CN115680616A - 一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统。一种水下生产系统数字孪生体建模方法，包含五个大步骤：建立水下生产系统外部环境模型、建立水下生产系统组件健康状态模型、建立水下生产系统油气生产状态模型、矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型、建立水下生产系统几何形态模型；一种水下生产系统数字孪生体运行系统，包括水上数字孪生模型运行单元，水下信息采集发送单元以及安装于水下生产单元的传感器组。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程领域，具体地，涉及一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统。
背景技术
随着海洋石油开发技术的快速发展，现代海洋石油勘探开发的范围已经从近海、浅海逐步向远海、深海区域进军，其开发方式也逐步从海洋平台向水下生产系统的方向上发展。相比于海洋平台作业，水下生产系统不仅能够提高采收率、解决油井产出物处理和输送等问题，而且受海平面环境的影响较小，特别适用于深水或超深水油气开发，因此备受关注并得到蓬勃发展。由于水下生产系统主要组件长期工作于深水环境，无法直接手动控制，目前水下生产系统的控制以电子和液压结合的方式为主，通过脐带缆将水上电子和液压信号传输至水下，控制水下组件完成相关动作。
数字孪生体主要用于构建一个与水下生产系统镜像的虚拟环境用于检测水下生产系统实时状态同时对水下生产系统组件进行健康状态检测，此外，通过更为直观的方式显示水下信息，以保证水下油气开采的稳定运行。然而，目前没有水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统，因此，一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统，显得尤为必要。
发明内容
为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种水下生产系统数字孪生体建模方法，包含五个大步骤：建立水下生产系统外部环境模型、建立水下生产系统组件健康状态模型、建立水下生产系统油气生产状态模型、矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型、建立水下生产系统几何形态模型。其具体步骤如下:
S1：建立水下生产系统外部环境模型，具体步骤为：
S101：获取水下生产系统环境压力、水温以及海水流速；
S102：依据获得的水下环境参数，获得水下外部环境参数。
S2：建立水下生产系统组件健康状态模型，具体步骤为：
S201：获取水下生产系统压力传感器信号，并判断其所处状态；
S202：获取阀门位移传感器信号并判断其所处状态；
S203：获取控制信息信号，并获得控制指令；
S204：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号，计算实际信号与虚拟信号之间的偏差；
S205：计算组件故障概率；
S206：判断组件是否发生故障。
S3：建立水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S301：获取水下外部环境参数；
S302：获取控制信息参数；
S303：获取故障状态参数；
S304：依次计算水下生产系统生产回路油液压力状态。
S4：矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S401：更新水下生产系统压力传感器信号和水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号，同时更新实际信号与虚拟信号之间的偏差；
S402：判断实际信号与虚拟信号之间的偏差是否满足要求；
S403:若S402条件满足，则进行下一步，若不满足，更新准确系数，重复S1-S3。
S5：建立水下生产系统几何形态模型具体步骤为：
S501：获取水下生产系统压力传感器信号；
S502：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号；
S503：获取水下生产系统组件故障信息；
S504：建立二维和三维模型，显示水下生产系统压力传感器信号、虚拟压力信号以及水下生产系统组件故障信息。
水下生产系统，包括位于地下的井下油液动力单元，安装于水下井口的水下生产单元以及安装于海上平台的水上控制单元；井下油液动力单元通过地下采油管道与水下生产单元相连；水上控制单元通过脐带缆与水下生产单元相连。
所述水下生产单元，包括安装于水下井口的井口连接模块，安装于生产回路入口处的生产主阀，安装于生产回路出口处的生产翼阀，安装于环形空间回路入口的环空主阀，安装于环形空间回路出口的环空翼阀，安装于转换回路的转换阀，安装于水下生产单元顶部的采油树树帽以及安装于水下生产单元支架上的水下控制模块；生产主阀通过生产管道与井口连接模块中的生产油管相连；生产翼阀通过生产管道与生产主阀相连；环空主阀通过管道与井口连接模块中的环形空间相连；环空翼阀通过管道与环空主阀相连；转换阀通过管道与生产主阀以及生产翼阀中间的管道相连，通过管道与环空主阀以及环空翼阀中间的管道相连；水下控制模块通过液压管道与生产主阀相连，通过液压管道与生产翼阀相连，通过液压管道与环空主阀相连，通过液压管道与环空翼阀相连，通过液压管道与转换阀相连，通过脐带缆与水上控制单元相连。
所述水下控制模块，包括水下信号转换子模块，水下电信号匹配子模块，水下阀门电控子模块，水下液压控制子模块，环空翼阀控制阀，转换阀控制阀，环空主阀控制阀，生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀；水下信号转换子模块通过脐带缆与水上控制单元相连；水下液压控制子模块通过液压管线与水下信号转换子模块相连，通过液压管线分别与环空翼阀控制阀、转换阀控制阀、环空主阀控制阀、生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀相连；水下电信号匹配子模块通过信号线与水下信号转换子模块相连；水下阀门电控子模块通过信号线与水下电信号匹配子模块相连，通过信号线分别与环空翼阀控制阀、转换阀控制阀、环空主阀控制阀、生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀相连；环空翼阀控制阀通过液压管线与环空翼阀相连；转换阀控制阀通过液压管线与转换阀相连；环空主阀控制阀通过液压管线与环空主阀相连；生产主阀控制阀通过液压管线与生产主阀相连；生产翼阀控制阀通过液压管线与生产翼阀相连。
所述水上控制单元，包括水上主控模块，水上紧急关断模块，液压动力模块，水上显示模块，水上供电模块，水上人机交互模块，电力电子模块，不间断供电模块，水上电液转换模块；水上人机交互模块和水上显示模块通过网络总线与水上主控模块连接；水上供电模块通过电源线与水上主控模块连接；水上主控模块通过信号线与电力电子模块和液压动力模块连接；水上紧急关断模块通过信号线与水上主控模块和液压动力模块相连；不间断供电模块通过电缆与电力电子模块相连；水上电液转换模块通过电缆与电力电子模块相连，通过液压管线与液压动力模块相连。
按照本发明的另一个方面，一种水下生产系统数字孪生体运行系统，包括水上数字孪生模型运行单元，水下信息采集发送单元以及安装于水下生产单元的传感器组；水下信息采集发送单元通过信号线与水下传感器相连，通过光纤与水上数字孪生模型运行单元相连；水上数字孪生模型运行单元通过信号线与水上主控模块相连。
