钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统

2002年11月第17卷第6期西安石油学院学报(自然科学版)
Journal of X i ′an Petro leum Institute (N atural Science Editi on )N ov .2002
V o l .17N o.6
收稿日期:2002209225
作者简介:孙正义(19602),男,山东梁山人,高级工程师,主要从事信息技术在钻井中的应用研究.
文章编号:100125361(2002)0620071204
钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统
3D V isua l iz i ng Syste m for the D esign and M on itor i ng of W ell Track
孙正义1,李玉2,杨敏2
(11胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营　257017;　21上海交通大学计算机工程与科学系,上海　200030)
摘要:采用了软件实现与硬件实现相结合,前者为主,后者为辅的策略,实现了虚拟现实技术中的三
维图形与图像、立体显示、人机交互,并将其成功地应用于钻井轨道设计与井眼轨迹监测中.解决了钻井轨道设计与井眼轨迹监测的三维可视化问题.经加载埕北30区块的地层、设计轨道、靶点、实钻轨迹等数据进行测试,取得了很好的成果.整个系统用V C ++6.0和O PEN GL ,辅助以必要的硬件配置,成功地开发完成.
关键词:虚拟现实;钻井轨道设计;立体显示;三维可视化中图分类号:T P 39119,T E 928 文献标识码:A 随着计算机技术的发展,人们开始要求计算机能再现真实的世界,因而计算机技术也正从多媒体时代向虚拟现实迈进.虚拟现实(简称V R :V irtual R eality )是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统.虚拟世界是全体虚拟环境或给定仿真对象的全体.虚拟环境是计算机生成的,通过视、听、触觉等作用于用户,使之产生身临其境的感觉的交互式景视仿真[1].3I 是虚拟现实的3个最基本特征,即:沉浸2交互2构想[124].虚拟现实技术主要包括:实时三维图形与图像技术、立体显示技术、人机交互技术、虚拟声响技术等[5]
.虚拟现实技术从概念的提出至今不过30多年,但是,它在航天、军事、机械制造业、机器人技术等领域得到了快速发展和应用.在石油勘探开发领域,少数领先的国际石油软件公司,如LANDM A R K ,Paradigm 开发出了三维立体的地下信息显示系统,但是,在国内的钻井软件方面,还未见虚拟现实技术的实际应用.因此,基于虚拟现实技术的钻井软件开发,具有开创性的意义.
1　钻井轨道设计基本要求
钻井轨道设计就是在已知井位坐标(或侧钻点
坐标)、靶点坐标的条件下,设计出从井口至靶点的
空间光滑曲线,并且该空间曲线能够在现有工艺技术及设备下实现.井眼轨迹监测就是根据钻井参数采集仪器传递的数据,实时显示实钻轨迹,使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.钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统是为油田钻井现场和后方技术部门研制的一套辅助的应用系统.111　地下虚拟环境的建立
1.1.1　三维立体显示地层　以三维立体的方式显
示地层,可以清楚地看到地层的起伏,使技术人员对地下情况及钻进情况有直观的了解,达到根据地层构造的特点,调整钻井工艺的目的.1.1.2　三维立体显示老井井眼轨迹　三维立体显
示老井井眼轨迹,便于比较老井眼与新井眼轨迹的位置,计算轨迹间的最近距离,达到防碰的目的.
1.1.3　三维立体显示设计轨道　三维立体显示设计轨道,使技术人员可以观察、分析实钻轨迹与设计轨道的偏差,以便调整钻井工艺.
1.1.4　三维立体显示靶点　三维立体显示设计的靶点,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.
1.1.5　三维立体显示实钻轨迹　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.112　人机交互性
1.2.1　对三维模型进行灵活控制　可以对三维模
型进行旋转、平移、缩放、改变填充方式等操作,使用户能够从任意角度、任意位置观察三维对象.同时,可在任意深度、以任意角度作切面,从而方便地观察相关井眼轨迹间的相对位置.
1.2.2　编辑调整轨迹数据　技术人员可根据现场
情况,对设计轨道进行调整,调整后数据重新三维显示.
1.2.3　鼠标位置读取三维信息
1.2.4　虚拟轨道设计　设计人员在虚拟场景中,直
