摘要：為了解決油氣勘探、開(kāi)發(fā)過(guò)程中因各種異常復(fù)雜情況(特別是在有毒有害氣體泄漏、著火擴(kuò)散蔓延)導(dǎo)致油氣井井噴失控著火后的處理技術(shù)難題，開(kāi)展了油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。采用3DS Max技術(shù)對(duì)油氣井著火現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行三維場(chǎng)景建模，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)滅火現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)漫游及滅火操作人機(jī)交互功能，參照油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)工藝流程，確定仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，并對(duì)搶險(xiǎn)滅火流程進(jìn)行了重點(diǎn)模擬，通過(guò)RPG角色扮演使操作員熟悉各搶險(xiǎn)流程，最終實(shí)現(xiàn)了具有三維可視化、人機(jī)交互等特色功能的油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)仿真訓(xùn)練平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，為實(shí)際滅火作業(yè)操作提供重要參考依據(jù)，并成功應(yīng)用于2009年中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司舉行井噴事件專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案演練中，為滅火搶險(xiǎn)演習(xí)作業(yè)帶來(lái)了較好的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：油氣井；井噴失控；滅火；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；仿真平臺(tái)；3D Max建模；應(yīng)急預(yù)案演練

    目前在油氣行業(yè)如鉆井軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)、三維可視化地震資料解釋、儲(chǔ)層分析和綜合油藏管理、海上鉆井平臺(tái)設(shè)計(jì)、協(xié)同工作和決策已廣泛使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1～2]。所謂虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生一個(gè)三度空間的虛擬世界，為使用者提供關(guān)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官的模擬，讓使用者身臨其境，及時(shí)地、沒(méi)有限制地觀察三度空間內(nèi)的事物，使用者進(jìn)行位置移動(dòng)時(shí)，計(jì)算機(jī)可以立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，將精確的3D世界影像傳回而產(chǎn)生臨場(chǎng)感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，將切實(shí)增強(qiáng)油氣開(kāi)采行業(yè)的決策性和前沿性，實(shí)現(xiàn)信息的可視化分析，降低開(kāi)發(fā)成本，提高抗風(fēng)險(xiǎn)能力。因此，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在石油行業(yè)研究和應(yīng)用的重要性日趨顯著。

    開(kāi)發(fā)專(zhuān)業(yè)的油氣裝備操作培訓(xùn)系統(tǒng)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完全真實(shí)地模擬裝備的操作流程和使用方法，可為需要培訓(xùn)新技術(shù)工人的單位和企業(yè)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的石油機(jī)械操作培訓(xùn)，能夠節(jié)省培訓(xùn)成本，提高教學(xué)培訓(xùn)的可視化程度。

1 井噴滅火搶險(xiǎn)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究

1.1 研究背景及目標(biāo)

    油氣勘探、開(kāi)發(fā)開(kāi)采過(guò)程中因各種意外原因發(fā)生井噴并導(dǎo)致有毒有害氣體泄漏、失火等事故時(shí)有發(fā)生[3]，甚至造成了大量的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞等后果。分析其主要因素有以下兩點(diǎn)：①對(duì)事故后有毒有害氣體泄漏、著火擴(kuò)散蔓延缺乏準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)；②事故發(fā)生后缺乏應(yīng)有的搶險(xiǎn)預(yù)案和決策。其中后者是造成重大損失的主要原因。因此，對(duì)井噴事故進(jìn)行系統(tǒng)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)或模擬掌握井噴失控后的處理方法，制訂合理的應(yīng)急預(yù)案，科學(xué)合理地指揮搶險(xiǎn)，減少人員傷亡意義重大。

    滅火搶險(xiǎn)是一項(xiàng)特殊的、高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，一旦油氣井井噴失控發(fā)生著火，后果將極其嚴(yán)重，因此行之有效的滅火搶險(xiǎn)措施至關(guān)重要。面對(duì)滅火搶險(xiǎn)作業(yè)流程的復(fù)雜與困難，搶險(xiǎn)隊(duì)員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能要求越來(lái)越高。開(kāi)展油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)訓(xùn)練往往需要大規(guī)模的資金設(shè)備投入，并且可能會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，滅火搶險(xiǎn)作業(yè)訓(xùn)練和培訓(xùn)受到很大的制約。

