（机械工程专业论文）基于opengl的定向钻井可视化软件开发.pdf

摘要 本课题来源于中国石油天然气集团公司“十一五科技攻关项目，项目号为 2 0 0 8 c 一2 1 0 0 ，项目名称为“钻井随钻测量与控制技术研究”的子课题“井下控制工程 基础理论与旋转导向中的声波传输技术研究” 计算机可视化技术在石油工程中已取得了长足的发展，已经深人到石油工业的许多 实际工程中。在井眼轨迹的可视化方面，许多油田、高校以及科研院所都做了一些尝 试，但是，在国内的钻井软件方面，虚拟现实技术的实际应用并不多。国内绝大多数 油田仍以手工绘制或计算机二维绘图为主，这既耗人力物力，又不生动直观，给井眼 轨迹的控制、开发方案的制定和油田开发的管理和决策等带来不便，因此，国内基于 虚拟现实技术的钻井软件开发，具有非常重要的现实意义。 论文对钻井软件的国内外研究现状进行了深入调研，并深入油田一线对当前钻井 现状及钻井软件的使用情况进行了深入了解。根据定向井的发展情况，对当前出现的 定向井轨道进行了归纳总结，经过对比研究，利用v c + + 和o p e n g l 对应用最为广泛的几 种定向井进行了轨道设计的三维可视化实现。 对常见轨迹计算方法进行了深入研究，根据实钻井眼轨迹的钻进方法和内插的难 易程度，经过对比，选择了最为合适的轨迹计算方法。实现了实钻轨迹的三维可视 化，并且在此过程中实现了e x c e l 文件数据与井眼轨迹三维可视化之间的信息交互，实 现了井的类型无关性，即任意一口井，只要输入参数，就可以得到该井的井眼轨迹。 经过调试，软件运行界面良好，操作简单。通过运行设计的钻井软件，用户可以 直观、形象的观察到设计定向井及实钻井眼的轨迹。在软件的编制过程中，增加了图 形的放大缩小、移动、旋转等功能，添加了多种工具栏按钮。 本课题通过对定向井轨道设计理论和实钻轨迹计算方法的研究，运用面向对象的 程序设计方法实现了井眼轨迹的三维可视化。为井眼轨迹的设计与控制，开发方案的 制定和油田开发的管理与决策带来了方便，达到了课题预期的效果。 关键词：定向井，井眼轨迹，三维可视化，计算机图形学，钻井软件 3 dd i r e c t i o n a ld r i l l i n gv i s u a l i z a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do no p e n g l w e iw e n q i a n g ( m e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a ow e n s h e n g a p r o f l i uj i a n a b s t r a c t t h i st a s ki st h es u b t a s ko fc o n t r 0 1e n g i n e e r i n gu n d e rt h es h a f ta n da c o u s t i cw a v e t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi nr o t a r ys t e e r a b l er e s e a r c ht h a ti st h es u b p r o j e c to fm e a s u r e m e n t w h i l ed r i l l i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g yt h a tc o m e sf r o mt h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tp r o j e c t o fc h i n an a t i o n a lp e t r o l e u mc o r p o r a t i o n a n di t sp r o j e c tn o i s2 0 0 8 c - 210 0 c o m p u t e rv i s u a lt e c h n i q u e h a sa c h i e v e dc o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n ti np e t r o l e u m e n g i n e e r i n ga n dh a sb e e nd e e pi n t om a n yp r a c t i c a lp r r j e c t si np e t r o l e u mi n d u s t r y m a n yo i l f i e l d s u n i v e r s i t i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u k sd oal o to fa t t e m p t s i nw e l l t r a j e c t o r y v i s u a l i z a t i o n ，b u tu n t i ln o w ，t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi sn o t m u c h b e