可视化技术在石油行业的应用及发展趋势.pdf

可视化技术在石油行业的 应用及发展趋势 I 周定照t 柳 进 罗 强t 黄朝斌 刘忠军s 文 涛- l 1 ． 长江大学； 2 ． 中国石化江汉石油管理局第四机械厂； 3 ． 湖北广兴科技有限公司 摘要可视化是近年来新发展起来的一个研究和开发十分活跃的技术领域，它将计算机图形、图像处理和计算机 觉等技术应用于科学计算领域，目前已在各个学科中得到广泛的应用。文章主要探讨了可视化技术的概念、发展、系统组 成及其在石油行业中的应用和前景。 关键词石油行业可视化技术发展前景 ID O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 3 0 2 x ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 1 2 运用三维表现技术再现三维世界中的物体 ，从而 表示 出三维形体 的复杂信息 ，这种技术就是可视化 V i s u a l i z a t i o n技术 ，这是近几年计算机图形学的快 速发展所产生的一门新型技术，应用前景较广【 1 1 。石 油从最初寻找到最终利用，需要经历很多环节，其中 主要 环节有 4 个 ，分别 为石 油勘探 、油 田开发 、油气 集输和石油炼制。这些环节涉及的学科和技术众多 ， 具有特殊的复杂性，而可视化技术在这些环节上的应 用，则可以大大缩减成本、降低难度、增加安全性等 ， 因此它在 石油行 业 的应 用较 为广泛 。 一 、目前应 用于石油行 业的可视化 技术 随着现代计算机技术的不断发展和图形 、图像 及网络传输设备性能的日益提高，可视化技术被广泛 地应用于石油行业之 中，从而解 决了石油行业 中遇到 的许多问题，使石油的勘探和开发研究发生了巨大飞 跃i 2 】 。目前在石油行业应用最为广泛的可视化技术主 要是基于数学建模、基于虚拟现实与基于 G I S的可视 化技术。 1 ． 基于数学建模的可视化技术 其运用计算机图形学和图像处理技术 ，通过数学 建模将数据信息转换成图像在屏幕上显示出来 ，并可 实施交互处理。基于数学模型的可视化结果 ，不论是 二维图形或三维图形都是最终计算结果的静态显示 ， 因此缺点是交互性较低。该项技术在石油钻井中应用 较 多 。 2 ． 基于虚拟现实的可视化技术 虚拟现实 V i r t u a l R e a l i t y 技术是一项综合集成 技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、 人工智能等领域。它是用计算机生成逼真 的三维视 觉、听觉 、嗅觉等感觉，使人通过适当装置 ，自然地 对虚拟世界进行体验和交互 。其在石油勘探 中应用 较 多 。 3 ． 基于 GI S的可视化技术 G I S G e o g r a p h i c a l I n f o r m a t i o n S y s t e m 是地理信息 系统的简称 。它是 2 0世纪 6 0年代迅速发展起来的地 理学研究技术，是传统学科与现代科学技术相结合的 产物。它通过对地理数据的集成 、存储、检索、操作 和分析，生成和输出各种地理信息 ，是建立在地球科 学和信息科学基础上的边缘科学 ，在数字地球构想中 发挥极重要 的作用。 G I S的可视化技术主要是分析空间对象的空问展 布规律 ，并可进行空问对象的性质计算。同时还可以 直接查询进一步分析所需 的数据。由于 G I S中包含大 量的空间地理信息 ，能够提供丰富的图形 图像信息 ， 裙 诊 2 0 1 0 车 ， 期 g * l 。 | ； 。 簿 ⋯ j | 一 周定照等 可视化技术存 石油行业的应用及发展趋势 并可与相关 的数据和资料建立联系 ，所以利用 可视 化 结 果 可分 析 对 象 的 空 间位 置 属 性 的变 化规 律 。其 在石油地质勘探 、钻井 、集输和油 田信息管理等方面 均 有应 用 。 二 、可视 化技 术在 石油 行 业的应 用 实例 现在几乎所有油 田企业的科研单位都使用了可视 化技术 ，其社会经济效益已比较明显地显示 了出来 。 如三维和四维地震数据解释 、复杂的多边钻井设计与 实现 、油气的存储与运输 ，以及原油的炼制等。 1 ． 石 油勘探 在石油勘探方面，可视化技术可以综合利用地理 信息技术所特有的空间分析功能和强有力的可视化表 达能 力 ，将 地下 的地质 构造 、岩性 、物性 、电性 、油 气的生储盖等特征以及地面勘探施工 、钻采工程等信 息与地理信息相连接，及时、准确 、形象 、直观地 了 解有关形象并进行综合分析对比，从而准确、合理 、迅 速地进行勘探工作部署。