任啟偉，趙 遠(yuǎn)，孟義泉，陳劍銘

（1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

巖心鉆機(jī)是帶動(dòng)鉆具和鉆頭向地層深部鉆進(jìn)實(shí)施鉆探施工的主機(jī)，并通過(guò)鉆機(jī)上的升降機(jī)構(gòu)完成起下鉆具和套管、提取巖心、更換鉆頭等輔助工作，承擔(dān)著鉆取巖心這一核心任務(wù)，取心的完整性對(duì)于地層數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和有效性起著至關(guān)重要的作用，完整的巖（礦）心可以準(zhǔn)確地分析地層區(qū)域的巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造以及水文情況［1-2］。大型巖心鉆機(jī)價(jià)格相對(duì)較高、操作工序復(fù)雜，導(dǎo)致先理論學(xué)習(xí)后直接上機(jī)的傳統(tǒng)培訓(xùn)方式難以產(chǎn)出技術(shù)純熟的操作人員，如此跨越式的培訓(xùn)不僅增加了巖心鉆機(jī)損壞與報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，也提高了被培訓(xùn)者自身門(mén)檻。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality Technology）是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)，20 世紀(jì)50 年代美國(guó)科學(xué)院和工程院院士SUTHERLANDIE 在一篇名為T(mén)he Ultimate Display 的文章中首次系統(tǒng)地闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用［3］。2003年BURDAE G 綜合論述了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用［4］，后經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械［5］、城市建設(shè)、醫(yī)療和文化教育［6］等多個(gè)方面。

在鉆機(jī)模擬操作系統(tǒng)中，2012 年，為提高操作人員面對(duì)鉆井平臺(tái)事故時(shí)的應(yīng)急能力LORENTSENB 開(kāi)發(fā)了能夠保障巖心鉆機(jī)高效、安全工作的井下事故的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)eDrilling［7］；2013 年 曾勇實(shí)現(xiàn)了具有挖掘機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的界面、虛擬環(huán)境、挖掘機(jī)的基本運(yùn)動(dòng)等游戲模塊等功能的挖掘機(jī)模擬操作系統(tǒng)［8］；2016 年王鳳欽開(kāi)發(fā)了具有理論學(xué)習(xí)、動(dòng)作演示、操作培訓(xùn)和考核的鑿巖臺(tái)車的模擬操作系統(tǒng)［9］；2019 年彭博等基于土行孫DDW-35/12 型水平定向鉆機(jī)開(kāi)發(fā)了鉆機(jī)的模擬操作系統(tǒng)［10］。上述模擬操作系統(tǒng)基本兼具機(jī)械控制、參數(shù)顯示、場(chǎng)景漫游等基本功能，可進(jìn)行設(shè)備的虛擬展示和教學(xué)示范。2019 年，BAJPAI A 等通過(guò)無(wú)量綱剛度比、鉆頭-巖石相互作用模型和設(shè)定的巖層破壞性進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)鉆井系統(tǒng)的物理行為等開(kāi)發(fā)了基于實(shí)驗(yàn)室的井下鉆進(jìn)仿真系統(tǒng)［11］；2020 年胡自飛等研發(fā)了一種基于Unity3D 的巖心鉆機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，該實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)置了認(rèn)知視頻學(xué)習(xí)、操作要領(lǐng)學(xué)習(xí)、單步訓(xùn)練以及整體訓(xùn)練和操作知識(shí)4 個(gè)學(xué)習(xí)場(chǎng)景［12］；同年楊明晟等設(shè)計(jì)了一種基于Unity3D 的巖心鉆機(jī)模擬操作系統(tǒng)，該模擬操作系統(tǒng)通過(guò)多視角、鉆進(jìn)控制、參數(shù)顯示和語(yǔ)言指導(dǎo)等功能呈現(xiàn)了身臨其境的鉆機(jī)操作體驗(yàn)［13］。

