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摘 要 注水开发油田中水井的调测是保证注水任务完成、实现稳油控水的重要工作。水井测试人员的岗位培训则是这一工作的有力保障，研究开发水井调测仿真系统对于培训水井测试人员具有重要意义。本文介绍了水井调测仿真系统的意义、功能、软硬件组成及其实现。
关键词 水井调测；仿真；python；3D动画；开源软件
中图分类号：TE934 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-058-02
注水开发油田中水井的调测是保证注水任务完成、实现稳油控水的重要工作。水井测试人员的岗位培训则是这一工作的有力保障，研究开发水井调测仿真系统对于培训水井测试人员具有重要意义。
1）注水井压力较高，一般都有十多兆帕，测试施工具有一定危险性，用仿真系统培训初入职业者则很安全。
2）调测时间长，通常一口划分有一、二个层位注水的井的调测需3、4天时间，若用调测一体工具，也要一天时间完成，而用仿真系统培训学员则大大缩短了时间。
3）现实的水井在培训时很难看到各种故障、问题及其处理，用仿真系统则可以模拟各种故障，可以有针对性地进行故障处理训练。
4）节约培训成本，提高经济效益。
1 水井调测仿真系统的实现功能
通过水井调测仿真系统可以培训以下项目内容。
1）钢丝试井绞车的使用：钢丝试井绞车的结构、工作原理，使用操作、维护保养、操作训练。
2）电缆试井绞车的使用：电缆试井绞车的结构、工作原理，使用操作、维护保养、操作训练。
3）防喷管的装卸：防喷管的种类、结构、原理，安装及拆卸的操作、操作训练。
4）钢丝试井绞车使用中的问题及处理：钢丝跳槽、打扭、顶钻的预防及处理；钢丝绞车常见故障及处理：严重噪声或震动，压力波动或流量脉动，系统压力不足或无压力，流量太小或断流，取力器无力输出，滚筒不转动或转动不灵活，刹车失灵，轻负荷下放困难，排丝机构运动不灵活或卡阻，手摇机构转动和推拉不灵活或卡阻。
5）电缆试井绞车使用中的问题及处理：液压部分噪声过大，压力波动或流量脉动，液压系统压力不足，流量太小或断流，取力器无动力输出，滚筒不转动，刹车失灵，轻负荷下放困难，传动部分噪声大，绞车噪声大，深度不走动或深度走动不准。
6）用集流式流量计测水井流量：井下管柱结构、集流式流量计种类及原理、测水井流量操作、操作训练。
7）用集流式流量计调测水井流量：调测水井流量操作、操作训练。
8）用非集流式流量计测水井流量：非集流式流量计种类及原理、测水井流量操作、操作训练。
9）用非集流式流量计调测水井流量：调测水井流量操作、操作训练。
10）调测桥式偏心管柱井水井流量：桥式偏心管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
11）调测偏心集成管柱井水井流量：偏心集成管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
12）调测同心集成管柱井水井流量：同心集成管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
13）边调边测试工艺技术：系统组成、工作原理，调测操作，操作训练。
此外，该系统可以对培训状况、培训成绩进行管理。
2 水井调测仿真系统的硬件组成
水井调测仿真系统由软硬件组成。硬件包括井口装置、试井绞车仿真器、模拟井及投影（计算机及投影仪）、仿真计算机等。
1）井口装置：由250型采油树、井口防喷装置等组成，加装传感装置，将操作数据由传感器经PLC送至仿真计算机。
2）试井绞车仿真器：模拟试井车中的布置，仿真钢丝试井绞车、电缆试井绞车的操作，将操作数据由传感器经PLC送至仿真计算机。
3）模拟井计算机：负责模拟井的数据库及管理与维护、培训数据库及管理与维护。
4）仿真计算机：接收数据并处理运算，实时仿真，通过串口与西门子S7-200系列PLC相连，采用PPI协议。使用PPI协议进行通信时，PLC可以不用编程，而且可读写所有数据区，快捷方便。模拟井计算机与仿真计算机通过局域网相连，使用TCP/IP协议进行通信。
5）其他：PLC主要采用功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程的西门子S7-200系列。
3 水井调测仿真系统的软件组成
软件部分包括数据接收及处理、水井数据库、水井调测系统、3D动画、仿真软件、学员数据库、培训状况、操作评价及成绩管理等部分。
