摘要：為了解決油氣勘探、開發(fā)過程中因各種異常復(fù)雜情況(特別是在有毒有害氣體泄漏、著火擴(kuò)散蔓延)導(dǎo)致油氣井井噴失控著火后的處理技術(shù)難題，開展了油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場仿真系統(tǒng)的研究開發(fā)與設(shè)計。采用3DS Max技術(shù)對油氣井著火現(xiàn)場進(jìn)行三維場景建模，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)滅火現(xiàn)場實時漫游及滅火操作人機(jī)交互功能，參照油氣井滅火搶險作業(yè)工藝流程，確定仿真系統(tǒng)設(shè)計流程，并對搶險滅火流程進(jìn)行了重點模擬，通過RPG角色扮演使操作員熟悉各搶險流程，最終實現(xiàn)了具有三維可視化、人機(jī)交互等特色功能的油氣井滅火搶險作業(yè)仿真訓(xùn)練平臺的開發(fā)，為實際滅火作業(yè)操作提供重要參考依據(jù)，并成功應(yīng)用于2009年中國石油天然氣集團(tuán)公司舉行井噴事件專項應(yīng)急預(yù)案演練中，為滅火搶險演習(xí)作業(yè)帶來了較好的社會效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)價值。

關(guān)鍵詞：油氣井；井噴失控；滅火；虛擬現(xiàn)實技術(shù)；仿真平臺；3D Max建模；應(yīng)急預(yù)案演練

    目前在油氣行業(yè)如鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計、三維可視化地震資料解釋、儲層分析和綜合油藏管理、海上鉆井平臺設(shè)計、協(xié)同工作和決策已廣泛使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)[1～2]。所謂虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)是利用計算機(jī)模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界，為使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者身臨其境，及時地、沒有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，使用者進(jìn)行位置移動時，計算機(jī)可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回而產(chǎn)生臨場感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用，將切實增強(qiáng)油氣開采行業(yè)的決策性和前沿性，實現(xiàn)信息的可視化分析，降低開發(fā)成本，提高抗風(fēng)險能力。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在石油行業(yè)研究和應(yīng)用的重要性日趨顯著。

    開發(fā)專業(yè)的油氣裝備操作培訓(xùn)系統(tǒng)，采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)完全真實地模擬裝備的操作流程和使用方法，可為需要培訓(xùn)新技術(shù)工人的單位和企業(yè)進(jìn)行專業(yè)的石油機(jī)械操作培訓(xùn)，能夠節(jié)省培訓(xùn)成本，提高教學(xué)培訓(xùn)的可視化程度。

1 井噴滅火搶險中的虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究

1.1 研究背景及目標(biāo)

    油氣勘探、開發(fā)開采過程中因各種意外原因發(fā)生井噴并導(dǎo)致有毒有害氣體泄漏、失火等事故時有發(fā)生[3]，甚至造成了大量的人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞等后果。分析其主要因素有以下兩點：①對事故后有毒有害氣體泄漏、著火擴(kuò)散蔓延缺乏準(zhǔn)確認(rèn)識；②事故發(fā)生后缺乏應(yīng)有的搶險預(yù)案和決策。其中后者是造成重大損失的主要原因。因此，對井噴事故進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過實驗或模擬掌握井噴失控后的處理方法，制訂合理的應(yīng)急預(yù)案，科學(xué)合理地指揮搶險，減少人員傷亡意義重大。

    滅火搶險是一項特殊的、高風(fēng)險作業(yè)，一旦油氣井井噴失控發(fā)生著火，后果將極其嚴(yán)重，因此行之有效的滅火搶險措施至關(guān)重要。面對滅火搶險作業(yè)流程的復(fù)雜與困難，搶險隊員的專業(yè)知識與技能要求越來越高。開展油氣井滅火搶險作業(yè)訓(xùn)練往往需要大規(guī)模的資金設(shè)備投入，并且可能會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，滅火搶險作業(yè)訓(xùn)練和培訓(xùn)受到很大的制約。