安装于水下生产单元的传感器，包括转换阀控制阀压力传感器，环空翼阀控制阀压力传感器，水下控制回路液压控制子模块压力传感器，水下生产回路环空翼阀压力传感器，水下生产回路环空翼阀位移传感器，水下生产回路转换阀压力传感器，水下生产回路转换阀位移传感器，水下生产回路环空主阀压力传感器，水下生产回路环空主阀位移传感器，水下生产回路生产主阀位移传感器，水下生产回路生产主阀压力传感器，水下生产回路生产翼阀位移传感器，水下外部环境温度传感器，水下外部环境压力传感器，水下外部环境水速传感器，水下生产回路流量传感器，水下生产回路生产翼阀压力传感器，环空主阀控制阀压力传感器，生产主阀控制阀压力传感器，生产翼阀控制阀压力传感器，水下控制回路电子信号传感器；水下生产回路生产主阀压力传感器安装于生产主阀出口，通过液压管道与生产主阀相连；水下生产回路生产主阀位移传感器通过机械传动件与生产主阀相连；水下生产回路生产翼阀压力传感器安装于生产翼阀出口，通过生产管道与生产翼阀相连；水下生产回路生产翼阀位移传感器通过机械传动件与生产翼阀相连；水下生产回路环空主阀压力传感器安装于环空主阀出口，通过环空管道与环空主阀相连；水下生产回路环空主阀位移传感器通过机械传动件与环空主阀相连；水下生产回路环空翼阀压力传感器安装于环空翼阀出口，通过环空管道与环空翼阀相连；水下生产回路环空翼阀位移传感器通过机械传动件与环空翼阀相连；水下生产回路转换阀压力传感器安装于转换阀出口，通过转换管道与转换阀相连；水下生产回路转换阀位移传感器通过机械传动件与转换阀相连；水下控制回路液压控制子模块压力传感器通过液压管线与水下液压控制子模块相连；水下控制回路电子信号传感器通过信号线与水下阀门电控子模块相连；水下生产回路流量传感器安装于水下生产回路出口；生产主阀控制阀压力传感器通过液压管线与生产主阀控制阀相连；生产翼阀控制阀压力传感器通过液压管线与生产翼阀控制阀相连；环空主阀控制阀压力传感器通过液压管线与环空主阀控制阀相连；环空翼阀控制阀压力传感器通过液压管线与环空翼阀控制阀相连；转换阀控制阀压力传感器通过液压管线与转换阀控制阀相连；水下外部环境温度传感器安装于水下生产单元外部支架；水下外部环境压力传感器安装于水下生产单元外部支架；水下外部环境水速传感器安装于水下生产单元外部支架。
所述水下信息采集发送单元，包括水下控制回路压力信号采集模块，水下控制回路电子信号采集模块，水下控制阀门压力信号采集模块，水下生产回路压力信号采集模块，水下生产回路流量信号采集模块，水下生产阀门位移信号采集模块，水下外部环境温度信号采集模块，水下外部环境压力信号采集模块，水下外部环境水速信号采集模块，水下传感器信号压缩模块，水下信号综合模块，水下光电转换模块；水下控制回路压力信号采集模块通过信号线与水下控制回路液压控制子模块压力传感器相连；水下控制回路电子信号采集模块通过信号线与水下控制回路电子信号传感器相连；水下控制阀门压力信号采集模块通过信号线分别与转换阀控制阀压力传感器、环空翼阀控制阀压力传感器、水下控制回路液压控制子模块压力传感器、环空主阀控制阀压力传感器、生产主阀控制阀压力传感器以及生产翼阀控制阀压力传感器相连；水下生产回路压力信号采集模块通过信号线分别与水下生产回路环空翼阀压力传感器、水下生产回路转换阀压力传感器、水下生产回路环空主阀压力传感器、水下生产回路生产主阀压力传感器以及水下生产回路生产翼阀压力传感器相连；水下生产回路流量信号采集模块通过信号线与水下生产回路流量传感器相连；水下生产阀门位移信号采集模块通过信号线分别与水下生产回路生产翼阀位移传感器、水下生产回路生产主阀位移传感器、水下生产回路环空主阀位移传感器、水下生产回路转换阀位移传感器以及水下生产回路环空翼阀位移传感器相连；水下外部环境温度信号采集模块通过信号线与水下外部环境温度传感器相连；水下外部环境压力信号采集模块通过信号线与水下外部环境压力传感器相连；水下外部环境水速信号采集模块通过信号线与水下外部环境水速传感器相连；水下信号综合模块通过信号线分别与水下控制回路压力信号采集模块、水下控制回路电子信号采集模块、水下控制阀门压力信号采集模块、水下生产回路压力信号采集模块、水下生产回路流量信号采集模块、水下生产阀门位移信号采集模块、水下外部环境温度信号采集模块、水下外部环境压力信号采集模块以及水下外部环境水速信号采集模块相连；水下传感器信号压缩模块通过信号线与水下信号综合模块相连；水下光电转换模块通过信号线与水下传感器信号压缩模块相连。
所述水上数字孪生模型运行单元，包括水上控制信息采集模块，水上控制信息解码模块，水上控制信息分类模块，信息分类综合模块，水上传感器信号解压模块，水上光电转换模块，健康状态模块，几何形态模块，生产状态模块以及外部环境模块；水上控制信息采集模块通过信号线与水上主控模块相连；水上控制信息解码模块通过信号线与水上控制信息采集模块相连；水上控制信息分类模块通过信号线与水上控制信息解码模块相连；水上光电转换模块通过长距离光纤与水下光电转换模块相连；水上传感器信号解压模块通过信号线与水上光电转换模块相连；信息分类综合模块通过信号线分别与水上控制信息分类模块和水上传感器信号解压模块相连；外部环境模块通过信号线与信息分类综合模块相连；健康状态模块通过信号线分别与外部环境模块、信息分类综合模块以及生产状态模块相连；生产状态模块通过信号线分别与健康状态模块、外部环境模块以及信息分类综合模块相连；几何形态模块通过信号线分别与生产状态模块、外部环境模块以及健康状态模块相连。
所述外部环境模块，包括外部环境信号获取子模块，外部环境信号编码子模块以及外部环境信号输出子模块；外部环境信号获取子模块基于多通道信号采集卡开发，通过信号线与信息分类综合模块相连；外部环境信号编码子模块基于DSP计算板卡开发，通过信号线与外部环境信号获取子模块相连；外部环境信号输出子模块基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号编码子模块相连。
所述生产状态模块，包括生产状态故障信息获取子模块，生产状态基础信息获取子模块，生产环境信息获取子模块，生产状态信息综合子模块，当前生产状态判断子模块以及生产状态输出子模块；生产状态故障信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与健康状态模块相连；生产状态基础信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与信息分类综合模块相连；生产环境信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；生产状态信息综合子模块基于DSP板卡开发，通过信号线分别与生产状态故障信息获取子模块、生产状态基础信息获取子模块以及生产环境信息获取子模块相连；当前生产状态判断子模块基于DSP板卡计算比较模块开发，通过信号线与生产状态信息综合子模块相连；生产状态输出子模块基于通信板卡开发，通过信号线与当前生产状态判断子模块相连。
所述健康状态模块，包括生产状态信息获取子模块，故障环境信息获取子模块，水下传感器信息获取子模块，故障信息综合子模块，故障信息推理子模块以及故障状态输出子模块；故障环境信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；水下传感器信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与信息分类综合模块相连；生产状态信息获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与生产状态输出子模块相连；故障信息综合子模块基于DSP板卡开发，通过信号线分别与生产状态信息获取子模块、故障环境信息获取子模块以及水下传感器信息获取子模块相连；故障信息推理子模块基于DSP计算板卡开发，通过信号线与故障信息综合子模块相连；故障状态输出子模块基于通信板卡开发，通过信号线与故障信息推理子模块相连。
所述几何形态模块，包括生产状态获取子模块，外部环境状态获取子模块，诊断结果获取子模块，显示信号转换子模块，二维显示子模块以及三维显示子模块；生产状态获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与生产状态输出子模块相连；外部环境状态获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；诊断结果获取子模块基于通信板卡开发，通过信号线与故障状态输出子模块相连；显示信号转换子模块基于多输入显卡开发，通过信号线分别与生产状态获取子模块、外部环境状态获取子模块以及诊断结果获取子模块相连；二维显示子模块基于平面显示器开发，通过信号线与显示信号转换子模块相连；三维显示子模块基于三维沉浸式头盔开发，通过信号线与显示信号转换子模块相连。
附图说明
图1是水下生产系统组成图；
