半潛式鉆井平臺系統(tǒng)VRML仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

沈蓉，齊明俠，劉健，唐甫世

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東青島 266580；2.中海石油研究中心，北京 100027；3.江漢石油鉆頭股份有限公司，武漢 430223）①

近年來，深水油氣田的開發(fā)正在成為世界石油工業(yè)的主要增長點和世界科技創(chuàng)新的熱點。適用于深水鉆井的主要裝置是半潛式鉆井平臺和鉆井船，其中半潛式鉆井平臺憑借自身對惡劣海況的適應(yīng)能力強、甲板空間和可變載荷大、自持力強等特性，在深水油氣開發(fā)中扮演著越來越重要的角色［1］。考慮投資成本、工作水深范圍、井口數(shù)目、服務(wù)年限和工作地域等因素，相比張力腿平臺和Spar平臺，半潛式平臺是更佳的選擇。

半潛式鉆井平臺與浮式鉆井船的最大差別是其船體形浮箱大部分潛入最強的波浪作用區(qū)以下，受到的波浪沖擊力遠比鉆井船小。此外，半潛式平臺的浮箱布置，使其在各個方向的抗擺能力都差不多，沒有突出的薄弱方向［2］。因此，半潛式平臺的穩(wěn)定性比鉆井船高得多。從海洋石油開發(fā)向更深、海況更惡劣的海區(qū)發(fā)展來看，建造半潛式平臺應(yīng)是主要的發(fā)展方向。

本課題以半潛式鉆井平臺為研究對象，重點研究復(fù)雜海洋環(huán)境下鉆井系統(tǒng)的可視化仿真問題，是平臺系統(tǒng)的動力學(xué)仿真、輔助選型以及深水生產(chǎn)平臺鉆井設(shè)備配置等關(guān)鍵技術(shù)的組成部分。

本課題是在建立了半潛式鉆井平臺上鉆井設(shè)備幾何模型、優(yōu)化鉆井設(shè)備布置方案并進行不同鉆井工況下鉆設(shè)備運動、動力學(xué)分析基礎(chǔ)之上，對系統(tǒng)進行仿真模擬。本文介紹了在建立仿真系統(tǒng)過程中運用到的關(guān)鍵技術(shù)與解決的關(guān)鍵問題。

1 系統(tǒng)組成

半潛式深水鉆井平臺系統(tǒng)主要組成有：動力定位系統(tǒng)、鉆井控制系統(tǒng)、鉆井提升系統(tǒng)、循環(huán)及固控系統(tǒng)、BOP 組及控制系統(tǒng)、隔水管和補償系統(tǒng)等。每個系統(tǒng)需要確定多個參數(shù)，例如提升系統(tǒng)需要確定的參數(shù)包括最大鉤載、大鉤提升速度、絞車快繩拉力、絞車額定功率、天車參數(shù)、游車參數(shù)、井架參數(shù)等［3－4］。因此，通過計算建立起參數(shù)數(shù)據(jù)庫是一個非常復(fù)雜過程。同時，平臺的鉆井工藝過程也異常復(fù)雜，因此，建立起深水半潛式鉆井平臺的仿真系統(tǒng)，對于研究深水半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)和功能、推進深水石油開采具有重要意義。

本次建立的仿真系統(tǒng)，通過利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，模擬半潛式鉆井平臺的主要結(jié)構(gòu)和布置，演示鉆井基本操作過程和海洋平臺鉆井設(shè)備的工作原理，并具有很強的交互能力，觀察者可以全方位不受約束地瀏覽，并可通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)對鉆井設(shè)備的交互控制。該仿真系統(tǒng)較好地模擬了深水鉆井平臺主要結(jié)構(gòu)和鉆井作業(yè)相關(guān)過程。

2 平臺系統(tǒng)VRML仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 平臺鉆井系統(tǒng)三維建模

一個能夠在真正意義上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)應(yīng)當具有3個基本要素：

1）能夠提供給用戶一個與真實世界高度逼真的三維立體虛擬世界。

2）虛擬世界能給用戶一種身臨其境的沉浸感，用戶在其中具有跟真實世界一樣的實時任意活動的自由度。

3）用戶能以自然的方式實時地操縱和改變所進入的虛擬世界，與其中的虛擬對象進行交互。

海洋鉆井平臺系統(tǒng)是一個復(fù)雜的綜合性系統(tǒng)，對完成其虛擬仿真與可視化來說，首要任務(wù)在于快速高效地建立系統(tǒng)各個部分的三維模型。

VRML作為第2代WEB 語言，提供給使用者一個多維的虛擬世界，這是其他仿真仿真軟件無法企及的優(yōu)勢。但另一方面，VRML 在建模上過于簡單，雖說VRML提供了一些簡單的造型節(jié)點，但是考慮到海洋平臺鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、設(shè)備精確的裝配關(guān)系以及數(shù)量眾多等因素，顯然使用這些簡單造型節(jié)點來建模不現(xiàn)實，效率低，工作量大，由此需要借助專門的三維建模軟件來建模。目前幾乎所有的三維建模軟件都提供了多種三維文件的轉(zhuǎn)換接口，其中就包括VRML文件?？梢允褂眠@些三維建模軟件建立各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模型，然后通過軟件自帶的接口轉(zhuǎn)換為VRML文件，為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)所用，這樣可以大幅提高建模效率。

考慮到深水鉆井平臺模型建立的特殊性、轉(zhuǎn)換后文件的質(zhì)量和大小等眾多因素，選用Solidworks作為三維建模軟件，用Solidworks軟件本身自帶的VRML文件的轉(zhuǎn)換接口，可以很方便地轉(zhuǎn)換。

