綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 金 梁海波 張 張露之

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500)

0 引言

綜合錄井是對鉆井過程進(jìn)行隨鉆實(shí)時(shí)監(jiān)控的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)能夠有效地提高鉆井效率、降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)，在指導(dǎo)鉆井施工、進(jìn)行地層評價(jià)和油氣資源評價(jià)方面具有無可替代的優(yōu)勢作用[1]。如何使錄井工作人員，尤其是新進(jìn)錄井人員快速、熟練、有效地掌握綜合錄井技術(shù)，已成為評價(jià)綜合錄井培訓(xùn)效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一。

針對當(dāng)前綜合錄井培訓(xùn)方式的不足，在查閱了綜合錄井相關(guān)技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合LabVIEW虛擬儀器技術(shù)和3Dmax仿真技術(shù)，提出了一套綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。通過對錄井現(xiàn)場環(huán)境、綜合錄井儀器儀表、綜合錄井操作過程、錄井儀故障診斷以及綜合錄井資料解釋等內(nèi)容的仿真模擬，系統(tǒng)最大程度地接近真實(shí)錄井現(xiàn)場以及綜合錄井工藝過程，從而達(dá)到了較好的綜合錄井培訓(xùn)目的。

1 培訓(xùn)方式改進(jìn)與需求分析

傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)是通過閱讀錄井培訓(xùn)手冊、聽取有經(jīng)驗(yàn)的錄井人員的講解、參加錄井現(xiàn)場實(shí)際操作等方式，逐步掌握綜合錄井技術(shù)。綜合錄井儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能龐大、操作過程繁雜，而傳統(tǒng)的錄井培訓(xùn)方式又存在以下不足。

①無法對綜合錄井傳感器儀器儀表的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、安裝位置與安裝過程、綜合錄井?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集過程等內(nèi)容進(jìn)行全面、系統(tǒng)化的培訓(xùn)。

②由于現(xiàn)場應(yīng)用的需求，無法實(shí)現(xiàn)綜合錄井軟硬件系統(tǒng)脫離現(xiàn)場的培訓(xùn)。培訓(xùn)時(shí)間、培訓(xùn)地點(diǎn)、培訓(xùn)人員數(shù)量等受到限制，從而使受培訓(xùn)人員很難在短時(shí)間內(nèi)全面、快速、熟練地掌握綜合錄井軟硬件系統(tǒng)的操作方法。

③綜合錄井儀器故障通常依靠錄井操作人員自身經(jīng)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)和排除。這在很大程度上依賴于錄井操作人員自身從事錄井作業(yè)時(shí)間及其積累的錄井作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，故障排除效率低。同時(shí)，在現(xiàn)有的錄井培訓(xùn)條件下，希望新進(jìn)錄井工作人員能在短時(shí)間內(nèi)掌握大部分或者全部綜合錄井儀常見故障以及故障排除方法幾乎是不可能的。

顯然，傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)方式已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前高節(jié)奏、高效率的石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要。然而，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的出現(xiàn)，為綜合錄井培訓(xùn)開辟了新的途徑。本文將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與3Dmax仿真技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)并開發(fā)了綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體框架

本文設(shè)計(jì)的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)培訓(xùn)內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識與專業(yè)術(shù)語、綜合錄井傳感器、儀器故障及故障排除方法、數(shù)據(jù)采集過程、實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件操作、錄井單元房布置以及其他錄井儀器、資料解釋與應(yīng)用等內(nèi)容。其中基礎(chǔ)知識與專業(yè)術(shù)語、實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件操作、儀器故障及故障排除方法、資料解釋與應(yīng)用四部分內(nèi)容主要基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)。而綜合錄井傳感器、數(shù)據(jù)采集過程、錄井單元房布置以及其他錄井儀器四部分內(nèi)容主要基于3Dmax仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)。綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 The overall framework of the system

綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)每部分培訓(xùn)內(nèi)容均采用相應(yīng)的介紹性培訓(xùn)與一定的互操作性培訓(xùn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，從而將綜合錄井培訓(xùn)系統(tǒng)搭建成一個(gè)涵蓋內(nèi)容全面、培訓(xùn)方式多樣、人機(jī)交互友好、完全脫機(jī)的虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)。

2.2 虛擬仿真設(shè)計(jì)

虛擬儀器是指在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計(jì)定義虛擬儀器面板，大部分測試功能由其測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種儀器系統(tǒng)[2]。本文選擇美國NI公司生產(chǎn)的LabVIEW虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件作為整個(gè)綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，它為用戶提供了豐富的圖形控件，人機(jī)交互界面友好，軟件開發(fā)周期短[3]。同時(shí)，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)知識與專業(yè)術(shù)語、實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件操作、儀器故障及故障排除方法以及資料解釋與應(yīng)用四大功能模塊。

下面對實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件仿真模塊的設(shè)計(jì)做詳細(xì)說明。

實(shí)時(shí)監(jiān)測軟件仿真模塊設(shè)計(jì)時(shí)，參考了國內(nèi)外相關(guān)綜合錄井軟件，在監(jiān)測主界面對錄井現(xiàn)場鉆井平臺、節(jié)流管匯、氣液分離器、鉆井液池等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的模擬布局。

為了使主界面更加美觀，充分應(yīng)用LabVIEW提供的各種豐富的圖形控件，進(jìn)行綜合錄井儀器儀表前面板的設(shè)計(jì)。仿真的儀器儀表盤更加接近真實(shí)的綜合錄井儀器儀表盤，本文使用了LabVIEW獨(dú)有的控件自定義功能，將一些諸如按鈕控件、數(shù)字顯示控件、表盤控件等重新定義成新的、更加美觀的用戶界面組件，從而使得仿真的儀器儀表盤更加真實(shí)、形象、美觀。

