摘 要：经过近几十年的发展，我国海洋油气开发开始走向深海，为满足前期整体布局规划方案技术准备工作的需要，基于Inventor平台开发了水下生产虚拟仿真设计系统。该系统除在操作上使用方便、直观易懂外，还具以下功能：水下生产系统设备整体布局的快速设计；水下生产系统三维模型库的调用、自动添加、知识积累，模型浏览、预览，管线自动布设连接；对所创建的三维虚拟场景自动生成三维布局图或平面图；输出ROV工作的干涉报告；对关键部件、组件结构快速生成相应的有限元计算数据文件等。同时，为更好地进行快速设计，还以此平台为基础，对南海深水油气田荔湾3-1示范工程的水下生产设备创建了完整的参数化三维模型数据库。实际应用结果表明，该系统为我国的深水水下生产提供了一种快速、准确的方案比较工具，可对设备安装和水下生产关键技术进行预演，对深水油气勘探开发能起到一定的技术支撑作用。
关键词：荔湾深水气田 水下生产 参数化 计算机软件 辅助设计 快速设计 方案预演
Design and implementation of an Inventor-based subsea production virtual simulation design system
Abstract：After a few decades of development，China¢s offshore oil and gas exploitation starts to step into deep seas．In order to facilirate the technical preparations for overall early stage layout planning，a subsea production virtual simulation design system was developed based on the Inventor Platform．In addition to being intuitive and easy to use and understand，this system also has the following functions：a rapid design of overall layout of a subsea production system and equipments；the invocation，automatic adding，knowledge accumulation，model browsing，preview of a 3D model database of a subsea production system；automatic forming of a 3D layout or plan layout of a created 3D virtual scene；output of a ROV interference detection report；and a rapid generation of corresponding finite element calculated data files of key parts and component structures．Meanwhile，in order to achieve a better rapid design，a complete parameterized 3D model database was established based on this developed design platform for the subsea production equipment in the LW 3-1 Demonstration Projeet of Deepwater Oil&Gas Fields in South China Sea．The practical application shows that this proposed system is a tool for fast and accurate optimal selection of schemes for deepwater production in China．With this system，we can preview equipment installation and key subsea production technologies．This system is bound to promote the deepwater oil&gas development．
Keywords：South China Sea，Liwan deepwater gas field，subsea production，parameterization，software，aided design，rapid design，program Prevlew
我国经济对油气的需求量越来越大，这也促使我们由过去的完全依赖陆上生产转向海洋石油开发[1-2]。据统计预测[3]，全球陆上的油气已进入后石油时代，截至2008年，国家油气开采峰期已过的国家达到66个，世界陆上石油可采年限为30～80a。而自2000年以来全球最大型油气田均来自海洋，全球已在19个沉积盆地获得发现了33个亿吨级油气田，其中70％以上分布在墨西哥湾北部、巴西东南部和西非三大深水区近l0个沉积盆地。我国海洋天然气资源储备丰富，占全国总量的30％。但我国海洋油气开发水平远低于世界平均水平，海洋原油和天然气的发现率分别仅为12.3％和l0.9％，远低于世界平均探明率的73.0％和60.5％[4-5]。
国际上一般将水深超过300m海域的油气资源定义为深水油气，l500m水深以上称为超深水。目前世界先进的深水技术已经形成了3000m水深的作业船队，我国在建深水油气田开发水深为1480m，而世界纪录为2743m。2011—2012年，我国打造的深海利器“海洋石油981”“海洋石油201”相继诞生，标志着我国深水油气资源勘探开发能力和大型海洋装备建造水平跨入了世界先进行列。2013年我国在南海荔湾区域1500m水深成功首钻，标志着我国海洋石油工业“深水战略”迈开实质性步伐[6-7]。
经过近几十年的发展，我国海洋油气生产也由过去的依赖国外技术发展为自主勘探开发，并形成了自身的核心配套技术，也培养了一批自己的海洋石油人才。目前国际海洋油气开发的总趋势是走入深海，而深海油气的开发技术难度极大，面临诸多技术难题，因此如何更好地做好深水油气田开发的前期整体布局规划方案，可以为这些难题的解决走出坚实的一步。目前，虚拟现实技术在大型桥梁结构工程、水电工程中已得到广泛应用[8-12]，在此背景下研究开发“基于Inventor的水下生产虚拟仿真设计系统”可以为深水油气田的设备布置方案进行优化比较，对走向深水的水下生产设计将具有一定的推动作用。