因此，研究油氣井著火特點，對滅火搶險作業(yè)進(jìn)行針對性的訓(xùn)練，努力提高滅火搶險人員作戰(zhàn)能力非常必要。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過計算機(jī)模擬仿真則是解決上述問題的有效方法和手段。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬真實環(huán)境，研究并實現(xiàn)滅火搶險作業(yè)仿真系統(tǒng)，能有效提升搶險隊員的安全生產(chǎn)素質(zhì)和搶險救援能力，有力推動我國油氣井搶險滅火技術(shù)實現(xiàn)低成本、安全、環(huán)保、智能化的發(fā)展。

1.2 井賾失控滅火仿真平臺設(shè)計

    異常復(fù)雜情況下油氣井井噴失控著火后的處理工藝技術(shù)和現(xiàn)場處理經(jīng)驗是本仿真系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。針對各種復(fù)雜情況進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計，確定了仿真系統(tǒng)設(shè)計流程。綜合運(yùn)用3DS Max建模關(guān)鍵技術(shù)和Virtools虛擬現(xiàn)實平臺，真實再現(xiàn)了油氣井滅火搶險作業(yè)工藝流程。

    1) 油氣井著火現(xiàn)場三維場景的構(gòu)建：利用現(xiàn)有的模型圖紙，收集相關(guān)實體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和大量照片，利用3DS Max對現(xiàn)實場景進(jìn)行建模。

    2) 模型的優(yōu)化：為了提高大型復(fù)雜場景在實時仿真系統(tǒng)中運(yùn)行的速度和流暢性，以便獲得更高的仿真運(yùn)行效率，就要對所創(chuàng)建的模型進(jìn)行必要的簡化和優(yōu)化。

    3) 實時漫游技術(shù)：模型創(chuàng)建完成后導(dǎo)入到Virtools中實現(xiàn)系統(tǒng)的漫游，漫游過程中控制視點在虛擬場景中合理移動。

    4) 人機(jī)交互式實現(xiàn)：完成仿真系統(tǒng)對油氣井滅火搶險作業(yè)過程的模擬實現(xiàn)。

1.3 井場設(shè)備建模

    仿真平臺根據(jù)井場設(shè)備實物照片、圖紙和材質(zhì)紋理貼圖建立三維模型。本系統(tǒng)主要采用3DS Max建模，模型包括井場鉆井配套設(shè)備，主要有井架、井口、鉆具、頂驅(qū)、游車、大繩、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵，循環(huán)罐、柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)等[4]；還包括搶險滅火設(shè)備，主要有遙感測溫儀、有毒氣體檢測儀、水炮、雪炮、水泵機(jī)組、水力噴砂切割機(jī)、鏈鋸切割機(jī)、重吊等；還包括穿戴防毒面具和高溫防火服的角色模型。

    模型在3DS Max采用多邊形方法按實際比例進(jìn)行繪制，模型繪制完畢后給場景添加燈光，為更好地模擬自然光線，采用天光加光線追蹤的辦法對場景進(jìn)行布光。

    同時設(shè)備模型大多采用多邊形建模的方法，多邊形建模的精髓是用最少的面做出最多的細(xì)節(jié)，并且添加光滑修改器之后能夠表現(xiàn)出最好的效果(圖1)。

1.4 井噴失控滅火仿真平臺功能

1.4.1 滅火搶險處理流程

系統(tǒng)對井噴失控現(xiàn)場著火主要采用3DS Max及Virtools進(jìn)行了逼真模擬，對搶險滅火流程進(jìn)行了重點模擬，用戶通過RPG角色扮演熟悉各搶險流程，從而實現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下滅火搶險作業(yè)虛擬訓(xùn)練，為實際滅火作業(yè)提供參考。將三維模型或場景與自身的一些功能模塊相結(jié)合，為其添加上邏輯行為，物理屬性等功能并結(jié)合一些功能模塊相結(jié)合，為其添加上邏輯行為，物理屬性等功能并結(jié)合視頻、音頻等多媒體元素，最終創(chuàng)作出具有生命力的真實虛擬交互環(huán)境[5]。滅火搶險交互系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.4.2 檢測環(huán)境溫度與有毒氣體

