半潛式鉆井平臺系統VRML仿真關鍵技術研究

沈蓉，齊明俠，劉健，唐甫世

（1.中國石油大學（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，深水油氣田的開發正在成為世界石油工業的主要增長點和世界科技創新的熱點。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、井口數目、服務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，半潛式平臺的穩定性比鉆井船高得多。從海洋石油開發向更深、海況更惡劣的海區發展來看，建造半潛式平臺應是主要的發展方向。

本課題以半潛式鉆井平臺為研究對象，重點研究復雜海洋環境下鉆井系統的可視化仿真問題，是平臺系統的動力學仿真、輔助選型以及深水生產平臺鉆井設備配置等關鍵技術的組成部分。

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

1 系統組成

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

本次建立的仿真系統，通過利用虛擬現實仿真技術，模擬半潛式鉆井平臺的主要結構和布置，演示鉆井基本操作過程和海洋平臺鉆井設備的工作原理，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對鉆井設備的交互控制。該仿真系統較好地模擬了深水鉆井平臺主要結構和鉆井作業相關過程。

2 平臺系統VRML仿真關鍵技術

2.1 平臺鉆井系統三維建模

一個能夠在真正意義上實現虛擬現實的系統應當具有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。

海洋鉆井平臺系統是一個復雜的綜合性系統，對完成其虛擬仿真與可視化來說，首要任務在于快速高效地建立系統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點，但是考慮到海洋平臺鉆井系統的結構復雜程度、設備精確的裝配關系以及數量眾多等因素，顯然使用這些簡單造型節點來建模不現實，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換接口，其中就包括VRML文件。可以使用這些三維建模軟件建立各種復雜結構的模型，然后通過軟件自帶的接口轉換為VRML文件，為虛擬現實系統所用，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、轉換后文件的質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文件的轉換接口，可以很方便地轉換。

根據對半潛式深水鉆井平臺結構分析與設計，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 鉆井平臺系統仿真三維模型

2.2 虛擬現實環境下VRML文件優化

在創建復雜的VRML場景時，除了創建大量的模型外，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，因此創建場景模型必須考慮對其優化。其過程包括預優化處理、基于面片數的優化、基于節點復用的優化、基于數據精度的優化以及基于文件壓縮的優化。

其中，預優化處理利用程序來刪除不需要的節點、默認閾值與空格等，基于面片數的優化則在保證模型品質的前提下，盡可能減少模型的面片數，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常有部分節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，僅有位置上的區別，因此，可以采用基于節點復用的優化技術以縮減文件體積。在三維建模中導出的VRML 文件中，三維坐標數據的精度很高，精確到小數點后6位，即微米級，如此高的數據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系，毫米級別的精度已經足夠了，因此，可以利用程序對VRML 文件大大簡化。最后，還可以采用壓縮技術來優化文件，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最大化的真實感和沉浸性，采用基于幾何和圖像相結合的建模技術。其中虛擬場景中鉆井平臺的周邊環境如藍天、海洋等均采用IBM 技術建模，而所有的零部件則主要采用GBM 技術建模，包括有深水鉆井平臺系統主體和環境仿真靜態建模、平臺仿真動態建模。在此基礎上，進行系統集成，建立起深水鉆井平臺系統VRML總體模型，模擬海洋鉆井平臺系統主要結構、作業環境以及主要作業工況，并預留高級編程語言進行軟件系統的接口，從而增強系統的交互與仿真能力。圖2為深水鉆井平臺系統VRML虛擬仿真系統集成。

圖2 鉆井平臺VRML系統集成

3 軟件系統總體結構

鉆井平臺系統可視化系統總體結構如圖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據源和虛擬場景顯示界面組成，其中數據源包括圖像數據和音頻數據等。圖像數據是指Solidworks導出的鉆機VRML 幾何模型、虛擬化身模型、鉆機周圍環境模型以及為了增強系統真實感所使用的各種貼圖等；音頻數據則來自于真實鉆井作業現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境中的音效。虛擬場景界面是指VB2005環境中VRML 瀏覽器控件以及各種圖形界面，用戶可以使用鍵盤、鼠標等輸入設備通過虛擬場景界面實現與石油鉆機可視化系統的交互。

完成后的軟件系統總體機構框圖如圖3所示。

圖3 軟件系統總體結構

4 結語

本文建立了半潛式鉆井平臺模型，并對其動態和靜態仿真的關鍵技術進行了研究，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場景。今后的研究方向是進一步完善深水鉆井平臺和生產平臺設備選型設計方法，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工藝初步研究［J］.石油鉆采技術，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［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.深水海洋石油鉆井設備發展現狀［J］.石油礦場機械，2010，39（5）：68－74.