基于C#與OpenGL的密集井井眼軌跡三維可視化系統研究

羅彬

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

隨著計算機圖形學和應用技術的快速發展，計算機虛擬可視化技術不斷推廣，也就隨即在學界掀起了一場虛擬世界的創建熱潮，而營造虛擬世界的重要步驟就是設計建立具有真實性的三維可視化場景。在海上密集井鉆井作業環境下，由于復雜多變的地質條件，實際所鉆的井眼軌跡不可避免地會與預期設計的井眼軌跡產生一些偏差，因此為了能夠直觀地監測和管控鉆井作業時的井眼軌跡，防止井眼軌跡之間的碰撞，對于海上密集井井眼軌跡三維可視化的研究是十分必要的。研究和利用鉆井時實時提供的數據，通過三維可視化技術準確地反映鉆孔地層的地質概況和井眼軌跡的特點，即能切實提高對地層構造、儲層特征的判斷，控制鉆頭在儲層內鉆進時的方向，提高油層鉆遇率、采收率和節約鉆井成本。

由于國內外現場要求不同，擬將采用的井斜計算方法也不盡相同。為了能夠滿足各種需求，本次系統設計時集成了多種計算方法以供用戶根據實際需要選擇使用。通過用戶所選的計算方法將井斜原始數據進行處理后，就可得到垂深、南北位移、東西位移等參數，這些參數均將用于對井眼軌跡的圖形繪制，從而最終運行得到三維井眼軌跡圖形。

1系統概述

OpenGL是由SGI公司推出的跨編程語言、跨平臺的編程接口規格的專業圖形程序接口，比較適用于開發二維和三維圖形程序。OpenGL是與硬件無關的軟件接口，能夠在不同的平臺之間進行移植。基于OpenGL的井眼軌跡三維可視化系統是根據當前現場需求以及相適應的軟件技術規劃設計的，其中集成了目前常用的一些井眼軌跡計算方法。用戶根據各自需求選擇測斜計算方法計算得到井眼軌跡數據，既可以做到井眼軌跡的三維可視化，也可以調整觀察視角和方位，能夠容易實現井眼軌跡的水平和垂直投影，有利于現場工作人員觀察和制定有效的控制策略。該系統可以通過設置圖形、線型、顏色、寬度、標注間隔和觀察的視角及方位角，并且能夠打印輸出井眼軌跡圖形和數據，使得繪制的圖形清晰美觀，進而提升了圖形的瀏覽效果。

2井眼軌跡計算方法

目前常用的測斜計算方法主要有：正切法、平均角法、平衡正切法、校正平均角法、圓柱螺線法和最小曲率法等。通過這些方法可以計算得到井眼的南北位移、東西位移、垂深、閉合位移、閉合方位等參數數值。在這些算法中，正切法計算誤差較大，不適合在現場使用。平均角法一般是應用在現場人工計算過程中。校正平均角法是由圓柱螺線法推導而來，因而與圓柱螺線法的計算值相差非常小。在實際工作環境中，基本可以用校正平均角法代替圓柱螺線法；在國外應用較多的是平衡正切法和最小曲率法，而目前國內現場普遍采用的是最小曲率法和圓柱螺線法。

一般情況下，使用轉盤鉆鉆出的井眼，由于鉆柱和鉆頭經常是順時針旋轉，井眼軸線趨向于柱面螺旋線，因此使用曲率半徑法比較合理。

如果決策將采用動力鉆具帶彎曲工具時，可能有2種方向控制模式。一種是恒工具面模式，在整個扭方位過程中，工具面所在斜平面的傾角和傾向始終保持不變，鉆出的井眼軸線趨向于空間斜面圓弧，此時用最小曲率法比較合理；另一種是恒工具面角模式，在方向控制過程中始終保持裝置角不變，鉆出的井眼軸線趨向于恒置角曲線，接近于圓柱螺線，此時使用曲率半徑法比較接近。

當一口井的不同井段使用了不同的鉆井方式和方向控制模式，原理上應該分段采用不同的測斜計算方法。

3井眼軌跡的建模方法

（1）斜面法。斜面法常用于糾偏三維定向井的設計。因而就可以在三維井眼軌跡做圖像呈現時通過這樣的設計建模方法和預先設計的軌跡圖像，并借此判斷該軌跡是否為選用了準確的模型來模擬計算生成的。

斜面法是在空間某個平面上設計井身，而這個平面仍然是一個斜平面，除了鉛垂平面以外的所有平面都屬于研究中統指的斜平面。但這個設計三維定向井的斜平面不是空間任意一個斜平面，而是由給定的設計參數和前述設計要求所共同決定的某個斜平面。

（2）柱面法。柱面法既可用于糾偏三維定向井設計，也可用于繞障三維定向井設計。因此可以在三維井眼軌跡做圖像呈現時就通過這樣的設計建模方法和預先設計的軌跡圖像進行對比，并借此來判斷該軌跡是否能準確地反映出實際的軌跡情況。

柱面法其實就在柱面上設計井身。柱面不是平面，所以在柱面上設計井身，既有井斜角變化，又有井斜方位角變化，因而該方法可用于三維定向井。斜面—柱面法是根據當前井底井眼軌跡前進方向線和目標點井眼軌跡前進方向線的空間位置關系，即共面或異面，選擇不同的曲線來進行井眼軌跡設計。這個方法既能滿足對目標點位置的要求，又能契合方向的變化情況，而且設計出的剖面也是相對合理的。

（3）變曲率法。變曲率法的思想是：一種造斜工具的實際造斜能力是隨井深變化的，在某一井深范圍內會有一個相對實際的造斜率。根據已知的實際造斜率及相應的井深，可以將全井分成多段，由此展開運算。井眼軌跡可以根據造斜工具在各區段井深的不同造斜率來優質定制設計，使得實際鉆進時能夠成功引入方位和井斜的控制。這種分段設計模式使研究需要監控的部分井段的情況更加可靠和準確。

4三維可視化系統的設計

系統設計架構則如圖1所示。系統通過結合VS2015、OpenGL三維圖形開發庫和后臺數據庫開發實現。系統從SQL Server數據庫中讀取數據，在VS2015集成開發環境下進行OpenGL三維圖形開發生成三維曲線，并融入渲染處理，展現井眼軌跡的三維模擬效果。利用OpenGL提供的方便的三維顯示功能，在三維場景中可靈活調取標注等操作，系統在運行期間，利用VS2015提供的數據庫及網絡開發套件，獲取靜態及實時動態數據，傳送到三維場景進行更新顯示。

系統設計在整體上是基于面向對象思想并采用MVC三層框架技術，主要包括5個方面，分別是：表現層、實體層、業務邏輯層、數據訪問層、數據庫。其中，實體層分上層實體和下層實體，兩者之間通過AutoMapper進行映射轉換。

5結束語

本文重點討論了井眼軌跡可視化設計的理論以及實現方法，同時又結合了施工地層和井軌跡數據，并且將理論融入實踐研發中展開后續研究。首先，研究井眼軌跡的測斜計算方法，并對這些方法和適用場景實現了性能對比評測，選擇最小曲率法和曲率半徑法作為主要的測斜方法。然后，又探究了三維井眼軌跡建模的方法，最后將三維可視化技術應用到鉆井井眼軌跡三維可視化及井筒三維可視化模塊中，對三維可視化系統進行分析和設計，從而得知適合該井眼軌跡三維可視化系統的開發技術就是在VS開發環境下利用C#語言結合OpenGL技術。

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