然而目前隨著鉆孔深度不斷增加，對(duì)操作鉆機(jī)的機(jī)班長(zhǎng)的技術(shù)水平提出了更高的要求：對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生的孔內(nèi)復(fù)雜情況做出準(zhǔn)確判斷并能正確處理；設(shè)備故障時(shí)能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷和維修。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以XY-6B 型立軸式巖心鉆機(jī)為模型開(kāi)發(fā)了基于Unity3D 與實(shí)物模型相結(jié)合的并具有沉浸感與交互性于一體的巖心鉆機(jī)工況模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)SolidWorks 軟件進(jìn)行三維建模、3ds MAX 軟件進(jìn)行渲染貼圖、Unity3D 軟件搭建虛擬場(chǎng)景和C#腳本編程控制。

1 虛擬仿真平臺(tái)總體框架設(shè)計(jì)

巖心鉆機(jī)工況模擬操作系統(tǒng)根據(jù)巖心鉆機(jī)的實(shí)際工程使用情況和目前操作人員的技術(shù)水平設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊，其主要分為3 個(gè)部分：3D 虛擬模型搭建、巖心鉆機(jī)實(shí)物模型制作、模擬操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。為滿足不同層次學(xué)員達(dá)到相應(yīng)的操作培訓(xùn)效果，本系統(tǒng)設(shè)置了理論學(xué)習(xí)界面、操作培訓(xùn)界面、自由練習(xí)界面、成績(jī)考核界面和闖關(guān)練習(xí)界面，系統(tǒng)平臺(tái)框架如圖1所示。

圖1 平臺(tái)整體框架Fig.1 Layout of the platform

2 工況模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

2.1 實(shí)物模型設(shè)計(jì)與控制

巖心鉆機(jī)是地質(zhì)找礦、水文水井、煤田地質(zhì)勘探、石油和天然氣勘探開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的深孔鉆探設(shè)備，主要分為全液壓式巖心鉆機(jī)與立軸式巖心鉆機(jī)［14-19］。而XY-6B 型鉆機(jī)集中了立軸式液壓鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行金剛石小口徑鉆進(jìn)，也可進(jìn)行大口徑鉆進(jìn)，可以垂直鉆孔，也可以鉆斜孔，是深孔地質(zhì)勘探鉆孔的理想設(shè)備［20］。但是其主機(jī)質(zhì)量超過(guò)3.8 t，在后期進(jìn)行教學(xué)時(shí)極為不便，為便于與Unity3D 軟件更好的銜接，在保留XY-6B 型鉆機(jī)主要功能的前提下，按照實(shí)際XY-6B 型巖心鉆機(jī)的尺寸大小，對(duì)本系統(tǒng)的操作平臺(tái)進(jìn)行了1∶4 比例模型加工，同時(shí)使鉆機(jī)實(shí)物模型保留如下動(dòng)作：動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、動(dòng)力頭提升/給進(jìn)、機(jī)架前進(jìn)/后退、絞車提升/下放，主電機(jī)回轉(zhuǎn)。各動(dòng)作均為電驅(qū)，其中動(dòng)力頭正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、主電機(jī)回轉(zhuǎn)、絞車提升/下放為普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力頭給進(jìn)/提升與機(jī)架前進(jìn)/后退由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。模型實(shí)物見(jiàn)圖2，模型與系統(tǒng)控制流程見(jiàn)圖3。

