综合录井虚拟培训系统设计

张 金 梁海波 张 张露之

(西南石油大学电气信息学院，四川 成都 610500)

0 引言

综合录井是对钻井过程进行随钻实时监控的一项关键技术。该技术能够有效地提高钻井效率、降低钻井风险，在指导钻井施工、进行地层评价和油气资源评价方面具有无可替代的优势作用[1]。如何使录井工作人员，尤其是新进录井人员快速、熟练、有效地掌握综合录井技术，已成为评价综合录井培训效果好坏的标准之一。

针对当前综合录井培训方式的不足，在查阅了综合录井相关技术资料的基础上，结合LabVIEW虚拟仪器技术和3Dmax仿真技术，提出了一套综合录井虚拟培训系统。通过对录井现场环境、综合录井仪器仪表、综合录井操作过程、录井仪故障诊断以及综合录井资料解释等内容的仿真模拟，系统最大程度地接近真实录井现场以及综合录井工艺过程，从而达到了较好的综合录井培训目的。

1 培训方式改进与需求分析

传统的综合录井培训是通过阅读录井培训手册、听取有经验的录井人员的讲解、参加录井现场实际操作等方式，逐步掌握综合录井技术。综合录井仪结构复杂、功能庞大、操作过程繁杂，而传统的录井培训方式又存在以下不足。

①无法对综合录井传感器仪器仪表的工作原理、技术指标、安装位置与安装过程、综合录井数据采集设备以及数据采集过程等内容进行全面、系统化的培训。

②由于现场应用的需求，无法实现综合录井软硬件系统脱离现场的培训。培训时间、培训地点、培训人员数量等受到限制，从而使受培训人员很难在短时间内全面、快速、熟练地掌握综合录井软硬件系统的操作方法。

③综合录井仪器故障通常依靠录井操作人员自身经验去发现和排除。这在很大程度上依赖于录井操作人员自身从事录井作业时间及其积累的录井作业经验，故障排除效率低。同时，在现有的录井培训条件下，希望新进录井工作人员能在短时间内掌握大部分或者全部综合录井仪常见故障以及故障排除方法几乎是不可能的。

显然，传统的综合录井培训方式已经很难适应当前高节奏、高效率的石油天然气工业生产发展需要。然而，计算机技术的不断革新以及虚拟现实技术的出现，为综合录井培训开辟了新的途径。本文将LabVIEW虚拟仪器技术与3Dmax仿真技术相结合，设计并开发了综合录井虚拟培训系统。

2 系统设计

2.1 系统总体框架

本文设计的综合录井虚拟培训系统培训内容包括基础知识与专业术语、综合录井传感器、仪器故障及故障排除方法、数据采集过程、实时监测软件操作、录井单元房布置以及其他录井仪器、资料解释与应用等内容。其中基础知识与专业术语、实时监测软件操作、仪器故障及故障排除方法、资料解释与应用四部分内容主要基于LabVIEW虚拟仪器技术实现。而综合录井传感器、数据采集过程、录井单元房布置以及其他录井仪器四部分内容主要基于3Dmax仿真技术实现。综合录井虚拟培训系统系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架Fig.1 The overall framework of the system

综合录井虚拟培训系统每部分培训内容均采用相应的介绍性培训与一定的互操作性培训相结合的方式进行，从而将综合录井培训系统搭建成一个涵盖内容全面、培训方式多样、人机交互友好、完全脱机的虚拟培训系统。

2.2 虚拟仿真设计

虚拟仪器是指在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义虚拟仪器面板，大部分测试功能由其测试软件实现的一种仪器系统[2]。本文选择美国NI公司生产的LabVIEW虚拟仪器设计软件作为整个综合录井虚拟培训系统的软件开发平台，它为用户提供了丰富的图形控件，人机交互界面友好，软件开发周期短[3]。同时，设计了基础知识与专业术语、实时监测软件操作、仪器故障及故障排除方法以及资料解释与应用四大功能模块。

下面对实时监测软件仿真模块的设计做详细说明。

实时监测软件仿真模块设计时，参考了国内外相关综合录井软件，在监测主界面对录井现场钻井平台、节流管汇、气液分离器、钻井液池等设备进行相应的模拟布局。

为了使主界面更加美观，充分应用LabVIEW提供的各种丰富的图形控件，进行综合录井仪器仪表前面板的设计。仿真的仪器仪表盘更加接近真实的综合录井仪器仪表盘，本文使用了LabVIEW独有的控件自定义功能，将一些诸如按钮控件、数字显示控件、表盘控件等重新定义成新的、更加美观的用户界面组件，从而使得仿真的仪器仪表盘更加真实、形象、美观。

应用LabVIEW提供的丰富内置函数和工具包可以实现对各种仪器仪表的功能仿真，并基于仿真数据源将仿真数据实时反映在虚拟仪表盘上。点击不同仪器仪表设备，系统能够自动弹出该设备实时仿真曲线，从而实现综合录井仪器仪表的虚拟仿真。

