水平井井軌跡三維可視化技術研究

吳雅娟， 周博宇， 尚福華， 曹茂俊

(東北石油大學，計算機與信息技術學院, 黑龍江，大慶 163318)

0 引言

水平井是目前石油鉆井中常用的一種井型，在水平井鉆井過程中會在地下形成一條連續光滑的曲線，這條存在于地下無法直接觀察的曲線就是水平井井軌跡。在水平井測井解釋評價的過程中，水平井軌跡與油藏之間的幾何位置關系是優化完井方案、提高注采效果、實施改良措施的重要依據[1]。區別于直井，水平井的一段井軌跡以趨近于水平的角度在地層延伸，其井軌跡周邊的地質情況分布亦是極其多變的，而且因為不同地區的地質情況都是不均勻的，在井密集的環境下進行鉆井，會導致鉆得的井身軌跡與設計時的井身軌跡產生較大誤差[2]。因此，對水平井井軌跡進行三維可視化，搞清楚井眼軌跡在地層中的走向及其空間屬性狀況，就顯得具有非常重要的理論和應用意義。

在國外，水平井井眼軌跡三維可視化技術已經較為成熟，很多井眼軌跡可視化軟件都已經被鉆井領域的承包商所使用[3]，全球最大的油田技術服務公司斯倫貝謝推出的新一代井筒數據綜合解釋軟件Techlog，其三維模塊是針對水平井來設計的[4]。Paradigm公司開發了可運行在Windows操作系統之上的測井資料綜合分析評價軟件Geolog。2001年，Landmark公司也推出了一款PC版的三維可視化工具——3D Drill Well[5]。因為國外的井眼可視化模塊價格昂貴，所以國內各大鉆井研究院也都開始著手水平井井身軌跡可視化平臺的開發，其目的是使水平井的鉆井工作更加的高效精準。鉆井信息技術的迅速發展，更是在井眼軌跡三維可視化研究領域有著明顯的展現。其中，勝利油田與上海交大共同開發了一套基于VC++平臺和OpenGL技術的井軌跡檢測三維可視化軟件[6]。吉林油田通過使用Open Inventor作為基礎技術設計了井筒軌跡的三維可視化系統。

比較而言，國內軟件在井軌跡計算和可視化顯示性能與效率方面還存在不足，急需完善[7]，并且傳統水平井解釋方法存在著一定的局限性，其核心是拾取地層關鍵界面點來繪制出井軌跡與地層之間的關系[8-9]，無法得到井軌跡與地層之間的真實位置信息。由此，本文基于CIFLog測井一體化平臺[10]結合三維可視化技術提出了一種水平井井身軌跡模型三維可視化方法，該方法將井軌跡及剖面數據表征為三維可視圖，可更加直觀、形象地展示水平井井軌跡在地層中的穿梭和走向，不但能夠有效減少測井解釋人員的人為干預，而且能使得到的井身軌跡剖面模型更加精確。隨著三維顯示要求的提高，建模的復雜度也會隨之上升當前比較主流的建模方法包括數字立體采集技術、模型參數庫建模技術等[11]。

1 三維模型可視化技術研究

1.1 井軌跡計算

由于測井數據是離散型數據，所以要將水平井井身軌跡進行三維空間模型表征需對井眼軌跡進行插值計算。井眼軌跡可視化技術的實現是基于建模算法完成的，據統計，針對井軌跡進行計算的算法有20余種，但由于各工區地層的不同，且井軌跡結構也有很大差別，所以將計算方法分成直線假設和曲線假設兩種算法[12]，其中曲線假設法是在實際應用中最常用的方法，因為這種方法所得到的結果誤差小，這也是井軌跡的三維可視化技術所能體現的價值之一。計算井眼軌跡，離不開井眼軌跡的三大要素，也就是井深、井斜角以及方位角，其核心就是對能直接測量到的井身數據分別進行測斜計算。

井深是體現測點位置的標志，一般來說，井深指的是從井口到井眼軌跡上某點的井眼軸線長度；井斜角指的是某測點的鉛垂線和該點沿井身軌跡行進方向的切線所得的夾角，如圖1(a)所示，其中Gz為井軌跡行進方向的切線，G為井軌跡鉛垂線，兩者的夾角α即為井斜角；方位角是基于井軌跡投影圖，從過某測點的正北方向線開始，順時針旋轉到所測點的井軌跡方向所形成的夾角，稱之為該點上的方位角，如圖1(b)所示，其中過井身V2上一點的水平線為正北方向，順時針旋轉至測點的井眼方向得到V1，其夾角β即為方位角。

