石油钻采机械虚拟仿真建设

任永良，贾光政，高 胜，邹龙庆，雷 娜

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

石油钻采机械虚拟仿真建设

任永良，贾光政，高 胜，邹龙庆，雷 娜

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

石油钻采机械是一整套涉及石油开发中钻井和采油的机械装置。它工艺复杂，部件繁多，操作及维修人员需要经过长期的实践才能熟悉和掌握。利用Solid Works软件建立其数字化三维模型，并结合国家级虚拟仿真实验教学中心的设备，建立了石油钻采机械虚拟仿真实验平台。该实验平台提供了一个与现实操作环境类似的虚拟钻采装置，可以供学生及维修人员进行参观、培训及操作，不仅有助于学生加深对装置的认知，提高操作技能，还能加深学生对理论知识的理解，提高创新意识。

钻机；虚拟仿真；石油钻井；三维建模

石油钻采机械课程是面向石油行业的机械类、石油工程、海洋石油工程等专业的重要课程。学好这门课程，不仅有助于提升学生的专业素质和实践能力，也能够提升学生的就业质量。石油钻采机械课程作为一门实践性很强的专业课，光靠理论知识的讲解是远远不够的，必须辅以一定学时的实验，为此必须建立石油钻采装置的实验系统。而石油钻采机械装置的特点是工艺流程复杂、系统庞大、部件繁多。如钻井系统一般包含8大子系统，采油系统包含地上、地下两部分，如果仅靠学校建立这些系统的模拟装置，学校不仅难以承担巨额投资，而且也没有足够的场地，甚至有的环境无法模拟(如海洋石油钻井平台、抽油机地下部分等)。随着三维建模软件及虚拟现实技术的发展，利用电脑模拟实际的石油钻采机械并提供虚拟实验环境已经不是一个技术难题。在电脑上进行虚拟仿真不仅不需巨大的投资，还不受设备工作场所、工作环境影响，在进行虚拟实验时，也不受设备开启后的震动、噪音、危险等影响，可以极大地提高学生的学习兴趣，加深认知深度[1]。通过虚拟仿真实验，学生可以了解整个钻采机械系统各模块的功能、结构、工艺、性能、参数及相互之间的关系，有助于加深学生对课程内容的理解和提高实验效果。

1 石油钻采机械系统

石油钻采机械指的是石油钻采过程中所用到的机械装置的总称，主要包括各种钻井装置和采油机械。钻井装置是一套庞大的联合机组，主要包括8大系统：起升系统、旋转系统、钻井液循环系统、传动系统、控制系统和监测显示仪表、动力驱动系统、钻机底座和钻机辅助设备系统等，具备起/下钻能力、旋转钻进能力和循环洗井能力。其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头(动力水龙头)及钻井泵(现场习惯上叫“钻机八大件”)、动力机(柴油机、电动机、燃气轮机)、联动机、固控设备、井控设备等[2]，每套装置成本在100万元以上。而采油机械主要分为地上和地下两部分，结构上分为游梁式抽油机系统和无游梁抽油机系统两大类，每一类又可分为若干品种[3]，每套装置的成本在十多万元到几十万元之间。由此可见，建立石油钻采机械装置进行实验教学不仅投资巨大，也没有可供建设的场地，必须借助计算机技术进行虚拟仿真设计。

2 虚拟仿真技术

虚拟仿真是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统[4]。此种虚拟世界由计算机生成，可以是现实世界的再现，亦可以是构想中的世界，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟世界进行自然的交互。它是以仿真的方式给用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感设备，为用户提供一个观测与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感，其逼真性和实时交互性为系统仿真技术提供有力的支撑。虚拟仿真技术具有4个基本特性：沉浸性、交互性、虚幻性及逼真性[5-6]。它可以为石油钻采机械系统提供一个逼真的虚拟环境，通过这个虚拟环境，学生可以进行仿真实验，学习相关技术知识和操作经验[7]。

3 石油钻采机械虚拟仿真

虚拟仿真系统的实现依赖于素材的建设。对于石油钻采机械系统来说，其素材主要是钻机系统和抽油机系统所涉及的所有机械本体装置。为此，需要利用传统的三维建模软件建立实体模型，再利用虚拟仿真系统导入模型，进行数据转换、渲染场景并输出到屏幕上去，操作者通过特殊的数字化头盔和数据手套等设备与场景进行交互操作。

3.1 石油钻采机械的三维建模

建模软件的选择对于模型的建立具有非常重要的作用[8]。目前，市面上通用的三维建模软件包括CATIA、SolidWorks、UniGraphics、Pro/Egnineer、MDT、Cimatron、Solidedge和I-deas等；三维造型软件包括Rhino、3DS Max、MaYa和XSI等。