1）数据接收及处理：接收来自传感器和PLC的数据并进行处理。在与PLC通讯时，计算机采用PPI电缆或普通的485串口卡与PLC的编程口连接，遵循PPI协议，主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认命令，PLC完成正确的读写响应，返回给上位机相应数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写。可以利用上述PPI协议，读写S7-200PLC中的各种类型数据，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等数据类型，能够直接读出以上变量中的位、字节、字、双字等。可以改变PLC的运行状态。在编程时，将读取的检测值、输出值等数据，存放在PLC的一个连续的变量区中，当上位机读取PLC的数据时，就可以一次读出这组连续的数据，减少数据的分次频繁读取。当修改设定值等数据时，进行写数据的通讯操作。利用PPI协议除了能与上位机通讯外，更为仿真设备与S7-200CPU之间的通讯提供了捷径，自行开发的仿真设备可以方便的利用PPI协议通过485/232接口接入S7-200CPU。
2）水井数据库：每种注入管柱，建立若干口水井数据，均来自于实例，包括井史资料、地层数据、作业数据、管柱结构、历史注水数据等。 3）水井调测系统：建立普通偏心井、桥式偏心井、偏心集成井、同心集成井等的调测操作步骤及操作规则。
4）3D动画：创建前述各种水井调测的井下及地面3D动画。
5）视频：建立培训内容的标准化操作视频，按操作步骤进行分解示范。
6）仿真软件：编制程序，将3D动画实时演示、操作数据等集成，仿真操作。
7）学员数据库：建立学员学习数据库，包括培训科目、培训时间、培训内容、培训成绩等。
8）培训状况、操作评价及成绩管理等部分：对培训状况进行记录，对学员操作给予评价指导，进行学员成绩管理，包括打印等。
考虑到项目成本和项目的功能要求，该项目主要是仿真培训，用于教学，对实时性有要求，但还达不到工业级别。因此，在仿真软件、编程软件、数据库等方面的选择上偏重于免费、开源的产品。
3D动画软件选用Blender，Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件，最新的版本是2.66，支持主流的操作系统，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。最重要的是，Blender 在 GNU公共许可下已经发布并公开其源代码，Blender 是完全免费的。
仿真引擎选用Delta3D，Delta3D是一款由美国海军研究学院（Naval Postgraduate School）开发的一个开放源码的全功能游戏与仿真引擎，最新的版本是2.75，Delta3D主要目标是提供一套简单可行的API函数库，构成搭建任何可视化软件的基本要素。它不但提供了底层功能模块，而且提供了仿真、训练、游戏编辑器，BSP 编译器，粒子编辑器，单机版模型浏览工具，以及内置支持美国军方标准的分布式仿真环境HLA通讯及仿真标准等多种实用工具。Delta3D提供了一套与引擎高度集成的庞大的仿真模块体系，包含用于系统初始化的基类模块，用于设置动态角色和道具的动态角色层，用于直接方法连接的信号/跟踪支持，用于控制角色的游戏管理器，用于读取、渲染、产生过程化地形的插件和用于角色通信的高级消息处理器。Delta3D遵循GNU的LGPL公共许可。
编程软件选择Microsoft Visual Studio .NET，采用C++语言。
数据库选择SQLite，这是一款轻型的数据库，遵守ACID的关联式数据库管理系统，目前已经有很多嵌入式产品在使用，占用资源非常的低。支持主流的操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，还有ODBC接口，处理速度较快。其采用的授权协议是 Public Domain，可以放心大胆地用。
经过这样设计的水井调测仿真系统，在满足功能、达到应用较好效果的前提下，极大地节省了经济成本。
参考文献
[1]周晓平，姜建芳，苏少钰，陈迅.S7-200系列PLC与监控计算机通信实现的研究[J].微计算机信息，2004（1）.
[2]罗聪翼.Blender权威指南[M].北京：机械工业出版社，2011.