因此，研究油氣井著火特點(diǎn)，對(duì)滅火搶險(xiǎn)作業(yè)進(jìn)行針對(duì)性的訓(xùn)練，努力提高滅火搶險(xiǎn)人員作戰(zhàn)能力非常必要。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真則是解決上述問(wèn)題的有效方法和手段。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬真實(shí)環(huán)境，研究并實(shí)現(xiàn)滅火搶險(xiǎn)作業(yè)仿真系統(tǒng)，能有效提升搶險(xiǎn)隊(duì)員的安全生產(chǎn)素質(zhì)和搶險(xiǎn)救援能力，有力推動(dòng)我國(guó)油氣井搶險(xiǎn)滅火技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、安全、環(huán)保、智能化的發(fā)展。

1.2 井賾失控滅火仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

    異常復(fù)雜情況下油氣井井噴失控著火后的處理工藝技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)處理經(jīng)驗(yàn)是本仿真系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。針對(duì)各種復(fù)雜情況進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)，確定了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。綜合運(yùn)用3DS Max建模關(guān)鍵技術(shù)和Virtools虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，真實(shí)再現(xiàn)了油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)工藝流程。

    1) 油氣井著火現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景的構(gòu)建：利用現(xiàn)有的模型圖紙，收集相關(guān)實(shí)體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和大量照片，利用3DS Max對(duì)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行建模。

    2) 模型的優(yōu)化：為了提高大型復(fù)雜場(chǎng)景在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中運(yùn)行的速度和流暢性，以便獲得更高的仿真運(yùn)行效率，就要對(duì)所創(chuàng)建的模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和優(yōu)化。

    3) 實(shí)時(shí)漫游技術(shù)：模型創(chuàng)建完成后導(dǎo)入到Virtools中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漫游，漫游過(guò)程中控制視點(diǎn)在虛擬場(chǎng)景中合理移動(dòng)。

    4) 人機(jī)交互式實(shí)現(xiàn)：完成仿真系統(tǒng)對(duì)油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)過(guò)程的模擬實(shí)現(xiàn)。

1.3 井場(chǎng)設(shè)備建模

    仿真平臺(tái)根據(jù)井場(chǎng)設(shè)備實(shí)物照片、圖紙和材質(zhì)紋理貼圖建立三維模型。本系統(tǒng)主要采用3DS Max建模，模型包括井場(chǎng)鉆井配套設(shè)備，主要有井架、井口、鉆具、頂驅(qū)、游車(chē)、大繩、絞車(chē)、轉(zhuǎn)盤(pán)、泥漿泵，循環(huán)罐、柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)等[4]；還包括搶險(xiǎn)滅火設(shè)備，主要有遙感測(cè)溫儀、有毒氣體檢測(cè)儀、水炮、雪炮、水泵機(jī)組、水力噴砂切割機(jī)、鏈鋸切割機(jī)、重吊等；還包括穿戴防毒面具和高溫防火服的角色模型。

    模型在3DS Max采用多邊形方法按實(shí)際比例進(jìn)行繪制，模型繪制完畢后給場(chǎng)景添加燈光，為更好地模擬自然光線(xiàn)，采用天光加光線(xiàn)追蹤的辦法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行布光。

    同時(shí)設(shè)備模型大多采用多邊形建模的方法，多邊形建模的精髓是用最少的面做出最多的細(xì)節(jié)，并且添加光滑修改器之后能夠表現(xiàn)出最好的效果(圖1)。

1.4 井噴失控滅火仿真平臺(tái)功能

1.4.1 滅火搶險(xiǎn)處理流程

系統(tǒng)對(duì)井噴失控現(xiàn)場(chǎng)著火主要采用3DS Max及Virtools進(jìn)行了逼真模擬，對(duì)搶險(xiǎn)滅火流程進(jìn)行了重點(diǎn)模擬，用戶(hù)通過(guò)RPG角色扮演熟悉各搶險(xiǎn)流程，從而實(shí)現(xiàn)在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下滅火搶險(xiǎn)作業(yè)虛擬訓(xùn)練，為實(shí)際滅火作業(yè)提供參考。將三維模型或場(chǎng)景與自身的一些功能模塊相結(jié)合，為其添加上邏輯行為，物理屬性等功能并結(jié)合一些功能模塊相結(jié)合，為其添加上邏輯行為，物理屬性等功能并結(jié)合視頻、音頻等多媒體元素，最終創(chuàng)作出具有生命力的真實(shí)虛擬交互環(huán)境[5]。滅火搶險(xiǎn)交互系統(tǒng)流程如圖2所示。

1.4.2 檢測(cè)環(huán)境溫度與有毒氣體

    該流程是滅火搶險(xiǎn)作業(yè)工藝流程的檢測(cè)環(huán)境溫度及有毒氣體的過(guò)程[5～7]，通過(guò)仿真平臺(tái)模擬了溫度檢測(cè)及可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)的操作流程、同時(shí)展示了空氣呼吸器、抗高溫防火服及各種防爆工具的使用(圖3)。

