钻井公司远程控制台模型及动画毕业设计

东北石油大学本科生毕业设计（论文）I钻井公司远程控制台模型及动画设计摘 要随着油气勘探开发领域的不断延伸扩大，从路上到滩土浅海，从浅层到深层，钻井难度越来越大，对井控技术的钻井人员素质的要求越来越高。目前，已经有越来越多的人认识到，在科学钻井技术得到广泛应用和钻井总体技术水平日益提高的今天，为了逼真模拟钻井远程控制台过程，显示相对应的井控画面，以便为受训者创造一个较为逼真的钻井环境，达到模拟训练的目的。为了实现这一目的，需研究钻井过程中远程控制台三维场景的画面以及动态变化。本文以三维技术在钻井远程控制台应用为例，介绍了三维技术基本设计和实现方法，以及三维模型构建和三维场景的生成对钻井远程控制台过程动画中的油压在油箱、滤油器和蓄能器中的流动制作和蓄能器中的液压油进入不同的减压阀过程等合成等内容。若要创造逼真的虚拟环境，首先要创建逼真的虚拟场景，而虚拟场景的构建要通过三维建模技术来完成，三维模型的构建是钻井远程控制台虚拟仿真能够实现的基础，也是虚拟动画生成技术的一项重要研究内容。设计中三维模型的创建主要是通过 3ds Max 来实现，本文详细地介绍了 3ds Max 建模的主要技术和方法，以及建模过程中经常出现的问题及解决方法，并且将该技术成功应用于钻钻井远程控制台虚拟动画中。关键词：虚拟动画；三维模型；钻井远程控制台东北石油大学本科生毕业设计（论文）IIAbstractWith the extension expansion, oil and gas exploration and development in the field of soil from the road to the beach shallow sea, from shallow to deep, drilling difficulty increasing, the drilling of well control technology personnel quality request is higher and higher.At present, there have been more and more people realize that is widely applied in scientific drilling technology and drilling today, the overall technical level is increasing day by day, in order to realistically simulate the drilling process of remote console, according to the corresponding well control screen, so as to generate a more realistic trainees drilling environment, achieve the goal of simulation training.In order to achieve this goal, it is necessary to research the drilling process of remote console and dynamic changes of 3 d scene.Based on 3 d technology in drilling remote console application as an example, this paper introduces the basic design of 3 d technology and implementation method, and the three dimensional model is built and the three dimensional scene generation of animation in the process of drilling remote console oil flow in the oil tank, oil filter and the accumulator and accumulator in the hydraulic oil in the process of different pressure reducing valve such as synthesis, etc.To create realistic virtual environment, the first thing to create lifelike virtual scene, and the construction of virtual scene