任永良，賈光政，高 勝，鄒龍慶，雷 娜

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

石油鉆采機械虛擬仿真建設(shè)

任永良，賈光政，高 勝，鄒龍慶，雷 娜

(東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

石油鉆采機械是一整套涉及石油開發(fā)中鉆井和采油的機械裝置。它工藝復(fù)雜，部件繁多，操作及維修人員需要經(jīng)過長期的實踐才能熟悉和掌握。利用Solid Works軟件建立其數(shù)字化三維模型，并結(jié)合國家級虛擬仿真實驗教學中心的設(shè)備，建立了石油鉆采機械虛擬仿真實驗平臺。該實驗平臺提供了一個與現(xiàn)實操作環(huán)境類似的虛擬鉆采裝置，可以供學生及維修人員進行參觀、培訓及操作，不僅有助于學生加深對裝置的認知，提高操作技能，還能加深學生對理論知識的理解，提高創(chuàng)新意識。

鉆機；虛擬仿真；石油鉆井；三維建模

石油鉆采機械課程是面向石油行業(yè)的機械類、石油工程、海洋石油工程等專業(yè)的重要課程。學好這門課程，不僅有助于提升學生的專業(yè)素質(zhì)和實踐能力，也能夠提升學生的就業(yè)質(zhì)量。石油鉆采機械課程作為一門實踐性很強的專業(yè)課，光靠理論知識的講解是遠遠不夠的，必須輔以一定學時的實驗，為此必須建立石油鉆采裝置的實驗系統(tǒng)。而石油鉆采機械裝置的特點是工藝流程復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、部件繁多。如鉆井系統(tǒng)一般包含8大子系統(tǒng)，采油系統(tǒng)包含地上、地下兩部分，如果僅靠學校建立這些系統(tǒng)的模擬裝置，學校不僅難以承擔巨額投資，而且也沒有足夠的場地，甚至有的環(huán)境無法模擬(如海洋石油鉆井平臺、抽油機地下部分等)。隨著三維建模軟件及虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，利用電腦模擬實際的石油鉆采機械并提供虛擬實驗環(huán)境已經(jīng)不是一個技術(shù)難題。在電腦上進行虛擬仿真不僅不需巨大的投資，還不受設(shè)備工作場所、工作環(huán)境影響，在進行虛擬實驗時，也不受設(shè)備開啟后的震動、噪音、危險等影響，可以極大地提高學生的學習興趣，加深認知深度[1]。通過虛擬仿真實驗，學生可以了解整個鉆采機械系統(tǒng)各模塊的功能、結(jié)構(gòu)、工藝、性能、參數(shù)及相互之間的關(guān)系，有助于加深學生對課程內(nèi)容的理解和提高實驗效果。

1 石油鉆采機械系統(tǒng)

石油鉆采機械指的是石油鉆采過程中所用到的機械裝置的總稱，主要包括各種鉆井裝置和采油機械。鉆井裝置是一套龐大的聯(lián)合機組，主要包括8大系統(tǒng)：起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測顯示儀表、動力驅(qū)動系統(tǒng)、鉆機底座和鉆機輔助設(shè)備系統(tǒng)等，具備起/下鉆能力、旋轉(zhuǎn)鉆進能力和循環(huán)洗井能力。其主要設(shè)備有：井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉(zhuǎn)盤、水龍頭(動力水龍頭)及鉆井泵(現(xiàn)場習慣上叫“鉆機八大件”)、動力機(柴油機、電動機、燃氣輪機)、聯(lián)動機、固控設(shè)備、井控設(shè)備等[2]，每套裝置成本在100萬元以上。而采油機械主要分為地上和地下兩部分，結(jié)構(gòu)上分為游梁式抽油機系統(tǒng)和無游梁抽油機系統(tǒng)兩大類，每一類又可分為若干品種[3]，每套裝置的成本在十多萬元到幾十萬元之間。由此可見，建立石油鉆采機械裝置進行實驗教學不僅投資巨大，也沒有可供建設(shè)的場地，必須借助計算機技術(shù)進行虛擬仿真設(shè)計。

2 虛擬仿真技術(shù)

虛擬仿真是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)[4]。此種虛擬世界由計算機生成，可以是現(xiàn)實世界的再現(xiàn)，亦可以是構(gòu)想中的世界，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬世界進行自然的交互。它是以仿真的方式給用戶創(chuàng)造一個實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界，并通過頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等輔助傳感設(shè)備，為用戶提供一個觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感，其逼真性和實時交互性為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供有力的支撐。虛擬仿真技術(shù)具有4個基本特性：沉浸性、交互性、虛幻性及逼真性[5-6]。它可以為石油鉆采機械系統(tǒng)提供一個逼真的虛擬環(huán)境，通過這個虛擬環(huán)境，學生可以進行仿真實驗，學習相關(guān)技術(shù)知識和操作經(jīng)驗[7]。

3 石油鉆采機械虛擬仿真

虛擬仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于素材的建設(shè)。對于石油鉆采機械系統(tǒng)來說，其素材主要是鉆機系統(tǒng)和抽油機系統(tǒng)所涉及的所有機械本體裝置。為此，需要利用傳統(tǒng)的三維建模軟件建立實體模型，再利用虛擬仿真系統(tǒng)導(dǎo)入模型，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、渲染場景并輸出到屏幕上去，操作者通過特殊的數(shù)字化頭盔和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備與場景進行交互操作。

