半潜式钻井平台系统VRML仿真关键技术研究

2013-07-08沈蓉齐明侠刘健唐甫世

石油矿场机械 2013年6期

沈蓉，齐明侠，刘健，唐甫世

（1.中国石油大学（华东），山东青岛 266580；2.中海石油研究中心，北京 100027；3.江汉石油钻头股份有限公司，武汉 430223）①

近年来，深水油气田的开发正在成为世界石油工业的主要增长点和世界科技创新的热点。适用于深水钻井的主要装置是半潜式钻井平台和钻井船，其中半潜式钻井平台凭借自身对恶劣海况的适应能力强、甲板空间和可变载荷大、自持力强等特性，在深水油气开发中扮演着越来越重要的角色［1］。考虑投资成本、工作水深范围、井口数目、服务年限和工作地域等因素，相比张力腿平台和Spar平台，半潜式平台是更佳的选择。

半潜式钻井平台与浮式钻井船的最大差别是其船体形浮箱大部分潜入最强的波浪作用区以下，受到的波浪冲击力远比钻井船小。此外，半潜式平台的浮箱布置，使其在各个方向的抗摆能力都差不多，没有突出的薄弱方向［2］。因此，半潜式平台的稳定性比钻井船高得多。从海洋石油开发向更深、海况更恶劣的海区发展来看，建造半潜式平台应是主要的发展方向。

本课题以半潜式钻井平台为研究对象，重点研究复杂海洋环境下钻井系统的可视化仿真问题，是平台系统的动力学仿真、辅助选型以及深水生产平台钻井设备配置等关键技术的组成部分。

本课题是在建立了半潜式钻井平台上钻井设备几何模型、优化钻井设备布置方案并进行不同钻井工况下钻设备运动、动力学分析基础之上，对系统进行仿真模拟。本文介绍了在建立仿真系统过程中运用到的关键技术与解决的关键问题。

1 系统组成

半潜式深水钻井平台系统主要组成有：动力定位系统、钻井控制系统、钻井提升系统、循环及固控系统、BOP 组及控制系统、隔水管和补偿系统等。每个系统需要确定多个参数，例如提升系统需要确定的参数包括最大钩载、大钩提升速度、绞车快绳拉力、绞车额定功率、天车参数、游车参数、井架参数等［3－4］。因此，通过计算建立起参数数据库是一个非常复杂过程。同时，平台的钻井工艺过程也异常复杂，因此，建立起深水半潜式钻井平台的仿真系统，对于研究深水半潜式钻井平台结构和功能、推进深水石油开采具有重要意义。

本次建立的仿真系统，通过利用虚拟现实仿真技术，模拟半潜式钻井平台的主要结构和布置，演示钻井基本操作过程和海洋平台钻井设备的工作原理，并具有很强的交互能力，观察者可以全方位不受约束地浏览，并可通过键盘和鼠标实现对钻井设备的交互控制。该仿真系统较好地模拟了深水钻井平台主要结构和钻井作业相关过程。

2 平台系统VRML仿真关键技术

2.1 平台钻井系统三维建模

一个能够在真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有3个基本要素：

1）能够提供给用户一个与真实世界高度逼真的三维立体虚拟世界。

2）虚拟世界能给用户一种身临其境的沉浸感，用户在其中具有跟真实世界一样的实时任意活动的自由度。

3）用户能以自然的方式实时地操纵和改变所进入的虚拟世界，与其中的虚拟对象进行交互。

海洋钻井平台系统是一个复杂的综合性系统，对完成其虚拟仿真与可视化来说，首要任务在于快速高效地建立系统各个部分的三维模型。

VRML作为第2代WEB 语言，提供给使用者一个多维的虚拟世界，这是其他仿真仿真软件无法企及的优势。但另一方面，VRML 在建模上过于简单，虽说VRML提供了一些简单的造型节点，但是考虑到海洋平台钻井系统的结构复杂程度、设备精确的装配关系以及数量众多等因素，显然使用这些简单造型节点来建模不现实，效率低，工作量大，由此需要借助专门的三维建模软件来建模。目前几乎所有的三维建模软件都提供了多种三维文件的转换接口，其中就包括VRML文件。可以使用这些三维建模软件建立各种复杂结构的模型，然后通过软件自带的接口转换为VRML文件，为虚拟现实系统所用，这样可以大幅提高建模效率。