should be done through 3 d modeling technology, the construction of a 3 d model is the basis of drilling virtual simulation can realize remote console, virtual animation generation technique is an important content in the research.In the design of 3 d model created mainly by 3 ds Max, this paper introduces in detail the 3 ds Max modeling technology and method, the main often appeared in the process of the modeling and problems and solutions, and the technology has been successfully applied to drill in drilling remote console virtual animation.Key words: virtual animation;3 d model;Drilling remote console东北石油大学本科生毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IAbstract .I第 1 章 绪论 .11.1 钻井远程控制台简介 .11.2 将三维技术应用于钻井远程控制台的背景 .2第 2 章 三维技术概述 .42.1 三维技术 .42.2 建模工具 3ds Max 简介 .62.3 辅助工具 Photoshop CS .8第 3 章 钻井远程控制台虚拟模型的设计 .102.3 钻井远程控制台虚拟模型需求分析 .102.2 构建钻井远程控制台虚拟模型的主要任务 .103.2 钻井远程控制台三维虚拟模型的设计 .11第 4 章 钻井远程控制台虚拟场景的场景实现 .134.1 三维场景的构建 .134.2 整体材质调节 .19第 5 章 系统的测试和使用 .31结 论 .32参考文献 .33致 谢 .34东北石油大学本科生毕业设计（论文）1第 1章 绪论1.1钻井远程控制台简介远程控制台是地面防喷器的控制装置,是控制液压防喷器、液动压井阀开、关动作的专用设备,是石油、天然气钻井(或修井)过程中防止井喷失控必不可少的装备。控制装置的动力来自于安装在该装备上的蓄能器。蓄能器作为具有储存能量、稳定压力、减少液压泵功率、补偿漏损、吸收冲击功和脉动压力等多种作用的压力容器,对整个装备的运行起着重要的作用。由于发生紧急情况时，需要多个液压防喷器和液动压井阀同时动作,并在尽可能短的时间内就位，所以在每一台控制室里至少配备 10 台以上的蓄能器，它们最主要的功用是作紧急动力源。可以看出，每个蓄能器的安全性和正常功能的发挥是关系到井控是否顺利进行的重要因素。在过去很多年中，作为高压容器,囊式蓄能器并未被列入压力容器的管理范畴，其生产和在用蓄能器的管理都没有按照压力容器进行，存在着很大的安全隐患。钻 井 远 程 控 制 台 也 称 为 井 控 的 蓄 能 装 置 1。1.1.1 钻井远程控制台功能与特点远程控制台由泵组产生高压控制液，并储存在储能器组中，当需要开、关防喷器组或液动阀时，板动相应的三位四手柄，来自储能器的高压控制液体通过管汇的三位四通转阀被分配到各个控制对象中，实现控制相应的对象。远程控制台配有电动泵和气动泵两套独立的动力源，在断电或不允许使用电的情况下，也可保证系统的正常工作；储能器有足够的高压液本储备量，用以实现防喷器及液动阀的正常开关；电动油泵带自动启动、停止的控制装置，保证整个系统的安全；每个防喷器的开关动作均由相应的三位四通转阀控制 3。1.1.2 钻井远程控制台设备钻井远程控制台由泵组产生高压控制液，并储存在储能器组中，当需要开、关防喷器组或液动阀时，板动相应的三位四手柄，来自储能器的高压控制液体通过管汇的三位四通转阀被分配到各个控制对象中，实现控制相应的对象。具体的主要有以下几个部分组成：东北石油大学本科生毕业设计（论文）21.控制装置包括 蓄能器装置 球形阀。2.启动装置 包括电泵 气泵。3.减压控制装置 包括气手动减压阀手动减压阀。4.控防喷器 组环形防喷器、闸板防喷器、四通等。5.节流与压井管汇设备 包括压井管汇。6.调节控制装置 包括位旁通阀 二位旁通阀。7.油箱仪表及电控箱。1.2将三维技术应用于钻井远程控制台的背景石 油 钻 井 过 程 中 可 能 会 遇 到 各 种 各 样 的 问 题 ， 特 别 是 井 涌 ， 如 控 制 不 及 时或 不 当 ， 则 有 可 能 发 展 成 井 喷 ， 造 成 严 重 的 钻 井 事 故 。 