实测运维数字孪生系统在钻井船上的应用

王思铭

(1.招商局重工(江苏)有限公司,江苏 海门 226100;2.上海交通大学,上海 200240)

0 引言

海洋探索技术发展日新月异,海洋平台的操作也越来越复杂。 钻井船在作业过程中平台受到风、浪、流等环境因素的影响,伴随着复杂的设备运行,使得钻井船作业对实时监控并及时处理问题有着较高的需求。实测运维数字孪生系统对海洋平台的作业情况进行监测,并将数据实时传输给陆地的控制中心。 控制中心通过整合分析实测数据,虚拟出实体平台的数字孪体(见图1),以实现在陆地远程监控的目的。 借助陆上的超算中心和大数据分析,实测运维数字孪生系统可以进一步预测浮式平台的作业情况,为安全有效的作业提供技术支持。

图1 数字孪体

实现实测运维数字孪生系统的部署需要硬件和软件的结合。 近年来,我国在海洋平台数字孪生领域取得了很多成果,比如采用低功耗无线自组网综合定位技术,在海洋平台实现智能人员定位[1]。 利用虚拟现实技术建立安全的交互平台,模拟海上石油钻井平台环境,实现平台工作人员的消防演练仿真[2]。 在海洋石油平台上为机组安装振动监测和数据采集装置,通过网线与远程智能诊断中心相连接,开发系统数据处理软件,对设备进行远程故障诊断[3]。 基于机器学习与深度学习方法,对正常工况下的海洋平台检测数据进行学习并得到诊断模型,针对新数据的损伤情况进行评估以实现在线损伤识别[4]。 基于安装在流花海域的“挑战号”海洋平台的锚链水平力传感器装置,开发自容式姿态监测装置,用于测量不同水深处的系泊加速度和倾斜角度,从而计算出系泊力[5]。

国际上在物联网和数字孪体方面正逐步推广到商业阶段。 2018 年,Kongsberg Digital 推出了“数字双胞胎”服务,建立虚拟油气生产装置的模型,保证使用者可以远程查看平台的数据。 2020 年,DNV 推针对数字孪体与TechinipFMC 合作开发行业推荐办法,构建该技术的运行标准。

本文针对钻井船的结构、系统和操作特性,探讨基于数字孪生技术的实测运维数字孪生系统的部署。 实现在远程的监控中心监测平台的运行状态,并利用历史收集的监测数据预测平台运行情况。

1 结构健康监测

结构健康监测主要应用于陆上大型结构物的结构安全保障领域,其中桥梁的结构健康监测应用较多。在海洋平台领域,结构健康监测多数应用于导管架。其结构损伤实时监测主要以振动检测为主,它可以检测得到导管架的动力响应参数,包括频率、阻尼和模态等数据,进而能够在整体上评估结构损伤[6]。 不同于固定式生产平台,钻井船作为浮式海洋平台,结构监测主要是通过监测结构薄弱部位的应力水平,布置应力传感器和加速度传感器,结合通信模块将传感器数据传输给主机[7]。 主机根据接收的数据进行滤波、统计分析以及疲劳损伤估计。 钻井船的月池区域需要承受环境载荷外和钻井设备作业时的载荷,同时月池因布置于船中,这种布置设计需求也使得其容易在总纵强度下发生中拱和中垂的变型,图2 为典型钻井船月池区域的有限元模型受力分析,因此钻井船的结构健康监测主要为月池关键区域的监测。

图2 典型钻井船的月池区域有限元模型受力分析

1.2 系泊监测

除了主体结构外,锚链受力也是浮式平台结构监测的一部分。 锚链的监测主要以应力监测并集合采集的平台运动位置求解系泊张力。 因测量仪布置在锚链上,测量仪需要有续航能力和水声通讯能力,并在平台上布置水声接收器将讯息传递到平台上的主机。 近些年,设计的钻井船设计从第三代开始就已经使用动力定位来代替锚泊[8],新型的钻井船一般不需要考虑锚链的监测。

1.3 钻井隔水管

深水钻井隔水管受到波激振动和涡激振动,容易产生疲劳破坏进而带来安全风险。 目前钻井隔水管的监测主要以水下的涡激疲劳监测为主,通过安装水下传感器实现监测隔水管的应变类参数、运动参数、环境参数和位置。 其中,运动参数主要包括倾角、角加速度、加速度和位移等数据。 传感器监测的数据通过水声通信机传输到主机,并结合监测到的环境参数和位置数据对涡激振动和管线偏移的评估,分析其疲劳损伤。 在实际工程应用上,我国的“奋进号”“海洋石油982”和“兴旺号”等钻井平台已经完成了多次深水隔水管监测作业[9]。

2 运维监测

2.1 海况监测

海况的实时监测对于钻井作业的安全十分重要,其中主要为风、浪、流的监测。 一般而言,是在钻井船驾驶甲板上开阔无遮挡的位置安装风速风向传感器测量风向和风速;在舷侧安装声学多普勒流速剖面仪和测波仪测量流速和有义波高。

2.2 船体姿态和定位监测

钻井船作为浮式平台一般使用电罗经,垂向运动单元VRU,DGPS 差分全球定位系统和声纳定位系统来测量其运动姿态和位置,声呐定位系统用于钻井作业时的水下定位。 另外还需要监测钻井船的装载工况,一般是在船底和液舱布置压力传感器监测船舶吃水和液舱液位。

