基于可視化技術(shù)的交互式鉆井模擬平臺(tái)應(yīng)用研究

楊崴 金琦

摘 要：由于油氣鉆井涉及到的參數(shù)信息繁多，工藝過(guò)程復(fù)雜，井控安全要求極高，給學(xué)生的學(xué)習(xí)和實(shí)踐帶來(lái)很大的難度。特別在后疫情時(shí)代，如何有效運(yùn)用信息可視化技術(shù)對(duì)鉆井?dāng)?shù)據(jù)及作業(yè)過(guò)程進(jìn)行安全、便捷、形象地仿真模擬，實(shí)現(xiàn)鉆井信息可視化，對(duì)鉆井工程學(xué)習(xí)、實(shí)踐和信息展示有著非常重要的作用。本文研究目的主要是向用戶提供一套輕量級(jí)的交互式操作可視化系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鉆井的正常下鉆、鉆進(jìn)溢流關(guān)井、壓井等工藝過(guò)程模擬。有助于觀察發(fā)現(xiàn)石油開(kāi)采過(guò)程中的存在的問(wèn)題，并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整，將極大地降低石油開(kāi)采過(guò)程中的事故發(fā)生率，保障工作人員的人身安全。同時(shí)相關(guān)人員將知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合，更好地提高專業(yè)水平。

關(guān)鍵詞：鉆井模擬技術(shù);可視化技術(shù);石油鉆井

引言：鉆井模擬技術(shù)可為降低鉆井成本和施工風(fēng)險(xiǎn)，提高鉆井速度提供有力的輔助決策支持，目前仍然是國(guó)外的研究熱點(diǎn)。握國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)展鉆井模擬技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)。鉆井工藝流程操作訓(xùn)練培訓(xùn)模擬，鉆井過(guò)程模擬，鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)模擬等3個(gè)方向，闡述了鉆井模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)外有代表性的鉆井模擬系統(tǒng)的功能和特點(diǎn);從鉆井模擬模型研究，鉆井培訓(xùn)模擬器研制，鉆井模擬系統(tǒng)研發(fā)等3個(gè)方面，分析了我國(guó)與國(guó)外先進(jìn)水平的主要差距。在此基礎(chǔ)上，提出基于可視化技術(shù)的交互式的鉆井模擬系統(tǒng)將是下一步鉆井模擬技術(shù)研究與應(yīng)用的主導(dǎo)方向。

1存在的主要問(wèn)題

（1）傳統(tǒng)教學(xué)課本中由于油氣井涉及到的參數(shù)信息繁多，工藝過(guò)程復(fù)雜，信息表現(xiàn)抽象，以及行業(yè)理論綜合性應(yīng)用要求極高，帶來(lái)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐困難問(wèn)題。

（2）多變的現(xiàn)實(shí)復(fù)雜情況帶來(lái)的危害，需要操作人員提高安全意識(shí)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)理論與現(xiàn)實(shí)情況的有機(jī)結(jié)合。

（3）現(xiàn)場(chǎng)鉆井動(dòng)作難以觀測(cè)，無(wú)法進(jìn)一步提高實(shí)踐認(rèn)知。

2研究目的及意義

基于可視化技術(shù)的交互式鉆井模擬平臺(tái)系統(tǒng)是一個(gè)以現(xiàn)代電子技術(shù)，通信技術(shù)，圖形技術(shù)為基礎(chǔ)，以實(shí)際的鉆井設(shè)備，計(jì)算機(jī)硬件和計(jì)算機(jī)軟件為工具來(lái)模擬鉆井平臺(tái)操作的培訓(xùn)系統(tǒng)，主要用于石油天然氣行業(yè)中鉆井技術(shù)人員的實(shí)驗(yàn)，培訓(xùn)以及考核。

3數(shù)據(jù)數(shù)值模擬過(guò)程可視化設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)數(shù)值模擬可視化的過(guò)程中需要用到大量的物理數(shù)學(xué)計(jì)算模型，主要涉及的都是有關(guān)鉆井過(guò)程中的數(shù)據(jù)計(jì)算。其中比較典型的幾個(gè)計(jì)算模型有鉆速，摩阻，壓力以及U型管的原理。

（1）鉆速計(jì)算模型

純鉆速，按純鉆進(jìn)時(shí)間計(jì)算的鉆速稱為純鉆速或機(jī)械鉆速。其計(jì)算公式為：純鉆速=鉆井進(jìn)尺/純鉆進(jìn)時(shí)間。影響純鉆速的因素主要是，地層情況（地層的可鉆性，地層壓力等）技術(shù)情況（泥漿性能鉆井參數(shù)的配合等）及操作因素。

