基于虚拟仿真技术的钻探工艺实验平台研究

陈 晨, 孙友宏， 赵富章， 陈宝义， 王清岩， 赵 研， 马银龙

(吉林大学 建设工程学院，国家级地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心, 长春 130021)

基于虚拟仿真技术的钻探工艺实验平台研究

陈 晨, 孙友宏， 赵富章， 陈宝义， 王清岩， 赵 研， 马银龙

(吉林大学 建设工程学院，国家级地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心, 长春 130021)

介绍了虚拟仿真技术在吉林大学钻探工艺实验平台建设中应用，提出了钻探工艺平台的建设目标和技术实现；论述了教学平台的特色和实践。钻探工艺实验平台的建设结合了虚拟现实、网络通信以及数据库等技术，改善了教学环境；将复杂的钻探过程变为室内常态化的教学过程，实现了理论与实践相结合的目标，代表了现代化实验与实践教学平台未来发展的趋势。

钻探工艺； 虚拟仿真技术； 地质工程； 实验平台建设

0 引 言

钻探工程是一项系统工程，是多专业、多工种利用多种设备、工具、材料进行的联合作业。具有看不到、摸不着的特点，而且施工过程具有相当的复杂性，往往受到现场环境和安全条件的制约。所以，对于钻探这样一个复杂的施工过程，开发出一套基于虚拟现实技术的钻探工艺实验平台对于地质工程类相关专业的学生的教学以及培训钻井人员来说是一项迫在眉睫、尤为重要的需求。

随着高校对本科教学改革教学要求的不断提高，以信息技术为基础的各种实验教学平台逐渐成为世界教学实践发展的一种趋势。在《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》[1]、《教育信息化十年发展规划(2011—2020年)》[2]和教育部“关于组织开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知”[3]精神指导下，在国家级地质资源立体探测虚拟仿真实验教学中心资助下，建设工程学院建设了具有一套完整的钻探工艺虚拟仿真教学演示平台(下称平台)，平台运用现代虚拟仿真技术，把工程现场情景化，能够很好地解决当前地质工程类专业的传统难题。平台能够以低成本、低风险的方式完成高效率的教学实践。更可以提高学生实践操作能力，增强对钻探工艺的理解和认知。

1 钻探工艺平台的虚拟仿真教学改革

地质工程专业具有很强的特殊性，很难进行实地实验教学。作为学校重点学科，地质工程专业的教师将虚拟现实技术用于地质工程、石油工程专业本科生和研究生的实验教学。将复杂的地质工程及钻探工艺相关知识运用形象直观的三维图形表现出来，建立人机交互界面，把工程现场情景化，加强了对所学知识的了解。

平台的虚拟现实技术具有沉浸感、交互性和构想性的特性，对钻井过程进行模拟的动态仿真系统，能够实现对正常钻井、取下钻具以及处理孔内事故等过程的模拟教学。同时借鉴了国内外虚拟仿真实验室和钻探工程模拟建设的实践经验，设计和建设了与真实环境一致的虚拟三维钻探作业环境及设备运行状态，通过该系统能够交互的查看钻机、钻头、动力机等设备，可以动态的查看钻机的主要组成部分，使学生能够区分不同型号间钻机的区别，实时动态的查看钻探过程。平台运用虚拟现实技术，生动真实的模拟三维钻探作业环境，包括进行钻探作业时，地上与地下设备运行及发生故障时的状态。平台建立了钻井工艺数据库和钻具组合数据库，针对不同的钻井工艺流程设计不同的操作步骤和钻具组合。建立操作台与虚拟样机间的控制指令及反馈信号通信系统，同时可以基于多媒体动力学软件对模型的结构、贴图、场景优化；使其具有二次开发和实时检测的能力[4-6]。

该系统还可以方便教师随时掌握学生的学习成果，教师在系统中设置场景参数，学生根据教师配置的参数场景，在系统中进行判断及操作，并进行自动评分，教师可以直观地实时了解学生的学习效果。

