油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究

何志州 白璐璐 霍韜 劉曉東

摘要：鉆井施工中，表層黃土層井漏突出，以往多采用下導管注水泥封固的方法，但這種方法因黃土層承壓能力低，環(huán)空循環(huán)阻力大，難以在導管與井眼環(huán)空形成水泥環(huán)，不能有效封隔薄弱漏失層，表層鉆進井漏復發(fā)率很高，黃土高原淺表層鉆進易發(fā)生漏失，漏失率達29.49%，鉆井液泄漏可直接流入河流、農(nóng)田，造成環(huán)境污染，傳統(tǒng)鉆井工藝難以徹底解決黃土層漏失。為此研制出黃土層鉆固一體化方案，基本步驟主要分三部分：黃土層干鉆、下導管、封固導管。為了解決環(huán)境污染問題，提高現(xiàn)場操作人員、維修維護人員專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能，減少設(shè)備故障及故障損失系該仿真研究的意義所在。油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究正是基于以上目的。

關(guān)鍵詞：干法掘進及封固工藝、原理動畫、3D Studio Max

基于企業(yè)培訓用途的系列石油機械原理動畫的制作項目，選擇石油企業(yè)普遍使用的通用設(shè)備為主題對象，開發(fā)其工作原理與組裝三維動畫用于現(xiàn)場人員培訓。主要因為此類設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜、現(xiàn)場故障率高，容易發(fā)生漏失現(xiàn)象。鉆井液泄漏可直接流入河流、農(nóng)田，造成環(huán)境污染，傳統(tǒng)鉆井工藝難以徹底解決黃土層漏失。根據(jù)設(shè)計的要求，采用三維原理動畫來逐漸替代傳統(tǒng)二維講解方法，并基于3D Studio Max實現(xiàn)幾何模型的參數(shù)化建模方法及其實現(xiàn)原理介紹了黃土層干法掘進及封固工藝的全過程。黃土層干法掘進及封固工藝設(shè)計中所設(shè)計的所有場景及元件的外觀造型均應(yīng)用3D Studio Max軟件進行場景及元件的外觀設(shè)計的流程加以制作。

為此研制出黃土層鉆固一體化方案，提高現(xiàn)場組裝人員、維修維護人員專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能，減少設(shè)備故障及故障損失系該原理動畫開發(fā)的意義所在。為此研制出黃土層鉆固一體化方案，基本步驟主要分三部分：黃土層干鉆、下導管、封固導管。為了解決環(huán)境污染問題，提高現(xiàn)場操作人員、維修維護人員專業(yè)素養(yǎng)與專業(yè)技能，減少設(shè)備故障及故障損失系該仿真研究的意義所在。

三維原理動畫能準確地表達機械的工作原理以及其復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，更符合人們的思維方式;能組建進行有限元分析的原始數(shù)據(jù)，從而進行幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計，并實現(xiàn)CAD、CAE、CAPP、CAM的集成?；?DMax實現(xiàn)幾何模型的參數(shù)化建模方法及其實現(xiàn)原理得到的初期三維原理動畫，再通過著色和渲染功能進一步優(yōu)化，最終完成介紹黃土層鉆固一體化方案的三維原理動畫。有助于現(xiàn)場施工，縮短施工周期，提高產(chǎn)品的組裝與維護效率，為企業(yè)培訓方式以及現(xiàn)場施工方式帶來巨大的變革。

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真研究流程如下：首先，在3Ds Max中根據(jù)已知尺寸進行各零件建模，然后在3Ds Max環(huán)境下將制作完成的模型組件在一起，賦予材質(zhì)。在制作水流和煙霧等流體物質(zhì)時，采用了3Ds Max中的“粒子系統(tǒng)”下的“超級噴射”功能，制作出在制定時間內(nèi)和流速下的粒子物質(zhì)。在制作部件的說明和尺寸的介紹時，部件與說明文字之間的延伸線，其動態(tài)延展的效果是首先通過繪制樣線條，其次創(chuàng)建圓柱體結(jié)合“路徑變形”修改器制作出在一段時間內(nèi)連通線按照所繪制的樣線條勻速延展的動態(tài)效果;文字說明通過在3Ds Max中創(chuàng)建文本對象，對其使用“擠出”功能，再為文本對象賦予材質(zhì)，通過在時間軸上不同的位置增加改變材質(zhì)對話框中的透明度的關(guān)鍵幀，制作出文本淡入淡出的效果。

畫面的視角變化主要是通過創(chuàng)建“自由攝像機”結(jié)合時間軸上關(guān)鍵幀的設(shè)置來完成的。由于需要畫面與畫面之間的變換的銜接，所以一套動畫的視角變換通常只需要設(shè)定一臺自由攝像機，通過在時間軸上不同的位置改變攝像機的位置，焦點的位置，來控制視口中所顯示的效果。

在創(chuàng)建的工程中導入需要剪輯的視頻動畫，在建立好序列后首先要做的就是在“速度/持續(xù)時間”中調(diào)整播放速度。在完成自此項操作后，在工程中導入準備好的音頻文件，主要包括背景音樂和真人解說音頻，同樣將音頻文件放到對應(yīng)的音頻序列中，通過效果控件面板調(diào)整音頻的音量參數(shù)等。

