三維可視化技術在石油礦產勘查鉆探工程中的應用

祝元營 董志文 馬韌

摘 要：文章將主要研究在石油礦產勘查鉆探工程中應用三維可視化技術。三維可視化技術的功能強大，具有直觀、快速、美觀的特點，應用于鉆探工程將會具有較好的優勢。文章首先對三維可視化技術在鉆探工程中需求進行分析，然后對三維復雜物體多邊形構造方式進行分析，再分析了三維地層的構造和顯示，最后通過應用實例，表明了三維可視化技術在鉆探工程中具有非常重要和多樣的作用。

關鍵詞：三維可視化技術;石油;勘察鉆探工程;應用

中圖分類號：P624 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0170-04

Abstract：The paper will mainly study the application of three-dimensional visualization technology in oil and mineral exploration and drilling engineering. The three-dimensional visualization technology is powerful， intuitive， fast， and accurate. It will have better advantages in drilling engineering. The paper first analyzes the needs of 3D visualization technology in drilling engineering， then analyzes the polygonal construction of 3D complex objects， and then analyzes the structure and display of 3D formations.Finally， through application examples， it is shown that 3D visualization technology has a very important and diverse role in drilling engineering.

Key words：3D visualization technology; petroleum; exploration and drilling engineering; application

當前，三維可視化技術在油田鉆探中的應用不斷增多，提高了地質導向項目的成功應用，使得油田鉆探變得更加的精確化、快速化和方便化，所以三維可視化技術的應用，將會提高鉆探工程的質量和效率[1-2]。文章對三維可視化技術的應用進行分析，旨在提高我國石油領域的發展。

1 三維可視化技術在鉆探工程中的需求分析

石油礦產勘查鉆探工程在開工過程中，地球物理工程師和地質師為了得有某些可視化的圖像，會使用相關三維可視化功能的軟件進行工作，從而能夠得到精確度較高地質模型，并且能夠通過三維模型非常直觀的了解地層結構，能夠提高認識深度性。然后再工作過程中，鉆探工程師沒有對著這些地質模型進行利用，另外，鉆探工程師某些數據表達也不能被地球物理工程師和地質師理解，于是就會造成不同工作內容的工程師之間處于獨立狀態，于是就會影響到鉆探工程的質量和效率。所以需要加強不同工作學科之間的協作和聯系。在完成鉆井相關工作時將已經存在的各種數據進行綜合利用，這樣不僅能夠提高鉆井的效率，而且還能夠提高鉆井的質量和安全性。其中主要存在的一個問題就是如何將不同來源的數據進行綜合，從而能夠使得不同學科之間進行交流和理解。而三維可視化技術應用其中正好可以解決該問題。以前，三維可視化技術很少在鉆探工程中進行使用，因為會受到其他方面的限制，但是如今計算機和網絡通信技術應用比較成熟，從而能夠給三維可視化技術的應用提供可靠支持，能夠在鉆探工程發揮比較重要的作用[3-4]。

如今在鉆探工程中使用三維可視化技術，可以將鉆探工程相關的不同方向之間內容進行緊密結合，于是能夠使得不同工程師之間交流變得更加深入，聯系變得更加緊密。三維可視化技術已經成為解決鉆探問題的有效方式，有些企業開發了三維可視化軟件，能夠將石油勘察鉆探工程中不同工程師共享同一個數據環境，于是每個人在同一個數據環境下進行，于是可以提高鉆探工程在開發過程中的統一性，從而有利于提高工程質量和效率[5]。

2 三維復雜物體多邊形構造方式

2.1 多邊形建模構造方法

該方式屬于最早使用一種建模方式，其模擬曲面是通過使用小平面來表示，通過用小平面來表示不同形狀的三維物體[6]。小平面的形狀比較多，然而矩形和三角形是使用最多的兩種種形狀。使用這種方式比較簡單，可以直接利用小平面創建基本的幾何體，該幾何體并不是最終的樣本，還需要根據相關要求對其進行調整形狀;當然還有其他的建造方式，即通過使用放樣、曲面片造型、組合物體構造模型。從上述可以看出來，多邊形建模的優勢在于簡單、快速和方便，直接通過下平面進行模擬曲面，但是這種方式很難生成光滑的曲面，所以這種構造方法并不適合于復雜曲面的模擬，比較適合于構造具有規則形狀的物體。另外，根據虛擬現實系統的要求，該方法要想得到不同分辨率模型，操作方式非常簡單，只需要對參數進行調整即可，因為虛擬場景實時顯示時要有合適的分辨率。