c a u s em o s to fc h i n a so i lf i e l d ss t i l lu s eh a n d p a i n t e do rc o m p u t e rt w od i m e n s i o n a l p l o t t i n gt od r a ww e l lt r a j e c t o r y , t h i sn o to n l yi n c r e a s ew o r k l o a d ，a n dn o tv i v i d ，a n di tb r i n g s m a n yi n c o n v e n i e n t i nw e l lt r a j e c t o r yc o n t r o l ，d e v e l o p m e n tp r o g r a mf o r m u l a t ea n dt h e m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o ni n f i e l dd e v e l o p m e n t ，s oi t sv e r yi m p o r t a n tt od e v e l o pd r i l l i n g s o f t w a r eb a s e do nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g yi no u rc o u n t r y w es u r v e y e dt h er e s e a r c hs t a t u so fd r i l l i n gs o f t w a r ea th o m ea n da b r o a d 。a n dg a i na l l i n s i g h ti no i ld r i l l i n ga n dd r i l l i n gs o f t w a r eu s a g es i t u a t i o ni n t h ef i e l d a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n t o fd i r e c t i o n a lw e l l s w es u m m a r i z e dt h ec u r r e n t a p p e a r e d d i r e c t i o n a l w e l l s ，t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，w er e a l i z e dt h e3 dv i s u a l i z a t i o no ft h em o s tw i d e l yu s e d d i r e c t i o n a lw e l l s t 1 1 i st a s km a d ei n d e p t hr e s e a r c hi nc o m m o nt r a j e c t o r yc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，a c c o r d i n gt o t h ed r i l l i n gm e t h o do fa c t u a lw e l lt r a j e c t o r ya n di n t e r p o l a t i o ni no r d e ro fd i f f i c u l t y , w e c h o o s e dt h em o s ts u i t a b l et r a j e c t o r yc a l c u l a t i o nm e t h o dt h r o u g hc o m p a r i n g t h j ss o f t w a r e r e a l i z e dt h e3 dv i s u a l i z a t i o no fa c t u a lw e l lt r a j e c t o r y ，r e a l i z e di n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e n e x c e lf i l ed a t aa n dw e l lt r a j e c t o r y3 dv i s u a l i z a t i o n ，i t sa l s or e a l i z e dt h et y p eo fw e l l i n d e p e n d e n c e ，t oa n yw e l l ，a sl o n ga sw ei n p u tp a r a m e t e r sa n dw e c a l lg e tt h ew e l lt r a j e c t o r y a f t e r c o m m i s s i o n i n g ，t h e s o f t w a r e o p e r a t i o n i n t e r f a c ei s g o o d a n de a s yt o o p e r a t