通过综合录井实时监测仿真，培训人员能够快速熟悉和了解综合录井实时监测参数以及相关钻井设备在钻井现场的相对位置等情况。

2.3 三维仿真设计

三维仿真设计时既可以利用LabVIEW自带的三维图形工具箱建立三维模型，也可以使用其他的专业建模软件建模后再导入LabVIEW[4]。

由于综合录井虚拟培训系统涉及的三维模型复杂，仅依靠LabVIEW自带的三维图形工具箱无法满足软件设计需求。而3Dmax软件在三维仿真建模方面具有渲染效果强、设计操作界面简洁直观、设计效率高、视图功能直观强大等优势[5]。因此，本文选择采用了在3Dmax软件上开发三维仿真模型，再将三维仿真模型导入LabVIEW的方案。

下面以综合录井温度传感器的三维仿真建立过程为例说明三维仿真部分的设计过程。

2.3.1 三维仿真模型的建立

首先利用3Dmax模型库里的标准化模型设计出综合录井温度传感器的整体框架。然后，通过一系列如编辑样条线、车削、编辑网格、锥化等基本操作命令，制作出具有三维立体效果的温度传感器三维模型。再通过照明、相机设置等命令对三维模型进行相关的渲染操作。最后对设计完成的三维模型进行保存。3Dmax默认的数据文件为*.max文件，除此之外，其还能导出* .3ds、* .ASC、* .ASE、* .DXF、* .Ai等文件格式，而LabVIEW仅支持VRML、STL和 ASE三种三维文件的导入。同时，ASE文件以文本的形式保存了三维模型所有的信息，很容易读取，而且用一般的文本编辑软件就可以进行修改[6]。

本文将设计好的温度传感器三维模型以*.ASE格式进行保存，为后续LabVIEW环境中对三维模型的调用做准备。

2.3.2 仿真模型的调用与控制

3Dmax是Kinetix公司的三维图形建模和动画设计软件，能方便建立各种复杂物体模型，但是很难进行程序控制[7]。而LabVIEW中提供了丰富的三维图形操作函数，能够很方便地对三维图形实现程序控制。

在进行模型的调用与控制时，在LabVIEW前面板上放置三维图片显示控件，在后台程序框图上放置Create Object.vi和 Load ASE Geametry.vi两个函数 vi，将*.ASE格式的三维模型文件导入三维图形显示控件中。使用Scene Object调用节点完成三维场景的变换，即三维场景中对象的外观或方向的改变，包括三维场景的旋转(Rotate Object.vi)、平移(Translate Object.vi)、缩放(Scale Object.vi)等。

基于以上方式设计实现的综合录井温度传感器三维仿真运行时，用户通过点选按钮的方式，就能够从不同角度查看其外观以及安装演示过程。

2.4 数据库设计

数据库总体框架如图2所示。

图2 数据库总体框架Fig.2 Database framework

由于综合录井虚拟培训系统具有数据量大、数据管理复杂的特点，因此本文选择功能强大的 SQL SEVER 2000数据库，实现综合录井虚拟培训系统的数据库管理。根据需要，设计了综合录井基础知识及专用术语数据库、各种综合录井仪仪器仪表工作原理/技术参数数据库、用于录井仪故障仿真的故障知识库以及用于录井实时监测仿真的仿真数据源数据库、资料解释与应用仿真数据源数据库。

基于SQL SEVER 2000建立的综合录井虚拟培训系统数据库为综合录井虚拟培训系统的数据读取、处理和存储提供了强有力的后台支撑。

3 结束语

本文设计的综合录井虚拟培训系统采用了将LabVIEW虚拟仪器技术与3Dmax仿真技术相结合的方式，实现了完全的综合录井虚拟脱机培训。系统虚拟场景逼真、功能齐全，新进培训人员在培训时会有身临其境的感觉，有助于增强培训效果，提高培训效率[8]。虚拟培训系统打破了传统培训方式对培训时间、地点、培训人数的限制，方便受培训人员对综合录井仪及综合录井技术进行全面系统化的学习。同时，降低了综合录井培训过程中仪器仪表损耗的风险和维修费用，为企业节约了大量的培训成本。

[1] 戴永寿，张欣欣，于云华，等.综合录井信息共享方法的研究和探讨[J].录井工程，2007(1):33－35.

[2] 张林，梁海波，郭智勇.基于虚拟仪器技术的录井培训系统设计[J].仪器仪表用户，2011，18(4):34 －35.

[3] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M].北京:清华大学出版社，2007:43.

[4] 吴震宇，方敏，丁康.基于LabVIEW的二级倒立摆控制系统三维仿真[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2011，10(10):1481－1482.

[5] 贾子维，张哲.3Dmax技术在虚拟变电站设计中的研究与应用[J].农业科技与装备，2010(4):40－41.

[6] 柯新利.3Dmax模型在IDL中得读取与重建[J].地理空间信息，2008，10(5):33 －34.

[7] 方斌.OPENGL中3Dmax模型的应用[J].贵州工业大学学报:自然科学版，1999，12(6):45 －46.

[8] 李杰，翟芳芳，侯树刚，等.欠平衡钻井虚拟培训系统的研制和应用[J].天然气技术与经济，2010，2(1):45.