从教育、科研、功能扩展、与虚拟仿真场景衔接及用户等方面综合考虑，本文选择常用的数字化建模软件Solid Works[9]。首先，利用Solid Works建立石油钻采机械的三维模型。如图1所示为利用该软件建立的车载式石油钻机装置的三维模型。然后，以此类推，建立整个石油钻采机械装置的各部分模型及配合关系，供虚拟仿真使用。

图1 车载式石油钻机模型

3.2 石油钻采机械的虚拟仿真

虚拟仿真实现采用曼恒科技的虚拟现实沉浸式交互系统G-Magic。东北石油大学“石油与天然气工程虚拟仿真实验教学中心”就是依托该系统建立的国家级虚拟仿真实验中心。G-Magic拥有6块投影幕系统，当需要变为超大场景展示时，通过内置的进口电机控制，可实现一键式变形操作；地面幕布可由一变三，两侧投影系统可180°任意打开成需要的样式，可以不同角度、不同场景地模拟石油钻采机械系统，使学习者能够体会到身临其境的感受。该系统同时可供二十多名学生一起参与虚拟仿真体验，培训效率较传统实践环节高。

G-Magic系统主要通过DVS3D软件平台导入上述三维模型。DVS3D是一个可以直接实时获取多种3D辅助设计软件数据内容的虚拟现实协作工作平台，也可以自由地搭建3D的虚拟场景，并且结合3D立体沉浸式投影系统和交互设备，具备协同设计、可视管理、实时交互等特点。它能让操作者感觉像置身真实的环境中进行设计展示、方案评审、决策评估、机械装配和模拟训练。DVS3D主要由Editor和Client两部分组成，通过网络进行数据传输和同步。Editor可读取常用建模软件建立的模型格式，提供模型效果编辑环境，也可以实时获取三维建模软件绘制的三维图形数据；Client基于沉浸式环境实现1∶1多通道的立体显示，集成虚拟交互外设的VRPN 标准接口，提供追踪设备(ART、Vicon等)的直接连接使用，进而实现对设计方案的虚拟展示、装配训练、动画控制、测量、剖切显示等功能。DVS3D内嵌在线的3D数字工厂素材库服务平台，可方便快速地查询和下载所需行业模型，在DVS3D中搭建场景并进行交互操作。

通过导入石油钻采机械的三维建模数据后生成的虚拟仿真环境如图2和图3所示。

图2 石油钻机工作过程仿真

图3 车载式石油钻机钻井前准备工作仿真

4 结束语

东北石油大学机械设计制造及其自动化专业作为教育部第二批CDIO试点专业，在人才培养模式及课程设置上进行了较大的改革，大幅度增加了实验、实践课程及创新学分[10]。石油钻采机械的实验学时从4学时增加到16学时，占整个计划学时的1/3。但实验设备和场地不足严重制约了实验教学的开展，依托学校的“石油与天然气工程虚拟仿真实验教学中心”，建立起石油钻采机械虚拟仿真平台后，极大地提高了学生参与实验的积极性和学习兴趣，学生从原来的被动参与实践变成主动排队参与实践，有利于学生的技能训练和能力培养。这对提高学生的综合素质和实践能力具有非常大的帮助。

[1]赵海晖,孟垂成,束奇. 虚拟设计与仿真技术在石油机械设计中的应用[J].工程图学学报，2007(4):1-5.

[2]姚春冬.石油钻采机械 [M].北京：石油工业出版社，2010：1-17.

[3]谭海嵘.国内外机械采油技术发展综述[J].内蒙古石油化工，2008(4):64-66.

[4]熊亚蒙.数字化教育与虚拟课件的实现[J].科技资讯，2010(32):167-168.

[5]王永超. 面向职业教育的抽象知识虚拟仿真技术[J]. 广东技术师范学院学报，2009(2):63-65.

[6]李生强,杨家军,曾凯. 基于VRML的交互式机构仿真系统研究[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2002，30(9):73-75.

[7]梅婷，李海宗. 虚拟现实技术在职业教育工科实训课程中的应用[J].继续教育研究, 2008(1):44-45.

[8]辛晨昀,王汝传,侯宜军. 基于VRML的虚拟场景构造中应用建模工具的研究[J].南京邮电学院学报(自然科学版)，2001,21(2):90-94.

[9]朱强. SolidWorks可视化虚拟装配系统的研究[D].南京：东南大学，2005:9-13.

[10]任永良,贾光政,王金东,等.气动实验教学中实践卓越计划的启示[J]. 中国电力教育，2013(34):156-157.

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

黑龙江省重点专业建设项目;东北石油大学教学课件项目。

任永良(1973-)，男，博士，副教授，主要从事油气田地面工程方面的教学与研究工作。

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.06.070