張帥

摘要：運動仿真是物體運動過程的虛擬實現(xiàn)方法，將其應用于水平井鉆井中可以清楚地模擬鉆柱包括鉆頭的空間運動狀態(tài)。首先使用Creo三維建模軟件建立了鉆井平臺主要部件和井下鉆具，再導入3Dmax軟件進行了水平井鉆進過程仿真，并詳細介紹了運動仿真的實現(xiàn)方法。該仿真動畫直觀地展示了虛擬的水平井鉆井平臺與鉆進過程，特別展示了鉆柱的空間受力狀態(tài)，為鉆井專業(yè)的學生及鉆井工程研究人員對鉆柱工作行提供了更為直觀的認識，仿真的實現(xiàn)方法也會其他鉆井仿真提供了一定的參考。

關鍵詞：水平井;運動仿真;3Dmax;Creo

中圖分類號：TE2? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0288-03

Abstract： Motion simulation is a virtual implementation of the motion process of an object. Its application to horizontal well drilling can clearly simulate the space motion state of drill string including drill bit. Firstly， the main components of the drilling platform and the downhole drilling tools were built using Creo 3D modeling software， and then the 3Dmax software is introduced to make a more realistic movement of drilling string during horizontal well drilling， and the implementation method of motion simulation is introduced in detail. This simulation animation shows the virtual horizontal well drilling platform and drilling process intuitively， especially shows the space stress state of the drilling string， which provides more intuitive understanding for drilling string workers for drilling students and drilling engineering researchers， The method of the simulation will also provide some reference for other drilling simulations.

Key words：Horizontal well drilling; Motion simulation; 3Dmax; Creo0

Creo 軟件具有強大的三維建模能力，其基于特征的實體模型化系統(tǒng)，使用戶可根據(jù)特征生成或修改模型，對三維實體造型的建模與設計帶來巨大的便利[1-2]。但Creo軟件的運動仿真分析能力較弱，很難實現(xiàn)對柔性體的運動仿真，而且由于其材質(zhì)渲染功能較弱，輸出仿真動畫的質(zhì)量也會大打折扣。

3Dmax是一款大型的三維動畫制作軟件，具有建模，燈光，材質(zhì)渲染，動畫等功能，被廣泛應用于影視特效，室內(nèi)展示，機械動畫制作等領域[3-5]。在水平井鉆井過程中，由于鉆桿的連接長度不斷增長，其性質(zhì)逐漸趨于改變?yōu)槿嵝詶U，Creo軟件無法實現(xiàn)其運動狀態(tài)的模擬。而3Dmax基于其強大的動畫制作能力，可實現(xiàn)柔性鉆桿的井底鉆進過程動畫仿真，但其三維建模的能力相比Creo較弱。尤其是鉆頭的造型比較復雜，在3Dmax軟件中進行建模十分困難[6]。因此，結合Creo建模與3Dmax動畫制作的優(yōu)點，可以還原較為真實的水平井鉆進過程。

1 水平井介紹

在我國石油行業(yè)的定義中，水平井指的是井斜角達到或接近90°，井身沿著水平方向鉆進一定長度的井。有時候根據(jù)油層及附近地質(zhì)特點，井斜角可以超過90°。水平井鉆井技術的優(yōu)點是井眼穿過油層的長度長，增大的油氣層的泄油面積，從而大大增加了油井的單井產(chǎn)量。其次，在具有天然裂縫的巖層中，水平井鉆井技術可以將天然裂縫相互連接起來，由于天然裂縫的滲透率要遠大于巖石基質(zhì)的滲透率，降低了油氣流入井筒的壓力損耗，形成阻力很小的輸油線路，從而可以使直井無法開采的油藏具有工業(yè)開采價值。因此為大眾能更直觀地認識水平井鉆井，進行水平井鉆井過程仿真是十分有意義也是有必要的。

2 水平井平臺建模與渲染

2.1 三維實體建模

水平井平臺的幾何建模在Creo中完成。主要建模部件包括井架、大鉤、電機、絞車、鉆桿鉆柱、鉆頭等，并進行裝配形成鉆井平臺。其中典型的幾何實體建模為三牙輪鉆頭的建模。如圖1所示為三牙輪鉆頭的三維模型。

