闸板防喷器三维技术开发大学论文.docx

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闸板防喷器三维技术开发大学论文

摘要

随着新时代高新技术的发展，三维技术的逐步成熟，三维技术的应用越加广泛。

在油田的建设中，信息化油田已经成为大势所趋，本文结合油田油井的井喷现象，针对三维技术在闸板防喷器的应用进行可行性研究，运用三维技术，将闸板防喷器的仿真效果逼真的展示出来。

三维技术的应用主要是运用三维技术建模，渲染，成图等技术对闸板防喷器数据进行展示。

通过详细的问题定义与需求分析对闸板防喷器的仿真进行了合理的设计，运用3dmax开发软件进行三维建模、渲染、成图等。

运用photoshop软件对模型材质进行优化以达到更加逼真的效果，运用AE和Realflow软件对模型进行最后的合成以及粒子效果演示。

RealFlow流体模拟软件打破了三维动画软件中的粒子系统功能的局限性，真实模拟出设备内部流体的运动和变化，直观表现闸板防喷器开井与关井时防止井喷等较真实的特效。

通过本系统的应用，可以直观模拟作业过程，使岗位员工能够对闸板防喷器的内部结构有充分的认识，不仅降低了传统教学可能产生操作事故的危险，也降低了培训费用，得到良好的教学效果。

关键词：

闸板防喷器；三维建模；渲染；粒子系统

Abstract

Withthedevelopmentofnewhigh-techinthenewera,three-dimensiontechnologieshavebeenmaturedgraduallyandtheapplicationsinthree-dimensiontechnologyisincreasinglywide.Inoilfieldconstruction,theinformationbasedonoilfieldhasbecomethegeneraltrend.Thearticlecombinedtheblowoutphenomenonwithoilwellsandoilfield,aimingatthefeasibilitystudyfortheapplicationof3Dtechnologyinramblowoutpreventer,anduse3Dtechnologytoshowthevividsimulatingresultoframblowoutpreventer.

Mainly,theapplicationofthree-dimensiontechnologyismodelingbyusingthree-dimensiontechnology,rendering,mappingaswellasotheroperationstodisplaythedatesoframblowpreventer.Throughthedetailedissuedefinitionandanalysiswithrequirementsmakereasonabledesignforthesimulatingoframblowpreventer,using3DMAXsoftwaretoprocessathree-dimensionalmodeling,makingrenderingandmappingandsoforth.WeusePhotoshopsoftwaretooptimizesthematerialsofmodelinginordertoachievemorerealisticresults,makingthefinalconjunctionofmodelinganddisplayingtheresultofparticlebythesoftwareofAEandRealflow.TheRealFlowfluidsimulationsoftwarebreaktheparticlesystemfunctionalitylimitationsof3Danimationsoftware,simulatesthemovementandchangesofthefluidactuallyinsidethedeviceandperformsdirectlytherealisticspecialefficiencyofoilblowoutpreventerwhenramblowoutpreventeropenedwellsandclosedwells.

Byapplicationofthissystem,wecansimulateoperationprocedureintuitively,andthetraineescangetasufficientrecognitionstotheinsidestructureoframblowoutpreventer.Itnotonlyreducesthedangerwhichmayoccuroperationaccidentsinthetradionalteaching,butalsothetrainingfees,andwegetfavourabletrainingeffects.

Keywords:

ramblowoutpreventer;3Dmodeling;rendering;Realflow

目录

第1章概述1

1.1选题背景及意义1

1.2闸板防喷器2

1.3我国闸板防喷器的发展方向6

第2章系统分析7

2.1闸板防喷器三维技术开发的背景和意义7

2.2闸板防喷器虚功能实现与仿真系统需求分析8

第3章闸板防喷器功能的仿真9

3.1开发工具简介9

3.2闸板防喷器的设计13

第4章闸板防喷器功能的实现15

4.1三维场景的构建15

4.2闸板防喷器Realflow制作粒子23

结论30

参考文献31

致谢32

第1章概述

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得视觉暂留，当许多动作连续的单张图象以至少每秒12张得速度播放，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。

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，因此三维技术收到了广泛的欢迎[1]。

1.1选题背景及意义

随着我国信息化水平的提高，以三维技术为代表的信息技术已渗透到油田的信息化建设中去了。

三维技术在油田技术中的应用，是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，运用三维技术实现防喷器的信息，达到清晰直观的现场演示的情况。

