CN111583414A - 一种油气井动态井控vr系统的搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种油气井动态井控VR系统的搭建方法，属于油气井开发技术领域。所述方法包括：建立井控设备的三维模型，对三维模型进行模型贴图纹理优化，然后在虚幻四引擎中进行材质优化；设计井场的地形，并对井场进行布局；设计司钻法压井和工程师法压井的VR系统；设计VR系统的系统界面及交互；对搭建的VR系统进行后期优化。本发明中将井控数据流与操作流相结合，从而可以真实地模拟出井控压井操作流程，配合逼真的三维井场环境给使用者身临其境的操作体验，能够给予使用者强烈的沉浸感，并提高其学习效率。

Description

一种油气井动态井控VR系统的搭建方法

技术领域

本发明涉及油气井开发技术领域，特别涉及一种油气井动态井控VR系统的搭建方法。

背景技术

随着时代的发展，石油对于人类社会而言，不仅是一种不可再生的资源，更是国家生存与发展必不可少的战略储备能源。随着石油开采量的不断增加，日益增多的油气田数量与日趋复杂的地层情况给石油天然气井控带来了新的挑战。石油天然气井控是油气开发的重要保障，是安全开采开发的重要组成部分。然而，在实际的钻井作业中，经常由于相关操作人员的操作失误，导致发生溢流或井喷等一些不安全的情况，严重的导致发生井喷失火，进而酿成重大事故。因此，如何提高相关从业人员的井控操作熟练度，以及训练在各种复杂情况下解决井场突发事故的能力迫在眉睫。

传统的井控培训方法大多是在实验室搭建井控模型，以进行模拟现场演练；或者是在实际的钻井井场进行演练。然而，前者建立钻井井控模型不仅需要大量的经济投入，也需要大量的时间进行搭建，从而抬高培训成本，且模拟出的井场设备受制于空间与时间的制约，可能导致模拟演练的效果不理想，无法产生良好的学习教育意义；而后者借助真正的钻井平台训练，虽然可以身临现场，但是会延误正在工作的平台、耽误工期，造成一定的经济损失，且无法进行反复演练，使得学习效果降低，而学习人员学习中的不熟练操作，也会引发一些不安全事故，使得学员的人身安全受到威胁。通过传统方法培训出来的从业者，无法真正面对复杂的油气井井控操作，无法从容的处理各种意外情况，不能避免不安全事故的发生。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种油气井动态井控VR系统的搭建方法，所述方法包括：

建立井控设备的三维模型，对所述三维模型进行模型贴图纹理优化，然后在虚幻四引擎中进行材质优化；

按照实际井场布置规则设计井场的地形，并对所述井场进行布局；

设计司钻法压井和工程师法压井的VR系统；

设计VR系统的系统界面及交互；

对搭建的VR系统进行后期优化。

可选地，所述建立井控设备的三维模型，包括：

根据所述井控设备的真实大小与预设规则，使用软件3Dmax通过基础建模和复合对象建模方法进行建模设计。

可选地，当所述井控设备为井架时，所述预设规则为按照预设比例进行放大；当所述井控设备为司钻房时，所述预设规则为扩大司钻房，并减少非主要仪器仪表的数量；当所述井控设备为采油树时，所述预设规则为与真实采油树的相似度大于预设阈值；当所述井控设备为电控台时，所述预设规则为将操作与仪器进行合并；当所述井控设备为循环净化系统时，所述预设规则为与真实循环净化系统保持外观相像。