关键词 水井调测；仿真；python；3D动画；开源软件
中图分类号：TE934 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）031-058-02
注水开发油田中水井的调测是保证注水任务完成、实现稳油控水的重要工作。水井测试人员的岗位培训则是这一工作的有力保障，研究开发水井调测仿真系统对于培训水井测试人员具有重要意义。
1）注水井压力较高，一般都有十多兆帕，测试施工具有一定危险性，用仿真系统培训初入职业者则很安全。
2）调测时间长，通常一口划分有一、二个层位注水的井的调测需3、4天时间，若用调测一体工具，也要一天时间完成，而用仿真系统培训学员则大大缩短了时间。
3）现实的水井在培训时很难看到各种故障、问题及其处理，用仿真系统则可以模拟各种故障，可以有针对性地进行故障处理训练。
4）节约培训成本，提高经济效益。
1 水井调测仿真系统的实现功能
通过水井调测仿真系统可以培训以下项目内容。
1）钢丝试井绞车的使用：钢丝试井绞车的结构、工作原理，使用操作、维护保养、操作训练。
2）电缆试井绞车的使用：电缆试井绞车的结构、工作原理，使用操作、维护保养、操作训练。
3）防喷管的装卸：防喷管的种类、结构、原理，安装及拆卸的操作、操作训练。
4）钢丝试井绞车使用中的问题及处理：钢丝跳槽、打扭、顶钻的预防及处理；钢丝绞车常见故障及处理：严重噪声或震动，压力波动或流量脉动，系统压力不足或无压力，流量太小或断流，取力器无力输出，滚筒不转动或转动不灵活，刹车失灵，轻负荷下放困难，排丝机构运动不灵活或卡阻，手摇机构转动和推拉不灵活或卡阻。
5）电缆试井绞车使用中的问题及处理：液压部分噪声过大，压力波动或流量脉动，液压系统压力不足，流量太小或断流，取力器无动力输出，滚筒不转动，刹车失灵，轻负荷下放困难，传动部分噪声大，绞车噪声大，深度不走动或深度走动不准。
6）用集流式流量计测水井流量：井下管柱结构、集流式流量计种类及原理、测水井流量操作、操作训练。
7）用集流式流量计调测水井流量：调测水井流量操作、操作训练。
8）用非集流式流量计测水井流量：非集流式流量计种类及原理、测水井流量操作、操作训练。
9）用非集流式流量计调测水井流量：调测水井流量操作、操作训练。
10）调测桥式偏心管柱井水井流量：桥式偏心管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
11）调测偏心集成管柱井水井流量：偏心集成管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
12）调测同心集成管柱井水井流量：同心集成管柱井的特点，使用仪器，调测操作，操作训练。
13）边调边测试工艺技术：系统组成、工作原理，调测操作，操作训练。
此外，该系统可以对培训状况、培训成绩进行管理。
2 水井调测仿真系统的硬件组成
水井调测仿真系统由软硬件组成。硬件包括井口装置、试井绞车仿真器、模拟井及投影（计算机及投影仪）、仿真计算机等。
1）井口装置：由250型采油树、井口防喷装置等组成，加装传感装置，将操作数据由传感器经PLC送至仿真计算机。
2）试井绞车仿真器：模拟试井车中的布置，仿真钢丝试井绞车、电缆试井绞车的操作，将操作数据由传感器经PLC送至仿真计算机。
3）模拟井计算机：负责模拟井的数据库及管理与维护、培训数据库及管理与维护。
4）仿真计算机：接收数据并处理运算，实时仿真，通过串口与西门子S7-200系列PLC相连，采用PPI协议。使用PPI协议进行通信时，PLC可以不用编程，而且可读写所有数据区，快捷方便。模拟井计算机与仿真计算机通过局域网相连，使用TCP/IP协议进行通信。
5）其他：PLC主要采用功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程的西门子S7-200系列。
3 水井调测仿真系统的软件组成
软件部分包括数据接收及处理、水井数据库、水井调测系统、3D动画、仿真软件、学员数据库、培训状况、操作评价及成绩管理等部分。