图2是水下生产系统数字孪生体运行系统图；
图3是水下生产系统数字孪生体传感器分布图；
图4是水下信息采集发送单元组成图；
图5是水上数字孪生模型运行单元组成图。
图中，101、水上主控模块，102、水上紧急关断模块，103、液压动力模块，104、水上显示模块，105、水下控制模块，106、采油树树帽，107、水下液压控制子模块，108、环空翼阀控制阀，109、环空翼阀，110、转换阀，111、环空主阀，112、井口连接模块，113、井下油液动力单元，114、水上供电模块，115、水上人机交互模块，116、电力电子模块，117、不间断供电模块，118、水上控制单元，119、水上电液转换模块，120、水下生产单元，121、水下信号转换子模块，122、水下电信号匹配子模块，123、水下阀门电控子模块，124、转换阀控制阀，125、生产翼阀控制阀，126、生产主阀控制阀，127、环空主阀控制阀，128、生产翼阀，129、生产主阀，201、水上数字孪生模型运行单元，202、水下信息采集发送单元，203、转换阀控制阀压力传感器，204、环空翼阀控制阀压力传感器，205、水下控制回路液压控制子模块压力传感器，206、水下生产回路环空翼阀压力传感器，207、水下生产回路环空翼阀位移传感器，208、水下生产回路转换阀压力传感器，209、水下生产回路转换阀位移传感器，210、水下生产回路环空主阀压力传感器，211、水下生产回路环空主阀位移传感器，212、水下生产回路生产主阀位移传感器，213、水下生产回路生产主阀压力传感器，214、水下生产回路生产翼阀位移传感器，215、水下外部环境温度传感器，216、水下外部环境压力传感器，217、水下外部环境水速传感器，218、水下生产回路流量传感器，219、水下生产回路生产翼阀压力传感器，220、环空主阀控制阀压力传感器，221、生产主阀控制阀压力传感器，222、生产翼阀控制阀压力传感器，223、水下控制回路电子信号传感器，224、水下光电转换模块，225、水下信号综合模块，226、水下传感器信号压缩模块，227、水下外部环境水速信号采集模块，228、水下外部环境压力信号采集模块，229、水下外部环境温度信号采集模块，230、水下生产阀门位移信号采集模块，231、水下生产回路流量信号采集模块，232、水下生产回路压力信号采集模块，233、水下控制阀门压力信号采集模块，234、水下控制回路电子信号采集模块，235、水下控制回路压力信号采集模块，236、生产状态模块，237、生产状态输出子模块，238、当前生产状态判断子模块，239、生产状态信息综合子模块，240、生产状态获取子模块，241、几何形态模块，242、三维显示子模块，243、二维显示子模块，244、显示信号转换子模块，245、外部环境状态获取子模块，246、诊断结果获取子模块，247、生产环境信息获取子模块，248、生产状态基础信息获取子模块，249、生产状态故障信息获取子模块，250、生产状态信息获取子模块，251、故障状态输出子模块，252、故障环境信息获取子模块，253、健康状态模块，254、故障信息推理子模块，255、故障信息综合子模块，256、水上光电转换模块，257、水下传感器信息获取子模块，258、外部环境信号输出子模块，259、水上传感器信号解压模块，260、外部环境信号编码子模块，261、信息分类综合模块，262、外部环境信号获取子模块，263、水上控制信息分类模块，264、外部环境模块，265、水上控制信息解码模块，266、水上控制信息采集模块。
具体实施方案
按照本发明的一个方面，提供一种水下生产系统数字孪生体建模方法，包含五个大步骤：建立水下生产系统外部环境模型、建立水下生产系统组件健康状态模型、建立水下生产系统油气生产状态模型、矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型、建立水下生产系统几何形态模型。其具体步骤如下:
S1：建立水下生产系统外部环境模型，具体步骤为：
S101：获取水下生产系统环境压力Po、水温T以及海水流速V；
S102：依据获得的水下环境参数，获得水下外部环境参数，水下外部环境参数ξ的计算方法如下所示：
其中，Po0、T0和V0分别表示正常生产状态下水下生产系统外部压力、水温以及海水流速，通过水下生产系统历史数据获取；ε表示转换参数，通过专家决策获取；ξ表示环境参数。
S2：建立水下生产系统组件健康状态模型，具体步骤为：
S201：获取水下生产系统压力传感器信号P1、P2、…Pn，并判断其所处状态P1(a1)、P2(a2)、…Pn(an)，a表示压力传感器信号是否正常，共有三个状态：偏高(H)、正常(N)以及偏低(L)，通过与水下生产系统正常工作时压力比较确定；
S202：获取阀门位移传感器信号V1、V2、…Vn，并判断其所处状态V1(b1)、V2(b2)、…Vn(bn)，b表示位移传感器信号是否正常，通过比较实际数值与正常阀门运动位移获得，共有两个状态：正常(N)，异常(F)；
S203：获取控制信息信号C1、C2、…Cn，并获得控制指令C1(f1)、C2(f2)、…Cn(fn),f表示控制指令状态，共有两个状态：开启(O)和关闭(C)；
S204：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号Pv1、Pv2、…Pvn,计算实际信号与虚拟信号之间的偏差e1、e2、…en，计算方法如下所示：
ei＝|Pi-Pvi|
在未获得Pv1、Pv2、…Pvn时，偏差e1、e2、…en初始均值为0。根据计算出的偏差获得偏差状态e1(g1)、e2(g2)、…en(gn)，g表示误差范围，通过与正常数值比较获得，共有三个状态：偏高(H)、正常(N)以及偏低(L)；
S205：计算组件故障概率P(D1)、P(D2)、……P(Dn)，组件故障概率计算方法如下所示：
其中，
为准确系数，初始值为1。P(Di)表示第i个组件Di发生故障的概率；P(Di|P1(a1),P2(a2),…Pn(an),Vi(bi),C1(f1),C2(f2),…Cn(fn),e1(g1),e2(g2),…en(gn))表示当压力信号处于P1(a1)、P2(a2)、…Pn(an)状态，第i个组件所在的位移传感器处于Vi(bi)状态，控制信息处于C1(f1)、C2(f2)、…Cn(fn)状态，实际信号与虚拟信号之间的偏差处于e1(g1)、e2(g2)、…en(gn)状态时，组件Di发生故障的概率；
S206：判断组件是否发生故障，判断准则如下：
当P(Di)>65％时，认为组件发生故障；
当P(Di)<65％时，认为对应组件正常。
S3：建立水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S301：获取水下外部环境参数ξ；
S302：获取控制信息参数
其计算方法如下所示：
当控制信号Ci状态为O时，
当控制信号Ci状态为C时，
S303：获取故障状态参数κi，其计算方法如下所示：
当P(Di)>65％时，组件故障，κi＝0；
当P(Di)<65％时，组件未故障，κi＝0.3·P(Di)；
S304：依次计算水下生产系统生产回路油液压力状态，计算方法如下所示：
其中，Pvi-1表示第i个阀门之前的管线压力，通过压力传感器获得；ρ表示原油密度，根据测井数据获得；g为重力加速度；hi-1表示第i个阀门前管线中心所处高度，以井口为参照高度；Pvi表示第i个阀门之后的管线压力，通过压力传感器获得；hi-1表示第i个阀门后管线中心所处高度，以井口为参照高度；P'表示第i个阀门造成的压力损失，通过查阅阀门检测报告给出。
S4：矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S401：更新P1、P2、…Pn和Pv1、Pv2、…Pvn，同时更新e1、e2、…en，计算方法同S204；
S402：判断e1、e2、…en是否同时满足如下条件：
Max(e1、e2、…en)<0.03；
Sum(e1、e2、…en)<0.03n*0.7；
S403:若S402条件满足，则进行下一步，若不满足，更新
，重复S1-S3，
更新原则如下：
若第i个组件被诊断为故障，则其对应
若第i个组件被诊断为正常，则其对应
其中，
表示新的故障准确系数，在重复S1-S3应将其赋值给S1-S3中的
表示上次计算中使用的