可选地，使用软件3Dmax通过基础建模和复合对象建模方法进行建模设计，包括：

从工具栏中选择对应的几何体并设置参数，通过鼠标确定位置进行建模，创建后通过快捷键W、E、R分别控制位移、旋转、缩放进行调整。

可选地，所述设计井场的地形，包括：

使用虚幻四引擎自带的地形编辑器设计地形地貌，并使用虚幻四引擎自带的材质编辑器的自动材质对设计好的地形地貌进行材质赋予；

制作分层地形材质设计。

可选地，所述对所述井场进行布局，包括：

设置所述井场的大门方向与使用者正前方向一致；

在循环净化系统周围设置污水池与沉砂池，循环罐设置于所述井场右侧，从振动筛依次向后设置，所述沉砂池设置于所述循环罐旁边；

机械钻机发电房设置于所述井场左侧，油罐区设置于所述井场左后方，电动钻机发电房设置于所述井场后方；

防喷器远控台设置在井架大门左侧，距离井口不小于25m的活动房内，并在周围保持2m以上的人行通道；

压井管汇设置于所述井场左侧，节流管汇设置于所述井场右侧，液气分离器设置在所述井场右侧距井口11-14m的位置；

综合录井房、地质值班房、钻井液化验房、值班房设置在大门右前方；

所述井场明显处设置有标志语。

可选地，所述对搭建的VR系统进行后期优化，包括：

对细节材质、植物、光照系统进行优化设置；

对污水池和沉砂池分别赋予水面材质；

设置植物系统和场景装饰。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

值得说明的是，本发明主要以三维井控设备的建模处理为基础，之后使用虚幻四引擎的地形与材质编辑器构建三维井场，接着以司钻法与工程师法为核心进行井控操作的流程设计，然后设计了系统界面及交互，最后对系统进行打包优化，完成油气井动态井控VR系统的搭建。本发明中将井控数据流与操作流相结合，从而可以真实地模拟出井控压井操作流程，配合逼真的三维井场环境给使用者身临其境的操作体验，能够给予使用者强烈的沉浸感，并提高其学习效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种油气井动态井控VR系统的搭建方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种采用基础建模方法建立的油桶模型图；

图3是本发明实施例提供的一种采用复合对象建模方法建立的钻井平台模型图；

图4是本发明实施例提供的一种井场整体布局示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1是本发明实施例提供的一种油气井动态井控VR系统的搭建方法流程图，参见图1，该方法包括：

步骤101：建立井控设备的三维模型，对该三维模型进行模型贴图纹理优化，然后在虚幻四引擎中进行材质优化。

其中，井控设备包括井架、司钻房、采油树、电控台、循环净化系统和发电系统等。井架是最常见的井控设备，由主体、天车台、天车架、二层台、立管平台和工作梯组成，主要用于安置天车、大钩、吊环等运送设备，以及放置起下、钻杆、油杆等设备；司钻房是实际生产过程中，由司钻与副司钻操作各种仪器，从而达到井控目标的场所，一般置于二层平台，它容机、电、液、气、计算机及通讯技术于一体；采油树是石油天然气开采过程中，位于油气井最上部的控制与调节的主要设备，主要由套管头、油管头、采油树本体三部分组成，采油树连接来自井下的生产管路和出油管，同时是油井顶端与外部环境隔绝开的重要屏障，它包括许多可以用来调节或阻止所产原油蒸气、天然气和液体从井内涌出的阀门；电控台主要由石油钻机绞车、转盘顶驱、泥浆泵等动力控制系统和电气变速驱动控制系统组成；石油循环净化系统一般由泥浆循环罐、振动筛、除气、除砂、除泥和离心机组成，在其周围常有沉砂池与污水池，用于分离处理钻井液中岩硝、泥砂等颗粒，维持钻井液性能以及储存循环钻井液；发电系统是井场最重要的设备之一，一般由发电机组、发电车、钻进机械发电机组成，提供着整个井场钻进开发时的动力。

需要说明的是，VR技术是利用计算机技术，对现实或想象的运动、事物、环境进行三维景象和声音、味觉感觉的实时模拟演示，同时接受操作者的命令，实现某种目的，达到交互性，要达到这些，最基础的便是场景的设计与三维建模。因此，VR技术需要在电脑中制作已经存在的或者未来的建筑场景的三维模型，然后与已经制作完成的模型进行交互设计，也即，三维建模就是VR技术实现的基础。

其中，建立井控设备的三维模型的具体实现过程可以为：根据井控设备的真实大小与预设规则，使用软件3Dmax通过基础建模和复合对象建模方法进行建模设计。

需要说明的是，预设规则是根据井控设备的现实场景情况设置的，由于不同的井控设备在现实场景中的作用特点和重要性不同，在搭建虚拟VR时，没有必要完全按照现实场景中的井控设备进行搭建，可以根据具体情况酌情进行修改，因而本发明中在构建三维模型时可以根据不同的井控设备的特点设置不同的预设规则，即根据井控设备的实际使用情况搭建三维模型。另外，按照现实场景中井控设备的特点搭建虚拟VR时，预设规则可以是井控设备和现实场景中的井控设备按照1:1比例进行设计，也可以是按照近视角观测局部场景设计(即缩放设计)，还可以对现实场景中的井控设备进行相应地简化。本发明实施例不对预设规则进行具体限定，具体实施时设计只要符合相关行业标准、方便操作练习即可，均在本发明的保护范围内。