同时 ，通过建立包括地震解 释资料、测井解释资料或钻探资料及其他勘探测试数 据在内的综合空间线型数据库 ，将地震剖面资料 、单 井测井资料 、钻井资料及其他勘探测试资料与平面地 理 、地质资料有机地结合起来 ，从而实现对地质地层、 区域构造及油气藏储层进行三维空间的模拟 图 1 至 图 3 图 1 测井解释成 果图 图 2 储 油面积 图 国内的吉和油田、塔河油田、新沟油 田等就使用 了三维 可视 化软件 V o x e l g e o 来研 究油 田地质 的断裂结 构和储集层的分布特征l 3 l 。首先将三维地震保幅数据 体、相干数据体 、波阻抗数据体等输入 V o x e l g e o 中，再 通过砂体的 目标层标定 ，沿 目标层设定种子点并 自动 横向追踪 ，刻画出砂体的分布形态 图3 。在此基础 上 ，进行砂体顶面、底面雕刻，获得砂体的厚度变化， 从而揭示 了碎屑岩河流相砂体以及碳酸盐岩溶洞储集 体 的空间展 布规律 ，为井位部署提供 了有效 的依据 图 4 图 3 井位构布置 l ， ∞． O I 25 O． 0 i n l i l l e 图 4 塔 河油 田河道砂体 立体 显 示 图 2 ． 石油钻井 在石油钻井方面，可视化技术可以综合所有可利 用的数据 ，解决任意类型的轨迹设计 、钻井 目标和平 台设计、井眼轨迹不确定性和防碰分析等问题 图 5 。 在钻进过程中借助可视化工具 ，可以综合利用钻前地 质模型数据和实时测量数据 ，使钻井工程师与地质和 地球 物理工 程师 进行有效 的交 流 ，并 在井场 和办公 室 及不 同地 点 的专 家之 问架 起 沟通 的桥 梁 ，及 时 了解所 钻地层的情况 ，为快速有效地做出和传达钻井决策提 图 5 可 视化钻 井平 台设计 图 2 0 1 0年第 1 期 石油科技论 坛4 9 瞻■困1 ． 供有力的保障。同时通过可视化环境，可以直观地了 解井眼经过的地层和各地层的地质、力学特点，以及 发生的钻井问题，如在某个层段发生了钻井事故，有 哪些可供借鉴的经验和措施。在钻井施工和今后的井 眼设计过程中，就可为事故的预测和处理提供有效的 参考。 美 国T e x a c o 公司在休斯敦建成了世界上第一个 油气工业专用 的虚拟现实可视化 中心 ，它可以实时 进行钻井勘探分析 、钻井设计 、钻井轨迹跟踪。随后 美国 S e i s mi c公司推 出成本较低的可视化 系统 S e i s m i t a r i u m和相应的支持软件 图6 o S e i s m i t a r i u m 系统不仅保持了现有地震解释功能 ，而且提供了浸 入式三维环境 ，可有效地提高地震解释 的速度和精 度。在 S e i s m i t a r i u m系统上进行地震解释如同在野外 露头上绘制特征图 ，数据体 的动画功能包括空间移 动 、变角度旋转和变焦显示等 ，图像触发器允许在 平面直线观察与三维筒状观察间快速转换 ，也提供 三维体视观察 ，展示解释断层 、地层和井眼的空 间 位置。2 0 0 3年，我 国石油工业第一套虚拟现实系统 P e t r o O n e 在 中 国石 化石油 勘探 开发研 究院建 成 并投入使用 ，为我 国的石油勘探事业 的可视化揭开 了新 的一 页 。 圈围困 图 6 S e i s mi c 公 司 S e i s mi t a r i u m可视化系统 3． 石油集输 在石油集输方面，可视化技术可以综合利用地理 信息技术所特有的空间分析功能和强有力的可视化表 达能力 ，在基础空间数据支持下，对深埋于地下的输 油气管线的空间分布、输油能力、工作状况等方面进 行管理 ，充分利用现有的输油管线更好地控制成本 。 在管线出现故障时 ，通过分析地理位置和故障类型以 及管线结构等因素，使维修人员能够迅速找出故障点 并加以解决。同时，为管道线路的设计和管理提供了 高效 、快捷的辅助手段 ，从而提高油气管道管理业务 工作的可视化水平和工作效率『 4 j 。 我 国陕京津石油天然气输配气二期工程管线 的 布设管理就通过 G I S 进行 了可视化 图7 ，改变了传 统的手工图纸标绘方法，运用直观形象、颜色逼真的 立体地貌效果展示给用户 ，提高了用户对石油天然 气管线信息的了解与掌握程度 ，有助于决策者正确 合理地进行管线维修 、管理、设计等方面的决策。同 时 ，它还可进行管线布设时填挖方量的计算；在地形 剖面上叠加表示其他地理变量 ，为管线规划布设提 供参考依据。 图 7 石油 天然气 管线布置可视化 图 4 ． 油田信息管理 传统的油田信息管理系统只注重 自己权限范围内 的管理 ，不能与其他油 田信息管理系统有效结合 ，生 产设备分布的直观性、数据实时性、唯一性、共享性、 联系性差，这使得各个油 田信息管理系统在管理上相 互闭塞 ，部门之间协调性不强 ，以致对油 田事故的预 见性和市场潜力估计不足。 