1.4.3 多功能機(jī)械手

    通過(guò)仿真平臺(tái)模擬展示了滅火搶險(xiǎn)作業(yè)的核心設(shè)備——多功能機(jī)械手隅7。，充分展現(xiàn)了罩引火筒、挖掘清障、剪切清障、破碎井場(chǎng)水泥基礎(chǔ)，運(yùn)送遠(yuǎn)距離水力噴砂切割頭、吊裝單件井口裝置等功能(圖4)。

1.4.4 帶火清障

    通過(guò)仿真平臺(tái)模擬井噴失控后帶火作業(yè)的帶火清障及井口清障過(guò)程[5～7]，模擬搶險(xiǎn)隊(duì)員進(jìn)行切割、拖拉作業(yè)，直到徹底清除井架底座，采用引火筒將散狀火焰集中引導(dǎo)垂直向上，完成滅火前井口周?chē)膹氐浊逭希?/span>使井口完全暴露，如圖5所示。

1.4.5 水力噴砂帶火切割及搶裝新井口

    仿真模擬拆除舊井口的操作流程[5～7]，首先運(yùn)用多功能機(jī)械手完成送遠(yuǎn)距離水力噴砂切割頭完成廢井口切除，然后模擬破切螺母和撬法蘭盤(pán)操作，完成拆除舊井口，然后帶火搶裝新井口，模擬整體(分體)吊裝、磨裝、扣裝過(guò)程。

2 井噴失控滅火仿真平臺(tái)的應(yīng)用

    2009年10月28日，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司在四川省廣漢市舉行了井噴事件專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案演練，使用油氣井井噴失控滅火仿真平臺(tái)模擬展現(xiàn)了井噴的發(fā)生、失控后的搶險(xiǎn)滅火處理流程，體現(xiàn)了中國(guó)石油井噴事件專(zhuān)項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案的科學(xué)性，反映了其應(yīng)對(duì)井控突發(fā)事件的處最能力。集中展現(xiàn)了我國(guó)自主研發(fā)的一系列油氣井搶險(xiǎn)救援先進(jìn)裝備和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井噴現(xiàn)場(chǎng)與各級(jí)指揮、決策機(jī)構(gòu)間的信息實(shí)時(shí)傳輸和高度互動(dòng)，具有相當(dāng)高的技術(shù)含量和智能化程度。也充分證明了該仿真平臺(tái)的可行性和實(shí)用性。

3 結(jié)論

    1) 油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場(chǎng)仿真系統(tǒng)構(gòu)建了油氣井井噴失控滅火現(xiàn)場(chǎng)的三維模擬操作平臺(tái)，使用Virtools實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，并結(jié)合3DS Max完成了高質(zhì)量的系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

    2) 由于滅火搶險(xiǎn)作業(yè)流程的復(fù)雜與困難，搶險(xiǎn)隊(duì)員的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與技能要求越來(lái)越高。開(kāi)展油氣井滅火搶險(xiǎn)作業(yè)訓(xùn)練往往需要大規(guī)模的資金設(shè)備投入，并且可能會(huì)造成一定的環(huán)境污染，滅火搶險(xiǎn)作業(yè)訓(xùn)練和培訓(xùn)受到很大的制約，只能完成局部小規(guī)模的培訓(xùn)。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行滅火搶險(xiǎn)作業(yè)仿真系統(tǒng)無(wú)需出動(dòng)車(chē)輛和耗費(fèi)大量的原材料，各種損耗少，而且危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)小，大大節(jié)約了人力、財(cái)力、物力，同時(shí)避免真實(shí)搶險(xiǎn)作業(yè)訓(xùn)練中的人員傷亡與環(huán)境污染等問(wèn)題，符合安全、環(huán)保的發(fā)展要求。

    3) 以滅火搶險(xiǎn)仿真系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增強(qiáng)其滅火搶險(xiǎn)的交互操作功能，完善滅火搶險(xiǎn)流程，加入搶險(xiǎn)工具模型庫(kù)和參數(shù)庫(kù)，增加根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處置情況選擇不同的搶險(xiǎn)方案，即可對(duì)員工進(jìn)行全面的操作培訓(xùn)和技能考核。

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(本文作者：胥林1 楊令瑞2 張琴2 曾紹清2 王永友1 1.西南石油大學(xué)；2.中國(guó)石油川慶鉆探工程公司鉆采工程技術(shù)研究院)