e t h r o u g hr u n n i n gt h ed e s i g n e dd r i l l i n gs o f t w a r e ，l l s e r s c a l lv i s i b l e , v i v i do b s e r v e d d e s i g n e dd i r e c t i o n a l w e l l sa n da c t u a lw e l lt r a j e c t o r y s o f t w a r ei n c r e a s e dm a n yi m a g e f u n c t i o n s ，s u c ha sz o o m i n g ，m o b i l ea n dr o t a t i o n ，a n da d dm a n y t o o l b a rb u t t o n s t h i st a s kr e a l i z e dt h e3 dv i s u a l i z a t i o no fw e l lt r a j e c t o r yb yo b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n i q u et h r o u g ht h er e s e a r c ho fd i r e c t i o n a lw e l l sd e s i g nt h e o r ya n da c t u a lt r a j e c t o r y c o m p u t i n gm e t h o d ，b r i n gc o n v e n i e n tt ot h ed e s i g na n dc o n t r o lo fw e l lt r a j e c t o r y ，m a k ed e v e l o p p l a na n dm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o no fo i lf i e l d ，r e a c h e dt h ee x p e c t e de f f e c t k e y w o r d s ：d i r e c t i o n a lw e l l s ，w e l lt r a j e e t o r y , 3 dv i s u a l i z a t i o n ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，d r i l l i n g s o f t w a r e 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 1 定向井概述 定向井按预先设计的钻井轨迹钻进，其设计井眼轨迹由多段直线和光滑曲线组 成，井底相对井口有一定的水平位移，或者可以理解为，定向井就是设计目标点、目 标段偏离井口所在铅垂线的井，定向井的应用范围很广，可归纳如图1 - 1 。定向井概念 的由来针对于日常钻井中的直井，其区分的依据是设计井眼轨迹的井眼轴线形状。直 井的井斜角为零度，井斜方位角不存在。尽管实际钻成的直井都具有井斜角，甚至有 的井斜角很大，但其仍然归属于直井。定向井又包括二维定向井及三维定向井，其区 分也是以设计井眼轨迹的的井眼轴线形状。二维定向井的井眼形状只在某个铅垂平面 上变化，它们具有变化的井斜角及恒定的井斜方位角。而三维定向井则既存在变化的 井斜角，又有变化的井斜方位角。通常实钻的二维定向井井眼轨迹既有井斜角的变 化，又有井斜方位角的变化，但其仍然归属于二维定向井。 定向井广泛应用于石油领域的勘探与开发中。当在某些地区钻井时，如果其地面 上难以建立井场、安装钻井设备，那么该地区勘探开发地下油气资源的唯一的办法就 是从该地区附近打定向井。在海洋或湖泊等水域上勘探开发石油，最好是建立固井平 台，或采用移动式钻井平台，或从岸边打定向井、从式定向井。难以通过直井在复杂 地层中钻探石油和天然气层，可以通过定向井的形成，绕过这些复杂的地层，被称之 为绕障定向井。断卡钻、井喷着火等钻井中长出的恶性事故可运用侧钻井、救援井来 解决。近些年来，各种类型的水平井、多分支井、大位移井和三维多目标井不断出现 和发展，使得定向井在优化油藏开发方案，提高采收率等方面得到了应用。另外，定 向钻井技术在煤层气、地热、卤水、固体矿产以及天然气水合物等非石油勘探开发方 面也得到了广泛的应用。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 1 定向钻井的应用范围 f i g l - 1t h ea p p h c a f i o n so fd i r e c t i o n a ld r i l l i n g 1 9 3 2 年，定向钻井技术诞生于美国加利福尼亚，当时石油开采已经由陆地深入到 海里，为了进行海上油田的开采，采取了从海岸钻定向井的方法。目前，定向钻井技 术做为最重要的技术手段而存在于石油勘探开发中。 1 9 5 6 年，在前苏联专家的帮助下，玉门油田打了一批定向井，标志着我国的定向 钻井技术的开始。前苏联专家在上世纪6 0 年代撤离后，我国独立自主的进行定向井攻 关，在四川钻出了许多高难度的定向井和水平井，曾达到相当高的技术水平，与当时 世界先进水平保持同步。