行程鉆速，按純鉆進(jìn)和起下鉆時(shí)間計(jì)算的鉆速稱為行程鉆速，用（m/臺(tái)時(shí)）表示。其計(jì)算公式為：鉆井進(jìn)尺/純鉆進(jìn)時(shí)間+起下鉆時(shí)間

具體鉆速公式：

（2）摩阻計(jì)算模型

摩擦阻力計(jì)算主要計(jì)算的是地層以及地面上的流體與管道之間的摩擦，在工程上也可以叫做水頭損失，一半來(lái)講講的是沿程阻力，主要的影響因素有流體粘度，管道直徑和長(zhǎng)度，摩擦阻力的計(jì)算在工程中的應(yīng)用很多，用的比較常見(jiàn)的就是范寧公式：

（3）壓力計(jì)算模型

壓力是鉆井過(guò)程中必須考慮的一個(gè)因素，在鉆井過(guò)程中涉及到的壓力有很多，地層之間的壓力，流體之間的壓力，地層與機(jī)械設(shè)備之間的壓力，地層與流體的壓力，流體與機(jī)械設(shè)備之間的壓力，這些數(shù)據(jù)關(guān)系到在鉆井過(guò)程中機(jī)械設(shè)備的使用情況，鉆井過(guò)程中的安全保證以及高效率的采油、采氣。

主要用到的公式：靜夜柱壓強(qiáng)公式： 地層破裂壓力：（休伯特. 威尼斯法） 最大井口注入壓力

（4）U型管原理

當(dāng)U型管壓差計(jì)未與壓力點(diǎn)連接時(shí)，U型玻璃管兩側(cè)的液位等于零刻度線。當(dāng)U形管的一端與壓力點(diǎn)相連時(shí)，U形管內(nèi)的液位將發(fā)生變化。如果與壓力點(diǎn)連接的一側(cè)的液位下降，說(shuō)明測(cè)壓點(diǎn)處的壓力為正壓，反之則為負(fù)壓。工程上U型管主要用來(lái)測(cè)試管道壓力，在某些領(lǐng)域上U型管與PE管道相結(jié)合應(yīng)用，同時(shí)也可作為驅(qū)動(dòng)裝置。

4鉆井井場(chǎng)設(shè)備設(shè)施可視化

在數(shù)據(jù)可視化的同時(shí)，為了使我們能夠更加清晰的看到鉆井過(guò)程中井上井下的實(shí)時(shí)變化，我們對(duì)井場(chǎng)的設(shè)備設(shè)施也進(jìn)行了可視化，它包括了頂驅(qū)，鉆桿，液壓大鉗，卡瓦，管匯等井上設(shè)施以及立管，套管，等井下設(shè)施的可視化，讓我們能夠更加直觀的看到在每個(gè)設(shè)施在不同數(shù)據(jù)的下的工作情況，實(shí)況模擬作業(yè)過(guò)程中設(shè)備設(shè)施的變化。

例如使用Adobe illustrator繪制一些設(shè)備的矢量圖：

使用GDI來(lái)繪制操作界面上的控件：

6鉆井工藝工況可視化

管匯和防噴器就是作業(yè)中非常重要的井控設(shè)備，在發(fā)生事故或者有需要的前提下能夠進(jìn)行關(guān)井，控壓等一系列操作。通過(guò)調(diào)節(jié)防噴器上的閥門以及按鈕開(kāi)關(guān)，可以做到不同程度上的關(guān)井以及控壓。

將數(shù)據(jù)可視化以及設(shè)備可視化相結(jié)合就可以更加直觀的模擬工程作業(yè)中的一些情況，這也就是鉆井工藝工況可視化，它包括了正常下鉆、鉆進(jìn)溢流關(guān)井、壓井等工藝過(guò)程模擬可視化，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)施的參數(shù)進(jìn)行井下作業(yè)的模擬，實(shí)況模擬井下作業(yè)時(shí)可能發(fā)生的情況，并根據(jù)此時(shí)的情況實(shí)施解決辦法。

5結(jié)論

1.交互式鉆井模擬平臺(tái)可以模擬各種極端情況，應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。功能實(shí)用性高。

2.讓鉆井課程的學(xué)習(xí)更加高效，提高同學(xué)們的興趣。

3.對(duì)于從事相關(guān)職業(yè)工作的人員來(lái)說(shuō)，可以提高工作效率，提升鉆井理論知識(shí)能力和技術(shù)水平。

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作者簡(jiǎn)介

楊崴（2001-），男，四川成都人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：軟件工程

金琦（2000-），女，四川資中人，西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

項(xiàng)目基金：西南石油大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202110615099）