是油田信息化建设的一个重要组成部分。

主要运用，建模，渲染，成图，切图等技术，对闸板防喷器进行直观的演示，使油田技术能够更清晰、直观、逼真的显示给油田工人。

三维技术在油田技术闸板防喷器的应用是油田信息化建设的一个重要方面，目前，世界上许多著名的大油田都实现了油田信息化的建设。

随着油田开采难度的增大，钻井开发过程中的各种作业工艺越来越复杂，安全生产问题日益突出，急需开发钻井仿真系统对钻井工程技术人员和现场工作人员进行安全操作技术培训。

钻井仿真系统包括硬件仿真控制台、模型计算和三维场景显示三个子系统，其中三维场景显示子系统能否逼真地再现钻井现场的实际场景，对整个培训的效果影响非常大。

目前国内很多其他油田城市也实现了油田技术的数字化。

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。

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。

1.2闸板防喷器

1.2.1闸板防喷器的概述

闸板防喷器是井口防喷器组的重要组成部分。

利用液压推动闸板即可封闭或者打开井口。

闸板防喷器的种类很多，但根据所能配置的闸板数量可分为单闸板防喷器、双闸板防喷器、三闸板防喷器；按闸板开关方式可分为液压闸板防喷器和手动闸板防喷器；按锁紧方式可分为手动锁紧闸板防喷器和页岩锁紧闸板防喷器；按侧门开关方式不同可分为旋转式侧门闸板防喷器和直线运动式侧门闸板防喷器。

目前，钻进作业所用的闸板防喷器，从结构形式上有RSC型（铸造结构）和RSF型（锻造结构）两大类[2]。

国内常用的主要有但闸板防喷器与双闸板防喷器，其中双闸板防喷器应用更为普遍。

1.2.2闸板防喷器的功能

1.井内有钻具时，可用与钻具尺寸相应的半封闸板封闭井口环形空间。

2.当井内无钻具时，全封闸板能全封闭井口。

3.需将井内钻具剪断并全封井口时，可用剪切闸板剪切井内钻具全封井口。

4.某些闸板防喷器的闸板允许称重，可用以悬挂钻具。

5.闸板防喷器的壳体上有侧孔，可使用侧孔节流泄压。

6.闸板防喷器可用来长期封井。

闸板防喷器的功用虽如上述，但在具体使用时仍有所限制。

剪切闸板主要用于深井、超深井、高油气比井和“三高井”。

国产闸板防喷器的半封闸板，一般不能悬挂钻具。

从国外进口的闸板防喷器有的允许承重，有的则不允许承重。

利用壳体侧孔节流泄压时，井内高压流体将严重冲蚀壳体，从而影响壳体的耐压性能。

因此，通常不使用壳体侧孔放喷，侧孔用盲板封闭。

闸板防喷器的闸板分全封闸板和半封闸板。

闸板防喷器应备有一副全封闸板及若干副半封闭闸板。

1.2.3闸板防喷器的工作原理

一、液压动作

闸板防喷器的关井、开井动作是靠液压实现的。

关井时，来自控制系统装置的高压液压油进入两侧油缸的关井油腔，推动活塞与活塞杆，使左右闸板总成沿着闸板室内导向筋限定的轨道，分别向井眼中心移动，同时开井油腔里的液压油在活塞推动下，经液控管路流回控制系统装置油箱，实现关井。

开井动作时，高压液压油进入两侧油缸的开井油腔，推动活塞与闸板迅速离开井眼中心，闸板缩入闸板室内，同时，关井油腔里的液压油则经液控管路流回控制系统装置油箱，从而实现开井。

