油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺3D仿真的研究

何志州 白璐璐 霍韬 刘晓东

摘要：钻井施工中，表层黄土层井漏突出，以往多采用下导管注水泥封固的方法，但这种方法因黄土层承压能力低，环空循环阻力大，难以在导管与井眼环空形成水泥环，不能有效封隔薄弱漏失层，表层钻进井漏复发率很高，黄土高原浅表层钻进易发生漏失，漏失率达29.49%，钻井液泄漏可直接流入河流、农田，造成环境污染，传统钻井工艺难以彻底解决黄土层漏失。为此研制出黄土层钻固一体化方案，基本步骤主要分三部分：黄土层干钻、下导管、封固导管。为了解决环境污染问题，提高现场操作人员、维修维护人员专业素养与专业技能，减少设备故障及故障损失系该仿真研究的意义所在。油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺3D仿真的研究正是基于以上目的。

关键词：干法掘进及封固工艺、原理动画、3D Studio Max

基于企业培训用途的系列石油机械原理动画的制作项目，选择石油企业普遍使用的通用设备为主题对象，开发其工作原理与组装三维动画用于现场人员培训。主要因为此类设备结构复杂、现场故障率高，容易发生漏失现象。钻井液泄漏可直接流入河流、农田，造成环境污染，传统钻井工艺难以彻底解决黄土层漏失。根据设计的要求，采用三维原理动画来逐渐替代传统二维讲解方法，并基于3D Studio Max实现几何模型的参数化建模方法及其实现原理介绍了黄土层干法掘进及封固工艺的全过程。黄土层干法掘进及封固工艺设计中所设计的所有场景及元件的外观造型均应用3D Studio Max软件进行场景及元件的外观设计的流程加以制作。

为此研制出黄土层钻固一体化方案，提高现场组装人员、维修维护人员专业素养与专业技能，减少设备故障及故障损失系该原理动画开发的意义所在。为此研制出黄土层钻固一体化方案，基本步骤主要分三部分：黄土层干钻、下导管、封固导管。为了解决环境污染問题，提高现场操作人员、维修维护人员专业素养与专业技能，减少设备故障及故障损失系该仿真研究的意义所在。

三维原理动画能准确地表达机械的工作原理以及其复杂的内部结构，更符合人们的思维方式;能组建进行有限元分析的原始数据，从而进行几何形状的优化设计，并实现CAD、CAE、CAPP、CAM的集成。基于3DMax实现几何模型的参数化建模方法及其实现原理得到的初期三维原理动画，再通过着色和渲染功能进一步优化，最终完成介绍黄土层钻固一体化方案的三维原理动画。有助于现场施工，缩短施工周期，提高产品的组装与维护效率，为企业培训方式以及现场施工方式带来巨大的变革。

油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺3D仿真研究流程如下：首先，在3Ds Max中根据已知尺寸进行各零件建模，然后在3Ds Max环境下将制作完成的模型组件在一起，赋予材质。在制作水流和烟雾等流体物质时，采用了3Ds Max中的“粒子系统”下的“超级喷射”功能，制作出在制定时间内和流速下的粒子物质。在制作部件的说明和尺寸的介绍时，部件与说明文字之间的延伸线，其动态延展的效果是首先通过绘制样线条，其次创建圆柱体结合“路径变形”修改器制作出在一段时间内连通线按照所绘制的样线条匀速延展的动态效果;文字说明通过在3Ds Max中创建文本对象，对其使用“挤出”功能，再为文本对象赋予材质，通过在时间轴上不同的位置增加改变材质对话框中的透明度的关键帧，制作出文本淡入淡出的效果。

画面的视角变化主要是通过创建“自由摄像机”结合时间轴上关键帧的设置来完成的。由于需要画面与画面之间的变换的衔接，所以一套动画的视角变换通常只需要设定一台自由摄像机，通过在时间轴上不同的位置改变摄像机的位置，焦点的位置，来控制视口中所显示的效果。

在创建的工程中导入需要剪辑的视频动画，在建立好序列后首先要做的就是在“速度/持续时间”中调整播放速度。在完成自此项操作后，在工程中导入准备好的音频文件，主要包括背景音乐和真人解说音频，同样将音频文件放到对应的音频序列中，通过效果控件面板调整音频的音量参数等。

