石油钻井井眼轨迹三维可视化建模-2019年文档

石油钻井井眼轨迹三维可视化建模

Modeling of 3D Visualization for Wellbore Trajectory

ZHANG Min

(Xi'an Shiyou University, Institute of Computer, Xi'an 710065, China)

: In order to directly observe, analyze and effectively control the drilling trajectory for the drill staff, this paper puts forward a new method for the tubular wellbore trajectory which bases on slices modeling, Triangulated

Irregular Network (TIN) and 3D geometric transformation.

The method implements the 3D tubular wellbore trajectory seamless connection efficiently and conveniently without interpolation smoothing treatment ofthe wellbore trajectory's bender. It also details in the wellbore trajectory modeling and also lays the foundation for the "person on the scene" observation and controlling

three-dimensional visualization of oil drilling.

视化技术不断普及， 创建“虚拟世界”也不断掀起热潮， 具有真实感的三维可视化场景是建设“虚拟世界”的重要 在石油钻井

作业中， 由于所钻地质条件复杂多变， 实钻井眼轨迹 不可避免地与设计井眼轨迹产生各种偏差， 为了更直观地观察和 控制钻井作业时的井

眼轨迹， 防止实钻井眼间的碰撞， 研究并实 现井眼轨迹三维可视化是很有必要的。 利用随钻测井工具实时提 供的数据，通过三维仿真技术实时地反映所钻地层的地质情况和 井眼轨迹，能够提高对地层构造、储层特征的判断，控制钻头在 储层内钻进时的方向， 进而提高油层钻遇率、 采收率和节约钻井 成本。

目前，各种井眼轨迹三维可视化建模相继出现，但大多是

线”状井眼轨迹的建模， 该建模只是把三维坐标点 （由测井数 据转换而近年来，随着计算机图形学和计算机技术的发展，

计算机可 而建立 止 步。

来）简单地用线连接起来，由于没涉及绘制面，则不能采用漫反射光照或贴图，真实效果差；另外，“筒”状井眼轨迹的研究还不太成熟。鉴于以上情况，该文提出根据随钻测井所获取的实时数据，利用虚拟现实技术 [1-2] 实现井眼轨迹三维可视化[3-4] 的建模方法。

1三维井眼轨迹建模

在虚拟三维的创建中要根据场景对象的空间几何拓扑结构，对不同特征的对象采用不同的创建方法。对于规则形体对象，可以直接使用点、线、面等基本图元绘制函数绘制；对于规则曲面形体对象，可以使用球体、圆柱体等三次曲面绘制函数绘制；对于非规则的曲面，如各种各样的井眼轨迹就必须采用专门的井眼轨迹几何建模来实现。

石油钻井分为直井、定向井、水平井、分支井等，即便是直

井，由于在实钻过程中受到各种地层应力的作用， 钻头会发生不 同程度的偏移，所以这些井的井眼轨迹不能看成圆柱体的组成。

在绘制筒状井眼轨迹时， 若按圆柱体首尾连接就会出现有缝连接

如图 1 所示），还需进一步对有缝进行特殊处理，这样会引入

对弯曲处大量数据的转换计算， 严重影响计算机的绘图效率， 成图形的交互操作也不灵活。因此，该文提出基于切片 [5] 三维模型的方法， 即

把垂直于井眼轨迹轴线的断面看成切片，

井眼筒上先间隔性地取出一些这样的断面，由于轴线是弯曲的， 角形图元绘制，就构成无缝的井眼筒。

1.1 获取断面上等分点的全局坐标

为了绘制井眼筒（井眼筒段面为圆），需要获得断面圆周上

等分点的全局坐标。设井眼筒的半径为 R 某个断面圆心为p1, p1点的全局坐标为（x1 , y1, z1），获取p1圆周上等分点的全 局坐标（x, y, z ）的步骤如下:

1） 求断面 p1 圆周上等分点的局部坐标（ x' ， y' ， z' ）。断 面 p1 先沿全局坐标轴（ x 、 y 、z 轴）分别平移 -x1 ， -y1 ， -z1 ， 使圆心 p1 和全局坐标的原点 o 重合（如图 2）；再绕全局坐标 轴（X 、Z 轴）逆时针分别旋转 a 、P 角，使断面p1的法向量

过 p1 点）和全局坐标 y 轴正方向重合；然后以全局坐标 x 轴 为起点，沿逆时针方向，将圆等分为n 等份，则每等份的夹角9 为：9 = 2* n /n 。由式（1）求得断面p1圆周上n 个点的全局坐标建立 各相邻断面间的法向量可能不同， 然后把相邻断面间的侧面用三

等于局部坐标）：

(1)

2）断面 p1 圆周上等分点的局部坐标转换为全局坐标。在上面 1 的基础上，然后经过相反操作，使断面 p1 回到原来的位置。

断面 p1 圆周上等分点的局部坐标转换为全局坐标的关系为式 (2) ：

(2)

其中 x1 、 y1 、 z1 对应的是 p1 点的全局坐标； x' 、 y' 、 z'

对应的是 p1 点的局部坐标；a、3 是断面绕全局坐标 x、 z 轴

旋转的夹角）

为了便于计算，（如图 3）设与断面 p1 相邻的断面为 p0，断面p1的法向量为pO p1 , pO p1与全局坐标轴x轴、y轴、z 轴的夹角余弦值分别为c1、c2、c3, a为pO p1所在的面AEHB 与面FEHG勺夹角，3为p0 p1所在的面ADHGf面FEHG勺夹角，由计算表达式（ 1），可得断面 p1 圆周上等分点的全局坐标为：

c1工1且c3Ml时，有:

(3)

当 c1 = ±1时，有:

当c3=±1时，有:

1.2 构建断面间的侧面

(4)