三维可视化技术在钻井工程中的应用.pdf

第 2 7卷第 3期 2 0 0 6年 5月 油 学 报 ACTA PETR0LEI SI NI CA VOL 2 7 NO ． 3 M a y 2 00 6 文 章 编 号 0 2 5 3 2 6 9 7 2 0 0 6 0 3 0 1 O 4 0 4 三维可视化技术在 钻 井工程 中的应 用 崔 杰 饶 蕾 中国石化胜利油 田钻井工艺 研究 院 山东东营2 5 7 0 0 0 摘要 应用三维可视 化技术对地 下地 质环境 和钻 井状 态进 行 了三维描述 ， 对常见 的多边形建模 构造 、 参 数化 曲面构造及 细分 曲面 构造等方法进行 了分析 。以改进 的细分 曲面构造 方法 为基础 ， 利用 O p e n GL开发语 言建立 了真 实世界 中复杂物体 的构造和显示方 法， 形成 了描述钻井_T - 程 中断层、 地层 油、 气、 水层 、 地 震体 、 地震层速度垂直剖面 等各 类地下模 型， 同时构 建 了井轨 迹 设 计轨道 、 实钻轨迹、 预测轨道 、 井靶点、 测井及 录井曲线的三维 显示模 型， 实现 了实 时显示 、 分析 和解释 MWD数据和钻井作业数据的操作。 关键词 钻 井工程 ； 三维可视 化技术； 地质模型 ； 数据 库； 三维模 型 中图分类号 T E 8 2 8 文献标识码 A App l i c a t i o n o f t h r e e - d i me ns i o na l v i s u a l i z a t i o n t e c h no l o g y t o d r i l l i ng e ng i ne e r i ng CU i J i e Ra o L e i Dr i l l i n g T e c h n o l o g y Re s e a r c h I n s t i t u t e， Si n o p e c S h e n g l i Oi l f i e l d Co mp a n y，Lt d ．，Do n gy i n g 2 5 7 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t The t h r e e - di me ns i o na l vi s u a l i z a t i o n s ys t e m was a pp l i e d t O t h e u nd er gr o und e n vi r onme nt mo de l i ng a nd s o f t wa r e a r c hi t e c t ur e d e s i g n i n d r i l l i n g e n g i n e e r i n g ．Th e r e a l t i me i n t e r p r e t a t i o n，a n a l y s i s a n d d i s p l a y o f me a s u r e me n t d a t a o f d r i l l i n g p a r a me t e r s c o u l d b e r e a l iz e d b y t h r e e - d i me n s i o n a l g e o l o g i c a l mo d e l i n g ．Th e p o l y g o n mo d e l i n g s t r u c t u r e me t h o d，p a r a me t e r i z a t i o n c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e me t h o d a n d s u b d i v i s i o n c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e me t h o d we r e a n a l y z e d ．On t h e b a s i s o f t h e i mp r o v e d s u b d i v i s io n c u r v e d s u r f a c e s t r u c t u r e me t h o d，t h e c o mp l e x o b j e c t s i n t h e r e a l wo r l d we r e c o n s t r u c t e d a n d d e mo n s t r a t e d u s i n g Op e n GL ．