圖2 XY-6B 型鉆機(jī)實(shí)物模型Fig.2 XY-6B drilling rig full-size model

圖3 鉆機(jī)模型與模擬系統(tǒng)控制流程Fig.3 Drill model and simulation system control flow

2.2 三維模型與場(chǎng)景搭建

模型與場(chǎng)景搭建是設(shè)計(jì)一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的必要前提，本虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)使用幾何建模和物理建模來(lái)創(chuàng)建三維模型［8］。當(dāng)前有諸如3ds MAX、UG、CATIA、SolidWorks 等三維建模軟件，其中SolidWorks 具有操作靈活、運(yùn)行流暢、模型制作易上手等優(yōu)點(diǎn)，因此采用SolidWorks 軟件進(jìn)行建模。根據(jù)XY-6B 型設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的鉆機(jī)參數(shù)，用SolidWorks 進(jìn)行三維模型創(chuàng)建后以.stp 文件格式導(dǎo)入3ds MAX 軟件進(jìn)行貼圖渲染，同時(shí)導(dǎo)出.fbx 文件格式導(dǎo)入到Unity3D 中進(jìn)行場(chǎng)景搭建［9］。通過(guò)場(chǎng)景漫游技術(shù)、多攝像機(jī)技術(shù)、物理碰撞檢測(cè)、射線檢測(cè)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)基本動(dòng)作的控制、操作和闖關(guān)練習(xí)。

交互系統(tǒng)的真實(shí)度和流暢性對(duì)于用戶體驗(yàn)都非常重要，模型越精細(xì)就越真實(shí)，但生成的數(shù)據(jù)量就越大，影響系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性，從而降低用戶體驗(yàn)［21］。因此要優(yōu)化模型：在不影響整體效果的情況下，建模時(shí)盡量減少模型面數(shù)，刪除看不見(jiàn)的面和重疊的面；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集的照片經(jīng)過(guò)專業(yè)軟件處理后賦于模型，既增加真實(shí)感又可減少多邊形的數(shù)量，達(dá)到優(yōu)化模型的目的；在不同層次、不同視覺(jué)條件下，利用LOD（Level of Detail）技術(shù)為每個(gè)物體建立不同精細(xì)程度的模型，當(dāng)物體離視點(diǎn)遠(yuǎn)時(shí)就調(diào)用相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，而近距離觀察時(shí)調(diào)用相對(duì)復(fù)雜的模型，以提高場(chǎng)景的顯示速度［22］。

如圖4 所示，XY-6B 型巖心鉆機(jī)主要分為10 個(gè)部分：主電機(jī)、離合器、變速箱、主絞車、分動(dòng)箱、卡盤(pán)、回轉(zhuǎn)器、操作系統(tǒng)、機(jī)架和底座［20］。動(dòng)力機(jī)主要選擇100HP 4135AG 型柴油機(jī)或Y250M-4 型（55 kW）電動(dòng)機(jī)，本系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)模型。

圖4 培訓(xùn)系統(tǒng)巖心鉆機(jī)各部件Fig.4 Components of the training system core drill

在實(shí)際巖心鉆機(jī)操作過(guò)程中，為保證鉆機(jī)的正常工作，鉆機(jī)操作人員需實(shí)時(shí)觀察鉆機(jī)上各種儀表的數(shù)據(jù)變化。為了滿足虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的培訓(xùn)要求，本系統(tǒng)通過(guò)Unity3D 自帶的GUI 和NGUI 模塊設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件的主界面、鉆進(jìn)參數(shù)界面、闖關(guān)界面等。在檢視面板中，采用Panel 組件為主界面和鉆進(jìn)參數(shù)界面賦予相應(yīng)的背景，使用Dropdown 組件實(shí)現(xiàn)闖關(guān)關(guān)卡中鉆進(jìn)面向角的選擇功能，利用Terrain 組件創(chuàng)建了施工地周圍環(huán)境。虛擬實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景如圖5 所示，該場(chǎng)景為學(xué)員提供了惟妙惟肖的操控環(huán)境，縮小了虛擬培訓(xùn)與實(shí)際培訓(xùn)之間的差距。

圖5 巖心鉆機(jī)仿真環(huán)境場(chǎng)景Fig.5 Simulated environment scenario for the core drill

