基于Creo與3Dmax的水平井鉆井過程仿真

張帥

摘要：運(yùn)動(dòng)仿真是物體運(yùn)動(dòng)過程的虛擬實(shí)現(xiàn)方法，將其應(yīng)用于水平井鉆井中可以清楚地模擬鉆柱包括鉆頭的空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。首先使用Creo三維建模軟件建立了鉆井平臺(tái)主要部件和井下鉆具，再導(dǎo)入3Dmax軟件進(jìn)行了水平井鉆進(jìn)過程仿真，并詳細(xì)介紹了運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)方法。該仿真動(dòng)畫直觀地展示了虛擬的水平井鉆井平臺(tái)與鉆進(jìn)過程，特別展示了鉆柱的空間受力狀態(tài)，為鉆井專業(yè)的學(xué)生及鉆井工程研究人員對(duì)鉆柱工作行提供了更為直觀的認(rèn)識(shí)，仿真的實(shí)現(xiàn)方法也會(huì)其他鉆井仿真提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：水平井;運(yùn)動(dòng)仿真;3Dmax;Creo

中圖分類號(hào)：TE2? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）27-0288-03

Abstract： Motion simulation is a virtual implementation of the motion process of an object. Its application to horizontal well drilling can clearly simulate the space motion state of drill string including drill bit. Firstly， the main components of the drilling platform and the downhole drilling tools were built using Creo 3D modeling software， and then the 3Dmax software is introduced to make a more realistic movement of drilling string during horizontal well drilling， and the implementation method of motion simulation is introduced in detail. This simulation animation shows the virtual horizontal well drilling platform and drilling process intuitively， especially shows the space stress state of the drilling string， which provides more intuitive understanding for drilling string workers for drilling students and drilling engineering researchers， The method of the simulation will also provide some reference for other drilling simulations.

Key words：Horizontal well drilling; Motion simulation; 3Dmax; Creo0

Creo 軟件具有強(qiáng)大的三維建模能力，其基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，使用戶可根據(jù)特征生成或修改模型，對(duì)三維實(shí)體造型的建模與設(shè)計(jì)帶來巨大的便利[1-2]。但Creo軟件的運(yùn)動(dòng)仿真分析能力較弱，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性體的運(yùn)動(dòng)仿真，而且由于其材質(zhì)渲染功能較弱，輸出仿真動(dòng)畫的質(zhì)量也會(huì)大打折扣。

3Dmax是一款大型的三維動(dòng)畫制作軟件，具有建模，燈光，材質(zhì)渲染，動(dòng)畫等功能，被廣泛應(yīng)用于影視特效，室內(nèi)展示，機(jī)械動(dòng)畫制作等領(lǐng)域[3-5]。在水平井鉆井過程中，由于鉆桿的連接長度不斷增長，其性質(zhì)逐漸趨于改變?yōu)槿嵝詶U，Creo軟件無法實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。而3Dmax基于其強(qiáng)大的動(dòng)畫制作能力，可實(shí)現(xiàn)柔性鉆桿的井底鉆進(jìn)過程動(dòng)畫仿真，但其三維建模的能力相比Creo較弱。尤其是鉆頭的造型比較復(fù)雜，在3Dmax軟件中進(jìn)行建模十分困難[6]。因此，結(jié)合Creo建模與3Dmax動(dòng)畫制作的優(yōu)點(diǎn)，可以還原較為真實(shí)的水平井鉆進(jìn)過程。

1 水平井介紹

在我國石油行業(yè)的定義中，水平井指的是井斜角達(dá)到或接近90°，井身沿著水平方向鉆進(jìn)一定長度的井。有時(shí)候根據(jù)油層及附近地質(zhì)特點(diǎn)，井斜角可以超過90°。水平井鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是井眼穿過油層的長度長，增大的油氣層的泄油面積，從而大大增加了油井的單井產(chǎn)量。其次，在具有天然裂縫的巖層中，水平井鉆井技術(shù)可以將天然裂縫相互連接起來，由于天然裂縫的滲透率要遠(yuǎn)大于巖石基質(zhì)的滲透率，降低了油氣流入井筒的壓力損耗，形成阻力很小的輸油線路，從而可以使直井無法開采的油藏具有工業(yè)開采價(jià)值。因此為大眾能更直觀地認(rèn)識(shí)水平井鉆井，進(jìn)行水平井鉆井過程仿真是十分有意義也是有必要的。