S o me u n d e r g r o u n d g e o l o g i c a l mo d e l s i n d r i l l i n g e n g i n e e r i n g c o u l d b e f o r me d ．Th e t h r e e - d i me n s i o n a l mo d e l o f we l l b o r e t r a j e c t o r y ，we l l t a r g e t ，e l e c t r i c a l l o g c u r v e a n d d r i l l in g l o g c u r v e c o u l d b e c o n s t r u c t e d ．Th e t h r e e - d i me n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n s y s t e m c a n o f f e r t h e a d v a n c e d v i s u a l i z a t i o n a s s i s t a nc e f or t h e pr o du c t i o n o f o i l f i l e d． Ke y w o r d s d r i l l i n g e n g i n e e r i n g；t h r e e - d i me n s i o n a l v i s u a l i z a t i o n t e c h n o l o g y；g e o l o g i c a l mo d e l ；d a t a b a s e ；t h r e e - d i me n s i o n a l mo d e l 目前 三维可 视化 在各 油 田企 业钻 井行 业 中的应 用 逐渐 增 多 。三维 可视 化技 术在地 质导 向项 目中的成 功 应用 ， 不仅为油 田生产提供 了先进 的可视化辅助手段 ， 而且 促进 了油 田数字 化建设 。该 技术 将实 钻和设 计 的 井 眼轨迹 实现 三维 可视 化 ， 可 以实 现 在 随钻 轨 迹上 动 态地显示来 自随钻测量和泥浆录井中实时更新的井眼 轨 迹和 测井 曲线 和 录井 曲线Ⅲ ， 可 以很 方便 地 在 三 维 可 视化 系统 中查询钻 井 的信 息 。 1 钻井 工 程 中三 维 可视 化 的 内容 及 编 程语言 油场环境虚拟现实模型 中包括地 面井场环境 、 地 层 、 油层 孔 隙度 、 渗透 率 和 饱 和度 、 岩 性 剖 面 、 靶 点 、 设 计 、 实钻 和预测 轨迹 、 测 井 曲线 、 防碰 扫描 、 事故 复杂 情 况等 信息_ 2 ] ， 其 中地层模 拟尤 为重 要 。 三 维模 型 显示 主要 应该 考 虑 显示 的 质量 和速 度 ] 。场景 中三维对 象 的显示 质量 必须 要考 虑对 象 的 颜色、 材质、 光照以及与其他模 型间的消隐处理。三维 模型的显示速度则包括第一次构造时的显示速度和构 造 完成 后每 次刷新 时 的显示 速度 两方 面 。显示 的质量 和 速度 都与 三维模 型 的构造 方式 有关 。 Op e n GL图形编程接口可以处理其中一些 因素的 影响。目前在 Wi n d o ws 操作系统中， 0 -p e n GL绘 图采 用的是 S G I 公司提供 的链接库， 库中包含 了 Op e n G L 绘 图 的各种 AP I 函数 。从 程 序员 的角 度来 看 ， 在 编 写 Op e n GL应用程序之前 ， 需要学习和掌握 O p e n GL系 统 ， 还 必须 清楚地 了解 和掌 握 Wi n d o ws 与 Op e n G L的 接 口。除此 之外 ， 还 必 须 掌握 O p e n GL坐标 系统 中三 维 到 二维 的投影 原理 。因为三 维环境 下 的三维 点在 屏 幕上 显示 时， 必须 转换 成 屏幕 上 的 工 ， 二维 坐 标 基金项 目 国家“ 十五” 科技攻关项 目“ 复杂油气藏配套钻井技术及关键装备研究” 2 0 0 3 B A 6 1 3 A一1 1 和 中国石化“ 十条龙” 项 目“ 地 质导向钻井技术 研究” J P 0 3 0 0 9 的部分成果 。 作者简介 崔杰 ， 男 ， 1 9 7 3年 7月生 ， 2 0 0 0年获石油大学 华东 硕士学位 ， 工程师， 现主要从事油 田钻井行业模型研究 和可视化软件开发工作。 E- ma i l ； c u i j i e s l o f ． c o rn 维普资讯 第 3期 崔杰等 三维可视化技术在钻井工程中的应用 1 0 5 系 。