基于C#與OpenGL的密集井井眼軌跡三維可視化系統(tǒng)研究

羅彬

Abstract： In the investigation of the problems during the construction of offshore drilling platforms， it was found that more and more dense wells are required to be drilled on an offshore platform. Due to the limited platform location， the spacing between these dense wellbore trajectories is small and vertical. The lack of space has increased the risk of drilling engineering design and construction. Therefore， it is necessary to study the three-dimensional visualization system of borehole trajectory in this environment. Firstly， various wellbore trajectory calculation methods of the borehole trajectory three-dimensional visualization system are compared and analyzed. The minimum curvature method and curvature radius method are selected as the main calculation methods. Then， the wellbore trajectory data is calculated according to the calculation method， and three-dimensional modeling methods for wellbore trajectories are also analyzed and compared. Finally， the overall structure of the 3D visualization system of the wellbore trajectory is designed， and the C# language and OpenGL technology are selected as the main development tools.

引言

隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)虛擬可視化技術(shù)不斷推廣，也就隨即在學(xué)界掀起了一場虛擬世界的創(chuàng)建熱潮，而營造虛擬世界的重要步驟就是設(shè)計(jì)建立具有真實(shí)性的三維可視化場景。在海上密集井鉆井作業(yè)環(huán)境下，由于復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，實(shí)際所鉆的井眼軌跡不可避免地會(huì)與預(yù)期設(shè)計(jì)的井眼軌跡產(chǎn)生一些偏差，因此為了能夠直觀地監(jiān)測和管控鉆井作業(yè)時(shí)的井眼軌跡，防止井眼軌跡之間的碰撞，對于海上密集井井眼軌跡三維可視化的研究是十分必要的。研究和利用鉆井時(shí)實(shí)時(shí)提供的數(shù)據(jù)，通過三維可視化技術(shù)準(zhǔn)確地反映鉆孔地層的地質(zhì)概況和井眼軌跡的特點(diǎn)，即能切實(shí)提高對地層構(gòu)造、儲(chǔ)層特征的判斷，控制鉆頭在儲(chǔ)層內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)的方向，提高油層鉆遇率、采收率和節(jié)約鉆井成本。

由于國內(nèi)外現(xiàn)場要求不同，擬將采用的井斜計(jì)算方法也不盡相同。為了能夠滿足各種需求，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)集成了多種計(jì)算方法以供用戶根據(jù)實(shí)際需要選擇使用。通過用戶所選的計(jì)算方法將井斜原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可得到垂深、南北位移、東西位移等參數(shù)，這些參數(shù)均將用于對井眼軌跡的圖形繪制，從而最終運(yùn)行得到三維井眼軌跡圖形。

1系統(tǒng)概述

OpenGL是由SGI公司推出的跨編程語言、跨平臺(tái)的編程接口規(guī)格的專業(yè)圖形程序接口，比較適用于開發(fā)二維和三維圖形程序。OpenGL是與硬件無關(guān)的軟件接口，能夠在不同的平臺(tái)之間進(jìn)行移植。基于OpenGL的井眼軌跡三維可視化系統(tǒng)是根據(jù)當(dāng)前現(xiàn)場需求以及相適應(yīng)的軟件技術(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的，其中集成了目前常用的一些井眼軌跡計(jì)算方法。用戶根據(jù)各自需求選擇測斜計(jì)算方法計(jì)算得到井眼軌跡數(shù)據(jù)，既可以做到井眼軌跡的三維可視化，也可以調(diào)整觀察視角和方位，能夠容易實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的水平和垂直投影，有利于現(xiàn)場工作人員觀察和制定有效的控制策略。該系統(tǒng)可以通過設(shè)置圖形、線型、顏色、寬度、標(biāo)注間隔和觀察的視角及方位角，并且能夠打印輸出井眼軌跡圖形和數(shù)據(jù)，使得繪制的圖形清晰美觀，進(jìn)而提升了圖形的瀏覽效果。

