三维井眼轨迹仿真研究

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三维井眼轨迹仿真研究

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钟　原　陈　浩　李悦钦　何玉发

(西南石油大学)

摘　要　对井眼轨迹三维仿真,能使井眼轨迹更加生动直观的展示出来,给钻采作业提供可靠依据。

本文在曲线插值算法和图形透视原理研究的基础上,将离散的井眼轨迹数据通过插值算法平滑化,并通过三维透视投影原理实现其三维仿真。在理论研究的基础上,利用VisualBasic开发了三维井眼轨迹仿真系统,该系统能进行三维井眼轨迹放大、缩小、旋转等操作,可从多方位和角度观察仿真结果。系统使用维护方便,具有较强的实用价值。关键词　井眼轨迹;可视化;三维仿真;VisualBasic

可能靠近但不一定通过给定的点,如图1所示。

0引　言钻采作业中,井眼轨迹作为最直观显示井眼情况、井斜控制水平等的重要依据,技术人员需要根据测斜数据计算井眼轨迹参数,以判断实钻井眼轨迹是否与设计轨迹一致。目前,国内大多数油田仍以手工绘制为主,既耗人力、又不生动直观,而且多数仅以某一个或某几个面的投影图进行描述,给井眼轨迹的控制、开发方案的制定等带来不便。因此,利用计算机可视化图形技术,实现井眼轨迹的三维立体表示,并且实现井眼轨迹的旋转、放大、切割和局部放大,为提高我国钻井水平和管理水平,具有重要的现实意义。本文采用MicrosoftVisualBasic6.0,利用图形图像技术、数据库技术、面向对象技术等,实现三维井眼轨迹仿真软件的研究和开发。

图1　逼近法与插值法的比较

1三维井眼轨迹仿真原理及算法描述

1.1插值曲线

通过一系列离散的点来生成一条曲线的方法很

多,常采用插值方法和逼近方法。插值方法所生成的曲线通过已有的系列点,而逼近方法使生成的曲线尽

为了使所绘制的曲线更接近真实轨迹,本文采用

[1][2][3]

曲线插值的方法。曲线插值的方法又分为线性插值、抛物线插值和局部插值。对应于井眼轨迹的垂直段、造斜段、增斜段、稳斜段、降斜段、水平段,分别采用相应的插值方法。

1.2三维透视投影

对井眼轨迹进行三维可视化就必须对井眼轨迹

[4][5]

进行透视投影,要确定三维空间中的点可用两种坐标系描述:直角坐标系和球坐标系。为了在二维显示屏上得到三维物体的图像,则必须把二维屏幕坐标(SX,SY)与直角坐标三元组(x,y,z)或球坐标三元组(p,θ,φ)联系起来,用以得到屏幕坐标。

用P点代表观察者的位置,将物体投影到显示屏上。假定这个投影平面与线OP垂直,离点P距离为

3基金项目:西南石油大学研究生创新基金项目的部分内容,项目名称:井下管柱三维可视化技术研究,编号(CXJJ27006)。第一作者简介钟原(1982-),女,在读硕士生,主要研究方向:计算机图形技术,并行计算。

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ComputerApplicationsofPetroleum2008,Vol.16No.1

D。当物体上的点投影到投影平面上的时候,对于物

体上每一点(x,y,z),都得到屏幕坐标(SX,SY),如图2所示。观察点即P点,用其球坐标(q,θ,φ)表示,这样容易控制观察点的位置。q表示从观察点到点(0,0,0)的距离。q增加即观察者远离被观察的物体。这将使此物体看起来更小,并影响该物体的方向。θ

和φ规定了观察者看物体的方向。通过对观察参数(q,θ,φ)和投影平面与观察点的位置D的控制,就能实现对观察的位置和方向以及图像大小的控制。

图2　三维透视基本原理图

绕X轴旋转的时候,利用如下的旋转矩阵:

0　　0　　0　0θ　sinθ　00　cos

(4)　　　　　RX=

θ　cosθ　00　-sin

0　　0　　0　1绕Y轴旋转的时候,利用如下的旋转矩阵:

θ　0　sinθ　0cos

0　0　0　0(5)　　　　　RY=

θθ-sin　0　cos　00　0　0　11.4三维图形显示流程

物体最初定义于局部坐标系(模型坐标系)中,经适当的几何变换──模型变换,以一定的形状、尺寸存在于世界坐标系的某个位置。再经过观察变换,获得物体在观察坐标系的表示。观察坐标系中的视见体划定了可见物体所在的范围,剪裁后剩下的物体将被投影到投影平面的窗口之内,再由窗口至视区的

[4]

变换将其变换到设备坐标系中用于显示。以上的步骤可简化为图3。

将位于观察者眼睛位置的P点用相对于标准坐标系测量的球坐标(q,θ,φ)来表示。即设一个标准点坐标为(X,Y,Z),则这点的眼睛坐标(Xe,Ye,Ze)可由如下矩阵变换得到,即得到三维物体投影成二维[4][5]

图像的变换:

