数字孪生在油田中的应用

数字孪生在油田中的应用

何宇涵

大庆油田有限责任公司第七采油厂数字化运维中心  黑龙江大庆  163000

摘要：作为目前数字化领域中最有应用前景的技术之一，数字孪生发展迅速，已经应用到多个领域。而石油行业作为国家重要的战略型行业，利用数字孪生技术能够实现行业技术升级，极大提高行业的经济效益和社会效益。

关键字：数字孪生，仿真，优化，预测

一、基本技术概述

数字孪生的官方定义是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单来说就是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的数字化模型。

数字孪生有几大特性，分别是：互操作性、可拓展性、实时性、保真性和闭环性型[1]。互操作性是物理对象和数字孪生体能双向映射、动态交互和实时连接；可拓展性是能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展；实时性是对随时间轴变化的物理实体进行表征（外观、状态、属性、内在机理），形成物理实体实时状态的数字虚体映射；保真性指物理实体和数字虚体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真[2]；闭环性是数字虚体用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于进行分析、优化和决策，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。

二、数字孪生的重要意义

（一）运营优化

使用天气、能源成本或者其他性能因素等变量，触发模型运行成百上千个假设分析方针，评估是否就绪或对当前系统设置点进行必要调整。这样就能够在运营过程中对系统运行进行优化或控制，从而缓解风险、降低成本或提高系统效率[3]。

（二）预测性维护

当工业设备发生故障时，导致的问题往往不是更换设备的费用，而是被迫停机，定期维护可以帮助避免计划外停机。在工业4.0应用中，模型可以用来确定剩余使用寿命，通知运营部门在最适当的时候检修或者更换设备。

（三）运行监控

模型与实际资产同时运行，并会立即标记偏离预期（仿真）行为的运营行为。例如石油公司可以流式采集持续运转的海上石油钻塔的传感器数据，数字孪生模型会寻找运营行为中的异常现象，以帮助避免灾难性破坏。

（四）生产线虚拟调试

虚拟调试技术在数字化环境中建立生产线的三维布局，包括工业机器人、自动化设备、PLC和传感器等设备。

在现场调试之前，可以直接在虚拟环境中，对生产线的数字孪生模型进行机械运动、工业仿真和电气调试，让设备在未安装之前已经完场调试。

三、在各行业的应用发展

（一）工业设备

传统的研发设计大多建立的模型是静态的，物理对象的变化无法实时反应在模型上。而数字孪生技术不仅支持三维建模，还能取代传统通过物理实验取得实验数据的研发方式，用计算、仿真、分析或别的方式进行虚拟实验。从而指导、简化、减少甚至取消物理实验。

数字孪生技术可以从设备层、产线层到工厂层等不同的层级，贯穿于生产制造的设计、工艺管理和优化、资源配置、参数调整等各个环节，对生产过程进行仿真、评估和优化，系统地规划生产工艺、设备、资源，并能利用数字孪生的技术，实时监控生产工况，及时发现和应对生产过程中的各种异常和不稳定性，实现降本、增效、保质的目标。

使工业设备从设计到制造、调试、运行、维护一直到报废和回收如影随形，贯穿工业设备的整个生命周期，极大地提升设备从设计到报废过程的智能化水平。

（二）智慧城市

智慧城市是通过在网络空间构建与城市物理世界对应、映射、交互的孪生城市，来实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理世界和虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。它支撑并推进城市规划、建设、管理，确保城市安全、有序运行[4]。

通过大数据的收集，把城市的数字模型构建出来。实现物理城市与数字城市之间，虚拟与实时交互的融合机制。搭建起可知可感、动态仿真的数据，最终全面反映出实体社会的全生命周期。

（三）智慧医疗

通过数字孪生可以更清楚地了解我们身体的变化，对疾病做出及时预警。未来通过各种新型医疗检测和扫描仪器以及可穿戴设备，我们可以完美地复制出一个数字化身体，并可以追踪这个数字化身体每一部分的运动与变化，从而更好地进行健康监测和管理。

医生可通过对患者健康大数据（基因、生活习惯、家族病史和病例）的搜集和分析，进而提出个性化、针对性的治疗方式和药物，实现精准诊断与治疗。不仅用于疾病治疗，更侧重于对疾病的预防。

四、在油田行业的应用

在油田中创建数字孪生，可以用于从一台设备到一口井，再到整个油田资产。在地面工程中可以用于优化减少调试、操作、计划的时间和成本，并通过数据驱动提高性能。它减少了对设备服务和升级的需求，并提高了设备的可靠性。

在石油生产过程中建模与参数优化、工艺参数设计与仿真、系统监测与远程维护等方面的应用研究，可以有效提高石油领域的数字化、智能化。我们主要可以从这几个方面来实现：

（一）三维可视化

构建矿区的三维场景，让人更直观的看矿区的全貌与细节甚至地下的管道构造，同时支持以VR和AR的形式，将矿区数字孪生体展示在管理者、使用者和维护者眼前。

（二）流程展示

数字孪生体可以真实还原现实的站库及设备管线，并模拟生产过程。通过对各个生产工艺的流程、设备生产关键动作进行模拟，以动画的形式进行展示，能够快速展示各个生产工序的流程。

（三）数据实时显示及预警

通过传感器将各个设备的所有数据传到孪生体中，在模型上进行实时数据展示，同时可以随时查看历史数据，以此实现动态数据的三维可视化展示；同时如果传回来的数据超出预设值时，会马上进行预警，提醒维护人员及时查看。

（四）设备属性查询及报警

在模型中通过点击各个设备可以查询其属性，包括设备信息、安装时间、故障维护历史数据，能够及时掌握矿里及间里重要设备的运行状态以及相关历史属性。

同时如果设备的数据异常，能及时发出故障报警，采集报警信息，点击报警信息能自动定位到设备处，快速查看设备的报警情况。

（五）可视交互

通过数字孪生体，我们可以在任何一个地方，通过电脑里的数字孪生模型掌握实体间里当前的状态以及各种设备的情况等。同时我们也可以通过数字孪生体来远程控制调整物理实体的各种设备参数，做到真正的可视交互。

五、前景与挑战

作为目前数字化领域中最有应用前景的技术之一，数字孪生发展迅速，已经应用到多个领域。石油行业作为国家重要的战略型行业，利用数字孪生技术能够实现行业技术升级，极大提高行业经济效益和社会效益。

即使数字孪生技术在石油行业的真正落地和大范围推广应用还依然存在一些挑战，比如说数据和安全方面。但在未来几年，石油领域的数字孪生将在标准体系构建、融合5G技术的数据采集与传输、智能信息处理算法方面等开展进一步的研究工作[5]。

参考文献：

[1] 刘青，刘滨，王冠,等.数字孪生的模型、问题与进展研究［J］.河北科技大学学报，2019,40（1):68-78.

[2] 刘大同，郭凯，王本宽等.数字孪生技术综述与展望［J］. 仪器仪表学报，2018，39（11）:1-10

[3] 王鹏，杨妹，祝建成，等. 面向数字孪生的动态数据驱动建模与仿真方法［J］. 系统工程与电子技术，2020，42（12）: 2779-2786.

[4] 周瑜，刘春成. 雄安新区建设数字孪生城市的逻辑与创新［J］. 城市发展研究，2018，25（10）: 60-67

[5] 陶飞，刘蔚然，刘检华，等. 数字孪生及其应用探索［J］. 计算机集成制造系统，2018，24（1）: 1-18