2 水平井平臺(tái)建模與渲染

2.1 三維實(shí)體建模

水平井平臺(tái)的幾何建模在Creo中完成。主要建模部件包括井架、大鉤、電機(jī)、絞車、鉆桿鉆柱、鉆頭等，并進(jìn)行裝配形成鉆井平臺(tái)。其中典型的幾何實(shí)體建模為三牙輪鉆頭的建模。如圖1所示為三牙輪鉆頭的三維模型。

2.2 模型渲染

將裝配模型保存成STP格式導(dǎo)入3Dmax中進(jìn)行材質(zhì)渲染。其中地面和地層模型采用貼圖方法，使其更加接近現(xiàn)實(shí)，其余均采用材質(zhì)定義完成。材質(zhì)定義主要通過調(diào)節(jié)反射、漫反射和折射等參數(shù)完成，如圖2所示為渲染面板。以鉆柱為例：鉆柱材質(zhì)為金屬，漫反射的顏色設(shè)置為RGB（180，180，180），反射的顏色設(shè)置為RGB（180，180，180），高光光澤度設(shè)置為0.9，反射光澤度設(shè)置為0.9。

最后添加光照效果，使整個(gè)模型材質(zhì)更加逼真。最終完成的渲染圖如圖3所示：

為了對(duì)三維模型進(jìn)行說明，進(jìn)一步的繪制二維示意圖，如圖4所示：

1、天車;2、鋼絲繩;3、絞車;4、鉆柱;5、井壁;6、鉆頭;7、井下鉆具組合;8、操作臺(tái);9、電機(jī);10、井架;11、水龍頭;12、大鉤。

3 仿真實(shí)現(xiàn)方法

水平井鉆井過程仿真通過3Dmax軟件實(shí)現(xiàn)，主要由平臺(tái)游歷，鉆柱下放，鉆頭破巖，井眼造斜四大部分組成，各部分的實(shí)現(xiàn)方式有所不同。其中，平臺(tái)游歷和鉆柱下放的動(dòng)畫主要運(yùn)用了常規(guī)的平移和旋轉(zhuǎn)命令即可實(shí)現(xiàn)，水平井動(dòng)畫制作的難點(diǎn)在于井眼軌跡及造斜、三維空間力和鉆頭破巖動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)。

3.1 井眼軌跡及造斜、三維空間力

首先繪制鉆頭鉆進(jìn)的軌跡曲線，使用路徑變形命令即可使鉆柱沿著曲線行進(jìn)與旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)井眼的造斜效果。路徑變徑參數(shù)面板如圖5所示：

通過微調(diào)鉆柱的路徑曲線可以形成鉆柱接觸井壁的效果，同時(shí)鉆柱在碰觸井壁時(shí)會(huì)產(chǎn)生空間上大小不同的接觸力。使用箭頭模型并賦予紅色燈光材料模擬鉆柱的受力情況，通過放縮命令改變箭頭的大小表現(xiàn)接觸力的變化。動(dòng)畫效果如圖6所示：

3.2 鉆頭破巖

破巖過程效果主要體現(xiàn)在鉆頭鉆進(jìn)時(shí)巖屑的產(chǎn)生。巖屑的形成使用了3Dmax中的粒子系統(tǒng)，選擇粒子類型為PF source。創(chuàng)建一個(gè)平面用于產(chǎn)生粒子，并使平面的運(yùn)動(dòng)繼承鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡，在粒子視圖中自定義粒子的形狀，材質(zhì)和顏色，如圖7所示為本次動(dòng)畫制作的粒子視圖。

打開粒子視圖中的Speed 001類型選項(xiàng)，可以設(shè)置粒子的運(yùn)動(dòng)速度及方向。如圖8所示為粒子速度面板，設(shè)置粒子運(yùn)動(dòng)速度為300，方向選擇前向繼承。最終的鉆頭破巖和巖屑產(chǎn)生效果如圖9所示：

4 結(jié)束語

結(jié)合使用了Creo與3Dmax軟件，實(shí)現(xiàn)了水平井鉆井過程的運(yùn)動(dòng)仿真。該仿真過程較為直觀地展示了水平井鉆井過程中鉆頭和鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并模擬了鉆進(jìn)過程中的巖屑，鉆柱與井壁的接觸及接觸力的變化，較為真實(shí)地還原了井底狀態(tài)，為鉆井專業(yè)的學(xué)生及鉆井工程研究人員對(duì)鉆柱工作行為提供了更直觀的認(rèn)識(shí)，同時(shí)該仿真的實(shí)現(xiàn)方法對(duì)其他鉆井運(yùn)動(dòng)仿真提供了一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】