接用鼠标在三维空间中设计钻井轨道.
2　井眼轨迹监测三维可视化系统的实
现
采用软件实现与硬件实现[5]
相结合,前者为主,后者为辅的策略来设计与开发桌面式的钻井轨道设计与井眼轨迹监测系统.任何先进技术在应用过程中都需进行裁减,而非全部照搬,根据系统的特点和功能要求,主要选取虚拟现实技术中的三维图形与图像技术、立体显示技术、人机交互技术.211　软件实现
2.1.1　地下虚拟环境的生成　
(1)三维空间建模
虚拟环境中的静态对象有:地层、老井井眼轨迹、设计轨道、靶点等;动态对象只有实钻的井眼轨迹.现实中的许多物体并非规则的,这就涉及到建模的概念,问题是如何用尽可能简单的模型来表示三维物体,并使人眼看不出差别.以地层为例:地层的三维形态表现为曲面,需用许多小矩形来模拟,因此地层数据就是网格数据.我们把网格间距规定为固
定大小,这样,只需知道起始点(左上角或左下角)的
X ,Y 坐标和网格间距,便可知道曲面上任一网格顶
点的X ,Y 坐标.因此,只需保存各网格顶点的深度Z 坐标
.地层数据可采用经过处理的三维数据体文件,或直接从开发数据库中读取相关数据,处理成地层三维数据.计算出地层曲面上各顶点的法向量,然
后便可进行三维显示.
计算地层曲面上的某一顶点的法向量,前提条件是将每个网格的左上角顶点与右下角顶点相连,使整个网格分成两个三角形,步骤如下.
第一步:计算与该顶点相邻的所有三角形的面向量.以计算左上角的一个三角形的面向量为例,其中
i ,j 分别为顶点的行、
列序号;coo rdA rray 是地层对象的所有点的数据;coo rdN o r m al 是顶点的法向量
m
iGridCo lum n 是网格的列数triangleCoun t 是与该点相邻的面的个数
…
coo rd [0]=[i 3m iGridCo lum n +j -1];
coo rd [1]=coo rdA rray [(i +1)3m iGridCo l 2
um n +j ];
coo rd [2]=coo rdA rray [i 3m iGridCo lum n +
j ];
Calcu lateT riangleN o r m al (coo rd ,&n t );
调用面向量计算
nSum .x +=n t .x ;nSum .y +=n t .y ;nSum .z +=n t .z ;
triangleCoun t ++;
第二步:与该顶点相邻的所有面向量都计算完后,求
其平均,便可得到该点的法向量
coo rdN o r m al ->x =nSum .x triangleCoun t ;coo rdN o r m al ->y =nSum .y triangleCoun t ;coo rdN o r m al ->z =nSum .z triangleCoun t ;(2)立体显示
为了提高视觉的真实效果,增强用户与虚拟环境进行交互的真实感,在本系统中我们采用立体显示技术.对同一个场景产生两幅画面,一幅给左眼看,另一幅提供给右眼.为了立体地显示一幅画面,必须满足以下条件[6]:
(a )显卡必须能够在stereo m ode 模式下工作(即支持立体现实);
(b )每一幅为左眼提供的画面必须在后左缓存中生成;
(c )每一幅为右眼提供的画面必须在后右缓存中生成;
(d )左、右两个缓存必须根据立体观察设备(例如立体眼镜)的要求进行显示.其中第一、第四条由硬件提供的.OpenGL 支持立体显示,它分别为左、右眼提供前、后缓存.具体实
—27—西安石油学院学报(自然科学版)
现如下:
其中,I OD 为两眼间距离…
doub le fu si onD istance =1280; 图1中的Fu 2si on D istance
m dA ngle =atan 2(m _d I OD
2,fu si onD is 2tance )3(180
3.14159265); 图1中的angle gl M atrix M ode (GL _M OD ELV IE W );
gl L oad Iden tity ();
3the defau lt m atrix 3 glPu sh M atrix ();
gl D rawB uffer (GL
BA CK L EFT );D raw Scene (1);
绘制场景(左眼)glPopM atrix ();
gl D rawB uffer (GL _BA CK _R IGH T );
D raw Scene (0); 绘制场景(右眼)…
vo id COpenGLD rilling 3DC trl ::D raw Scene (in t
left )
绘制场景{　…if (left ==1)
glT ran slatef (m d I OD
2.f ,0,0);else if (left ==0)
glT ran slatef (-m d I OD 2.f ,0,0);…