1）数据接收及处理：接收来自传感器和PLC的数据并进行处理。在与PLC通讯时，计算机采用PPI电缆或普通的485串口卡与PLC的编程口连接，遵循PPI协议，主从式的通讯方式，一次读写操作的步骤包括：首先上位机发出读写命令，PLC作出接收正确的响应，上位机接到此响应则发出确认命令，PLC完成正确的读写响应，返回给上位机相应数据。这样收发两次数据，完成一次数据的读写。可以利用上述PPI协议，读写S7-200PLC中的各种类型数据，包括I、Q、SM、M、V、T、C、S等数据类型，能够直接读出以上变量中的位、字节、字、双字等。可以改变PLC的运行状态。在编程时，将读取的检测值、输出值等数据，存放在PLC的一个连续的变量区中，当上位机读取PLC的数据时，就可以一次读出这组连续的数据，减少数据的分次频繁读取。当修改设定值等数据时，进行写数据的通讯操作。利用PPI协议除了能与上位机通讯外，更为仿真设备与S7-200CPU之间的通讯提供了捷径，自行开发的仿真设备可以方便的利用PPI协议通过485/232接口接入S7-200CPU。
2）水井数据库：每种注入管柱，建立若干口水井数据，均来自于实例，包括井史资料、地层数据、作业数据、管柱结构、历史注水数据等。 3）水井调测系统：建立普通偏心井、桥式偏心井、偏心集成井、同心集成井等的调测操作步骤及操作规则。
4）3D动画：创建前述各种水井调测的井下及地面3D动画。
5）视频：建立培训内容的标准化操作视频，按操作步骤进行分解示范。
6）仿真软件：编制程序，将3D动画实时演示、操作数据等集成，仿真操作。
7）学员数据库：建立学员学习数据库，包括培训科目、培训时间、培训内容、培训成绩等。
8）培训状况、操作评价及成绩管理等部分：对培训状况进行记录，对学员操作给予评价指导，进行学员成绩管理，包括打印等。
考虑到项目成本和项目的功能要求，该项目主要是仿真培训，用于教学，对实时性有要求，但还达不到工业级别。因此，在仿真软件、编程软件、数据库等方面的选择上偏重于免费、开源的产品。
3D动画软件选用Blender，Blender是一个开源的多平台轻量级全能三维动画制作软件，最新的版本是2.66，支持主流的操作系统，提供从建模，动画，材质，渲染，到音频处理，视频剪辑的一系列动画短片制作解决方案。blender以python为内建脚本，支持yafaray渲染器，同时还内建游戏引擎。最重要的是，Blender 在 GNU公共许可下已经发布并公开其源代码，Blender 是完全免费的。
仿真引擎选用Delta3D，Delta3D是一款由美国海军研究学院（Naval Postgraduate School）开发的一个开放源码的全功能游戏与仿真引擎，最新的版本是2.75，Delta3D主要目标是提供一套简单可行的API函数库，构成搭建任何可视化软件的基本要素。它不但提供了底层功能模块，而且提供了仿真、训练、游戏编辑器，BSP 编译器，粒子编辑器，单机版模型浏览工具，以及内置支持美国军方标准的分布式仿真环境HLA通讯及仿真标准等多种实用工具。Delta3D提供了一套与引擎高度集成的庞大的仿真模块体系，包含用于系统初始化的基类模块，用于设置动态角色和道具的动态角色层，用于直接方法连接的信号/跟踪支持，用于控制角色的游戏管理器，用于读取、渲染、产生过程化地形的插件和用于角色通信的高级消息处理器。Delta3D遵循GNU的LGPL公共许可。
编程软件选择Microsoft Visual Studio .NET，采用C++语言。
数据库选择SQLite，这是一款轻型的数据库，遵守ACID的关联式数据库管理系统，目前已经有很多嵌入式产品在使用，占用资源非常的低。支持主流的操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，还有ODBC接口，处理速度较快。其采用的授权协议是 Public Domain，可以放心大胆地用。
经过这样设计的水井调测仿真系统，在满足功能、达到应用较好效果的前提下，极大地节省了经济成本。
参考文献
[1]周晓平，姜建芳，苏少钰，陈迅.S7-200系列PLC与监控计算机通信实现的研究[J].微计算机信息，2004（1）.
[2]罗聪翼.Blender权威指南[M].北京：机械工业出版社，2011.