θ　-cosθcosφ　cosθsinφ　0-sinθ　-sinθcosφ　-sinθsinφ　0cos(Xe,Ye,Ze,1)=(X,Y,Z,1)(1)

φ　　　-cosφ　00　　　sin

ρ　　00　　　　0　　　　

1.3三维几何变换

三维几何变换是二维几何变换的简单推广。二维几何变换在齐次坐标空间中用(X,Y,Z)表示点,类似的三维几何变换其齐次坐标为(X,Y,Z,1),线性变换可用4×4矩阵来表示。

1.3.1放缩变换

设放缩系数为K,三维放缩变换在齐次坐标下的

[4][5]

矩阵表示为:

1　0　0　00　1　0　0

(2)　　　　　　　　0　0　1　00　0　0　1/K[1][2]

2.3.2旋转变换

设θ为实体逆时针转过的角度。绕Z轴旋转的时候,利用如下的旋转矩阵:

θ　sinθ　0　0cos

θ　cosθ　0　0-sin

(3)　　　　　RZ=

0　　0　　1　00　　0　　0　1图3　三维空间显示过程的概念模型

2三维井眼轨迹仿真系统设计

2.1系统总体设计及功能模块

本研究后台采用Access2003存储和管理井眼轨迹实测数据,将数据库名为WellData,建井眼轨迹坐标表WellDataIn。采用VisualBasic语言开发生成可执行的EXE程序,用户点开即可进行操作使用。根据井眼轨迹的数据特征和三维显示的流程,将系统划分为以下几大模块,其中坐标数据转换和井眼轨迹显示是本系统的核心模块。系统功能模块框图如图4所示。

图4　系统功能模块框图

石油工业计算机应用　2008年第

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2.2系统设计实现

2.2.1数据预处理流程图(图5)

表1　某井眼轨迹实测数据

图5　数据预处理流程图

2.2.2井眼轨迹显示流程图(图6)

图7　三维井眼轨迹仿真图　　图8　井眼轨迹底部放大旋转图

4结束语

(1)该三维井眼轨迹仿真模块采用VB开发,Ac2

cess2000存储和管理井眼轨迹实测数据,缩短了开发过程,开发的系统更简便易用。

(2)通过曲线插值算法求得的井眼轨迹精度高、

图6　井眼轨迹显示流程图

2.2.4图形变换

(4)、(5)完成;缩小、图形的旋转按照公式(3)、

放大按照公式(2)对井眼坐标进行变换,得到新的数据后,将数据进行透视变换,再重新绘制。

3实例测试

现以某口井的井眼实测数据为例,对所开发仿真软件进行测试。某井眼轨迹实测数据(见表1)所示。

该井的三维井眼轨迹仿真图显示如图7所示:左上角的坐标系标注了X、Y、Z三个方向,白色的立方体为视图的边界,其中虚线部分表示不可见的面;立方体中的曲线为井眼轨迹。用户可根据自己的观察需要通过切割、缩放、旋转等操作获得不同的轨迹展示,如图8所示为井眼轨迹底部放大旋转图。

曲线平滑、更适合钻采作业。

(3)利用计算机图形可视化技术,通过三维透视投影原理实现井眼轨迹的三维仿真和放大、切割放大、缩小、旋转的功能,使用户对井眼轨迹的观察更直观生动,取得了较好的应用效果。

参考文献

[1]王礼学、陈卫东、贾昭清等,井眼轨迹计算新方法[J],天然气工

业,2003,23(增刊)57-59[2]陈炜卿、管志川,井眼轨迹测斜计算方法误差分析[J],中国石油

大学学报(自然科学版),2006,30(6)42-45[3]刘修善、艾池、王新清,井眼轨道的插值法[J],石油钻采工艺,

1997,19(2)11-14[4]倪明天、吴良芝,计算机图形学[M],北京大学出版社,1999[5]陈锦昌,VB计算机绘图教程[M],华南理工大学出版,2003[6]刘修善、王珊等,井眼轨道设计理论与描述方法[M],黑龙江科学

技术出版社,1993

Ⅳ

ComputerApplicationsofPetroleum2008,Vol.16No.1

Inoilproduction,inordertotakeholdofthevariationruleofreservoirbehavior,toprovidereliablebaseforregulation

ofdevelopmentplanandensureoilfielddevelopedreasonablelyandefficiently,productionperformancedatafromtestingareoftenanalyzed.Analyticalstudyneedstodrawdifferentkindsofdynamicdiagramsandcurveswiththeavailabledata.Thepaperdiscusseshowtodevelopthekeyprogramtechnologyfordynamicgraphics.

Keywords:Delphi;petroleumsoftware;oilfielddevelopment;graphicsoftwaredevelopmentDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEREMOTEDATAACQUISITIONSYSTEMFOROILWELLSBASEDONADAM5510MANDGPRS/QuChangbo,WangYonggui,SoftwareSchoolofLiaoningTechnicalUniversity,CAP,2008,16(1):27-31

TakingtheprogrammablecontrollerADAM5510MofPCstructureasthelowercomputerofthedataacquisitionsystemcanrealizeoperatingmodedataacquisition,storage,processandcommunication,etc.WithGPRSnetworkandInternetnet2work,instructionresponseanddataexchangecanbeimplementedbetweenlowercomputeranduppercomputeroftheremotesupervisorycentre.Thepapergivesadiscussiononhardwarestructure,dataacquisitioncommunicationprocessandsoftwarefunctionofthedataacquisitionsystem.