    該流程是滅火搶險作業(yè)工藝流程的檢測環(huán)境溫度及有毒氣體的過程[5～7]，通過仿真平臺模擬了溫度檢測及可燃?xì)怏w監(jiān)測的操作流程、同時展示了空氣呼吸器、抗高溫防火服及各種防爆工具的使用(圖3)。

1.4.3 多功能機(jī)械手

    通過仿真平臺模擬展示了滅火搶險作業(yè)的核心設(shè)備——多功能機(jī)械手隅7。，充分展現(xiàn)了罩引火筒、挖掘清障、剪切清障、破碎井場水泥基礎(chǔ)，運(yùn)送遠(yuǎn)距離水力噴砂切割頭、吊裝單件井口裝置等功能(圖4)。

1.4.4 帶火清障

    通過仿真平臺模擬井噴失控后帶火作業(yè)的帶火清障及井口清障過程[5～7]，模擬搶險隊員進(jìn)行切割、拖拉作業(yè)，直到徹底清除井架底座，采用引火筒將散狀火焰集中引導(dǎo)垂直向上，完成滅火前井口周圍的徹底清障，使井口完全暴露，如圖5所示。

1.4.5 水力噴砂帶火切割及搶裝新井口

    仿真模擬拆除舊井口的操作流程[5～7]，首先運(yùn)用多功能機(jī)械手完成送遠(yuǎn)距離水力噴砂切割頭完成廢井口切除，然后模擬破切螺母和撬法蘭盤操作，完成拆除舊井口，然后帶火搶裝新井口，模擬整體(分體)吊裝、磨裝、扣裝過程。

2 井噴失控滅火仿真平臺的應(yīng)用

    2009年10月28日，中國石油天然氣集團(tuán)公司在四川省廣漢市舉行了井噴事件專項應(yīng)急預(yù)案演練，使用油氣井井噴失控滅火仿真平臺模擬展現(xiàn)了井噴的發(fā)生、失控后的搶險滅火處理流程，體現(xiàn)了中國石油井噴事件專項應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)性，反映了其應(yīng)對井控突發(fā)事件的處最能力。集中展現(xiàn)了我國自主研發(fā)的一系列油氣井搶險救援先進(jìn)裝備和技術(shù)，實現(xiàn)了井噴現(xiàn)場與各級指揮、決策機(jī)構(gòu)間的信息實時傳輸和高度互動，具有相當(dāng)高的技術(shù)含量和智能化程度。也充分證明了該仿真平臺的可行性和實用性。

3 結(jié)論

    1) 油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場仿真系統(tǒng)構(gòu)建了油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場的三維模擬操作平臺，使用Virtools實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實際中的應(yīng)用，并結(jié)合3DS Max完成了高質(zhì)量的系統(tǒng)平臺的設(shè)計和實現(xiàn)。

    2) 由于滅火搶險作業(yè)流程的復(fù)雜與困難，搶險隊員的專業(yè)知識與技能要求越來越高。開展油氣井滅火搶險作業(yè)訓(xùn)練往往需要大規(guī)模的資金設(shè)備投入，并且可能會造成一定的環(huán)境污染，滅火搶險作業(yè)訓(xùn)練和培訓(xùn)受到很大的制約，只能完成局部小規(guī)模的培訓(xùn)。而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行滅火搶險作業(yè)仿真系統(tǒng)無需出動車輛和耗費(fèi)大量的原材料，各種損耗少，而且危險性和風(fēng)險小，大大節(jié)約了人力、財力、物力，同時避免真實搶險作業(yè)訓(xùn)練中的人員傷亡與環(huán)境污染等問題，符合安全、環(huán)保的發(fā)展要求。

    3) 以滅火搶險仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增強(qiáng)其滅火搶險的交互操作功能，完善滅火搶險流程，加入搶險工具模型庫和參數(shù)庫，增加根據(jù)現(xiàn)場處置情況選擇不同的搶險方案，即可對員工進(jìn)行全面的操作培訓(xùn)和技能考核。

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(本文作者：胥林1 楊令瑞2 張琴2 曾紹清2 王永友1 1.西南石油大學(xué)；2.中國石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院)