石油钻井井眼轨迹三维可视化建模_张敏

1、E-mail: kfyjTel:+86-551-5690963 5690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识吁技术Vol.7. No. 13. May 201 l.pp.3182-3183石油钻井井眼轨迹三维可视化建模张敏（西安石油大学计舜机学院，陕西西安710065） 摘要：为便干钻井人员直观地观察、分析及有效地控制井眼藐迹.该文从基于切片建立三维几何模型的思路出发，根据不规则三角 网（TIN）构网和三维几何变换提岀了一个新的筒状井眼轨违的三錐可视化建模方法该方法不需要对井眼轨迹弯曲处进行插值圆 滑处理，高效快找地实现

2、了筒状井眼軌迹的无燧连接:，详细描述了井眼轨迹的建模方法，为“临境”观察、控制石油钻采的三维可视 化打下了基础一关键词：井眼轨迹；三錐建模；三维可视化；切片中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号：1009-3044（2011）13-3182-02Modeling of 3D Visualization for Wellbore TrajectoryZHANG Min （Xi'an Shiyou University, Institute of Computer, Xi'an 710065, China）Abstract： In order to directly obse

3、rve, analyze and effectively control the drilling trRectory for the drill stafK this paper puts forward a new method for the tubular wellbore trajectoiy which bases on slices modeling. Triangulated Irregular Network （TIN） and 3D geometric trans- fonnation. The method implements the 3D tubular wellbo

4、re trajectoiy seamless connection efficiently and conveniently without interpolation smoothing treatment of the wellbore trajectories bender. It also details in the wellbore trajectoiy modeling and also lays the foundation for the "peeon on the scene" observation and contiolling three-dime

5、nsional visualization of oil drilling.Key words： wellbore trRectory; 3D modeling; 3D visualization; slices近年來，随着计算机图形学和计舜机技术的发展，计算机可视化技术不断普及，创建“虚拟世界”也不断掀起热潮，而建立具有 真实感的三维町视化场呆是建设“虚拟世界”的重要一步。在石油钻井作业中，山于所钻地质条件复杂多变，实钻井眼轨迹不可避免 地与设计井眼紈迹产生各种偏差，为了更直观地观察和控制钻井作业时的井眼轨迹，防止实钻井眼间的碰撥，研究并实现井眼轨迹 三维可视化是很有必要的.，利用随钻测井工

6、具实时提供的数拥，通过三维仿真技术实时地反映所钻地层的地质情况和井眼轨迹，能 够提高对地层构造、储层特征的判断，控制钻头在储层内钻进时的方向，进而提高油层钻遇率、采收率和节约钻井成本，目前，各种井眼轨迹三维町视化建模相继出现，但大冬是“线”状井眼轨迹的建模，该建模只是把三维坐标点（由测井数据转换 而来）简单地用线连接起来，由于没涉及绘制面，则不能采用漫反射光照或贴图.真实效果差；另外，“简”状井眼轨迹的研究还不太 成熟。签于以上悄况，该文提出根据随钻测井所获取的实时数拥，利用虚拟现实技术17实现井眼轨迹三维町视化I的建模方法。1三维井眼轨迹建模在虚拟三维的创建中要根据场景对象的空间几何拓扑结构

7、，对不同转征的对象采用不同的创建方法。对于规则形体对彖，町以 直接使用点、线、而等基木图元绘制函数绘制；对于规则曲面形体对象，可以使用球体、闘柱体等三次曲面绘制函数绘制；对于非规 则的曲而，如各种各样的井眼轨迹就必须采用专门的井眼轨迹几何建模来实现，石油钻井分为直井、定向井、水平井、分支井等，即便是直井，由于在实钻过程中受到各种地层应力的作用，牯头会发生不同程 度的偏移，所以这些井的井眼轨迹不能看成岡柱体的组成：在绘制筒状井眼轨迹时，若按圆柱体許尾连接就会111现有缝连接（如图1 所示），还需进步对有缝进行特殊处理，这样会引入对弯曲处大显数据的转换计算，严重影响计算机的绘图效率，造成图形的交互