为 了 使 钻 井 操 作 人 员 熟练 掌 握 井 内 发 生 异 常 情 况 后 的 处 理 过 程 ， 尽 量 避 免 钻 井 时 井 侵 、 井 喷 现 象 的 发生 ， 就 需 要 钻 井 人 员 对 钻 井 远 程 控 制 台 设 备 必 须 具 有 一 定 的 基 础 知 识 和 正 确 而熟 练 的 操 作 技 能 ， 使 远 程 控 制 台 发 挥 应 有 的 效 能 ， 确 保 钻 井 工 程 的 安 全 、 优 质与 高 速 度 ， 保 护 石 油 与 天 然 气 资 源 。 而 要 使 钻 井 工 程 技 术 人 员 熟 练 地 掌 握 各 种井 控 设 备 的 操 作 ， 必 须 通 过 模 拟 装 置 进 行 培 训 ， 而 不 可 能 在 实 际 钻 井 平 台 上 进行 训 练 。 只 有 在 模 拟 装 置 上 获 取 使 用 远 程 控 制 台 技 能 后 才 允 许 到 现 场 进 行 操 作 ，这 样 才 能 使 井 侵 、 井 喷 现 象 的 发 生 率 降 到 最 低 ， 才 能 确 保 生 命 安 全 和 设 备 不 受损 失 4。1.1.3三维技术对大庆钻井的意义 大庆油田目前的工程设计仍是以二维工程设计为主导的传统设计方法，三维设计虽有所应用，但覆盖面不大。几十年来形成的传统设计习惯和思维管理模式一直是三维设计推广应用的主要障碍。标准化三维设计开展后，上至油田公司地面建设的主管领导，下至设 计 单位各科室负责人都对三维设计十分重视，结合油田三维设计现状展开有针对性的工作，从各个方面向三维设计倾斜，采取有力措施保障三维设计工作的有序开展。多年的三维设计实践证明，三维工程设计在传统的二维设计思维和管理模式下不能完全发挥出优势，甚至成为制约三维设计发展的绊脚石。因此在工作中需针对三维设计的自身特点要求，制定与之相适应的技术和管理规定，清除三维设计发展的障碍。通过三维技术在油田钻技中的应用，结合相应的软、硬件配置，进而对钻井工具建模布局进行了构建与设计。三维景观系统的建立为各行各业的三维技术的应用提供平台支持，它能够全方位、直观地给人们提供有关油田固井工具的各种东北石油大学本科生毕业设计（论文）3具有真实感的场景信息。通过对三维技术在油田固井工具中的应用的研究，为油田中的固井规划、建设与运营管理、安全管理、决策支持等提供直观的三维信息化服务，大大提高了油田钻技中的共享和利用水平 5。东北石油大学本科生毕业设计（论文）4第 2章 三维技术概述2.1 三维技术所 谓 三 维 技 术 就 是 利 用 计 算 机 进 行 动 画 的 设 计 与 创 作 ， 产 生 真 实 的 立 体 场景 与 动 画 。 而 动 画 的 基 本 原 理 是 利 用 人 的 视 觉 暂 留 ， 当 许 多 动 作 连 续 的 单 张 图象 以 至 少 每 秒 12 张 的 速 度 播 放 ， 我 们 就 认 为 这 些 图 象 是 连 续 的 ， 活 动 的 。 随着 计 算 机 的 速 度 越 来 越 快 、 图 形 处 理 、 数 据 存 储 和 网 络 功 能 的 越 来 越 强 ， 电 脑三 维 动 画 制 作 也 从 实 验 室 走 向 应 用 。一 般 说 来 ， 传 统 的 手 工 动 画 制 作 要 完 成 一 分 钟 的 动 画 制 作 ， 就 得 手 工 绘 制720 张 以 上 的 图 片 1； 尽 管 其 中 也 有 制 作 技 巧 可 以 节 省 部 分 工 作 量 ， 但 是 制 作过 程 还 是 相 当 繁 琐 的 ， 一 般 人 根 本 无 法 参 与 这 样 的 动 画 制 作 活 动 。 与 传 统 的 二维 手 工 制 作 的 动 画 相 比 ， 电 脑 第 一 次 真 正 地 使 三 维 动 画 成 为 可 能 ， 极 大 地 提 高了 工 作 效 率 ， 增 强 了 动 画 制 作 效 果 。 利 用 电 脑 进 行 三 维 动 画 的 创 作 不 仅 使 动 画制 作 摆 脱 了 传 统 的 手 工 劳 动 的 繁 琐 ， 把 人 真 正 地 解 放 出 来 ， 也 使 动 画 制 作 跨 入一 个 全 新 的 时 代 同 时 使 每 个 人 都 有 了 充 分 展 示 自 己 的 才 华 、 进 行 创 造 性 劳 动 的机 会 ， 因 此 三 维 技 术 受 到 了 广 泛 的 欢 迎 6。2.1.1三维技术的具体内容三 维 技 术 ， 是 三 维 计 算 机 动 画 技 术 的 简 称 ， 实 际 上 是 一 种 通 过 计 算 机 模拟 三 维 空 间 中 的 场 景 及 形 体 随 时 间 变 化 的 技 术 。 