張 金 梁海波 張 張露之

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

綜合錄井是對(duì)鉆井過(guò)程進(jìn)行隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)能夠有效地提高鉆井效率、降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，在指導(dǎo)鉆井施工、進(jìn)行地層評(píng)價(jià)和油氣資源評(píng)價(jià)方面具有無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)作用[1]。如何使錄井工作人員，尤其是新進(jìn)錄井人員快速、熟練、有效地掌握綜合錄井技術(shù)，已成為評(píng)價(jià)綜合錄井培訓(xùn)效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

針對(duì)當(dāng)前綜合錄井培訓(xùn)方式的不足，在查閱了綜合錄井相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和3Dmax仿真技術(shù)，提出了一套綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)錄井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、綜合錄井儀器儀表、綜合錄井操作過(guò)程、錄井儀故障診斷以及綜合錄井資料解釋等內(nèi)容的仿真模擬，系統(tǒng)最大程度地接近真實(shí)錄井現(xiàn)場(chǎng)以及綜合錄井工藝過(guò)程，從而達(dá)到了較好的綜合錄井培訓(xùn)目的。

1 培訓(xùn)方式改進(jìn)與需求分析

傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)是通過(guò)閱讀錄井培訓(xùn)手冊(cè)、聽(tīng)取有經(jīng)驗(yàn)的錄井人員的講解、參加錄井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作等方式，逐步掌握綜合錄井技術(shù)。綜合錄井儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能龐大、操作過(guò)程繁雜，而傳統(tǒng)的錄井培訓(xùn)方式又存在以下不足。

①無(wú)法對(duì)綜合錄井傳感器儀器儀表的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、安裝位置與安裝過(guò)程、綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集過(guò)程等內(nèi)容進(jìn)行全面、系統(tǒng)化的培訓(xùn)。

②由于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需求，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合錄井軟硬件系統(tǒng)脫離現(xiàn)場(chǎng)的培訓(xùn)。培訓(xùn)時(shí)間、培訓(xùn)地點(diǎn)、培訓(xùn)人員數(shù)量等受到限制，從而使受培訓(xùn)人員很難在短時(shí)間內(nèi)全面、快速、熟練地掌握綜合錄井軟硬件系統(tǒng)的操作方法。

③綜合錄井儀器故障通常依靠錄井操作人員自身經(jīng)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)和排除。這在很大程度上依賴(lài)于錄井操作人員自身從事錄井作業(yè)時(shí)間及其積累的錄井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，故障排除效率低。同時(shí)，在現(xiàn)有的錄井培訓(xùn)條件下，希望新進(jìn)錄井工作人員能在短時(shí)間內(nèi)掌握大部分或者全部綜合錄井儀常見(jiàn)故障以及故障排除方法幾乎是不可能的。

顯然，傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)方式已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前高節(jié)奏、高效率的石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要。然而，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為綜合錄井培訓(xùn)開(kāi)辟了新的途徑。本文將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與3Dmax仿真技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計(jì)的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)、綜合錄井傳感器、儀器故障及故障排除方法、數(shù)據(jù)采集過(guò)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件操作、錄井單元房布置以及其他錄井儀器、資料解釋與應(yīng)用等內(nèi)容。其中基礎(chǔ)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件操作、儀器故障及故障排除方法、資料解釋與應(yīng)用四部分內(nèi)容主要基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而綜合錄井傳感器、數(shù)據(jù)采集過(guò)程、錄井單元房布置以及其他錄井儀器四部分內(nèi)容主要基于3Dmax仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 The overall framework of the system

綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)每部分培訓(xùn)內(nèi)容均采用相應(yīng)的介紹性培訓(xùn)與一定的互操作性培訓(xùn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，從而將綜合錄井培訓(xùn)系統(tǒng)搭建成一個(gè)涵蓋內(nèi)容全面、培訓(xùn)方式多樣、人機(jī)交互友好、完全脫機(jī)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

2.2 虛擬仿真設(shè)計(jì)

虛擬儀器是指在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義虛擬儀器面板，大部分測(cè)試功能由其測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種儀器系統(tǒng)[2]。本文選擇美國(guó)NI公司生產(chǎn)的LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件作為整個(gè)綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它為用戶提供了豐富的圖形控件，人機(jī)交互界面友好，軟件開(kāi)發(fā)周期短[3]。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)知識(shí)與專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件操作、儀器故障及故障排除方法以及資料解釋與應(yīng)用四大功能模塊。

下面對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件仿真模塊的設(shè)計(jì)做詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件仿真模塊設(shè)計(jì)時(shí)，參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)綜合錄井軟件，在監(jiān)測(cè)主界面對(duì)錄井現(xiàn)場(chǎng)鉆井平臺(tái)、節(jié)流管匯、氣液分離器、鉆井液池等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的模擬布局。

為了使主界面更加美觀，充分應(yīng)用LabVIEW提供的各種豐富的圖形控件，進(jìn)行綜合錄井儀器儀表前面板的設(shè)計(jì)。仿真的儀器儀表盤(pán)更加接近真實(shí)的綜合錄井儀器儀表盤(pán)，本文使用了LabVIEW獨(dú)有的控件自定義功能，將一些諸如按鈕控件、數(shù)字顯示控件、表盤(pán)控件等重新定義成新的、更加美觀的用戶界面組件，從而使得仿真的儀器儀表盤(pán)更加真實(shí)、形象、美觀。

