VRM L虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油井監(jiān)控中應用

周英 達州職業(yè)技術(shù)學院

VRML（Virtual Reality Modeling Language） 是一種用于建立真實世界的場景模型或虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，具有平臺無關(guān)性。其涉及計算機圖形學、精密傳感機構(gòu)、人機接口及實時圖像處理等領域，被譽為21世紀最有前途的應用技術(shù)，目前已經(jīng)廣泛地應用于各個領域。隨著智能油井監(jiān)控系統(tǒng)概念的提出，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)成為實現(xiàn)油井監(jiān)控的重要手段之一，為油氣田開發(fā)和設計等提供了新的技術(shù)平臺[1]。

1 技術(shù)應用現(xiàn)狀

虛擬現(xiàn)實技術(shù)最大的優(yōu)勢是交互性和沉浸性，它的實現(xiàn)基于信息快速交互和數(shù)據(jù)處理的能力。通過數(shù)據(jù)交互反饋與三維圖形仿真技術(shù)完成實時信息交互，快速建立起逼真的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的完美結(jié)合。由于虛擬環(huán)境建立所需成本較低且可進行重復性試驗，目前該技術(shù)已經(jīng)涉足航天、軍事、通信、建筑和油田生產(chǎn)等各個領域科學研究與生產(chǎn)實踐。例如，可以虛擬地理環(huán)境，在不承擔任何風險和代價的情況下，分析規(guī)劃水庫并模擬其對周圍生態(tài)環(huán)境的影響。

2 油井監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和需求

現(xiàn)代井下控制涉及地面裝備、井下工具、井眼軌道控制、鉆井液與儲層保護、測量與測試、完井與固井等一切與井下作業(yè)有關(guān)的施工作業(yè)技術(shù)。

近年來各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中得到了廣泛應用。油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準確性、可靠性和便于維護性成為整個系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。目前抽油機井數(shù)據(jù)監(jiān)測普遍選用載荷傳感器、角位移傳感器（或脈沖發(fā)生器）、RTU監(jiān)控器、電參量傳感器等設備，分別安裝于懸繩器、游梁及控制柜上，各個信號采用有線方式匯集到RTU監(jiān)控器上，成本高，安裝工藝復雜，線纜易損壞，不易防盜，維護工作量大，且很難長期可靠地工作[2]。

基于以上情況，結(jié)合當今自控技術(shù)的發(fā)展水平，提出并研發(fā)了以無線和嵌入式技術(shù)為基礎，將微處理器嵌入到傳感器和轉(zhuǎn)發(fā)器中，使各種傳感器與RTU之間形成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O計方案，來實現(xiàn)油井工況的測量、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能。

3 3D模擬及虛擬技術(shù)

虛擬井下監(jiān)控裝置能模擬各種惡劣環(huán)境，可以對油井現(xiàn)場的外部設備和工作環(huán)境建模，可根據(jù)鉆井工藝對起下鉆、鉆進、井控等工作流程和可能出現(xiàn)的井噴、火焰、氣泡等現(xiàn)象，進行圖形、圖像和聲音模擬。在對油井監(jiān)控技術(shù)人員進行培訓以及考核方面具有低成本、浸入性強和可重復訓練的特點，從根本上解決了現(xiàn)場培訓考核帶來的種種弊端。它能提高技術(shù)人員對油井監(jiān)控設備的認識，增強對操作規(guī)程的熟練程度，實現(xiàn)工作科學化、管理規(guī)范化。但沒能將實時井控及監(jiān)測數(shù)據(jù)在3D虛擬場景中再現(xiàn)，無法將井下工況形象地再現(xiàn)，在油井監(jiān)控過程中無法實現(xiàn)有效的人機互動[3]。而且這類模擬器大多都是采用基于Open GL圖形庫，應用3DMAX建模，以C++語言開發(fā)的方法，在網(wǎng)絡上傳輸速度慢，無法滿足多用戶異地、實時協(xié)作的要求，不能在現(xiàn)場實時有效地監(jiān)控。

在對油井監(jiān)控過程進行數(shù)學建模的基礎上，設計了3D模擬及虛擬技術(shù)模型計算軟件，該軟件逼真地再現(xiàn)了油井現(xiàn)場參數(shù)的變化情況。利用3D MAX建模軟件構(gòu)建了復雜的油井下設備模型，并在Virtools平臺下利用行為模塊控制各模型獨立的運動，開發(fā)了動態(tài)的油井監(jiān)控虛擬場景。

4 基于VRML技術(shù)的井控模擬裝置

除了上述虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還有一種基于VRML的虛擬現(xiàn)實技術(shù)——井控模擬仿真。它最初是作為應用于Internet上獨立于計算機平臺的多用戶交互式3D網(wǎng)絡語言標準而確立，其具有編程簡單、交互能力較強、低帶寬運行等特點，在遠程系統(tǒng)仿真、網(wǎng)絡教育培訓以及工業(yè)生產(chǎn)等領域得到了廣泛應用。

基于VRML的虛擬技術(shù)可以有效克服網(wǎng)絡帶寬造成的瓶頸，其生成的三維圖形字節(jié)數(shù)相當?。ㄒ环S圖形的字節(jié)數(shù)相當于用其他軟件繪制的字節(jié)數(shù)的1/1 000），非常適合網(wǎng)絡傳輸[4]。

井控模擬仿真培訓系統(tǒng)是針對石油行業(yè)防井噴作業(yè)設計的專業(yè)、易用、高效的培訓系統(tǒng)。

在對石油行業(yè)從業(yè)人員進行井控(防井噴作業(yè))培訓時，不易找到場地，也不易重建溢流、井噴現(xiàn)象。為了解決這個問題，推出了井控模擬仿真培訓系統(tǒng)。系統(tǒng)利用三維場景重建技術(shù)真實復現(xiàn)溢流現(xiàn)象，在三維場景中由相應的虛擬人物來代替學員進行操作。為了使學員對井控設備有較為感性的認識，系統(tǒng)中設計有半實物設備（設備外形與真實設備高度一致，其內(nèi)部電路數(shù)字化，可傳送各種信號），學員對半實物設備進行操作時虛擬場景中的虛擬設備也會有相應的動作。井控模擬裝置如圖1所示。

圖1 井控模擬裝置

VRML使用Open Inventor3D場景圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來建立3D實境，可以很好的與其他三維繪圖工具兼容，直接利用本地計算機便可把接收的指令性文件轉(zhuǎn)換成極富感染力的3D可視化虛擬環(huán)境。而且VRML最具特色和代表性的的特征是具有動態(tài)感知節(jié)點（如能見度傳感器節(jié)點及碰撞傳感器節(jié)點等），可以很好地感知用戶和虛擬環(huán)境之間的動態(tài)交互。這些特點都十分有利于實現(xiàn)具有初步人工智能的、交互式的實時油井監(jiān)控系統(tǒng)，從而建立虛擬油井3D全息監(jiān)控系統(tǒng)。

[1]孟永東，田斌．基于Java和My SQL的虛擬現(xiàn)實動態(tài)場景構(gòu)建方法[J]．系統(tǒng)仿真學報，2005，17（9）：2 287-2 290．

[2]周萍萍．基于無線傳感器網(wǎng)絡的油井監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．油氣田地面工程，2013，32（7）：71-72.

[3]趙慶國，趙華，湛林福，等．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在石油勘探中的應用[J]．石油大學學報：自然科學版，2005，29（1）：30-33.

[4]鄒紅，包競生，陸津．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在油田生產(chǎn)建設中的應用[J]．油氣田地面工程，2012，31（9）：81.