技术领域
[0001] 本
发明涉及一种虚拟仿真系统，特别涉及一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统及方法。
背景技术
[0002] 在可燃冰开采环境监测领域，由于海底
天然气水合物储层大多没有完整的圈闭构造和致密盖层，其开发可能导致的海底滑坡等地质灾害
风险较大。并且天然气水合物开采还可能加剧全球
温室效应、恶化海洋生态环境，造成一系列环境效应。通过实现虚拟仿真及预警评估技术，可以帮助工程技术人员熟悉可燃冰开采环境风险并制定合理的应对措施，加强对整个开采过程的环境保护，提升安全保护水平。
[0003] 目前，国内外对于可燃冰开采的环境安全研究较少，主要在于可燃冰开采环境立体监测系统不健全成本高、相应的环境监测数据缺乏、没有成熟的预警分析方法。因此，针对性地研究可燃冰开采环境监测模拟仿真技术，建立风险预警及评估技术体系与方法，可以高效、低成本的保障天然气水合物开采活动中海洋环境的安全。
发明内容
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统及方法，用三维
可视化的方式展示现场开采环境，可根据不同的布井方式和监测方案进行场景重建，不受
气候条件和场地空间限制，以大屏幕投影方式展示模拟场景，结合高仿真的现场音效，让操作人员对现场监测设备更加熟悉，对现场环境风险更易识别，降低现场安全风险。即可以进行日常环境风险的监控，又能提高应变能
力及时处理可燃冰开采中发生的各类环境风险。
[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
[0006] 一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统，包括：
[0007]
基础设施层，用于对底层数据的读写
访问及设备间访问，包括数据访问
接口和设备访问接口；
[0008] 数据资源及处理层，用于可燃冰开采环境的数据生成，包括大气环境数据、
海水环境数据、海床环境数据和井下环境数据；
[0009] 可视化服务层，用于为系统提供各种服务模
块，包括数据导入模块、实时监测
数据采集模块、数据组织与管理模块、生产管理模块、风险评估模块；
[0010] 应用
门户层，用于场景的漫游展示、灾害展示、风险评估展示。
[0011] 上述方案中，所述大气环境数据包括大气的
温度、压力、风速、风向参数，甲烷、二
氧化
碳含量，海洋表面浪高、风级参数。
[0012] 上述方案中，所述海水环境数据包括海水中溶解的甲烷、二氧化碳、温度、
盐度、压力、溶解氧、pH值、
浊度、叶绿素、海水流速、流向参数、多普勒声学海流信息。
[0013] 上述方案中，所述海床环境数据包括海底地形的形变，海床各点的温度、压力，海床表面海水甲烷、二氧化碳含量。
[0014] 上述方案中，所述井下环境数据包括井口及井口周围的温度、压力参数。
[0015] 一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估方法，采用上述的一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统，包括如下步骤：
[0016] (1)通过对底层数据的访问读写，分别模拟产生大气、海水、海床及井下各个监测点的数据，并存储到
数据库中；
[0017] (2)采用
三维建模软件，完成海洋环境、开采装备、监测系统及装备的三维建模；
[0018] (3)根据开采工艺流程及监测设备的工作周期进行动作设计及脚本编写，完成可燃冰开采环境安全
虚拟现实软件包；
[0019] (4)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示技术实现可燃冰开采环境虚拟仿真场景；
[0020] (5)基于定量及定性环境风险评估方法，将风险情况的主要监测成分数据值设置为正常、异常、报警三个等级，根据实时数据的所属范围评估风险是否存在；
[0021] (6)在应用门户层上，实现环境风险事件的切换和报警的输出。
[0022] 上述方案中，所述三维建模的具体方法如下：
[0023] 还原实际开采装备及监测装备，展示其三维模型；
[0024] 大气环境模拟根据大气中布置的甲烷
传感器获取的数值，判断是否有甲烷泄露到大气中，计算甲烷的泄露量及泄露速率，实时模拟甲烷泄露曲线，建立
温室气体体积分数变化模型，分析温室气体的温室效应
饱和度，并对未来地表温升的变化趋势进行预测，采用
计算流体动力学模型基于FLACS软件模拟甲烷自井下和
地层泄露进入大气的情况，根据
气体动力学方程、
湍流方程共同描述气
云的扩散过程，利用有限元法、有限差分法或有限体积法对方程进行求解；
[0025] 海床环境模拟根据海床上布置的传感器获得的数据，计算甲烷泄露速度、数量和海底沉降的程度，实时模拟甲烷泄露和海底沉降的曲线，采用有限差分方法模型，应用Mohr-Coulomb土体的本构模型，基于FLAC3D软件模拟甲烷泄露引起的地层沉降的情况；
