張 金 梁海波 張 張露之

(西南石油大學電氣信息學院，四川 成都 610500)

0 引言

綜合錄井是對鉆井過程進行隨鉆實時監(jiān)控的一項關鍵技術。該技術能夠有效地提高鉆井效率、降低鉆井風險，在指導鉆井施工、進行地層評價和油氣資源評價方面具有無可替代的優(yōu)勢作用[1]。如何使錄井工作人員，尤其是新進錄井人員快速、熟練、有效地掌握綜合錄井技術，已成為評價綜合錄井培訓效果好壞的標準之一。

針對當前綜合錄井培訓方式的不足，在查閱了綜合錄井相關技術資料的基礎上，結合LabVIEW虛擬儀器技術和3Dmax仿真技術，提出了一套綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)。通過對錄井現場環(huán)境、綜合錄井儀器儀表、綜合錄井操作過程、錄井儀故障診斷以及綜合錄井資料解釋等內容的仿真模擬，系統(tǒng)最大程度地接近真實錄井現場以及綜合錄井工藝過程，從而達到了較好的綜合錄井培訓目的。

1 培訓方式改進與需求分析

傳統(tǒng)的綜合錄井培訓是通過閱讀錄井培訓手冊、聽取有經驗的錄井人員的講解、參加錄井現場實際操作等方式，逐步掌握綜合錄井技術。綜合錄井儀結構復雜、功能龐大、操作過程繁雜，而傳統(tǒng)的錄井培訓方式又存在以下不足。

①無法對綜合錄井傳感器儀器儀表的工作原理、技術指標、安裝位置與安裝過程、綜合錄井數據采集設備以及數據采集過程等內容進行全面、系統(tǒng)化的培訓。

②由于現場應用的需求，無法實現綜合錄井軟硬件系統(tǒng)脫離現場的培訓。培訓時間、培訓地點、培訓人員數量等受到限制，從而使受培訓人員很難在短時間內全面、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驗去發(fā)現和排除。這在很大程度上依賴于錄井操作人員自身從事錄井作業(yè)時間及其積累的錄井作業(yè)經驗，故障排除效率低。同時，在現有的錄井培訓條件下，希望新進錄井工作人員能在短時間內掌握大部分或者全部綜合錄井儀常見故障以及故障排除方法幾乎是不可能的。

顯然，傳統(tǒng)的綜合錄井培訓方式已經很難適應當前高節(jié)奏、高效率的石油天然氣工業(yè)生產發(fā)展需要。然而，計算機技術的不斷革新以及虛擬現實技術的出現，為綜合錄井培訓開辟了新的途徑。本文將LabVIEW虛擬儀器技術與3Dmax仿真技術相結合，設計并開發(fā)了綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體框架

本文設計的綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)培訓內容包括基礎知識與專業(yè)術語、綜合錄井傳感器、儀器故障及故障排除方法、數據采集過程、實時監(jiān)測軟件操作、錄井單元房布置以及其他錄井儀器、資料解釋與應用等內容。其中基礎知識與專業(yè)術語、實時監(jiān)測軟件操作、儀器故障及故障排除方法、資料解釋與應用四部分內容主要基于LabVIEW虛擬儀器技術實現。而綜合錄井傳感器、數據采集過程、錄井單元房布置以及其他錄井儀器四部分內容主要基于3Dmax仿真技術實現。綜合錄井虛擬培訓系統(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

綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)每部分培訓內容均采用相應的介紹性培訓與一定的互操作性培訓相結合的方式進行，從而將綜合錄井培訓系統(tǒng)搭建成一個涵蓋內容全面、培訓方式多樣、人機交互友好、完全脫機的虛擬培訓系統(tǒng)。

2.2 虛擬仿真設計

虛擬儀器是指在以計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義虛擬儀器面板，大部分測試功能由其測試軟件實現的一種儀器系統(tǒng)[2]。本文選擇美國NI公司生產的LabVIEW虛擬儀器設計軟件作為整個綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，它為用戶提供了豐富的圖形控件，人機交互界面友好，軟件開發(fā)周期短[3]。同時，設計了基礎知識與專業(yè)術語、實時監(jiān)測軟件操作、儀器故障及故障排除方法以及資料解釋與應用四大功能模塊。

下面對實時監(jiān)測軟件仿真模塊的設計做詳細說明。

實時監(jiān)測軟件仿真模塊設計時，參考了國內外相關綜合錄井軟件，在監(jiān)測主界面對錄井現場鉆井平臺、節(jié)流管匯、氣液分離器、鉆井液池等設備進行相應的模擬布局。

為了使主界面更加美觀，充分應用LabVIEW提供的各種豐富的圖形控件，進行綜合錄井儀器儀表前面板的設計。仿真的儀器儀表盤更加接近真實的綜合錄井儀器儀表盤，本文使用了LabVIEW獨有的控件自定義功能，將一些諸如按鈕控件、數字顯示控件、表盤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更加真實、形象、美觀。

