导向钻井信息三维可视化系统的实现_李艳华

收稿日期: 2006-06-14 基金项目: 国家自然基金项目( No. 50474041) ; 中石油天然气集团公司中青年创新基金项目( No. 04E7045)和陕西省教育 厅科研项目( No. 05JK284)联合资助 作者简介: 李艳华( 1980- ) , 女,主要从事人工智能、虚拟现实方面的研究. 文章编号: 1673-064X( 2007) 01-0075-04 导向钻井信息三维可视化系统的实现 Three-dimensional visualization of steering drilling information 李艳华,徐英卓 (西安石油大学 计算机学院,陕西 西安 710065) 摘要:研究了虚拟现实系统中三维对象虚拟现实建模、立体显示及人机交互等实现技术, 并将其运 用于导向钻井信息三维可视化系统的实现中, 解决了导向钻井中地层、井眼轨迹、靶点以及设计轨 道等钻井对象的三维可视化问题.系统为钻井人员提供了一个钻井信息高度可视化的工作环境,能 够有效地提高钻井人员对地层构造及储层特性的判断力、钻头在储层内轨迹的控制等,从而提高钻 井成功率. 详细描述了钻井对象的虚拟现实建模方法及其三维可视化实现, 并给出了一个三维对象 可视化的示例. 关键词:导向钻井;虚拟现实;信息可视化; Java 3D 中图分类号: TE928; TP391 文献标识码: A 在地质条件复杂多变的情况下, 导向钻井过程 中所钻井身穿越地层的地质和油藏参数、所钻井身 的工程和井眼参数等存在着不精确性、模糊性、不确 定性等,对这些信息的实时分析、处理与解释, 必须 要用人工智能的方法与现代可视化技术. 目前这一 过程都是依靠传统的数据分析方法产生的单维数据 以及各种解释图件进行. 本文提出开发导向钻井信 息三维可视化系统, 利用虚拟现实技术对导向钻井 过程中采集的信息进行模拟与三维可视化. 而目前 虚拟现实技术在导向钻井方面的应用还不是很常 见[ 1-2] . 1 系统开发工具 系统主要采用 Sun公司推出的可视化工具 Java 3D来实现. Java 3D是用于三维应用程序编程的一 组 API(应用编程接口) , 它采用的是场景图的数据 结构, 其场景图易于实时处理及特殊三维效果的显 示,方便最新的三维图形加速技术的应用. Java 3D 用于虚拟现实系统开发有如下优点[ 3] : ( 1) Java 3D提供了高层的面向对象的三维图形 描述方法.通过使用基于场景图的三维图形模型,程 序员无须考虑具体的几何形体和编写描述代码, 只 需集中精力于场景图中的对象和组件. ( 2) Java 3D底层通过 DirectX或 OpenGL 实现 3D硬件加速, 并且使用了视锥体消除法处理技术, 同时采用多线程, 实现了速度的最优化. ( 3) Java 3D基于 Java 技术,适于开发网上的可 视化应用程序. 它继承了 Java 语言的平台无关性, 并且采用了几何形体压缩技术,避免了带宽瓶颈. ( 4) Java 3D支持许多种虚拟现实系统外部设备. 2 导向钻井信息三维可视化系统的体 系结构 系统总体结构分为三层:资源层、控制层和应用 层, 如图 1所示. 资源层. 存储井场有关的实时数据、分析用的知 2007 年 1 月 第 22 卷第 1 期 西安石油大学学报(自然科学版) Journal of Xican Shiy ou University( Natural Science Edition) Jan. 2007 Vol. 22 No. 1 图 1 导向钻井信息三维可视化系统的系统结构图 识和模型以及生成的虚拟对象模型, 为系统提供 资源. 控制层.通过服务器对整个系统进行管理与控 制.主要包括: ¹ 管理模块.是整个系统的监控程序, 实现用户的注册与帐户管理等; º 信息处理模块. 实 现钻井信息的网上发布、访问与查询服务等; »网络 通信接口.实现资源层与控制层的连接通信. 应用层.通过浏览器为用户提供一个信息可视 化的虚拟环境. 其中包括: ( 1)用户登录 负责前台与后台连接的初始化 认证,以及用户登录时的身份、帐号验证等. ( 2)权限控制 实现工作中不同身份用户的操 作权限控制,为管理员设置管理和加锁权限. ( 3)信息可视化模块 该模块实现地层分层、井 眼轨迹、靶区、实钻轨迹等钻井对象的三维可视化, 使钻井信息具有物理真实性和自然实时性, 从而使 用户对钻井信息进行分析、解释及应用时具有身临 其境的沉浸感和交互能力. 其中资源层和控制层都位于服务器端, 对服务 器的配置要求相对较高. 其硬件配置可采用图形工 作站或 Intel P IV 3. 0 GHz 微机, 内存 1GB、硬盘 80GB以上, 大型三维立体显示屏、高速显卡. 应用层通过浏览器为用户提供一个可视化虚拟 环境. 由于 Java 3D 是将程序在服务器端生成 Ap- plet,用户访问时,只需下载 Applet ,而不需要下载图 片,因此,浏览器端采用较高配置的微机即可. 为了 使用户具有临场感, 可配置虚拟现实的人机接口设 备,如操纵杆、头盔显示器、数据手套和立体眼镜等. 