3.1 石油鉆采機械的三維建模

建模軟件的選擇對于模型的建立具有非常重要的作用[8]。目前，市面上通用的三維建模軟件包括CATIA、SolidWorks、UniGraphics、Pro/Egnineer、MDT、Cimatron、Solidedge和I-deas等；三維造型軟件包括Rhino、3DS Max、MaYa和XSI等。

從教育、科研、功能擴展、與虛擬仿真場景銜接及用戶等方面綜合考慮，本文選擇常用的數(shù)字化建模軟件Solid Works[9]。首先，利用Solid Works建立石油鉆采機械的三維模型。如圖1所示為利用該軟件建立的車載式石油鉆機裝置的三維模型。然后，以此類推，建立整個石油鉆采機械裝置的各部分模型及配合關(guān)系，供虛擬仿真使用。

圖1 車載式石油鉆機模型

3.2 石油鉆采機械的虛擬仿真

虛擬仿真實現(xiàn)采用曼恒科技的虛擬現(xiàn)實沉浸式交互系統(tǒng)G-Magic。東北石油大學“石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學中心”就是依托該系統(tǒng)建立的國家級虛擬仿真實驗中心。G-Magic擁有6塊投影幕系統(tǒng)，當需要變?yōu)槌髨鼍罢故緯r，通過內(nèi)置的進口電機控制，可實現(xiàn)一鍵式變形操作；地面幕布可由一變?nèi)?，兩?cè)投影系統(tǒng)可180°任意打開成需要的樣式，可以不同角度、不同場景地模擬石油鉆采機械系統(tǒng)，使學習者能夠體會到身臨其境的感受。該系統(tǒng)同時可供二十多名學生一起參與虛擬仿真體驗，培訓效率較傳統(tǒng)實踐環(huán)節(jié)高。

G-Magic系統(tǒng)主要通過DVS3D軟件平臺導(dǎo)入上述三維模型。DVS3D是一個可以直接實時獲取多種3D輔助設(shè)計軟件數(shù)據(jù)內(nèi)容的虛擬現(xiàn)實協(xié)作工作平臺，也可以自由地搭建3D的虛擬場景，并且結(jié)合3D立體沉浸式投影系統(tǒng)和交互設(shè)備，具備協(xié)同設(shè)計、可視管理、實時交互等特點。它能讓操作者感覺像置身真實的環(huán)境中進行設(shè)計展示、方案評審、決策評估、機械裝配和模擬訓練。DVS3D主要由Editor和Client兩部分組成，通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸和同步。Editor可讀取常用建模軟件建立的模型格式，提供模型效果編輯環(huán)境，也可以實時獲取三維建模軟件繪制的三維圖形數(shù)據(jù)；Client基于沉浸式環(huán)境實現(xiàn)1∶1多通道的立體顯示，集成虛擬交互外設(shè)的VRPN 標準接口，提供追蹤設(shè)備(ART、Vicon等)的直接連接使用，進而實現(xiàn)對設(shè)計方案的虛擬展示、裝配訓練、動畫控制、測量、剖切顯示等功能。DVS3D內(nèi)嵌在線的3D數(shù)字工廠素材庫服務(wù)平臺，可方便快速地查詢和下載所需行業(yè)模型，在DVS3D中搭建場景并進行交互操作。

通過導(dǎo)入石油鉆采機械的三維建模數(shù)據(jù)后生成的虛擬仿真環(huán)境如圖2和圖3所示。

圖2 石油鉆機工作過程仿真

圖3 車載式石油鉆機鉆井前準備工作仿真

4 結(jié)束語

東北石油大學機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)作為教育部第二批CDIO試點專業(yè)，在人才培養(yǎng)模式及課程設(shè)置上進行了較大的改革，大幅度增加了實驗、實踐課程及創(chuàng)新學分[10]。石油鉆采機械的實驗學時從4學時增加到16學時，占整個計劃學時的1/3。但實驗設(shè)備和場地不足嚴重制約了實驗教學的開展，依托學校的“石油與天然氣工程虛擬仿真實驗教學中心”，建立起石油鉆采機械虛擬仿真平臺后，極大地提高了學生參與實驗的積極性和學習興趣，學生從原來的被動參與實踐變成主動排隊參與實踐，有利于學生的技能訓練和能力培養(yǎng)。這對提高學生的綜合素質(zhì)和實踐能力具有非常大的幫助。

[1]趙海暉,孟垂成,束奇. 虛擬設(shè)計與仿真技術(shù)在石油機械設(shè)計中的應(yīng)用[J].工程圖學學報，2007(4):1-5.

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Virtual Simulation Development of Oil Drilling/Production Equipment

REN Yongliang, JIA Guangzheng, GAO Sheng, ZOU Longqing, LEI Na

(College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

Petroleum drilling/production equipment is used for drilling and production. It has numerous parts and complex structure. The operators must spend long-term practice to be familiar with it. We establish the three-dimensional model of equipment using Solid Works (SW) software. Combining the equipment of virtual simulation experiment teaching center, the oil drilling/production virtual simulation platform is established. The experiment platform provides a virtual drilling/production device system which is similar to the real system for the students to visit, train and operate. It is not only helpful to understand the devices and train skills, but also deepen the theoretical knowledge and improve the innovative consciousness.

drilling rig; virtual simulation; petroleum drilling; three-dimensional modeling

2014-09-03

黑龍江省重點專業(yè)建設(shè)項目;東北石油大學教學課件項目。

任永良(1973-)，男，博士，副教授，主要從事油氣田地面工程方面的教學與研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.070