例如，井架是承载整个司钻房及关联采油树等交互模型的基础，因而出于便于VR交互及顾及视觉适应性的原因，在建模过程中可以将整个井架按照预设比例做些许的放大处理，从而便于使用者使用VR设备在其中进行交互，从而减轻一定的封闭感，给予使用者更方便的使用感和更开阔的视觉效果；其次，传统司钻房狭小、仪器仪表密集、控制系统集中，导致VR模式下，使用者的使用体验极差，可活动范围小，导致眩晕感与密闭感严重，而密集的仪器仪表及液气控制系统不仅造成VR交互操作困难，而且设计成本精度要求极高，因而在建模过程中，可以适当的减少非主要仪器仪表的数量，扩大司钻房，以提升可活动范围，简化精细操作以满足VR使用者的体验感；另外，采油树是虚拟VR交互操作的重要组成部分，在建模过程中，模拟采油树与真实采油树的相似度需要大于预设阈值，也即需要最大限度的保持相似性，从而给予使用者良好的使用体验与学习效果；电控台是控制钻井机械的操作设备，也是交互操作较多的一个模块，因此在建模过程中，必须考虑操作的简易性，将操作与仪器进行合理的合并，以简化复杂操作；再者，在井控操作中，与循环净化系统的交互较少，因而建模时只需外观相像，在系统中主要起完善井场，给使用者一定的真实感即可；在虚拟仿真中，设备主要依靠脚本编程完成运动，因而在本发明中发电系统仅作为完善井场的功能设计，不需要真实起到供电作用。

另外，3DMax基础建模主要是从工具栏中选择相应的几何体并设置参数，通过鼠标确定位置来进行建模，创建后可以通过快捷键W、E、R分别控制位移、旋转、缩放进行调整，主要用来制作一些外形规整的井控设备。对于不需要过于精细的建模与渲染的井控设备，采用基础建模的方法可以大大的节省时间成本。例如，石油转盘、井控台与油桶等，这些井控设备外形简单，可以分割成为基础的几何体，使用基础建模建立几何体进行拼接，简单省力。图2为采用基础建模方法建立的油桶模型图。

复合对象建模是指使用3DMax通过特定的合成方式将多个对象进行结合的建模操作。在建模之前，需要充分了解井控设备的结构特点，将每个部分的细节构想成步骤，然后通过不同的特殊处理进行处理，如模型放样、模型车削、布尔操作等。采用复合对象建模可以进行大部分的井控设备建模，在虚拟VR中，井控设备的操作多为旋转、位移，所以不需要过于精细的内部建模，因而可以控制建模精细程度来达到节省时间的目的。图3为采用复合对象建模方法建立的钻井平台模型图。

需要说明的是，对该三维模型进行模型贴图纹理优化，然后在虚幻四引擎中进行材质优化模型贴图纹理优化是三维模型真实化的重要一步。具体地，先使用Photoshop制作3D纹理与贴图，然后在3DMax中进行贴图纹理优化，使用3DMax的VRay渲染器插件进行渲染，最后通过虚幻四引擎进行模型的后期处理优化，将3D模型制作成最终效果图。

步骤102：按照实际井场布置规则设计井场的地形，并对井场进行布局。

其中，设计井场的地形的具体实现过程可以为：使用虚幻四引擎自带的地形编辑器设计地形地貌，并使用虚幻四引擎自带的材质编辑器的自动材质对设计好的地形地貌进行材质赋予，然后制作分层地形材质设计。

需要说明的是，在使用了一般材质进行赋予后，发现所有的地形都是一个材质，山体低谷的材质相同，没有落差感，不够真实。因而本发明通过材质函数的编写，实现根据地形高度自动赋予地形不同材质的功能，有效的解决了这个问题。另外，分层地形材质设计指在一个材质的表面，可以自由刷上其他材质，并且过渡自然。

其中，在设计虚拟井场时，需要按照实际井场的布置规则进行设计，具体设计方式需要参照实际井场情况和相关行业标准，本发明在此不进行具体限制。例如，可以设置井场大门方向与使用者正前方向一致；循环净化系统主要包含泥浆循环罐、振动筛、除砂除气除泥设备与离心机，在净化系统周围应当设置污水池与沉砂池，循环罐设置于井场右侧，从振动筛依次向后设置，沉砂池设置于循环罐旁边；机械钻机发电房设置于井场左侧，油罐区设置于井场左后方，电动钻机发电房设置于井场后方；防喷器远控台应设置在井架大门左侧，距离井口不小于25m的活动房内，在其周围保持2m以上的人行通道，压井管汇放置于井场左侧，节流管汇设置于井场右侧，液气分离器应设置在井场右侧距井口11-14m的位置；综合录井房、地质值班房、钻井液化验房、值班房应当设置在大门右前方，井场明显处设置有标志语，如“安全第一、预防为主”标志、“抽汲就是井喷”的标志，且还可以在压井管汇、节流管汇、高压阀门处设置“禁止乱动阀门”的标志，在钻台房设置“严禁抽汲、防止井喷”的标志。井场整体布局如图4所示。