8、 操作也不灵活'因此，该文捉til基于切片宙建立三维模型的方法，即把垂直于井眼轨迹轴线的断面看成切片，在井眼简上先间隔性地 取山一些这样的断面，由于轴线是弯曲的，徐相邻断面何的法向蚩可能不同，然后把相邻断面间的侧面用三角形图元绘制，就构成无缝的井眼筒1.1获取断面上等分点的全局坐标为了绘制井眼筒（井眼简段而为圆），需要获得断而圆周上尊分点的全局坐标。设井眼筒的 半径为R、某个断面圆心为pl.pl点的全局坐标为（xl.yl.zl）.获取pl圆周上等分点的全局坐 标（x,y,z）的步骤如下:1求断而pl圆周上等分点的局部坐标（xyz9=断面pl先沿全局坐标轴（x、y、z轴分别 平移-xl.

9、-yl.-zl.使圆心pl和全局坐标的原点o重合（如图2）；再绕全局坐标轴（x、z轴）逆时 针分别旋转a、B角，使断面pl的法向蛍（过pl点）和全局坐标y轴正方向重合；然后以全局坐收稿日期：2011-03-06作者简介：张（1983-）,女，山东荷泽人，硕士研究生.研究方向为人工智能3182 计算机工程应用技术本栏"贵任編辑:梁书© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Computer Knowledge and Technology 电脑知识

10、技术第7卷第13期(2011年5月)clHl 且 c3Hl 时，有:X yy'-g当cl =±1时，有：(0 6(x y zj = (x，y' z,) -c】0、o o 当c3=±l时，有：O'0 +(£1儿鬲)1(x y z)= (xr y' 0、00 00 c3 + (x,-50,标x轴为起点，沿逆时纤方向，将圆等分为n等份，则每等份的夹角6为：4 2*ir/n:由式 (1)求码断面pl圆周上n个点的全局坐标(等于局部坐标)：z'= jR*cos9*j) y=0,C;e(0,l,.«-l)J2) 断面pl圆周上

11、等分点的局部坐标转换为全局坐标c在上面1的基础上，然后经过 相反操作，使断面pl回到原来的位置C断而pl圆周上等分点的局部坐标转换为全局坐 标的关系为式(2)：/ cos 0sin 00、x y z)=X y' £)-cosafsin 0cosucos Qsin a4-ti jn z、sin asin 0-sin acos 0cosa.(其中xl、yl、zl对应的是pl点的全局坐标对应的是pl点的局部坐标;a卩是断而绕全局坐标x、z轴旋转的夹角) 为了便于计算，(如图3)设与断而pl相邻的断面为p0,断面pl的法向畫为pOpUpOpl与全局坐标轴X轴、y轴、z轴的夹角 余孩值

12、分别为cl.c2.c3,a为P0 pl所在的而AEHB与面FEHG的夹角,p为p0 P1所在的而ADHG与面FEHG的夹角，由计算表 达式(1),町得断面P1岡周上等分点的全局坐标为：3186 计算机工程应用技术本栏"贵任編辑:梁书© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, Computer Knowledge and Technology 电脑知识 技术第7卷第13期(2011年5月)(下转第3186页)1.2构建断面间的側面已知测井数据库中的m个

13、记录，以每个记录表示的坐标点为圆心，半径为R,构成m个断面，然后在每个断面的洌周上等分n 个坐标点。设相邻两个斷面为pO.pl,若pO、pl面与pOpl轴线垂直，则可以采用Grid建模:取出p0圆面上相邻的两个点和pl圆而 上相对应的两个点构成矩形，对于n对离散点构成n个矩形,n个矩形构成棱柱表面，n越多，构成的棱柱表而就越接近圆柱体，这 种方法的缺点是只能形成圆柱体，若把这种方法用于弯曲的井眼建模，在断面处就会产生有缝连接：为了达到弯曲的井眼轨迹的无 缝连接，把两个断而间的侧面用三角网构成,m对断面间构成的网面就拟合成了 m个断面用成的岡筒。其侧面构网过程如下：(如图4对于断而0和断面1间的