三 维 计 算 机 动 画 又 称 模 型 动 画 ，它 利 用 计 算 机 构 造 三 维 形 体 的 模 型 ， 并 通 过 对 模 型 、 虚 拟 摄 像 机 、 虚 拟 光 源 运动 的 控 制 ， 由 计 算 机 自 动 产 生 一 系 列 具 有 真 实 感 的 连 续 动 态 图 像 2。 三 维 计算 机 动 画 的 设 计 过 程 是 ： 设 计 模 型 的 运 动 和 变 形 ； 设 计 灯 管 的 颜 色 、 强 度 、 位置 及 运 动 ； 设 计 虚 拟 摄 像 机 的 拍 摄 ， 最 终 生 成 可 播 出 的 连 续 图 像 。 三 维 技 术 可以 产 生 真 实 世 界 不 存 在 的 特 殊 效 果 。 由 于 三 维 技 术 的 这 些 特 点 ， 广 泛 应 用 于 电影 特 技 、 课 件 中 ， 它 常 用 于 表 达 机 械 零 件 的 构 造 、 人 体 各 系 统 器 官 的 解 剖 和 组织 结 构 、 化 学 分 子 结 构 等 基 础 理 论 和 各 种 特 殊 视 觉 效 果 等 教 学 内 容 。东北石油大学本科生毕业设计（论文）52.1.2 三维技术的基本特征三 维 技 术 将 是 继 多 媒 体 、 计 算 机 网 络 之 后 ， 最 具 有 应 用 前 景 的 一 种 技 术 。它 可 应 用 于 建 模 与 仿 真 、 科 学 计 算 可 视 化 、 设 计 与 规 划 、 教 育 与 训 练 、 医 学 、艺 术 与 娱 乐 等 方 面 。 三 维 技 术 是 一 项 综 合 的 技 术 ， 涉 及 计 算 机 科 学 、 电 子 学 、心 理 学 、 计 算 机 图 形 学 、 人 机 接 口 技 术 、 传 感 技 术 及 人 工 智 能 技 术 等 3。 这种 技 术 的 特 点 在 于 ， 运 用 计 算 机 对 现 实 世 界 进 行 仿 真 ， 创 建 与 现 实 社 会 类 似 的环 境 ， 使 用 户 在 该 环 境 完 成 与 现 实 环 境 一 样 的 体 验 ， 从 而 降 低 在 现 实 环 境 中 不可 避 免 的 高 成 本 、 高 危 险 等 诸 多 问 题 7。2.1.3三维技术的发展随 着 计 算 机 、 信 息 、 网 络 等 相 关 技 术 的 发 展 ， 计 算 机 作 为 一 种 高 效 能 的信 息 传 播 工 具 ， 在 教 育 教 学 过 程 中 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 ， 如 果 将 三 维 技 术作 为 一 种 新 兴 的 教 学 媒 体 应 用 到 教 育 教 学 中 ， 这 种 崭 新 的 技 术 会 带 来 崭 新 的教 育 思 维 ， 解 决 以 前 无 法 解 决 的 问 题 。利 用 三 维 技 术 ， 可 以 彻 底 打 破 空 间 的 限 制 ， 学 生 可 以 进 入 物 体 的 内 部 进 行观 察 ， 如 学 生 可 以 进 入 虚 拟 的 分 子 、 原 子 、 航 天 工 作 站 等 内 部 ， 考 察 物 体 内 部的 工 作 情 况 。 三 维 技 术 还 可 以 突 破 时 间 的 限 制 ， 一 些 需 要 几 十 年 甚 至 上 百 年 才能 观 察 的 变 化 过 程 ， 通 过 三 维 虚 拟 现 实 技 术 ， 可 以 在 很 短 的 时 间 内 呈 现 给 学生 观 察 。 三 维 虚 拟 制 造 技 术 还 可 以 应 用 计 算 机 、 交 互 外 设 及 软 件 来 构 建 一 个 虚拟 的 三 维 生 产 环 境 ， 使 学 生 能 如 同 在 制 造 现 场 一 样 ， 与 荧 屏 上 出 现 的 制 造 过 程进 行 自 由 交 流 。 基 于 网 络 的 虚 拟 现 实 技 术 为 学 习 者 提 供 了 全 新 的 学 习 场 景 ， 构造 出 开 放 性 的 教 学 环 境 4。通 过 虚 拟 现 实 、 多 媒 体 、 网 络 等 技 术 的 综 合 应 用 ， 可 在 课 堂 和 实 验 室 中 展现 在 传 统 的 教 学 模 式 中 无 法 实 现 的 教 学 过 程 。 三 维 技 术 可 以 对 学 生 学 习 过 程中 所 提 出 的 各 种 假 设 模 型 进 行 虚 拟 和 虚 物 实 化 ， 通 过 三 维 虚 拟 系 统 便 可 直 观地 观 察 到 这 一 假 设 所 产 生 的 结 果 或 效 果 。 三 维 虚 拟 系 统 可 以 进 行 实 物 虚 化 ，虚 拟 各 种 人 物 ， 创 建 虚 拟 课 堂 ， 在 虚 拟 的 课 堂 气 氛 中 ， 学 生 可 以 与 虚 拟 的 教 师 、学 生 一 起 交 流 讨 论 ， 开 展 启 发 式 教 学 。 