在当时，我国是世界上第二个钻成水平井的国家( 第一是苏 联) 。但在2 0 世纪6 0 年代中期以后，我们与世界先进水平逐渐产生了较大差距。7 0 年 代到8 0 年代初期，在江汉油田、胜利油田以及渤海油田，定向钻井仍在继续，钻了一 批小斜度定向井。从1 9 8 5 年到2 0 0 0 年的1 5 年，我国连续三个五年计划，集中了国内大 油田、石油高校和研究院所的力量，对定向井、从式井、水平井和侧钻水平等关键技 术进行了重点攻关，取得了极其显著的成果，大大缩短了与世界先进水平的差距。期 间，我国海上油田发挥对外合作的优势，在大位移井技术方面也取得了重大突破， 1 9 9 7 年我国南海东部公司，依靠外国公司的技术，打了一口大位移井( 西江2 4 - a 1 4 井) ，创造了大位移井的几项世界纪录，1 9 9 9 年又打了一口( 西江2 4 - a 1 7 井) 。我国 现阶段，定向钻井事业又进入了新的发展阶段。 近三十年是国内外定向钻井技术迅速发展的阶段。在该时期，起主导作用的是硬 件的发展：在测量仪器方面，使用了磁通门和加速度计，出现了电子测量仪和随钻测 量仪；在造斜工具方面，开始出现了由玩外壳螺杆钻具组成的滑动导向钻井系统，进 而出现了多种形式的旋转导向钻井系统，促进了定向钻井的技术的显著提高，有效提 升了定向钻井的质量、速度和效益。 目前，关于硬件方面，我国定向钻井技术发展仍相对国外先进水平存在明显差 2 第一章绪论 距。但是，放到定向钻井理论研究的角度，我们保持了同步，甚至在某些方面领先于 国外。在定向钻井的理论研究方面，我国学者做出过重要的贡献。 在石油勘探开发中，定向钻井技术已经发挥了重大作用，今后还将继续发挥更大 的作用i l 】。 1 1 2 课题背景及研究意义 井眼轨迹质量的好坏在建井过程中对钻井施工的整体质量影响很大，质量差的井 眼轨迹，在大位移井中，极易造成卡钻或施加钻压困难。而复现井眼轨迹的最有力方 法是对井眼轨迹的测量以及井眼轨迹位置参数方面的确定与描述【2 j 。 传统定向钻井，施工中若要调整钻头方向及井眼轨迹，以便能够达到预定的靶 区，需要先将钻杆和钻头取出，方能进行测井，钻井工程师根据测井数据进行人工计 算，画出二维井间的相互关系图及井眼轨迹图，做出预测以及进行调整后再开钻，费 时费力，工作周期长【3 】。 现如今，在石油勘探开发领域，科学计算可视化与计算机图形学技术已经深入到 石油工业的许多工程实际中，主要包括地震资料的交互解释、储层模型建立、钻井轨 道设计、海上钻井平台设计以及多学科工作组的协同工作等领域，有效地提高了工作 效率和成果质量【4 卅。虚拟现实技术依靠其强大的“体渲染 技术，可以使钻井过程中 不同学科、不同专业领域的数据和分析结果同时显示于一个虚拟化的环境中，可以极 大地提高团队的工作效率，有效改变目前钻井过程存在的弊端。 国内的定向井设计往往只重视中靶结果，而轻视设计。即在钻井轨道控制过程 中，只注重中靶结果，轻视实钻轨迹是否沿着设计轨道钻进，不太注重图形直观地显 示钻井成果。在井眼轨迹控制技术方面，国内的部分定向井软件，在三维设计功能常 存在欠缺，并且往往采用二维近似计算或者试算法设计存在一定侧钻点偏移的侧钻井 或者大斜度井段扭方位角，设计轨迹需多次调整方能中靶，实钻轨迹存在很大摩阻和 摩擦扭矩，不但多用螺杆钻具、仪器，而且延长了钻井时间，增加了成本，对施工作 业带来了潜在的隐患和不必要的井下复杂。而且国内开发的软件并不能很好的实现井 眼轨迹三维可视化；国外价格高昂的钻井可视化模块，仅仅提供了软件使用权，而并 无自主版权。在这种背景下，本课题要着手开发定向井钻井轨道设计与井眼轨迹监测 三维可视化系统，以帮助钻井技术人员更加直观、形象的观察井眼轨迹，更好的进行 井眼轨迹的设计和控制，便于进行开发方案的制定和油田开发的管理和决策，以便更 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 好的服务于石油工业，提高经济效益，因此开展此项工作很有必要【刀。 本课题来源于中国石油技术开发项目“钻井随钻测量与控制技术研究”子课题“井 下控制工程基础理论与旋转导向中的声波传输技术研究”，项目号2 0 0 8 c 一2 1 0 2 。 1 2 国内外研究现状分析 上世纪8 0 年代中期，可视化的需求伴随超级计算机飞速发展而越发强烈，可视化 的硬件条件的增强以及图形图像技术的发展成熟，都为可视化技术的迅猛发展的提供 了前提条件。作为从事大规模科学计算有效工具的科学计算可视化受到了美国、欧洲 和日本等发达国家的高度重视，这些国家均投入大量的人力、物力和财力来进行科学 计算可视化的研究、应用与培训，目前计算机可视化技术早已渗透到石油工程领域，并 在石油工业的许多实际工程中得到了深入运用【8 加】。 1 2 1 国外研究现状 s a n t o s 等人在1 9 9 4 年实现了再m i c r o s o f tw i n d o w s9 5 环境下井眼轨迹三维可视 f o r t r n 程序，但因为当时落后的图形学技术，其单调的显示方式甚至不能实现局部 图像的放大和图像的裁减。很多公司在此之后开始进行钻井软件井眼轨迹的三维显 示。 l a n d m a r k 公司9 5 版本的w e l lp l a n 在业界处于领先地位，具有完整的钻井工程解决 方案和单调的井眼轨迹三维显示【1 1 , 1 2 】。 