沉浸式定向井井眼轨迹虚拟可视化系统

沉浸式定向井井眼轨迹虚拟可视化系统

葛文轩,于骁逸,孙冬冬

中国石油集团渤海钻探工程有限公司定向井技术服务分公司

摘 要：基于井下油气越来越复杂的钻井操作方式，为了符合井眼轨迹控制决策的可视化要求，系统需要采用3D井场环境设计、钻头与地层模型，在3D引擎下进行相关脚本程序的编写，在虚拟环境下，驱动钻头运行并进行井眼轨迹的绘制，从而进行定向井井眼轨迹可视化虚拟系统的研发。以渤海钻探单位定向井为例，在虚拟地层当中，推动井迹优化和井迹随钻动态化三维影像。结果显示，以上钻井系统平台能够实现可视化、动态控制虚拟钻头与沉浸式显示，除了能够明确控制随钻的井眼轨迹和决策供应交互决策环境、友好临境式、研究平台，保证钻井风险与成本逐渐下降的同时，提升研究效果。

关键词：沉浸式定向井；井眼轨迹；虚拟可视化系统；

在控制随钻钻机决策中，因钻遇地层结构无法预测，而且储存油层的位置不明确，外加钻井流程处在忙钻情况下，导致井眼轨迹的完善、控制与决策难度增加。所以在随钻钻机的优化控制中采用虚拟可视化技术，研发随钻井眼的可视化轨迹系统。这个系统采用了3D设计模型，3D渲染井场平台与井下基层虚拟环境；设计数据的输入界面；通过随钻数据与数据优化，利用脚本程序进行井迹绘制的完善控制，保证井眼轨迹实现可视化展示。相关研究者需借鉴该系统完成井迹、井场平台、地层沉浸漫游，确保钻井研究控制成本不断减少，从而确保钻井成功率提升。

1.搭建虚拟可视化钻井平台

沉浸式定向井眼的虚拟可视轨迹系统研发都要在3D引擎下合成，编写脚本程序与控制模型程序作为鉴于3DUnity进行再次开发。其中，搭建环境包含地层环境模型、经常设施、设计GUI界面。

1.1设计GUI界面系统

此类系统平台需要在3DUnity引擎上导入优化数据与随钻数据，按照真实数据优化井迹与虚拟显示随钻井迹。沉浸式定向井迹虚拟可视化界面可见图1。在GUI界面当中，采用3DUnity相应BUTTON按键功能进行井迹优化与控制随钻井迹程序与跳转场景，轻微点击就能进入相应场景。

图1 沉浸式定向井迹虚拟可视化界面

1.2搭建模型及渲染

地层渲染，为确保地层设计真实性与合理性以井眼轨迹的虚拟可视化效率提升，在3DUnity地层中增加材质，确保材料的真实感增加，方便对井眼轨迹进行观测。

导入模型，将设计完成的钻头、井场设施模型、地层等转化成FBX格式，在完成搭建的地层模型当中导入。增加三维坐标，便于钻头深度观测和南北有无位移。

搭建虚拟可视化钻井平台与地层模型，选择3D三维建模设备，转化成可以编辑的多边形，选择分割、切角、塌陷、布尔等操作方式，以1:1的比例在陆地上搭建钻井井架，井场设备模型包含地层、吊卡、钻机、二层台等，以此来实现地层模型的设计。

2.动态化显示井眼轨迹

井眼轨迹动态化展示的控制方法具有两种：第一，随钻井轨迹，对钻井轨迹进行实时显示；第二，通过智能优化算法的井眼轨迹。可在三维可视化的地层当中同步展示随钻与完成优化的井迹。

2.1展示井眼轨迹的模块

在动态化展示井眼轨迹时，前提条件就是对显示帧数与井迹颜色及粗细的加强控制，以此来满足视觉的舒适性与审美标准。在3DUnity生命周期中，常用的就是Update，处于对井迹显示与人类视觉需求考虑，在设置脚本程序中，3DUnity模型的每帧执行为0.2s/次，也就对钻头每帧50s速度描点加强控制，每帧都要绘制相应测点。将全部测点在坐标链当中添加，若是并未全面显示终极靶点位置或测点数据维持运行，必定会挣脱循环暂停钻进操作，从而确保井迹实现平滑及顺畅的显示。