需要说明的是，在完成三维井场搭建之后，应当在重要地点设置标志，在井场常见位置设置“安全第一、预防为主”的标志，在有阀门的地点，设置“禁止乱动阀门”，在司钻房设置“抽汲就是井”的标语。这些标语不但起着优化井场布置、提高井场真实感的作用，而且也会给使用者带来警告，加深其对井场高危操作的警觉性，从而达到良好的学习效果。

还需要说明的是，从井控安全的角度考虑，一口井的井控工作是从钻前工程开始的，而在本发明中，是整个系统设计流程的轴心，所有的操作都是依据此布局完善。因此在开始制作操作与界面交互之前，确定井场布局是尤为重要的。在现实钻前工程之前，必须要考虑季风方向、道路的走向位置、井泵房的位置，循环系统的位置，油罐水罐的位置，放喷管线位置，值班房等房子的布局等。但是在虚拟仿真设计中，出于使用者的体验而言，难免会有与真实场景不符的布局，这时以使用者的体验为第一原则进行设计。

另外，井场大门方向应当考虑风向等问题，大门方向应背向季节风，方向一般朝南或东南，井场道路从前方进入，大门方向面向井场道路。但是在VR系统设计中，不考虑添加风向系统，因此设置大门方向与使用者正前方向一致即可。

步骤103：设计司钻法压井和工程师法压井的VR系统。

需要说明的是，油气井井控操作的实现是本系统的灵魂，主要实现二次井控的两个压井操作：司钻法压井和工程师法压井。本发明的设计以真实的井控操作为蓝本，旨在还原一个真实的压井流程，使用虚幻四引擎的蓝图编辑器及界面UMG系统将一步步的操作进行串联，在不同的界面中使用蓝图进行脚本编程，从而实现一个连贯的井控操作流程。

还需要说明的是，在油气井井控虚拟仿真平台中，使用者主要以学习井控、了解井控相关知识为主，辅以相关VR交互操作，以达到学习掌握的目的。因此，司钻法压井和工程师法压井虚拟仿真设计主要以UI界面为枢纽，贯穿相应的操作，在操作完成的同时讲述相应的步骤，指导使用者进行下一步。

具体地，司钻法压井和工程师法压井的相关操作过程及标准可以参考现有的操作标准，也即，将现实场景中的司钻法压井和工程师法压井操作虚拟化，设计在VR系统里，以方便学习者操作学习。

另外，工程师法压井是指发现溢流关井后，先配置压井钻井液，然后将配置好的压井液直接泵入井内，在一个循环周内将溢流排除并建立压力平衡的方法。工程师法压井主要以压井前数据计算为主，在虚拟仿真设计中，填写清单表格十分麻烦，为简化操作，以自动读取填写为主，辅以数值的讲解达到学习效果。

步骤104：设计VR系统的系统界面及交互。

需要说明的是，系统界面及交互设计是本次设计的骨骼，基于Slate的UMG界面设计与基于HTCVIVE手柄的交互设计完善了整个系统的设计，这两个模块应用于系统的每一个角落。通过UE4引擎的UMG界面编辑完成界面设计，生成3DUI并且使用蓝图编辑其脚本，然后逐个绑定HTCVIVE的手柄按键，并且在角色控制器中对每个按键进行逻辑编写，从而实现整个系统的交互。

另外，虚幻运动图形界面设计器(UnrealMotionGraphicsUIDesigner)，简称UMG，是一个可视化的UI创作工具，可以用来创建UI元素，如游戏中的HUD、菜单或呈现给使用者的其他界面相关图形。UMG的核心是控件，这些控件是一系列预先制作的函数，可用于构建界面(如按钮、复选框、滑块、进度条等)，这些控件在专门的控件蓝图中编辑，该蓝图使用两个选项卡进行构造：设计器(Designer)选项卡允许进行界面和基本函数的可视化布局，而图表(Graph)选项卡提供编辑使用控件背后的功能。在虚拟VR的设计中，使用UMG系统设计的3DUI是使用者与系统交互的唯一途径，因此，使用UMG设计菜单及交互是极为重要的步骤。