2.3 鉆機(jī)動(dòng)作控制

實(shí)現(xiàn)巖心鉆機(jī)的真實(shí)工況，需要對(duì)鉆機(jī)的每個(gè)動(dòng)作進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的模擬，因此鉆機(jī)仿真需要建立強(qiáng)大的邏輯動(dòng)作庫(kù)，命令與動(dòng)作緊密聯(lián)系、環(huán)環(huán)相扣［10］。在實(shí)際的巖心鉆機(jī)操作中，控制鉆機(jī)部件的回轉(zhuǎn)和移動(dòng)是操作人員必不可少的工作內(nèi)容之一。系統(tǒng)使用Translate（）函數(shù)和Rotate（）函數(shù)分別實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)機(jī)架的移動(dòng)、動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)、動(dòng)力頭給進(jìn)/提升、絞車提升/下放等功能，圖6 為鉆機(jī)操作培訓(xùn)場(chǎng)景。

圖6 操作培訓(xùn)場(chǎng)景Fig.6 Operation training scenario

其中完成動(dòng)力頭給進(jìn)/提升動(dòng)作的影響因素較多，在控制腳本編寫(xiě)時(shí)需要設(shè)置多個(gè)限制條件，主要為：速度因數(shù)；前方限位物體（如前方已入井的鉆桿、卡盤(pán)）；卡盤(pán)夾持狀態(tài)；動(dòng)力頭或回轉(zhuǎn)器與鉆桿的連接狀態(tài)等。如果把動(dòng)力頭前進(jìn)動(dòng)作看作一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)為：

式中：Speed——速度因數(shù)；a1——孔口夾持器限位因數(shù)，限位取0，非限位取1；a2——卡盤(pán)加持狀態(tài)因數(shù)，加持時(shí)取0，松開(kāi)時(shí)為1；a3——一個(gè)綜合因數(shù)，由卡盤(pán)夾持狀態(tài)和鉆桿連接狀態(tài)共同決定，具體邏輯關(guān)系如表1 所示。

表1 參數(shù)a3取值邏輯關(guān)系Table 1 Logical relationship of parameter a3 values

2.4 場(chǎng)景切換與場(chǎng)景漫游

模擬教學(xué)系統(tǒng)的主要目的是用戶多角度、全方位地觀察巖心鉆探設(shè)備組裝、設(shè)備操作、鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)軌跡和出現(xiàn)鉆探事故的各類征兆。本系統(tǒng)依托Visual Studio 2019 軟件，利用C#進(jìn)行腳本編寫(xiě)，通過(guò)對(duì)多個(gè)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)記實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的切換。場(chǎng)景切換設(shè)計(jì)邏輯框圖如圖7 所示。

圖7 場(chǎng)景切換設(shè)計(jì)邏輯框圖Fig.7 Logical block diagram of scene switching design

場(chǎng)景漫游技術(shù)主要包括HMI 控制、鍵盤(pán)控制和鼠標(biāo)控制，能讓用戶身臨其境的在虛擬鉆探施工場(chǎng)景中前后左右任意方向行走并學(xué)習(xí)鉆探現(xiàn)場(chǎng)周圍的環(huán)境，從而更好地進(jìn)行鉆進(jìn)施工作業(yè)。該技術(shù)的邏輯框圖如圖8 所示。

圖8 場(chǎng)景漫游流程Fig.8 Scene roaming flow chart

2.5 PLC 與工況模擬軟件的交互設(shè)計(jì)

由實(shí)物模型、PLC 和PC 機(jī)虛擬場(chǎng)景組成的本虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)中，控制手柄或HMI 發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)PLC 將輸出的控制信號(hào)利用串口傳送到Unity3D 虛擬場(chǎng)景，虛擬XY-6B 巖心鉆機(jī)根據(jù)接收到的控制信號(hào)來(lái)模擬實(shí)際運(yùn)行效果，同時(shí)PLC 接收PC 機(jī)中虛擬場(chǎng)景輸出的虛擬傳感信號(hào)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)整體設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)流如圖1 所示。運(yùn)行過(guò)程中，Unity3D 中的虛擬傳感信號(hào)經(jīng)過(guò)串口傳送給PLC，PLC接收到信號(hào)后檢測(cè)虛擬XY-6B 巖心鉆機(jī)的運(yùn)行情況并發(fā)出控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的正常運(yùn)行。