采用可视化技术，利用油 田设备地理空间的唯一 性作为关键索引，把各个系统联系起来 ，对油田设备 的各属性数据和空间数据加以应用 ，利用空间分析能 游 诊 2 0 1 0车 ， ． | | 蠹叠置 周定 照等 可视化技术在石油行业的应 用及发展趋势 力对设 备之 间的逻 辑关系进 行分 析 ，对整个 油 田系统 进行统一建模管理 ，使整个油田信息管理系统依托于 电子地 图 ，形成一个高效 、动态 、实时 、互动性强 、数 据统一的数字油田系统 。 目前 国 内将 可视化技 术应用 于油 田信息 管理 的例 子不多 ，大庆 油 田的研究 人员 曾对此进 行过探 讨 。 因 此，我国应加强叮视化技术应用于油 田信息管理方面 的研究工作。 5 ． 设施管理和设计石油产品销售规划 在石油行业 ，从勘探开发 、油气集输储运 、炼 油化 工 到 产 品 销售 ，其 主要 业 务 的 开展 ，在 很 大 程 度上 依赖 于各类相关设备 没施 的正常工作 ，因此 ， 有效地 规划 、操 作 和维护 这些设 备设 施显 得非 常 重 要 可视化技术能辅助设施管理 ，包括油田地面工程 各专业系统设施定位 ，地面建筑 、设备定位 ，平衡电 网负载 ，设备设 施可视 化管 理与 运行状况 跟踪 ，规划 设施维护，跟踪能耗等。对于炼油、化工产品销售业 务，可利用可视化技术分析市场销售数据、产品信息、 人 口统计信息、交通信息以及供需平衡数据来有效地 选择和建立销售点 ，并通过分析历史客户数据来决定 销售点 的仓 储及 发展 规划 。 目前我 国在 油 田设施 管理 中应用 可视 化技 术的 例 子较少 ，有少数几个炼油 、化工企业尝试性地建设了 基 于 C I S的厂区综合 管线 管理 可视化 系统 、加 油站 管 理可视化系统 、石化安全监控可视化系统外 ，几乎再 没 有实 施 可视化 技术 的经 历 。 6． 可视 化 技 术在 石 油 行 业 应 用存 在 的 问题 可视化 技术在 石油勘 探开发 领域 的应 用虽 然 已经 逐步走向成熟 ，但仍有许多问题待解决 1 油气勘 查 的数据 是多 源 、多种类 、多 主题 和 海 量的 ，常规 的可视化 软件难 以满 足特定 的石 油工程 问题 ； 2可视化图形数据库的建立需要投入大量人力 物力 ，数据的更新速度慢 ，落后于勘探部署工作 ； 3缺乏石油勘探开发领域的专用模型库 ； 4现有的大部分可视化软件功能主要集 中在数 据查询、报表编制 、常规数据分析方面 ，对于深层次 信息挖掘、多技术协同工作等功能则涉及较少。 三、可视化技术在石油行业应用的发 展趋势 1． 与 人工 智 能 的结合 针对 可 视 化 技 术 在石 油 勘 探 开 发领 域 的应 用 中 存 在 的不 足 ， 国 内外有 专 家 提 出将人 工 智 能 与 可视 化技术集成应用 ，形成一种 以数据的高效管理和智 能技术处理为主的数据挖掘技术 ，避免了数据浪费 ， 起到节省信息 的作用 ，节约 了数据重复收集和录入 成本 ，为数字油田的建设增加了利润空间，拓宽了信 息 高速 公路 。 2． 与 互联 网技术 的 结合 可视化技术与当代互联网技术相结合产生 了可视 区域网络技术 。可视区域网络技术就是让用户使用各 种客户端 、各种系统，通过网络访问超级可视化计算 机。可同时邀请石油领域的地质工程师 、钻井工程师 和油气储运工程师等专家一起介入到问题 中来 ，让他 们直接处于协同的工作环境I 5 1 。 可视 化技术 可 以广泛地应 用到石 油与天然 气 的勘 探 、开发、生产 、运输 、炼油 、化工和市场营销，以 及与此 自然相关 的业务活动等各个环节 ，对石油企业 提高工作效率和管理水平 ，加强数据采集 、分析、处 理能力 ，减少决策失误 ，降低企业风险可发挥重要的 作 用 。 【 参考文献 】 ⋯贺全兵． 可视化技术的发展及应用卟 中国西部科 技 ， 2 0 0 8 ， 7 4 4 - 7 ． f 2 】 唐炼．我 国石油天 然气勘探 开发技 术进展与发 展 趋势Ⅲ． 当代石 油石化， 2 0 0 4 ， 1 2 1 0 3 3 3 6 ． 【 3 ] 闵小刚． 三 维可视化技 术在塔 河油田的应 用U ] ． 中国勘探技术， 2 0 0 6 ， 5 4 1 4 8 ． [ 4 ] 万岳武 ， 赵 勇． 石 油天 然气管线信 息可视 化 实现 测绘 与空 间地理信 息， 2 0 0 7 ， 3 0 5 5 9 6 1 ． f 5 1 刘威， 吴红 文． 可视化 与 网络技 术在 石 油领 域 中 的应 用卟 石 油科技论坛， 2 0 0 4 ， 2 3 2 6 5 6 8 ． o 2 0 1 0年 第 1 期 石油科技论 坛5 1