在制作字幕時，會遇到解說音頻和視頻畫面不匹配的情況，這時候就需要通過調(diào)整“速度/持續(xù)時間”中的參數(shù)或者通過截取當前畫面放在播放頭停駐的位置，以延緩畫面播放進程，使畫面內(nèi)容與解說音頻相匹配。而這一過程，需要不斷地使用剃刀工具對視頻，音頻進行剪輯，需要掌握停滯時延，盡可能做到銜接自然。在制作首位標題文字和結(jié)束文字時，通過改變“效果控件”中的透明度的參數(shù)和運動卷展欄下的位置參數(shù)，以制作出文字淡入淡出和位移變換的效果。

此時作品還是一系列沒有連接在一起的單獨的動畫，通過Unity3D設(shè)計交互響應(yīng)，使一系列動畫得以按照交互設(shè)計的方式聯(lián)系在一起。

最后完成的動畫渲染導出成獨立的視頻動畫，這時注意導出視頻的幀率設(shè)置。此時的三維動畫播放速度較快，畫面變換比較令人應(yīng)接不暇，所以還需導入Premiere中進行剪輯和調(diào)整。此外一系列沒有連接在一起的單獨的動畫，通過Unity3D設(shè)計交互響應(yīng)，使一系列動畫得以按照交互設(shè)計的方式聯(lián)系在一起。

在Unity中首先新建一個2D的工程，設(shè)置畫布的長寬尺寸，這將是我們導出的成品后展示窗口的大小;然后將準備好的圖片、視頻、音頻素材導入到該工程的資源文件夾下，將畫布的背景圖片改變?yōu)闇蕚浜玫谋尘皥D，此時正在編輯的場景為初始場景，該場景是作為介紹該項目而設(shè)置的，具體信息有該項目的名稱和制作方等。

另外還需要制作跳轉(zhuǎn)到查閱項目的觸發(fā)按鈕，該項目中使用圖片對象，附加按鈕屬性，在新建的C#腳本中使用Visual Studio軟件編寫按鈕的腳本，實現(xiàn)場景間的跳轉(zhuǎn)功能。在內(nèi)容場景，即第二個場景中，新建對應(yīng)數(shù)量的圖片對象并為它們附加按鈕屬性，然后將準備好的按鈕圖片拖拽到這些按鈕的Image屬性下，改變對象的顯示外觀，在此之前還可以新建一個Panel來組織這些按鈕，以便更方便的排版選擇界面。

除此之外，界面的右側(cè)設(shè)置有控制視頻播放、暫停、停止的控制臺，該控制臺由一個panel對象和兩個button對象組成，在后臺的C#腳本中為兩個按鈕編寫控制腳本，并將功能掛載到對應(yīng)按鈕對象上，使用者可以通過點擊按鈕來控制播放窗口中的視頻。此外，為了界面看起來更加清爽簡潔，同時也是為了避免不必要的錯誤，當用戶更換了選擇頁面或者點擊了視屏控制臺中的stop按鈕后，視屏控制臺將從界面右邊平移退出顯示窗口，當用戶點擊了某個視屏內(nèi)容的按鈕后，該控制臺又從右側(cè)平移出現(xiàn)在視圖區(qū)內(nèi)。同樣，該功能也是通過C#語言編寫腳本來實現(xiàn)的。至此，該項目的基本功能全部完成，設(shè)置打包的參數(shù)，然后打包成在windows平臺下運行的.exe執(zhí)行文件。

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真動畫的制作過程中的重點與難點有如下幾點：

1.3Ds Max中在制作動畫時注意攝像機的視口變換不宜過快，這樣容易造成畫面不穩(wěn)定，應(yīng)該在兩個攝像機位移變換的關(guān)鍵幀之間間隔足夠多的普通幀。

2.3Ds Max中在使用粒子系統(tǒng)制作流體時，所設(shè)定的粒子數(shù)目不易過高，否則容易造成軟件卡頓至崩潰。

3.Premiere 導出媒體時，注意設(shè)置導出視頻的編碼格式，視頻源和導出視頻的幀率是否匹配，如果設(shè)置不當，可能會造成視頻播放時畫面抖動的問題。

4.在Unity 3D中，注意設(shè)置攝像機的參數(shù)和畫布的參數(shù)，這關(guān)系到三維對象在視圖區(qū)是否可見。

5.Unity 3D打包工程時注意設(shè)置輸出項目的參數(shù)，通常不勾選全屏模式，這會改變我們的場景大小，進而使得場景中的對象錯位。

結(jié)論

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究密切結(jié)合數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)專業(yè)技能特點，立足石油企業(yè)實際需求，前期調(diào)研得知企業(yè)非常明確此類動畫對于企業(yè)自身的價值與意義，但動畫開發(fā)公司開發(fā)此類產(chǎn)品的價格高企，企業(yè)很難選用。油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝原理動畫由數(shù)字媒體技術(shù)專業(yè)師生以創(chuàng)新訓練項目的形式開發(fā)完成既鍛煉提高了學生專業(yè)素養(yǎng)也使得開發(fā)成本遠低于動畫開發(fā)公司，利于企業(yè)選用。