet of Thing，NBIoT)等物理层协议，以及多物理场传感器对平台横移量、风速、海流速度等参数进行采集[19]。②Unity 3D通过OPC UA协议采集PLC内存数据，并将数据存储在本地服务器形成数据库[20-21]。③Unity 3D和MATLAB之间通过脚本编程进行通信交互，Unity 3D为服务端，MATLAB为客户端，通过通信端口将实时数据传入MATLAB。④采用MATLAB分析异常数据并进行故障诊断，从而有效分析和预测设备的运行与故障情况。通过规则模型触发事件，对决策进行判断并执行。⑤将传感信号传送给PLC，PLC接收到信号后发出控制信号，对物理设备进行相应地调整。通过循环采集、分析、诊断、决策过程，可以不断优化基于数据驱动的故障诊断与决策模型。

2.4 虚拟现实人机交互

虚拟现实技术不但可以满足设备场景可视化，而且可以呈现逼真的三维效果和虚拟环境的实时交互[22-23]。为提升海洋修井作业系统的沉浸感，采用虚拟现实技术进行人机交互，方法如图4所示。模型的场景信息与HTC Vive设备连接，通过第一视角进行场景漫游，给操作人员以高度的沉浸感。通过将SteamVRPlugin和VRTK插件包导入Unity 3D工程场景中，将监控脚本分别挂载到VR应用场景中的VR摄像机和操控手柄上，然后配置好监控软件开发工具包(Software Development Kit，SDK)中的参数，再将VR眼镜与电脑相连，即可进行人物瞬移、物体触碰、物体拾取、物体使用和菜单交互，为用户提供沉浸式的虚拟现实体验。为进一步提高虚拟体验，使用NGUI插件对系统的工作界面进行设计。在Unity 3D引擎中，通过添加按钮并给按钮添加对应的脚本，可以点击按钮来切换场景，再通过脚本编程和功能参数设定，即可完成设备的各个部件运转及参数的实时反馈。最后写入脚本控制数据，采用Graph_Maker图表插件将实时数据在二维和三维图表中展示。

3 修井数字孪生应用案例分析

根据提出的海洋修井数字孪生系统框架，基于多模型融合的虚拟实体实现方法，本文开展了修井数字孪生系统的应用案例设计与分析。案例以Unity 3D三维虚拟引擎为主，MATLAB软件数据分析为辅，搭建了一套海洋连续油管修井的数字孪生系统，实现了物理世界与虚拟世界的交互融合，如图5所示。系统通过OPC UA协议采集修井过程设备的数据，将修井设备的实时状态和数据反映在Unity 3D引擎上，构建了设备实时动态虚拟模型并进行展示，实现了管柱力学监控、虚拟现实、修井分析、故障诊断和安全管理5个功能。

3.1 修井监控功能

虚拟实体的三维模型如图5a～图5d所示，分别为作业船俯视视角1、作业船俯视视角2、作业船数据监测、井控体数据监测。通过图形用户交互界面(Graphic User Interface，GUI)，操作人员能够远程观测整体作业进度并切换观测视角。另外，可以选择单独查看某个修井作业设备的实时运转情况(如图5c和图5d)，也可以查看设备的运动和运行数据信息，从而评估设备的运行状态。在对物理空间和虚拟空间系统中的数据进行分析后，可以采用指令控制作业船、水下、井下物理实体设备。存储到数据库的数据将用于在设备作业服务阶段进行进一步优化与仿真。

3.2 修井管柱分析功能

海洋修井系统存在不同的井况，有效分析连续油管的管柱特性是可靠作业的关键。针对定向井、水平井、弯曲井和复杂井4种海洋油气井井筒(如图5e)，选择确定工况后进入对应模块进行管柱分析，包括下入深度预测、外界因素引起的轴向力变化等，同时对涉及的连续油管作业管柱屈曲行为、轴向力分布、轴向变形等力学规律进行分析。系统通过融入海洋作业船横移量、阻力系数、海洋表面风力速度、海洋表面海流速度等环境参数，对连续油管海洋环境力学特性进行分析，同时结合现有地质数据库对钻修井过程进行井下模拟，并直观、准确地显示地层的三维结构、井眼轨迹、测井曲线和靶点等抽象信息。

3.3 故障诊断功能

海洋修井数字孪生系统具有故障诊断功能，其利用深度学习算法构建响应模型，通过不断增加作业服务数据对不同修井工况进行故障预警与维护分析，并将故障诊断信息通过C#脚本嵌入Unity 3D来显示故障预警和常规维护分析结果。将以上信息通过本地服务器和云端服务器进行可视化，可使操作人员及时调整作业策略。系统GUI界面设有按钮交互功能，出现故障或突发状况时可通过按钮控制物理实体设备启停。例如，系统可显示连续油管关键点处的应力应变数据，感知潜在故障、作业误差等，当卷筒速度超过系统设定阈值时通过脚本控制紧急关闭系统。

3.4 虚拟现实人机交互功能

通过将虚拟现实同仿真技术、数据存储和集成等各项技术进行改进与融合，可以监控连续油管修井过程并进行沉浸式体验，如图5f～图5i所示。其中，操作人员以第一视角通过键盘控制人物的行走和跳跃，同时用鼠标控制人物的行进方向；通过敲击键盘字母“B”返回交互界面，通过点击对应按钮切换场景；在海洋模拟场景中，使用漫游视角可以进行场景漫游，通过MySQL数据库访问设备属性及运行信息，点击设备即可查询其对应的工艺信息和设备信息。

3.5 安全管理与决策功能

由于海洋与井下环境复杂多变，修井过程中存在众多安全问题。修井数字孪生系统可以让操作人员快速掌握设备的操作方法和物理特性，并根据其异常数据做出分析决策，及时向物理实体下达应急指令。在修井作业危险辨识的基础上，利用规则模型制定安全评价方法，完成修井作业危险源辨识评价，并提出相应的控制措施。系统包括海洋修井常见的作业事故，主要有连续油管疲劳折断、连续油管注入力过大、火灾、井喷等，通过数据分析对故障进行预测，可以及时做出决策，避免事故的发生。

4 结束语

本文提出一种基于海洋连续油管修井的数字孪生框架，通过构建多模型融合虚拟实体，实现对修井过程的虚实交互，从而提高海洋油气修井的安全性与智能性。

针对海洋修井作业工况提出海洋连续油管修井的数字孪生五维模型框架，包括物理实体、虚拟实体、虚实数据连接、人工智能数据分析、作业决策服务等。采用SolidWorks软件创建了修井系统三维模型，采用Unity 3D建立了海洋RLWI系统虚拟仿真模型。基于PLC硬件实现了物平台与修井虚拟仿真平台之间的信息传递，并结合物联网通信技术对平台数据进行集成，真实地模拟了修井系统的运行状态以及运行参数的改变情况，同时可以控制物理实体设备。通过Unity 3D与MATLAB通信，基于数据驱动完成了故障诊断和作业优化。修井数字孪生系统具有管柱力学监控、虚拟现实、修井分析、故障诊断和安全管理等功能，有效提高了海洋修井的安全管理和智能决策水平。

本文有关海洋RLWI数字孪生技术的研究，不但可以使该技术国产化，从而掌握海洋修井核心技术，推动我国海洋工程装备的发展，而且对实现油气产业数字化转型具有重要的推进作用。然而，海洋修井数字孪生系统涉及物联网、虚拟现实、海洋管柱力学、信息技术、人工智能等领域的技术，研究难度较大，目前只完成了部分任务，下一步将在规则模型、故障诊断、服务决策等方面进行进一步优化和完善。