油田井下作业仿真培训系统的设计与开发研究

赛孜古尔·阿巴拜克力，王 磊，张 伟，陈军杰，程 澎

（新疆石油管理局有限公司新疆培训中心，新疆 克拉玛依 834000）

0 引言

如今，在我国新媒体信息时代的大背景下，计算机仿真技术已经广泛应用于各个行业。计算机仿真技术作为推动我国智能发展的重要技术之一，其主要作用是将现实转换为虚拟，并呈现出来。这种技术能够给用户带来身临其境的体验，达到用户与虚拟环境和现实环境的自然交互的效果。计算机仿真主要使用的是图形成像技术和显示技术，通过信息综合数据运行构建出仿真对象的立体模型或者构建出一个近乎真实的现实环境。油田井下作业仿真培训系统便充分应用了计算机技术，通过综合信息技术、显示技术、图像图形技术构建一个虚拟的、三维的油田井下作业工具的结构，将井下作业的工作原理及运用的工艺更加直观地展现在学员的面前，这样可以使学员在学习过程中对相关知识点有更为具体的认知，也有利于学员掌握整个作业过程的各个环节。

1 油田井下作业仿真培训系统的总体设计

开发油田井下作业仿真培训系统旨在对新入职学员进行相关业务能力的培训，以确保其后期投入工作中能够提高工作准确性、质量和效率。这一培训系统主要运用计算机技术进行三维模拟环境的构建，是对现实环境的一种近乎真实的模拟。通过油田井下作业仿真系统的培训更能够激发学员们的学习兴趣，确保良好的教学效果，以此提高教学的效率。学员们通过身临其境的体验，能够更深刻地掌握油田井下作业的具体工具和采用的施工工艺。油田井下作业仿真培训系统主要由三个部分组成，一是试油，二是大修，三是压裂酸化。从具体的功能上来看，油田井下作业仿真培训系统主要包括工艺流程简述、施工井场浏览以及施工工艺模拟。对于上述几项功能特性来说，其是仿真培训系统的重要组成部分，也正是因为系统具备上述特性，才使得自身价值得到有效体现。所谓的工艺流程简述是通过文字和三维结构示意简图向学员们展示一些油田井下作业工艺及操作的基本理论知识。施工井场浏览的作用是将油田井下作业的各个角度全方位地展示给学员，在培训的过程中，学员可以选择路径浏览、自由浏览、俯视浏览等三种不同的浏览方式，以便更准确形象地掌握油田井下作业的各项工艺及工具，清晰地认识到油田井下作业的内在结构。所谓工具结构及原理演示主要分为三部分：第一部分是油田井下作业工具外观的展示，第二部分是油田井下作业工具结构的展示，第三部分也是最重要的一部分，是对油田井下作业工具原理的演示。传统的培训学院仅仅是通过培训教师口头讲述或者图片演示，学员自行在脑海中构建三维立体的模式，这种形式难免会出现或大或小的误差，而通过将三维仿真技术运用到油田井下作业的培训之中，以往学员们难以理解的技术技巧、基础知识和工作原理也能够更直观地掌握。同时在演示的过程中，学员们可以通过自行操作对构建的虚拟环境中的各个部位和角度进行任意的调整，无论是旋转，还是放大缩小，甚至是平移，油田井下作业仿真系统都能够得以实现，让学员从任意角度观察油田井下作业虚拟环境。施工工艺模拟作为油田井下作业仿真培训系统的重中之重，该部分具有其他部分都不可比拟的强大功能，具有较强的知识逻辑性，它能够实现模拟油田井下作业的全过程施工，使学员能够更加直观和全面地学习施工工艺，从而使学员在真正进行设计操作时能够更加熟练，大幅度提高工作的质量和效率，也能够有效减少经济损失，降低成本。

2 油田井下作业仿真培训系统特点

首先，仿真性。井下作业仿真培训系统的最大特点体现为其具备仿真特性，可以通过硬件模拟以及软件效果仿真等手段来为学员学习提供操作平台以及考核平台、故障演习平台等。同时，在借助系统开展仿真培训时，其所涉及的内容更为丰富，往往不会像传统的课堂教学那样枯燥，可以活跃课堂氛围，通过计算机模拟技术的应用促使受培训的学员适应多种复杂操作环境。其次，自主性。对于这一培训系统来说，在实际开展培训工作时，往往可以引导学员自主进行知识探索以及学习，使理论与实践的衔接更为流畅，不会使学员在学习过程中感到枯燥，更为强调学员自身的学习感受。最后，开放性。开放性是油田井下作业仿真培训系统的重要特征之一，其告别了传统单一的项目培训环境，其以数字化技术打造了促使学员置身于培训项目的逼真环境，使学员在实操过程中获得身临其境的感受。同时，井下作业仿真培训系统的运用也使学员可以突破时间以及空间的限制，不必拘泥于特定地点或者时间段，这也使得学员的实践操作自由程度明显提升，更加有利于其不断完善自身技能体系。如果在培训过程中没有掌握一些重要的操作技术，则可以重复多次操作，直到掌握操作要点为止，这也使学员在接受培训过程中充分掌握了自主权。

