沈蓉，齊明俠，劉健，唐甫世

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；2.中海石油研究中心，北京 100027；3.江漢石油鉆頭股份有限公司，武漢 430223）①

近年來，深水油氣田的開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點(diǎn)和世界科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)。適用于深水鉆井的主要裝置是半潛式鉆井平臺(tái)和鉆井船，其中半潛式鉆井平臺(tái)憑借自身對惡劣海況的適應(yīng)能力強(qiáng)、甲板空間和可變載荷大、自持力強(qiáng)等特性，在深水油氣開發(fā)中扮演著越來越重要的角色［1］?？紤]投資成本、工作水深范圍、井口數(shù)目、服務(wù)年限和工作地域等因素，相比張力腿平臺(tái)和Spar平臺(tái)，半潛式平臺(tái)是更佳的選擇。

半潛式鉆井平臺(tái)與浮式鉆井船的最大差別是其船體形浮箱大部分潛入最強(qiáng)的波浪作用區(qū)以下，受到的波浪沖擊力遠(yuǎn)比鉆井船小。此外，半潛式平臺(tái)的浮箱布置，使其在各個(gè)方向的抗擺能力都差不多，沒有突出的薄弱方向［2］。因此，半潛式平臺(tái)的穩(wěn)定性比鉆井船高得多。從海洋石油開發(fā)向更深、海況更惡劣的海區(qū)發(fā)展來看，建造半潛式平臺(tái)應(yīng)是主要的發(fā)展方向。

本課題以半潛式鉆井平臺(tái)為研究對象，重點(diǎn)研究復(fù)雜海洋環(huán)境下鉆井系統(tǒng)的可視化仿真問題，是平臺(tái)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真、輔助選型以及深水生產(chǎn)平臺(tái)鉆井設(shè)備配置等關(guān)鍵技術(shù)的組成部分。

本課題是在建立了半潛式鉆井平臺(tái)上鉆井設(shè)備幾何模型、優(yōu)化鉆井設(shè)備布置方案并進(jìn)行不同鉆井工況下鉆設(shè)備運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析基礎(chǔ)之上，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。本文介紹了在建立仿真系統(tǒng)過程中運(yùn)用到的關(guān)鍵技術(shù)與解決的關(guān)鍵問題。

1 系統(tǒng)組成

半潛式深水鉆井平臺(tái)系統(tǒng)主要組成有：動(dòng)力定位系統(tǒng)、鉆井控制系統(tǒng)、鉆井提升系統(tǒng)、循環(huán)及固控系統(tǒng)、BOP 組及控制系統(tǒng)、隔水管和補(bǔ)償系統(tǒng)等。每個(gè)系統(tǒng)需要確定多個(gè)參數(shù)，例如提升系統(tǒng)需要確定的參數(shù)包括最大鉤載、大鉤提升速度、絞車快繩拉力、絞車額定功率、天車參數(shù)、游車參數(shù)、井架參數(shù)等［3－4］。因此，通過計(jì)算建立起參數(shù)數(shù)據(jù)庫是一個(gè)非常復(fù)雜過程。同時(shí)，平臺(tái)的鉆井工藝過程也異常復(fù)雜，因此，建立起深水半潛式鉆井平臺(tái)的仿真系統(tǒng)，對于研究深水半潛式鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)和功能、推進(jìn)深水石油開采具有重要意義。

本次建立的仿真系統(tǒng)，通過利用虛擬現(xiàn)實(shí)仿真技術(shù)，模擬半潛式鉆井平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)和布置，演示鉆井基本操作過程和海洋平臺(tái)鉆井設(shè)備的工作原理，并具有很強(qiáng)的交互能力，觀察者可以全方位不受約束地瀏覽，并可通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對鉆井設(shè)備的交互控制。該仿真系統(tǒng)較好地模擬了深水鉆井平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)和鉆井作業(yè)相關(guān)過程。