因此，壳体的上下铰链座的液压油接头与控制系统装置的液控管线在安装连接时，不能接错，否则将导致关井、开井动作错误。

二、闸板防喷器的密封

为了保证闸板防喷器的封井效果，以下密封必须可靠：

1.闸板与管子的密封——闸板胶芯的前部依靠活塞推力，橡胶抱紧管子从而实现密封。

当橡胶严重磨损或撕裂时，井内高压流体会将此处刺漏而使关井失效。

全封闸板则为闸板胶芯前部的相互密封。

2.闸板顶部与壳体的密封——闸板上平面的胶芯，在井内高压流体作用下紧压壳体凸缘，使井内高压流体不能从顶部溢出。

3.侧门与壳体的密封——侧门与壳体的接合面上装有密封圈。

侧门紧固螺栓将密封圈压紧，使钻井液不能从此处泄漏。

该密封圈并不磨损，但在长期使用中会老化变质，所以应定期更换。

4.侧门腔与活塞杆间的密封——侧门腔与活塞杆之间的环形空间装有密封圈。

防止高压钻进液与液压油串通。

当井内高压流体通过橡胶密封圈，进入油缸与液控管路，使液压油遭到污染并损伤液控阀件。

闸板防喷器工作时，活塞杆做往复运动，密封圈将会因磨损导致密封失效。

在关井密封圈失效时，为恢复密封功能，该处又设计有二次密封装置[3]。

三、闸板的密封原理及特点

闸板的密封是在外力作用下，胶芯被挤压变形实现密封作用的。

1.闸板浮动

闸板总成与壳体放置闸板的腔体之间有一定的间隙，同时闸板总成与活塞杆是通过“T”形槽连接的吗，这种设计允许闸板在壳体腔内上下浮动。

当闸板处于常开位置时，闸板上部密封橡胶不与闸板室顶部接触。

关井后，在井内压力的作用下，闸板上部密封橡胶与壳体的上密封凸台实现密封。

对于压块与闸板体分成两体的闸板总成，关闭后继续施加压力，压块与闸板体间的香蕉被挤向上突起，在闸板室顶部的凸面形成顶部密封。

当开启闸板时，闸板顶部密封橡胶离开壳体内上凸面，闸板缩回到闸板腔室平面内。

闸板这种浮动的特点，既保证了密封可靠，减少了橡胶磨损，又减少了闸板移动时的摩擦阻力。

2.井压助封

井内压力作用在闸板底部，上推闸板使闸板顶部与壳体凸缘贴进。

井内压力愈高，闸板顶部与壳体愈紧密，这种依靠井内压力上推闸板实现的密封称为井压助封。

当井内压力很低时，闸板顶部可能是流体溢漏。

为此，在现场对闸板防喷器进行试压检查时，需进行低压试验，检查闸板顶部与壳体凸缘的密封情况。

井内压力也作用在闸板后部，向井眼中心推挤闸板，使前部橡胶紧抱井内管柱，这就是井压对闸板前部的助封作用。

当闸板关井后，井内压力越高，井压对闸板前部的助封作用越大，闸板前部橡胶对管子封得越紧。

3.自动清砂，自动对中

防喷器闸板室底部有两条向中心倾斜的排砂槽，当闸板开关时，沉积在闸板室底部的泥砂，将被排入砂槽滑落井内。

闸板防喷器的这种自动清砂作用，防止了闸板的堵塞，减少了闸板的运动阻力与磨损。

在井内有钻具的情况下使用闸板防喷器关井时，因为钻具并不处于井眼中心而无法实现封井。

为解决井内钻具的对中问题，闸板压块的前方设有突出的导向块与相应的凹槽。

当闸板向井眼中心移动时，导向块可迫使钻具移向井眼中心，顺利实现封井。

4．闸板防喷器的锁紧装置

闸板防喷器的锁紧装置分为手动机械锁紧装置和液压自动锁紧装置。

（1）手动机械锁紧装置的功用

手动机械锁紧装置是靠人力旋转手轮关闭锁紧闸板。

其作用是：

当需要较长时间关井时，液压关井后可采用手动机械锁紧装置将闸板在关闭位置，然后将液控压力油的高压卸掉，以免长期关井憋漏液控管线；控制系统装置无油压时，可以用手动机械锁紧装置推动闸板关井。

使用时需要注意：

手动机械锁紧装置只能关闭闸板，不能打开闸板。

若要开井，必须首先使手动机械锁紧装置解锁到位后，再用液压打开闸板，这是唯一的方法。

（2）手动机械锁紧装置的类型和组成

手动机械锁紧装置主要有两种类型，锁紧轴液压随动结构和简易式锁紧结构。

5.液压自动锁紧装置

液压自动锁紧装置是通过装于主活塞上的锁紧活塞和装于活塞径向四个扇形槽内的四个锁紧块来实现的。

当液压油作用于关闭腔时，推动主活塞和锁紧活塞向闸板关闭方向运动，由于锁紧块内外圆周上都带有一定角度的斜面，内斜面与锁紧块的锁紧活塞的推动下，有向径向外部运动的趋势。

一旦主活塞到达关闭位置后，锁紧块在锁紧活塞的径向力作用下，向外运动坐于液缸台阶上，实现完全锁紧。

液压油泄压后仅靠锁紧活塞弹簧力的作用，仍能保证可靠的锁紧状态。

打开闸板时，液压油作用于开启腔，使锁紧活塞向外运动，锁紧块外圈斜面与液缸台阶斜面相互作用，产生使锁紧块向内收缩的分力，使锁紧块实现解锁，然后主活塞带动闸板轴及闸板实现开启动作。