if (left ==1)
glRo tatef (m dA ngle ,0.f ,0.f ,1.f );else
if (left ==0)
glRo tatef (-m dA ngle ,0.f ,0.f ,1.f );… 绘制地层、井眼轨迹等对象.}
图1　三维可视化几何图
角度的计算公式[6]:
angle =arctan (
fu si on distance
I OD 2
)(3)光源设置
设置一个发光点,以及它所覆盖的范围,以模拟日常生活中的各种情景,如日光、点光源等.虽然地
下的真实情况是无光照的,但是为了让人能够看到地下的情况,加入了光源.光源越多,模拟效果越好,但是所需的计算很大,在本系统中,设置了3个光源,取得了理想的效果.
(4)透视效果简单说就是远小近大的效果,通过透视投影来实现.
float radtheta ;
radtheta =2.03atan 2(dSize 30.8,dD is 2tance );
dFovy =(180.03radtheta ) P I ; 计算视角
dN ear =.53dSize ;
近视切面dFar =23dSize +dD istance ;
远视切面dA spect =
(GL doub le )(cx 32 3) (GL doub le )cy ;
gluPerspective (dFovy ,dA sp ect ,dN ear ,
(GL doub le )dFar ); 设置透视投影矩阵
…
2.1.2　人机交互性的实现　在本系统中,人机的交互性主要表现在,用户使用鼠标或键盘对屏幕上显示的三维模型进行实时操作(例如:旋转、移动、缩放等),利用鼠标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.
(1)实时移动的实现在本系统中,通过改变视点的位置和观察方向,再将移动后的视点仍作为坐标原点,观察的方向仍然规定为负Z 轴方向.这样,各三维对象在新坐标系内的坐标都将改变,观察者所看到图像也就随之改变.
(2)实时操纵的软件实现在本系统中,使用者的动作主要是鼠标的单击、双击、拖放等.通过这些行为事件来触发相应的程序,从而达到根据用户的动作来改变地下虚拟场景中三维对象(地层、井眼轨迹、设计轨道等)的状态的目的.
在根据鼠标的位置来显示用户所需信息时,存在一个问题,即鼠标本身的位置是一个二维坐标.如何在三维系统中来定位一个三维坐标,我们采用的方法是:三维的虚拟现实系统中,显示器是二维的.所以,对象在显示器上都有其对应的二维坐标.当鼠标点击对象时,系统将鼠标所在位置转化成虚拟现实系统中的三维坐标,这样就实现了用鼠标来定位三维对象的坐标.然后,再根据鼠标的动作,来决定
—
37—孙正义等:钻井轨道设计与井眼轨迹监测三维可视化系统
相应的操作(例如显示用户所需信息等).
以旋转为例:当鼠标左键按下并开始旋转移动时,执行O n M ou se M ove (),计算出绕各坐标轴旋转的角度,然后使屏幕画面无效,重画场景.这样便达到了技术人员通过操作鼠标来控制三维模型使其旋转的目的,实现了人机的简单交互.本系统中其他的人机交互性的实现方法与此类似.2.2　硬件实现
为了达到系统的要求,有了软件生成的图像后,还必须有以下硬件的支持.
①专业三维图形卡:支持立体显示,即将左、右眼的图像存放在两个不同的缓存中,并且两个缓存按照一定的频率交替将图像显示在屏幕上.
②立体眼镜:两个镜片会交替着瞬间不透光,并且其交替的频率必须与显卡的交替频率保持一致.③红外控制器:通过红外控制器使显卡与立体眼镜保持同步.
3　结束语
本研究实现了钻井轨道设计与井眼轨迹监测三
维可视化系统.系统完成后,加载了埕北30区块的地层、设计轨道、靶点、实钻轨迹等数据进行了测试.结果表明,该软件已能清楚地三维立体显示地层、井眼轨迹、靶点等信息,并通过对三维模型的灵活操
作,使操作人员从任意角度、任意位置身临其境地观察地下情况,实现了根据钻井参数实时显示井眼轨迹的功能,达到了预期效果.
在国内,该系统是第一个将V R 技术应用到钻井轨道设计与轨迹监测系统的软件.系统操作简便,适应性强,硬件的可选择性多,对于现场监测只需少量投资.今后,我们还要建立地下场景数据库,将更多的地下信息(比如水层、油层等)纳入进来,使地下信息更丰富、更真实;其次,将更多的虚拟现实的技术应用进来,使系统功能不断完善.参考文献:
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OpenGL ,A dvanced R endering [C ].O rganized by Tom M cR eyno lds Silicon Graph ics ,1998.
编辑:张新宝
科学家利用碳纳米管制造出坚硬材料
据新华网报道:美国科学家发现,用一层碳纳米管、一层聚合物层层交叠出的“夹心饼干式碳纳米管”具有超强硬度,可与工程中使用的超硬陶瓷材料媲美。