(a) 井斜角

(b) 方位角圖1 井軌跡計算過程圖

1.2 三維圖元基礎

對于計算后的井軌跡數據，要將其三維模型可視化，需用到三維圖形工具包，本文所使用的是WeGraphic3D三維圖形庫，它是基于JOGL開發而成的接口和交互式的三維圖形軟件開發包，同時它亦可方便地移植到不同系統的平臺中使用。

在三維場景中，每一個節點在創建之后，都會自動地在正確的位置與場景中其他節點相連接，為了將可視化對象的整體屬性和特性體現出來，需要將節點一一區分開來，區分原則是依照形元節點、屬性節點和繪制類節點來區分。

形元節點可表達三維模型對象的外形和大小，通過模型展示過程中使用的坐標，可表達其在三維空間中的位置，經坐標變換可表示呈現效果，以下是部分形元節點。

點(WGPoint)：點坐標；

線(WGLine)：起點和終點；

圓(WGCircle)：圓心坐標和半徑；

球體(WGSphere)：球心坐標和半徑。

由于式(18)中的模型似然函數是通過局部測量和局部測量單元的估算計算的,因此，如果有多個傳感器測量可用,可以通過融合其他局部模型似然函數來更新.每個動作模式的更新局部似然函數表示為累積似然函數，即

屬性節點一般用于說明節點屬性，常指那些調整物體外觀的節點類，包括：

WGAttribute：設置形元節點屬性；

WGLight：渲染光源模型；

WGTextAttribute：設置圖形屬性；

繪制節點用于管理一組具有相同或相似特性的節點，繪制類節點承載其所管理的一組子節點模型的變換操作。

2 井軌跡三維可視化

2.1 模型構建

圖2展示的是水平井井軌跡三維模型的構造過程。首先計算井深、井斜角、方位角，其次通過插值形成完整的井軌跡曲線，然后進行坐標變換，從而初步得到水平井井軌跡三維模型。但由于井軌跡數據量龐大，且有時同一工區除水平井外還有大量鄰井需要進行可視化，為了提高三維模型的渲染效率，需在模型渲染前進行抽稀設計，針對井軌跡執行渲染前的保值抽稀，在保證井軌跡特征采樣值不被消除的情況下，最大化減少渲染點。在同時執行多模型軌跡貼合渲染時，該策略可極大提高渲染效率，最后通過在水平井三維屬性模型基礎上進行井軌跡剖切，形成水平井井軌跡剖面，進一步用于二位地層模型優化。

圖2 井軌跡模型構建過程

2.2 井軌跡插值模型

由于實際井身數據僅僅只是離散的測點，兩測點之間的真實形態無法看到，需將其插值成一條連續曲線，從而得到井身軌跡，因此選擇適當的插值模型對其進行插值建模很有必要。由于水平井的井斜角一般是接近90°或正好水平穿過地層甚至超過90°，呈現出“向上支”的狀態[13]，井身會在水平方向上進行鉆進。參照水平井自身特點，本文使用曲率半徑法計算模型，如圖3所示。由于測井時任意相鄰的兩個測點間的井斜角和方位角都不同，所以可將兩測點間的軌跡看作一段圓弧，而整個井身軌跡則是多個曲率半徑不同的圓弧連接而成的，在此前提下，計算出相鄰兩測點的方位角之差，即為水平投影下該段圓弧的中心角，同理可計算出相鄰兩測點頂角之差，即井身剖面下該段圓弧的中心角。

圖3 曲率半徑法示意圖

使用這種插值方法進行計算，首先需要計算位移增量ΔS，垂深增量ΔH，北坐標增量ΔN，東坐標增量ΔE，(在測井領域中，通常用L表示井深，單位為m,α表示井斜角，單位為°,φ表示方位角，單位為°)計算方法如式(1)～式(9)。

ΔS=R(cosα1-cosα2)

(1)

ΔH=R(sinα2-sinα1)

(2)

ΔN=r(sinφ2-sinφ1)

(3)

ΔE=r(cosφ1-cosφ2)

(4)

其中，

(5)

(6)

Δα=α2-α1

(7)

Δφ=φ2-φ1

(8)

ΔL=L2-L1

(9)

得到各個增量數據后，即可通過式(10)—式(13)得到各測點坐標，從而進行井軌跡三維可視化表述。

SI=Si-1+ΔS

(10)

HI=Hi-1+ΔH

(11)

NI=Ni-1+ΔN

(12)

