基于C#与OpenGL的密集井井眼轨迹三维可视化系统研究

罗彬

Abstract： In the investigation of the problems during the construction of offshore drilling platforms， it was found that more and more dense wells are required to be drilled on an offshore platform. Due to the limited platform location， the spacing between these dense wellbore trajectories is small and vertical. The lack of space has increased the risk of drilling engineering design and construction. Therefore， it is necessary to study the three-dimensional visualization system of borehole trajectory in this environment. Firstly， various wellbore trajectory calculation methods of the borehole trajectory three-dimensional visualization system are compared and analyzed. The minimum curvature method and curvature radius method are selected as the main calculation methods. Then， the wellbore trajectory data is calculated according to the calculation method， and three-dimensional modeling methods for wellbore trajectories are also analyzed and compared. Finally， the overall structure of the 3D visualization system of the wellbore trajectory is designed， and the C# language and OpenGL technology are selected as the main development tools.

引言

随着计算机图形学和应用技术的快速发展，计算机虚拟可视化技术不断推广，也就随即在学界掀起了一场虚拟世界的创建热潮，而营造虚拟世界的重要步骤就是设计建立具有真实性的三维可视化场景。在海上密集井钻井作业环境下，由于复杂多变的地质条件，实际所钻的井眼轨迹不可避免地会与预期设计的井眼轨迹产生一些偏差，因此为了能够直观地监测和管控钻井作业时的井眼轨迹，防止井眼轨迹之间的碰撞，对于海上密集井井眼轨迹三维可视化的研究是十分必要的。研究和利用钻井时实时提供的数据，通过三维可视化技术准确地反映钻孔地层的地质概况和井眼轨迹的特点，即能切实提高對地层构造、储层特征的判断，控制钻头在储层内钻进时的方向，提高油层钻遇率、采收率和节约钻井成本。

由于国内外现场要求不同，拟将采用的井斜计算方法也不尽相同。为了能够满足各种需求，本次系统设计时集成了多种计算方法以供用户根据实际需要选择使用。通过用户所选的计算方法将井斜原始数据进行处理后，就可得到垂深、南北位移、东西位移等参数，这些参数均将用于对井眼轨迹的图形绘制，从而最终运行得到三维井眼轨迹图形。

1系统概述

OpenGL是由SGI公司推出的跨编程语言、跨平台的编程接口规格的专业图形程序接口，比较适用于开发二维和三维图形程序。OpenGL是与硬件无关的软件接口，能够在不同的平台之间进行移植。基于OpenGL的井眼轨迹三维可视化系统是根据当前现场需求以及相适应的软件技术规划设计的，其中集成了目前常用的一些井眼轨迹计算方法。用户根据各自需求选择测斜计算方法计算得到井眼轨迹数据，既可以做到井眼轨迹的三维可视化，也可以调整观察视角和方位，能够容易实现井眼轨迹的水平和垂直投影，有利于现场工作人员观察和制定有效的控制策略。该系统可以通过设置图形、线型、颜色、宽度、标注间隔和观察的视角及方位角，并且能够打印输出井眼轨迹图形和数据，使得绘制的图形清晰美观，进而提升了图形的浏览效果。

2井眼轨迹计算方法

目前常用的测斜计算方法主要有：正切法、平均角法、平衡正切法、校正平均角法、圆柱螺线法和最小曲率法等。通过这些方法可以计算得到井眼的南北位移、东西位移、垂深、闭合位移、闭合方位等参数数值。在这些算法中，正切法计算误差较大，不适合在现场使用。平均角法一般是应用在现场人工计算过程中。校正平均角法是由圆柱螺线法推导而来，因而与圆柱螺线法的计算值相差非常小。在实际工作环境中，基本可以用校正平均角法代替圆柱螺线法；在国外应用较多的是平衡正切法和最小曲率法，而目前国内现场普遍采用的是最小曲率法和圆柱螺线法。

一般情况下，使用转盘钻钻出的井眼，由于钻柱和钻头经常是顺时针旋转，井眼轴线趋向于柱面螺旋线，因此使用曲率半径法比较合理。

如果决策将采用动力钻具带弯曲工具时，可能有2种方向控制模式。一种是恒工具面模式，在整个扭方位过程中，工具面所在斜平面的倾角和倾向始终保持不变，钻出的井眼轴线趋向于空间斜面圆弧，此时用最小曲率法比较合理；另一种是恒工具面角模式，在方向控制过程中始终保持装置角不变，钻出的井眼轴线趋向于恒置角曲线，接近于圆柱螺线，此时使用曲率半径法比较接近。

當一口井的不同井段使用了不同的钻井方式和方向控制模式，原理上应该分段采用不同的测斜计算方法。

3井眼轨迹的建模方法

（1）斜面法。斜面法常用于纠偏三维定向井的设计。因而就可以在三维井眼轨迹做图像呈现时通过这样的设计建模方法和预先设计的轨迹图像，并借此判断该轨迹是否为选用了准确的模型来模拟计算生成的。