s c h l u m b e r g e r 公d i r l l i n go f f i c e 系统所包含的井眼轨迹的三维显示模块是一个三维 直观的计划，模拟钻井过程的应用程序，不同地层、体积、靶点、钻井轨迹，以及测井 曲线，不确定性椭圆和沿着井轨迹的三维数据图像都能够在三维空间中得以显示。人 们可以利用独立的o i 浏览器观察被保存为o i 文件的三维显示。能够实现钻井工程设计 的科学化和计算机化，设计内容包括合理井深结构设计、定向井和水平井轨迹设计、 泥浆设计、固井设计、钻头选型、水力参数和钻井参数设计、套管( 含油管) 及钻具 强度校核、扭矩摩阻分析、钻井进度预测、钻井成本预算和风险分析、井控模拟、高 温高压井温度模拟等，其包括如下一些模块： ( 1 ) w e l ld e s i g n 井眼轨迹设计模块：具有用户界面良好，具备常规二维和复杂 三维井眼轨迹设计和误差椭圆分析( w o l f f & d e w a r d t 、s h e l l 和i s c w s a ) 能力，可进行 多靶点的定向井和水平井设计，测斜数据处理方法包括6 种：最小曲率法、曲率半径 法、平均角法、正切法、平衡正切法和m e r c u r y 方法，全角变化率计算方法有两种 4 第一章绪论 ( l u b i n s k i & w i1s o n ) 可供选择。 ( 2 ) s u r v e ye d i t o r 测斜计算模块：可对来自现场测斜数据进行处理，计算垂 深、水平位移、北距、东距、狗腿度、造斜率、方位改变率等。 ( 3 ) c l o s ea p p r o a c h 防碰扫描模块，可对多油田多平台同时进行扫描，具有多种 扫面方式可供选择，提供多种不确定椭圆分析方法，具有井间接近警告提示功能，可 选择井斜测量误差模式并对其进行再编辑，可同事考虑相邻平台的防碰扫描问题。 ( 4 ) d r i l i v i z 三维可视化钻井显示系统：可显示钻井轨迹和误差椭圆，可实时对 地质模型进行修正，实现了当前井与邻井轨迹的三维显示，便于根据修改后的地质模 型，快速修改井眼轨迹，提高钻井质量与中靶精度，在真三维状态下精确显示井间的相 对位置及井与构造间的相对位置，根据需要可显示多层构造。 ( 5 ) b h a 钻具与井筒编辑模块：采用流行的“拖一放 ( d r a ga n dd r o p ) 方式， 能够快速创建入井工具( b h a ) 和井眼几何形态设计方案。该软件包含了a p i 标准中所有 的管材与接头、工具，还有目前钻井行业常用的工具。同时允许用户自定义其特种管 材与工具。 ( 6 ) d r i l l s a f e 摩阻、扭矩、钻井趋势分析模块：采用当前最好的钢杆、多摩阻 系数模型( 精度高) ，具有单点、多点分析计算功能，可模拟滑动、回转、倒划眼钻井施 工，可计算钻具中的摩阻、扭矩、井壁接触力、钻具的前进趋势、钻头侧向力，对不同 的b h a 、钻井轨迹、井眼参数及其不同的组合进行对比分析，给出安全的钻井施工参数 取值范围，给出系统允许使用的最大值。 ( 7 ) h y d r a u l i c s 水力学分析模块：计算任意深度的系统压力降，计算任意深度的 当量循环泥浆密度，分析井眼的清洁状况，对钻头和马达参数进行优化，具有滑动棒功能 ( 变参数分析) ，对不同的b h a 、钻井轨迹、井眼参数及其不同组合进行对比分析，给出安 全的钻井施工水利学参数取值范围。 ( 8 ) c e m c a d e 固井设计与模拟：在d o w e l l 已有1 5 年历史的固井软件基础上开 发完成，考虑了u 形管、抽吸、压力激动、及套管偏心的影响，可设计计算和优选扶 正器位置，预测泥浆运移、气串的发生，优化固井设计，提高固井成功率和固井质 量，减少固井成本及候凝时间。 ( 9 ) t d a s 套管、油管设计与分析模块：具有超过1 5 年的商业应用历史，可对管 体和接头进行单轴、三轴应力分析，采用最小成本法对管串进行优化，可同时考虑温 度、弯曲、变形和浮力的影响，可采用不同的设计系数，计算结果准确可靠。 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 p a r a d i g m 公司的井眼可视化软件将地质数据与钻井数据溶为一体，该公司开发了三 维地质信息显示系统。 l a n d m a r k 公司开发的三维钻井视窗。因为实现了设计剖面数据和井眼轨迹的的三 维可视化，从而可以有效应用于丛式井、大位移井以及多分枝井钻井的防碰。同时， 可视化显示数据有助于地质导向钻进过程中的钻井解释与决策。l a n d m a r k 公司的3 d d r i l lv i e w 和3 dd r i l lv i e wk m ( 知识库管理工具) 是w i n d o w s 环境下的三维可视化 工具，可为钻井工程师、地球物理师和其它钻井有关人员提供帮助。该软件将设计油 井与实钻井眼进行直接对比，综合分析和处理来自油井的测量数据，从而快速确定钻 井方案。另外，该软件经过大量对比地球模型和钻井作业数据，依据过去发生事故的 经验，修正现在的设计油井，方便实钻钻井进行参考。 