應(yīng)用LabVIEW提供的豐富內(nèi)置函數(shù)和工具包可以實(shí)現(xiàn)對各種儀器儀表的功能仿真，并基于仿真數(shù)據(jù)源將仿真數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映在虛擬儀表盤上。點(diǎn)擊不同儀器儀表設(shè)備，系統(tǒng)能夠自動彈出該設(shè)備實(shí)時(shí)仿真曲線，從而實(shí)現(xiàn)綜合錄井儀器儀表的虛擬仿真。

通過綜合錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測仿真，培訓(xùn)人員能夠快速熟悉和了解綜合錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)以及相關(guān)鉆井設(shè)備在鉆井現(xiàn)場的相對位置等情況。

2.3 三維仿真設(shè)計(jì)

三維仿真設(shè)計(jì)時(shí)既可以利用LabVIEW自帶的三維圖形工具箱建立三維模型，也可以使用其他的專業(yè)建模軟件建模后再導(dǎo)入LabVIEW[4]。

由于綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)涉及的三維模型復(fù)雜，僅依靠LabVIEW自帶的三維圖形工具箱無法滿足軟件設(shè)計(jì)需求。而3Dmax軟件在三維仿真建模方面具有渲染效果強(qiáng)、設(shè)計(jì)操作界面簡潔直觀、設(shè)計(jì)效率高、視圖功能直觀強(qiáng)大等優(yōu)勢[5]。因此，本文選擇采用了在3Dmax軟件上開發(fā)三維仿真模型，再將三維仿真模型導(dǎo)入LabVIEW的方案。

下面以綜合錄井溫度傳感器的三維仿真建立過程為例說明三維仿真部分的設(shè)計(jì)過程。

2.3.1 三維仿真模型的建立

首先利用3Dmax模型庫里的標(biāo)準(zhǔn)化模型設(shè)計(jì)出綜合錄井溫度傳感器的整體框架。然后，通過一系列如編輯樣條線、車削、編輯網(wǎng)格、錐化等基本操作命令，制作出具有三維立體效果的溫度傳感器三維模型。再通過照明、相機(jī)設(shè)置等命令對三維模型進(jìn)行相關(guān)的渲染操作。最后對設(shè)計(jì)完成的三維模型進(jìn)行保存。3Dmax默認(rèn)的數(shù)據(jù)文件為*.max文件，除此之外，其還能導(dǎo)出* .3ds、* .ASC、* .ASE、* .DXF、* .Ai等文件格式，而LabVIEW僅支持VRML、STL和 ASE三種三維文件的導(dǎo)入。同時(shí)，ASE文件以文本的形式保存了三維模型所有的信息，很容易讀取，而且用一般的文本編輯軟件就可以進(jìn)行修改[6]。

本文將設(shè)計(jì)好的溫度傳感器三維模型以*.ASE格式進(jìn)行保存，為后續(xù)LabVIEW環(huán)境中對三維模型的調(diào)用做準(zhǔn)備。

2.3.2 仿真模型的調(diào)用與控制

3Dmax是Kinetix公司的三維圖形建模和動畫設(shè)計(jì)軟件，能方便建立各種復(fù)雜物體模型，但是很難進(jìn)行程序控制[7]。而LabVIEW中提供了豐富的三維圖形操作函數(shù)，能夠很方便地對三維圖形實(shí)現(xiàn)程序控制。

在進(jìn)行模型的調(diào)用與控制時(shí)，在LabVIEW前面板上放置三維圖片顯示控件，在后臺程序框圖上放置Create Object.vi和 Load ASE Geametry.vi兩個(gè)函數(shù) vi，將*.ASE格式的三維模型文件導(dǎo)入三維圖形顯示控件中。使用Scene Object調(diào)用節(jié)點(diǎn)完成三維場景的變換，即三維場景中對象的外觀或方向的改變，包括三維場景的旋轉(zhuǎn)(Rotate Object.vi)、平移(Translate Object.vi)、縮放(Scale Object.vi)等。

基于以上方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的綜合錄井溫度傳感器三維仿真運(yùn)行時(shí)，用戶通過點(diǎn)選按鈕的方式，就能夠從不同角度查看其外觀以及安裝演示過程。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫總體框架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫總體框架Fig.2 Database framework

由于綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)管理復(fù)雜的特點(diǎn)，因此本文選擇功能強(qiáng)大的 SQL SEVER 2000數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)了綜合錄井基礎(chǔ)知識及專用術(shù)語數(shù)據(jù)庫、各種綜合錄井儀儀器儀表工作原理/技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)庫、用于錄井儀故障仿真的故障知識庫以及用于錄井實(shí)時(shí)監(jiān)測仿真的仿真數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫、資料解釋與應(yīng)用仿真數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)庫。

基于SQL SEVER 2000建立的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫為綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、處理和存儲提供了強(qiáng)有力的后臺支撐。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的綜合錄井虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)采用了將LabVIEW虛擬儀器技術(shù)與3Dmax仿真技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了完全的綜合錄井虛擬脫機(jī)培訓(xùn)。系統(tǒng)虛擬場景逼真、功能齊全，新進(jìn)培訓(xùn)人員在培訓(xùn)時(shí)會有身臨其境的感覺，有助于增強(qiáng)培訓(xùn)效果，提高培訓(xùn)效率[8]。虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)培訓(xùn)方式對培訓(xùn)時(shí)間、地點(diǎn)、培訓(xùn)人數(shù)的限制，方便受培訓(xùn)人員對綜合錄井儀及綜合錄井技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)。同時(shí)，降低了綜合錄井培訓(xùn)過程中儀器儀表損耗的風(fēng)險(xiǎn)和維修費(fèi)用，為企業(yè)節(jié)約了大量的培訓(xùn)成本。

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