2 虚拟仿真技术的建设目标和技术实现

2.1项目建设目标

平台的研发和建成克服了实践过程中的设备及环境的限制，真实模拟了现实中的设备和场景状况，模拟真实的钻探工作流程。通过虚拟仿真教学平台可以使学生的学习效率和操作技能得到更大提升。

平台能够模拟整个钻探过程中的设备选择、孔深结构设计和工艺参数变化等内容，该平台具有钻探装备整套三维实体模型，教师和学生可以司钻的身份在电脑前操纵钻机，钻机虚拟样机可根据指令完成各个动作，进行钻探过程的动态模拟演示，具有界面直观友好，交互体验感强，数据、信息量大等特点。

平台建设围绕着虚拟现实、多媒体、人机交互等特点进行虚拟仿真开发，并及能够实时模拟出钻探过程中工艺参数的变化，平台在表现手法上采用强大的交互互动手段来增加软件的智能化、现代化水平。

综合采用了三维动画技术、平面动画技术、虚拟现实技术以及媒体交互技术等当今世界上多种最新的高科技媒体技术[7-9]。平台的设计理念上还融入了一些虚拟现实的思想，建立了具有实时动态的三维立体逼真图像的模拟环境，具有可扩展的功能。

采用模块化的设计，整个教学平台由多个模块组成，在模块化的教学平台建设过程中，可以明确区分出学生在实践操作过程中的各个进程和各个模块的完成情况增加，因此能够更好地掌握学生的学习状态和实践水平。每个教学模块都有相对的独立性，都有各自的教学要求和教学目标，而各个模块内容之间又存在着密切联系，方便维护。

平台开发采用了当今领先的虚拟现实技术和颇为流行的互动交互技术，具有简单、自然、直观地操作。

平台具有灵活的开放性，系统采用了具有开放性和标准化的接口技术进行开发，在应用范围的扩展能力上具有很大的潜力。

基于C/S模式可以通过网络实现大规模并行在线教学；实现多人、多机在局域网内进行同步操作，在特定的网络带宽下，运行流畅稳定，具有良好的画面渲染效果[10-12]。

2.2技术实现

以国土资源部复杂条件钻采技术重点实验室硬件平台为基础，并且得到了学校985平台、教育部地球信息探测仪器重点实验室的大力支持，学院承担的国土资源部《深部探测技术与实验研究专项》子课题“深部大陆科学钻探装备研制”，对“地壳一号”万米钻机的整机系统包括顶驱系统、提升系统和摆管等系统的性能试验以及关键零部件的结构进行了虚拟仿真设计，因此万米钻机的联合仿真虚拟技术的成功实施也对本项目的建设思路和软硬件条件提供了较大支持。

虚拟仿真实验教学平台建设目前采用了多种的虚拟现实技术包括三维动画、平面动画以及媒体交互技术等。开发中使用了目前我校勘查技术与工程实验室既有的Autodesk公司的Inventor建模软件，能过完成钻探设备的建模、装配和演示等功能；以及CAXA、ADAMS和ANSYS等分析软件。虚拟现实技术利用3Ds Max 软件构建钻塔、 钻机、 泥浆系统、 动力机、钻具等实体三维模型，运用Virtools 软件制作了交互式的动态效果，全方位展示钻探设备结构、模拟钻井过程以及事故处理等内容。结合各种虚拟现实技术包括Adobe Flash、 LabVIEW 等开发平台及多种主流的专业仿真计算软件展开了了虚拟仿真建设。综合利用了数据库技术、C/S网络技术，实现了实验平台的网络化管理[13]。

3 虚拟仿真技术在实践中的应用

实验教学过程中可以通过该平台使学生了解整个钻探过程的工艺和步骤：包括实际钻岩过程，根据地层特征选择适合的钻井方法、钻头类型及钻井工艺参数等；掌握钻井工艺参数的测量方法及对钻速的影响规律。通过对钻井全过程的掌握，可以通过实时地改变钻井工艺参数来观察钻速和钻井效果的变化情况，更加合理地选择钻具组合和钻探工艺参数。

