摘要：为了解决油气勘探、开发过程中因各种异常复杂情况(特别是在有毒有害气体泄漏、着火扩散蔓延)导致油气井井喷失控着火后的处理技术难题，开展了油气井井喷失控灭火现场仿真系统的研究开发与设计。采用3DS Max技术对油气井着火现场进行三维场景建模，运用虚拟现实技术实现灭火现场实时漫游及灭火操作人机交互功能，参照油气井灭火抢险作业工艺流程，确定仿真系统设计流程，并对抢险灭火流程进行了重点模拟，通过RPG角色扮演使操作员熟悉各抢险流程，最终实现了具有三维可视化、人机交互等特色功能的油气井灭火抢险作业仿真训练平台的开发，为实际灭火作业操作提供重要参考依据，并成功应用于2009年中国石油天然气集团公司举行井喷事件专项应急预案演练中，为灭火抢险演习作业带来了较好的社会效应和经济价值。

关键词：油气井；井喷失控；灭火；虚拟现实技术；仿真平台；3D Max建模；应急预案演练

    目前在油气行业如钻井轨迹优化设计、三维可视化地震资料解释、储层分析和综合油藏管理、海上钻井平台设计、协同工作和决策已广泛使用虚拟现实技术[1～2]。所谓虚拟现实技术(VR)是利用计算机模拟产生一个三度空间的虚拟世界，为使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者身临其境，及时地、没有限制地观察三度空间内的事物，使用者进行位置移动时，计算机可以立即进行复杂的运算，将精确的3D世界影像传回而产生临场感。虚拟现实技术的应用，将切实增强油气开采行业的决策性和前沿性，实现信息的可视化分析，降低开发成本，提高抗风险能力。因此，虚拟现实技术在石油行业研究和应用的重要性日趋显著。

    开发专业的油气装备操作培训系统，采用虚拟现实技术完全真实地模拟装备的操作流程和使用方法，可为需要培训新技术工人的单位和企业进行专业的石油机械操作培训，能够节省培训成本，提高教学培训的可视化程度。

1 井喷灭火抢险中的虚拟现实技术研究

1.1 研究背景及目标

    油气勘探、开发开采过程中因各种意外原因发生井喷并导致有毒有害气体泄漏、失火等事故时有发生[3]，甚至造成了大量的人员伤亡、财产损失和环境破坏等后果。分析其主要因素有以下两点：①对事故后有毒有害气体泄漏、着火扩散蔓延缺乏准确认识；②事故发生后缺乏应有的抢险预案和决策。其中后者是造成重大损失的主要原因。因此，对井喷事故进行系统分析，通过实验或模拟掌握井喷失控后的处理方法，制订合理的应急预案，科学合理地指挥抢险，减少人员伤亡意义重大。

    灭火抢险是一项特殊的、高风险作业，一旦油气井井喷失控发生着火，后果将极其严重，因此行之有效的灭火抢险措施至关重要。面对灭火抢险作业流程的复杂与困难，抢险队员的专业知识与技能要求越来越高。开展油气井灭火抢险作业训练往往需要大规模的资金设备投入，并且可能会造成严重的环境污染，灭火抢险作业训练和培训受到很大的制约。

因此，研究油气井着火特点，对灭火抢险作业进行针对性的训练，努力提高灭火抢险人员作战能力非常必要。采用虚拟现实技术，通过计算机模拟仿真则是解决上述问题的有效方法和手段。运用虚拟现实技术模拟真实环境，研究并实现灭火抢险作业仿真系统，能有效提升抢险队员的安全生产素质和抢险救援能力，有力推动我国油气井抢险灭火技术实现低成本、安全、环保、智能化的发展。

1.2 井赜失控灭火仿真平台设计

    异常复杂情况下油气井井喷失控着火后的处理工艺技术和现场处理经验是本仿真系统构建的基础。针对各种复杂情况进行系统框架设计，确定了仿真系统设计流程。综合运用3DS Max建模关键技术和Virtools虚拟现实平台，真实再现了油气井灭火抢险作业工艺流程。

    1) 油气井着火现场三维场景的构建：利用现有的模型图纸，收集相关实体的结构数据和大量照片，利用3DS Max对现实场景进行建模。

    2) 模型的优化：为了提高大型复杂场景在实时仿真系统中运行的速度和流畅性，以便获得更高的仿真运行效率，就要对所创建的模型进行必要的简化和优化。

    3) 实时漫游技术：模型创建完成后导入到Virtools中实现系统的漫游，漫游过程中控制视点在虚拟场景中合理移动。

    4) 人机交互式实现：完成仿真系统对油气井灭火抢险作业过程的模拟实现。

1.3 井场设备建模

    仿真平台根据井场设备实物照片、图纸和材质纹理贴图建立三维模型。本系统主要采用3DS Max建模，模型包括井场钻井配套设备，主要有井架、井口、钻具、顶驱、游车、大绳、绞车、转盘、泥浆泵，循环罐、柴油机，发电机等[4]；还包括抢险灭火设备，主要有遥感测温仪、有毒气体检测仪、水炮、雪炮、水泵机组、水力喷砂切割机、链锯切割机、重吊等；还包括穿戴防毒面具和高温防火服的角色模型。