2.2三维显示随钻井迹

输入随钻井迹数据。在实际钻井中，将采集的井斜角、垂直井深、方位角随钻数据在Excel当中储存，通过对3DUnity当中Excel组件接口函数的运用，在该表格当中写入脚本代码存放位置，调整该表格中数据钻头的运行数据，确保随钻轨迹明确显示。

随钻井迹的控制过程。有关随钻井迹三维显示控制流程可见图2。Sum作为整体轨迹分段数，Num属于测绘完成的测点数。

图2 随钻井迹三维显示控制图

2.3井迹三维显示的优化

输入优化后的井迹数据。利用相关按钮跳转到井迹的优化场景，将智能优化方法斜角、曲率、井斜方位角等在优化数据窗口处输入三维井迹，采用相关脚本程序接口函数，联系输入变量角度与钻头，以此对钻头运行加强控制并进行钻井轨迹的优化。

井迹程序的优化设计。按照数据的优化传输窗口对完成优化的各种井段轨迹数据进行获取。利用R键或者E键严格管控钻头给直线或曲线的运行提供保证，每段钻井达到垂直位置与井迹长度以后，才能进行下组参数的二次输入，直至完成整体轨迹的绘制后，才能暂停输入工作。加强控制钻头直线运行与曲线运行属于控制程序，合理采用欧拉角角度来管控函数、三维坐标点和函数相乘、反三角函数等完成函数的计算与管控。

3.虚拟可视化系统显示效率与操作说明

3.1井迹的虚拟可视化案例

以渤海某定向钻井操作为例，其VR定向沉浸式漫游操作案例详见图3。图中选用的手势识别仪对井眼轨迹显示与漫游实现了沉浸式控制。黄色轨迹属于随钻井迹，绿色轨迹属于优化井迹，操作者可在地层自由穿越，对井迹走向实现直观清晰以及近距离观测，从而对上述井迹偏差加以比较。地层在不可控影响因素的干扰下，通过具体比较与优化井迹偏差，可以合理调节钻井的控制参数，按照井迹调整比较二者偏差，从而达到最佳状态。该系统给井迹明确控制供应交互决策及沉浸式控制环境。

3.2可视化系统操作说明

沉浸式定向井迹的可视化体系需采用PC显示设备支撑网络的远程操作，还要支撑VR设备沉浸式可视化三维操作。所以系统操作方法有手动识别控制与PC键盘控制两种方法。具体如下：（1）搭建VR硬件场景，该系统的硬件环境应该使用HTC VIVE等虚拟设施，其中包含定位基站、识别手势设备、手柄遥控器、头戴显示仪等搭建VR设备；（2）PC键盘控制键的界定，该系统对井场平台与地下井迹PC端的漫游完全支持，操作者应以第一人称的角度通过键盘对钻井平台及井场漫游进行控制，又能对钻头控制运行进行实时观测，包括钻井轨迹走向，比较优化与随钻井迹。

结语：

总之，对于井下油气复杂的钻井操作，为了符合地层井迹虚拟可视化控制要求，本系统采用3Ds max对井场设施、地层环境、钻头模型、钻井平台等加强设计，在3DUnity开发的环境下，采用相关设计进行虚拟可视化井迹系统的设计与绘制。本系统除了能够运行于PS机上，给远程掌握井场环境、操作设施、掌控钻机、优化定向井轨迹与控制方法提供有利条件，并利用插件与VR硬件设施，通过第一视觉对钻井现场进行切实观测，通过地层穿越，优化观测与钻进井迹，给研究者供应交互式井迹及沉浸式控制环境。

参考文献：

[1]沙林秀, 李琨, 邵小华. 沉浸式定向井井眼轨迹虚拟可视化系统[J]. 计算机仿真, 2022(007):039.

[2]王志军, 杨涛, 徐森,等. 基于OPENGL的井眼轨迹三维可视化系统的实现[J]. 录井工程, 2015, 26(1):4.

[3]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]. 西安石油大学学报(自然科学版), 2002, 17(006):71-74.

[4]郭智勇. 浅析定向井轨迹可视化方法[J]. 科学与财富, 2019, 000(009):48.