應(yīng)用LabVIEW提供的豐富內(nèi)置函數(shù)和工具包可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種儀器儀表的功能仿真，并基于仿真數(shù)據(jù)源將仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在虛擬儀表盤(pán)上。點(diǎn)擊不同儀器儀表設(shè)備，系統(tǒng)能夠自動(dòng)彈出該設(shè)備實(shí)時(shí)仿真曲線，從而實(shí)現(xiàn)綜合錄井儀器儀表的虛擬仿真。

通過(guò)綜合錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真，培訓(xùn)人員能夠快速熟悉和了解綜合錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)以及相關(guān)鉆井設(shè)備在鉆井現(xiàn)場(chǎng)的相對(duì)位置等情況。

2.3 三維仿真設(shè)計(jì)

三維仿真設(shè)計(jì)時(shí)既可以利用LabVIEW自帶的三維圖形工具箱建立三維模型，也可以使用其他的專(zhuān)業(yè)建模軟件建模后再導(dǎo)入LabVIEW[4]。

由于綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)涉及的三維模型復(fù)雜，僅依靠LabVIEW自帶的三維圖形工具箱無(wú)法滿足軟件設(shè)計(jì)需求。而3Dmax軟件在三維仿真建模方面具有渲染效果強(qiáng)、設(shè)計(jì)操作界面簡(jiǎn)潔直觀、設(shè)計(jì)效率高、視圖功能直觀強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)[5]。因此，本文選擇采用了在3Dmax軟件上開(kāi)發(fā)三維仿真模型，再將三維仿真模型導(dǎo)入LabVIEW的方案。

下面以綜合錄井溫度傳感器的三維仿真建立過(guò)程為例說(shuō)明三維仿真部分的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.3.1 三維仿真模型的建立

首先利用3Dmax模型庫(kù)里的標(biāo)準(zhǔn)化模型設(shè)計(jì)出綜合錄井溫度傳感器的整體框架。然后，通過(guò)一系列如編輯樣條線、車(chē)削、編輯網(wǎng)格、錐化等基本操作命令，制作出具有三維立體效果的溫度傳感器三維模型。再通過(guò)照明、相機(jī)設(shè)置等命令對(duì)三維模型進(jìn)行相關(guān)的渲染操作。最后對(duì)設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)行保存。3Dmax默認(rèn)的數(shù)據(jù)文件為*.max文件，除此之外，其還能導(dǎo)出* .3ds、* .ASC、* .ASE、* .DXF、* .Ai等文件格式，而LabVIEW僅支持VRML、STL和 ASE三種三維文件的導(dǎo)入。同時(shí)，ASE文件以文本的形式保存了三維模型所有的信息，很容易讀取，而且用一般的文本編輯軟件就可以進(jìn)行修改[6]。

本文將設(shè)計(jì)好的溫度傳感器三維模型以*.ASE格式進(jìn)行保存，為后續(xù)LabVIEW環(huán)境中對(duì)三維模型的調(diào)用做準(zhǔn)備。

2.3.2 仿真模型的調(diào)用與控制

3Dmax是Kinetix公司的三維圖形建模和動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)軟件，能方便建立各種復(fù)雜物體模型，但是很難進(jìn)行程序控制[7]。而LabVIEW中提供了豐富的三維圖形操作函數(shù)，能夠很方便地對(duì)三維圖形實(shí)現(xiàn)程序控制。

在進(jìn)行模型的調(diào)用與控制時(shí)，在LabVIEW前面板上放置三維圖片顯示控件，在后臺(tái)程序框圖上放置Create Object.vi和 Load ASE Geametry.vi兩個(gè)函數(shù) vi，將*.ASE格式的三維模型文件導(dǎo)入三維圖形顯示控件中。使用Scene Object調(diào)用節(jié)點(diǎn)完成三維場(chǎng)景的變換，即三維場(chǎng)景中對(duì)象的外觀或方向的改變，包括三維場(chǎng)景的旋轉(zhuǎn)(Rotate Object.vi)、平移(Translate Object.vi)、縮放(Scale Object.vi)等。

基于以上方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的綜合錄井溫度傳感器三維仿真運(yùn)行時(shí)，用戶通過(guò)點(diǎn)選按鈕的方式，就能夠從不同角度查看其外觀以及安裝演示過(guò)程。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)總體框架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體框架Fig.2 Database framework

由于綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜的特點(diǎn)，因此本文選擇功能強(qiáng)大的 SQL SEVER 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)了綜合錄井基礎(chǔ)知識(shí)及專(zhuān)用術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、各種綜合錄井儀儀器儀表工作原理/技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、用于錄井儀故障仿真的故障知識(shí)庫(kù)以及用于錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)仿真的仿真數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫(kù)、資料解釋與應(yīng)用仿真數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫(kù)。

基于SQL SEVER 2000建立的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)為綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、處理和存儲(chǔ)提供了強(qiáng)有力的后臺(tái)支撐。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)采用了將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與3Dmax仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了完全的綜合錄井虛擬脫機(jī)培訓(xùn)。系統(tǒng)虛擬場(chǎng)景逼真、功能齊全，新進(jìn)培訓(xùn)人員在培訓(xùn)時(shí)會(huì)有身臨其境的感覺(jué)，有助于增強(qiáng)培訓(xùn)效果，提高培訓(xùn)效率[8]。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)培訓(xùn)方式對(duì)培訓(xùn)時(shí)間、地點(diǎn)、培訓(xùn)人數(shù)的限制，方便受培訓(xùn)人員對(duì)綜合錄井儀及綜合錄井技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)。同時(shí)，降低了綜合錄井培訓(xùn)過(guò)程中儀器儀表?yè)p耗的風(fēng)險(xiǎn)和維修費(fèi)用，為企業(yè)節(jié)約了大量的培訓(xùn)成本。

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