2.2 模型渲染

將裝配模型保存成STP格式導入3Dmax中進行材質(zhì)渲染。其中地面和地層模型采用貼圖方法，使其更加接近現(xiàn)實，其余均采用材質(zhì)定義完成。材質(zhì)定義主要通過調(diào)節(jié)反射、漫反射和折射等參數(shù)完成，如圖2所示為渲染面板。以鉆柱為例：鉆柱材質(zhì)為金屬，漫反射的顏色設置為RGB（180，180，180），反射的顏色設置為RGB（180，180，180），高光光澤度設置為0.9，反射光澤度設置為0.9。

最后添加光照效果，使整個模型材質(zhì)更加逼真。最終完成的渲染圖如圖3所示：

為了對三維模型進行說明，進一步的繪制二維示意圖，如圖4所示：

1、天車;2、鋼絲繩;3、絞車;4、鉆柱;5、井壁;6、鉆頭;7、井下鉆具組合;8、操作臺;9、電機;10、井架;11、水龍頭;12、大鉤。

3 仿真實現(xiàn)方法

水平井鉆井過程仿真通過3Dmax軟件實現(xiàn)，主要由平臺游歷，鉆柱下放，鉆頭破巖，井眼造斜四大部分組成，各部分的實現(xiàn)方式有所不同。其中，平臺游歷和鉆柱下放的動畫主要運用了常規(guī)的平移和旋轉(zhuǎn)命令即可實現(xiàn)，水平井動畫制作的難點在于井眼軌跡及造斜、三維空間力和鉆頭破巖動畫的實現(xiàn)。

3.1 井眼軌跡及造斜、三維空間力

首先繪制鉆頭鉆進的軌跡曲線，使用路徑變形命令即可使鉆柱沿著曲線行進與旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)井眼的造斜效果。路徑變徑參數(shù)面板如圖5所示：

通過微調(diào)鉆柱的路徑曲線可以形成鉆柱接觸井壁的效果，同時鉆柱在碰觸井壁時會產(chǎn)生空間上大小不同的接觸力。使用箭頭模型并賦予紅色燈光材料模擬鉆柱的受力情況，通過放縮命令改變箭頭的大小表現(xiàn)接觸力的變化。動畫效果如圖6所示：

3.2 鉆頭破巖

破巖過程效果主要體現(xiàn)在鉆頭鉆進時巖屑的產(chǎn)生。巖屑的形成使用了3Dmax中的粒子系統(tǒng)，選擇粒子類型為PF source。創(chuàng)建一個平面用于產(chǎn)生粒子，并使平面的運動繼承鉆頭的運動軌跡，在粒子視圖中自定義粒子的形狀，材質(zhì)和顏色，如圖7所示為本次動畫制作的粒子視圖。

打開粒子視圖中的Speed 001類型選項，可以設置粒子的運動速度及方向。如圖8所示為粒子速度面板，設置粒子運動速度為300，方向選擇前向繼承。最終的鉆頭破巖和巖屑產(chǎn)生效果如圖9所示：

4 結束語

結合使用了Creo與3Dmax軟件，實現(xiàn)了水平井鉆井過程的運動仿真。該仿真過程較為直觀地展示了水平井鉆井過程中鉆頭和鉆柱的運動狀態(tài)，并模擬了鉆進過程中的巖屑，鉆柱與井壁的接觸及接觸力的變化，較為真實地還原了井底狀態(tài)，為鉆井專業(yè)的學生及鉆井工程研究人員對鉆柱工作行為提供了更直觀的認識，同時該仿真的實現(xiàn)方法對其他鉆井運動仿真提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1] 陳躍東， 陳向東， 張林， 等. CREO關系和參數(shù)在自卸車設計中的應用[J]. 專用汽車， 2018（8）： 72-75.

[2] 王安陽， 馬松宴. 基于Creo的端面螺旋齒輪建模設計[J]. 小型內(nèi)燃機與車輛技術， 2018， 47（3）： 38-40.

[3] 李鵬. 3Dmax+Vary室內(nèi)漫游動畫制作的技法淺析[J]. 硅谷， 2012（2）： 191.

[4] 吳辰. 3Dmax軟件在影視動畫制作中的應用[J]. 計算機產(chǎn)品與流通， 2019（3）： 13.

[5] 閻慶華， 林大鈞. Solidworks結合AutoCAD與3Dmax實現(xiàn)機械產(chǎn)品設計[J]. 工程圖學學報， 2004（3）： 150-154.

[6] 王瑩瑩， 郭文峰， 李錦陽. AutoCAD、3Dmax、OpenGL在計算機輔助機械設計中的作用與比較[J]. 機械科學與技術， 2002（S1）： 112-114.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】