S5：建立水下生产系统几何形态模型具体步骤为：
S501：获取水下生产系统压力传感器信号P1、P2、…Pn；
S502：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号Pv1、Pv2、…Pvn；
S503：获取水下生产系统组件故障信息；
S504：建立二维和三维模型，显示水下生产系统压力传感器信号、虚拟压力信号以及水下生产系统组件故障信息。
如图1所示，水下生产系统，包括位于地下的井下油液动力单元113，安装于水下井口的水下生产单元120以及安装于海上平台的水上控制单元118；井下油液动力单元113通过地下采油管道与水下生产单元120相连，用于举升地下原油；水上控制单元118通过脐带缆与水下生产单元120相连，用于控制水下生产单元120生产阀门开关以控制采油过程的进行；井下油液动力单元113举升水下石油至水下生产单元120，在水上控制单元118的控制下，水下生产单元120将海洋石油输送到水上。
所述水下生产单元120，包括安装于水下井口的井口连接模块112，安装于生产回路入口处的生产主阀129，安装于生产回路出口处的生产翼阀128，安装于环形空间回路入口的环空主阀111，安装于环形空间回路出口的环空翼阀109，安装于转换回路的转换阀110，安装于水下生产单元120顶部，用于封闭采油管道上部出口的采油树树帽106以及安装于水下生产单元120支架上的水下控制模块105；生产主阀129通过生产管道与井口连接模块112中的生产油管相连，用于控制油液流入生产回路；生产翼阀128通过生产管道与生产主阀129相连，用于控制生产回路的油液流向海底管汇；环空主阀111通过管道与井口连接模块112中的环形空间相连，用于平衡环形空间压力以及控制环形空间液体流动；环空翼阀109通过管道与环空主阀111相连，用于控制向井下注入化学药剂的过程；转换阀110通过管道与生产主阀129以及生产翼阀128中间的管道相连，通过管道与环空主阀111以及环空翼阀108中间的管道相连，用于控制环空回路中的油液流向生产回路；水下控制模块105通过液压管道与生产主阀129相连，通过液压管道与生产翼阀128相连，通过液压管道与环空主阀111相连，通过液压管道与环空翼阀109相连，通过液压管道与转换阀110相连，通过脐带缆与水上控制单元118相连，用于接收水上控制单元118的液压和电子信号并依据信号控制生产主阀129、生产翼阀128、环空主阀111、环空翼阀109、转换阀110的开关；水上控制单元118发出的控制命令通过脐带缆传送给水下控制模块105，水下控制模块105接收信号并通过液压管道输送控制信号和动力控制生产主阀129、生产翼阀128、环空主阀111、环空翼阀109、转换阀110的开关，同时，井口连接模块112对接井下管道，使井下油液流入生产管道，通过生产主阀129、生产翼阀128、环空主阀111、环空翼阀109、转换阀110的控制流向海面。
所述水下控制模块105，包括水下信号转换子模块121，水下电信号匹配子模块122，水下阀门电控子模块123，水下液压控制子模块107，环空翼阀控制阀108，转换阀控制阀124，环空主阀控制阀127，生产主阀控制阀126以及生产翼阀控制阀125；水下信号转换子模块121通过脐带缆与水上控制单元118相连，用于接收电液信号并分别传输；水下液压控制子模块107通过液压管线与水下信号转换子模块121相连，用于接收并存储液压动力，通过液压管线分别与环空翼阀控制阀108、转换阀控制阀124、环空主阀控制阀127、生产主阀控制阀126以及生产翼阀控制阀125相连，用于提供控制压力；水下电信号匹配子模块122通过信号线与水下信号转换子模块121相连，用于接收水上电控信号并解码；水下阀门电控子模块123通过信号线与水下电信号匹配子模块122相连，用于接收控制信号并产生控制指令，通过信号线分别与环空翼阀控制阀108、转换阀控制阀124、环空主阀控制阀127、生产主阀控制阀126以及生产翼阀控制阀125相连，用于控制相应阀门开关；环空翼阀控制阀108通过液压管线与环空翼阀109相连，用于控制环空翼阀109开关；转换阀控制阀124通过液压管线与转换阀110相连，用于控制转换阀110开关；环空主阀控制阀127通过液压管线与环空主阀111相连，用于控制环空主阀111开关；生产主阀控制阀126通过液压管线与生产主阀129相连，用于控制生产主阀129开关；生产翼阀控制阀125通过液压管线与生产翼阀128相连，用于控制生产翼阀128开关；水上控制单元118发出的指令经过脐带缆传送给水下信号转换子模块121，经水下信号转换子模块121分别传给水下电信号匹配子模块122和水下液压控制子模块107，电信号经水下阀门电控子模块123接收发出通断指令，环空翼阀控制阀108、转换阀控制阀124、环空主阀控制阀127、生产主阀控制阀126以及生产翼阀控制阀125接收水下阀门电控子模块123电信号指令，在水下液压控制子模块107提供的压力辅助下，控制水下生产回路阀门通断以实现水下油液控制。
所述水上控制单元118，包括水上主控模块101，水上紧急关断模块102，液压动力模块103，水上显示模块104，水上供电模块114，水上人机交互模块115，电力电子模块116，不间断供电模块117，水上电液转换模块119；水上人机交互模块115和水上显示模块104通过网络总线与水上主控模块101连接，用于显示水下信息并给出控制指令；水上供电模块114通过电源线与水上主控模块101连接，用于为控制系统供电；水上主控模块101通过信号线与电力电子模块116和液压动力模块103连接，用于控制电力电子模块116和液压动力模块103为水下提供电力及液压控制信号；水上紧急关断模块102通过信号线与水上主控模块101和液压动力模块103相连，用于在紧急情况下关闭水上控制及动力装置；不间断供电模块117通过电缆与电力电子模块116相连，用于在断电状态下提供电力；水上电液转换模块119通过电缆与电力电子模块116相连，通过液压管线与液压动力模块103相连，用于将水上电子和液压信号整合传输至水下；水上显示模块104显示水下信息，当水上人机交互模块115发出控制指令后，水上主控模块101产生控制信息流，控制液压动力模块103和电力电子模块116分别产生电子和液压控制信息，经过水上电液转换模块119传输至水下，在紧急情况下。水上紧急关断模块102可切断水上主控模块101和液压动力模块103响应，保证安全，不间断供电模块117可在断电情况下为电力电子模块116提供电能，保证系统正常运行。
如图2所示，按照本发明的另一个方面，一种水下生产系统数字孪生体运行系统，包括水上数字孪生模型运行单元201，水下信息采集发送单元202以及安装于水下生产单元120的传感器组；水下信息采集发送单元202通过信号线与水下传感器相连，通过光纤与水上数字孪生模型运行单元201相连，用于采集水下传感器信号并将信号初步处理传输至水上；水上数字孪生模型运行单元201通过信号线与水上主控模块101相连，用于整合水下生产系统的水上水下信号并运行数字孪生系统。
如图3所示，安装于水下生产单元120的传感器，包括转换阀控制阀压力传感器203，环空翼阀控制阀压力传感器204，水下控制回路液压控制子模块压力传感器205，水下生产回路环空翼阀压力传感器206，水下生产回路环空翼阀位移传感器207，水下生产回路转换阀压力传感器208，水下生产回路转换阀位移传感器209，水下生产回路环空主阀压力传感器210，水下生产回路环空主阀位移传感器211，水下生产回路生产主阀位移传感器212，水下生产回路生产主阀压力传感器213，水下生产回路生产翼阀位移传感器214，水下外部环境温度传感器215，水下外部环境压力传感器216，水下外部环境水速传感器217，水下生产回路流量传感器218，水下生产回路生产翼阀压力传感器219，环空主阀控制阀压力传感器220，生产主阀控制阀压力传感器221，生产翼阀控制阀压力传感器222，水下控制回路电子信号传感器223；水下生产回路生产主阀压力传感器213安装于生产主阀129出口，通过液压管道与生产主阀129相连，用于监测生产主阀129出口压力；水下生产回路生产主阀位移传感器212通过机械传动件与生产主阀129相连，用于监测生产主阀129动作；水下生产回路生产翼阀压力传感器219安装于生产翼阀128出口，通过生产管道与生产翼阀128相连，