考虑到深水钻井平台模型建立的特殊性、转换后文件的质量和大小等众多因素，选用Solidworks作为三维建模软件，用Solidworks软件本身自带的VRML文件的转换接口，可以很方便地转换。

根据对半潜式深水钻井平台结构分析与设计，以实际某型号深水钻井平台为参考，严格按照1∶1的比例建立钻井平台系统模型，如图1所示。通过模型干涉检查，干涉率为0。

图1 钻井平台系统仿真三维模型

2.2 虚拟现实环境下VRML文件优化

在创建复杂的VRML场景时，除了创建大量的模型外，还必须考虑到VRML 场景载入、渲染和浏览速度。文件体积的大小等将直接关系到文件的载入、渲染时间和浏览速度。由于建模后输出的VRML文件仍较大，因此创建场景模型必须考虑对其优化。其过程包括预优化处理、基于面片数的优化、基于节点复用的优化、基于数据精度的优化以及基于文件压缩的优化。

其中，预优化处理利用程序来删除不需要的节点、默认阈值与空格等，基于面片数的优化则在保证模型品质的前提下，尽可能减少模型的面片数，以提高虚拟场景的实时渲染速度。由于钻井平台的虚拟场景中经常有部分节点有着相同或相近的特点，如钻井中的立根，1根立根是由完整的3个单根连接而成，它们的外形是完全相同的，仅有位置上的区别，因此，可以采用基于节点复用的优化技术以缩减文件体积。在三维建模中导出的VRML 文件中，三维坐标数据的精度很高，精确到小数点后6位，即微米级，如此高的数据精度对于高达几十米的石油钻机来说没有丝毫意义，考虑到钻机零部件之间精确的装配关系，毫米级别的精度已经足够了，因此，可以利用程序对VRML 文件大大简化。最后，还可以采用压缩技术来优化文件，这样可以减少文件的空间，对于文件的载入、渲染速度等影响不大。

2.3 半潜式钻井平台系统VRML虚拟仿真建模

为了以较小的场景模型体积获得可视化系统最大化的真实感和沉浸性，采用基于几何和图像相结合的建模技术。其中虚拟场景中钻井平台的周边环境如蓝天、海洋等均采用IBM 技术建模，而所有的零部件则主要采用GBM 技术建模，包括有深水钻井平台系统主体和环境仿真静态建模、平台仿真动态建模。在此基础上，进行系统集成，建立起深水钻井平台系统VRML总体模型，模拟海洋钻井平台系统主要结构、作业环境以及主要作业工况，并预留高级编程语言进行软件系统的接口，从而增强系统的交互与仿真能力。图2为深水钻井平台系统VRML虚拟仿真系统集成。

图2 钻井平台VRML系统集成

3 软件系统总体结构

钻井平台系统可视化系统总体结构如图3所示，主要由可视化软件（软件部分）和计算机（硬件部分）2部分组成。

可视化软件主要由数据源和虚拟场景显示界面组成，其中数据源包括图像数据和音频数据等。图像数据是指Solidworks导出的钻机VRML 几何模型、虚拟化身模型、钻机周围环境模型以及为了增强系统真实感所使用的各种贴图等；音频数据则来自于真实钻井作业现场不同位置录制的声音，用于放置在虚拟钻井场景中模拟真实环境中的音效。虚拟场景界面是指VB2005环境中VRML 浏览器控件以及各种图形界面，用户可以使用键盘、鼠标等输入设备通过虚拟场景界面实现与石油钻机可视化系统的交互。

完成后的软件系统总体机构框图如图3所示。