EI=Ei-1+ΔE

(13)

2.3 井軌跡模型抽稀

在對井軌跡模型進行渲染前，為保證渲染的效率，需要對井軌跡模型進行抽稀設計，目的是為了保持水平井井軌跡特征采樣值不被消除的情況下，最大化地減少渲染點數，在同時執行多個模型的軌跡貼合渲染時，使用該策略可以極大地提高渲染效率。

由于井軌跡曲線對誤差的要求非常精細，必須控制在非常小的范圍內，不能出現曲線變形，所以在現有的抽稀方法中選擇了道格拉斯—普克算法來執行抽稀過程，而這也是將曲線在最大程度上表示成為一系列點，并在維持原曲線性質沒有較大改變的前提下盡可能地使點的數量縮減的一種算法，具體計算過程如下:

第一，選取一段曲線，連接曲線兩端，所得的直線稱之為弦，將該直線定義為AB；

第二，選取曲線上距AB最遠的一點C，計算出C到直線AB的長度；

第三，給定一個數值γ，比較該點到弦上的距離與數值γ的大小，若點到弦上的距離小于給定數值γ，連接兩點，略去其他多余的點，得到的線段直接用來代替原曲線，同時每一段曲線都按此方法進行處理；

第四，將所有曲線均處理完成后，得到的各段處理后的弦的連線，即可視為原曲線段的近似。

由此法對井軌跡曲線處理后，可減少不相關曲線特征值點的渲染，保證了井軌跡可視化準確性的前提下提高三維可視化的渲染速率。

2.4 井軌跡模型切片

在得到井軌跡三維可視化模型后，為了得到二位地層模型優化對應的曲線，需要了解井軌跡在地下的走勢，因此需要得到水平井井軌跡的剖面模型，在此提出了基于井軌跡三維模型的快速切片方法，該方法能夠清晰地以剖面形式展示水平井井眼軌跡在地下的橫向延展變化，從而可以更好地輔助解釋人員對水平井測井進行更綜合的評價。其中，快速切分使用近似分段折曲面算法，具體操作過程如下:

第一，將水平井測井軌跡進行平面投影；

第二，將井軌跡投影分割為多段曲線；

第三，計算包圍多段曲線各分段網格；

第四，在分段網格區域中剔除沒有投影線段穿過的地質體網格，保留所有可被分段剖面切割的網格單元。

依次使用有限矩形面算法切割如圖4所示的被剖面切割的地質體網格，計算出所有切分的網格單元。將被井軌跡曲線經過的地質體網格保留即可得到井軌跡剖面模型，觀察到井軌跡在地下的具體走勢，為測井解釋提供依據。

(a) 平面投影

(b) 井軌跡近似分割

(c) 多分段網格區域

(d) 穿過地質體圖4 井軌跡模型切片過程

3 井軌跡三維可視化系統應用

本文以CIFLog一體化測井處理解釋平臺2.0為基礎，在平臺上完成了水平井井軌跡三維可視化測井模塊的開發，該模塊包括井眼軌跡三維模型、地層三維模型、井軌跡三維剖面模型的可視化及各屬性功能設置。具體可視化流程如下。

第一，選擇工區中水平井作為目標井，同一工區其他直井作為鄰井，經過井軌跡插值計算得到完整平滑的井軌跡曲線，在此基礎上進行抽稀設計，提高渲染效率，最后將同一工區水平井和直井進行可視化渲染，得到工區內水平井以及鄰井的三維模型，可以更直觀地展示出水平井井軌跡和同工區內鄰井的空間位置關系。

第二，導入工區地層數據，得到三維地層模型，提供直觀了解水平井井軌跡在地下走勢的區域屬性環境。

第三，在三維屬性模型基礎上沿井軌跡切片，利用基于井軌跡三維模型快速切片方法得到井眼軌跡模型，可方便觀察水平井井眼軌跡在地下的方向及具體走勢，為測井解釋評價提供便捷的三維屬性技術支持。最終得到的井軌跡剖面三維模型的效果圖，如圖5所示。

(a) 井軌跡與地層關系模型

(b) 井軌跡剖面模型圖5 井軌跡剖面模型

4 總結

本文實現了水平井井軌跡模型以及井軌跡剖面模型的三維可視化，并集成到CIFLog測井一體化平臺中，可以直觀、形象地觀察井軌跡在地下的走勢，可以更加直觀、形象地展示了水平井井軌跡在地層中的穿梭和走向，結果表明，本文的研究內容有效的提升了水平井解釋評價方法。