PC 機(jī)接收到的數(shù)據(jù)利用Unity3D 中的虛擬模型Transform 下Parent 屬性并通過(guò)Translate 和Rotate 函數(shù)控制模型的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)［23］。利用粒子發(fā)射系統(tǒng)Particle System 實(shí)現(xiàn)了一些無(wú)規(guī)則物體（例如水）的建模、渲染和貼圖，通過(guò)ReceiveData 和DealData 判斷緩沖區(qū)數(shù)據(jù)后在物體數(shù)據(jù)的頂點(diǎn)上來(lái)模擬發(fā)射粒子。

為避免數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列線程阻塞，使用多線程和數(shù)據(jù)池的設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)Unity3D 的串口接收［23-24］。其中在Unity3D 中，利用C＃命名空間System. IO.Ports 中的SerialPort 類來(lái)接收數(shù)據(jù)。在Start 函數(shù)內(nèi)實(shí)例化一個(gè)SerialPort 類sp 串口，并設(shè)置串口號(hào)（COM3）、波特率（9600）、數(shù)據(jù)位（8）、校驗(yàn)位（IO.Ports. Parity. None）、停止位（IO. Ports. StopBits.One），與下位機(jī)串口保持一致。

2.6 闖關(guān)設(shè)置

在鉆孔施工過(guò)程中，由于種種原因，常常發(fā)生各種孔內(nèi)故障而終斷正常鉆進(jìn)，通常把這些故障統(tǒng)稱為孔內(nèi)故障，它耽誤鉆探進(jìn)尺、推遲施工進(jìn)度、影響地質(zhì)材料和礦區(qū)儲(chǔ)量報(bào)告的提交。如果處理不當(dāng)，還會(huì)報(bào)廢鉆探工作量和管材，使鉆探成本提高，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞機(jī)器設(shè)備、造成人身傷亡事故等嚴(yán)重后果［25］。因此本培訓(xùn)系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容是工況模擬和事故處理，也就是本培訓(xùn)中的闖關(guān)關(guān)卡?？變?nèi)事故發(fā)生的原因及事故主要分類見(jiàn)圖9。

由圖9 可見(jiàn)根據(jù)孔內(nèi)事故發(fā)生的具體原因及現(xiàn)象，孔內(nèi)事故主要由埋鉆事故，燒鉆事故，擠夾、卡鉆事故，鉆具折斷、脫落和跑鉆事故，工具、物件落入事故，套管事故等組成。本文在結(jié)合理論知識(shí)與客觀實(shí)際后，主要實(shí)現(xiàn)井涌、井漏，卡鉆、斷鉆具、燒鉆等關(guān)卡，為便于初學(xué)者能更好地掌握技術(shù)知識(shí)，下文中的各類事故均為優(yōu)化后功能，通過(guò)學(xué)習(xí)能解決常見(jiàn)的孔內(nèi)事故。

圖9 孔內(nèi)事故的發(fā)生原因及分類Fig.9 Causes and classification of down hole accidents

2.6.1 井涌、井漏關(guān)卡

為實(shí)現(xiàn)井漏、井涌事故的有效預(yù)警，需要進(jìn)行事故特性分析，選取適合表征事故特征的鉆進(jìn)參數(shù)來(lái)建立預(yù)警模型［25-26］。當(dāng)井漏事故發(fā)生時(shí)總池體積減小，在入口流量無(wú)變化的情況下出口流量減小，立管壓力可能下降，井漏事故較為嚴(yán)重時(shí)井口會(huì)出現(xiàn)無(wú)鉆井液返出的情況（即出口流量為零）。當(dāng)井涌事故發(fā)生時(shí)總池體積增加，在入口流量無(wú)變化的情況下出口流量增大，立管壓力可能下降，井涌事故較為嚴(yán)重時(shí)，即使停泵后，井口也會(huì)伴隨鉆井液的外溢?；谏鲜龇治觯娟P(guān)卡選取總池體積、立管壓力、入口流量和出口流量4 個(gè)鉆進(jìn)參數(shù)建立鉆進(jìn)過(guò)程中井漏、井涌事故模擬模型。具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖10。