钻 井 工程 中 的 三 维 可 视 化 采 用 了 O p e n GI 的 图形编 程接 口工具 。 2 三维 复杂物体多边形构造方法 目前 常用 的 三 维 模 型 曲 面构 造 方 法 有 多 边 形 建 模构 造方 法 、 参 数 化 曲 面 构 造 方 法 和 细 分 曲 面 构 造 方法 。 2 ． 1 多边形建模 构 造方 法 多边 形建模 技 术是 最 早 采 用 的一 种 建 模 技 术 ， 是 用 小平 面来模 拟 曲面 ， 从 而制 作 出各 种形 状 的三 维 物 体。小平面可 以是三角形 、 矩形或其他多边形 ， 但在实 际 中多采 用 三角形 或矩形 。使 用 多边形 建模 可 以通 过 直接创建基本的几何体 ， 再根据要求调整物体形状 ， 或 通 过使 用放样 、 曲面片造 型 、 组合物 体来 制作 虚拟 现实 作 品。多边形 建模 的主要优 点是 简单 、 方 便 和快速 ， 但 它难 以生成 光滑 的 曲面 ， 故 而 多边 形 建 模 技 术适 合 于 构造具 有规 则形 状 的物 体 ， 如 大 部 分 的人 造 物 体 。同 时 ， 多边形 建模可 根据 虚拟 现实 系统 的要求 ， 通过 调整 所建立 模 型的参数 就 可 以 获得 不 同分 辨率 的模 型 ， 以 适应虚拟场景实时显示的需要。 2 ． 2 参数 化 曲面 构造 方法 参 数 化 曲面 构造 方法是 以一个 统 一表达 式 的形式 描述 曲面 ， 从而使 曲 面参数 化 。其 中 ， 常用 的是基 于非 均匀有 理 B样 条 NUR B S 曲面 表 达 的构 造 方 法 ] 。 NUR B S是 计 算 机 图形 学 的 一 个 数 学 概 念 。 NUR B S 建模 技术 是最近 4年来 三维 动 画最主 要 的建 模方 法之 一 ，特别适 合于创 建 光 滑 的 、 复杂 的模 型 ， 在 应 用 的广 泛性 和模 型的细节 逼 真性方 面具 有其 他技 术无可 比拟 的优势 。但 由于 NUR B S建模必须使用曲面片作为其 基本 的建模 单元 ， 它也 有很 强 的局 限性 ① NUR B S曲 面 只有有 限 的几 种拓 扑 结 构 ， 很 难 制作 拓 扑 结 构很 复 杂的物体 例如带空洞的物体 ； ②NUR B S曲面片的 基本 结构 是 网格 状 的 ， 若模 型 比较 复 杂 ， 会 导致控 制点 急剧增加而难以控制 ； ③构造复杂模 型时要经常裁剪 曲面， 但大量裁剪容易导致计算错误 ； ④ NUR B S技 术 很难 构造“ 带有分 支” 的物体 。 2 ． 3细分 曲面构 造方 法 细分曲面技术是最近引入 的三维建模 方法 ， 它解 决 了 NUR B S技术 在 建立 曲面 时 面 临 的 困难 ， 用 任 意 多 面体 作 为控制 网格 ， 然 后 自动 根 据控 制 网 格来 生成 平滑 的 曲面 。细分 曲面 技 术 的 网格 可 以是 任意 形 状 ， 因而可 以很容易地构造出各种拓扑结构， 并始终保持 整个 曲面 的光滑性 。细分 曲面技 术 的另一个 重要 特点 是 只在 物体 的局部 增 加 细 节 ， 而不 必 增 加 整 个 物体 的 复杂 程度 ， 同时还 能 维持增 加 了细节 的物体 的光 滑性 。 3 三维地层 的构造 和显示 3 ． 1三 维地层 的构 造 在三 维浏 览器模 块 的 开发 中 ， 地 层 数 据 一般 由油 田地 质人 员提 供 ， 以规 则 的 采样 点 阵 的形 式 保存 在数 据文件中。一块地层的数据信息一般只保存在一个数 据 文件 中 。 在 这个地 层数 据 文 件 中 ， 地层 采 样 点 阵 是从 起 点 平 面坐 标开始 ， 逐 行记 录每个 采样 点 的深度 值 、 可见性 标识、 孔隙度 、 渗透率、 饱和度等信息。所 以在地层 的 建立 上 ， 可 以将数 据文件 中的采样 点 阵组成 一个规则 的 三角 形 网格 ， 即把 地层看成是一个 由采样 点 阵组成 的 网 格状表面， 网格 中的每个 顶点都代表地层的采样点信 息 ， 然后将这个 网格 中每三个相邻 的可 见顶 点组成 一个 三角形 每点 限用 一次 而形成 三角形 网格 。这样 ， 这个 规则 的三角形 网格 就可 以用来 表示 采样 点 阵所 描述 的 真实地层表 面 。由一个采样 点阵组成 的网格见 图 1 。 图 1 5 5规则分布的采样点阵组成的 网格 Fi g． 1 La t t i c e c ompo s i t i o n g r i d wi t h 5 5 r e gu l a r d i s t r i b ut i o n s a m pl i n g 为了在三维场景中显示出一个起伏的表面， 须给网 格中每个顶点赋予所表示的采样点的深度值， 形成空间 中的三 维坐标 。