6.闸板防喷器的关井操作步骤

闸板防喷器关井时，其关井操作步骤应按下述顺序进行：

（1）正常液压关井

①液压关井

a．遥控操作：

在司钻控制台上同时将气源总阀扳至开位，所关防喷器的换向阀扳至官位，两阀同时作用的时间不少于5s；

b．远程操作：

将远程控制台上控制该防喷器的换向阀手柄迅速扳至关位。

②手动锁紧

长时间关井时，顺时针旋转两操纵杆手轮，将闸板锁住，逆时针旋转两手轮1/4~1/2圈。

（2）正常液压开井

①手动解锁

逆时针旋转两操纵杆手轮，使锁紧轴缩回到位，顺时针操作两手轮各旋转1/4~1/2圈。

②液压开井

a．遥控操作：

在司钻控制台上同时将气源总阀扳和所关防喷器的换向阀扳至开位，两阀同时作用的时间不少于5s；

b．远程操作：

将远程控制台上控制该防喷器的换向阀手柄迅速扳至开位。

（3）闸板防喷器的手动关井

如果需要关井，又恰逢液控装置失效来不及修复时，可以利用手动机械锁紧装置进行手动关井。

手动关井的操作步骤应按下述顺序进行：

①将远程控制台上的换向阀手柄迅速扳至关位；

②手动关井——顺时针旋转两操纵杆手轮，将闸板推向井眼中心，手轮旋转到位，再逆时针旋转1/4~1/2圈。

手动关井操作的实质即手动锁紧操作。

应特别注意的是：

在手动关井前，应首先使远程控制台上控制闸板防喷器的换向阀处于关位。

这样做的目的是使防喷器开井油腔里的液压油直通油箱。

手动关井后应及时抢修液控装置。

液控失效实施手动关井，当压井作业完毕，需要打开防喷器时，必须利用已修复的液控装置，液压开井，手动锁紧装置的结构只能允许手动关井却不能实现手动开井。

1.3我国闸板防喷器的发展方向

（1）研制超高压大通径防喷器组在目前已研制105MPa防喷器的基础上，将105MPa防喷器系列化，完善其配套工具、全封、半封及剪切闸板等的研制；在FZΦ679.45mm，额定工作压力14MPa的特大型单闸板防喷器基础上，研制21MPa、35MPa高压及多闸板特大型防喷器；研究快装卸闸板机构，提高防喷器操作的自动化程度；深入开展弹性体有限元计算分析及计算机变形仿真技术的研究；开展胶心骨架的弹性支承有限元应力应变计算，优化骨架结构设计及选材；实现陆上高压油气田及海上油田钻井防喷器的国产化。

（2）加强新材料的研究研究高强度耐腐蚀的抗H2S钢种，力争突破NACEMRO1-75标准中对结构钢硬度值HRC22及相应强度值的限制，以适应超高压防喷器生产的需要；研究新的硫化工艺及设备，使我国胶心制造技术上一个新台阶；研究适用于H2S环境的剪切闸板；研究适应高温、寒冷、海洋、沙漠等不同介质环境的密封材料，以满足各种恶劣工况。

（3）提高制造及自动化检测技术水平壳体等承压件用35000t大型水压机锻造成型或采用钢水精炼技术，努力解决承压件毛坯铸锻工艺落后问题，避免材质内部出现缺陷。

考虑材质中“五害”元素的影响，满足NACEMR01-75抗硫性能的要求。

对于防喷器的主要零件，采用刚度好、振动。

第2章系统分析

2.1闸板防喷器三维技术开发的背景和意义

2.1.1闸板防喷器三维技术开发的背景

近年来随着计算机技术、高性能个人计算机、人机交互技术与设备以及计算机网络与通信等科学领域的突破与高速发展，虚拟现实技术也得到了突飞猛进的发展。

虚拟现实以其沉浸性、交互性、构想性的特点以及“低成本，高性能”的研究原则，已经由最初的航空航天领域扩展到了军事、科研、医学、教育文化、娱乐、产品制造、展览等各个不同的领域。

井控工作是石油与天然气勘探开发过程中的重要环节，闸板防喷器是安全生产工作中的重中之重，一直备受各界高度的关注。

近年来，随着油田勘探开发领域的不断延伸扩大，油田深井、超深井、水平井、战区调开井控逐年增多，新老区块都面临着地下压力情况日趋复杂，井控风险越来越大，井控安全愈加难以保证的情况，甚至出现了井喷失控等灾难性事故，而且，“浅气层”危害的凸显也给井控工作带来了更多、更大的压力和挑战。

