摘 要

摘　要：經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國海洋油氣開發(fā)開始走向深海，為滿足前期整體布局規(guī)劃方案技術(shù)準(zhǔn)備工作的需要，基于Inventor平臺(tái)開發(fā)了水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除在操作上

摘　要：經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國海洋油氣開發(fā)開始走向深海，為滿足前期整體布局規(guī)劃方案技術(shù)準(zhǔn)備工作的需要，基于Inventor平臺(tái)開發(fā)了水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)除在操作上使用方便、直觀易懂外，還具以下功能：水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備整體布局的快速設(shè)計(jì)；水下生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型庫的調(diào)用、自動(dòng)添加、知識(shí)積累，模型瀏覽、預(yù)覽，管線自動(dòng)布設(shè)連接；對(duì)所創(chuàng)建的三維虛擬場景自動(dòng)生成三維布局圖或平面圖；輸出ROV工作的干涉報(bào)告；對(duì)關(guān)鍵部件、組件結(jié)構(gòu)快速生成相應(yīng)的有限元計(jì)算數(shù)據(jù)文件等。同時(shí)，為更好地進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，還以此平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)南海深水油氣田荔灣3-1示范工程的水下生產(chǎn)設(shè)備創(chuàng)建了完整的參數(shù)化三維模型數(shù)據(jù)庫。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)為我國的深水水下生產(chǎn)提供了一種快速、準(zhǔn)確的方案比較工具，可對(duì)設(shè)備安裝和水下生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)演，對(duì)深水油氣勘探開發(fā)能起到一定的技術(shù)支撐作用。

關(guān)鍵詞：荔灣深水氣田  水下生產(chǎn)  參數(shù)化  計(jì)算機(jī)軟件  輔助設(shè)計(jì)  快速設(shè)計(jì)  方案預(yù)演

Design and implementation of an Inventor-based subsea production virtual simulation design system

Abstract：After a few decades of development，China¢s offshore oil and gas exploitation starts to step into deep seas．In order to facilirate the technical preparations for overall early stage layout planning，a subsea production virtual simulation design system was developed based on the Inventor Platform．In addition to being intuitive and easy to use and understand，this system also has the following functions：a rapid design of overall layout of a subsea production system and equipments；the invocation，automatic adding，knowledge accumulation，model browsing，preview of a 3D model database of a subsea production system；automatic forming of a 3D layout or plan layout of a created 3D virtual scene；output of a ROV interference detection report；and a rapid generation of corresponding finite element calculated data files of key parts and component structures．Meanwhile，in order to achieve a better rapid design，a complete parameterized 3D model database was established based on this developed design platform for the subsea production equipment in the LW 3-1 Demonstration Projeet of Deepwater Oil&Gas Fields in South China Sea．The practical application shows that this proposed system is a tool for fast and accurate optimal selection of schemes for deepwater production in China．With this system，we can preview equipment installation and key subsea production technologies．This system is bound to promote the deepwater oil&gas development．

Keywords：South China Sea，Liwan deepwater gas field，subsea production，parameterization，software，aided design，rapid design，program Prevlew

我國經(jīng)濟(jì)對(duì)油氣的需求量越來越大，這也促使我們由過去的完全依賴陸上生產(chǎn)轉(zhuǎn)向海洋石油開發(fā)^[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測^[3]，全球陸上的油氣已進(jìn)入后石油時(shí)代，截至2008年，國家油氣開采峰期已過的國家達(dá)到66個(gè)，世界陸上石油可采年限為30～80a。而自2000年以來全球最大型油氣田均來自海洋，全球已在19個(gè)沉積盆地獲得發(fā)現(xiàn)了33個(gè)億噸級(jí)油氣田，其中70％以上分布在墨西哥灣北部、巴西東南部和西非三大深水區(qū)近l0個(gè)沉積盆地。我國海洋天然氣資源儲(chǔ)備豐富，占全國總量的30％。但我國海洋油氣開發(fā)水平遠(yuǎn)低于世界平均水平，海洋原油和天然氣的發(fā)現(xiàn)率分別僅為12.3％和l0.9％，遠(yuǎn)低于世界平均探明率的73.0％和60.5％^[4-5]。

國際上一般將水深超過300m海域的油氣資源定義為深水油氣，l500m水深以上稱為超深水。目前世界先進(jìn)的深水技術(shù)已經(jīng)形成了3000m水深的作業(yè)船隊(duì)，我國在建深水油氣田開發(fā)水深為1480m，而世界紀(jì)錄為2743m。2011—2012年，我國打造的深海利器“海洋石油981”“海洋石油201”相繼誕生，標(biāo)志著我國深水油氣資源勘探開發(fā)能力和大型海洋裝備建造水平跨入了世界先進(jìn)行列。2013年我國在南海荔灣區(qū)域1500m水深成功首鉆，標(biāo)志著我國海洋石油工業(yè)“深水戰(zhàn)略”邁開實(shí)質(zhì)性步伐^[6-7]。