l a n d m a r k 的三维钻井视窗能够满足钻井工程师和地学家的现场使用需要，在钻井 现场与指挥中心之间进行实时综合数据处理提供了方便。在委内瑞拉奥里诺科的重油 带钻井过程中，工程师在指挥中心运用三维钻井视窗综合分析处理井下随钻测井数 据，对井眼路线进行实时修正，成功在产油层最佳部位钻出水平井分支井。实时处理 的钻井数据包括泵量、立管压力、转速、扭矩、拖曳力、钻深、方位及倾斜度等。为 了确定钻头钻穿的是砂岩还是页岩，是油还是水，根据伽马射线和电阻率测井数据， 系统自动计算形成一套岩石物理封闭曲线，并标以彩色。随后，这些曲线被叠加到深 度转换地震数据上，作业者可以每天制定出2 0 多个定向计划，应用l w d 数据，每2 分钟 就可以对地质数据进行一次更新。钻头在实时数据的引导下，寻找含砂量最大的水平 层段，最大限度地降低了侧钻成本。 s i n c o r ( 为p d v s a 公司所有) 与s t a t o i la s a 成功地完成了一套协同井眼轨迹设计与 实时决策支持系统。该系统是基于h a l 1i b u r t o ns p e r r y s u n 为o p e n w o r k s 建立的通讯系 统i n s i t e 之上的，这是三维系统d r i l i v i e w 实时部分的关键所在。i n s i t e 是s p e r r y - s u n 公司网络化的井场信息系统，o p e n w o r k s 是l a n d m a r k 的勘探与开发工程数据管理系统。 在v e n z u l a so r i n o c a 的z u a t a 区稠油带、s i n c o r 公司头一次得到这样的效果：可 以把井场获得的l w d 数据与基地的地质模型合而为宜，从而实时地改变井眼轨迹。 1 2 2 国内研究现状 国内对可视化的研究工作也非常重视。国家自然科学基金委员会和国家科委都对 科学计算可视化进行了资助。清华大学、浙江大学、中国科学院软件研究所和中国科 6 第一章绪论 学院c a d 研究室等国内主要的图形学研究单位在可视化方面都投入了大量人力物力， 并且在可视化上也取得了一系列重要应用成果。 在井眼轨迹的可视化方面，许多油田以及高校、科研院所都做了一些尝试，但 是，在国内的钻井软件方面，并未见到太多的虚拟现实技术的实际应用。我国有相当 数量的油田仍将手工绘制或计算机二维绘图作为主要轨迹描绘方式，这既耗费大量人 力物力，且轨迹观察效果一般；而且，仅以某一个或某几个面的钻井轨迹投影图进行 描述，难于进行井眼轨迹的控制、开发方案的制定和油田开发的管理和决策，因此， 国内基于虚拟现实技术的钻井软件开发，具有非常重要的现实意义。 胜利石油管理局钻井工艺研究院孙正义等人，在2 0 0 2 年开发完成钻井轨道设计及井 眼轨迹监测三维可视化系统，软硬件相结合，成功实现三维立体显示与人机交互功 能，既能够进行钻井轨道设计又能够对井眼轨迹进行实时监测。经过软件实际测试， 效果显著。整个软件用v c + + 6 0 和o p e n g l 进行编制，并且佐以必要的硬件配置，开发 成功【1 3 1 。 中石化勘探院在3 年技术跟踪、研究和筹划的基础上，在2 0 0 3 年落成并投入使用了 中国石油工业历史上首个虚拟现实系统p e t r o o n e 。 此系统集成了多种高新技术，其主机系统为s g i on y x 3 9 0 0 ，配置了1 2 个c p u ，3 个 p i e p e l i n e ，3 6 t b 硬盘容量及2 4 g b 的内存，该系统的扩充性良好；投影系统采用的是可 在完全日光环境下工作的科视公司最大亮度达到6 0 0 0 h l i n i n 的m i r a g e 6 0 0 0 d l p 数字光学 投影仪；控制系统采用了数字手套、鸟群跟踪器等一系列无线遥控装置，可以在现场 对全方位操控研究对象，可以遥控声光电系统，简单的操作使得系统的整体可用性得 到极大提高；应用软件系统使用的是整体水平世界领先的l a n d m a r k 公司开发的 g e o p r o b e 虚拟现实软件系统。 此系统可以虚拟现实状态下对地震资料进行常规解释，系统实现的功能较多，在钻 井方面，具有实时确定井位并验证钻井工程可实现性的功能1 1 4 , 1 5 】。 北京怡恒阳光科技发展有限公司开发定向井钻井软件n a v i g a t o rd r i l l i n gs t u d i o ，具 有如下设计思路： ( 1 ) 运用三维可视化技术，可直接对井眼剖面进行设计，也可以任意组合钻井中 的直线段和空间圆弧段来设计轨道；设计人员在得到满意轨道之前，可借助软件反复 7 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 调整设计轨道，界面实时以不同视角显示设计轨道。 ( 2 ) 在二维剖面设计方面，能够设计包括实用的增斜微增( 降) 剖面在内的多种 二维剖面，以满足现场需要。 ( 3 ) 在三维设计方面，依据空间圆弧轨道计算方法进行设计，采用在圆弧段变井 斜角、变方位角，稳斜段稳井斜角、稳方位角的理念，使设计更为合理，符合工程现 场实际，便于施工。 ( 4 ) 图示化的参数方法，简洁明了；每一个需要输入的剖面设计参数，屏幕右侧 示意图上都给出了闪烁性提示，以便确保钻井工程师在正确位置输入参数。 ( 5 ) 简化参数输入，方便得到计算结果。