图 2 是 一个 带起伏 表面的三角形 网格 。 图 2带起伏表面的三角形 网格 Fi g． 2 Th e t r i a n g l e g r 试 wi t h flu c t u a t i o n s u r f a c e 每个顶点信息包括顶点 的三维坐标、 顶点的法 向 量 、 顶 点 的颜色 、 顶 点 的纹 理 坐 标 、 采 样 点 渗 透率 和 可 见性标 识 。通 过一个 索 引 列 表 ， 对 这 些 顶 点进 行 索 引 来建立三角形网格； 可以通过索引缓冲来索 引顶点进 行 三 角形 的绘 制 。这 不仅 可 以减少 绘制 三角形 使用 顶 点 的数量 ； 而且当用户修改地层的显示形状时 ， 即部分 采 样 点的可 见性 标识 被 改 变 时 ， 系统 只须 对 索 引列 表 维普资讯 n 韭f T 修 ” 瞳靳硅 一 个 ⋯ 埔彤 刚恬 ’ 憎状 ． 哒 ／ 】 l r提高 系统娥 如j 他 蛔峙悯 c l -． 娟l 之 撞缝处 ’ F 泔过 渡 的被 { l I i } 讶 群 , f - 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9 ． E 8 3 江胜宗 ， 夏尊铨 ， 曹里民． 侧钻水平井 轨道三维优化设 计模型及应 用[ J ] ． 石油学报 ， 2 0 0 1 ， 2 2 3 8 6 9 0 ． 收稿日 期2 0 0 5 1 0 0 9 改回日 期2 0 0 5 1 2 ． 0 7 编辑 黄小 娟 。／ ⋯ 一⋯ ⋯ ⋯ 一一一一⋯ 一一⋯ 一一⋯ 一 ⋯ ⋯ ⋯ 一 一 ⋯一⋯ ⋯一⋯ 中国 科学院 提出 加快我国 具有自 主产权的L N G 技术研发的建议 目 前 ， 国 际 上 液 化 天 然 气 技 术 已 经实 现了 较 高 程 度 的 商 业 化 运 作， 从 液 化 天 然 气 工 艺 设 计 到 施 工 ， 以 ； 至调试运行 、 人员培训等完全商业化运营。国际大公司基本拥有各 ca的天然气液化流程、 冷箱设计专利及 } 核心技术， 另外拥有比较成熟的项 目运营管理经验 ， 这是 国内研究设计单位所严重缺乏的。虽然国际上关 i 于天然气的运作已经商业化， 但是各公司仍然大力投入天然气液化技术的研发， 以进一步提高天然气液化 流程效率， 减小 系统复杂性， 提 高可靠性 ， 以及减少设备初投资及运营成本等。 ； 目前 国 内天 然 气技 术发展 虽然相 对 落后 ， 但 是也 具有 一 定 的技 术 积 累。根 据 目前 国 内 外能 源发 展 需 求， 建议应当从中小型天然气项目和调峰项目 入手， 利用国内现有研究基础， 开展相关内容的基础技术及 } 工艺技术的攻关， 加大基础技术研究力量和经费的投入， 力争使我国在天然气技术领域有所突破， 为改善 j 我国能源利 用结构， 减缓能源紧张贡献力量。同时提 出如下建议 I 1 ．开展 天然 气液化技 术 的相 关基础 研 究和技 术攻 关 。建 议 以现 有 深 冷 混合 工 质 节流 制 冷技 术 为 基 ； 础 ， 开展 高效液化 流程 相 关基 础研 究工作 ， 积 累和 掌握 相 关 天 然气 液化 冷 箱设 计 的基 础 参 数 、 设 计原 则 及 I 方法； 深入开展深冷混合工质节流制冷流程的优化设计， 提高液化效率及优化流程结构和简化流程组织， 减 少设备初 投 资。最 终为我 国天然 气液化提 供 具有 自主 知识 产权 的液化技 术。 ； 2 ．建立 具有 中小规 模 的天然 气液化 装 置 。根 据 国 内天 然 气液化 需求 中西部 地 区 中小气 田或城 市液 { 化调峰 系统 ， 建议开展相关中小型液化装置 1 0万 m ／ d及以下的量级规模 的方案论证、 设计及制造建 T { 设工作。 j 3 ． 组建类似国家级工程中心形式的液化天然气技术研发平台。建议依靠国内现有研究单位， 组建液 化天然气技术研发的_ T - 程 中心 ， 形成一个稳定的研发平台， 培养和组织一支精干的研发人 才队伍。国家在 ； 中心启动 的一 定 时期 内给 予启 动经 费支持 。工程 中心 的液化 天然 气技 术 可以与 国 内大型 天然 气 、 石化 石 油 公司 合作， 建立具有自 主知识产权的天然气液化工业及相应配套产业链。在天然气液化、 煤层气液化 { 分离、 车用液化天然气燃料等新兴能源领域发挥重大作用。 摘 自 石 油综 合信 息 、 ● ●● ● ● ●● ● ● ●● ● ● ●● ◆ ● ●● ●● ●● ● ●● ● ● ● ●● 维普资讯