經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國海洋油氣生產(chǎn)也由過去的依賴國外技術(shù)發(fā)展為自主勘探開發(fā)，并形成了自身的核心配套技術(shù)，也培養(yǎng)了一批自己的海洋石油人才。目前國際海洋油氣開發(fā)的總趨勢是走入深海，而深海油氣的開發(fā)技術(shù)難度極大，面臨諸多技術(shù)難題，因此如何更好地做好深水油氣田開發(fā)的前期整體布局規(guī)劃方案，可以為這些難題的解決走出堅(jiān)實(shí)的一步。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在大型橋梁結(jié)構(gòu)工程、水電工程中已得到廣泛應(yīng)用^[8-12]，在此背景下研究開發(fā)“基于Inventor的水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)”可以為深水油氣田的設(shè)備布置方案進(jìn)行優(yōu)化比較，對(duì)走向深水的水下生產(chǎn)設(shè)計(jì)將具有一定的推動(dòng)作用。

1　系統(tǒng)簡介

1．1　平臺(tái)的選取

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和水下生產(chǎn)設(shè)計(jì)相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相結(jié)合，三維CAD系統(tǒng)所提供的清晰的三維空間表達(dá)來幫助規(guī)劃、設(shè)計(jì)師理解空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)及各種構(gòu)件相互之間的關(guān)系，快速建立水下設(shè)備的二維模型，合理布置水下生產(chǎn)的設(shè)備和各種管線，節(jié)約成本，提高設(shè)計(jì)效率，已經(jīng)成為水下生產(chǎn)設(shè)計(jì)現(xiàn)階段提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率的必由之路，也是深水油氣田設(shè)計(jì)將要面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此開發(fā)這種水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將為我國的深水水下生產(chǎn)提供一種快速、準(zhǔn)確的方案比較工具，因此具有很好的實(shí)用價(jià)值。

針對(duì)所要開發(fā)的系統(tǒng)功能要具有：①參數(shù)化的模型庫；②模型庫設(shè)備的添加、瀏覽、刪除、編輯等；③自動(dòng)管路設(shè)計(jì)；④材料表統(tǒng)計(jì)；⑤自動(dòng)出圖；⑥有限元分析接口以及ROV的干涉檢測等。通過表l和圖l對(duì)Inventor、Catia、SolidWorks、Pro／E和Microstation等常用三維建模軟件平臺(tái)的用戶數(shù)量、適用領(lǐng)域、功能特點(diǎn)以及其經(jīng)濟(jì)性等數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終選取了Autodesk Inventor作為水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

Inventor作為Autodesk公司推出的一款三維可視化軟件，具有三維建模、協(xié)同工作、信息管理和技術(shù)支持等強(qiáng)大功能，在該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)建三維模型、二維工程圖，其具有的連接網(wǎng)絡(luò)功能可以進(jìn)行同項(xiàng)目組員間的協(xié)同，為同項(xiàng)目組人員間數(shù)據(jù)共享和思想交流提供了極大方便。另外，通過谷歌趨勢檢索比較圖l，從另一個(gè)側(cè)面也反映出了該軟件具有更高的關(guān)注度和更大的應(yīng)用范圍。

 

 

1．2　水下生產(chǎn)系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)所選定的開發(fā)平臺(tái)Inventor進(jìn)行二次開發(fā)，確定了三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，先分析了軟件系統(tǒng)的基本要求，即可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、交互性、平臺(tái)無關(guān)性。然后對(duì)軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行詳細(xì)的功能分解，最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求，得到三維可視化軟件的流程圖(圖2)，該流程圖為軟件開發(fā)提供了具體的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)軟件的功能模塊介紹，包括數(shù)據(jù)接口模塊、繪制算法模塊、三維顯示模塊、分析處理模塊等。

 

2　開發(fā)應(yīng)用

2．1　工程概況

荔灣3-1氣田位于南海東部、中國香港特別行政區(qū)東南300km處，平均水深l500m。天然氣探明儲(chǔ)量為l000×10⁸～1500×10⁸m³，是中國第一個(gè)真正意義上的深水氣田。本系統(tǒng)以荔灣3-1氣田為依托工程，進(jìn)行了水下生產(chǎn)模型的仿真沒計(jì)的開發(fā)。其中水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基本組成如圖3所示。分別由管匯、采油樹、跨接管、管接頭、臍帶管、乙二醇管等組成。

 

2．2　實(shí)現(xiàn)功能

開發(fā)的水下生產(chǎn)系統(tǒng)所具有功能如下所述。

2．2．1參數(shù)化的水下生產(chǎn)設(shè)備三維模型庫

以水下生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)圖紙或?qū)嵨飯D片為建模的參考依據(jù)，使用Inventor建模工具，按照統(tǒng)一比例，制作水下生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)化三維模型。其中，模型的各參數(shù)在規(guī)劃布置過程中會(huì)進(jìn)行一個(gè)自動(dòng)的配對(duì)和識(shí)別判斷，以達(dá)到在進(jìn)行設(shè)備選取、對(duì)接、位置的擺放以及后期ROV(Remote Operated Vehicle)的干涉分析等都可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)判斷(圖4、5)。

