壓裂設(shè)計(jì)中井筒剖面可視化的研究與實(shí)現(xiàn)

李仁忠

關(guān)鍵詞：壓裂設(shè)計(jì)；深度剖面；井筒；可視化；PyQtGraph

頁(yè)巖氣分布廣泛，開(kāi)發(fā)潛力巨大，是常規(guī)石油天然氣的理想接替能源。近年來(lái)，頁(yè)巖氣在非常規(guī)天然氣中的異軍突起已成為全球油氣資源勘探開(kāi)發(fā)的新亮點(diǎn)，并逐步向全方位的變革演進(jìn)，世界主要資源國(guó)都加大了對(duì)頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)力度[1]。但是，頁(yè)巖氣成藏規(guī)律、儲(chǔ)集空間、滲流規(guī)律以及開(kāi)發(fā)模式有其自身特點(diǎn)，特別是儲(chǔ)層具有低孔特征和極低的基質(zhì)滲透率， 給有效開(kāi)發(fā)帶來(lái)很大的困難和挑戰(zhàn)。研究表明，水平井是頁(yè)巖氣藏的最佳開(kāi)發(fā)方式，而分段壓裂是水平井的關(guān)鍵配套技術(shù)[2]。分段壓裂工藝通過(guò)使用橋塞、射孔槍以及連續(xù)油管等工具輔助，在地層產(chǎn)生裂縫網(wǎng)絡(luò)，盡可能提高水平井的產(chǎn)能[3]。

壓裂設(shè)計(jì)，是壓裂施工前一項(xiàng)十分重要的工作。它根據(jù)已知的井筒條件（水平段長(zhǎng)度、套管接箍深度、地質(zhì)層位、地層特性等）確定井筒各段的劃分、射孔簇位置、橋塞位置，制定泵注程序、液體用量、施工步驟等內(nèi)容[4]。以往的工作中，所有的設(shè)計(jì)結(jié)果均是以數(shù)據(jù)表格的方式呈現(xiàn)，如套管接箍數(shù)據(jù)表、分段數(shù)據(jù)表、射孔數(shù)據(jù)表等，形式單一，不夠直觀，也不利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)隱患。因此，對(duì)水平井井筒剖面進(jìn)行可視化研究，直觀呈現(xiàn)井下各種設(shè)計(jì)元素的相對(duì)位置與關(guān)系，對(duì)減少設(shè)計(jì)失誤、避免工程事故，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 井筒剖面可視化研究

1.1 目標(biāo)

井筒剖面可視化涉及的內(nèi)容非常廣泛，包括井筒、套管、水泥環(huán)、地層、井眼軌跡等內(nèi)容，需要的數(shù)據(jù)量非常大[5]。為了突出主要矛盾、簡(jiǎn)化工作量，本文僅針對(duì)壓裂設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的水平段的套管接箍數(shù)據(jù)、射孔數(shù)據(jù)、分段數(shù)據(jù)、橋塞深度數(shù)據(jù)等內(nèi)容進(jìn)行處理，形成按空間實(shí)際位置進(jìn)行圖形顯示的效果[6]。由于水平井的水平段長(zhǎng)度一般都達(dá)到了幾千米，相對(duì)于井筒直徑100多毫米來(lái)說(shuō)，井筒是一個(gè)又細(xì)又長(zhǎng)的管子。因此，可視化研究非常重要的一項(xiàng)功能就是：形成的井筒剖面圖形必須要具備平移、縮放等功能，這樣才能讓使用者既了解全貌，又能細(xì)查局部，像查看電子地圖一樣查看井筒內(nèi)部各元素的位置、有效長(zhǎng)度、相對(duì)關(guān)系等情況，將數(shù)據(jù)表格的內(nèi)容，變成二維剖面的圖形。

1.2 編程語(yǔ)言的選擇

通過(guò)對(duì)比C++、Java、Python、JavaScript 等各種編程語(yǔ)言在圖形化方面的功能與效果，最終選擇了Py?thon作為軟件的基礎(chǔ)框架。Python語(yǔ)言是一種語(yǔ)法簡(jiǎn)潔易懂，編程速度快、容易學(xué)習(xí)、擴(kuò)展功能強(qiáng)的解釋型語(yǔ)言。其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋Web網(wǎng)站、自動(dòng)化、爬蟲(chóng)、圖形界面、數(shù)據(jù)分析、圖像處理、科學(xué)計(jì)算、游戲、人工智能等。由于Python語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔性、易讀性、可擴(kuò)展性，以及免費(fèi)、開(kāi)源的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外使用Python語(yǔ)言的人越來(lái)越多，目前已經(jīng)成為編程領(lǐng)域的第四大語(yǔ)言[7]。

