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)劃方案技術準備工作的需要，基于Inventor平臺開發(fā)了水下生產(chǎn)虛擬仿真設計系統(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)劃方案技術準備工作的需要，基于Inventor平臺開發(fā)了水下生產(chǎn)虛擬仿真設計系統(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)設備整體布局的快速設計；水下生產(chǎn)系統(tǒng)三維模型庫的調(diào)用、自動添加、知識積累，模型瀏覽、預覽，管線自動布設連接；對所創(chuàng)建的三維虛擬場景自動生成三維布局圖或平面圖；輸出ROV工作的干涉報告；對關鍵部件、組件結構快速生成相應的有限元計算數(shù)據(jù)文件等。同時，為更好地進行快速設計，還以此平臺為基礎，對南海深水油氣田荔灣3-1示范工程的水下生產(chǎn)設備創(chuàng)建了完整的參數(shù)化三維模型數(shù)據(jù)庫。實際應用結果表明，該系統(tǒng)為我國的深水水下生產(chǎn)提供了一種快速、準確的方案比較工具，可對設備安裝和水下生產(chǎn)關鍵技術進行預演，對深水油氣勘探開發(fā)能起到一定的技術支撐作用。

關鍵詞：荔灣深水氣田  水下生產(chǎn)  參數(shù)化  計算機軟件  輔助設計  快速設計  方案預演

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)濟對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)轉向海洋石油開發(fā)^[1-2]。據(jù)統(tǒng)計預測^[3]，全球陸上的油氣已進入后石油時代，截至2008年，國家油氣開采峰期已過的國家達到66個，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個沉積盆地獲得發(fā)現(xiàn)了33個億噸級油氣田，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個沉積盆地。我國海洋天然氣資源儲備豐富，占全國總量的30％。但我國海洋油氣開發(fā)水平遠低于世界平均水平，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。目前世界先進的深水技術已經(jīng)形成了3000m水深的作業(yè)船隊，我國在建深水油氣田開發(fā)水深為1480m，而世界紀錄為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行列。2013年我國在南海荔灣區(qū)域1500m水深成功首鉆，標志著我國海洋石油工業(yè)“深水戰(zhàn)略”邁開實質(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發(fā)展為自主勘探開發(fā)，并形成了自身的核心配套技術，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)技術難度極大，面臨諸多技術難題，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實的一步。目前，虛擬現(xiàn)實技術在大型橋梁結構工程、水電工程中已得到廣泛應用^[8-12]，在此背景下研究開發(fā)“基于Inventor的水下生產(chǎn)虛擬仿真設計系統(tǒng)”可以為深水油氣田的設備布置方案進行優(yōu)化比較，對走向深水的水下生產(chǎn)設計將具有一定的推動作用。

1　系統(tǒng)簡介

1．1　平臺的選取

利用先進的計算機技術、圖形技術、網(wǎng)絡技術、虛擬現(xiàn)實技術和水下生產(chǎn)設計相關專業(yè)標準規(guī)范相結合，三維CAD系統(tǒng)所提供的清晰的三維空間表達來幫助規(guī)劃、設計師理解空間復雜結構及各種構件相互之間的關系，快速建立水下設備的二維模型，合理布置水下生產(chǎn)的設備和各種管線，節(jié)約成本，提高設計效率，已經(jīng)成為水下生產(chǎn)設計現(xiàn)階段提高設計質(zhì)量和設計效率的必由之路，也是深水油氣田設計將要面臨的機遇和挑戰(zhàn)。因此開發(fā)這種水下生產(chǎn)虛擬仿真設計系統(tǒng)，將為我國的深水水下生產(chǎn)提供一種快速、準確的方案比較工具，因此具有很好的實用價值。