例如复杂的五段制剖面的设计，设计参 数为三到四个参数，去掉了不必要的次要参数，方便了钻井工程师进行设计。 ( 6 ) 二维设计和三维设计均能够给多多套轨道设计方案，钻井工程师可根据现有 工具仪器的情况，并结合对现场地层特性的了解，对比优化选出最佳钻井方案。 n a v i g a t o rd r i l l i n gs t u d i o 软件三维立体显示如图1 - 2 所示。 芒篁件吧，雹) 叠，口，l 懂f1 t 匹一t 匀乜，膏肋q -” 0 苗口口oq 国e e锄 匝 图1 2 n a v i g a t o r 电子图版- 三维立体图 l 一2e l e c t r o n i cc h a r to fn a v i 2 a t o r - t h et h r e e - d i m e n s i o n a ld r a 1 3 课题研究目标、研究内容 1 3 1 研究目标 8 第一章绪论 通过对定向井轨道设计的研究和定向井轨迹计算方法的对比，利用科学计算可视 化的理论和方法，在w i n d o w s x p 环境下采用面向对象的程序设计语言v c + + 6 0 ，开发定 向井钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统，从而实现定向井井眼轨迹的三维可 视化。 1 3 2 研究内容 1 3 2 1 井眼轨迹三维可视化的实现 ( 1 ) 三维立体显示定向井设计轨道 ( 2 ) 三维立体显示实钻轨迹 1 3 2 2 人机交互性的实现 ( 1 ) 对三维模型进行灵活控制可对三维模型进行旋转、平移、缩放、改变填充 方式等操作，在任意深度、以多种角度作观察相关井眼轨迹的相对位置。 ( 2 ) 编辑调整轨迹数据人机交互式的界面，界面友好，操作简单，技术人员可 以根据相关要求，对设计轨道进行调整，并在调整后重新进行设计轨道的三维显示。 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章定向井井眼轨迹三维可视化方法研究 2 1 三维可视化技术基础 人类所获取的信息主要来源于视觉传达。现代医学和人类心理学的研究显示，人类 有多达5 0 的脑神经细胞是与视觉相关联的，而日常信息的获取则有8 0 来自于视觉。 所以，正是在充分利用了人类视觉潜能和脑部功能的基础之上才实现了计算机的三维可 视化。三维可视化技术是利用计算机图形学和图形图像处理技术，通过数据转换将事 物以图形或图像的形式绘制显示于屏幕上，并且在人机之间能够进行交互处理的理 论、方法和技术。三维可视化技术在计算科学中得到了最先应用，并且很快诞生了可 视化技术的一个重要组成部分科学计算可视化。在各个工程领域和计算领域中， 科学计算可视化很快得到了广泛应用，科学计算可视化通过把科学数据，主要包括测 量获得的数值、图像或是计算中涉及到的，经计算后产生的数字信息以直观形象的、 图形图像化的、能够随时间和空间而变化的物理现象或物理量形式反馈给研究者，方 便研究人员进行观察、模拟和计算。在现当代计算机图形学的科学计算可视化、计算 机动画和虚拟现实技术这三个热点问题上，其具体问题的核心均为绘制具有三维真实 感的图形。多种三维可视化图形开发工具和相关图形库工业标准随着计算机图形学应 用领域的不断扩大而相继涌出。 2 1 1 蓬勃发展的计算机图形学 1 9 5 0 年，在麻省理工学院以附件形式在旋风i 号计算机上出现了的第一台图形显 示器。其主要功能是作为一些简单图形的显示装置，主要组成部分是一个阴极射线 管，在某种程度上类似于示波器。c a l c o m p 公司将联机的数字记录仪在1 9 5 8 年升级成为 滚筒式绘图仪，数控机床则由g e r b e r 公司发展为平板式绘图仪。在上个世纪5 0 年代， 计算机还仅有电子管类型，这些计算机配置了仅仅是具有输出功能的图形设备，其主 要功能还仅仅是科学计算。这个阶段称为“被动式 图形学阶段，形式相对薄弱的计 算机图形学还处于萌芽时期。而到了5 0 年代的末期，美国麻省理工学院的的林肯实验 室又在旋风计算的基础上，成功开发s a g e 控制防御体系，操作人员首次可以用笔在具 有指挥和控制功能的c r t 显示屏幕上指出被确定的目标。交互式计算机图形学从此诞 生，类似的技术在今后设计和生产过程中也得到了广泛应用。 1 9 6 2 年，同样在麻省理工学院林肯实验室，名为i v a ne s u t h e r l a n d 的研究人员在其 1 0 第二章定向井井眼轨迹三维可视化方法研究 博士论文“s k e t c h p a d - 一个人机交互通信的图形系统中首次使用了新的科学术语 “计算机图形学，从此交互式计算机图形学作为一个可行的、有用的研究领域而成 为了一个崭新的科学研究分支。 从诞生至今，计算机图形学已经经历了4 0 余年的发展过程。其作为计算机科学与 技术学科的一个独立分支，一方面，作为一个独立学科，计算机图形学的三个主要方 面，图形基础算法、图形软件和图形硬件均己取得了长足的进步，当代几乎所有科学 和工程技术领域都将计算机图形学技术用来作为加强信息理解和传递的工具和有效手 段。另一方面，计算机图形学的产业规模在1 9 9 6 年总产值达5 0 0 亿美元，而在2 0 0 6 更是 达到了让人瞠目的2 0 0 0 亿，其硬件和软件本身的发展规模已经十分庞大。