2.2 參數化曲面構造方法

使用該方法描繪曲面時，使用的是統一表達式，使得曲面具有參數化。這種構造方式中常常使用的是NURBS，即是一個基于非均勻有理B樣條曲面表達的構造方法[7]。這種建模方法在三維動畫中運用得比較多，它的主要優勢在于能夠創建光滑、復雜的曲面模型，所描述的圖像將會非常逼真，具有非常廣泛的使用范圍。當然該方法也存在一定的缺陷，具有很強的局限性，只能夠使用曲面片作為建模的基本建模單位;拓撲結構只有幾種，導致比如帶空洞的物體就很難進行制作;當模型比較復雜時，由于其曲面片屬于網格狀，于是就會造成控制點急劇增加不能控制;該方法比較難以建造“帶有分支”的物體;比較復雜的模型構造需要不斷對曲面進行裁剪，于是可能會導致計算機出現錯誤現象。

2.3 細分曲面構造方法

該構造方式是在NURBS技術的基礎上進行開發的一種方式，于是其可以解決NURBS技術的局限性。細分曲面構造方法能夠用任何一種多面體作為控制網格，再以該網格為基礎，建造一個平滑的曲面。由于對網格形狀不受到限制，所以就可以構建出不同的拓撲結構，而且整個曲面還會繼續保持光滑性。該構造方式還有比較重要的優勢在于能夠增加細節物體的光滑性，而且增加細節時只針對曲面局部地方，不用像之前的方式針對的是整個屋面，這樣就不會造成整體物體變得更加復雜。

3 三維地層的構造和顯示

3.1 三維地層的構造

三維集成構成中需要使用到相關的地層數據，并且這些數據將通過地質人員進行測量，將這些數據保存在數據文件中需要以規則的采樣點陣的形式進行保存。另外，需要注意的是一個數據文件中只保存一塊地層的數據信息，這樣更加方便查詢。

地層采樣點陣是從起點平面坐標開始，需要對每個采樣點進行采集相關數據和記錄，其中記錄內容包含深度值、孔隙度、飽和度、可見性標識、滲透率等。為了使得樣本點陣更加的有序、整齊、明了，可以使用如圖1所示的采樣點陣組成的網格進行表示，首先將采樣點陣組成一個規則的三角形網格，網格中將會存在很多個點，每個點都將代表一個采樣點，然后三個相鄰的點即可以形成一個三角形網格，每個點只能使用一次，于是三角形網格可以模擬真實地層表面。

圖1中僅僅只是一個網格，為了能夠三維場景中顯示起伏狀態，如圖2所示為帶起伏表面的三角形網格，于是需要將每個點顯示其深度值，就能夠描述為一個三維坐標。

三角形網格中每個頂點都需要有三維坐標、法向量、紋理坐標、可見性標識、顏色和滲透率，有了這些信息之后才能建立模型。然后建立索引列表，目的在于構建一個三角形網格。三角形繪制時可以使用索引緩沖來索引頂點。使用這種方式繪制三角形能夠減使用頂點的數量，另外當需要對地層顯示形狀進行修改時，也就是對某些樣點的可見性標識進行修改，該修改方式非常簡單，只需要對索引列表修改即可，于是能夠構建新的三角形網格形狀，這種修改方式既簡單，又能夠提高系統工作效率，應用于鉆探工程中將會更加合適。

由于每個三角形之間會存在縫隙，為了能夠使其呈現出光滑的效果，需要有一個很好的過渡，于是需要計算出每個頂點的法線，于是將其應用到計算光照和紋理效果中，然后每一個法線的計算方式如圖3所示。如果需要計算出頂點P的法線，該步驟為：首先找到頂點P周圍的四個頂點，即距離頂點P最近的四個點，從圖中可以看出即為頂點P1、P2、P3、P4，找到該四個頂點之后即知道每個點的三維坐標;然后再將P2的三維坐標減去P1的三維坐標得到一個三維向量V1，再將P4的三維坐標減去P3的三維坐標得到另外一個三維向量V2;最后就是對兩個三維向量V1和V2進行叉積處理，處理完成后得到的結果進行單位化，于是能夠獲取頂點P的法線。