用于监测生产翼阀128出口压力；水下生产回路生产翼阀位移传感器214通过机械传动件与生产翼阀128相连，用于监测生产翼阀128动作；水下生产回路环空主阀压力传感器210安装于环空主阀111出口，通过环空管道与环空主阀111相连，用于监测环空主阀111出口压力；水下生产回路环空主阀位移传感器211通过机械传动件与环空主阀111相连，用于监测环空主阀111动作；水下生产回路环空翼阀压力传感器206安装于环空翼阀109出口，通过环空管道与环空翼阀109相连，用于监测环空翼阀109出口压力；水下生产回路环空翼阀位移传感器207通过机械传动件与环空翼阀109相连，用于监测环空翼阀109动作；水下生产回路转换阀压力传感器208安装于转换阀110出口，通过转换管道与转换阀110相连，用于监测转换阀110出口压力；水下生产回路转换阀位移传感器209通过机械传动件与转换阀110相连，用于监测转换阀110动作；水下控制回路液压控制子模块压力传感器205通过液压管线与水下液压控制子模块107相连，用于监测水下液压控制子模块107出口压力；水下控制回路电子信号传感器223通过信号线与水下阀门电控子模块123相连，用于监测水下阀门电控子模块123控制输出；水下生产回路流量传感器218安装于水下生产回路出口，用于监测水下生产回路石油产量；生产主阀控制阀压力传感器221通过液压管线与生产主阀控制阀126相连，用于监测生产主阀控制阀126出口压力；生产翼阀控制阀压力传感器222通过液压管线与生产翼阀控制阀125相连，用于监测生产翼阀控制阀125出口压力；环空主阀控制阀压力传感器220通过液压管线与环空主阀控制阀127相连，用于监测环空主阀控制阀127出口压力；环空翼阀控制阀压力传感器204通过液压管线与环空翼阀控制阀108相连，用于监测环空翼阀控制阀108出口压力；转换阀控制阀压力传感器203通过液压管线与转换阀控制阀124相连，用于监测转换阀控制阀124出口压力；水下外部环境温度传感器215安装于水下生产单元120外部支架，用于监测外部水温；水下外部环境压力传感器216安装于水下生产单元120外部支架，用于监测外部水压；水下外部环境水速传感器217安装于水下生产单元120外部支架，用于监测外部海水流速。
如图4所示，所述水下信息采集发送单元202，包括水下控制回路压力信号采集模块235，水下控制回路电子信号采集模块234，水下控制阀门压力信号采集模块233，水下生产回路压力信号采集模块232，水下生产回路流量信号采集模块231，水下生产阀门位移信号采集模块230，水下外部环境温度信号采集模块229，水下外部环境压力信号采集模块228，水下外部环境水速信号采集模块227，水下传感器信号压缩模块226，水下信号综合模块225，水下光电转换模块224；水下控制回路压力信号采集模块235通过信号线与水下控制回路液压控制子模块压力传感器205相连，用于采集水下控制回路液压控制子模块压力信号；水下控制回路电子信号采集模块234通过信号线与水下控制回路电子信号传感器223相连，用于采集水下控制回路电子信号；水下控制阀门压力信号采集模块233通过信号线分别与转换阀控制阀压力传感器203、环空翼阀控制阀压力传感器204、水下控制回路液压控制子模块压力传感器205、环空主阀控制阀压力传感器220、生产主阀控制阀压力传感器221以及生产翼阀控制阀压力传感器222相连，用于采集各个控制阀门压力信号；水下生产回路压力信号采集模块232通过信号线分别与水下生产回路环空翼阀压力传感器206、水下生产回路转换阀压力传感器208、水下生产回路环空主阀压力传感器210、水下生产回路生产主阀压力传感器213以及水下生产回路生产翼阀压力传感器219相连，用于采集各阀门出口压力信号；水下生产回路流量信号采集模块231通过信号线与水下生产回路流量传感器218相连，用于采集生产回路出口流量；水下生产阀门位移信号采集模块230通过信号线分别与水下生产回路生产翼阀位移传感器214、水下生产回路生产主阀位移传感器212、水下生产回路环空主阀位移传感器211、水下生产回路转换阀位移传感器209以及水下生产回路环空翼阀位移传感器207相连，用于采集各阀门阀芯位移信号；水下外部环境温度信号采集模块229通过信号线与水下外部环境温度传感器215相连，用于采集水下外部环境温度；水下外部环境压力信号采集模块228通过信号线与水下外部环境压力传感器216相连，用于采集水下外部环境压力信号；水下外部环境水速信号采集模块227通过信号线与水下外部环境水速传感器217相连，用于采集水下外部环境海水流速；水下信号综合模块225通过信号线分别与水下控制回路压力信号采集模块235、水下控制回路电子信号采集模块234、水下控制阀门压力信号采集模块233、水下生产回路压力信号采集模块232、水下生产回路流量信号采集模块231、水下生产阀门位移信号采集模块230、水下外部环境温度信号采集模块229、水下外部环境压力信号采集模块228以及水下外部环境水速信号采集模块227相连，用于整合采集模块信号；水下传感器信号压缩模块226通过信号线与水下信号综合模块225相连，用于接收水下信号进行压缩打包；水下光电转换模块224通过信号线与水下传感器信号压缩模块226相连，用于对水下信号进行光电转换并通过光缆传输至水上；水下控制回路压力信号采集模块235、水下控制回路电子信号采集模块234、水下控制阀门压力信号采集模块233、水下生产回路压力信号采集模块232、水下生产回路流量信号采集模块231、水下生产阀门位移信号采集模块230、水下外部环境温度信号采集模块229、水下外部环境压力信号采集模块228以及水下外部环境水速信号采集模块227分别采集传感器信号经水下信号综合模块225综合传输至水下传感器信号压缩模块226打包压缩，最后经水下光电转换模块224转换为光信号传输至水上。
如图5所示，所述水上数字孪生模型运行单元201，包括水上控制信息采集模块266，水上控制信息解码模块265，水上控制信息分类模块263，信息分类综合模块261，水上传感器信号解压模块259，水上光电转换模块256，健康状态模块253，几何形态模块241，生产状态模块236以及外部环境模块264；水上控制信息采集模块266通过信号线与水上主控模块101相连，用于实时采集水上控制指令；水上控制信息解码模块265通过信号线与水上控制信息采集模块266相连，用于重新编码控制指令；水上控制信息分类模块263通过信号线与水上控制信息解码模块265相连，用于将实时控制信息分类打包；水上光电转换模块256通过长距离光纤与水下光电转换模块224相连，用于接收水下传感器信号并将光信号转换为电信号；水上传感器信号解压模块259通过信号线与水上光电转换模块256相连，用于解压水下传感器信号；信息分类综合模块261通过信号线分别与水上控制信息分类模块263和水上传感器信号解压模块259相连，用于综合所有水下生产系统已知信息并分类打包用于不同模块使用；外部环境模块264通过信号线与信息分类综合模块261相连，用于收集外部环境信息并实时计算外部环境参数；健康状态模块253通过信号线分别与外部环境模块264、信息分类综合模块261以及生产状态模块236相连，用于采集所需信息并对水下生产系统健康状态进行判断；生产状态模块236通过信号线分别与健康状态模块253、外部环境模块264以及信息分类综合模块261相连，用于采集所需信息判断水下生产系统当前生产状态；几何形态模块241通过信号线分别与生产状态模块236、外部环境模块264以及健康状态模块253相连，用于获取信息实时显示水下生产系统外部环境信息、健康状态信息以及生产状态信息；水上控制信息采集模块266采集控制信息经过水上控制信息解码模块265以及水上控制信息分类模块263处理传递给信息分类综合模块261，同时水下传感器信息通过光纤传输至水上光电转换模块256经过水上传感器信号解压模块259处理传输至信息分类综合模块261，外部环境模块264、生产状态模块236以及健康状态模块253分别获取所需信息判断水下生产系统外部环境、生产状态以及健康状态并将判断信息在几何形态模块241中显示。