斜面法是在空间某个平面上设计井身，而这个平面仍然是一个斜平面，除了铅垂平面以外的所有平面都属于研究中统指的斜平面。但这个设计三维定向井的斜平面不是空间任意一个斜平面，而是由给定的设计参数和前述设计要求所共同决定的某个斜平面。

（2）柱面法。柱面法既可用于纠偏三维定向井设计，也可用于绕障三维定向井设计。因此可以在三维井眼轨迹做图像呈现时就通过这样的设计建模方法和预先设计的轨迹图像进行对比，并借此来判断该轨迹是否能准确地反映出实际的轨迹情况。

柱面法其实就在柱面上设计井身。柱面不是平面，所以在柱面上设计井身，既有井斜角变化，又有井斜方位角变化，因而该方法可用于三维定向井。斜面—柱面法是根据当前井底井眼轨迹前进方向线和目标点井眼轨迹前进方向线的空间位置关系，即共面或异面，选择不同的曲线来进行井眼轨迹设计。这个方法既能满足对目标点位置的要求，又能契合方向的变化情况，而且设计出的剖面也是相对合理的。

（3）变曲率法。变曲率法的思想是：一种造斜工具的实际造斜能力是随井深变化的，在某一井深范围内会有一个相对实际的造斜率。根据已知的实际造斜率及相应的井深，可以将全井分成多段，由此展开运算。井眼轨迹可以根据造斜工具在各区段井深的不同造斜率来优质定制设计，使得实际钻进时能够成功引入方位和井斜的控制。这种分段设计模式使研究需要监控的部分井段的情况更加可靠和准确。

4三维可视化系统的设计

系统设计架构则如图1所示。系统通过结合VS2015、OpenGL三维图形开发库和后台数据库开发实现。系统从SQL Server数据库中读取数据，在VS2015集成开发环境下进行OpenGL三维图形开发生成三维曲线，并融入渲染处理，展现井眼轨迹的三维模拟效果。利用OpenGL提供的方便的三维显示功能，在三维场景中可灵活调取标注等操作，系统在运行期间，利用VS2015提供的数据库及网络开发套件，获取静态及实时动态数据，传送到三维场景进行更新显示。

系统设计在整体上是基于面向对象思想并采用MVC三层框架技术，主要包括5个方面，分别是：表现层、实体层、业务逻辑层、数据访问层、数据库。其中，实体层分上层实体和下层实体，两者之间通过AutoMapper进行映射转换。

5结束语

本文重点讨论了井眼轨迹可视化设计的理论以及实现方法，同时又结合了施工地层和井轨迹数据，并且将理论融入实践研发中展开后续研究。首先，研究井眼轨迹的测斜计算方法，并对这些方法和适用场景实现了性能对比评测，选择最小曲率法和曲率半径法作为主要的测斜方法。然后，又探究了三维井眼轨迹建模的方法，最后将三维可视化技术应用到钻井井眼轨迹三维可视化及井筒三维可视化模块中，对三维可视化系统进行分析和设计，从而得知适合该井眼轨迹三维可视化系统的开发技术就是在VS开发环境下利用C#语言结合OpenGL技术。

参考文献

[1] 马玉凤，袁野. 井眼轨迹预测及井眼轨迹三维可视化系统开发[J]. 微型电脑应用， 2017，33（8）：65-67，71.

[2] 嵇杰，姜霞霞. 基于OpenGL的井筒三维可视化算法研究[J]. 网络新媒体技术，2017，6（3）：47-52.

[3] 魏微. 复杂结构井井眼轨迹三维可视化技术研究[D]. 西安：西安石油大学，2012.

[4] 张敏. 石油钻井井眼轨迹三维可视化建模[J]. 电脑知识与技术，2011，7（13）：3182-3183，3186.

[5] 陈刚，杨雪，潘保芝，等. 井眼轨迹计算及可视化研究现状[J]. 世界地质，2015，34（3）：830-841.

[6] 鲁港，商维斌，张琼，等. 最小曲率法测斜计算中的数值方法[J]. 石油工业计算机应用，2008（3）：16-19.

[7] 曹传文，薄珉. 最小曲率法井眼轨迹控制技术研究与应用[J]. 石油钻采工艺，2012，34（3）：1-6.

[8] ROMMETVEIT R， BJORKEVOLL K S， ODEGAARD S I， et al. Automatic real-time drilling supervision， simulation， 3D visualization and diagnosis on Ekofisk[C]//IADC/SPE Drilling Conference. Orlando， Florida， USA：IADC/SPE， 2008：1-12.

[9] ZAMORA M， SIMPKINS D. Development and application of a 3D-wellbore visualization system for hydraulics analyses[C]//SPE/IADC Drilling Conference. Amsterdam， Netherlands：SPE， 2005：1-10.

[10]ROMMETVIET R， BJORKEVOLL K S， HALSEY G W， et al. eDrilling： A system for real-time drilling simulation， 3D visualization and control[C]//2007 SPE Digital Energy Conference and Exhibition. Houston， Texas， USA：SPE，2007：1-6.