14、侧而，绘制先从00点开始，然后依次插入10,01,这时就形成了第一个三角形。然后插入11 点，又形成了一个新的三角形，即每插入一个点，该点就和上一个三角形的两个点构成一个新的三角形，这样从左到右画完第一行 的三角形，再反过来顾第二行c依次类推、从上到下画完整个井眼轨迹三维网格，这些三角形顶点的顺序为逆时纤，为以后对这些三 角形而进行光照奠定了基础匚如果利用明暗处理模型对井眼紈迹进行明暗处理，需要给每个三角形表面赋予法向矢萤。-简单而又直观的方法是对毎个三 角形采用平面明暗处理方法着色，即用三角形的3个顶点求得法向矢St,然后 把求得的法向矢蛍赋给第一个顶点。先求叉积，然后归一化叉积矢量，设向量

15、 0100为“，向宣1000为b,三角形010010的法向矢量为1：1 = axbUP ：1/ = (01, - 01y) * (10, - 00,) - (01, - 00J * (10y -00,)V = (01* - 01,) * (10. - 00.) - (01*0OJ * (10,-00JV = (01x - 01J*(10, - 00J - (01,-00J * (10.-00Jio = (1?* r + V* V +1； * / ),aL = v/1«L = V/1«L = V/lo2井眼轨迹三维可视化的实现该文在.Net平台下，采用C#语言.通过调用Ope

16、nGL库函数叫用运用上述 的建模方法，通过调用具有典型井身结构(三段式)的“歧2-16"井的实钻井的 数抑：并采用OPENGL光照、材质、消隐等技术实现了井眼轨迹的维可视化：本栏丨1资任編级：梁书调整就、平衡后消耗St等相关统计数据进行査询，系统根拥能流点的进出关系对能耗数据进行归类，计«tllT厂能耗数据的盈亏 蛍。管理人员町以通过分析分摊显，通知仪表维护人员对计蛍仪表进行校正，有效的管理工厂的能耗计畫条件。图5显示了某石化公司9月份新鲜水的使用悄况，包括用能单位、月使用量、平衡量、损耗宣、最终月消耗蚩以及能流的具体详 细信息。5报表査询：展示工厂日帑生产中各个时段的能耗

17、日报、旬报、月报。管理人员及工厂技术人员、统计人员可是实时了解全厂的 能耗悄况，指导生产和节能减排。图6显示了某石化公司9月份新鲜水的具体情况，供能、用能信息通过报表直观灵活地进行展示。4结束语公用工程能源计量与统计管理系统已经在中国右油下属的各炼化企业进行实施推广，已取得良好的实施效果。它改变了传统 的计蛍管理模式，集成了生产、统计等业务，实现了与PCS和ERP系统的进一步融合，无缝衔接，大大提高了各炼厂的能源计蛍管 理水平c随着MES系统的不断完善和应用深入，加上越來越多的石化企业管理层的关心和支持，以及石化企业的H动化和信息化水 平的不斯提高，公用工程对MES系统的支據作用也越加明显，也

18、将在石化企业提高经济效益、增强竞争能力方面发挥越来越重要的 作用。参考文献：1王宏安.化工生产执行系统MESM.北京:化学工业出版H.2007.2J王华.炼油化工生产执行系统(MES)综述J.企业信息化.2004.8(10).井号井身閒丢直井身trJ南北坐标GJ东百坐掠h)fe(!Z-16】09.939808-O.OOjflOLZ0.05183585技 2-1633.5S38.河46-0.05S10480.424303?feZ-161787.31706. 257-6. 8ST529-B. 857529表1歧2-16井的测斜数据记录(上接第3183页)实现示例见图4.它是利川表1的数据绘制而成的三维简状井眼 轨迹，其中每个断面取8个等分点，即每一段井筒由16个不规则三角 形片组成；红线表示井筒内的井眼轴线。为了更沽楚地展示实现建模 方法，图中右半部分对该井眼轨迹的一部分进行了放大显示。图5 “歧2-16”井的实钻井眼拢迹3结束语该文从基于切片建立三维几何楔型的思路出发提出了 个新的井眼轨迹的三维 可视化建模方法。该方法的特点：1) 基于切片的建模方法是经典的三维垂构方法，转别适用于弯管的建模方法。文 中给山的井眼剖而数据结构具有较强的适应性。该方法可以对任何弯度进行自动处 理，不必要对井眼弯曲处进行插值圆滑处理，适于快速建模且适用面广。该方法也可对 任意弯状的绳索和血管等进行建模