Keywords:oilwellmonitoring;remotedataacquisition;ADAM5510;GPRSPRODUCTIONPERFORMANCESIMULATIONSTUDYANDAPPLICATIONINGASWELLSOFABNOR2MALHIGHPRESSURE/LiuDaojie,LiuZhibin,ZhouJunjie,etal.,SouthwestPetroleumUniversity,CAP,2008,16(1):32-34

Productionperformancesimulationingaswellsofabnormalhighpressuredoesnotonlyovercomesomedisadvantagesofthetraditionalphysicalsimulationwhichiscostlyandcomplex,butalsopossessesaccuracyofcomputeranaloguesimulation.Inconsiderationofthecharacteristicsofhighpressureandhightemperatureingaswellsofabnormalhighpressure,thepro2ductionpressuredropisbrokenupintothreeprocesses:formationflowpressuredrop,boreholeflowpressuredropandspoutflowpressuredrop,andaflowmathematicalmodelofgaswellproductionperformanceisestablished.Withcomputersimula2tiontechnology,theformationfluidflowprocess,boreholefluidflowprocessandgasnipplefluidflowprocessinagaswellofabnormalhighpressurearesimulatedandtheflowparametersofgaswellproductionperformancearepredictedwhichcanprovidebasicdataforthenextdynamicproductionprorationofagaswellwithabnormalhighpressure.Throughcaseanaly2sis,theproductionprorationresultworkedoutfromtheoptimizedmodelisveryclosetothepracticalone.Itindicatesthatproductionperformancesimulationisofguidesignificanceinrealproduction.

Keywords:abnormalhighpressuregaswell;simulation;pressuredropdisintegration;dynamicstate;predictionSTUDYONTHECHARACTERISTICSOFTHEDOWNHOLEFLOWFIELDINTHEAUTOMATICANTI-DE2VIATIONDRILLINGSYSTEM/LiQiumin,LiuBaiyan,SuYinao,etal.,CollegeofMachineryandAutomation,WuhaiUniversityofScienceandTechnology,CAP,2008,16(1):35-38

Whentheautomaticanti-deviationdrillingsystemisinoperation,arelativerotationspeedisneededbetweenthesteeringsleeveanddrillpipe.Thesteeringsleeverotatesasaresultofthefrictiontorqueexertedbythebearingconnectingthesleeveandthedrillpipewhilethedownholebacktrackingmudwillalsoproduceareversaltorquewhichpreventsthesleevefromrotatingwhenpassingit.Thereversaltorqueisthekeyfactortoensuretherelativerotationspeed.FLUENTsoft2warepackagecanbeusedtomodelthemudflowfielddownholeandexploretheflowbehaviour.Simulationresultsindicatethatthereversaltorquedependsonseveralfactorssuchasmudflow,rotationspeedofthesleeve,etc.Andaslongastherotationspeedofthedrillpipeexceedsthecriticalspeedwhichbalancesthefrictiontorqueofdrillpipeandthesleeve,thereversaltorquecanproducerelevantspeeddifferencebetweenthesleeveanddrillpipe.

Keywords:automaticanti-deviationdrilling;downholeflowfieldmodel;steeringsleeve;reversaltorqueIMPLEMENTATIONOFDIGITALPIPELINEINOILFIELDSBASEDONGIS/WeiBo,TangJun,GeoscienceSchoolofChangjiangUniversity,CAP,2008,16(1):42-44

Nowadays,adigitaloilfieldrevolutionaryiscarryingoutintheoilfieldsalloverthecountry.Digitalpipelineisoneofthekeylinks.Accordingtotheoilfieldpractice,thepaperdiscussesthebasictheorytoimplementdigitalpipelinewithsec2onddevelopmentbasedonMAPGIS.

Keywords:digitalpipeline;datamodel;GIS3DWELLTRACKSIMULATIONSTUDY/ZhongYuan,ChenHao,LiYueqin,etal.,SouthwestPetroleumUniversity,CAP,2008,16(1):45-47

3Dwelltracksimulationcanmakewelltrackdisplaymorevividandvisible,whichcanprovidereliablefoundationsfordrillingandproductionoperation.Onthebasisofcurveinterpolationalgorithmandgraphicperspectiveprinciplestudy,dis2cretewelltrackdataaresmoothedthroughinterpolationalgorithm,and3Dsimulationisrealizedthrough3Dperspectivepro2jectionprinciple.The3DwelltracksimulationsystemisdevelopedbyusingVisualBasiconthebaseoftheoreticalresearch,withwhich3Dwelltrackgraphscanbemagnified,reducedandrotated,andsimulationresultcanbeobservedfrommulti-azimuthandangle.Itisconvenienttomaintainit.Ithaspracticalvalue.

Keywords:welltrack;visualization;3Dsimulation;VisualBasic