物理模型技術(shù) 提高石油裝備可靠性
時(shí)間：2017-10-12 15:25
來源：
作者:編譯 / 張瑜
基于模型的方法是檢測整個(gè)水下防噴器控制系統(tǒng)而不是處理組件故障的“創(chuàng)可貼”解決方案。當(dāng)水下工程師被問及使其夜不能寐的問題是什么時(shí)，毫無疑問，防噴器控制系統(tǒng)失效列于首位。在過去的幾十年里，他們?yōu)樘岣叻绹娖骺刂葡到y(tǒng)的可靠性而努力，主要圍繞單個(gè)組件的分析進(jìn)行了大量的研究。然而，當(dāng)這些組件連接在一起時(shí)，它們的動(dòng)態(tài)交互可能導(dǎo)致非預(yù)期系統(tǒng)行為，超過了組成組件的總和。如同那些水下工程師所證實(shí)的一樣，有時(shí)會(huì)增加性能問題和系統(tǒng)故障的可能性，不僅對財(cái)務(wù)會(huì)產(chǎn)生不利影響，而且對 HSE 也會(huì)產(chǎn)生不利影響?？梢岳斫猓\(yùn)營商堅(jiān)持失效能以一種有效且具有成本效益的方式被確定及糾正。
一般而言，物理檢驗(yàn)是驗(yàn)證唯一的方法，來驗(yàn)證預(yù)期鉆井控制系統(tǒng)預(yù)期操作及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。今天，高速數(shù)字計(jì)算為復(fù)雜的控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模提供了另一種選擇，從而減少對物理檢驗(yàn)高代價(jià)的依賴。這是一個(gè)范式轉(zhuǎn)換，即從傳統(tǒng)工業(yè)實(shí)踐制定一項(xiàng)新的計(jì)劃，轉(zhuǎn)變?yōu)闄z查并了解連接系統(tǒng)?；趯︺@井系統(tǒng)行為的了解， 超過組成部分的總和。這種基于模型的方法用于解決鉆機(jī)控制系統(tǒng)的問題，是診斷及處理設(shè)備問題，并為運(yùn)營商不穩(wěn)定作業(yè)提供的一種解決方法。
組件的不穩(wěn)定
這是基于建模方法的一個(gè)例子，在最近的案例研究中有記錄。在研究中，某深水船運(yùn)營商記錄了鉆井控制線路非預(yù)期破壞的幾個(gè)實(shí)例，導(dǎo)致停鉆時(shí)間每年超過 30 小時(shí)，線路故障主要體現(xiàn)為不穩(wěn)定的液壓控制組件。在啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)器時(shí)，壓力調(diào)節(jié)器開始劇烈振動(dòng)， 導(dǎo)致高壓瞬變、后續(xù)故障以及調(diào)節(jié)器或其它硬件無法操作，這需要進(jìn)行迭代周期的檢修、測試。糾正措施包括：由不同制造商提供另一種壓力調(diào)節(jié)器；集成液壓蓄能器吸收壓力瞬變；更加堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和組件支持。這些組件變化只是略微變化，使可靠性至少改進(jìn)了一年。更重要的是，歷史現(xiàn)場報(bào)告的綜合評估建立了十年之前的一系列相關(guān)故障數(shù)據(jù)。
基于建模的方法
不幸的是，像這樣的現(xiàn)場故障極其普遍。上面討論的解決方案說明，什么已成為規(guī)范行業(yè)的方法來解決這些問題：隔離損壞組件故障，發(fā)送服務(wù)技術(shù)，提出的解決方案進(jìn)行物理檢驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)和迭代，直到集中在一個(gè)解決方案上，即“臨時(shí)補(bǔ)救”。這些周期對運(yùn)營商和廠商來說成本較高。
通過把 16 年前美國消費(fèi)指數(shù)（US CPI），和上游資本成本指數(shù)（UCCI）年度百分比進(jìn)行對比，得到上游領(lǐng)域商品及服務(wù)通貨膨脹的一個(gè)衡量 （來源：IHS） 。 在高峰時(shí)期，上游資本成本指數(shù)（UCCI）年度百分比達(dá)到近 20%。在同一時(shí)期，美國消費(fèi)指數(shù)（US CPI）指標(biāo)不超過3%，超過的多種原因留給讀者來決定，但一個(gè)自然的推論是，上述的構(gòu)建 - 測試 - 故障檢測周期和可靠性問題是促成因素。然而，也許有一種方法可以應(yīng)對此狀況。在案例研究中提供的有效方法是使用動(dòng)態(tài)計(jì)算模型來估計(jì)系統(tǒng)行為。與傳統(tǒng)方法相比，這種模型可以提供一個(gè)系統(tǒng)性能基線估計(jì)，然后數(shù)字迭代循環(huán)往復(fù)，直到找到最佳解決方案。