3 油田井下作业仿真培训系统的实现

对于传统的技术培训系统来说，在实际运转的过程中往往会面临技术培训资源较为有限、培训方向较为单一、培训形式较为固定等情况，这也使得其培训针对性较差，不能够很好地适应当前较为复杂的技术理念变动、设备更换、工艺更新等情况的实际需求，也导致了其在耗费人力以及资源的同时并没有取得理想的技术培训效果。而随着我国计算机技术水平的不断提升，逐渐衍生出电子系统工程与仿真技术，将仿真技术应用到油田作业数字化培训中之后，可以实现对井下作业全过程的有效设定以及监督，并且构建起相应的工艺模板，其具体包括应知理论课程、操作课程以及素材库等，这也使培训工作所涉及的内容更为丰富，有利于对接受培训的学员知识体系进行完善，对提升其综合工作能力也起到了重要促进作用。目前，油田井下作业仿真培训系统的实现包括系统模型的建立和三维引擎设计与实现两个部分。以下具体介绍这两个部分的具体操作步骤。

3.1 系统模型的建立

系统模型的建立主要包括两个方面，分别是物理模型的建立和几何模型的建立。物理模型的建立也可以称之为物理建模，其主要创建油田井下作业内部的质量、重量、形状的改变模型等。几何模型的建立即几何建模，不同于物理建模，几何建模主要是对三维空间的创建，形成一个立体的空间形状，两者相互结合最终形成一个几近真实的虚拟三维物理模型。油田井下作业仿真培训系统主要依靠仿真支撑软件运行，仿真支撑软件必须满足超强的运行能力，现如今，大部分的油田井下作业仿真系统大部分使用实时三维建模软件进行模拟建模。需要注意的是在建模的过程中要十分注重多边形数量的减少，以此提高程序的使用性能。除此之外，系统模型要极具逼真度，这就要求仿真系统要使用合适的纹理，以此保证图像处理的良好效果。油田井下作业仿真培训系统在建模的过程中还需要加入相应的物理特性，例如，在系统中建立井下作业工具及结构部件的自由度，确保其能够自由的平移、缩放和旋转，除此之外，也可以在基础之上添加较为复杂的变换。

3.2 三维引擎的设计与实现

油田井下作业仿真培训系统的主要目的是为了实现用户之间的互动，因此三维引擎的初始过程要进行十分具体的过程设计，主要有以下几点：首先，在进行三维图形像素设计的时候，应该注意将其与当前的实际情况进行结合，要保证各缓冲器的位数达到标准要求；其次，要注意对系统进行初始化操作，在这一过程中对光照模型的大小以及背景颜色等进行确定；最后，要注意对光照模型进行具体赋值，保证其在实际应用的过程中可以有效发挥自身功能性。此外，油田井下作业仿真系统还有另一个比较重要的特点，其主要体现为可以将整个计算机屏幕分为不同的视口，并且每一个视口有自身较为独特的功能特性，可以根据不同时间以及不同角度来显示出相应的模型，这也使得原来占据屏幕的主通道口只占据了一小部分屏幕的面积，而将更多的空余屏幕留给了其他子通道，这也使子通道的各项功能得到了有效展示以及利用，从而能够确保更好的培训质量和培训效果，这种功能就是通过多通道显示实现的。油田井下作业仿真培训系统是通过将整个计算机屏幕分成了几个不同的通道视口，然后用以显示模型同一时间的不同角度或者是显示不同的模型，原来的主通道占据整个屏幕，而次通道只占据屏幕的一小部分区域，并作为主通道的子通道。计算机的帧缓冲区为主要通道，用于显示其他的三维模型，而右通道则是主要显示系统中的主要三维场景，通过程序控制，当主通道的显示内容发生变化时，右通道的显示内容也随即发生变化，二者之间实现同步改变。在进行开窗演示时，对于主通道视口来说，其所展示的内容是处在开窗过程中的三维模型，新入职的学员在学习的过程中可以实现对多个通道口的有效利用，可以实现以主通道口为基础来对其他通道口所展示的内容进行观察，同时，还可以通过控制右下角按钮的方式来对模型角度进行调换。

4 油田井下作业仿真培训系统的前景应用

目前，把计算机仿真技术应用于油田井下作业的培训系统就目前的实际情况而言，油田井下作业仿真培训系统的优点多于弊端，在一定程度上能够确保培训的效果和质量，降低经济成本，减少经济损失。油田井下作业仿真培训系统作为一种全新的培训模式，充分将计算机技术与油田井下作业工作进行有效结合，在当今新媒体时代的大背景下，此种培训模式的应用取得了较为理想的效果，受到了行业内部专家学者的一致认可，同时也使油田培训系统的发展趋势以及应用前景更加明朗，在很大程度上提升了整体培训教学效果。此外，也降低了培训的成本费用，具有十分广阔的发展前景，未来，油田井下作业仿真培训系统将会广泛应用于油田企业，促进油田企业的进一步蓬勃发展。

5 结语

综上所述，本文通过阐述油田井下作业仿真系统的设计原理，并从物理模型的建立和几何模型的建立两方面剖析了油田井下作业仿真培训系统的设计和实现。油田井下作业仿真培训系统主要应用计算机操作技术进行三维立体建模，构建几近现实的自然虚拟环境，完美还原了油田井下作业的内部结构和操作工具，再现真实的井下操作环境。如今，油田井下作业仿真培训系统在多媒体技术与计算机技术的支持下，能够准确生动地将施工工艺和工作操作步骤展示给新入职学员，大大减少了工作的成本，并且提升了工作效能。