3 系统实现 系统主要对以下对象进行三维可视化[ 4] . ( 1)地层三维可视化:以便清楚地看到储层的岩 性、地层流体产状及地层的起伏, 使钻井技术人员对 地下情况、储层特征及钻进过程有直观的了解, 达到 根据地层构造特点调整钻井工艺的目的. ( 2)老井井眼轨迹三维可视化:便于比较老井眼 与新井眼轨迹的位置,达到防碰的目的. ( 3)靶点三维可视化: 将设计的靶点三维可视 化, 可以对靶点区域进行放大,当钻井轨迹到了靶点 附近时,使技术人员能够准确地观察和控制轨迹走 向, 准确中靶,提高钻井成功率. ( 4)设计轨道三维可视化:将设计轨道三维可视 化, 使钻井技术人员可以观察、分析实钻轨迹与设计 轨道的偏差, 以便调整钻井工艺. ( 5)实钻轨迹三维可视化:根据钻井参数采集仪 器传递的数据,实时三维立体显示实钻轨迹,使钻井 技术人员可以随时直观地观察轨迹走向, 了解钻井 深度,以及轨迹穿越地层的情况等. 3. 1 信息采集与存储 系统的数据主要通过井场信息采集设备获取地 震、电测、随钻测量、随钻测井、综合录井、地质录井 等各传感器采集的井下信息, 同时与邻井及区块的 现场数据进行综合.在此基础上, 通过分析其空间数 据结构及其不确定性、动态性、异构性、冗余性或矛 盾性,基于信息融合及 XML 等技术进行信息融合 与集成, 以解决信息的不确定性, 消除信息之间的冗 余和矛盾,获得对井下被测对象完整、准确和一致性 的解释与描述; 然后通过卫星通讯 GPRS ( General Packet Radio Serv ice)通讯等方式将数据实时传输到 油田基地信息中心,以数据库方式存储至服务器中, 通过数据库管理系统 M icrosoft SQL Server 2000进 行管理. 3. 2 三维对象建模 ( 1)地层建模.主要是根据已知井点数据应用顺 序高斯模拟算法[ 5]对其进行处理, 得出未知井点的 井位坐标以及地层上各个坐标点的坐标, 以模拟出 三维地层模型,具体 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征出地层的起伏.地层的三维 建模步骤如下: ¹ 将所有条件数据(从数据库中读出 的已知数据和已模拟实现的数据)进行正态变换,从 非正态分布变换为正态分布, 作为先验条件概率分 布; º 对变换后的条件数据进行变异函数计算与建 模; » 对模拟网格, 定义一个模拟的随机路径; ¼对 每个网格点, 根据邻近的条件数据(包括井的原始数 据和已模拟的数据)估计在该点处变量的局部概率 )76) 西安石油大学学报(自然科学版) 分布 ( Local Condit ional Probability Dist ribut ion, 简称 LCPD) ; ½从 LCPD中进行随机抽样, 得到该网格点 上的一个模拟值; ¾将模拟值加到条件数据中去; ¿ 重复第¼到第¾步, 直至所有网格点模拟一遍; À进 行高斯条件模拟值的正态逆变换. (2) 老井井眼轨迹建模. 主要是运用积分法[ 6] 来实现. 它是一种基于空间曲线的方法. 钻井过程 中,一个明显的事实是在井深变化不大的两相邻点, 井斜角和井斜方位角均不会发生突变, 这正是积分 法的基础. 井眼轨迹计算的目的就是要计算各测量 点相对于井口位置的各种位移量. 所用的积分方法 为:首先假设有两个相邻测点 A 和B ,将过 A , B 两 点的实际井眼曲线L = L ( s) (以弧长 s 为自变量的 空间曲线) 分成 n 个小弧段, 每个小弧段的长度均 为 $L / n.将井斜角和方位角增量亦分成 n份,且设 第一个小弧段的井斜角和方位角为 AA 和 UA , 以后 每个小弧段的井斜角和方位角均比前一个小弧段增 加 $A/ n 和 $U/ n.公式中, $H 为A , B 两测点的垂 直井深增量; $Sc为A , B 两测点的水平投影弧长增 量; $E 和 $N 分别为A , B 两测点在X 轴和 Y 轴正 方向的位移增量;井深、井斜角和方位角分别为 L A , AA , UA 和LB , AB, UB ;增量为 $L = L B - L A , $A= AB - AA , $U= UB - UA ; 算术均值为 AV = ( AB + AA ) / 2, UV = ( UB + UA ) / 2.积分公式经积化和差处 理之后为 $H = $L cosAV sin[$A/ 2] $A/ 2 ; $Sc = $L sinAV sin[ $A/ 2] $A/ 2 ; $E = $L 2 cos( AV - UV) sin[ ( $A- $U) / 2] ( $A- $U) / 2 - $L 2 cos( AV + UV ) sin[ ( $A+ $U) / 2] ( $A+ $U) / 2 ; $N = $L 2 sin( AV - UV ) sin[ ( $A- $U) / 2] ( $A- $U) / 2 + $L 2 sin( AV + UV ) sin[ ( $A+ $U) / 2] ( $A+ $U) / 2 . 其水平位移(闭合距)$S = ( $E 2+ $N 2) 1/ 2 . ( 3)设计轨道及实钻轨迹建模.主要由已知井点 和靶点作为已知数据, 再由适当的算法将这两个点 连接,设计出合适的钻井轨道.虽然实钻轨迹基本是 按设计轨道钻进产生,但都有或多或少的偏离,甚至 不乏偏离程度较大处.因此,可运用扭曲模型模拟的 方法,根据设计轨道模拟出实钻轨迹. 3. 