2 平臺(tái)系統(tǒng)VRML仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 平臺(tái)鉆井系統(tǒng)三維建模

一個(gè)能夠在真正意義上實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有3個(gè)基本要素：

1）能夠提供給用戶一個(gè)與真實(shí)世界高度逼真的三維立體虛擬世界。

2）虛擬世界能給用戶一種身臨其境的沉浸感，用戶在其中具有跟真實(shí)世界一樣的實(shí)時(shí)任意活動(dòng)的自由度。

3）用戶能以自然的方式實(shí)時(shí)地操縱和改變所進(jìn)入的虛擬世界，與其中的虛擬對象進(jìn)行交互。

海洋鉆井平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，對完成其虛擬仿真與可視化來說，首要任務(wù)在于快速高效地建立系統(tǒng)各個(gè)部分的三維模型。

VRML作為第2代WEB 語言，提供給使用者一個(gè)多維的虛擬世界，這是其他仿真仿真軟件無法企及的優(yōu)勢。但另一方面，VRML 在建模上過于簡單，雖說VRML提供了一些簡單的造型節(jié)點(diǎn)，但是考慮到海洋平臺(tái)鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、設(shè)備精確的裝配關(guān)系以及數(shù)量眾多等因素，顯然使用這些簡單造型節(jié)點(diǎn)來建模不現(xiàn)實(shí)，效率低，工作量大，由此需要借助專門的三維建模軟件來建模。目前幾乎所有的三維建模軟件都提供了多種三維文件的轉(zhuǎn)換接口，其中就包括VRML文件?？梢允褂眠@些三維建模軟件建立各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型，然后通過軟件自帶的接口轉(zhuǎn)換為VRML文件，為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所用，這樣可以大幅提高建模效率。

考慮到深水鉆井平臺(tái)模型建立的特殊性、轉(zhuǎn)換后文件的質(zhì)量和大小等眾多因素，選用Solidworks作為三維建模軟件，用Solidworks軟件本身自帶的VRML文件的轉(zhuǎn)換接口，可以很方便地轉(zhuǎn)換。

根據(jù)對半潛式深水鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，以實(shí)際某型號(hào)深水鉆井平臺(tái)為參考，嚴(yán)格按照1∶1的比例建立鉆井平臺(tái)系統(tǒng)模型，如圖1所示。通過模型干涉檢查，干涉率為0。

圖1 鉆井平臺(tái)系統(tǒng)仿真三維模型

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下VRML文件優(yōu)化

在創(chuàng)建復(fù)雜的VRML場景時(shí)，除了創(chuàng)建大量的模型外，還必須考慮到VRML 場景載入、渲染和瀏覽速度。文件體積的大小等將直接關(guān)系到文件的載入、渲染時(shí)間和瀏覽速度。由于建模后輸出的VRML文件仍較大，因此創(chuàng)建場景模型必須考慮對其優(yōu)化。其過程包括預(yù)優(yōu)化處理、基于面片數(shù)的優(yōu)化、基于節(jié)點(diǎn)復(fù)用的優(yōu)化、基于數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化以及基于文件壓縮的優(yōu)化。

其中，預(yù)優(yōu)化處理利用程序來刪除不需要的節(jié)點(diǎn)、默認(rèn)閾值與空格等，基于面片數(shù)的優(yōu)化則在保證模型品質(zhì)的前提下，盡可能減少模型的面片數(shù)，以提高虛擬場景的實(shí)時(shí)渲染速度。由于鉆井平臺(tái)的虛擬場景中經(jīng)常有部分節(jié)點(diǎn)有著相同或相近的特點(diǎn)，如鉆井中的立根，1根立根是由完整的3個(gè)單根連接而成，它們的外形是完全相同的，僅有位置上的區(qū)別，因此，可以采用基于節(jié)點(diǎn)復(fù)用的優(yōu)化技術(shù)以縮減文件體積。在三維建模中導(dǎo)出的VRML 文件中，三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度很高，精確到小數(shù)點(diǎn)后6位，即微米級(jí)，如此高的數(shù)據(jù)精度對于高達(dá)幾十米的石油鉆機(jī)來說沒有絲毫意義，考慮到鉆機(jī)零部件之間精確的裝配關(guān)系，毫米級(jí)別的精度已經(jīng)足夠了，因此，可以利用程序?qū)RML 文件大大簡化。最后，還可以采用壓縮技術(shù)來優(yōu)化文件，這樣可以減少文件的空間，對于文件的載入、渲染速度等影響不大。

