基于虚拟现实的海洋无隔水管修井作业设计_侯春来.pdf
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1、石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期:360-368基于虚拟现实的海洋无隔水管修井作业设计侯春来,王文明*,武振宇,乔振铭,郭建强,郭岩宝中国石油大学(北京)机械与储运工程学院,北京 102249*通信作者,收稿日期:2021-03-17国家自然科学基金(No.51309237)资助摘要 传统海上修井通常需要利用隔水管完成修井作业,该方法在作业过程中存在一定局限性,其布置和维护成本较高,且对海洋环境的适应性较差。海洋无隔水管修井作业通过消除传统隔水管的使用,降低了修井作业成本和风险。然而,该方法在操作复杂性和技术培训方面仍面临挑战。虚拟现实技术提供了一种创新的解决方案,通过
2、模拟真实环境和设备,使得作业人员可在虚拟环境中进行修井作业的实时模拟,提前了解作业流程和设备操作,进而提高修井作业的安全性和效率。因此,本文以虚拟现实技术为基础,安全作业为导向,针对海洋无隔水管修井作业设计了一种创新的修井虚拟现实系统,实现了对修井设备的动态模拟仿真,为作业人员提供一种全新的训练和操作支持方式。首先,对海洋无隔水管修井设备的系统组成、设备布局以及运动规律进行了详细分析。依据分析结果,通过SolidWorks和 3D MAX等软件,成功构建了修井设备的虚拟模型,并进行了精细化处理,虚拟模型能够近似地表征修井设备的外观和结构,包括各个组件和连接方式。其次,采用Unity 3D三维虚
3、拟引擎工具,借助其内置的脚本编程语言,实现了海洋修井设备信息查询、动态三维交互、作业流程仿真以及虚实交互控制等功能。通过第一人称视角和VR漫游视角,作业人员可在虚拟环境中与修井设备进行直接交互。以虚拟现实的方式使得作业人员能够提前进行操作训练和流程优化,进而提高修井作业的安全性和修井效率。然后,为实现修井设备的实时监测和数据管理,基于OPC UA协议采集传感器的实时数据,并利用MySQL数据库对修井设备信息进行统一管理。通过该方法可实时获取修井设备的各项参数和状态信息,并进行数据分析和故障诊断,进而提高修井作业的可靠性和可维护性。最后,通过实际案例进行应用分析,验证了基于虚拟现实的海洋无隔水管
4、修井系统的优势和应用价值。相较于传统的操作方式,该系统能够显著提升作业效率和安全性,降低操作风险,并减少设备损坏和事故发生的概率。关键词 虚拟现实;无隔水管修井;Unity 3D;修井作业;模拟仿真Operation analysis of marine riserless light well intervention based on virtual reality technologyHOU Chunlai,WANG Wenming,WU Zhenyu,QIAO Zhenming,GUO Jianqiang,GUO YanbaoCollege of Mechanical and Tran
5、sportation Engineering,China University of Petroleum-Beijing,Beijing 102249,ChinaAbstract Traditional offshore workover usually requires the use of risers to complete workover operations.This method has 引用格式:侯春来,王文明,武振宇,乔振铭,郭建强,郭岩宝.基于虚拟现实的海洋无隔水管修井作业设计.石油科学通报,2023,03:360-368HOU Chunlai,WANG Wenming,W
6、U Zhenyu,QIAO Zhenming,GUO Jianqiang,GUO Yanbao.Operation analysis of marine riserless light well intervention based on virtual reality technology.Petroleum Science Bulletin,2023,03:360-368.doi:10.3969/j.issn.2096-1693.2023.03.02620162023 中国石油大学(北京)清华大学出版社有限公司 361certain limitations in the process o
7、f operation,high layout and maintenance costs,and poor adaptability to the marine environ-ment.Marine riserless light well intervention operations reduce the cost and risk of workover operations by eliminating the use of conventional risers.However,this method still faces challenges in terms of oper
8、ational complexity and technical training.Virtual reality technology provides an innovative solution that enables operators to simulate the real environment and equipment in a virtual environment to perform workover operations in real time,understand the operation process and equipment operation in
