基于Virtools的隨機(jī)交互式井控安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚福華，張銘江

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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基于Virtools的隨機(jī)交互式井控安全培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尚福華，張銘江

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

摘要：針對油田井控安全操作培訓(xùn)的不足，介紹了基于Virtools的井控安全培訓(xùn)系統(tǒng)的過程，同時(shí)，針對井控情境，用多種方法實(shí)現(xiàn)了在仿真系統(tǒng)中對流體的模擬，保證了系統(tǒng)的真實(shí)性和流暢性，并使用Array數(shù)據(jù)表實(shí)現(xiàn)了井控模擬操作中的隨機(jī)交互行為. 此安全培訓(xùn)系統(tǒng)提高了安全培訓(xùn)效果，提升了員工的整體操作水平，從而保障了井控安全.

關(guān)鍵詞：Virtools； 虛擬現(xiàn)實(shí)； 安全培訓(xùn)； 井控

石油鉆井是一個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、多事故的行業(yè)，有資料表明，在油氣田開發(fā)中鉆井作業(yè)所出現(xiàn)的安全事故尤為突出[1]，如在起鉆、測井、完井的各個(gè)環(huán)節(jié)都可能發(fā)生諸如卡鉆、鉆具斷落、落物、測井事故、井噴、井漏及其他較為復(fù)雜的安全事故[2].這些安全事故不僅會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失，甚至?xí)腥藛T傷亡，這給企業(yè)和家庭造成了沉重的打擊，影響了社會的和諧和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.因此，有必要進(jìn)行合理有效的安全生產(chǎn)，而要達(dá)此目的，安全生產(chǎn)培訓(xùn)也就顯得尤為重要.

1井控安全事故與虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)

1.1井控安全的主要事故通常，當(dāng)?shù)貙涌紫秹毫Υ笥诰讐毫r(shí)，地層孔隙或裂縫中的液體就會進(jìn)入井內(nèi)，這是井控安全中的井侵事故.一旦發(fā)生井侵后，井口返出鉆井液的量會比所泵入鉆井液的量還要多，或者是在停泵后井口鉆井液還在自動(dòng)外溢，這就是溢流事故.發(fā)生溢流后如果不及時(shí)進(jìn)行處理，溢流就會進(jìn)一步發(fā)展，使得鉆井液很快涌出井口，形成井涌.溢流和井涌發(fā)生后，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)或者發(fā)現(xiàn)了但沒有做出正確的判斷和采取積極有效的措施，溢流或井涌往往會在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)展成為井噴，所謂井噴就是在井涌進(jìn)一步發(fā)展后，當(dāng)?shù)貙恿黧w無控制地進(jìn)入井筒，噴出轉(zhuǎn)盤面2m或者更高時(shí)，這種現(xiàn)象稱之為井噴；在井噴發(fā)生后，在井口無法用常規(guī)方法來控制而出現(xiàn)敞噴的現(xiàn)象稱為井噴失控，如大慶油田的喇83井、杏5井都是因井噴失控而將整套鉆井設(shè)備陷入地殼.在井噴之后，失去控制的地層流體在地面遇到火源而著火的現(xiàn)象稱為井噴失火.井噴失控和井噴失火是鉆井過程中最惡性的事故，應(yīng)盡量避免此類事故的發(fā)生.

1.2井控安全事故的處理方法關(guān)井程序：在鉆井過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溢流征兆后，要準(zhǔn)確無誤地迅速關(guān)井，這是防止發(fā)生井噴的唯一正確的處理方法，切不能因?yàn)橐缌髁啃《韬?，因?yàn)槿绮患皶r(shí)正確地控制井口，就有可能引發(fā)井噴和井噴失控.發(fā)生溢流后有兩種關(guān)井方法[3]，即硬關(guān)井和軟關(guān)井，硬關(guān)井是指一旦發(fā)現(xiàn)溢流或者井涌，就立即關(guān)閉防噴器的操作程序；軟關(guān)井指的是發(fā)現(xiàn)溢流關(guān)井時(shí)，先打開節(jié)流閥一側(cè)的通道，再關(guān)閉防噴器，最后關(guān)閉節(jié)流閥的操作程序，具體的關(guān)井程序由于各油田的規(guī)定不同而略有差別.