模型是一種把系統(tǒng)輸入和輸出連接的簡單方法。反過來，這個(gè)系統(tǒng)可以分解成組成子系統(tǒng)和組件。雖然鉆井控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的流體力學(xué)系統(tǒng)，通常相對簡單的物理模型仍然可以量化系統(tǒng)行為與可接受程度的完整性。利用流體力學(xué)的基本原理和動(dòng)力學(xué)，這類故障液壓控制回路的模型是在一個(gè)離散仿真軟件包中被開發(fā)出來。
尋找解決方案
基于模型的模擬過程，高壓瞬變的根本原因以及造成性能故障的問題被確定。一種空氣入口進(jìn)入線路的方法被發(fā)現(xiàn)，這改變了基本的流體性質(zhì)，并導(dǎo)致液壓振蕩響應(yīng)。模型預(yù)測，一個(gè)簡單的止回閥可以通過防止空氣進(jìn)入，解決線路消除這個(gè)問題。關(guān)鍵點(diǎn)是故障出現(xiàn)不是由于調(diào)節(jié)器或其它組件的內(nèi)在缺陷，而是由這些簡單的組件安裝在鉆機(jī)上連接在一起的突發(fā)性行為。
解決實(shí)際問題
成 功 的 解 決 方 法 是 將 一 種 應(yīng)用系統(tǒng)解決方案用于一種系統(tǒng)的問題，而不是一個(gè)組件解決方案用于系統(tǒng)的問題。最終，專注于組件的癥狀掩蓋了真相，即一個(gè)更大的系統(tǒng)障礙在發(fā)揮作用，這種障礙出現(xiàn)的原因看似是簡單的組件連接問題，但關(guān)鍵不在于基于模型的設(shè)計(jì)工作而是它的工作原理。英國數(shù)學(xué)家喬治·考克斯格言：“所有模型都是錯(cuò)的，有些是有用的。根據(jù)定義，模型近似于現(xiàn)實(shí)。為了開發(fā)一個(gè)模型，需要抽象來捕獲底層系統(tǒng)的特征，同時(shí)阻止無關(guān)的高階效應(yīng)。”
事實(shí)上，最初在這個(gè)案例研究中，模型預(yù)測結(jié)果與真實(shí)世界系統(tǒng)中所觀察到的相反。這種差異是一個(gè)常被建模與仿真引用的評論。然而，明顯缺乏分辨，不應(yīng)導(dǎo)致避開基于模型的過程。一種基于物理模型有利于直觀、全面地了解系統(tǒng)工程。它允許我們看到一個(gè)更大的組件隨著時(shí)間推移以復(fù)雜方式組合的圖，并捕獲集成系統(tǒng)的突現(xiàn)行為。在這個(gè)案例研究中，看到的更大畫面構(gòu)成允許可測試假設(shè)：由于含氣量導(dǎo)致壓力瞬變的組件故障。模型的作用不只是解決這個(gè)問題，且首先要在第一時(shí)間涉及到這個(gè)問題的更多方面，它不是提供答案，而是迫使我們來執(zhí)行更艱巨的任務(wù)。更安全可靠的系統(tǒng)
經(jīng)驗(yàn)是一位嚴(yán)厲的老師，我們先進(jìn)行測試，然后獲得教訓(xùn)。鉆井平臺(tái)上非生產(chǎn)性時(shí)間的教訓(xùn)實(shí)在太昂貴了。幸運(yùn)的是，先進(jìn)的數(shù)字化工具和工程過程的范式轉(zhuǎn)變，允許我們提前窺見檢驗(yàn)問題。鉆井控制系統(tǒng)基于模型的設(shè)計(jì)與分析，提供了一種彌補(bǔ)法，來了解前端系統(tǒng)行為。這里討論的案例研究，提出的只冰山一角，最近的應(yīng)用程序，在解決一個(gè)有關(guān)水下防噴器控制電路性能問題上發(fā)揮了關(guān)鍵作用，涉及了數(shù)百萬美元。
通過把數(shù)學(xué)和物理第一原理和真實(shí)世界相結(jié)合，我們可以超越靜態(tài)工程樣圖，開始捕捉現(xiàn)代鉆井控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。這將為我們帶來一個(gè)更安全、更可持續(xù)、更可靠的鉆井體系。
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