圖10 井涌、井漏關(guān)卡實(shí)現(xiàn)流程Fig.10 Realization flow chart for Level of well kick and circulation loss

2.6.2 卡鉆關(guān)卡

鉆井過(guò)程中，由于各種原因造成的鉆具陷在井內(nèi)不能自由活動(dòng)的現(xiàn)象，稱為卡鉆［25］?？ㄣ@往往是由于粗徑鉆具頂部在鉆孔內(nèi)卡住，鉆具、鉆桿提不上來(lái)，回轉(zhuǎn)器或轉(zhuǎn)盤(pán)回轉(zhuǎn)時(shí)有阻力或卡死，但一般能疏通鉆井液。引起卡鉆的主要原因有：（1）孔壁巖石掉塊，（2）巖石遇水膨脹，孔徑收縮，（3）鋼?；蛩橛操|(zhì)合金擠夾鉆具，（4）孔壁和巖心不規(guī)則，（5）孔身彎曲，（6）孔壁不規(guī)整，孔徑大小變化懸殊，（7）套管柱偏斜，管鞋突出，（8）小物件落入孔內(nèi)。不同性質(zhì)的卡鉆事故有不同的處理程序，多數(shù)卡鉆事故的處理方法一般遵循如下6 個(gè)處理工序：一是保持水眼暢通恢復(fù)鉆井液循環(huán)；二是以上下提拉或扭轉(zhuǎn)形式活動(dòng)鉆具（以提拉為主）；三是對(duì)卡鉆部位進(jìn)行浸泡（注入解卡劑）；四是使用震擊器震擊（單獨(dú)震擊或泡后震擊）；五是套銑或倒扣；六是在“魚(yú)頂”以上進(jìn)行側(cè)鉆。

本軟件中的卡鉆模型主要為掉塊卡鉆，具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖11。

圖11 卡鉆關(guān)卡實(shí)現(xiàn)流程Fig.11 Implementation flowchart for Level of drill sticking

2.6.3 斷鉆具關(guān)卡

鉆具斷落事故是鉆井作業(yè)中常見(jiàn)的事故之一，若井況正常，處理也容易，成功率較高，若井筒條件差，井況復(fù)雜，可伴隨卡鉆事故發(fā)生，處理不慎，也會(huì)造成復(fù)雜事故［25］。常見(jiàn)的斷鉆具主要以鉆桿折斷、鉆鋌及井下工具折斷、滑扣、脫口、刺口、粘扣等類型為主。本軟件系統(tǒng)中的斷鉆具模型主要為鉆桿脫扣，具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖12。

圖12 斷鉆具關(guān)卡實(shí)現(xiàn)流程Fig.12 Realization process for Level of broken drilling tools

2.6.4 燒鉆關(guān)卡

在鉆進(jìn)過(guò)程中由于孔底沖洗液不足，鉆頭冷卻不良，巖粉排除不暢，鉆頭與孔壁、巖心和巖粉摩擦產(chǎn)生高熱，使鉆頭、孔壁巖層、巖心燒結(jié)為一體，此時(shí)沖洗液循環(huán)中止，鉆具不能回轉(zhuǎn)也不能提動(dòng)，這種孔內(nèi)事故稱為燒鉆事故［25］。軟件中燒鉆實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖13。

圖13 燒鉆關(guān)卡實(shí)現(xiàn)流程Fig.13 Implementation process for Level of drill burning