2井眼軌跡計(jì)算方法

目前常用的測斜計(jì)算方法主要有：正切法、平均角法、平衡正切法、校正平均角法、圓柱螺線法和最小曲率法等。通過這些方法可以計(jì)算得到井眼的南北位移、東西位移、垂深、閉合位移、閉合方位等參數(shù)數(shù)值。在這些算法中，正切法計(jì)算誤差較大，不適合在現(xiàn)場使用。平均角法一般是應(yīng)用在現(xiàn)場人工計(jì)算過程中。校正平均角法是由圓柱螺線法推導(dǎo)而來，因而與圓柱螺線法的計(jì)算值相差非常小。在實(shí)際工作環(huán)境中，基本可以用校正平均角法代替圓柱螺線法；在國外應(yīng)用較多的是平衡正切法和最小曲率法，而目前國內(nèi)現(xiàn)場普遍采用的是最小曲率法和圓柱螺線法。

一般情況下，使用轉(zhuǎn)盤鉆鉆出的井眼，由于鉆柱和鉆頭經(jīng)常是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，井眼軸線趨向于柱面螺旋線，因此使用曲率半徑法比較合理。

如果決策將采用動(dòng)力鉆具帶彎曲工具時(shí)，可能有2種方向控制模式。一種是恒工具面模式，在整個(gè)扭方位過程中，工具面所在斜平面的傾角和傾向始終保持不變，鉆出的井眼軸線趨向于空間斜面圓弧，此時(shí)用最小曲率法比較合理；另一種是恒工具面角模式，在方向控制過程中始終保持裝置角不變，鉆出的井眼軸線趨向于恒置角曲線，接近于圓柱螺線，此時(shí)使用曲率半徑法比較接近。

當(dāng)一口井的不同井段使用了不同的鉆井方式和方向控制模式，原理上應(yīng)該分段采用不同的測斜計(jì)算方法。

3井眼軌跡的建模方法

（1）斜面法。斜面法常用于糾偏三維定向井的設(shè)計(jì)。因而就可以在三維井眼軌跡做圖像呈現(xiàn)時(shí)通過這樣的設(shè)計(jì)建模方法和預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡圖像，并借此判斷該軌跡是否為選用了準(zhǔn)確的模型來模擬計(jì)算生成的。

斜面法是在空間某個(gè)平面上設(shè)計(jì)井身，而這個(gè)平面仍然是一個(gè)斜平面，除了鉛垂平面以外的所有平面都屬于研究中統(tǒng)指的斜平面。但這個(gè)設(shè)計(jì)三維定向井的斜平面不是空間任意一個(gè)斜平面，而是由給定的設(shè)計(jì)參數(shù)和前述設(shè)計(jì)要求所共同決定的某個(gè)斜平面。

（2）柱面法。柱面法既可用于糾偏三維定向井設(shè)計(jì)，也可用于繞障三維定向井設(shè)計(jì)。因此可以在三維井眼軌跡做圖像呈現(xiàn)時(shí)就通過這樣的設(shè)計(jì)建模方法和預(yù)先設(shè)計(jì)的軌跡圖像進(jìn)行對比，并借此來判斷該軌跡是否能準(zhǔn)確地反映出實(shí)際的軌跡情況。

柱面法其實(shí)就在柱面上設(shè)計(jì)井身。柱面不是平面，所以在柱面上設(shè)計(jì)井身，既有井斜角變化，又有井斜方位角變化，因而該方法可用于三維定向井。斜面—柱面法是根據(jù)當(dāng)前井底井眼軌跡前進(jìn)方向線和目標(biāo)點(diǎn)井眼軌跡前進(jìn)方向線的空間位置關(guān)系，即共面或異面，選擇不同的曲線來進(jìn)行井眼軌跡設(shè)計(jì)。這個(gè)方法既能滿足對目標(biāo)點(diǎn)位置的要求，又能契合方向的變化情況，而且設(shè)計(jì)出的剖面也是相對合理的。

（3）變曲率法。變曲率法的思想是：一種造斜工具的實(shí)際造斜能力是隨井深變化的，在某一井深范圍內(nèi)會(huì)有一個(gè)相對實(shí)際的造斜率。根據(jù)已知的實(shí)際造斜率及相應(yīng)的井深，可以將全井分成多段，由此展開運(yùn)算。井眼軌跡可以根據(jù)造斜工具在各區(qū)段井深的不同造斜率來優(yōu)質(zhì)定制設(shè)計(jì)，使得實(shí)際鉆進(jìn)時(shí)能夠成功引入方位和井斜的控制。這種分段設(shè)計(jì)模式使研究需要監(jiān)控的部分井段的情況更加可靠和準(zhǔn)確。