2.3 钻井作业情况监测

钻井作业监测主要包括钻井深度、温度、流量、钻头的钻速、压力和扭矩等数据。 进而实现对钻头、钻具作业情况的监测。 作业中钻井作业人员将根据监测的数据,与理论模型计算结果进行对比,评估钻井参数是否异常,并且实时优化钻井参数,提高工具的使用寿命,避免事故的发生。 另外,除了设备作业情况监测,还可以将地质信息和钻井信息融合进行三维可视化显示地层和钻井情况动态变化[10],提高钻井作业的决策准确性并保障钻井安全。

水下防喷器(BOP)作为井口压力控制装置,对于生产安全十分重要。 BOP 除了使用主动控制系统外,还可以考虑配置防喷器应急声呐监控系统,以提高安全作业等级。 其在测量和监控水下井口状态有着独立性,通过水下和水面换能器将井口数据传输回主机[11]。

2.3 常规安全监测

常规安全监测主要包括火灾监测和水密完整性监测,其中火灾监测根据钻井船设计时的防火分区进行布置,例如应急发电机室、中控室、生活区等,通过安装感烟探头、感温探头和手动呼叫等元器件实现火灾的监测。 一般应急关断系统会根据火灾探测报警信号,直接控制相关的助燃设备,例如油泵、风机等和防火风闸和防火门等装置,开启消防系统以控制火情。 水密完整性监测主要为舱室侵水监测和水密门状态监测,关键的水密门需要配置报警和控制模块,控制模块连接门的电机或油机,控制门的开关和限位,报警模块连接门的电源、电机、控制模块状态等信息,用于反馈水密门的运行情况。

2.4 设备运行监测

设备运行监测主要为柴油发动机和推进器的监测,前者是钻井船动力的来源,后者是钻井船定位和航行的关键设备。 当前研发的独立发动机实时监测系统,其监测方法和数据分析都各不相同[12]。 目前,独立实时监测发动机和推进器的系统在海洋平台上的应用并不常见,监测数据还主要是依赖设备运行时输出的运行参数,其中发动机主要为功率、电流、温度和油耗等,推进器主要为各个螺旋桨转速和方位角等。

2.5 视频监控

视频监控系统(CCTV)在海洋平台的应用已经非常成熟,在钻井船上的应用主要为对钻井作业中的关键设备的监控,包括顶驱、补偿器、泵舱、泥浆池、月池和吊车区域等。 它在危险监控和事故追查中起着重要作用。 随着计算机网络传输和图像处理技术的发展,视频监控也朝着智能化发展[13]。 智能视频监控使得计算机可以从海上作业中实现对特定作业的识别,在高风险区域布置视频监控系统,可以降低人工巡护的工作量,提高巡检效率[14]。 需要注意的是,在钻井船的危险区域布置视频系统,使用的摄像头和无线上网热点需要带有防爆功能,在露天区域布置需要带有防水功能。 为了节省电缆铺设,视频监控系统需要分区域布置POE 交换机,一般为了保证通信质量,区域交换机之间通信距离较大时,需要采用光纤通信,距离较短可以选用网线。

3 通导系统

对各区域、系统、设备和作业情况进行数据采集并传输到船上主机或相关服务器后,对多源信号进行集成和整合,使其满足智能系统的转换要求,并且运行流畅转换互不影响。 数据进行本地保存后传送到陆地控制中心。 受到远洋卫星通信通道带宽和成本的限制,需要对采集的数据进行压缩加密。 模拟数据、开关量及报警数据压缩后动态响应为毫秒级。 音视频数据压缩需要考虑视频监测占卫星宽带500 kbs 以下,以满足陆地控制中心实时查看关键区域的视频画面。 陆地控制中心将传输的数据进行解密,并保存到数据库中,数据硬盘容量一般需要满足短期存储60 天以上的数据记录,长期存储20 年以上的报警时刻和整点时刻的全部数据记录。

4 陆地远程监控

陆地控制中心接收到数据,结合已经建立并配置好的虚拟模型得到实时的平台特征,即构建物理实物的数字孪生系统。 数字孪生系统是实体平台在信息空间的1 ∶1映射[15],其主要表现为三维模拟成像,利用计算机虚拟现实,实时反映实体平台的运行状态(见图3)。陆地控制中心有超算中心和陆上网络系统作为支撑,可以更快速高效的计算钻井船的运作情况,并及时更新适合的算法,使得分析结果更可靠。

图3 陆地远程运维监控

陆上的数字孪生系统重要的意义在于,分析和挖掘所采集的大数据,并根据历史数据预测平台的运行情况,保障平台的安全作业。 不同的作业采用不同的分析策略,可以根据已知的条件计算通过数值同步模拟系统的运行情况;可以通过机器学习,用历史数据预测一定时间内的未来运行情况。 机器学习一般应用于理论模型复杂、计算量巨大或非线性极高的分析中,例如船舶实时运动[16-17]。 根据实际监测结果,分析不同预测策略的准确程度,随着采集数据的不断积累针对性的更新不同作业的分析策略。 大型的陆地控制中心通过监控不同海洋平台的数据,随着经验的累积,各系统的分析算法得到优化,可以为海洋平台的作业提供更好的技术解决方案。

5 结语

通过对钻井船的结构关键区域和运维关键系统布置传感器并实时采集数据,压缩加密后通过卫星传输给陆地的控制中心,构建实体平台的数字孪生系统,进而实现远程对钻井船的运维实测及监控。 在大数据和算法优化的帮助下,实测运维数字孪生系统的应用不仅可以监控钻井船的运维情况,还可以在一定程度上预测各系统作业的运行,很好地提高钻井船作业的安全性。