另外，在虚拟VR设计中，系统菜单是使用者与系统交互的第一个途径，也是整个系统设计的流程载体，因此系统菜单的设计要满足以下几个条件：菜单简单明了，UI风格平滑朴实；主要功能在第一级菜单中全部显示；功能跳转快速；可以实时交互。在创建完成所有系统菜单后，发现并不能直接与系统菜单进行交互，需要将系统菜单投放到三维的井场中去，并且能有实质的载体能让使用者与其互动，因而本发明中包括3DUI的创建。在完成了UI界面的创建后，需要对HTCVIVE手柄及头显进行配适，才可以与UI界面以及带有物理属性的物体进行交互。

步骤105：对搭建的VR系统进行后期优化。

需要说明的是，在系统设计初步完成后，进行细节的优化，如环境模块的后期优化：光照、渲染等，然后为所有操作赋予适当的音效，优化场景，布置标语、国旗等，最后在细节完善之后，将软件进行打包处理，生成.exe文件。

具体地，对细节材质、植物、光照系统进行优化设置，对污水池和沉砂池分别赋予水面材质，设置植物系统和场景装饰。

值得说明的是，本发明主要以三维井控设备的建模处理为基础，之后使用虚幻四引擎的地形与材质编辑器构建三维井场，接着以司钻法与工程师法为核心进行井控操作的流程设计，然后设计了系统界面及交互，最后对系统进行打包优化，完成油气井动态井控VR系统的搭建。本发明中将井控数据流与操作流相结合，从而可以真实地模拟出井控压井操作流程，配合逼真的三维井场环境给使用者身临其境的操作体验，能够给予使用者强烈的沉浸感，并提高其学习效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种油气井动态井控VR系统的搭建方法，其特征在于，所述方法包括：

建立井控设备的三维模型，对所述三维模型进行模型贴图纹理优化，然后在虚幻四引擎中进行材质优化；

按照实际井场布置规则设计井场的地形，并对所述井场进行布局；

设计司钻法压井和工程师法压井的VR系统；

设计VR系统的系统界面及交互；

对搭建的VR系统进行后期优化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立井控设备的三维模型，包括：

根据所述井控设备的真实大小与预设规则，使用软件3D max通过基础建模和复合对象建模方法进行建模设计。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述井控设备为井架时，所述预设规则为按照预设比例进行放大；当所述井控设备为司钻房时，所述预设规则为扩大司钻房，并减少非主要仪器仪表的数量；当所述井控设备为采油树时，所述预设规则为与真实采油树的相似度大于预设阈值；当所述井控设备为电控台时，所述预设规则为将操作与仪器进行合并；当所述井控设备为循环净化系统时，所述预设规则为与真实循环净化系统保持外观相像。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，使用软件3D max通过基础建模和复合对象建模方法进行建模设计，包括：

从工具栏中选择对应的几何体并设置参数，通过鼠标确定位置进行建模，创建后通过快捷键W、E、R分别控制位移、旋转、缩放进行调整。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设计井场的地形，包括：

使用虚幻四引擎自带的地形编辑器设计地形地貌，并使用虚幻四引擎自带的材质编辑器的自动材质对设计好的地形地貌进行材质赋予；

制作分层地形材质设计。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述井场进行布局，包括：

设置所述井场的大门方向与使用者正前方向一致；

在循环净化系统周围设置污水池与沉砂池，循环罐设置于所述井场右侧，从振动筛依次向后设置，所述沉砂池设置于所述循环罐旁边；

机械钻机发电房设置于所述井场左侧，油罐区设置于所述井场左后方，电动钻机发电房设置于所述井场后方；

防喷器远控台设置在井架大门左侧，距离井口不小于25m的活动房内，并在周围保持2m以上的人行通道；

压井管汇设置于所述井场左侧，节流管汇设置于所述井场右侧，液气分离器设置在所述井场右侧距井口11-14m的位置；

综合录井房、地质值班房、钻井液化验房、值班房设置在大门右前方；

所述井场明显处设置有标志语。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对搭建的VR系统进行后期优化，包括：

对细节材质、植物、光照系统进行优化设置；

对污水池和沉砂池分别赋予水面材质；

设置植物系统和场景装饰。

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