计算机仿真技术在石油工业的科学技术研究

苗俊田，苏健凯，周正航，崔嘉晨

（中国石油大学（华东），山东青岛，266300）

0 引言

近些年，生产实践、科研活动深受各种客观环境的约制，很难对相关对象进行直观性试验。因为缺乏相关系统，很难开展原型试验。即便是支持试验，也需要投入极大的成本，甚至带来颇为严重的破坏效应。此时，利用间接的方式进行试验，构建和所研究过程、对象有着显著相类性的模型，然后间接的对有关原型进行研究，探索其中的规律性。物理仿真，就是按照实际系统物理属性，打造相应的模型，然后开展对应的试验。该仿真就是按照实际数学关系，构建对应模型，进而完成相关试验[1]。在计算机上对各种模型进行模拟实验是数学仿真的前提，通俗来讲就是计算机仿真。伴随着计算机技术的快速发展，之前计算机仿真技术一般应用在国防和高科技领域，现在已经拓展到了医学和军事等领域。在石油工业中计算机仿真技术应用越来越多，对于石油工业未来的发展起着非常关键的作用，石油工业中一部分计算机仿真技术已经成为不可缺少的技术环节。

1 数字计算仿真

对于数字仿真技术而言，就是通过构建相关数学模型，然后对其进行计算，从而将计算结果与实际结果进行拟合。通常借助于提前选定的相似模型，借助于原始信息，对其进行仿真，然后将得出的结果与实情结果进行对比，然后再立足于两者差异来对模型加以修正，通过持续优化，获得最佳模型，进而借助于该模型对相类问题进行解决，从而得到最优问题解[2]。数字模型建立工作流程如图1所示。

图1 数字模型建立流程

数字计算机仿真技术特点为：(1)确定寻求的数学模型；(2)保证计算机仿真最终结果的准确；(3)对计算速度要求较少；(4)最终结果大部分由数字来呈现；(5)计算机工作过程中不需要人工帮助；(6)仿真工作的完成只需一个计算机。

图2 数字仿真求解流程图

例如，在油气田开发优化方法和油气田开发生产中用于制定开发方案的过程模拟中，需要根据各种类型的油气藏，创建与之相对应的油气储罐描述模型，最后在通过模拟仿真得出在各种开发基础下，采收率、油气产量以及压力等各个指标与时间改变呈现出的具体特征，方便后期分析数据，设计出最佳的方案。在油田生产以及开发过程中发挥较大作用的还有“油藏数值模拟”。该类计算机仿真技术在石油工业中发挥着非常重要的作用，并且还渐渐拓展到了石油工业的其他领域。

2 工程仿真

在实际工程领域，可以借助于仿真技术进行模拟，具体需要基于相关专家系统、数学模型，并根据实际问题的演化过程来对其加以模拟，从而对现实问题的特点进行展现，也就是将仿真运算与实际情况进行有效的拟合，使得每个阶段结果都能够获得高水平的拟合。因为要对工程问题进行解决[3]。为此，需要提出更高可信度的建设意见，就需要数学模型存在着较高的完善、准确度。对于很难借助于数学模型来加以描述的对象，仅仅借助于专家系统，来对相关问题提出相应的应对方案。当然，想要实现这点通常颇为困难，尤其是石油工业，因为该行业所研究的对象大多处于地下深层，存在着很多非确定性影响要素，这使得专家系统与模型的构建变得颇为困难。

虽然构建这种仿真系统有着较高的困难度，但是如果成功建立之后就具有较高的实用性，而且还能发挥颇高的作用，同时也能带来很多的经济效益。譬如Amoco（阿莫科，美国）公司在上世纪八十年代就成功打造了钻井工程仿真系统，并将其简称为ESD。此系统融合了专家系统，立足于钻井地质、工程等领域诸多精准数据，这样就能在钻井作业尚未开工之际，就能按照具体设计要求，在系统上进行仿真处理，在成功施工之后就能获得有关钻头、工期等运用数量，同时还针对耗用的材料、成本等内容进行明确[4]。当然，还能针对不同阶段的问题，进行提前预判，给出相应的应对举措等，进而为整个施工提供更具有参考性的意见。在具体施工之际，只要将现场数据导入此仿真系统，就能对现场进行综合判断与分析，并给出潜在的问题，以及后续发展趋向，以及对结果带来的影响，为后续施工提出相关建议等。美国Superior这家企业也开发出相类系统，只不过在规模上相对较小，在正式使用后，能够提升钻井工作量，比例达到百分之八十七，而成本则能减小百分之二十九，这意味着，每年节约的成本的平均值可达0.24亿美元。同时也意味着借助于该仿真系统，能够显著提升钻井成功率，而且还能进一步降低成本，使得工作效率显著提升，进而带来颇为显著的社会与经济效益。