壓井程序：向失去壓力平衡的井內(nèi)泵入高密度的鉆井液，并始終控制井底壓力略大于地層壓力，以重建和恢復(fù)壓力平衡.

1.3虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在井控安全中的應(yīng)用 對射孔、新井作業(yè)井場及地下相關(guān)工具、設(shè)備進(jìn)行三維建模，在三維建模的基礎(chǔ)上，制作試油、射孔、新井作業(yè)工序和試油工序井噴風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對技術(shù)三維動(dòng)畫特效，主要包括流體、破冰、煙、霧、火等特效；同時(shí)結(jié)合三維模型和相關(guān)動(dòng)畫特效，使用關(guān)鍵幀動(dòng)畫制作技術(shù)進(jìn)行試油、射孔、新井作業(yè)工序和試油工序井噴風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對技術(shù)三維動(dòng)畫制作.在三維動(dòng)畫的基礎(chǔ)上，利用三維場景和模型，編碼實(shí)現(xiàn)部分工序的三維交互演練系統(tǒng)和三維考試系統(tǒng).

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)仿真的基礎(chǔ)是相關(guān)模型的建立，包括不活動(dòng)的模型和可運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)模型，它通過模型集合對靜止場景的再現(xiàn)和活動(dòng)模型對場景中運(yùn)動(dòng)物體的模擬來完成虛擬仿真.動(dòng)畫系統(tǒng)包括流體特效模擬，井內(nèi)外壓力差異必然會導(dǎo)致井內(nèi)液柱的變化，根據(jù)不同原因?qū)е碌木畠?nèi)外壓力差異對井下情況進(jìn)行模擬仿真，這主要是通過模型貼圖來完成，發(fā)生溢流或者井噴等情況時(shí)流體特效模型就派上用場了.壓井操作是處理井噴風(fēng)險(xiǎn)最常用的操作之一，用戶點(diǎn)擊場景中的壓井管匯模型時(shí)，壓井液就會通過管匯注入井筒.

1.4虛擬仿真培訓(xùn)的迫切性油田職工的學(xué)歷層次和能力不齊，不同的培訓(xùn)者其能力高低存在差異，領(lǐng)悟快慢也不同，因此，開發(fā)一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)的井控安全培訓(xùn)系統(tǒng)就顯得格外重要.利用虛擬培訓(xùn)技術(shù)對企業(yè)員工進(jìn)行安全生產(chǎn)培訓(xùn)已經(jīng)成為油田企業(yè)發(fā)展的趨勢[4].

2系統(tǒng)功能和建模設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)功能分析經(jīng)驗(yàn)之塔理論[5]將人的經(jīng)驗(yàn)分為直接經(jīng)驗(yàn)、間接經(jīng)驗(yàn)和抽象經(jīng)驗(yàn).該培訓(xùn)系統(tǒng)的用戶為成年學(xué)習(xí)者，他們的學(xué)習(xí)具有目標(biāo)明確、獨(dú)立學(xué)習(xí)能力很強(qiáng)的特點(diǎn)，依據(jù)這些特點(diǎn)，可采用三維動(dòng)畫演示、交互演練、三維動(dòng)畫考評等形式.該系統(tǒng)也為用戶搭建了虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，在這個(gè)虛擬情境中，學(xué)習(xí)者可沉浸在三維動(dòng)畫演示中并與之互動(dòng)，從而從中獲取寶貴的“直接經(jīng)驗(yàn)”.交互演練解決了學(xué)習(xí)者在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中由于客觀條件限制而使某些經(jīng)驗(yàn)無法獲得的問題，在做的過程中獲得“間接經(jīng)驗(yàn)”，待在真實(shí)情境中積累了豐富的感性認(rèn)識后，再進(jìn)行科學(xué)的抽象，使感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識，這時(shí)，三維動(dòng)畫考評系統(tǒng)就能讓學(xué)習(xí)者在獲得直接和間接經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，又獲得“抽象經(jīng)驗(yàn)”.