所述外部环境模块264，包括外部环境信号获取子模块262，外部环境信号编码子模块260以及外部环境信号输出子模块258；外部环境信号获取子模块262基于多通道信号采集卡开发，通过信号线与信息分类综合模块261相连，用于采集外部环境传感器信息；外部环境信号编码子模块260基于DSP计算板卡开发，通过信号线与外部环境信号获取子模块262相连，用于计算外部环境参数；外部环境信号输出子模块258基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号编码子模块260相连，用于输出环境参数；外部环境信号获取子模块262获取外部环境传感器参数经过外部环境信号编码子模块260进行外部环境参数计算由外部环境信号输出子模块258输出；外部环境模块264主要运行水下生产系统外部环境模型。
所述生产状态模块236，包括生产状态故障信息获取子模块249，生产状态基础信息获取子模块248，生产环境信息获取子模块247，生产状态信息综合子模块239，当前生产状态判断子模块238以及生产状态输出子模块237；生产状态故障信息获取子模块249基于通信板卡开发，通过信号线与健康状态模块253相连，用于采集生产组件健康状态；生产状态基础信息获取子模块248基于通信板卡开发，通过信号线与信息分类综合模块261相连，用于采集生产状态判断所需的传感器信息；生产环境信息获取子模块247基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块258相连，用于获取外部环境参数；生产状态信息综合子模块239基于DSP板卡开发，通过信号线分别与生产状态故障信息获取子模块249、生产状态基础信息获取子模块248以及生产环境信息获取子模块247相连，用于综合输入信息并对输入信息预处理；当前生产状态判断子模块238基于DSP板卡计算比较模块开发，通过信号线与生产状态信息综合子模块239相连，用于判断当前状态并将当前输出与实际传感器输出比较；生产状态输出子模块237基于通信板卡开发，通过信号线与当前生产状态判断子模块238相连，用于输出当前状态参数及比较结果；生产状态故障信息获取子模块249、生产状态基础信息获取子模块248和生产环境信息获取子模块247分别采集水下生产系统故障信息，传感器信息及外部环境信息经过生产状态信息综合子模块239预处理传输给当前生产状态判断子模块238判断当前状态并比较输出结果与实际传感器数值，生产状态输出子模块237输出当前生产状态及比较结果；生产状态模块236主要运行水下生产系统油气生产状态模型。
所述健康状态模块253，包括生产状态信息获取子模块250，故障环境信息获取子模块252，水下传感器信息获取子模块257，故障信息综合子模块255，故障信息推理子模块254以及故障状态输出子模块251；故障环境信息获取子模块252基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块258相连，用于采集环境信息；水下传感器信息获取子模块257基于通信板卡开发，通过信号线与信息分类综合模块261相连，用于采集水下传感器实际信号；生产状态信息获取子模块250基于通信板卡开发，通过信号线与生产状态输出子模块237相连，用于获取生产状态信息以及对比结果；故障信息综合子模块255基于DSP板卡开发，通过信号线分别与生产状态信息获取子模块250、故障环境信息获取子模块252以及水下传感器信息获取子模块257相连，用于综合并预处理故障信息；故障信息推理子模块254基于DSP计算板卡开发，通过信号线与故障信息综合子模块255相连，用于推断故障信息及进行模型自我优化；故障状态输出子模块251基于通信板卡开发，通过信号线与故障信息推理子模块254相连，用于输出故障信息；生产状态信息获取子模块250、故障环境信息获取子模块252以及水下传感器信息获取子模块257分别采集水下生产系统生产状态、外部环境信息以及水下传感器信号经过故障信息综合子模块255预处理在故障信息推理子模块254推理出水下生产系统当前生产状态，故障状态输出子模块251将推理结果输出给其他模块使用；健康状态模块253主要运行水下生产系统组件健康状态模型。
所述几何形态模块241，包括生产状态获取子模块240，外部环境状态获取子模块245，诊断结果获取子模块246，显示信号转换子模块244，二维显示子模块243以及三维显示子模块242；生产状态获取子模块240基于通信板卡开发，通过信号线与生产状态输出子模块237相连，用于接收生产状态信息；外部环境状态获取子模块245基于通信板卡开发，通过信号线与外部环境信号输出子模块258相连，用于获取外部环境信息；诊断结果获取子模块246基于通信板卡开发，通过信号线与故障状态输出子模块251相连，用于获取水下生产系统故障信息；显示信号转换子模块244基于多输入显卡开发，通过信号线分别与生产状态获取子模块240、外部环境状态获取子模块245以及诊断结果获取子模块246相连，用于综合采集到的信息并转换为显示信号；二维显示子模块243基于平面显示器开发，通过信号线与显示信号转换子模块244相连，用于显示水下生产系统实时信息；三维显示子模块242基于三维沉浸式头盔开发，通过信号线与显示信号转换子模块244相连，用于显示水下生产系统实时信息；生产状态获取子模块240、外部环境状态获取子模块245以及诊断结果获取子模块246分别获取生产状态信息、外部环境信息以及健康状态信息通过显示信号转换子模块244转换为显示信息在二维显示子模块243和三维显示子模块242显示；几何形态模块241主要运行水下生产系统几何形态模型。
Claims (3)
1.一种基于水下生产系统数字孪生体运行系统的水下生产系统数字孪生体建模方法，其特征在于，一种水下生产系统数字孪生体建模方法，包含五个大步骤：建立水下生产系统外部环境模型、建立水下生产系统组件健康状态模型、建立水下生产系统油气生产状态模型、矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型、建立水下生产系统几何形态模型；其具体步骤如下:
S1：建立水下生产系统外部环境模型，具体步骤为：
S101：获取水下生产系统环境压力Po、水温T以及海水流速V；
S102：依据获得的水下环境参数，获得水下外部环境参数，水下外部环境参数ξ的计算方法如下所示：
其中，Po0、T0和V0分别表示正常生产状态下水下生产系统外部压力、水温以及海水流速，通过水下生产系统历史数据获取；ε表示转换参数，通过专家决策获取；ξ表示环境参数；
S2：建立水下生产系统组件健康状态模型，具体步骤为：
S201：获取水下生产系统压力传感器信号P1、P2、…Pn，并判断其所处状态P1(a1)、P2(a2)、…Pn(an)，a表示压力传感器信号是否正常，共有三个状态：偏高(H)、正常(N)以及偏低(L)，通过与水下生产系统正常工作时压力比较确定；
S202：获取阀门位移传感器信号V1、V2、…Vn，并判断其所处状态V1(b1)、V2(b2)、…Vn(bn)，b表示位移传感器信号是否正常，通过比较实际数值与正常阀门运动位移获得，共有两个状态：正常(N)，异常(F)；
S203：获取控制信息信号C1、C2、…Cn，并获得控制指令C1(f1)、C2(f2)、…Cn(fn),f表示控制指令状态，共有两个状态：开启(O)和关闭(C)；
S204：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号Pv1、Pv2、…Pvn,计算实际信号与虚拟信号之间的偏差e1、e2、…en，计算方法如下所示：
ei＝|Pi-Pvi|
在未获得Pv1、Pv2、…Pvn时，偏差e1、e2、…en初始均值为0；根据计算出的偏差获得偏差状态e1(g1)、e2(g2)、…en(gn)，g表示误差范围，通过与正常数值比较获得，共有三个状态：偏高(H)、正常(N)
以及偏低(L)；
S205：计算组件故障概率P(D1)、P(D2)、……P(Dn)，组件故障概率计算方法如下所示：
P(Di)＝θi·P(Di|P1(a1),P2(a2),…Pn(an),Vi(bi),C1(f1),C2(f2),,…Cn(fn),e1(g1),e2(g2),…en(gn))
其中，θi为准确系数，初始值为1；P(Di)表示第i个组件Di发生故障的概率；P(Di|P1(a1),P2(a2),…Pn(an),Vi(bi),C1(f1),C2(f2),…Cn(fn),e1(g1),e2(g2),…en(gn))表示当压力信号处于P1(a1)、P2(a2)、…Pn(an)状态，第i个组件所在的位移传感器处于Vi(bi)状态，控制信息处于C1(f1)、C2(f2)、…Cn(fn)状态，实际信号与虚拟信号之间的偏差处于e1(g1)、e2(g2)、…en(gn)状态时，组件Di发生故障的概率；