應用LabVIEW提供的豐富內置函數和工具包可以實現對各種儀器儀表的功能仿真，并基于仿真數據源將仿真數據實時反映在虛擬儀表盤上。點擊不同儀器儀表設備，系統(tǒng)能夠自動彈出該設備實時仿真曲線，從而實現綜合錄井儀器儀表的虛擬仿真。

通過綜合錄井實時監(jiān)測仿真，培訓人員能夠快速熟悉和了解綜合錄井實時監(jiān)測參數以及相關鉆井設備在鉆井現場的相對位置等情況。

2.3 三維仿真設計

三維仿真設計時既可以利用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業(yè)建模軟件建模后再導入LabVIEW[4]。

由于綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)涉及的三維模型復雜，僅依靠LabVIEW自帶的三維圖形工具箱無法滿足軟件設計需求。而3Dmax軟件在三維仿真建模方面具有渲染效果強、設計操作界面簡潔直觀、設計效率高、視圖功能直觀強大等優(yōu)勢[5]。因此，本文選擇采用了在3Dmax軟件上開發(fā)三維仿真模型，再將三維仿真模型導入LabVIEW的方案。

下面以綜合錄井溫度傳感器的三維仿真建立過程為例說明三維仿真部分的設計過程。

2.3.1 三維仿真模型的建立

首先利用3Dmax模型庫里的標準化模型設計出綜合錄井溫度傳感器的整體框架。然后，通過一系列如編輯樣條線、車削、編輯網格、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。再通過照明、相機設置等命令對三維模型進行相關的渲染操作。最后對設計完成的三維模型進行保存。3Dmax默認的數據文件為*.max文件，除此之外，其還能導出* .3ds、* .ASC、* .ASE、* .DXF、* .Ai等文件格式，而LabVIEW僅支持VRML、STL和 ASE三種三維文件的導入。同時，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行修改[6]。

本文將設計好的溫度傳感器三維模型以*.ASE格式進行保存，為后續(xù)LabVIEW環(huán)境中對三維模型的調用做準備。

2.3.2 仿真模型的調用與控制

3Dmax是Kinetix公司的三維圖形建模和動畫設計軟件，能方便建立各種復雜物體模型，但是很難進行程序控制[7]。而LabVIEW中提供了豐富的三維圖形操作函數，能夠很方便地對三維圖形實現程序控制。

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

基于以上方式設計實現的綜合錄井溫度傳感器三維仿真運行時，用戶通過點選按鈕的方式，就能夠從不同角度查看其外觀以及安裝演示過程。

2.4 數據庫設計

數據庫總體框架如圖2所示。

圖2 數據庫總體框架Fig.2 Database framework

由于綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)具有數據量大、數據管理復雜的特點，因此本文選擇功能強大的 SQL SEVER 2000數據庫，實現綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)的數據庫管理。根據需要，設計了綜合錄井基礎知識及專用術語數據庫、各種綜合錄井儀儀器儀表工作原理/技術參數數據庫、用于錄井儀故障仿真的故障知識庫以及用于錄井實時監(jiān)測仿真的仿真數據源數據庫、資料解釋與應用仿真數據源數據庫。

基于SQL SEVER 2000建立的綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)數據庫為綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)的數據讀取、處理和存儲提供了強有力的后臺支撐。

3 結束語

本文設計的綜合錄井虛擬培訓系統(tǒng)采用了將LabVIEW虛擬儀器技術與3Dmax仿真技術相結合的方式，實現了完全的綜合錄井虛擬脫機培訓。系統(tǒng)虛擬場景逼真、功能齊全，新進培訓人員在培訓時會有身臨其境的感覺，有助于增強培訓效果，提高培訓效率[8]。虛擬培訓系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)培訓方式對培訓時間、地點、培訓人數的限制，方便受培訓人員對綜合錄井儀及綜合錄井技術進行全面系統(tǒng)化的學習。同時，降低了綜合錄井培訓過程中儀器儀表損耗的風險和維修費用，為企業(yè)節(jié)約了大量的培訓成本。

[1] 戴永壽，張欣欣，于云華，等.綜合錄井信息共享方法的研究和探討[J].錄井工程，2007(1):33－35.

[2] 張林，梁海波，郭智勇.基于虛擬儀器技術的錄井培訓系統(tǒng)設計[J].儀器儀表用戶，2011，18(4):34 －35.

[3] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計從入門到精通[M].北京:清華大學出版社，2007:43.

[4] 吳震宇，方敏，丁康.基于LabVIEW的二級倒立擺控制系統(tǒng)三維仿真[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版，2011，10(10):1481－1482.

[5] 賈子維，張哲.3Dmax技術在虛擬變電站設計中的研究與應用[J].農業(yè)科技與裝備，2010(4):40－41.

[6] 柯新利.3Dmax模型在IDL中得讀取與重建[J].地理空間信息，2008，10(5):33 －34.

[7] 方斌.OPENGL中3Dmax模型的應用[J].貴州工業(yè)大學學報:自然科學版，1999，12(6):45 －46.

[8] 李杰，翟芳芳，侯樹剛，等.欠平衡鉆井虛擬培訓系統(tǒng)的研制和應用[J].天然氣技術與經濟，2010，2(1):45.