2.2系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)井控安全培訓(xùn)系統(tǒng)包含三個(gè)子系統(tǒng)：演示系統(tǒng)、交互演練系統(tǒng)和考試系統(tǒng).通過演示系統(tǒng)播放三維動(dòng)畫視頻，將井控風(fēng)險(xiǎn)識別及應(yīng)對技術(shù)傳達(dá)給培訓(xùn)人員.該系統(tǒng)主要使用非線性視頻編輯技術(shù)來制作三維動(dòng)畫視頻；并通過視頻壓縮減少數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)行速度，在很大程度上寓教于樂.在演示系統(tǒng)培訓(xùn)基礎(chǔ)上，利用交互演練系統(tǒng)，使培訓(xùn)人員在虛擬的三維井控場景中進(jìn)行交互式學(xué)習(xí)演練，在逼真情境中提高培訓(xùn)效率.該系統(tǒng)利用虛擬環(huán)境中的人機(jī)交互技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人在虛擬井場中進(jìn)行相關(guān)的井控操作演練，既安全又可以反復(fù)練習(xí)，達(dá)到了安全培訓(xùn)的目的.在直接和間接學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，使用三維交互考試場景，對培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)效果加以檢驗(yàn)，并把考試結(jié)果反饋給培訓(xùn)人員.

圖2　動(dòng)畫演示系統(tǒng)打撈作業(yè)工序井噴模擬

2.3作業(yè)井場及地下相關(guān)設(shè)備的三維建模實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟是要?jiǎng)?chuàng)建井控風(fēng)險(xiǎn)識別及與應(yīng)對技術(shù)相關(guān)的虛擬作業(yè)場景和工具、設(shè)備等的三維模型.相關(guān)井場及設(shè)備的三維模型是建立三維仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，模型質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行的效果和場景的逼真度[6].

2.3.1建模相關(guān)模型的制作主要分為四個(gè)方面：對結(jié)構(gòu)簡單的設(shè)備進(jìn)行建模，主要使用標(biāo)準(zhǔn)基本體之間的組合與頂點(diǎn)的微調(diào)相結(jié)合的方式進(jìn)行幾何建模.對那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行建模，主要使用標(biāo)準(zhǔn)基本體與模型修改器之間的組合，并結(jié)合相應(yīng)的模型定點(diǎn)操作進(jìn)行幾何建模.而對設(shè)備模型所進(jìn)行的物理屬性建模，應(yīng)對所建的模型進(jìn)行紋理、顏色、光照等處理，使模型的外觀達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使其具有真實(shí)感.最后對于具有柔性運(yùn)動(dòng)的模型，主要是通過運(yùn)動(dòng)建模的方法來實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境下的物體運(yùn)動(dòng)模擬[7].

2.3.2三維模型的優(yōu)化真實(shí)的油田作業(yè)井場設(shè)備多且雜，因此，要?jiǎng)?chuàng)建的虛擬作業(yè)井場是一個(gè)非常復(fù)雜的模型集合，在渲染過程中會實(shí)時(shí)生成大量的多邊形，這增加了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的開銷，降低了實(shí)時(shí)交互的速度.因此，在建模的過程中應(yīng)綜合應(yīng)用各種三維模型優(yōu)化技術(shù)來進(jìn)行優(yōu)化，以減少模型所占據(jù)的內(nèi)存空間，從而使系統(tǒng)運(yùn)行流暢[8].優(yōu)化主要是從三個(gè)方面進(jìn)行[9]：對具有相同材質(zhì)的非活動(dòng)模型進(jìn)行合并，以減少模型的總個(gè)數(shù)；刪除不可見的面來減少模型的總面數(shù)；精簡模型的總貼圖量.