[0026] 井底环境模拟采用有限元方法模型，应用井筒结构弹塑性材料模型，基于ANSYS软件模拟井筒
变形情况，
有限元分析方法方法将复杂的求解域简
化成由有限单元体共同构成的体系，每一个有限单元体均赋一合理的近似解，然后通过有限单元体相互协调共同推导出满足复杂求解条件的解答，通过监测及模拟可燃冰层不稳定的变化数据，运用组合体圆筒理论，通过建立包括可燃冰地层井筒孔隙压力场和井筒液温度场耦合作用的数值计算模型，开展井筒变形安全性风险评估；
[0027] 根据井筒尺寸，利用ANSYS有限元建立其
几何模型，建立含可燃冰地层
套管-
水泥环-地层组合体力学模型，输入包括井筒系统、压力场和温度场分析需要的计算条件，边界条件和约束方式，井筒材料特性根据管材的实际特性确定，最后根据井筒截面的径厚比情况选取合适的单元类型。
[0028] 通过上述技术方案，本发明提供的可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统及方法具有如下有益效果：
[0029] 本发明所搭建的可燃冰开采环境安全虚拟仿真培训系统，以三维可视化的方式真实还原现场场景，让操作人员对现场设备及环境风险更加熟悉，减少安全风险。该系统既能进行常规环境监控展示，又能进行提高风险事故处理的应急训练，它安全可控、可配置、可多次重复不受气候条件和场地空间限制，为未来可燃冰商业化开采做技术准备，为可燃冰开采中可能遇到的环境风险提供借鉴意义。
附图说明
[0030] 为了更清楚地说明本发明
实施例或
现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0031] 图1为本发明实施例所公开的一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统示意图。
具体实施方式
[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0033] 本发明提供了一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统，如图1所示，该系统包括：
[0034] 一、基础设施层，用于对底层数据的读写访问及设备间访问，包括数据访问接口和设备访问接口；
[0035] 二、数据资源及处理层，用于可燃冰开采环境的数据生成，包括大气环境数据、海水环境数据、海床环境数据和井下环境数据；
[0036] (1)大气环境数据包括大气的温度、压力、风速、风向参数，甲烷、二氧化碳含量，海洋表面浪高、风级参数。
[0037] (2)海水环境数据包括海水中溶解的甲烷、二氧化碳、温度、盐度、压力、溶解氧、pH值、浊度、叶绿素、海水流速、流向参数、多普勒声学海流信息。
[0038] (3)海床环境数据包括海底地形的形变，海床各点的温度、压力，海床表面海水甲烷、二氧化碳含量。
[0039] (4)井下环境数据包括井口及井口周围的温度、压力参数。
[0040] 三、可视化服务层，用于为系统提供各种服务模块，包括数据导入模块、实时监测数据采集模块、数据组织与管理模块、生产管理模块、风险评估模块；
[0041] (1)数据导入模块，主要利用现有成熟的商业化数据以及基本三维实
体模型，第一是导入地理信息数据，第二是导入三维实体模型。
[0042] (2)实时监测数据采集模块，是为实现环境的监测管理功能，反映开采海域每时每刻的实际状态，从各监测传感器获取实时环境监测信息并更新系统的状态，实时监测数据主要包括环境监测数据、设备状态数据。
[0043] (3)数据组织与管理模块，系统的三维可视化和环境要素的三维直观展示、交互式表达、再现和趋势分析等数据服务功能都取决于数据模型和组织方式。系统中的数据归结为两大类，基础数据和生产数据，分别需要采取不同的组织管理模式。另外，对于需要后期处理的数据，还需要进行包括数据清理、数据集成、数据变换等预处理步骤才送入可视化模块，以监测系统的运行情况。
[0044] (4)生产管理模块，提供生产过程中产生的实时信息(包括安全信息、设备状态)的查询、统计和分析，输出各种统计分析报表，实时查询各种设备的状态，发布报警信息等等。
[0045] (5)风险评估模块，主要是根据获取的实时环境数据，利用现有的风险等级分级方法，对目前的环境数据进行评估。
[0046] 四、应用门户层，用于场景的漫游展示、风险情景展示、风险评估展示。
[0047] (1)场景的漫游展示，可直观地展示海底可燃冰开采环境、开采工程设施、各种生产辅助设备的布局、环境监测设备的实时
位置、
姿态、工况以及实时监测数据等，通过漫游功能可以与系统进行交互来
感知这些信息。
[0048] (2)风险情景展示，可以展示可燃冰开采所能遇到的典型风险，包括温室效应、海水缺氧、海水
酸化、海底沉降、海底滑坡、井筒变形，对其构建模型并进行可视化三维模拟展示。
[0049] (3)风险评估展示，当评估系统判断此时数据超出正常开采环境数值范围，做出环境异常报警，进行风险评估展示。
[0050] 系统的预警和评估
显示面板包含大气环境、海水环境、海床环境、井下环境四大部分。