9、advance,and then improve the safety and efficiency of workover operations.Therefore,based on virtual reality technology and safety-oriented,this paper designs an innovative workover virtual reality system for marine riserless light well intervention operation,realizes the dynamic simulation of worko
10、ver equipment,and provides a new training and operation support method for operators.Firstly,the system composition,equipment layout and movement law of marine riser workover equipment are analyzed in detail.Based on the analysis results,the virtual model of the workover equipment was successfully c
11、onstructed and refined by SolidWorks and 3D MAX software.The virtual model can approximately characterize the appearance and structure of the workover equipment,including each component and connection mode.Secondly,using Unity 3D virtual engine tool,with the help of its built-in script programming l
12、anguage,the functions of offshore workover equipment information query,dynamic interaction,operation process simulation and virtual and real interaction control were realized.The operator can interact directly with the workover equipment in a virtual environment through a first-person perspective an
13、d a VR walkthrough perspective.The use of virtual reality enables operators to conduct training and process optimization in advance,thereby improving safety and ef-ficiency of workover operations.Then,in order to realize the real-time monitoring and data management of workover equipment,the real-tim
14、e data of sensors were collected based on the OPC UA protocol,and the MySQL database was used to manage the workover equipment information uniformly.Through this method,the parameters and status information of workover equipment can be obtained in real time,and the data analysis and fault diagnosis
15、can be carried out,so as to improve the reliability and maintainability of workover operations.Finally,through the application analysis of actual cases,the advantages and application value of the marine riserless light well intervention system based on virtual reality are verified.Compared with the
16、traditional operation mode,the system can significantly improve the operation efficiency and safety,reduce the operation risk,and reduce the probability of equipment damage and accidents.Keywords virtual reality;riserless light well intervention;unity 3D;intervention operation;simulationdoi:10.3969/
17、j.issn.2096-1693.2023.03.0260 引言随着全球海底油气井数量的不断增加,为避免油气井达到使用年限造成开采事故,需要对油气井进行作业维护1-2。修井发生在整个油气井生命周期中,传统的修井作业是以半潜式钻井平台为载体,修井管柱经由隔水管完成修井作业3-4。为显著降低修井作业成本,提高修井作业效率,通过使用基于连续油管的无隔水管轻型修井方法(Riserless Light Well Intervention,RLWI)进行作业;该方法用轻型作业船代替昂贵的半潜式钻井平台,免去了钻井隔水管,通过连续油管完成修井作业,并且连续油管进行桥塞、增产和射孔等多种修井作业更为有效,作业