1 系统简介
1．1 平台的选取
利用先进的计算机技术、图形技术、网络技术、虚拟现实技术和水下生产设计相关专业标准规范相结合，三维CAD系统所提供的清晰的三维空间表达来帮助规划、设计师理解空间复杂结构及各种构件相互之间的关系，快速建立水下设备的二维模型，合理布置水下生产的设备和各种管线，节约成本，提高设计效率，已经成为水下生产设计现阶段提高设计质量和设计效率的必由之路，也是深水油气田设计将要面临的机遇和挑战。因此开发这种水下生产虚拟仿真设计系统，将为我国的深水水下生产提供一种快速、准确的方案比较工具，因此具有很好的实用价值。
针对所要开发的系统功能要具有：①参数化的模型库；②模型库设备的添加、浏览、删除、编辑等；③自动管路设计；④材料表统计；⑤自动出图；⑥有限元分析接口以及ROV的干涉检测等。通过表l和图l对Inventor、Catia、SolidWorks、Pro／E和Microstation等常用三维建模软件平台的用户数量、适用领域、功能特点以及其经济性等数据进行比较，最终选取了Autodesk Inventor作为水下生产虚拟仿真设计系统的开发平台。
Inventor作为Autodesk公司推出的一款三维可视化软件，具有三维建模、协同工作、信息管理和技术支持等强大功能，在该平台可以实现创建三维模型、二维工程图，其具有的连接网络功能可以进行同项目组员间的协同，为同项目组人员间数据共享和思想交流提供了极大方便。另外，通过谷歌趋势检索比较图l，从另一个侧面也反映出了该软件具有更高的关注度和更大的应用范围。
1．2 水下生产系统架构
对所选定的开发平台Inventor进行二次开发，确定了三维可视化系统设计方案，先分析了软件系统的基本要求，即可扩展性、实时性、交互性、平台无关性。然后对软件开发平台进行详细的功能分解，最后结合实际应用要求，得到三维可视化软件的流程图(图2)，该流程图为软件开发提供了具体的标准，并对软件的功能模块介绍，包括数据接口模块、绘制算法模块、三维显示模块、分析处理模块等。
2 开发应用
2．1 工程概况
荔湾3-1气田位于南海东部、中国香港特别行政区东南300km处，平均水深l500m。天然气探明储量为l000×108～1500×108m3，是中国第一个真正意义上的深水气田。本系统以荔湾3-1气田为依托工程，进行了水下生产模型的仿真没计的开发。其中水下生产系统的基本组成如图3所示。分别由管汇、采油树、跨接管、管接头、脐带管、乙二醇管等组成。
2．2 实现功能
开发的水下生产系统所具有功能如下所述。
2．2．1参数化的水下生产设备三维模型库
以水下生产设备的设计图纸或实物图片为建模的参考依据，使用Inventor建模工具，按照统一比例，制作水下生产设备的参数化三维模型。其中，模型的各参数在规划布置过程中会进行一个自动的配对和识别判断，以达到在进行设备选取、对接、位置的摆放以及后期ROV(Remote Operated Vehicle)的干涉分析等都可实现计算机的自动判断(图4、5)。
水下生产系统的主要设备模型包括以下4种。
1)水上设备
包括主控站、液压单元、电力单元、化学试剂单元、脐带缆水上终端等涉及生产操作工艺流程的主要设备。
2)水下设备
包括井口采油树、防喷帽、跨接管、管汇(中心)、脐带缆终端单元等，液压蓄能器、泵、油箱等，以及水下各类传感器、计量器的三维模型，并建立数学物理模型模拟传感和计量信息。
3)管道与连接系统
包括海管、油气田内管道、跨接管，脐带缆及水上、水下终端单元，水下电液分配单元(SDU)、PLET、线缆接头等，以及相应的水下设备的安装工具、作业船、ROV等。
4)监控系统
完整的监控系统包括主控站、脐带缆、水下控制模块以及各类执行器和传感器等。除以上建模内容之外，与模型库配套的辅助软件工具能实现水下生产设备模型的查询、展示、动态数据分析等功能。
2．2．2水下生产系统三维模型库的调用、自动添加、知识积累、模型浏览、预览等
通过给定海洋环境后，根据其海洋地貌分布情况，对整个水下生产设备系统进行已有模型的调用和添加，按照规范要求进行导向式的布局建模，并可根据要求进行各模型的编辑、预览和删除等。
2．2．3水下生产设备整体布局的快速设计
将从模板库调用进来的各设备模型进行快速布置，可以通过坐标定位或者是通过鼠标的拖动进行布置。其中在多个设备进行布置过程中，各模型会通过其参数化的数据进行在位的判断，判断是否有相互的干涉和影响等。
2．2．4管线的自动布设、连接，并可进行管道的长度和曲率控制
可使用自动和手动布线模式，在保留对关键导线完全控制的同时，可快速布置其他导线。其中根据布线的方法来分，有以下3种布线方法。
1)手动布线
需要明确选择布线路径，通过人为的指定、设置管线通过的位置进行布线。
2)交互式布线
需要选择布线路径的起点和终点，用计算方法提供最短路径。
3)自动布线
基于所有可行路径查找最短路径。
2．2．5对所创建的三维虚拟场景自动生成三维布局图或平面图，出ROV工作的干涉报告
使用自动化工具测试ROV在进行设备安装过程中的装配干涉，并根据布置好的设备及管线分布情况，对所指定选取的ROV工作路径进行自动计算，对其工作中的干涉情况进行报告分析，并可根据所选取的工作路径给出ROV的推荐工作线路。
2．2．6可对关键部件、组件结构快速生成相应的有限元计算数据文件
配合专业软件的有限元计算(管汇在位分析)，能够生成管汇主体结构的有限元模型的数据文件。
3 结论
1)基于Inventor平台开发了水下生产虚拟仿真设计系统，该系统具有使用方便、直观易懂的操作优点。
2)以此平台为基础对南海深水油气田工程的水下复杂生产设备创建了完整的参数化三维模型数据库。
3)本系统具有水下生产系统三维模型辅助设计功能、设备整体布局的快速设计功能、管线自动布设连接功能、图形自动输出功能以及快速产生有限元计算数据文件等功能。
4)为我国的深水油气田水下生产整体布局设计提供了一种快速、准确的方案比较工具，为设备安装和水下生产关键技术进行预演。
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本文作者：李小龙 姜华 魏鲁双 魏群
作者单位：中海石油深海开发有限公司
中国科学院大学
华北水利水电大学
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