3.2 三維地層的著色方法

在鉆探工程中運用三維可視化技術時，其中顏色的顯示通常情況有包含兩種，分別為紋理映射和直接差值著色。地層在顯示過程中某些情況下會以比較簡單化的方式進行顯示，于是使用層網格線表示比較合適。在地層中具有非常重要的屬性就是孔隙度、飽和度和滲透率，對這些屬性進行表達時可以根據顏色的變化進行描述。在顯示過程中需要其有非常快的速度，而圖案的形象程度要求卻不高，于是通過直線差值著色的方式模擬這些屬性的顯示正好能夠滿足其要求。而對于其他比較特殊的對象，比如地震體的描述，可以通過使用紋理映射的方法進行描述。因此，地層顏色顯示分成四種不同的顯示，即滲透率、網格顯示、飽和度和孔隙度。下面將分別對其進行分析：

（1）網格顯示。上文已經說明過在地層三維數據中原始數據是以三維點陣的形式進行保存，所以在顯示地層時也以三維點陣的方式進行顯示。形成地層網格的方式就會顯得非常簡單，即將三維點陣中的點進行連接即可。地層網格能夠表示不同頂點的具體位置，能夠非?？焖俸唵蔚谋硎龀龅貙踊拘螒B。

（2）孔隙度、飽和度和滲透率的模擬現實?？紫抖取柡投群蜐B透率作為鉆探工程重要的指標，需要在地層上非常直觀快速的表達出來，于是最好的表達方式就是使用不同顏色進行表述。因此使用直接差值著色方式能夠較好的表示出這三個指標的變化情況。

（3） 紋理顯示。對于比較特殊的地層，比如巖性剖面、地震體等，這些地層會非常復雜，其描述過程也會比較難，最好的方式就是首先通過使用圖案編輯軟件構建地層表面圖案，再將紋理圖案映射到正確的地層上，這樣所獲得地層將會具有較好的描述性，能夠得到效果較好的地層。紋理圖案映射步驟方式主要分為3步，第1步，對映射的紋理文件進行讀入操作，然后將其基本參數進行保存;第2步，將圖像相關的數據進行轉換，將其變為一維數組;第3步，紋理的顯示坐標通過使用包圍盒的角點坐標進行表述，于是即完成映射步驟，實現地層和紋理的相互對應。

4 應用實例

圖4即為應用三維可視化技術描述鉆探工程的模型，主要作用就是在統一的平臺上，工程師能夠將所有成果在平臺上進行呈現，然后有助于互相討論。通過改進的細分曲面構造方式能夠更加有效、精確的顯示出鉆探地層的曲面信息，然后還通過使用曲面著色方法對油藏信息進行描述，比如滲透率、孔隙度和飽和度等，另外顏色的不同還表示滲透率從高到底的過渡。

石油礦產勘查鉆探工程開發時，鉆井軌跡需要按照開工前的施工圖紙進行鉆探，不然會影響到工程的實施，于是在開工過程中需要了解鉆井的軌跡情況，并且還要能顯示出鉆井的各個相關信息[8]。還需要做好各種輔助性描述手段，比如井眼實鉆軌跡、地層剖面、深度、半透明柱面圖、設計軌跡和標尺等，因為這些方面能夠檢測井眼軌跡是夠與工程相符合，是否能夠與滿足地質要求。還需要進行防碰掃描，對設計軌跡和實際情況的鉆探進行對比分析，從而及時發現問題。另外，還能夠較好的描述出不同靶體形狀，圖5即為軌跡、靶點的精細化描述。

另外，三維可視化技術還能夠對石油礦產勘查鉆探工程中比較復雜的對象進行描述，能夠對上面所研究的每個對象進行位置調整和數據查新等操作。三維可視化技術在鉆探工程中還有其他方面的應用，如圖6所示，比如對數據進行實時分析和決策、優化設計、預防和處理井下復雜情況等。所以說三維可視化技術的技術強大，能夠在石油礦產勘查鉆探工程發揮重要的作用。

5 結語

如今鉆探工程開發變得更加的困難，會面臨不同地址、力學環境的影響，為了能夠提高鉆探的效率和質量，并且降低鉆探費用，使用三維可視化技術能夠起到很好的作用，能夠提高精確、快速的描述出地層結構，供工程師們合理做成更好的決策。通過上文分析，三維可視化技術的功能強大，應用于鉆探工程中能夠提高地層圖像的呈現效果，能夠描述更為復雜的地形特征，能夠提高鉆探工程的工作效率。總之將三維可視化技術應用于鉆探工程中有利于石油開采的效率，并且降低其開采成本。

參考文獻

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