油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究

何志州 白璐璐 霍韜 劉曉東

摘要：鉆井施工中，表層黃土層井漏突出，以往多采用下導管注水泥封固的方法，但這種方法因黃土層承壓能力低，環空循環阻力大，難以在導管與井眼環空形成水泥環，不能有效封隔薄弱漏失層，表層鉆進井漏復發率很高，黃土高原淺表層鉆進易發生漏失，漏失率達29.49%，鉆井液泄漏可直接流入河流、農田，造成環境污染，傳統鉆井工藝難以徹底解決黃土層漏失。為此研制出黃土層鉆固一體化方案，基本步驟主要分三部分：黃土層干鉆、下導管、封固導管。為了解決環境污染問題，提高現場操作人員、維修維護人員專業素養與專業技能，減少設備故障及故障損失系該仿真研究的意義所在。油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究正是基于以上目的。

關鍵詞：干法掘進及封固工藝、原理動畫、3D Studio Max

基于企業培訓用途的系列石油機械原理動畫的制作項目，選擇石油企業普遍使用的通用設備為主題對象，開發其工作原理與組裝三維動畫用于現場人員培訓。主要因為此類設備結構復雜、現場故障率高，容易發生漏失現象。鉆井液泄漏可直接流入河流、農田，造成環境污染，傳統鉆井工藝難以徹底解決黃土層漏失。根據設計的要求，采用三維原理動畫來逐漸替代傳統二維講解方法，并基于3D Studio Max實現幾何模型的參數化建模方法及其實現原理介紹了黃土層干法掘進及封固工藝的全過程。黃土層干法掘進及封固工藝設計中所設計的所有場景及元件的外觀造型均應用3D Studio Max軟件進行場景及元件的外觀設計的流程加以制作。

為此研制出黃土層鉆固一體化方案，提高現場組裝人員、維修維護人員專業素養與專業技能，減少設備故障及故障損失系該原理動畫開發的意義所在。為此研制出黃土層鉆固一體化方案，基本步驟主要分三部分：黃土層干鉆、下導管、封固導管。為了解決環境污染問題，提高現場操作人員、維修維護人員專業素養與專業技能，減少設備故障及故障損失系該仿真研究的意義所在。

三維原理動畫能準確地表達機械的工作原理以及其復雜的內部結構，更符合人們的思維方式;能組建進行有限元分析的原始數據，從而進行幾何形狀的優化設計，并實現CAD、CAE、CAPP、CAM的集成。基于3DMax實現幾何模型的參數化建模方法及其實現原理得到的初期三維原理動畫，再通過著色和渲染功能進一步優化，最終完成介紹黃土層鉆固一體化方案的三維原理動畫。有助于現場施工，縮短施工周期，提高產品的組裝與維護效率，為企業培訓方式以及現場施工方式帶來巨大的變革。

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真研究流程如下：首先，在3Ds Max中根據已知尺寸進行各零件建模，然后在3Ds Max環境下將制作完成的模型組件在一起，賦予材質。在制作水流和煙霧等流體物質時，采用了3Ds Max中的“粒子系統”下的“超級噴射”功能，制作出在制定時間內和流速下的粒子物質。在制作部件的說明和尺寸的介紹時，部件與說明文字之間的延伸線，其動態延展的效果是首先通過繪制樣線條，其次創建圓柱體結合“路徑變形”修改器制作出在一段時間內連通線按照所繪制的樣線條勻速延展的動態效果;文字說明通過在3Ds Max中創建文本對象，對其使用“擠出”功能，再為文本對象賦予材質，通過在時間軸上不同的位置增加改變材質對話框中的透明度的關鍵幀，制作出文本淡入淡出的效果。

畫面的視角變化主要是通過創建“自由攝像機”結合時間軸上關鍵幀的設置來完成的。由于需要畫面與畫面之間的變換的銜接，所以一套動畫的視角變換通常只需要設定一臺自由攝像機，通過在時間軸上不同的位置改變攝像機的位置，焦點的位置，來控制視口中所顯示的效果。

在創建的工程中導入需要剪輯的視頻動畫，在建立好序列后首先要做的就是在“速度/持續時間”中調整播放速度。在完成自此項操作后，在工程中導入準備好的音頻文件，主要包括背景音樂和真人解說音頻，同樣將音頻文件放到對應的音頻序列中，通過效果控件面板調整音頻的音量參數等。