只有充分认清井控的严峻形势，更加扎实的做好井控工作的重点——闸板防喷器的工作，才能真正实现井控的本质安全。

闸板防喷器是防喷系统中的重要组成部分，实际上也是一套非常大的液压闸阀组件。

通常人们根据防喷器的密封元件的结构工作特点不同，把防喷器分为环形防喷器、闸板防喷器两大类。

防喷器在钻井井控中起着至关重要的作用。

液压控制系统配套使用下，当井内有钻具时，防喷器能封闭不同尺寸的环形空间；当井内无钻具时，防喷器能全封闭井口。

在进行取心、测井作业时发生井喷，又能封闭方钻杆、取心工具、电缆、钢丝绳等与井筒形成的环形空间。

在减压调压阀和缓冲储能器配合下，能通过18度无细扣对焊钻杆，进行强行起下钻作业。

所以防喷器在井控中扮演着无可替代的角色，对其组装过程进行仿真模拟，更是井控培训的需要，势在必行。

闸板防喷器采用三维建模技术、Photoshop制作、Realflow流体等多种技术相结合的方法，对钻井井控过程中防喷器的组装环境及流程进行仿真。

2.1.2闸板防喷器三维技术开发的意义

在钻石油井或地热井时，有时会出现井喷。

为了有效地防止井喷发生,必须具备安全可靠、操作方便的井喷控制设备和有经验的现场施工人员。

井喷控制设备包括井口设备、管汇、控制系统。

井口设备主要有环心防喷器和闸板防喷器。

管汇包括放喷管汇和压井管汇[4]。

三维技术在闸板防喷器功能的实现中能使书面理论形象化，抽象物体实体化，工艺流程系统化，培训系统数字化。

这样可以使现场施工人员能更直观更立体的了解闸板防喷器的工作原理。

2.2闸板防喷器虚功能实现与仿真系统需求分析

2.2.1系统需求

构建防喷器组装系统整个三维虚拟场景，模型造型逼真，结构准确，复杂度适中。

对防喷器的组成：

壳体、顶盖、球形胶芯、活塞等进行三维建模，实现防喷器组装的虚拟仿真，其过程进行互动演示，演示内容完整、准确，表现形式生动、合理[5]。

2.2.2开发工具及开发环境

开发工具：

三维建模软件，Photoshop，Realflow。

开发环境：

Windows98、Windows2000或WindowsXP以上。

第3章闸板防喷器功能的仿真

3.1开发工具简介

闸板防喷器功能的仿真是通过3DMAX建模工具创建钻井井控相关模型的虚拟环境，让用户能够在所构建的相对真实的闸板防喷器的工作环境中了解闸板防喷器的工作过程。

3.1.1建模工具—3DMAX

3DMAX，常简称为3DMAX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3DStudio系列软件。

在WindowsNT出现以前，工业级的CG制作被SGI图形工作站所垄断。

3DMAX+WindowsNT组合的出现一下子降低了CG制作的门槛，首选开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如X战警II，最后的武士等[6]。

一、3DMAX的特点

3DMAX系统拥有许多优良的特性，具体包括。

（1）气象万千的材质编辑器（MaterialEditor）。

（2）用户界面提供了强大的灵活性和工作能力。

（3）造型命令和编辑修改命令，功能相当强大。

（4）多操作系统支持，系统在Windowsxp和WindowsNT上都可以运行。

（5）方便控制和编辑动画顺序的对话框。

（6）和其它相关软件配合流畅。

（7）做出来的效果非常的逼真。

二、3DMAX的发展

三维软件是利用电脑制作几何模型的软件。

最先只能在专业图形工作站上使用，随着PC机的飞速发展和普及，三维动画软件也纷纷被移植到PC机上。

在DOS时代，美国Autodesk公司的3ds三维动画软件几乎垄断了PC机三维动画的市场。

1994年Microsoft用1．3亿美元收购Softimage公司，1995年推出基于NT平台的SOFTIMAGE3D3.0版本，激荡了三维动画领域。

迫于压力，为了维护3DS在三维动画领域的霸主地位，1996年Kinetix公司推出3DS的WindowsNT版本3DMAX1．0。

这个版本在操作界面、组织结构和功能上都有质的飞跃，获得了巨大的