計算機仿真技術在石油工業的科學技術研究

苗俊田，蘇健凱，周正航，崔嘉晨

（中國石油大學（華東），山東青島，266300）

0 引言

近些年，生產實踐、科研活動深受各種客觀環境的約制，很難對相關對象進行直觀性試驗。因為缺乏相關系統，很難開展原型試驗。即便是支持試驗，也需要投入極大的成本，甚至帶來頗為嚴重的破壞效應。此時，利用間接的方式進行試驗，構建和所研究過程、對象有著顯著相類性的模型，然后間接的對有關原型進行研究，探索其中的規律性。物理仿真，就是按照實際系統物理屬性，打造相應的模型，然后開展對應的試驗。該仿真就是按照實際數學關系，構建對應模型，進而完成相關試驗[1]。在計算機上對各種模型進行模擬實驗是數學仿真的前提，通俗來講就是計算機仿真。伴隨著計算機技術的快速發展，之前計算機仿真技術一般應用在國防和高科技領域，現在已經拓展到了醫學和軍事等領域。在石油工業中計算機仿真技術應用越來越多，對于石油工業未來的發展起著非常關鍵的作用，石油工業中一部分計算機仿真技術已經成為不可缺少的技術環節。

1 數字計算仿真

對于數字仿真技術而言，就是通過構建相關數學模型，然后對其進行計算，從而將計算結果與實際結果進行擬合。通常借助于提前選定的相似模型，借助于原始信息，對其進行仿真，然后將得出的結果與實情結果進行對比，然后再立足于兩者差異來對模型加以修正，通過持續優化，獲得最佳模型，進而借助于該模型對相類問題進行解決，從而得到最優問題解[2]。數字模型建立工作流程如圖1所示。

圖1 數字模型建立流程

數字計算機仿真技術特點為：(1)確定尋求的數學模型；(2)保證計算機仿真最終結果的準確；(3)對計算速度要求較少；(4)最終結果大部分由數字來呈現；(5)計算機工作過程中不需要人工幫助；(6)仿真工作的完成只需一個計算機。

圖2 數字仿真求解流程圖

例如，在油氣田開發優化方法和油氣田開發生產中用于制定開發方案的過程模擬中，需要根據各種類型的油氣藏，創建與之相對應的油氣儲罐描述模型，最后在通過模擬仿真得出在各種開發基礎下，采收率、油氣產量以及壓力等各個指標與時間改變呈現出的具體特征，方便后期分析數據，設計出最佳的方案。在油田生產以及開發過程中發揮較大作用的還有“油藏數值模擬”。該類計算機仿真技術在石油工業中發揮著非常重要的作用，并且還漸漸拓展到了石油工業的其他領域。

2 工程仿真

在實際工程領域，可以借助于仿真技術進行模擬，具體需要基于相關專家系統、數學模型，并根據實際問題的演化過程來對其加以模擬，從而對現實問題的特點進行展現，也就是將仿真運算與實際情況進行有效的擬合，使得每個階段結果都能夠獲得高水平的擬合。因為要對工程問題進行解決[3]。為此，需要提出更高可信度的建設意見，就需要數學模型存在著較高的完善、準確度。對于很難借助于數學模型來加以描述的對象，僅僅借助于專家系統，來對相關問題提出相應的應對方案。當然，想要實現這點通常頗為困難，尤其是石油工業，因為該行業所研究的對象大多處于地下深層，存在著很多非確定性影響要素，這使得專家系統與模型的構建變得頗為困難。

雖然構建這種仿真系統有著較高的困難度，但是如果成功建立之后就具有較高的實用性，而且還能發揮頗高的作用，同時也能帶來很多的經濟效益。譬如Amoco（阿莫科，美國）公司在上世紀八十年代就成功打造了鉆井工程仿真系統，并將其簡稱為ESD。此系統融合了專家系統，立足于鉆井地質、工程等領域諸多精準數據，這樣就能在鉆井作業尚未開工之際，就能按照具體設計要求，在系統上進行仿真處理，在成功施工之后就能獲得有關鉆頭、工期等運用數量，同時還針對耗用的材料、成本等內容進行明確[4]。當然，還能針對不同階段的問題，進行提前預判，給出相應的應對舉措等，進而為整個施工提供更具有參考性的意見。在具體施工之際，只要將現場數據導入此仿真系統，就能對現場進行綜合判斷與分析，并給出潛在的問題，以及后續發展趨向，以及對結果帶來的影響，為后續施工提出相關建議等。美國Superior這家企業也開發出相類系統，只不過在規模上相對較小，在正式使用后，能夠提升鉆井工作量，比例達到百分之八十七，而成本則能減小百分之二十九，這意味著，每年節約的成本的平均值可達0.24億美元。同時也意味著借助于該仿真系統，能夠顯著提升鉆井成功率，而且還能進一步降低成本，使得工作效率顯著提升，進而帶來頗為顯著的社會與經濟效益。