当前，在机械设计领域，已经出现了应用颇为广泛的仿真系统，这样在设计某种机械系统时，就无需利用经验来对相关安全系数、部件进行遴选，而是借助于仿真系统，就可以直接对相关设计进行动态加载与模拟。为设计的设备提供更多的“载荷”，最终展现出设计的系统有哪些薄弱点，然后再对其进行相应的优化。利用这种循环的方式，不断改善机械系统性能，使之更好的满足具体应用需求。这种仿真设计技术能够对机械设计效率进行显著提升，同时还能进一步减小设计成本，使得设计更加具有科学与精密性，当然，也能进一步减短投入市场所需要的时间。

想要真正将油气井田管理实现智能管理，不仅要结合优秀专家的成功有效开发经验，同时还要依靠经验公式分析、物理模拟以及数学计算，针对储罐的实际地质特点与国内外相关案例，提出先进对策，用于储罐的管理和生产，并以此为目标，通过计算机仿真系统，分析当下油气田生产过程中经济决策、油气井的生产状况、一系列技术问题、诊断故障原因等。

计算机工程仿真的特点是:(1)数学模型完整、精准性。(2)对于非定量问题要有专家系统解决。(3)要有模拟中间结果和实时采集的能力。(4)实时性强。(5)最终仿真结果可以以动态图形来呈现。(6)计算机仿真工作期间人工可以进行干预。(7)有较强的传输、采集系统。

石油工业的很多领域都可以应用到工程仿真技术，在该领域应用前景较为广阔。伴随着相关技术的成熟，工程仿真技术也会更进一步的发展。

3 操作培训仿真与应用前景

3.1 操作培训仿真

对于各个岗位技术人员进行仿真操作训练就是操作培训仿真。因为要对工作人员进行较严格的操作培训，所以就要求工作人员可以有更加直观的操作感受，使工作人员在培训的过程中可以有一种身临其境的感受，达到最佳的培训效果，进而对于培训仿真装置要求更高，主要有以下几点：

(1)实际情况要与数字结果保持一致，进而就需要很多基础数学模型，这与工程仿真有较大的相似性。(2)其全部操作要和实际保持一致。(3) 实物操作感受要与实际相同。(4)听觉与视觉所带来的感受要与实际相同。(5)最终操作现象与结果要与实际相同。

在操作培训的过程中采用模拟装置其条件较多，不仅对于数学模型有一系列要求，对于工程仿真与转接系统也有较多要求，并且还需要具备过程再现能力。

由于石油钻井作业具有特殊性，为此，在对应仿真系统培训环节，需要对仿真出现的各种“客观对象”进行详细展现与分析。其中就涉及到钻具组合、钻地层对应参量、喷咀组合、钻头遴选等。在仿真系统中，需要对操作者所给出的相关参量与“客观对象”有关参量，利用主流数学模型对其进行计算，得到的结果与状态，可以借助于图形、数字等方式，向操作人员进行反馈，使之对其产生清晰的认知，从而进行精准操作。因为他们的操作过程具有一定的连续性，为此，模型的运算需要紧密结合实际情况来进行。若是需要对参与培训的人员开展钻井事故等方面培训，那么作为教师需要对各种井下、地面等领域的事故原因进行深入分析。利用专家系统将相关参量、知识借助于多元化方式传递至受训者，这些受训者能够根据感受到的动态改变，对其进行正确故障诊断，并根据对应的规制，对其运用科学的举措。

该仿真培训在海外已经得到颇为广泛的重视，而且也应用至不同石油工业领域，譬如钻井、修井、钻井平台吊车控制等。国内在该领域的工作开展的相对较晚，在上世纪九十年代之前，国内对一定数量的钻井模拟设备进行了引入，从而对井控、钻井等领域的培训问题进行相应解决，然而具体效果并不是十分良好。

3.2 应用前景

(l)将虚拟现实技术应用到教学培训中心，可以给培训人员营造一个较为真实的场景，对于提升教学质量是非常有利的。通过计算机仿真技术进行教学，培训学员就不用到现场去，大大降低了教学成本。

(2)对于采油机械与钻机的仿真分析，如果在机械设计的过程中可以充分利用应力和动力仿真两种技术可以将设计过程更加简单化。不仅仅可以是设计成本降到最低，减少设计时长，还可以对于参数进行优化。

(3)对于故障诊断也可以利用计算机仿真技术。不仅可以诊断工作事故，还可以诊断机械故障。当前大部分工作人员都是通过自身经验对机械故障进行诊断，有的还会通过专家系统进行诊断。