【技术实现步骤摘要】
一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统
[0001]本专利技术属于海洋工程领域，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。
技术介绍
[0002]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。
[0003]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。
技术实现思路
[0004]为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种水下生产系统数字孪生体建模方法及运行系统。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，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...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
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、
…
P
n
，并判断其所处状态P1(a1)、P2(a2)、
…
P
n
(a
n
)，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、
…
V
n
，并判断其所处状态V1(b1)、V2(b2)、
…
V
n
(b
n
)，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、
…
C
n
，并获得控制指令C1(f1)、C2(f2)、
…
C
n
(f
n
),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、
…
Pv
n
,计算实际信号与虚拟信号之间的偏差e1、e2、
…
e
n
，计算方法如下所示：e
i
＝|P
i
‑
Pv
i
|在未获得Pv1、Pv2、
…
Pv
n
时，偏差e1、e2、
…
e
n
初始均值为0；根据计算出的偏差获得偏差状态e1(g1)、e2(g2)、
…
e
n
(g
n
)，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(D
n
)，组件故障概率计算方法如下所示：P(D
i
)＝θ
i
·
P(D
i
|P1(a1),P2(a2),
…
P
n
(a
n
),V
i
(b
i
),C1(f1),C2(f2),,
…
C
n
(f
n
),e1(g1),e2(g2),
…
e
n
(g
n
))其中，θ
i
为准确系数，初始值为1；P(D
i
)表示第i个组件D
i
发生故障的概率；P(D
i
|P1(a1),P2(a2),
…
P
n
(a
n
),V
i
(b
i
),C1(f1),C2(f2),
…
C
n
(f
n
),e1(g1),e2(g2),
…
e
n
(g
n
))表示当压力信号处于P1(a1)、P2(a2)、
…
P
n
(a
n
)状态，第i个组件所在的位移传感器处于V
i
(b
i
)状态，控制信息处于C1(f1)、C2(f2)、
…
C
n
(f
n
)状态，实际信号与虚拟信号之间的偏差处于e1(g1)、e2(g2)、
…
e
n
(g
n
)状态时，组件D
i
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(D
i
)>65％时，认为组件发生故障；当P(D
i
)<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C
i
状态为O时，当控制信号C
i
状态为C时，S303：获取故障状态参数κ
i
，其计算方法如下所示：当P(D
i
)>65％时，组件故障，κ
i
＝0；当P(D
i
)<65％时，组件未故障，κ
i
＝0.3
·
P(D
i
)；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，Pv
i
‑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；h
i
‑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；Pv
i
表示第i个阀门之后的管线压力，通过压力传感器获得；h
i
‑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、
…
P
n
和Pv1、Pv2、
…
Pv
n
，同时更新e1、e2、
…
e
n
，计算方法同S204；S402：判断e1、e2、
…
e
n
是否同时满足如下条件：Max(e1、e2、
…
e
n
)<0.03；Sum(e1、e2、
…
e
n
)<0.03n*0.7；S403:若S402条件满足，则进行下一步，若不满足，更新θ
i
，重复S1
‑
S3，θ
i
更新原则如下：若第i个组件被诊断为故障，则其对应θ
i
'＝θ
i
·
0.97；若第i个组件被诊断为正常，则其对应θ
i
'＝θ
i
·
1.03；其中，θ
i
'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θ
i
，θ
i
表示上次计算中使用的θ
i
；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、
…
P
n
；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、
…
Pv
n
；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...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宝平，杨超，刘永红，张锐，葛伟凤，唐安邦，胡志明，邵筱焱，孔祥地，李豪杰，刘增凯，刘静，纪仁杰，张彦振，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：
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