张帅

摘要：运动仿真是物体运动过程的虚拟实现方法，将其应用于水平井钻井中可以清楚地模拟钻柱包括钻头的空间运动状态。首先使用Creo三维建模软件建立了钻井平台主要部件和井下钻具，再导入3Dmax软件进行了水平井钻进过程仿真，并详细介绍了运动仿真的实现方法。该仿真动画直观地展示了虚拟的水平井钻井平台与钻进过程，特别展示了钻柱的空间受力状态，为钻井专业的学生及钻井工程研究人员对钻柱工作行提供了更为直观的认识，仿真的实现方法也会其他钻井仿真提供了一定的参考。

关键词：水平井;运动仿真;3Dmax;Creo

中图分类号：TE2              文献标识码：A

文章编号：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 軟件具有强大的三维建模能力，其基于特征的实体模型化系统，使用户可根据特征生成或修改模型，对三维实体造型的建模与设计带来巨大的便利[1-2]。但Creo软件的运动仿真分析能力较弱，很难实现对柔性体的运动仿真，而且由于其材质渲染功能较弱，输出仿真动画的质量也会大打折扣。

3Dmax是一款大型的三维动画制作软件，具有建模，灯光，材质渲染，动画等功能，被广泛应用于影视特效，室内展示，机械动画制作等领域[3-5]。在水平井钻井过程中，由于钻杆的连接长度不断增长，其性质逐渐趋于改变为柔性杆，Creo软件无法实现其运动状态的模拟。而3Dmax基于其强大的动画制作能力，可实现柔性钻杆的井底钻进过程动画仿真，但其三维建模的能力相比Creo较弱。尤其是钻头的造型比较复杂，在3Dmax软件中进行建模十分困难[6]。因此，结合Creo建模与3Dmax动画制作的优点，可以还原较为真实的水平井钻进过程。

1 水平井介绍

在我国石油行业的定义中，水平井指的是井斜角达到或接近90°，井身沿着水平方向钻进一定长度的井。有时候根据油层及附近地质特点，井斜角可以超过90°。水平井钻井技术的优点是井眼穿过油层的长度长，增大的油气层的泄油面积，从而大大增加了油井的单井产量。其次，在具有天然裂缝的岩层中，水平井钻井技术可以将天然裂缝相互连接起来，由于天然裂缝的渗透率要远大于岩石基质的渗透率，降低了油气流入井筒的压力损耗，形成阻力很小的输油线路，从而可以使直井无法开采的油藏具有工业开采价值。因此为大众能更直观地认识水平井钻井，进行水平井钻井过程仿真是十分有意义也是有必要的。

2 水平井平台建模与渲染

2.1 三维实体建模

水平井平台的几何建模在Creo中完成。主要建模部件包括井架、大钩、电机、绞车、钻杆钻柱、钻头等，并进行装配形成钻井平台。其中典型的几何实体建模为三牙轮钻头的建模。如图1所示为三牙轮钻头的三维模型。

2.2 模型渲染

将装配模型保存成STP格式导入3Dmax中进行材质渲染。其中地面和地层模型采用贴图方法，使其更加接近现实，其余均采用材质定义完成。材质定义主要通过调节反射、漫反射和折射等参数完成，如图2所示为渲染面板。以钻柱为例：钻柱材质为金属，漫反射的颜色设置为RGB（180，180，180），反射的颜色设置为RGB（180，180，180），高光光泽度设置为0.9，反射光泽度设置为0.9。

最后添加光照效果，使整个模型材质更加逼真。最终完成的渲染图如图3所示：

为了对三维模型进行说明，进一步的绘制二维示意图，如图4所示：

1、天车;2、钢丝绳;3、绞车;4、钻柱;5、井壁;6、钻头;7、井下钻具组合;8、操作台;9、电机;10、井架;11、水龙头;12、大钩。

3 仿真实现方法

水平井钻井过程仿真通过3Dmax软件实现，主要由平台游历，钻柱下放，钻头破岩，井眼造斜四大部分组成，各部分的实现方式有所不同。其中，平台游历和钻柱下放的动画主要运用了常规的平移和旋转命令即可实现，水平井动画制作的难点在于井眼轨迹及造斜、三维空间力和钻头破岩动画的实现。

3.1 井眼轨迹及造斜、三维空间力

首先绘制钻头钻进的轨迹曲线，使用路径变形命令即可使钻柱沿着曲线行进与旋转，实现井眼的造斜效果。路径变径参数面板如图5所示：

通过微调钻柱的路径曲线可以形成钻柱接触井壁的效果，同时钻柱在碰触井壁时会产生空间上大小不同的接触力。使用箭头模型并赋予红色灯光材料模拟钻柱的受力情况，通过放缩命令改变箭头的大小表现接触力的变化。动画效果如图6所示：

3.2 钻头破岩

破岩过程效果主要体现在钻头钻进时岩屑的产生。岩屑的形成使用了3Dmax中的粒子系统，选择粒子类型为PF source。创建一个平面用于产生粒子，并使平面的运动继承钻头的运动轨迹，在粒子视图中自定义粒子的形状，材质和颜色，如图7所示为本次动画制作的粒子视图。

打开粒子视图中的Speed 001类型选项，可以设置粒子的运动速度及方向。如图8所示为粒子速度面板，设置粒子运动速度为300，方向选择前向继承。最终的钻头破岩和岩屑产生效果如图9所示：

4 结束语

结合使用了Creo与3Dmax软件，实现了水平井钻井过程的运动仿真。该仿真过程较为直观地展示了水平井钻井过程中钻头和钻柱的运动状态，并模拟了钻进过程中的岩屑，钻柱与井壁的接触及接触力的变化，较为真实地还原了井底状态，为钻井专业的学生及钻井工程研究人员对钻柱工作行为提供了更直观的认识，同时该仿真的实现方法對其他钻井运动仿真提供了一定的借鉴。

参考文献：

[1] 陈跃东， 陈向东， 张林， 等. CREO关系和参数在自卸车设计中的应用[J]. 专用汽车， 2018（8）： 72-75.

[2] 王安阳， 马松宴. 基于Creo的端面螺旋齿轮建模设计[J]. 小型内燃机与车辆技术， 2018， 47（3）： 38-40.

[3] 李鹏. 3Dmax+Vary室内漫游动画制作的技法浅析[J]. 硅谷， 2012（2）： 191.

[4] 吴辰. 3Dmax软件在影视动画制作中的应用[J]. 计算机产品与流通， 2019（3）： 13.

[5] 阎庆华， 林大钧. Solidworks结合AutoCAD与3Dmax实现机械产品设计[J]. 工程图学学报， 2004（3）： 150-154.

[6] 王莹莹， 郭文峰， 李锦阳. AutoCAD、3Dmax、OpenGL在计算机辅助机械设计中的作用与比较[J]. 机械科学与技术， 2002（S1）： 112-114.

【通联编辑：谢媛媛】