2.3 半潛式鉆井平臺(tái)系統(tǒng)VRML虛擬仿真建模

為了以較小的場景模型體積獲得可視化系統(tǒng)最大化的真實(shí)感和沉浸性，采用基于幾何和圖像相結(jié)合的建模技術(shù)。其中虛擬場景中鉆井平臺(tái)的周邊環(huán)境如藍(lán)天、海洋等均采用IBM 技術(shù)建模，而所有的零部件則主要采用GBM 技術(shù)建模，包括有深水鉆井平臺(tái)系統(tǒng)主體和環(huán)境仿真靜態(tài)建模、平臺(tái)仿真動(dòng)態(tài)建模。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)集成，建立起深水鉆井平臺(tái)系統(tǒng)VRML總體模型，模擬海洋鉆井平臺(tái)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境以及主要作業(yè)工況，并預(yù)留高級(jí)編程語言進(jìn)行軟件系統(tǒng)的接口，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的交互與仿真能力。圖2為深水鉆井平臺(tái)系統(tǒng)VRML虛擬仿真系統(tǒng)集成。

圖2 鉆井平臺(tái)VRML系統(tǒng)集成

3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鉆井平臺(tái)系統(tǒng)可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由可視化軟件（軟件部分）和計(jì)算機(jī)（硬件部分）2部分組成。

可視化軟件主要由數(shù)據(jù)源和虛擬場景顯示界面組成，其中數(shù)據(jù)源包括圖像數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)等。圖像數(shù)據(jù)是指Solidworks導(dǎo)出的鉆機(jī)VRML 幾何模型、虛擬化身模型、鉆機(jī)周圍環(huán)境模型以及為了增強(qiáng)系統(tǒng)真實(shí)感所使用的各種貼圖等；音頻數(shù)據(jù)則來自于真實(shí)鉆井作業(yè)現(xiàn)場不同位置錄制的聲音，用于放置在虛擬鉆井場景中模擬真實(shí)環(huán)境中的音效。虛擬場景界面是指VB2005環(huán)境中VRML 瀏覽器控件以及各種圖形界面，用戶可以使用鍵盤、鼠標(biāo)等輸入設(shè)備通過虛擬場景界面實(shí)現(xiàn)與石油鉆機(jī)可視化系統(tǒng)的交互。

完成后的軟件系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文建立了半潛式鉆井平臺(tái)模型，并對其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果，提供了一個(gè)具有較強(qiáng)真實(shí)感和沉浸感的虛擬海洋鉆井作業(yè)場景。今后的研究方向是進(jìn)一步完善深水鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)備選型設(shè)計(jì)方法，提高分析方法精度。

［1］岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.半潛式鉆井平臺(tái)雙井架鉆機(jī)作業(yè)工藝初步研究［J］.石油鉆采技術(shù)，2009，37（2）：14－17.

［2］齊明俠，黃魯蒙，許亮斌.基于VRWL的半潛式海洋平臺(tái)虛擬仿真技術(shù)［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（5）：1－4.

［3］劉健，齊明俠，郭曉虎.浮式鉆井平臺(tái)主要鉆井設(shè)備選型分析［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（6）：1－4.

［4］趙洪山，劉新華，白立業(yè).深水海洋石油鉆井設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（5）：68－74.