    模型在3DS Max采用多边形方法按实际比例进行绘制，模型绘制完毕后给场景添加灯光，为更好地模拟自然光线，采用天光加光线追踪的办法对场景进行布光。

    同时设备模型大多采用多边形建模的方法，多边形建模的精髓是用最少的面做出最多的细节，并且添加光滑修改器之后能够表现出最好的效果(图1)。

1.4 井喷失控灭火仿真平台功能

1.4.1 灭火抢险处理流程

系统对井喷失控现场着火主要采用3DS Max及Virtools进行了逼真模拟，对抢险灭火流程进行了重点模拟，用户通过RPG角色扮演熟悉各抢险流程，从而实现在虚拟现实环境下灭火抢险作业虚拟训练，为实际灭火作业提供参考。将三维模型或场景与自身的一些功能模块相结合，为其添加上逻辑行为，物理属性等功能并结合一些功能模块相结合，为其添加上逻辑行为，物理属性等功能并结合视频、音频等多媒体元素，最终创作出具有生命力的真实虚拟交互环境[5]。灭火抢险交互系统流程如图2所示。

1.4.2 检测环境温度与有毒气体

    该流程是灭火抢险作业工艺流程的检测环境温度及有毒气体的过程[5～7]，通过仿真平台模拟了温度检测及可燃气体监测的操作流程、同时展示了空气呼吸器、抗高温防火服及各种防爆工具的使用(图3)。

1.4.3 多功能机械手

    通过仿真平台模拟展示了灭火抢险作业的核心设备——多功能机械手隅7。，充分展现了罩引火筒、挖掘清障、剪切清障、破碎井场水泥基础，运送远距离水力喷砂切割头、吊装单件井口装置等功能(图4)。

1.4.4 带火清障

    通过仿真平台模拟井喷失控后带火作业的带火清障及井口清障过程[5～7]，模拟抢险队员进行切割、拖拉作业，直到彻底清除井架底座，采用引火筒将散状火焰集中引导垂直向上，完成灭火前井口周围的彻底清障，使井口完全暴露，如图5所示。

1.4.5 水力喷砂带火切割及抢装新井口

    仿真模拟拆除旧井口的操作流程[5～7]，首先运用多功能机械手完成送远距离水力喷砂切割头完成废井口切除，然后模拟破切螺母和撬法兰盘操作，完成拆除旧井口，然后带火抢装新井口，模拟整体(分体)吊装、磨装、扣装过程。

2 井喷失控灭火仿真平台的应用

    2009年10月28日，中国石油天然气集团公司在四川省广汉市举行了井喷事件专项应急预案演练，使用油气井井喷失控灭火仿真平台模拟展现了井喷的发生、失控后的抢险灭火处理流程，体现了中国石油井喷事件专项应急预案的科学性，反映了其应对井控突发事件的处最能力。集中展现了我国自主研发的一系列油气井抢险救援先进装备和技术，实现了井喷现场与各级指挥、决策机构间的信息实时传输和高度互动，具有相当高的技术含量和智能化程度。也充分证明了该仿真平台的可行性和实用性。

3 结论

    1) 油气井井喷失控灭火现场仿真系统构建了油气井井喷失控灭火现场的三维模拟操作平台，使用Virtools实现了虚拟现实技术在实际中的应用，并结合3DS Max完成了高质量的系统平台的设计和实现。

    2) 由于灭火抢险作业流程的复杂与困难，抢险队员的专业知识与技能要求越来越高。开展油气井灭火抢险作业训练往往需要大规模的资金设备投入，并且可能会造成一定的环境污染，灭火抢险作业训练和培训受到很大的制约，只能完成局部小规模的培训。而利用虚拟现实技术进行灭火抢险作业仿真系统无需出动车辆和耗费大量的原材料，各种损耗少，而且危险性和风险小，大大节约了人力、财力、物力，同时避免真实抢险作业训练中的人员伤亡与环境污染等问题，符合安全、环保的发展要求。

    3) 以灭火抢险仿真系统为基础，增强其灭火抢险的交互操作功能，完善灭火抢险流程，加入抢险工具模型库和参数库，增加根据现场处置情况选择不同的抢险方案，即可对员工进行全面的操作培训和技能考核。

参考文献

[1] 陈虎.虚拟现实技术及其在石油行业中的应用[J].电脑开发与应用，2002，18(7)：39-42.

[2] 苏堪华.多媒体技术在石油钻井工程中的应用及前景分析[J].石油钻探技术，2005，33(6)：72-75.

[3] 朱海龙，李智宏，赵群.利用地震物理模拟技术研究井间地震观测系统[J].天然气工业，2010，30(4)：46-49.

[4] 刘伟，李丽，潘登雷，等.川西陆相深井钻井完井技术[J].天然气工业，2008，28(8)：76-78.

[5] 马宗金，杨令瑞.油气井井喷着火灭火方法和作业程序[J].钻采工艺，2002，25(4)：1-3.

[6] 王瑞娥，张秋菊，宋怀玉.天然气井井喷着火的三次井控作业程序[J].西部探矿工程，2004，16(2)：42-43.

[7] 谢华，刘金环，谢青，等.井口套管头损坏井喷抢险配套技术[J].石油钻采工艺，2010，32(5)：107-109.

(本文作者：胥林1 杨令瑞2 张琴2 曾绍清2 王永友1 1.西南石油大学；2.中国石油川庆钻探工程公司钻采工程技术研究院)