針對所要開發(fā)的系統(tǒng)功能要具有：①參數(shù)化的模型庫；②模型庫設備的添加、瀏覽、刪除、編輯等；③自動管路設計；④材料表統(tǒng)計；⑤自動出圖；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Inventor、Catia、SolidWorks、Pro／E和Microstation等常用三維建模軟件平臺的用戶數(shù)量、適用領域、功能特點以及其經(jīng)濟性等數(shù)據(jù)進行比較，最終選取了Autodesk Inventor作為水下生產(chǎn)虛擬仿真設計系統(tǒng)的開發(fā)平臺。

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、信息管理和技術支持等強大功能，在該平臺可以實現(xiàn)創(chuàng)建三維模型、二維工程圖，其具有的連接網(wǎng)絡功能可以進行同項目組員間的協(xié)同，為同項目組人員間數(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，從另一個側面也反映出了該軟件具有更高的關注度和更大的應用范圍。

 

 

1．2　水下生產(chǎn)系統(tǒng)架構

對所選定的開發(fā)平臺Inventor進行二次開發(fā)，確定了三維可視化系統(tǒng)設計方案，先分析了軟件系統(tǒng)的基本要求，即可擴展性、實時性、交互性、平臺無關性。然后對軟件開發(fā)平臺進行詳細的功能分解，最后結合實際應用要求，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)提供了具體的標準，并對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。天然氣探明儲量為l000×10⁸～1500×10⁸m³，是中國第一個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，進行了水下生產(chǎn)模型的仿真沒計的開發(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)設備三維模型庫

以水下生產(chǎn)設備的設計圖紙或?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)劃布置過程中會進行一個自動的配對和識別判斷，以達到在進行設備選取、對接、位置的擺放以及后期ROV(Remote Operated Vehicle)的干涉分析等都可實現(xiàn)計算機的自動判斷(圖4、5)。

 

 

水下生產(chǎn)系統(tǒng)的主要設備模型包括以下4種。

1)水上設備

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

2)水下設備

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、計量器的三維模型，并建立數(shù)學物理模型模擬傳感和計量信息。

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，以及相應的水下設備的安裝工具、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現(xiàn)水下生產(chǎn)設備模型的查詢、展示、動態(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、自動添加、知識積累、模型瀏覽、預覽等

通過給定海洋環(huán)境后，根據(jù)其海洋地貌分布情況，對整個水下生產(chǎn)設備系統(tǒng)進行已有模型的調(diào)用和添加，按照規(guī)范要求進行導向式的布局建模，并可根據(jù)要求進行各模型的編輯、預覽和刪除等。

2．2．3水下生產(chǎn)設備整體布局的快速設計

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

2．2．4管線的自動布設、連接，并可進行管道的長度和曲率控制

可使用自動和手動布線模式，在保留對關鍵導線完全控制的同時，可快速布置其他導線。其中根據(jù)布線的方法來分，有以下3種布線方法。

1)手動布線

需要明確選擇布線路徑，通過人為的指定、設置管線通過的位置進行布線。

2)交互式布線

需要選擇布線路徑的起點和終點，用計算方法提供最短路徑。

3)自動布線

基于所有可行路徑查找最短路徑。

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

使用自動化工具測試ROV在進行設備安裝過程中的裝配干涉，并根據(jù)布置好的設備及管線分布情況，對所指定選取的ROV工作路徑進行自動計算，對其工作中的干涉情況進行報告分析，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可對關鍵部件、組件結構快速生成相應的有限元計算數(shù)據(jù)文件

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

3　結論

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

2)以此平臺為基礎對南海深水油氣田工程的水下復雜生產(chǎn)設備創(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)三維模型輔助設計功能、設備整體布局的快速設計功能、管線自動布設連接功能、圖形自動輸出功能以及快速產(chǎn)生有限元計算數(shù)據(jù)文件等功能。

4)為我國的深水油氣田水下生產(chǎn)整體布局設計提供了一種快速、準確的方案比較工具，為設備安裝和水下生產(chǎn)關鍵技術進行預演。

 

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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

  中國科學院大學

  華北水利水電大學