所以，当前 世界拥有了一只从事计算机图形学研究、应用和产业庞大队伍，为什么每年i g g r a p h 年会的参加人数高达3 4 万人，这恐怕是其中主要缘由。 计算机图形学目前拥有了众多研究方向，而其中最主要是研究图形( 图像) 的计 算机生成。在图形基础研究方面，一个主要方向是建模技术( 又称“造型技术) ， 另一个则为绘制技术。计算机辅助几何设计和自然景物建模是建模技术的两大分支。 精确度、可靠性和建模的速度是计算机辅助几何设计所追求的主要目标；建模的逼真 度和绘制速度则是自然景物建模所主要追求的。 可以将计算机图形学绘制技术解释为真实感图形绘制技术，主要包含各种光照模 型、纹理生成和明暗处理等内容。真实感( 逼真度) 和绘制速度是绘制技术追求的两 个主要方面，光栅图形显示技术是其技术理论。 计算机图形学研究水平可以在上述绘制技术的追求目标中得出，其直接反映在对 “真实感 和“速度的追求上以及两者的综合，既要能够去逼真地去描绘客观世界 对象，又要能够高速地、实时地去绘制这些对象。而在实际情况中，作为尖锐矛盾存 在的“真实感”与“实时性，其如何能够得到有效解决则成为了当代计算机图形学 工作者所追求的目标。 计算机图形学的应用领域在其迅速发展过程中也越来越广泛，计算机仿真技术的 实现使人们在工程应用的许多领域中，在不必在到真实试验场的情况下便可以获得许 多系统模型。计算机图形学涉及图形图像处理的领域包括以下一些方面： ( 1 ) 计算机辅助设计与制造：工业界最广泛、最活跃的计算机图形学应用领域是 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c a d c a m ，人机交互式设计和修改所设计的系统、产品和工程的相关图形，在反复 迭代计算的基础上，便可利用所得到的结果数据将零件表、材料单、j n - r 流程和工艺 卡，或者是数据加工代码输出。 ( 2 ) 可视化：随着科学技术的迅猛发展，人们越来越难易从与日俱增的数据量的 中分析和处理数据，如果能以图形形式表示出这些数据，人们将会便于分析得到最有 用的数据，摸清数据的变化规律，发现数据最本质的特征。目前，在医学、有限元分 析、气象分析等诸多领域中，科学计算可视化得到了广泛的使用。 ( 3 ) 计算机动画：计算机动画随着计算机硬件水平的提高和计算机图形学已经能 够生成高质量静态场景的情况下应运而生。计算机动画的生成只是先生成一幅幅静态 的图像，然后连续播放这些静态图象，每一幅静态图象与前一幅图象相比，都做了一 定修改，在播放速度达到一定程度的情况下，人类视觉下的整个播放场景就动起来 了。 ( 4 ) 图形实时绘制与自然景物仿真：在计算机中重现真实世界场景，模拟真实物 体的相关物理属性，包括物体的大小形状、表面的纹理和粗糙程度、光学性质，以及 物体间的遮挡关系，相对位置等等，亦可以运用计算机图形学有关原理实现。 ( 5 ) 用户接口：友好的图形化的用户界面能够大大提高软件的易用性，人们使用 计算机的第一观感是用户接口。在d o s 时代，因为计算机的易用性不近如人意，导致 软件中用来处理与用户接口有关的问题和功能的程序占到了6 0 ，这样需要编程人员 花费大量劳动去编写一个图形化的界面。上世纪8 0 年代以后，随着x w i n d o w 标准的面 世，苹果公司图形化操作系统已经不合适宜，图形学随着微软公司w i n d o w s 操作系统 的普及而全面融入到计算机的方方面面。图形学在用户接口方面的应用如今在任何一 台普通计算机上都可以得到验证。在操作系统和应用软件中比比接是的图形、动画， 使得程序更加直观易用。人们根据图形或动画界面，几乎可以在不看任何说明书的情 况下对软件进行操作【1 6 1 。 2 1 2 计算机图形学的广泛应用 2 1 3 井眼可视化软件的开发工具 目前出现了许多虚拟现实的实现技术，较为常见、应用广泛的有o p e n g l 、 j a v a 3 d 、d i r e c t 3 d 、v r m l 等。图形模型是真正意义上的三维模型，在对图形物体表 1 2 第二章定向井井眼轨迹三维可视化方法研究 面材质的光照模型基础上，在基于某种光照模型的计算下，图形模型的阴影和纹理通 过硬件绘制，并配以图形加速性能以显示出其图形真实感，以上所讲的几种技术的实 现都基于图形模型。 o p e n g l 是一个底层3 d 技术，目前几乎所有的显卡厂商都在底层支持和优化了 o p e n g l ，所以其支持最为广泛。o p e n g l 同时也具有用于编制三维可视化应用程序的 一系列接口。o p e n g l 是一种在三维的真实感制作中有着优越性能的硬件和图形间的软 件接口，一个三维图形模型库。另外，o p e n g l 自身作为一个a p i ，是一个和软件类型无 关的编程接口，其可以在不同的软件平台上进行方便的移植【1 7 1 。 d i r e c t 3 d 也是三维图形编程a p i ，它由微软公司推出，目前众多优秀的三维游戏都 由这个接口实现，d i r e c t 3 d 在三维游戏的编程中得到了广泛应用。d i r e c t 3 d 在程序实现 语言方面与o p e n g l 一样，主要使用的语言是c + + 【1 8 1 。 v r m l 2 0 在成为国际标准之后，因为其简单易学，可以嵌在网页中显示，所以 在网络