4三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)則如圖1所示。系統(tǒng)通過結(jié)合VS2015、OpenGL三維圖形開發(fā)庫和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫開發(fā)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)從SQL Server數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，在VS2015集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行OpenGL三維圖形開發(fā)生成三維曲線，并融入渲染處理，展現(xiàn)井眼軌跡的三維模擬效果。利用OpenGL提供的方便的三維顯示功能，在三維場景中可靈活調(diào)取標(biāo)注等操作，系統(tǒng)在運(yùn)行期間，利用VS2015提供的數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件，獲取靜態(tài)及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，傳送到三維場景進(jìn)行更新顯示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)在整體上是基于面向?qū)ο笏枷氩⒉捎肕VC三層框架技術(shù)，主要包括5個(gè)方面，分別是：表現(xiàn)層、實(shí)體層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層、數(shù)據(jù)庫。其中，實(shí)體層分上層實(shí)體和下層實(shí)體，兩者之間通過AutoMapper進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換。

5結(jié)束語

本文重點(diǎn)討論了井眼軌跡可視化設(shè)計(jì)的理論以及實(shí)現(xiàn)方法，同時(shí)又結(jié)合了施工地層和井軌跡數(shù)據(jù)，并且將理論融入實(shí)踐研發(fā)中展開后續(xù)研究。首先，研究井眼軌跡的測斜計(jì)算方法，并對這些方法和適用場景實(shí)現(xiàn)了性能對比評(píng)測，選擇最小曲率法和曲率半徑法作為主要的測斜方法。然后，又探究了三維井眼軌跡建模的方法，最后將三維可視化技術(shù)應(yīng)用到鉆井井眼軌跡三維可視化及井筒三維可視化模塊中，對三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，從而得知適合該井眼軌跡三維可視化系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)就是在VS開發(fā)環(huán)境下利用C#語言結(jié)合OpenGL技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬玉鳳，袁野. 井眼軌跡預(yù)測及井眼軌跡三維可視化系統(tǒng)開發(fā)[J]. 微型電腦應(yīng)用， 2017，33（8）：65-67，71.

[2] 嵇杰，姜霞霞. 基于OpenGL的井筒三維可視化算法研究[J]. 網(wǎng)絡(luò)新媒體技術(shù)，2017，6（3）：47-52.

[3] 魏微. 復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井眼軌跡三維可視化技術(shù)研究[D]. 西安：西安石油大學(xué)，2012.

[4] 張敏. 石油鉆井井眼軌跡三維可視化建模[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，7（13）：3182-3183，3186.

[5] 陳剛，楊雪，潘保芝，等. 井眼軌跡計(jì)算及可視化研究現(xiàn)狀[J]. 世界地質(zhì)，2015，34（3）：830-841.

[6] 魯港，商維斌，張瓊，等. 最小曲率法測斜計(jì)算中的數(shù)值方法[J]. 石油工業(yè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008（3）：16-19.

[7] 曹傳文，薄珉. 最小曲率法井眼軌跡控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J]. 石油鉆采工藝，2012，34（3）：1-6.

[8] ROMMETVEIT R， BJORKEVOLL K S， ODEGAARD S I， et al. Automatic real-time drilling supervision， simulation， 3D visualization and diagnosis on Ekofisk[C]//IADC/SPE Drilling Conference. Orlando， Florida， USA：IADC/SPE， 2008：1-12.

[9] ZAMORA M， SIMPKINS D. Development and application of a 3D-wellbore visualization system for hydraulics analyses[C]//SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam， Netherlands：SPE， 2005：1-10.

[10]ROMMETVIET R， BJORKEVOLL K S， HALSEY G W， et al. eDrilling： A system for real-time drilling simulation， 3D visualization and control[C]//2007 SPE Digital Energy Conference and Exhibition. Houston， Texas， USA：SPE，2007：1-6.