1.3 圖形模塊的選擇

Python語(yǔ)言的本身的功能不算強(qiáng)大，但是依托其開(kāi)源及可擴(kuò)展性，全世界的程序員們?yōu)槠溟_(kāi)發(fā)了20多萬(wàn)種模塊（第三方庫(kù)），各種功能應(yīng)有盡有，形成了一個(gè)龐大的生態(tài)系統(tǒng)。Python中能夠?qū)崿F(xiàn)圖形輸出的模塊較多，應(yīng)用較廣的有Pyecharts、Matplotlib、tkinter、PyQtGraph、Turtle等，通過(guò)對(duì)比其功能與效果，最終選擇了PyQtGraph模塊作為實(shí)現(xiàn)手段。PyQtGraph是一種功能強(qiáng)大的2D/3D繪圖庫(kù)，支持Linux、Windows和OSX系統(tǒng)。雖然該庫(kù)完全用Python編寫(xiě)，但因其內(nèi)部使用了Qt的GraphicsView框架及Numpy計(jì)算庫(kù)，使其在圖形繪制及數(shù)據(jù)處理速度方面有著極其優(yōu)異的表現(xiàn)，特別適合于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和動(dòng)態(tài)圖形繪制場(chǎng)合[8]。

使用PyQtGraph設(shè)計(jì)繪圖功能，無(wú)須進(jìn)行人機(jī)交互的設(shè)計(jì)，因?yàn)榻换スδ芤呀?jīng)集成在模塊內(nèi)部了，省卻了許多精力。編程的重點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，即各種參數(shù)與深度的映射關(guān)系，這是研究的核心。而將數(shù)據(jù)輸出到圖形，僅僅需幾行語(yǔ)句（見(jiàn)圖1） ，以最小的工作量實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化。

1.4 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

第一步，準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。將壓裂設(shè)計(jì)中采集到的套管接箍數(shù)據(jù)表、射孔數(shù)據(jù)表、分段數(shù)據(jù)表（含橋塞深度），整理后分別另存為.csv數(shù)據(jù)文件。用文本編輯器檢查.csv文件格式，將其中文件末尾的空白行、空字符串等內(nèi)容刪除。

第二步，軟件讀取以上數(shù)據(jù)，根據(jù)其各自的深度范圍，確定一個(gè)合適的深度上界與深度下界，將上述深度范圍涵蓋其中，一般將分段范圍的頂部與底部各外延50m，以便圖形更加美觀。

第三步，從深度上界開(kāi)始，到下界結(jié)束，以0.1m為增量，使用循環(huán)語(yǔ)句，生成類似于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的井筒深度剖面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的第1列為深度值，第2列為接箍深度值，第3列為射孔深度值，第4列為橋塞深度值，第5列為分段深度值。具體到每條曲線的數(shù)值的確定，經(jīng)過(guò)反復(fù)模擬，得出了如下經(jīng)驗(yàn)：接箍曲線的取值范圍為0～6，沒(méi)有接箍的地方，取值為0，有接箍的地方，取值為6。

射孔曲線的取值范圍為-4～0，沒(méi)有射孔的地方取值為0，有射孔的地方取值為-4。為了形成尖峰狀的效果，在連續(xù)射孔部位，每?jī)蓚€(gè)-4之間，強(qiáng)行插入一個(gè)0，使曲線出現(xiàn)震蕩波形。

橋塞曲線的取值范圍為0～3。橋塞位置一般只給一個(gè)中心點(diǎn)深度值，而不是一個(gè)深度范圍。為了模擬出橋塞的折線形狀，采用了如下的算法：距離橋塞深度點(diǎn)±1m的地方，取值2；距離橋塞深度點(diǎn)±0.5m的地方，取值3；其余地方取值為0。采用填充模式繪制曲線，在曲線值與0之間填充顏色。

分段曲線的取值范圍為-2或-3，其中奇數(shù)段取值為-2，偶數(shù)段取值為-3，以便區(qū)分各段的邊界。采用填充模式繪制曲線，在曲線值與0之間填充顏色，正好又實(shí)現(xiàn)了模擬套管外水泥環(huán)的目的。