 

 

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設(shè)備模型包括以下4種。

1)水上設(shè)備

包括主控站、液壓單元、電力單元、化學(xué)試劑單元、臍帶纜水上終端等涉及生產(chǎn)操作工藝流程的主要設(shè)備。

2)水下設(shè)備

包括井口采油樹、防噴帽、跨接管、管匯(中心)、臍帶纜終端單元等，液壓蓄能器、泵、油箱等，以及水下各類傳感器、計(jì)量器的三維模型，并建立數(shù)學(xué)物理模型模擬傳感和計(jì)量信息。

3)管道與連接系統(tǒng)

包括海管、油氣田內(nèi)管道、跨接管，臍帶纜及水上、水下終端單元，水下電液分配單元(SDU)、PLET、線纜接頭等，以及相應(yīng)的水下設(shè)備的安裝工具、作業(yè)船、ROV等。

4)監(jiān)控系統(tǒng)

完整的監(jiān)控系統(tǒng)包括主控站、臍帶纜、水下控制模塊以及各類執(zhí)行器和傳感器等。除以上建模內(nèi)容之外，與模型庫配套的輔助軟件工具能實(shí)現(xiàn)水下生產(chǎn)設(shè)備模型的查詢、展示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析等功能。

2．2．2水下生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型庫的調(diào)用、自動(dòng)添加、知識(shí)積累、模型瀏覽、預(yù)覽等

通過給定海洋環(huán)境后，根據(jù)其海洋地貌分布情況，對(duì)整個(gè)水下生產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行已有模型的調(diào)用和添加，按照規(guī)范要求進(jìn)行導(dǎo)向式的布局建模，并可根據(jù)要求進(jìn)行各模型的編輯、預(yù)覽和刪除等。

2．2．3水下生產(chǎn)設(shè)備整體布局的快速設(shè)計(jì)

將從模板庫調(diào)用進(jìn)來的各設(shè)備模型進(jìn)行快速布置，可以通過坐標(biāo)定位或者是通過鼠標(biāo)的拖動(dòng)進(jìn)行布置。其中在多個(gè)設(shè)備進(jìn)行布置過程中，各模型會(huì)通過其參數(shù)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行在位的判斷，判斷是否有相互的干涉和影響等。

2．2．4管線的自動(dòng)布設(shè)、連接，并可進(jìn)行管道的長度和曲率控制

可使用自動(dòng)和手動(dòng)布線模式，在保留對(duì)關(guān)鍵導(dǎo)線完全控制的同時(shí)，可快速布置其他導(dǎo)線。其中根據(jù)布線的方法來分，有以下3種布線方法。

1)手動(dòng)布線

需要明確選擇布線路徑，通過人為的指定、設(shè)置管線通過的位置進(jìn)行布線。

2)交互式布線

需要選擇布線路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)，用計(jì)算方法提供最短路徑。

3)自動(dòng)布線

基于所有可行路徑查找最短路徑。

2．2．5對(duì)所創(chuàng)建的三維虛擬場景自動(dòng)生成三維布局圖或平面圖，出ROV工作的干涉報(bào)告

使用自動(dòng)化工具測試ROV在進(jìn)行設(shè)備安裝過程中的裝配干涉，并根據(jù)布置好的設(shè)備及管線分布情況，對(duì)所指定選取的ROV工作路徑進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，對(duì)其工作中的干涉情況進(jìn)行報(bào)告分析，并可根據(jù)所選取的工作路徑給出ROV的推薦工作線路。

2．2．6可對(duì)關(guān)鍵部件、組件結(jié)構(gòu)快速生成相應(yīng)的有限元計(jì)算數(shù)據(jù)文件

配合專業(yè)軟件的有限元計(jì)算(管匯在位分析)，能夠生成管匯主體結(jié)構(gòu)的有限元模型的數(shù)據(jù)文件。

3　結(jié)論

1)基于Inventor平臺(tái)開發(fā)了水下生產(chǎn)虛擬仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有使用方便、直觀易懂的操作優(yōu)點(diǎn)。

2)以此平臺(tái)為基礎(chǔ)對(duì)南海深水油氣田工程的水下復(fù)雜生產(chǎn)設(shè)備創(chuàng)建了完整的參數(shù)化三維模型數(shù)據(jù)庫。

3)本系統(tǒng)具有水下生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型輔助設(shè)計(jì)功能、設(shè)備整體布局的快速設(shè)計(jì)功能、管線自動(dòng)布設(shè)連接功能、圖形自動(dòng)輸出功能以及快速產(chǎn)生有限元計(jì)算數(shù)據(jù)文件等功能。

4)為我國的深水油氣田水下生產(chǎn)整體布局設(shè)計(jì)提供了一種快速、準(zhǔn)確的方案比較工具，為設(shè)備安裝和水下生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)演。

 

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本文作者：李小龍  姜華　魏魯雙  魏群

作者單位：中海石油深海開發(fā)有限公司

  中國科學(xué)院大學(xué)

  華北水利水電大學(xué)