在制作字幕時，會遇到解說音頻和視頻畫面不匹配的情況，這時候就需要通過調整“速度/持續時間”中的參數或者通過截取當前畫面放在播放頭停駐的位置，以延緩畫面播放進程，使畫面內容與解說音頻相匹配。而這一過程，需要不斷地使用剃刀工具對視頻，音頻進行剪輯，需要掌握停滯時延，盡可能做到銜接自然。在制作首位標題文字和結束文字時，通過改變“效果控件”中的透明度的參數和運動卷展欄下的位置參數，以制作出文字淡入淡出和位移變換的效果。

此時作品還是一系列沒有連接在一起的單獨的動畫，通過Unity3D設計交互響應，使一系列動畫得以按照交互設計的方式聯系在一起。

最后完成的動畫渲染導出成獨立的視頻動畫，這時注意導出視頻的幀率設置。此時的三維動畫播放速度較快，畫面變換比較令人應接不暇，所以還需導入Premiere中進行剪輯和調整。此外一系列沒有連接在一起的單獨的動畫，通過Unity3D設計交互響應，使一系列動畫得以按照交互設計的方式聯系在一起。

在Unity中首先新建一個2D的工程，設置畫布的長寬尺寸，這將是我們導出的成品后展示窗口的大小;然后將準備好的圖片、視頻、音頻素材導入到該工程的資源文件夾下，將畫布的背景圖片改變為準備好的背景圖，此時正在編輯的場景為初始場景，該場景是作為介紹該項目而設置的，具體信息有該項目的名稱和制作方等。

另外還需要制作跳轉到查閱項目的觸發按鈕，該項目中使用圖片對象，附加按鈕屬性，在新建的C#腳本中使用Visual Studio軟件編寫按鈕的腳本，實現場景間的跳轉功能。在內容場景，即第二個場景中，新建對應數量的圖片對象并為它們附加按鈕屬性，然后將準備好的按鈕圖片拖拽到這些按鈕的Image屬性下，改變對象的顯示外觀，在此之前還可以新建一個Panel來組織這些按鈕，以便更方便的排版選擇界面。

除此之外，界面的右側設置有控制視頻播放、暫停、停止的控制臺，該控制臺由一個panel對象和兩個button對象組成，在后臺的C#腳本中為兩個按鈕編寫控制腳本，并將功能掛載到對應按鈕對象上，使用者可以通過點擊按鈕來控制播放窗口中的視頻。此外，為了界面看起來更加清爽簡潔，同時也是為了避免不必要的錯誤，當用戶更換了選擇頁面或者點擊了視屏控制臺中的stop按鈕后，視屏控制臺將從界面右邊平移退出顯示窗口，當用戶點擊了某個視屏內容的按鈕后，該控制臺又從右側平移出現在視圖區內。同樣，該功能也是通過C#語言編寫腳本來實現的。至此，該項目的基本功能全部完成，設置打包的參數，然后打包成在windows平臺下運行的.exe執行文件。

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真動畫的制作過程中的重點與難點有如下幾點：

1.3Ds Max中在制作動畫時注意攝像機的視口變換不宜過快，這樣容易造成畫面不穩定，應該在兩個攝像機位移變換的關鍵幀之間間隔足夠多的普通幀。

2.3Ds Max中在使用粒子系統制作流體時，所設定的粒子數目不易過高，否則容易造成軟件卡頓至崩潰。

3.Premiere 導出媒體時，注意設置導出視頻的編碼格式，視頻源和導出視頻的幀率是否匹配，如果設置不當，可能會造成視頻播放時畫面抖動的問題。

4.在Unity 3D中，注意設置攝像機的參數和畫布的參數，這關系到三維對象在視圖區是否可見。

5.Unity 3D打包工程時注意設置輸出項目的參數，通常不勾選全屏模式，這會改變我們的場景大小，進而使得場景中的對象錯位。

結論

油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝3D仿真的研究密切結合數字媒體技術專業專業技能特點，立足石油企業實際需求，前期調研得知企業非常明確此類動畫對于企業自身的價值與意義，但動畫開發公司開發此類產品的價格高企，企業很難選用。油氣鉆井中黃土層干法掘進及封固工藝原理動畫由數字媒體技術專業師生以創新訓練項目的形式開發完成既鍛煉提高了學生專業素養也使得開發成本遠低于動畫開發公司，利于企業選用。