在制作字幕时，会遇到解说音频和视频画面不匹配的情况，这时候就需要通过调整“速度/持续时间”中的参数或者通过截取当前画面放在播放头停驻的位置，以延缓画面播放进程，使画面内容与解说音频相匹配。而这一过程，需要不断地使用剃刀工具对视频，音频进行剪辑，需要掌握停滞时延，尽可能做到衔接自然。在制作首位标题文字和结束文字时，通过改变“效果控件”中的透明度的参数和运动卷展栏下的位置参数，以制作出文字淡入淡出和位移变换的效果。

此时作品还是一系列没有连接在一起的单独的动画，通过Unity3D设计交互响应，使一系列动画得以按照交互设计的方式联系在一起。

最后完成的动画渲染导出成独立的视频动画，这时注意导出视频的帧率设置。此时的三维动画播放速度较快，画面变换比较令人应接不暇，所以还需导入Premiere中进行剪辑和调整。此外一系列没有连接在一起的单独的动画，通过Unity3D设计交互响应，使一系列动画得以按照交互设计的方式联系在一起。

在Unity中首先新建一个2D的工程，设置画布的长宽尺寸，这将是我们导出的成品后展示窗口的大小;然后将准备好的图片、视频、音频素材导入到该工程的资源文件夹下，将画布的背景图片改变为准备好的背景图，此时正在编辑的场景为初始场景，该场景是作为介绍该项目而设置的，具体信息有该项目的名称和制作方等。

另外还需要制作跳转到查阅项目的触发按钮，该项目中使用图片对象，附加按钮属性，在新建的C#脚本中使用Visual Studio软件编写按钮的脚本，实现场景间的跳转功能。在内容场景，即第二个场景中，新建对应数量的图片对象并为它们附加按钮属性，然后将准备好的按钮图片拖拽到这些按钮的Image属性下，改变对象的显示外观，在此之前还可以新建一个Panel来组织这些按钮，以便更方便的排版选择界面。

除此之外，界面的右侧设置有控制视频播放、暂停、停止的控制台，该控制台由一个panel对象和两个button对象组成，在后台的C#脚本中为两个按钮编写控制脚本，并将功能挂载到对应按钮对象上，使用者可以通过点击按钮来控制播放窗口中的视频。此外，为了界面看起来更加清爽简洁，同时也是为了避免不必要的错误，当用户更换了选择页面或者点击了视屏控制台中的stop按钮后，视屏控制台将从界面右边平移退出显示窗口，当用户点击了某个视屏内容的按钮后，该控制台又从右侧平移出现在视图区内。同样，该功能也是通过C#语言编写脚本来实现的。至此，该项目的基本功能全部完成，设置打包的参数，然后打包成在windows平台下运行的.exe执行文件。

油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺3D仿真动画的制作过程中的重点与难点有如下几点：

1.3Ds Max中在制作动画时注意摄像机的视口变换不宜过快，这样容易造成画面不稳定，应该在两个摄像机位移变换的关键帧之间间隔足够多的普通帧。

2.3Ds Max中在使用粒子系统制作流体时，所设定的粒子数目不易过高，否则容易造成软件卡顿至崩溃。

3.Premiere 导出媒体时，注意设置导出视频的编码格式，视频源和导出视频的帧率是否匹配，如果设置不当，可能会造成视频播放时画面抖动的问题。

4.在Unity 3D中，注意设置摄像机的参数和画布的参数，这关系到三维对象在视图区是否可见。

5.Unity 3D打包工程时注意设置输出项目的参数，通常不勾选全屏模式，这会改变我们的场景大小，进而使得场景中的对象错位。

结论

油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺3D仿真的研究密切结合数字媒体技术专业专业技能特点，立足石油企业实际需求，前期调研得知企业非常明确此类动画对于企业自身的价值与意义，但动画开发公司开发此类产品的价格高企，企业很难选用。油气钻井中黄土层干法掘进及封固工艺原理动画由数字媒体技术专业师生以创新训练项目的形式开发完成既锻炼提高了学生专业素养也使得开发成本远低于动画开发公司，利于企业选用。