沉浸式定向井井眼轨迹虚拟可视化系统

2022-08-22沙林秀邵小华

计算机仿真 2022年7期

沙林秀,李琨,邵小华

(1. 西安石油大学陕西省钻机控制重点实验室，陕西西安 710065；2. 大庆钻探钻井一公司，浙江兰溪321100)

1 引言

在随钻钻机控制决策过程中，由于钻遇地层结构的不可预测性，且储油层位置不精确，加之钻机钻井过程处于盲钻状态，加剧井眼轨迹优化、控制和决策的难度。为此，将虚拟现实技术引入钻机随钻优化控制过程，研究开发一套随钻井眼轨迹可视化系统。该系统使用3Ds max设计模型，Unity3d渲染井场平台和井下地层虚拟环境[1-3]；设计GUI数据输入界面；利用随钻数据和优化数据，通过脚本程序控制优化井迹绘制[4-5]，实现井眼轨迹三维可视化显示。研究人员可借助系统完成井场平台、井迹、地层的沉浸式漫游[6]，为钻机工作人员提供友好、简洁的可视化决策环境，降低钻井优化控制研究成本，提高钻井成功率。

2 虚拟钻井平台环境搭建

沉浸式定向井井眼轨迹虚拟可视化系统开发均在Unity3d引擎下生成，脚本程序C#的编写和模型控制程序是基于Unity3d的二次开发。其中，环境搭建主要包括井场设备、地层环境模型和GUI界面的设计。虚拟钻井系统具体开发流程图如图1所示。

图1 虚拟钻井系统开发流程图

2.1 模型的创建及渲染

1)虚拟钻井平台和地层模型搭建：采用3Ds max三维建模软件，通过转化为可编辑多边形，采用布尔、塌陷、切角、分割等操作，按照1：1比例创建出陆地钻井平台井架，二层台、钻机、吊卡和地层等井场设备模型，设计出地层模型。井上虚拟钻井平台如图2所示。

图2 井上虚拟钻井平台

2)模型导入：把已设计的钻头、地层与井场设备模型转为FBX格式，导入搭建好的地层模型中。再加入三维立体坐标，以方便观测钻头深度与南北位移量。

3)地层渲染：为增加Unity3d中设计地层的真实性和合理性，提高井眼轨迹可视化效果，在Unity3d中的地层加入材质增加真实感，以便观测轨迹。井下地层模型如图3所示。

图3 井下地层模型预览

2.2 系统GUI界面模块设计

该系统通过将优化数据和随钻数据导入到Unity3d引擎[7]，根据真实数据实现优化井迹和随钻井迹的虚拟可视化显示。沉浸式定向井井迹虚拟可视化系统主界面如图4所示。

图4 沉浸式定向井井迹虚拟可视化系统主界面

图4的GUI界面中，运用Unity3d相应的BUTTON按键功能实现优化井轨迹和随钻井轨迹的场景跳转和程序控制，点击即可进入对应的场景。

3 井眼轨迹动态显示

井眼轨迹的动态显示分为两种控制方式，一是随钻轨迹，实时显示实钻井眼轨迹。二是经智能算法优化后的井眼轨迹。可将随钻和优化后井迹共同显示在三维可视化地层中。

3.1 随钻井迹的三维显示

3.1.1 随钻井轨迹数据的输入

在钻井过程中，将经实际随钻采集的数据(如：方位角、井斜角、垂直井深和东西南北位置)存储到Excel中，通过调用Unity3d中ExcelTable组件的相关接口函数，在脚本代码中写入Excel表格所存放的位置，调用Excel文件中数据控制钻头运行，实现随钻轨迹显示。添加组件和接口的相关函数如下：

1)添加ExcelTable组件：

List data=new

List()；

2)Excel文件的接口函数：

DataGameObject.Find(″pdc＿Q″)．

AddComponent()．

LoadInfo(″Assets/streamingassets/Data.xlsx″)；

3.1.2 随钻轨迹控制流程

随钻井迹的三维显示的控制流程图如图5所示。

图5 随钻井迹的三维显示的控制流程图

其中，Sum为整个轨迹的分段数，Num为已经绘制的测点数。

3.2 优化井迹的三维显示

3.2.1 优化井轨迹数据的输入

通过按钮跳转至优化井轨迹场景，将经智能算法优化的斜角、井斜方位角和曲率等三维井眼轨迹参数输入到优化数据输入窗口(如图6)，运用C#脚本程序的接口函数[8-10]，将输入的角度变量和钻头联系起来，达到控制钻头运行并绘制出优化轨迹。

图6 优化数据输入窗口

3.2.2 优化井迹的程序设计

根据优化数据输入窗口获取的不同井段优化后的井轨迹参数，通过按R键或E键控制钻头为直线或者曲线运行，钻达每段的井迹长度和垂深位置后，再输入下一组参数，直到整个轨迹绘制完成，停止输入。

钻头的直线运行和曲线运行控制是C#程序控制的[11-12]，综合运用欧拉角角度控制函数(Quaternion.AngleAxis)、三维坐标点乘函数Vector3.Dot(transform.forward，Angle)和反三角函数angleChange等函数完成计算和控制。C#程序中控制钻头的部分伪代码如下：

while (number < data.Count){

float dot=Vector3.Dot(transform.forward,setAngle)；

angleChange=Mathf.Acos(dot)

*Mathf.Rad2Deg；

transform.position=new

Vector3(data[number].x,data[number].z,

data[number].y)；

number++； }

其中Mathf.Acos(dot)*Mathf.Rad2Deg反三角函数，计算方位角和井斜角的变化控制钻头轴向方位变化，transform.position控制钻头三维坐标变化。

3.3 井眼轨迹的显示模块

井眼轨迹的动态显示过程中，需要控制显示的帧数和井眼轨迹的粗细/颜色，以符合视觉舒适和审美的需求。

Update()是Unity3d整个生命周期中最常用的一个，考虑井迹显示和人眼视觉的需求，在C#脚本程序设置中Unity3d的模型每帧执行一次为0.02s，即控制钻头以每秒50帧的速率描点，每一帧绘制一个测点。将所有测点添加到坐标链表中，如果未到最终靶点位置或者还有测点数据需要显示，就一直运行，否则跳出循环，停止钻进，以保证井眼轨迹显示的流畅与平滑。

Awake()函数调用Unity3d的Line Renderer组件并设置绘制轨迹的分段数(测点)、优化/随钻井迹的颜色、粗细等属性参数。