该平台有教师机和学生机两大部分，学生机又包括操作界面和状态界面两部分。教师机主要分为3个模块，分别是演示模式、训练模式和考核模式。教师机可以通过交互训练模块和考核模块指令学生机完成钻探训练和考核。学生机主要由工程概况、场地准备、钻机操作和钻井参数交互4个模块组成。学生可以根据教师的题目进行钻孔结构设计，设备选择，钻塔搭建，钻机操作等内容。状态机也是只有连接教师机的状态，完成交互训练和考核。

其中演示模式包含下钻、正常钻井、换层演示、起钻杆、起立根、绳索取心、断杆事故、卡钻事故、公锥打捞落物、母锥打捞落物10个演示动画。模拟演示教学实验可以完全取代野外的现场实践操作，如图1所示为野外钻探现场，工作环境较为恶劣，虚拟仿真技术将复杂的钻探过程变为室内常态化的教学，大大提高了安全性和实验效果。如图2～4所示为演示模式中的取心过程和事故处理演示以及井下状态显示。

图1 野外钻探现场

图2 绳索取心动画演示

图4 井下状态演示

平台采用虚拟钻具使学生掌握常用岩心钻探工具的名称、用途、规格、结构及特点。可以了解岩心钻探各主要设备(钻机、水泵、动力机)的名称、型号、性能及特点；可以掌握岩心钻探的钻井程序、工程施工钻探的基本程序；了解钻具、钻机、泥浆泵、动力机、钻塔的功能。图5所示为钻探设备的查看和选择界面，平台的数据库中提供了多种可选的钻具如图6所示。

图5 钻探设备的查看和选择

学生机可以根据工程概况了解所需钻井地层的特点选择孔位进行钻孔结构设计，如图7所示，从而根据钻井方法和机具选择合理的设计钻井参数进行钻井。通过钻机操作模块可以让学生对钻机的操作有更直观认识，对钻探过程有更深入的了解，如图8所示，可以完成操作钻机，连接钻具等操作。

图6 多种可选钻头

图7 指定地层的钻孔结构设计

图8 钻机操作训练模式

状态机的主要任务是通过钻井参数交互模块让学生主要学习P、N、Q对于地下钻井状态的影响，如图9所示可以实现对地下状态的剖面实时显示，包括钻头和钻杆的状态，同时可以定量的观察P、N、Q、R钻井过程是否达到设计值，对钻速(R)和成本有实时的曲线可以显示，通过控制钻井参数达到最大的钻井效率和经济性。

图9 地下状态实时显示

图10 钻井参数交互界面

4 基于虚拟仿真技术的实验平台特色

学院通过与北京曼恒数字计算有限公司的合作开发保证了虚拟仿真实验实验平台的建设水平。学院提供了相关的各类技术资料、工艺参数，企业提供了平台的虚拟现实技术、软件维护和升级管理等方面的支持。确保了平台具有较高的专业水平的同时也保证了软件运行状态稳定。 平台建设具有以下特色：

(1) 开发技术先进。系统分析阶段，选用适用于钻探工程现场的设备及场景；系统设计和建设过程中采用业界先进、成熟的系统分析方法和系统开发技术，保证系统整体的先进性。

(2) 开放性。为保证系统后续维护及功能添加的方便，在系统设计、开发和实施阶段遵循开放性、可扩展性的原则，采用了标准化的软件接口和数据库接口，提供了功能扩展的能力。

(3) 功能强大、界面美观。平台的各项功能设计遵循方便实用，操作简单的原则，也可以满足用户的个性化要求；平台的用户界面设计合理、美观，便于操作。

(4) 虚拟场景美观、运行流畅，系统响应及时。系统采用实时渲染、动态贴图、角色动画、粒子系统等技术提高虚拟场景的画质，另一方面，通过采用优化设计的方式，降低系统资源需求、提高系统运行效率和用户操作响应速度。