3 三维对象生成与可视化 钻井对象的三维可视化运用 Java 3D 来实现, 其方法是:首先创建一个用来绘制三维图形的区域 Canvas3D对象,这是 1个包含了场景中物体的视图 的矩形; 然后建立 Virtual Universe (虚拟空间) 对 象,而且只能有一个 Virtual Universe, 这个 Virtual Universe用来容纳所建的场景; 接着再创建一个用 来放置一组物体的数据结构场景 Locale (场景)对 象, 并将 Locale 对象关联到 VirtualUniverse 对象. 绝大多数程序只有 1个 Locale, 当然,复杂的应用程 序可以建立多个 Locale, 由程序控制当前的 Locale 是哪一个.创建过 Locale对象之后再构造一个 View (视野) 子图, 对此子图的创建首先要各创建一个 ViewPlat form 对象、PhysicalBody 对象和 Phys-i calEnvironment对象, 然后再创建一个 View 对象, 将 ViewPlat form、PhysicalBody、PhysicalEnvironment 和 Canvas3D对象关联到 View 对象上. 然后构造内 容子图并选择性地编译子图. 最后将两个子图插入 到 Locale 节点. 完成以上工作之后, Java 3D显示器 进入无穷循环,正常显示虚拟世界.图 2即为用 Java 3D程序对钻井对象三维可视化实现的场景结构 图[ 7] . 此场景结构中主要包括3个部分,即三维钻井 对象的外观(灯光、材质、纹理等)、三维钻井对象形 体和观察者( V iew er)视点的构造. 图 2 场景结构 三维钻井对象外观的改变主要对物体的颜色、 纹理、反光度等进行处理. Appearance类包含了进行 这些改变的功能. 为了使物体看起来有真实感, 需指 定一个物体如何在灯光下显示, 在此使用 Material 对象来实现. M aterial对象有5个属性,即环境( Am- bient )、放射( Emissive)、漫射( Dif fuse)、镜射( Specu- lar)和光泽度( Shininess) ,每个属性指定了物体在特 )77)李艳华等: 导向钻井信息三维可视化系统的实现 定情况下如何发光. 对地层、井眼轨迹、靶点、设计轨 道、实钻轨迹等形体的构造,所用的方法大同小异, 都是先在 Locale 下建立一个分支节点 Branch- Group,在分支节点下再建立一个基准坐标系 Trans- formGroup,然后相对这个坐标系摆放地层、井眼轨 迹、靶点等形体( Shape3D等) .在此主要描述一下对 地层形体的构造过程. 地层曲面的形成主要通过将 曲面分解成许多连续的三角面片,并通过三角面片 的构造来形成整个曲面. 生成三角面片的方法主要 有 T riangleArray 和 T riangleStripArray 方法[ 7] . 前 一种方法要创建一个 Triang leArray 对象,它将指定 顶点集合中的顶点按 3个一组来划分, 然后每 3个 构成一个三角面片, 该对象用于构造数量不多的、简 单的、相对独立的三角面片集合. 后者是创建一个 T riangleSt ripArray 对象, 它生成平面的规则是: 每 组中的每一个顶点(除第一、第二个点)和位于它之 前的 2个顶点构成一个三角形平面; 此方法可以生 成多组三角形面,在同一组中的三角形面是通过边 相互连接的几何表面,而且其光滑程度很高. 本研究 直接从数据库中取出相邻两列所对应的网格数据, 然后作为调用 T riangleSt ripArray 的函数参数传递 给调用的方法而完成了地层的三维可视化的实现. 图 3为地层与井眼轨迹三维可视化的示例. 图 3 地层与井眼轨迹三维可视化视图 对观察者部分的构造是在安放好三维形体之后 进行的, 它需要设定人的观察位置、方向等, 用 V iewPlatform 指定,它也是建立在 T ransformGroup 节点之下的. 3. 4 人机交互性的实现 人机交互性主要体现在: 当用户使用鼠标或键 盘对屏幕上显示的三维对象进行实时操作, 可在任 意深度以任意角度作切面, 通过鼠标位置读取三维 信息等.实时操作主要包括对象的旋转、平移、缩放 等,它以动态三维图像(或图形)表达地层、井眼、靶 点等的形态, 使钻井工作人员可以从不同角度、高 度、位置对复杂地形、井眼、靶点等进行观察和操作. 这 3个操作是由不同方法来实现. ( 1)三维旋转. 是以三维坐标的某一个轴为中 心, 对上述钻井对象进行任意角度的旋转, 以便从不 同角度进行观察. 这主要通过对坐标系围绕 X , Y 轴进行不同角度的改变来实现:首先由 tx . rotX( an- gel)和 ty . rotY( angel) ( angel为改变的弧度, tx 和 ty 分别为一个 T ransform3D 对象)来设置围绕坐标轴 改变的角度; 然后由 t3d. mul( tx)和 t3d. mul( ty)来 实现对坐标系的操作; 最后由 trans. setTransform ( t3d)方法来实现. ( 2)三维平移.是在平面上对三维图像(或图形) 进行任意距离、方向的移动. 它是通过在移动的过程 中对坐标系的 X 和 Y 坐标进行改变, 然后 trans. setTranslation( t3d)方法来实现. ( 3)三维缩放. 是通过在缩放过程中对 X , Y 分 量分别根据鼠标的拉伸缩放相应的倍数 zoom ,然后 由 t rans. setScale( zoom)方法来实现. 在缩放过程中 Z 分量不变,缩放功能的实现主要是便于钻井工作 人员对钻井、地层信息有一个详细的了解. 