美国俄克拉荷马州立大学的科学家在最新一期英国《自然材料学》杂志上报告了他们的这一成果。

他们说,这种新的超硬材料是完全有机的,而且很轻,适用于制造植入人体并长期发挥作用的医疗器件,在航天工业方面也有很好的应用前景。

俄克拉荷马州立大学的科学家使用的新方法,把材料交替浸在碳纳米管水“溶液”和聚合物溶液里,使材料表面交替生成单分子层的碳纳米管和聚合物。

这就避免了碳纳米管聚集成团的问题。

通过往碳纳米管上添加化学基团,促进碳纳米管和聚合物的结合,还可进一步提高硬度。

这样制造出的材料硬度比普通的碳纤维材料要高几倍,可与碳化硅纤维、碳化钽等超硬材料相媲美。

科学家说,这种交替浸泡生成“夹心饼干式碳纳米管”的方法并不困难,成本较低,但碳纳米管本身的造价较高,是该技术付诸实用的一个阻碍。

(权艳梅)
—47—西安石油学院学报(自然科学版)
and nam ely,it lack s adap tab ility.In o rder to overcom e the deficiency,a case2based discovering m odel of adap tive associati on ru les is p u t fo r w ard,and its structu re and characteristics are p resen ted.It no t on ly raises the efficiency in the stage of data p rep aring by u sing the p ast cases and expert experience,bu t also adju sts suppo rt and confidence w ith the variati on of environm en t.
Key words:case2based reason ing;adap tati on;associati on ru les;data m in ing
FA N G M ing,CH EN F u2x uan(D ep artm en t of Com pu ter Science,X i’an Petro leum In stitu te,X i’an 710065,Shaanx i,Ch ina)JXA P I2002V.17N.6p.68270
3D V isua l iz i ng Syste m for the D esign and M on itor i ng of W ell Track
Abstract:T h is system realizes3D i m age,stereo disp lay and u ser2com pu ter in teracti on in virtual reali2 ty techno logy by softw are and hardw are.T he system is successfu lly app lied to the design and real2ti m e m on ito ring of drilling track.It so lves the p rob lem of3D visualizing of the design and real2ti m e m on ito ring of drilling.A cco rding to the data of stratum,design track,target and actual drilling track in CB30area, the system is tested,and a ideal resu lt is go t.T he system is develop ed by V C++6.0and Op enGL.
Key words:visual reality;design of drilling track;stereo disp lay;3D visualizing
SUN Z heng2y i,L I Y u,YA N G M in(R esearch In stitu te of D rilling T echno logy,Shengli Petro leum A dm in istrati on B u reau,Dongying257017,Shandong,Ch ina)JXA P I2002V.17N.6p.71274
Prepara tion and Appl ica tion Technolog ies of Nanoferrof lu id
Abstract:N anoferroflu id is a new k ind of liqu id functi onal m aterial developed in1960’s.It is a co llo id fo r m ed by ferrom agnetic nano particles w h ich are coated w ith su rfactan t layer stab ly dispersing in a liqu id carrier.T he characteristics of nanoferroflu id,its p rep arati on m ethods and app licati on s in seal,lub ricat2 ing,dam p ing,grinding,p rin ting and m edicine fields are review ed.Som e suggesti on s of ou r research in fu2 tu re are p ropo sed.