[0051] (1)大气环境包含运行指示灯、正常指示灯、风险指示灯、报警指示灯、预警指示灯。其中，大气环境仿真评估功能启用时，对应的运行指示灯亮，当监测的环境数据显示环境处于正常情况时正常指示灯亮；当监测的环境数据显示环境处于异常情况时报警指示灯亮；当根据参数的评估准则判断即将会发生风险事件时预警指示灯亮，当预警的事件发生时风险指示灯亮。
[0052] (2)海水环境包含运行指示灯、正常指示灯、风险指示灯、报警指示灯、预警指示灯。其中，海水环境仿真评估功能启用时，对应的运行指示灯亮，当监测的环境数据显示环境处于正常情况时正常指示灯亮；当监测的环境数据显示环境处于异常情况时报警指示灯亮；当根据参数的评估准则判断即将会发生风险事件时预警指示灯亮，当预警的事件发生时风险指示灯亮。
[0053] (3)海床环境包含运行指示灯、正常指示灯、风险指示灯、报警指示灯、预警指示灯。其中，海床环境仿真评估功能启用时，对应的运行指示灯亮，当监测的环境数据显示环境处于正常情况时正常指示灯亮；当监测的环境数据显示环境处于异常情况时报警指示灯亮；当根据参数的评估准则判断即将会发生风险事件时预警指示灯亮，当预警的事件发生时风险指示灯亮。
[0054] (4)井下环境包含运行指示灯、正常指示灯、风险指示灯、报警指示灯、预警指示灯。其中，井下环境仿真评估功能启用时，对应的运行指示灯亮，当监测的环境数据显示环境处于正常情况时正常指示灯亮；当监测的环境数据显示环境处于异常情况时报警指示灯亮；当根据参数的评估准则判断即将会发生风险事件时预警指示灯亮，当预警的事件发生时风险指示灯亮。
[0055] 一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估方法，采用上述的一种可燃冰开采环境安全虚拟仿真评估系统，包括如下步骤：
[0056] (1)通过对底层数据的访问读写，分别模拟产生大气、海水、海床及井下各个监测点的数据，并存储到数据库中；
[0057] (2)采用三维建模软件，完成海洋环境、开采装备、监测系统及装备的三维建模；
[0058] (3)根据开采工艺流程及监测设备的工作周期进行动作设计及脚本编写，完成可燃冰开采环境安全虚拟现实软件包；
[0059] (4)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示技术实现可燃冰开采环境虚拟仿真场景；
[0060] (5)基于定量及定性环境风险评估方法，将风险情况的主要监测成分数据值设置为正常、异常、报警三个等级，根据实时数据的所属范围评估风险是否存在；
[0061] (6)在应用门户层上，实现环境风险事件的切换和报警的输出。
[0062] 上述方案中，三维建模的具体方法如下：
[0063] 还原实际开采装备及监测装备，展示其三维模型；
[0064] 大气环境模拟根据大气中布置的甲烷传感器获取的数值，判断是否有甲烷泄露到大气中，计算甲烷的泄露量及泄露速率，实时模拟甲烷泄露曲线，建立温室气体体积分数变化模型，分析温室气体的温室效应饱和度，并对未来地表温升的变化趋势进行预测，采用计算流体动力学模型基于FLACS软件模拟甲烷自井下和地层泄露进入大气的情况，根据气体动力学方程、湍流方程共同描述气云的扩散过程，利用有限元法、有限差分法或有限体积法对方程进行求解；
[0065] 海床环境模拟根据海床上布置的传感器获得的数据，计算甲烷泄露速度、数量和海底沉降的程度，实时模拟甲烷泄露和海底沉降的曲线，采用有限差分方法模型，应用Mohr-Coulomb土体的本构模型，基于FLAC3D软件模拟甲烷泄露引起的地层沉降的情况；
[0066] 井底环境模拟采用有限元方法模型，应用井筒结构弹塑性材料模型，基于ANSYS软件模拟井筒变形情况，有限元分析方法将复杂的求解域简化成由有限单元体共同构成的体系，每一个有限单元体均赋一合理的近似解，然后通过有限单元体相互协调共同推导出满足复杂求解条件的解答，通过监测及模拟可燃冰层不稳定的变化数据，运用组合体圆筒理论，通过建立包括可燃冰地层井筒孔隙压力场和井筒液温度场耦合作用的数值计算模型，开展井筒变形安全性风险评估；
[0067] 根据井筒尺寸，利用ANSYS有限元建立其几何模型，建立含可燃冰地层套管-水泥环-地层组合体力学模型，输入包括井筒系统、压力场和温度场分析需要的计算条件，边界条件和约束方式，井筒材料特性根据管材的实际特性确定，最后根据井筒截面的径厚比情况选取合适的单元类型。
[0068] 风险评估方法如下，将风险情况的主要监测成分数据值设置为正常、异常、报警三个等级，根据实时数据的所属范围评估风险是否存在，构建各个环境风险事件的报警及与预警分析事件；鉴于可燃冰开采的风险分析及评估方法研究现状，大气环境评估采用单因素评价模型，海水环境评估采用模糊综合评判的方法，对海床环境评估时采用定性的评估方法，对井下环境评估采用定性评估法。
[0069] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种
修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