第四步，數(shù)據(jù)校驗(yàn)。將射孔深度、橋塞深度與接箍深度進(jìn)行比對(duì)，凡是間距小于2m的，顯示警告信息（見(jiàn)圖3） ，提示設(shè)計(jì)人員進(jìn)行整改，避免事故隱患。以往一直靠人眼根據(jù)深度數(shù)據(jù)查找錯(cuò)誤，效率低且容易漏報(bào)。軟件的這個(gè)功能大大減輕了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

第五步，讀取文件數(shù)據(jù)，在繪圖窗口繪制曲線。X 軸為深度，Y軸為井筒直徑。每個(gè)參數(shù)繪制兩條曲線，沿井筒中心線（y=5） 對(duì)稱分布。8條曲線合成到一起，就得到了仿真的井筒剖面樣式，見(jiàn)圖2。

依托PyQtGraph模塊強(qiáng)大的交互操作功能，就可以用鼠標(biāo)左鍵對(duì)圖形進(jìn)行平移操作，用鼠標(biāo)右鍵進(jìn)行縮放操作，其中X軸（深度）可以無(wú)級(jí)縮放，在屏幕上全屏顯示的深度范圍可以從0.1m到10 000米，縮放比例達(dá)到驚人的十萬(wàn)倍以上。

2 可視化實(shí)現(xiàn)方法

2.1 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件操作界面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，主要包括6個(gè)按鈕、一個(gè)文本輸入框、一個(gè)信息提示窗。

軟件的圖形顯示界面見(jiàn)圖4和圖5。圖4是井筒全貌顯示的時(shí)候，顯示區(qū)域?yàn)槟尘s2 000m長(zhǎng)度的水平段井筒、劃分為23段。圖5是將圖形拖放到10米左右，只顯示一根套管的井筒情況。

圖形在X軸和Y軸方向可以單獨(dú)縮放，依靠鼠標(biāo)右鍵拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)，操作十分順滑，既能總攬全局，又可以細(xì)窺局部，操作體驗(yàn)十分友好。

2.2 軟件的功能設(shè)計(jì)

軟件的運(yùn)行流程主要有三步：1） 依次點(diǎn)擊“打開(kāi)數(shù)據(jù)文件”按鈕，選擇對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。2） 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，生成類似于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)格式的文件，同時(shí)校對(duì)射孔、橋塞與接箍的距離，距離小于2m時(shí)顯示警告信息。3） 點(diǎn)擊“顯示圖形”按鈕，軟件將新開(kāi)一個(gè)窗口，全貌顯示井筒剖面圖形，等待用戶的操作。

在圖形顯示窗口，單擊鼠標(biāo)右鍵，可以調(diào)出一個(gè)功能菜單，用其中的“Export”功能，可以將窗口內(nèi)的圖形導(dǎo)出成圖片文件，方便匯報(bào)展示。

軟件有3個(gè)貼心的設(shè)計(jì)：一是選擇數(shù)據(jù)文件后，軟件會(huì)自動(dòng)從文件名上提取出井號(hào)信息，顯示在圖形界面標(biāo)題上，省去了手工輸入的麻煩。二是設(shè)計(jì)了一根光標(biāo)線，見(jiàn)圖6，可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)位置，并跟隨顯示光標(biāo)線對(duì)應(yīng)的深度值，方便對(duì)井筒某處的深度進(jìn)行精確讀值。三是軟件可以智能判斷數(shù)據(jù)的完整度，不必須要接箍、射孔、分段這三個(gè)數(shù)據(jù)文件齊備才可以顯示，例如手上只有接箍數(shù)據(jù)，依然可以在其他數(shù)據(jù)缺省的情況下顯示出接箍剖面圖形。

3 結(jié)論

基于Python語(yǔ)言及PyQtGraph圖形引擎開(kāi)發(fā)的井筒剖面可視化軟件，在涪陵頁(yè)巖氣田的壓裂設(shè)計(jì)工作中得到了應(yīng)用，對(duì)壓裂施工的井筒剖面進(jìn)行精細(xì)顯示和交互化操作，可以更加直觀、形象地觀察不同井段的工具位置及施工部位，進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，達(dá)到了檢查施工隱患、提高設(shè)計(jì)效率、提升設(shè)計(jì)水平的良好效果。

下一步，可以在此基礎(chǔ)上對(duì)軟件進(jìn)一步完善，拓展功能。比如增加自動(dòng)分段分簇功能、實(shí)現(xiàn)圖形化的泵注程序設(shè)計(jì)等，形成一套智能化、可視化的壓裂設(shè)計(jì)輔助軟件，為頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支撐。