根據(jù)對半潛式深水鉆井平臺結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計，以實際某型號深水鉆井平臺為參考，嚴格按照1∶1的比例建立鉆井平臺系統(tǒng)模型，如圖1所示。通過模型干涉檢查，干涉率為0。

圖1 鉆井平臺系統(tǒng)仿真三維模型

2.2 虛擬現(xiàn)實環(huán)境下VRML文件優(yōu)化

在創(chuàng)建復(fù)雜的VRML場景時，除了創(chuàng)建大量的模型外，還必須考慮到VRML 場景載入、渲染和瀏覽速度。文件體積的大小等將直接關(guān)系到文件的載入、渲染時間和瀏覽速度。由于建模后輸出的VRML文件仍較大，因此創(chuàng)建場景模型必須考慮對其優(yōu)化。其過程包括預(yù)優(yōu)化處理、基于面片數(shù)的優(yōu)化、基于節(jié)點復(fù)用的優(yōu)化、基于數(shù)據(jù)精度的優(yōu)化以及基于文件壓縮的優(yōu)化。

其中，預(yù)優(yōu)化處理利用程序來刪除不需要的節(jié)點、默認閾值與空格等，基于面片數(shù)的優(yōu)化則在保證模型品質(zhì)的前提下，盡可能減少模型的面片數(shù)，以提高虛擬場景的實時渲染速度。由于鉆井平臺的虛擬場景中經(jīng)常有部分節(jié)點有著相同或相近的特點，如鉆井中的立根，1根立根是由完整的3個單根連接而成，它們的外形是完全相同的，僅有位置上的區(qū)別，因此，可以采用基于節(jié)點復(fù)用的優(yōu)化技術(shù)以縮減文件體積。在三維建模中導(dǎo)出的VRML 文件中，三維坐標數(shù)據(jù)的精度很高，精確到小數(shù)點后6位，即微米級，如此高的數(shù)據(jù)精度對于高達幾十米的石油鉆機來說沒有絲毫意義，考慮到鉆機零部件之間精確的裝配關(guān)系，毫米級別的精度已經(jīng)足夠了，因此，可以利用程序?qū)RML 文件大大簡化。最后，還可以采用壓縮技術(shù)來優(yōu)化文件，這樣可以減少文件的空間，對于文件的載入、渲染速度等影響不大。

2.3 半潛式鉆井平臺系統(tǒng)VRML虛擬仿真建模

為了以較小的場景模型體積獲得可視化系統(tǒng)最大化的真實感和沉浸性，采用基于幾何和圖像相結(jié)合的建模技術(shù)。其中虛擬場景中鉆井平臺的周邊環(huán)境如藍天、海洋等均采用IBM 技術(shù)建模，而所有的零部件則主要采用GBM 技術(shù)建模，包括有深水鉆井平臺系統(tǒng)主體和環(huán)境仿真靜態(tài)建模、平臺仿真動態(tài)建模。在此基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)集成，建立起深水鉆井平臺系統(tǒng)VRML總體模型，模擬海洋鉆井平臺系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)、作業(yè)環(huán)境以及主要作業(yè)工況，并預(yù)留高級編程語言進行軟件系統(tǒng)的接口，從而增強系統(tǒng)的交互與仿真能力。圖2為深水鉆井平臺系統(tǒng)VRML虛擬仿真系統(tǒng)集成。

圖2 鉆井平臺VRML系統(tǒng)集成

3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

鉆井平臺系統(tǒng)可視化系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由可視化軟件（軟件部分）和計算機（硬件部分）2部分組成。

可視化軟件主要由數(shù)據(jù)源和虛擬場景顯示界面組成，其中數(shù)據(jù)源包括圖像數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)等。圖像數(shù)據(jù)是指Solidworks導(dǎo)出的鉆機VRML 幾何模型、虛擬化身模型、鉆機周圍環(huán)境模型以及為了增強系統(tǒng)真實感所使用的各種貼圖等；音頻數(shù)據(jù)則來自于真實鉆井作業(yè)現(xiàn)場不同位置錄制的聲音，用于放置在虛擬鉆井場景中模擬真實環(huán)境中的音效。虛擬場景界面是指VB2005環(huán)境中VRML 瀏覽器控件以及各種圖形界面，用戶可以使用鍵盤、鼠標等輸入設(shè)備通過虛擬場景界面實現(xiàn)與石油鉆機可視化系統(tǒng)的交互。

完成后的軟件系統(tǒng)總體機構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文建立了半潛式鉆井平臺模型，并對其動態(tài)和靜態(tài)仿真的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，取得了一定的研究成果，提供了一個具有較強真實感和沉浸感的虛擬海洋鉆井作業(yè)場景。今后的研究方向是進一步完善深水鉆井平臺和生產(chǎn)平臺設(shè)備選型設(shè)計方法，提高分析方法精度。

［1］岳吉祥，綦耀光，肖文生，等.半潛式鉆井平臺雙井架鉆機作業(yè)工藝初步研究［J］.石油鉆采技術(shù)，2009，37（2）：14－17.

［2］齊明俠，黃魯蒙，許亮斌.基于VRWL的半潛式海洋平臺虛擬仿真技術(shù)［J］.石油礦場機械，2011，40（5）：1－4.

［3］劉健，齊明俠，郭曉虎.浮式鉆井平臺主要鉆井設(shè)備選型分析［J］.石油礦場機械，2011，40（6）：1－4.

［4］趙洪山，劉新華，白立業(yè).深水海洋石油鉆井設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：68－74.