4 结 论 本文实现的导向钻井信息三维可视化系统, 是 基于虚拟现实技术来实现钻井的地质分层、井眼、井 身轨迹、靶区等钻井对象的三维可视化,并实现钻井 对象的旋转、平移、缩放等交互操作,从而使钻井技 术人员能从任意角度、任意位置对地下情况及钻进 过程全面、直观的了解, 以便对钻井过程进行全景式 的数据分析, 真正实现三维数据的全三维解释, 从而 提高钻井过程的可控制性,提高钻井效率. 参 考 文 献: [ 1] 姜学智, 李忠华.国内外虚拟现实技术的研究现状[ J] . 辽宁工程技术大学学报, 2004, 23( 2) : 238-240. [ 2] Taverna, M ichael A. Case study in vir tual reality [ J] . Mc- Graw-Hill Companies, 2004, 19( 160) : 52-54. [ 3] 鲍彦如. Java 3D 创建虚拟现实世界探析[ J] . 微计算机 应用, 2003, 24( 6) : 378-381. [ 4] 孙正义, 李玉, 杨敏. 钻井轨道设计与井眼轨迹监测三 维可视化系统[ J] . 西安石油学院学报: 自然科学版, 2002, 17( 6) : 71-73. [ 5] 李少华, 张昌民, 汤军. 砂体厚度的随机模拟 [ J] . 新疆 石油地质, 1999, 20( 6) : 505-507. [ 6] 王礼学. 井眼轨迹计算新方法[ J] . 天然气工业, 2003; 23(增刊) : 57-59. [ 7] 都志辉. Java3D 编程实践(网络上的三维动画 ) [ M ] .北 京: 清华大学出版社, 2002. 编辑:张新宝 )78) 西安石油大学学报(自然科学版) Study on the mechanism and performance of the condensate water producing from abnormal high-temperature gas wells Abstract: Based on the phase equilibrium theory of o i-l gas-w ater mult-i phase, the phase vary ing characteristics of the hydrocar- bon and water in formation and w el-l bor e under the orig inal gas reservoir condition with abnormal high- temperature and in product ion process are studied by simulation, and the process and mechanism of the condensate w ater producing from the gas w ells are analyzed. T he contents o f the saturated condensate water in condensat e g as under differ ent temperatures and pressures are calculated, the pr o- duction perfo rmance of the condensate water is obtained. T he law and the source of t he early condensate water producing of two prac- tical g as wells are analyzed. I t is shown t hat t he mechanism of the condensate w ater pr oducing is t he mult-i phase equilibrium of hydro- carbon and w ater under different temperatures and pressures, t he production law of the condensate w ater can be used for t he prelim-i nary judgment of the water sour ce in gas w ells and the analysis of t he water producing per formance of g as wells. The co rrect recogn-i tion of the w ater producing law of high- temperature gas w ells is important to the reasonable design of gasfield development plan. Key words: high- temperature gas w ell; condensate g as reservoir; condensate water producing mechanism; condensate water pr o- ducing performance TANG Yong1, 2 , S UN L ei 2, DU Zhi-min2, S UN L iang- tian2 , LI Shi-lun2( 1. Post-doctoral Research Center, Chengdu Univer- sity of Technolog y, Chengdu 610500, Sichuan, China; 2. State Key Labor ator y for O il Reservo ir Geolog y and Development Engineer- ing, Chengdu 610500, Sichuan, China) JXSYU 2007 V . 