Key words:nanoferroflu id;p reparati on;ligu id functi onal m aterial
YUA N S hu2x ia,FA N Y u2g uang,CH G X iu2m ei(Schoo l of E lectrom echan ical and M aterial Engi2 neering,X i’an Petro leum In stitu te,X i’an710065,Shaanx i,Ch ina)JXA P I2002V.17N.6p.75279 Active Con trol of the Rotor Syste m by Electro magnetic Bear i ng-Extrudod O il F il m Dam per Abstract:M any non linear facto rs of a ro to r system are am p lified becau se of the off2cen ter of the ro2 to r.In th is p ap er,a new con tro l m ethod of the ro to r system is p u t fo r w ard,and it is to com b ine electro2 m agnetic bearing con tro l w ith a ex truded o il2fil m dam p er.It con tro ls actively the cen trifugal fo rce p ro2 duced by the nonbalance of the ro to r system,so the i m p ack and fricti on betw een ro to r and stato r.T he dy2 nam ic m odel and con tro l b lock diagram of the system are p resen ted.Its si m u lati on calcu lati on is conduct2 ed,and the resu lt show s that the active con tro l m ethod is feasib le.
Key words:electrom agnetic bearing;active con tro l;ro to r system;SFD;i m pack and fricti on
ZH A N G T ao,M EN G Guang,ZH A N G Z i2x u(T he R esearch Cen ter of V ib rati on,N o rth2w estern Po lytechn ical U n iversity,X i’an710072,Shaanx i,Ch ina)JXA P I2002V.17N.6p.80283
Ref lection Properties of Layered M ed iu m
Abstract:T he electrom agnetic reflecti on p rop erties of conducting and non2conducting peri odic layered m edium co rresponding to1 3Can to r fractal m edium are discu ssed in th is pap er,It is found that the reflec2 ti on sp ectrum s of peri odic layered m edium and Can to r fractal m edium have the sam e p roperties and si m ilar shap e.T he reflecti on spectrum of non2conducting layered m edium is peri odic and self2si m ilar,and that of conducting layered m edium is no t peri odic as a w ho le,bu t w hen the frequency is h igher than a value,it is also p eri odic.
Key words:layered m edium;Can to r fractal set;reflecti on coefficien t;electrom agnetic w ave
FU H a i2w ei,FU J un2m ei,CH EN J un(Schoo l of E lectron ic and Info r m ati on Engineering,X i’an J iao tong U n iversity,X i’an710049,Shaanx i,Ch ina)JXA P I2002V.17N.6p.84286。