3系統(tǒng)子功能的實(shí)現(xiàn)

主要介紹虛擬仿真子系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn).對于交互演練系統(tǒng)的制作，采用的軟件是Virtools，該軟件制作需具有沉浸感的虛擬環(huán)境，為的是使參與者生成諸如視覺、聽覺等各種感官信息，給參與者一種身臨其境的感覺[10].這樣才能夠很好地實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的人機(jī)交互和在虛擬井場中所進(jìn)行的相關(guān)井控操作演練.

3.1流體模擬

圖3　三維交互系統(tǒng)壓井管交互

3.1.1演示系統(tǒng)中的流體模擬在Virtools中進(jìn)行虛擬環(huán)境編輯之前，先從3DSMax軟件中導(dǎo)出制作格式為*.NOM的模型，然后在Virtools中導(dǎo)入NOM格式的模型.演示系統(tǒng)中的動(dòng)畫主要由3DSMax完成，為更真實(shí)地再現(xiàn)井控操作中的流體運(yùn)動(dòng)，流體模型及特效則由RealFlow軟件生成[11].需要生成流體動(dòng)畫時(shí)，則將在3DSMax完成的容器模型導(dǎo)出為OBJ格式，然后將文件導(dǎo)入RealFlow進(jìn)行模擬[12].溢流場景使用了三個(gè)粒子發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器的方向互不相同，以此來模擬溢流的不均勻，井涌與溢流相似，但液體流動(dòng)速度較快，通過更改粒子發(fā)射器的速度曲線來模擬井涌的波動(dòng)性.模擬完成后通過接口文件將產(chǎn)生的Mesh序列加載到3DSMax中，最終完成逼真的井控演示動(dòng)畫.

圖4　三維考試系統(tǒng)選擇題

3.1.2交互考評系統(tǒng)中的流體模擬為了在虛擬場景中再現(xiàn)因井控操作失誤而導(dǎo)致的溢流和井噴的效果，并與演示系統(tǒng)中的動(dòng)畫保持一致，以增強(qiáng)用戶的沉浸感，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中共使用了三種方式，通過“PlayAnimation3DEntity”模塊播放從3DSMax軟件中導(dǎo)入的井筒液柱動(dòng)畫；對于部分無法從3DSMax軟件導(dǎo)入到Virtools中的流體動(dòng)畫，則采用“TextureScroller”模塊進(jìn)行貼圖滾動(dòng)的方式；通過使用Virtools內(nèi)的粒子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油柱溢出后的井噴等動(dòng)畫，Virtools提供了多種粒子發(fā)射器，可以模擬不同的粒子效果，也可對粒子系統(tǒng)行為模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來更改粒子噴射的數(shù)量以及角度.對于部分動(dòng)畫設(shè)置了攝像機(jī)跟隨效果，更好地展示了地下井筒內(nèi)的液體流動(dòng)情況.

3.2物體識別與漫游控制三維交互演練系統(tǒng)中，交互操作是通過點(diǎn)擊虛擬場景中的工具和設(shè)備模型來實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)中當(dāng)光標(biāo)劃過或放在設(shè)備模型上時(shí)，場景中會顯示設(shè)備名稱，在識別時(shí)指示圖標(biāo)和文字提示會同時(shí)顯示，這增強(qiáng)了用戶的體驗(yàn)；識別功能打開時(shí)可以通過按鍵和鼠標(biāo)控制攝像機(jī)，讓它能圍繞設(shè)備或工具模型進(jìn)行漫游，對虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的設(shè)備及工具模型進(jìn)行不同角度的觀察，這有助于用戶認(rèn)識和辨別不同的設(shè)備和工具.