22 N . 1 p. 68-71 Application of the well test interpretation method for fracture-vug reservoir in Tahe Oilf ield Abstract: Based on the geolog ical data of Tahe O ilfield, the w ell test interpretat ion model of the reservoir with the fr actur e and vug w hich are connected with wel-l bore is established. The method for so lving the model by using genetic algorithm is put forward, and the co rresponding software is developed. The w ell test interpretat ion model is used in the well test interpr etation of sever al w ells of T ahe Oilfield, and the development and distr ibut ion of fr actur e and vug in the reser voirs ar e successfully predicted by using the well t est interpr etation results. Key words: T ahe Oilfield; fracture- vug reser voir; well test interpretation; automatic fitting WAN G Zi-sheng 1, YA O Jun1, DAI Wei-hua2( 1. F aculty of Petroleum Engineer ing , China Univ ersity of Petroleum ( East Ch-i na) , Dongy ing 257061, Shandong , China; 2. Technolog y Department of T ianjin Branch Company , CNOOC, T ianjin 300452, China ) JXSYU 2007 V . 22 N . 1 p. 72-74 Three-dimensional visualization of steering drilling information Abstract: The modeling , display and human-machine interaction in the visualizat ion of a 3-D object are discussed thoroughly, and t hey are applied to the t hree-dimensional visualization of steer ing drilling information. T hus, the 3D visualization o f the formation, real w ell track, targ et point and designed w ell track in steer ing drilling can be implemented. A case is presented. By the visualization of drilling information, drilling workers can clear ly understand the structur e of formation and t he characteristics of reservoir , incr ease the control ability of dr illing bit and thus can improve drilling success rate. Key words: steering drilling ; vir tual reality ; visualization of info rmat ion; Java 3D L I Yan-hua, X U Y ing-z huo ( Colleg e of Computer, Xi. an Shiyou University, Xi. an 710065, Shaanxi, China) JXSYU 2007 V . 