S206：判断组件是否发生故障，判断准则如下：
当P(Di)>65％时，认为组件发生故障；
当P(Di)<65％时，认为对应组件正常；
S3：建立水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S301：获取水下外部环境参数ξ；
S302：获取控制信息参数
其计算方法如下所示：
当控制信号Ci状态为O时，
当控制信号Ci状态为C时，
S303：获取故障状态参数κi，其计算方法如下所示：
当P(Di)>65％时，组件故障，κi＝0；
当P(Di)<65％时，组件未故障，κi＝0.3·P(Di)；
S304：依次计算水下生产系统生产回路油液压力状态，计算方法如下所示：
其中，Pvi-1表示第i个阀门之前的管线压力，通过压力传感器获得；ρ表示原油密度，根据测井数据获得；g为重力加速度；hi-1表示第i个阀门前管线中心所处高度，以井口为参照高度；Pvi表示第i个阀门之后的管线压力，通过压力传感器获得；hi-1表示第i个阀门后管线中心所处高度，以井口为参照高度；ΔP表示第i个阀门造成的压力损失，通过查阅阀门检测报告给出；
S4：矫正水下生产系统健康状态模型及水下生产系统油气生产状态模型，具体步骤为：
S401：更新P1、P2、…Pn和Pv1、Pv2、…Pvn，同时更新e1、e2、…en，计算方法同S204；
S402：判断e1、e2、…en是否同时满足如下条件：
Max(e1、e2、…en)<0.03；
Sum(e1、e2、…en)<0.03n*0.7；
S403:若S402条件满足，则进行下一步，若不满足，更新θi，重复S1-S3，θi更新原则如下：
若第i个组件被诊断为故障，则其对应θi'＝θi·0.97；
若第i个组件被诊断为正常，则其对应θi'＝θi·1.03；
其中，θi'表示新的故障准确系数，在重复S1-S3应将其赋值给S1-S3中的θi，θi表示上次计算中使用的θi；
S5：建立水下生产系统几何形态模型具体步骤为：
S501：获取水下生产系统压力传感器信号P1、P2、…Pn；
S502：获取水下生产系统油气生产状态模型中虚拟压力信号Pv1、Pv2、…Pvn；
S503：获取水下生产系统组件故障信息；
S504：建立二维和三维模型，显示水下生产系统压力传感器信号、虚拟压力信号以及水下生产系统组件故障信息；
水下生产系统，包括位于地下的井下油液动力单元，安装于水下井口的水下生产单元以及安装于海上平台的水上控制单元；井下油液动力单元通过地下采油管道与水下生产单元相连；水上控制单元通过脐带缆与水下生产单元相连；
所述水下生产单元，包括安装于水下井口的井口连接模块，安装于生产回路入口处的生产主阀，安装于生产回路出口处的生产翼阀，安装于环形空间回路入口的环空主阀，安装于环形空间回路出口的环空翼，安装于转换回路的转换阀，安装于水下生产单元顶部的采油树树帽以及安装于水下生产单元支架上的水下控制模块；生产主阀通过生产管道与井口连接模块中的生产油管相连；生产翼阀通过生产管道与生产主阀相连；环空主阀通过管道与井口连接模块中的环形空间相连；环空翼阀通过管道与环空主阀相连；转换阀通过管道与生产主阀以及生产翼阀中间的管道相连，通过管道与环空主阀以及环空翼阀中间的管道相连；水下控制模块通过液压管道与生产主阀相连，通过液压管道与生产翼阀相连，通过液压管道与环空主阀相连，通过液压管道与环空翼阀相连，通过液压管道与转换阀相连，通过脐带缆与水上控制单元相连；
所述水下控制模块，包括水下信号转换子模块，水下电信号匹配子模块，水下阀门电控子模块，水下液压控制子模块，环空翼阀控制阀，转换阀控制阀，环空主阀控制阀，生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀；水下信号转换子模块通过脐带缆与水上控制单元相连；水下液压控制子模块通过液压管线与水下信号转换子模块相连，通过液压管线分别与环空翼阀控制阀、转换阀控制阀、环空主阀控制阀、生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀相连；水下电信号匹配子模块通过信号线与水下信号转换子模块相连；水下阀门电控子模块通过信号线与水下电信号匹配子模块相连，通过信号线分别与环空翼阀控制阀、转换阀控制阀、环空主阀控制阀、生产主阀控制阀以及生产翼阀控制阀相连；环空翼阀控制阀通过液压管线与环空翼阀相连；转换阀控制阀通过液压管线与转换阀相连；环空主阀控制阀通过液压管线与环空主阀相连；生产主阀控制阀通过液压管线与生产主阀相连；生产翼阀控制阀通过液压管线与生产翼阀相连；
所述水上控制单元，包括水上主控模块，水上紧急关断模块，液压动力模块，水上显示模块，水上供电模块，水上人机交互模块，电力电子模块，不间断供电模块，水上电液转换模块；水上人机交互模块和水上显示模块通过网络总线与水上主控模块连接；水上供电模块通过电源线与水上主控模块连接；水上主控模块通过信号线与电力电子模块和液压动力模块连接；水上紧急关断模块通过信号线与水上主控模块和液压动力模块相连；不间断供电模块通过电缆与电力电子模块相连；水上电液转换模块通过电缆与电力电子模块相连，通过液压管线与液压动力模块相连；
水下生产系统数字孪生体运行系统，包括水上数字孪生模型运行单元，水下信息采集发送单元以及安装于水下生产单元的传感器组；水下信息采集发送单元通过信号线与水下传感器相连，通过光纤与水上数字孪生模型运行单元相连；水上数字孪生模型运行单元通过信号线与水上主控模块相连；
安装于水下生产单元的传感器，包括转换阀控制阀压力传感器，环空翼阀控制阀压力传感器，水下控制回路液压控制子模块压力传感器，水下生产回路环空翼阀压力传感器，水下生产回路环空翼阀位移传感器，水下生产回路转换阀压力传感器，水下生产回路转换阀位移传感器，水下生产回路环空主阀压力传感器，水下生产回路环空主阀位移传感器，水下生产回路生产主阀位移传感器，水下生产回路生产主阀压力传感器，水下生产回路生产翼阀位移传感器，水下外部环境温度传感器，水下外部环境压力传感器，水下外部环境水速传感器，水下生产回路流量传感器，水下生产回路生产翼阀压力传感器，环空主阀控制阀压力传感器，生产主阀控制阀压力传感器，生产翼阀控制阀压力传感器，水下控制回路电子信号传感器；水下生产回路生产主阀压力传感器安装于生产主阀出口，通过液压管道与生产主阀相连；水下生产回路生产主阀位移传感器通过机械传动件与生产主阀相连；水下生产回路生产翼阀压力传感器安装于生产翼阀出口，通过生产管道与生产翼阀相连；水下生产回路生产翼阀位移传感器通过机械传动件与生产翼阀相连；水下生产回路环空主阀压力传感器安装于环空主阀出口，通过环空管道与环空主阀相连；水下生产回路环空主阀位移传感器通过机械传动件与环空主阀相连；水下生产回路环空翼阀压力传感器安装于环空翼阀出口，通过环空管道与环空翼阀相连；水下生产回路环空翼阀位移传感器通过机械传动件与环空翼阀相连；水下生产回路转换阀压力传感器安装于转换阀出口，通过转换管道与转换阀相连；水下生产回路转换阀位移传感器通过机械传动件与转换阀相连；水下控制回路液压控制子模块压力传感器通过液压管线与水下液压控制子模块相连；水下控制回路电子信号传感器通过信号线与水下阀门电控子模块相连；水下生产回路流量传感器安装于水下生产回路出口；生产主阀控制阀压力传感器通过液压管线与生产主阀控制阀相连；生产翼阀控制阀压力传感器通过液压管线与生产翼阀控制阀相连；环空主阀控制阀压力传感器通过液压管线与环空主阀控制阀相连；环空翼阀控制阀压力传感器通过液压管线与环空翼阀控制阀相连；转换阀控制阀压力传感器通过液压管线与转换阀控制阀相连；水下外部环境温度传感器安装于水下生产单元外部支架；水下外部环境压力传感器安装于水下生产单元外部支架；水下外部环境水速传感器安装于水下生产单元外部支架；