圖5　判斷交互次序的腳本

3.3系統(tǒng)交互次序的判斷部分內(nèi)容需要判斷設(shè)備模型的交互次序.解決辦法如下：記錄每組操作順序并為其設(shè)置一個(gè)Array數(shù)據(jù)表，在Array數(shù)據(jù)表中設(shè)置n列，每列對應(yīng)一組操作，該列的每一個(gè)單元格分別按順序?qū)?yīng)每一次的交互操作，為每個(gè)待交互設(shè)備模型單獨(dú)設(shè)置腳本，本系統(tǒng)中由“WaitMessage”行為模塊接受鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件，當(dāng)點(diǎn)擊發(fā)生時(shí)即使用“SetCell”行為模塊將對應(yīng)單元格內(nèi)的數(shù)值設(shè)置為1，然后使用“ColumnSum”行為模塊對該列進(jìn)行求和，由若干“Test”行為模塊對所得的值進(jìn)行判斷，每個(gè)“Test”行為模塊中設(shè)置的參數(shù)代表操作順序的數(shù)值，當(dāng)需要控制交互流程時(shí)，若所得的值與代表正確操作順序的值匹配，則通過“SendMessage”行為模塊通知系統(tǒng)中的活動(dòng)模型進(jìn)行相應(yīng)的反饋操作，否則不進(jìn)行操作，若需要通知系統(tǒng)某一隨機(jī)交互行為的發(fā)生次序時(shí)則在對應(yīng)測試結(jié)果后向系統(tǒng)發(fā)送消息.

由于點(diǎn)擊時(shí)伴隨著該列中的某一單元格的值的改變，所以每一次的操作都是相對獨(dú)立的，代表交互發(fā)生的單元格變化與代表交互行為共發(fā)生了幾次的求和判斷按照先后順序接連進(jìn)行，因此這種解決辦法是可行的，并且可以保證在點(diǎn)擊次序與正確流程匹配時(shí)系統(tǒng)才會提供反饋.利用這種方法完成交互流程控制的同時(shí)又可精確判斷系統(tǒng)中某一隨機(jī)交互行為的發(fā)生次序.

4結(jié)語

通過對井控事故中流體的模擬，增強(qiáng)培訓(xùn)人員的臨場感，在系統(tǒng)開發(fā)中進(jìn)行了一次嘗試，驗(yàn)證了使用Array數(shù)據(jù)表判斷隨機(jī)交互次序的可行性，及時(shí)糾正井控培訓(xùn)中的錯(cuò)誤操作次序，可提高培訓(xùn)效率，減少錯(cuò)誤記憶；這種判斷操作次序的方式簡便易實(shí)現(xiàn)，不需要連接數(shù)據(jù)庫，但需要給每個(gè)待交互模型都設(shè)置類似的腳本，僅依靠Array數(shù)據(jù)表和行為模塊的組合可能難以完成更加復(fù)雜的功能.

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收稿日期：2016-01-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61170132);國家重大專項(xiàng)(2011ZX05020-007)

作者簡介：尚福華(1962-)，男，吉林延吉人,研究生導(dǎo)師，教授，博士后，主要研究方向：人工智能、數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)理論與方法 通信作者： 張銘江(1988-)，男，黑龍江明水人，東北石油大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院2013級碩士研究生，E-mail：2638800@163.com

文章編號：1004-1729(2016)02-0145-05

中圖分類號：TP 302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0022

Design and Implementation of the Random Interaction Well ControlSecurityTrainingSystemBasedonVirtools

Shang Fuhua, Zhang Mingjiang

(CollegeofComputerandInformationTechnology,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China)

Abstract：In the study, to solve the disadvantage of safety operation training for well control on oil field, the process of developing well control safety training system based on Virtools was introduced. Under well control condition, a variety of methods were performed to simulate the fluid, and Array data table was used to realize the random interactive behavior of the well controlled simulation operation. The training system enhanced the training effect, elevated the operation level of all the staffs, achieved the standardized operation, and further kept the well control safety.

Keywords：Virtools; virtual reality; safety training; well control