22 N. 1 p. 75-78 Application results of two vertical drilling systems in Talimu Oilf ield and their comparison Abstract: Inclining prevention and drilling- speed enhancing is a pair of contradiction in drilling well in mountain fr ont steep structural formation. The inclination angle of the mountain fr ont structur al formation in T alimu Basin gener ally ranges from 15bto 80b. In order to solve the contradiction, three internationally advanced vertical dr illing systems are introduced. Tw o of them, VTK dr illing system and Power-V drilling system are applied in Talimu O ilfield. The application results of them in Kela-4 w ell show that, they can all effectively control hole inclination and increase drilling speed, but the performance of Power-V drilling system is better t han that of VTK drilling system. Some problems ex isting in the field applications o f them are proposed and some improvement suggestions are giv- en. Key words: T alimu Oilfield; steep inclined structure; vertical dr illing system; rotary steering drilling tool; application r esult L IU L ei1, 2 , LI U Zhi-kun1 , GAO Xiao-rong1 ( 1. College of Petroleum Eng ineering, Xi. an Shiyou University , Xi. an 710065, Shaanx i, China; 2. Talimu Shengli Dr illing Company , Kuerle 841000, Xinjiang, China) JXSYU 2007 V . 22 N . 1 p. 79-81, 86 Effect of reaction temperature on the product of aromatization reaction of FCC gasoline narrow fraction Abstract: I n order to make t he content of alkene in FCC gasoline meet the requirements of the national new standard, the alkene in FCC gasoline must be tr ansferred into isobutene and aromat ic hydrocarbon. The catalytic g asoline narrow fraction of Lanzhou Refin- ery being used as exper imental mater ial, and smal-l size fixed- fluidized bed reactor as reaction unit, t he effect laws of reaction tempera- ture on the increasing rates and y ields of all the components of the product, the composition of gas product and the composition of liq- uid product of the aromatization reaction ar e exper imentally studied. The experimental results show that, to some nar row fract ion, un- der the same carbon number the increasing rates of all the components of the product increase w ith t he going-up of reaction tempera- ture, and the higher the reaction temperatur e, the more the increase of the components; to some nar row fraction, the yields of dr y gas, Ø