运 用 三 维 技 术 ， 还 可 以 使 学 生 通 过 在虚 拟 场 景 的 身 临 其 境 和 自 主 控 制 的 人 机 交 互 ， 由 视 、 听 、 触 、 觉 获 取 外 界 的 反应 ， 通 过 学 生 自 我 组 织 ， 制 定 并 执 行 学 习 计 划 ， 进 行 自 我 评 价 ， 开 展 适 应 式 学习 。 还 可 通 过 小 组 或 团 队 的 形 式 ， 组 织 学 生 进 行 学 习 ， 成 员 间 共 享 成 果 ， 开 展协 作 式 教 学 8。运 用 三 维 技 术 ， 突 破 传 统 教 科 书 的 限 制 ， 使 每 一 位 学 习 者 都 可 以 根 据 自 己东北石油大学本科生毕业设计（论文）6的 学 习 特 点 ， 在 自 己 利 用 三 维 技 术 ， 可 丰 富 教 学 内 容 ， 将 实 验 、 实 训 等 技 能训 练 搬 到 课 堂 中 进 行 ， 由 于 这 些 虚 拟 的 训 练 系 统 无 任 何 危 险 ， 学 生 可 以 反 复 练习 ， 直 至 掌 握 操 作 技 能 为 止 。 应 用 三 维 技 术 ， 还 可 恰 如 其 分 地 演 示 一 些 复 杂的 、 抽 象 的 、 不 宜 直 接 观 察 的 自 然 过 程 和 现 象 ， 全 方 位 、 多 角 度 地 展 示 教 学 内容 。 利 用 计 算 机 多 媒 体 技 术 ， 制 作 各 种 仿 真 课 件 ， 创 设 所 需 要 的 某 种 虚 拟 情 景 ，让 学 生 进 行 模 拟 实 验 ， 从 而 极 大 丰 富 课 堂 的 教 学 内 容 。 三 维 技 术 节 约 了 有 限的 教 育 成 本 开 展 虚 拟 实 验 、 进 行 虚 拟 生 产 。虚 拟 各 种 实 验 设 备 、 实 训 环 境 和 操 作 过 程 ， 使 大 多 数 课 程 可 以 在 虚 拟 实 验室 中 进 行 ， 大 多 数 的 技 能 可 以 在 虚 拟 实 训 车 间 中 进 行 训 练 ， 从 而 不 必 购 置 昂 贵的 实 验 实 训 设 方 便 的 时 间 从 互 联 网 上 自 由 地 选 择 适 合 的 学 习 资 源 ， 按 照 适 合 于自 己 的 方 式 和 速 度 进 行 学 习 ， 这 种 探 索 性 的 学 习 ， 有 利 于 激 发 学 生 的 创 造 性 思维 ， 使 学 习 者 在 具 体 情 境 中 通 过 主 动 的 探 索 获 得 知 识 ， 从 而 提 高 学 习 者 的 动 力 。可 以 在 节 约 大 量 昂 贵 的 仪 器 设 备 费 用 的 前 提 下 ， 解 决 在 教 学 中 ， 因 为 实 验设 备 、 实 验 场 地 、 教 学 经 费 等 方 面 的 原 因 而 无 法 进 行 的 教 学 实 验 ， 虚 拟 训 练 又可 避 免 实 验 实 训 设 备 的 损 坏 、 训 练 材 料 的 消 耗 等 问 题 ， 从 而 有 效 节 约 教 育 成 本9。随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 三 维 技 术 正 掀 开 其 神 秘 的 面 纱 ， 逐 渐 走 进 教 学 。但 在 目 前 ， 完 全 沉 浸 三 维 虚 拟 现 实 系 统 的 硬 件 设 施 仍 然 是 价 格 昂 贵 ， 这 也 制约 了 三 维 虚 拟 现 实 在 教 学 中 的 普 及 。 但 桌 面 三 维 虚 拟 系 统 的 应 用 也 为 教 学 媒体 的 应 用 开 辟 了 一 条 新 的 道路。 随 着 三 维 虚 拟 系 统 的 价 格 不 断 下 降 ， 软 件 的适 用 不 断 增 强 ， 这 种 新 的 教 学 媒 体 必 将 广 泛 应 用 于 教 学 。 而 且 ， 它 使 个 别 化 教学 真 正 成 为 可 能 ， 当 三 维 虚 拟 显 示 在 教 学 中 普 及 时 ， 教 学 方 式 一 定 会 随 之 发生 巨 大 的 变 化 。2.2 建模工具3ds Max 简介3D Studio Max，常简称为 3ds Max 或 MAX，是 Autodesk 公司开发的基于PC 系统的 三维动画渲染和制作软件。其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio系列软件。在 Windows NT 出现以前，工业级的 CG 制作被 SGI 图形工作站所垄断。3D Studio Max + Windows NT 组合的出现一下子降低了 CG 制作的门槛，首先开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始