(5) 安全性、可靠性。系统实时过程中采用终端安全认证、终端加密、授权登陆、权限控制等必要的安全保障机制，确保系统和数据的安全、完整。

5 结 语

基于国家教育改革的大背景下，虚拟仿真技术在钻探工艺实验平台研发过程中充分发挥了其网络化、协同化的信息技术特点，促进了实验方法的现代化和教学手段的多样化的发展，挖掘出了钻探工艺这门学科在信息化、智能化时代中的潜力。学生可以通过平台认识钻探装备集成技术、熟悉钻探工艺方法及步骤，同时平台建设过程中探索了校企合作方式，构建开放的共育共享机制，逐步实现培训实践型高素质创新人才模式的新常态，使其在学科人才培养和教学科研中发挥更大作用。

[1] 中华人民共和国教育部.教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见(教[2013] 4号) [Z].2012.

[2] 中华人民共和国教育部.教育信息化十年发展规划( 2011-2020年)( 教技[2012] 号) [Z].2012.

[3] 中华人民共和国教育部. 关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函[2013] 94号) [Z].2013.8.

[4] 李炎锋，杜修力.土木类专业建设虚拟仿真实验教学中心的探索与实践[J].中国大学教学，2014(9): 82-85.

[5] 尹邦堂，刘瑞文，刘 刚，等. 钻井及井控模拟仿真平台构建[J]，实验室研究与探索，2015，34(8)：86-89.

[6] 李彬彬，苏明周. 土木工程虚拟仿真实验教学体系探索与构建[J]. 西安建筑科技大学学报(社会科学版)，2015，34(2)：96-100.

[7] 郑 鑫，张晓洁. 虚拟实验室立体化教学资源平台建设[J].实验室研究与探索，2015，33(8)：109-111.

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[9] 周骥平，张惠芹，周 俊. 高校实验室管理效能体系的设计探讨[J]. 实验技术与管理，2015，32(11)：2-3.

[10] 冯其红，李晓东，马建民，等.石油勘探开发工业虚拟仿真实验教学中心建设[J]. 实验技术与管理，2014，31(9)：2-4.

[11] 冯兴田，仉志华，马文忠，等. 基于多种信号处理方法的电能质量虚拟仿真实训平台[J].实验室研究与探索，2015，34(12)：79-81.

[12] 刘贤梅，高 飞. 油田钻井虚拟仿真系统[J]. 计算机系统应用，2012，21(7)： 5-8.

[15] 房 昕. “地壳一号”万米钻机自动送钻模拟研究[D].长春：吉林大学，2014.

ResearchonExperimentPlatformofDrillingTechnologyBasedonVirtualSimulationTechnology

CHENChen，SUNYouhong,ZHAOFuzhang，CHENBaoyi，WANGQingyan，ZHAOYan，MAYinlong

(College of Construction Engineering, Virtual Simulation Experiment Teaching Centers of Four-Dimensional Geological Resources Probe, Jilin University, Changchun 130021, China)

Virtual simulation technology is applied in the drilling technology experiment platform construction in Jilin University. The target and implementation of the drilling technology teaching platform are proposed. The characteristics and application practice of the teaching platform are discussed. The construction of drilling technology experiment platform is a combination of virtual reality, network communication and database technology. The improves the teaching environment, the complex drilling process has become a normalized teaching process indoor. It achieves the goal of combining theory with practice, and represents the trend for the future development of modern experimental and practice platform.

drilling technology; virtual simulation technology; geological engineering; experiment platform construction

TP 391.9; G 482

A

1006-7167(2017)09-0132-04

2016-12-25

陈 晨(1965-)，男，四川资中人，博士，教授，博士生导师，主要从事地下资源钻采技术研究。Tel.: 13578675055; E-mail: chenchen@jlu.edu.cn