3 系統(tǒng)試驗(yàn)與分析

采用上述的設(shè)計(jì)思想和技術(shù)方法，基本實(shí)現(xiàn)了基于Unity3D 的巖心鉆機(jī)模擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)模擬軟件。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)中理論學(xué)習(xí)、操作培訓(xùn)、自由練習(xí)、成績(jī)考核和闖關(guān)五個(gè)模塊可初步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，鉆機(jī)動(dòng)作動(dòng)畫(huà)流暢，無(wú)異常錯(cuò)誤。測(cè)試結(jié)果表明實(shí)訓(xùn)平臺(tái)為培訓(xùn)對(duì)象提供了一個(gè)直觀、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的環(huán)境，通過(guò)該平臺(tái)學(xué)員可以快速、準(zhǔn)確地操作鉆機(jī)組裝、鉆機(jī)操作，動(dòng)態(tài)分析各種被控對(duì)象的執(zhí)行效果，同時(shí)能更多地學(xué)習(xí)各類鉆井事故的處理方法，加上惟妙惟肖的環(huán)境音效，加深了現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)感，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效率。同時(shí)避免了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操的設(shè)備損壞和安全隱患，降低了同程度下的實(shí)訓(xùn)教學(xué)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于Unity3D 交互沉浸感的特性實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中巖心鉆機(jī)的實(shí)際操作，為教學(xué)培訓(xùn)提供了新的方法。本系統(tǒng)軟件滿足了用戶模擬操縱立軸式巖心鉆機(jī)的需求，并給予用戶多種視覺(jué)感受，通過(guò)場(chǎng)景漫游技術(shù)，用戶自由觀察鉆探施工場(chǎng)地周圍的環(huán)境；通過(guò)模擬控制鉆進(jìn)技術(shù)，用戶完全自主控制鉆進(jìn)過(guò)程；利用場(chǎng)景切換技術(shù)，用戶多角度、全方位地觀察鉆探施工過(guò)程中鉆頭的行進(jìn)路線；依托實(shí)物模型和幾個(gè)場(chǎng)景內(nèi)容的學(xué)習(xí)，用戶從認(rèn)知層面到熟練操作虛擬XY-6B 型巖心鉆機(jī)的層面。整個(gè)軟件系統(tǒng)運(yùn)行情況較好，內(nèi)容豐富、真實(shí)感強(qiáng)，取得了較好的仿真效果，讓用戶沉浸式地學(xué)習(xí)操作鉆機(jī)，解決了大批量人員培訓(xùn)的問(wèn)題，也降低了培訓(xùn)成本和培訓(xùn)過(guò)程中存在的安全隱患。

除此之外，本系統(tǒng)在頭戴式VR 顯示操作、地層鉆進(jìn)參數(shù)反饋、鉆機(jī)復(fù)雜參數(shù)控制、精細(xì)化鉆井事故模擬等幾個(gè)方面需不斷創(chuàng)新、提升、優(yōu)化和完善。為達(dá)到更真實(shí)、全面的鉆機(jī)模擬操作體驗(yàn)，應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行完善：

（1）現(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已向增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)延伸，比如采用Stewart 并聯(lián)平臺(tái)搭建沉浸式座椅［27］，可讓司鉆體驗(yàn)到鉆機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行等過(guò)程中的抖動(dòng)或振動(dòng)。

（2）搭建多場(chǎng)景模式。鉆機(jī)的工作場(chǎng)景可設(shè)置為譬如山林、草地、隔壁、沙漠等不同場(chǎng)景，也可增加降雨、降雪、大風(fēng)等氣候因素，并配備不同場(chǎng)景下的鉆機(jī)操作注意事項(xiàng)，以增強(qiáng)實(shí)際培訓(xùn)效果，同時(shí)也增加趣味性。

（3）本文是基于立軸式巖心鉆機(jī)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，目前全液壓鉆機(jī)和模塊化輕便鉆機(jī)已普遍采用，且這些鉆機(jī)的成本較立軸式鉆機(jī)更高，操作更復(fù)雜，下一步應(yīng)豐富鉆機(jī)類型，使被培訓(xùn)者在短期內(nèi)熟練掌握多種類型鉆機(jī)的操作。