18、优势明显5-6。目前,我国海上油气井已超过 5000 口,未来的大部分海底油气井同样存在需要修井作业的问题7。因此,建立可靠完善的RLWI修井作业系统具有十分重要的意义。由于海上作业环境复杂,修井作业工艺繁琐,为更加清晰地认知RLWI修井系统,更有效的模拟作业工况,以保证多种工况下的RLWI修井安全作业,因此有必要建立RLWI修井虚拟现实系统。该系统能够实现设备作业仿真、工艺流程模拟、运行状态分析、操作人员培训等一系列工业应用。虚拟现实(Virtual Reality,VR)是一种发生在虚拟环境中通过计算机形成的一种交互式体验,它包含了听觉、视觉、触觉等其他类型的感官反馈8。随着各种技术的深度
19、融合,相互促进,使得虚拟现实技术在国内外都得到广泛应 用。Hardlight VR Suit、Haptika、Axon VR和 谷 歌Haptic Helpers等公司都在致力于对虚拟现实技术的研究9;意大利能源巨头埃尼公司与塞班公司基于虚拟现实技术开发了钻井虚拟现实系统,实现了钻机设备演练、钻井交互控制、作业回放等10;壳牌利用VR技术,完成管道检查和连接海底机器人水下勘查的作业画面,通过远程协助的方式,更加快速地获得管道维修解决方案11;卡塔尔德州农工大学建立虚拟钻井培训平台,使学生们对钻井作业、钻机部件、钻井液、定向钻井等方面有了更多的了解12;青岛杰瑞工控技术有限公司开展了基于VR技术
20、的虚拟设计与虚拟试验,用于钻井船关键部件的虚拟装配13。由此可见,在海洋油气领域中,利用VR技术可以建立动态的、三维的、实时可交互的三维虚拟仿真模型,直观地进362 石油科学通报 2023 年 6 月 第 8 卷第 3 期行数据交互、训练培训、显著改善过程安全风险管理以及提高整个油气行业的运营效率14。虚拟现实技术可进一步优化海洋修井业务流程和工艺流程等,但目前在海洋修井领域这项技术还应用较少15。因此,本文利用SolidWorks、Unity 3D等软件构建RLWI修井虚拟现实系统,实现作业过程监控、数据采集存储、设备实时信息可视化等;并借助HTC Vive、PLC等硬件实现虚实数据连接与虚
21、实交互控制;RLWI修井虚拟现实系统使操作人员可以直观、实时地发现修井作业问题,并且及时地做出决策,降低发生安全事故的概率。1 虚拟现实系统结构框架基于Unity 3D的RLWI修井虚拟现实系统,利用计算机模拟实际修井作业场景,构建修井设备虚拟实体,建立虚实数据交互通道,形成数据传输流,根据不同修井工况采集海浪信号、压力信号等传感信号,并进行异常数据分析从而对设备进行故障诊断与智能决策等,系统主要包括修井场景虚拟漫游、修井数据采集存储、修井数据实时显示以及修井虚实交互控制4 个模块,虚拟现实结构框架如图 1 所示。其中:1)修井场景虚拟漫游模块实现以第一人称视角和VR视角在不同作业环境下的虚拟
22、漫游;2)修井数据采集存储模块是通过OPC UA协议采集连续油管等关键设备的状态数据,并将实时数据与静态数据存储于数据库中;3)修井数据实时显示模块通过调用数据库内容,对作业船偏移量、连续油管应力应变以及卷筒转速等作业参数进行实时显示;4)修井虚实交互控制模块是通过对PLC内存的读取与写入实现对修井关键设备模型的虚实交互控制。2 虚拟模型的构建虚拟模型包括三维模型和虚拟场景,三维模型的构建与精细化处理是构建RLWI修井虚拟模型的第一步,虚拟场景搭建为第二步。虚拟模型的制作效果将直接影响用户在修井虚拟现实系统中的交互体验16,因此,需要建立的设备虚拟模型与现实模型应尽量逼真。根据不同的三维建模软
23、件的性能、建模效果、难数据采集数据存储作业监控交互控制系统集成测试优化RLWl修井虚拟系统应用分析虚拟模型物理模型修井场景虚拟漫游修井数据采集存储修井数据实时显示RLWl系统功能模块修井虚实交互控制历史数据计算数据实时数据力矩信号振动信号海浪信号压力信号异常预警故障诊断智能决策海洋环境作业工况装备运行数据传输数据分析数据传输虚实连接采集数据传输图 1 虚拟现实系统结构框架Fig.1 Virtual reality system architecture framework基于虚拟现实的海洋无隔水管修井作业设计 363易程度,选择SolidWorks与 3D MAX结合的方式对修井设备进行三维建
24、模17;通过使用Unity 3D对不同修井作业虚拟场景进行搭建,并将处理后的三维模型进行整合,最终完成虚拟模型的构建。2.1 三维模型构建三维模型构建包括对修井设备结构的分析、零件几何尺寸等信息的收集以及机械装配体的设计等。RLWI修井作业设备结构复杂主要包括水上和水下两部分:水上部分主要由作业船、卷筒、连续油管、上注入器等组成;水下部分主要由下注入器、井控装置、防喷器等组成。其中上、下注入器为连续油管的下入和起出提供作用力,并通过滚筒的刹车机构和辅助刹车控制连续油管的下放速度;井控装置用于存放修井工具以及起到安全屏障的作用等。在虚拟现实系统建立时,需要利用数据采集技术收集设备的尺寸、公差和工
25、艺等原始数据;在收集设备数据时,部分设备需采用FARO三维激光扫描仪采集点云图,来实现设备的外部轮廓和局部细节图的采集;数据采集完毕后,利用SolidWorks、3D MAX软件和设备的原始数据建立修井设备的三维模型,并进行机械装配。修井作业设备建模是整个虚拟现实系统必不可少的一部分,部分设备SolidWorks模型如图 2(a)图 2(d)所示。2.2 三维模型精细化处理修井设备三维模型构建仅仅只是完成了修井系统的轮廓,这与实际修井设备相比,真实程度相差很多,并且修井操作过程是一个相当复杂的过程,需要集成连续油管卷筒、鹅颈、上注入器、下注入器、防喷器等设备联合作业。为了使模型更加逼真,需要对
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