當前，在機械設計領域，已經出現了應用頗為廣泛的仿真系統，這樣在設計某種機械系統時，就無需利用經驗來對相關安全系數、部件進行遴選，而是借助于仿真系統，就可以直接對相關設計進行動態加載與模擬。為設計的設備提供更多的“載荷”，最終展現出設計的系統有哪些薄弱點，然后再對其進行相應的優化。利用這種循環的方式，不斷改善機械系統性能，使之更好的滿足具體應用需求。這種仿真設計技術能夠對機械設計效率進行顯著提升，同時還能進一步減小設計成本，使得設計更加具有科學與精密性，當然，也能進一步減短投入市場所需要的時間。

想要真正將油氣井田管理實現智能管理，不僅要結合優秀專家的成功有效開發經驗，同時還要依靠經驗公式分析、物理模擬以及數學計算，針對儲罐的實際地質特點與國內外相關案例，提出先進對策，用于儲罐的管理和生產，并以此為目標，通過計算機仿真系統，分析當下油氣田生產過程中經濟決策、油氣井的生產狀況、一系列技術問題、診斷故障原因等。

計算機工程仿真的特點是:(1)數學模型完整、精準性。(2)對于非定量問題要有專家系統解決。(3)要有模擬中間結果和實時采集的能力。(4)實時性強。(5)最終仿真結果可以以動態圖形來呈現。(6)計算機仿真工作期間人工可以進行干預。(7)有較強的傳輸、采集系統。

石油工業的很多領域都可以應用到工程仿真技術，在該領域應用前景較為廣闊。伴隨著相關技術的成熟，工程仿真技術也會更進一步的發展。

3 操作培訓仿真與應用前景

3.1 操作培訓仿真

對于各個崗位技術人員進行仿真操作訓練就是操作培訓仿真。因為要對工作人員進行較嚴格的操作培訓，所以就要求工作人員可以有更加直觀的操作感受，使工作人員在培訓的過程中可以有一種身臨其境的感受，達到最佳的培訓效果，進而對于培訓仿真裝置要求更高，主要有以下幾點：

(1)實際情況要與數字結果保持一致，進而就需要很多基礎數學模型，這與工程仿真有較大的相似性。(2)其全部操作要和實際保持一致。(3) 實物操作感受要與實際相同。(4)聽覺與視覺所帶來的感受要與實際相同。(5)最終操作現象與結果要與實際相同。

在操作培訓的過程中采用模擬裝置其條件較多，不僅對于數學模型有一系列要求，對于工程仿真與轉接系統也有較多要求，并且還需要具備過程再現能力。

由于石油鉆井作業具有特殊性，為此，在對應仿真系統培訓環節，需要對仿真出現的各種“客觀對象”進行詳細展現與分析。其中就涉及到鉆具組合、鉆地層對應參量、噴咀組合、鉆頭遴選等。在仿真系統中，需要對操作者所給出的相關參量與“客觀對象”有關參量，利用主流數學模型對其進行計算，得到的結果與狀態，可以借助于圖形、數字等方式，向操作人員進行反饋，使之對其產生清晰的認知，從而進行精準操作。因為他們的操作過程具有一定的連續性，為此，模型的運算需要緊密結合實際情況來進行。若是需要對參與培訓的人員開展鉆井事故等方面培訓，那么作為教師需要對各種井下、地面等領域的事故原因進行深入分析。利用專家系統將相關參量、知識借助于多元化方式傳遞至受訓者，這些受訓者能夠根據感受到的動態改變，對其進行正確故障診斷，并根據對應的規制，對其運用科學的舉措。

該仿真培訓在海外已經得到頗為廣泛的重視，而且也應用至不同石油工業領域，譬如鉆井、修井、鉆井平臺吊車控制等。國內在該領域的工作開展的相對較晚，在上世紀九十年代之前，國內對一定數量的鉆井模擬設備進行了引入，從而對井控、鉆井等領域的培訓問題進行相應解決，然而具體效果并不是十分良好。

3.2 應用前景

(l)將虛擬現實技術應用到教學培訓中心，可以給培訓人員營造一個較為真實的場景，對于提升教學質量是非常有利的。通過計算機仿真技術進行教學，培訓學員就不用到現場去，大大降低了教學成本。

(2)對于采油機械與鉆機的仿真分析，如果在機械設計的過程中可以充分利用應力和動力仿真兩種技術可以將設計過程更加簡單化。不僅僅可以是設計成本降到最低，減少設計時長，還可以對于參數進行優化。

(3)對于故障診斷也可以利用計算機仿真技術。不僅可以診斷工作事故，還可以診斷機械故障。當前大部分工作人員都是通過自身經驗對機械故障進行診斷，有的還會通過專家系統進行診斷。