所述水下信息采集发送单元，包括水下控制回路压力信号采集模块，水下控制回路电子信号采集模块，水下控制阀门压力信号采集模块，水下生产回路压力信号采集模块，水下生产回路流量信号采集模块，水下生产阀门位移信号采集模块，水下外部环境温度信号采集模块，水下外部环境压力信号采集模块，水下外部环境水速信号采集模块，水下传感器信号压缩模块，水下信号综合模块，水下光电转换模块；水下控制回路压力信号采集模块通过信号线与水下控制回路液压控制子模块压力传感器相连；水下控制回路电子信号采集模块通过信号线与水下控制回路电子信号传感器相连；水下控制阀门压力信号采集模块通过信号线分别与转换阀控制阀压力传感器、环空翼阀控制阀压力传感器、水下控制回路液压控制子模块压力传感器、环空主阀控制阀压力传感器、生产主阀控制阀压力传感器以及生产翼阀控制阀压力传感器相连；水下生产回路压力信号采集模块通过信号线分别与水下生产回路环空翼阀压力传感器、水下生产回路转换阀压力传感器、水下生产回路环空主阀压力传感器、水下生产回路生产主阀压力传感器以及水下生产回路生产翼阀压力传感器相连；水下生产回路流量信号采集模块通过信号线与水下生产回路流量传感器相连；水下生产阀门位移信号采集模块通过信号线分别与水下生产回路生产翼阀位移传感器、水下生产回路生产主阀位移传感器、水下生产回路环空主阀位移传感器、水下生产回路转换阀位移传感器以及水下生产回路环空翼阀位移传感器相连；水下外部环境温度信号采集模块通过信号线与水下外部环境温度传感器相连；水下外部环境压力信号采集模块通过信号线与水下外部环境压力传感器相连；水下外部环境水速信号采集模块通过信号线与水下外部环境水速传感器相连；水下信号综合模块通过信号线分别与水下控制回路压力信号采集模块、水下控制回路电子信号采集模块、水下控制阀门压力信号采集模块、水下生产回路压力信号采集模块、水下生产回路流量信号采集模块、水下生产阀门位移信号采集模块、水下外部环境温度信号采集模块、水下外部环境压力信号采集模块以及水下外部环境水速信号采集模块相连；水下传感器信号压缩模块通过信号线与水下信号综合模块相连；水下光电转换模块通过信号线与水下传感器信号压缩模块相连；
所述水上数字孪生模型运行单元，包括水上控制信息采集模块，水上控制信息解码模块，水上控制信息分类模块，信息分类综合模块，水上传感器信号解压模块，水上光电转换模块，健康状态模块，几何形态模块，生产状态模块以及外部环境模块；水上控制信息采集模块通过信号线与水上主控模块相连；水上控制信息解码模块通过信号线与水上控制信息采集模块相连；水上控制信息分类模块通过信号线与水上控制信息解码模块相连；水上光电转换模块通过长距离光纤与水下光电转换模块相连；水上传感器信号解压模块通过信号线与水上光电转换模块相连；信息分类综合模块通过信号线分别与水上控制信息分类模块和水上传感器信号解压模块相连；外部环境模块通过信号线与信息分类综合模块相连；健康状态模块通过信号线分别与外部环境模块、信息分类综合模块以及生产状态模块相连；生产状态模块通过信号线分别与健康状态模块、外部环境模块以及信息分类综合模块相连；几何形态模块通过信号线分别与生产状态模块、外部环境模块以及健康状态模块相连；
所述外部环境模块，包括外部环境信号获取子模块，外部环境信号编码子模块以及外部环境信号输出子模块；外部环境信号获取子模块通过信号线与信息分类综合模块相连；外部环境信号编码子模块，通过信号线与外部环境信号获取子模块相连；外部环境信号输出子模块通过信号线与外部环境信号编码子模块相连；
所述生产状态模块，包括生产状态故障信息获取子模块，生产状态基础信息获取子模块，生产环境信息获取子模块，生产状态信息综合子模块，当前生产状态判断子模块以及生产状态输出子模块；生产状态故障信息获取子模块通过信号线与健康状态模块相连；生产状态基础信息获取子模块通过信号线与信息分类综合模块相连；生产环境信息获取子模块通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；生产状态信息综合子模块通过信号线分别与生产状态故障信息获取子模块、生产状态基础信息获取子模块以及生产环境信息获取子模块相连；当前生产状态判断子模块通过信号线与生产状态信息综合子模块相连；生产状态输出子模块通过信号线与当前生产状态判断子模块相连；
所述健康状态模块，包括生产状态信息获取子模块，故障环境信息获取子模块，水下传感器信息获取子模块，故障信息综合子模块，故障信息推理子模块以及故障状态输出子模块；故障环境信息获取子模块通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；水下传感器信息获取子模块通过信号线与信息分类综合模块相连；生产状态信息获取子模块通过信号线与生产状态输出子模块相连；故障信息综合子模块通过信号线分别与生产状态信息获取子模块、故障环境信息获取子模块以及水下传感器信息获取子模块相连；故障信息推理子模块通过信号线与故障信息综合子模块相连；故障状态输出子模块通过信号线与故障信息推理子模块相连；
所述几何形态模块，包括生产状态获取子模块，外部环境状态获取子模块，诊断结果获取子模块，显示信号转换子模块，二维显示子模块以及三维显示子模块；生产状态获取子模块通过信号线与生产状态输出子模块相连；外部环境状态获取子模块通过信号线与外部环境信号输出子模块相连；诊断结果获取子模块通过信号线与故障状态输出子模块相连；显示信号转换子模块通过信号线分别与生产状态获取子模块、外部环境状态获取子模块以及诊断结果获取子模块相连；二维显示子模块通过信号线与显示信号转换子模块相连；三维显示子模块通过信号线与显示信号转换子模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于水下生产系统数字孪生体运行系统的水下生产系统数字孪生体建模方法，其特征在于外部环境模块主要运行水下生产系统外部环境模型；生产状态模块主要运行水下生产系统油气生产状态模型；健康状态模块主要运行水下生产系统组件健康状态模型；几何形态模块主要运行水下生产系统几何形态模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于水下生产系统数字孪生体运行系统的水下生产系统数字孪生体建模方法，其特征在外部环境信号获取子模块基于多通道信号采集卡开发；外部环境信号编码子模块基于DSP计算板卡开发；外部环境信号输出子模块基于通信板卡开发；生产状态故障信息获取子模块基于通信板卡开发；生产状态基础信息获取子模块基于通信板卡开发；生产环境信息获取子模块基于通信板卡开发；生产状态信息综合子模块基于DSP板卡开发；当前生产状态判断子模块基于DSP板卡计算比较模块开发；生产状态输出子模块基于通信板卡开发；故障环境信息获取子模块基于通信板卡开发；水下传感器信息获取子模块基于通信板卡开发；生产状态信息获取子模块基于通信板卡开发；故障信息综合子模块基于DSP板卡开发；故障信息推理子模块基于DSP计算板卡开发；故障状态输出子模块基于通信板卡开发；生产状态获取子模块基于通信板卡开发；外部环境状态获取子模块基于通信板卡开发；诊断结果获取子模块基于通信板卡开发；显示信号转换子模块基于多输入显卡开发；二维显示子模块基于平面显示器开发；三维显示子模块基于三维沉浸式头盔开发。
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Citations (6)
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| CN111967189A (zh) * | 2020-08-24 | 2020-11-20 | 中国石油大学(华东) | 数字孪生驱动的海洋石油水下生产系统故障诊断方法及系统 |
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2022
- 2022-11-04 CN CN202211377011.2A patent/CN115680616B/zh active Active
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| 蒋爱国等: "数字孪生驱动半潜式钻井平台智能技术应用", 《船海工程》, 31 October 2019 (2019-10-31), pages 49 - 52 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115680616B (zh) | 2024-06-25 |
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