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1、三 维 井 眼 轨 迹 仿 真 研 究 钟 原 陈 浩 李悦钦 何玉发 西南石油大学 摘 要 对井眼轨迹三维仿真 能使井眼轨迹更加生动直观的展示出来 给钻采作业提供可靠依据 本文在曲线插值算法和图形透视原理研究的基础上 将离散的井眼轨迹数据通过插值算法平滑化 并 通过三维透视投影原理实现其三维仿真 在理论研究的基础上 利用 V i s u a l B a s i c 开发了三维井眼轨 迹仿真系统 该系统能进行三维井眼轨迹放大 缩小 旋转等操作 可从多方位和角度观察仿真结果 系统使用维护方便 具有较强的实用价值 关键词 井眼轨迹 可视化 三维仿真 V is u a l B a s ic 0引 言
2、 钻采作业中 井眼轨迹作为最直观显示井眼情 况 井斜控制水平等的重要依据 技术人员需要根据 测斜数据计算井眼轨迹参数 以判断实钻井眼轨迹是 否与设计轨迹一致 目前 国内大多数油田仍以手工 绘制为主 既耗人力 又不生动直观 而且多数仅以某 一个或某几个面的投影图进行描述 给井眼轨迹的控 制 开发方案的制定等带来不便 因此 利用计算机 可视化图形技术 实现井眼轨迹的三维立体表示 并 且实现井眼轨迹的旋转 放大 切割和局部放大 为提 高我国钻井水平和管理水平 具有重要的现实意义 本文采用 M i c r o s o ft V is u a l B a s i c 6 0 利用图形图像技 术 数据库技
3、术 面向对象技术等 实现三维井眼轨迹 仿真软件的研究和开发 1 三维井眼轨迹仿真原理及算法描述 1 1 插值曲线 通过一系列离散的点来生成一条曲线的方法很 多 常采用插值方法和逼近方法 插值方法所生成的 曲线通过已有的系列点 而逼近方法使生成的曲线尽 可能靠近但不一定通过给定的点 如图 1所示 图 1 逼近法与插值法的比较 为了使所绘制的曲线更接近真实轨迹 本文采用 曲线插值的方法 1 2 3 曲线插值的方法又分为线 性插值 抛物线插值和局部插值 对应于井眼轨迹的 垂直段 造斜段 增斜段 稳斜段 降斜段 水平段 分 别采用相应的插值方法 1 2 三维透视投影 对井眼轨迹进行三维可视化就必须对井
4、眼轨迹 进行透视投影 4 5 要确定三维空间中的点可用两种 坐标系描述 直角坐标系和球坐标系 为了在二维显 示屏上得到三维物体的图像 则必须把二维屏幕坐标 S X S Y 与直角坐标三元组 x y z 或球坐标三元组 p 联系起来 用以得到屏幕坐标 用 P 点代表观察者的位置 将物体投影到显示屏 上 假定这个投影平面与线 O P 垂直 离点 P 距离为 45石油工业计算机应用 2008年第 16卷第 1期 基金项目 西南石油大学研究生创新基金项目的部分内容 项目名称 井下管柱三维可视化技术研究 编号 C X J J 27006 第一作者简介钟原 1982 女 在读硕士生 主要研究方向 计算机图
5、形技术 并行计算 D 当物体上的点投影到投影平面上的时候 对于物 体上每一点 x y z 都得到屏幕坐标 S X S Y 如图 2所示 观察点即 P 点 用其球坐标 q 表示 这 样容易控制观察点的位置 q 表示从观察点到点 0 0 0 的距离 q 增加即观察者远离被观察的物体 这将使此物体看起来更小 并影响该物体的方向 和 规定了观察者看物体的方向 通过对观察参数 q 和投影平面与观察点的位置 D 的控制 就能 实现对观察的位置和方向以及图像大小的控制 图 2 三维透视基本原理图 将位于观察者眼睛位置的 P 点用相对于标准坐 标系测量的球坐标 q 来表示 即设一个标准 点坐标为 X Y Z
6、则这点的眼睛坐标 X e Y e Z e 可由如下矩阵变换得到 即得到三维物体投影成二维 图像的变换 4 5 X e Y e Z e 1 X Y Z 1 s i n c o s c o s c o s s i n 0 c o s s i n c o s s i n s in 0 0 s in c o s 0 0 0 0 1 1 3 三维几何变换 三维几何变换是二维几何变换的简单推广 二 维几何变换在齐次坐标空间中用 X Y Z 表示点 类 似的三维几何变换其齐次坐标为 X Y Z 1 线性变 换可用 4 4矩阵来表示 1 3 1 放缩变换 设放缩系数为 K 三维放缩变换在齐次坐标下的 矩阵表示
7、为 4 5 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 K 2 2 3 2 旋转变换 1 2 设 为实体逆时针转过的角度 绕 Z 轴旋转的 时候 利用如下的旋转矩阵 R Z c o s s in 0 0 s i n c o s 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 3 绕 X 轴旋转的时候 利用如下的旋转矩阵 RX 0 0 0 0 0 c o s s i n 0 0 s i n c o s 0 0 0 0 1 4 绕 Y 轴旋转的时候 利用如下的旋转矩阵 RY c o s 0 s i n 0 0 0 0 0 s in 0 c o s 0 0 0 0 1 5 1 4 三维图
8、形显示流程 物体最初定义于局部坐标系 模型坐标系 中 经适当的几何变换 模型变换 以一定的形状 尺 寸存在于世界坐标系的某个位置 再经过观察变换 获得物体在观察坐标系的表示 观察坐标系中的视 见体划定了可见物体所在的范围 剪裁后剩下的物体 将被投影到投影平面的窗口之内 再由窗口至视区的 变换将其变换到设备坐标系中用于显示 4 以上的 步骤可简化为图 3 图 3 三维空间显示过程的概念模型 2 三维井眼轨迹仿真系统设计 2 1 系统总体设计及功能模块 本研究后台采用 A c c e s s 2003存储和管理井眼轨迹 实测数据 将数据库名为 We l l D a t a 建井眼轨迹坐标表 W e
9、 ll D a t a I n 采用 V i s u a l B a s i c 语言开发生成可执行的 E X E 程序 用户点开即可进行操作使用 根据井眼轨 迹的数据特征和三维显示的流程 将系统划分为以下 几大模块 其中坐标数据转换和井眼轨迹显示是本系 统的核心模块 系统功能模块框图如图 4所示 图 4 系统功能模块框图 46 C o m p u t e r A p p l i c a t i o n s o f P e t r o l e u m2008 V o l 16 N o 1 2 2 系统设计实现 2 2 1 数据预处理流程图 图 5 图 5 数据预处理流程图 2 2 2 井眼轨迹
10、显示流程图 图 6 图 6 井眼轨迹显示流程图 2 2 4 图形变换 图形的旋转按照公式 3 4 5 完成 缩小 放大按照公式 2 对井眼坐标进行变换 得到新的数 据后 将数据进行透视变换 再重新绘制 3 实例测试 现以某口井的井眼实测数据为例 对所开发仿真 软件进行测试 某井眼轨迹实测数据 见表 1 所示 该井的三维井眼轨迹仿真图显示如图 7所示 左 上角的坐标系标注了 X Y Z 三个方向 白色的立方 体为视图的边界 其中虚线部分表示不可见的面 立 方体中的曲线为井眼轨迹 用户可根据自己的观察 需要通过切割 缩放 旋转等操作获得不同的轨迹展 示 如图 8所示为井眼轨迹底部放大旋转图 表 1
11、 某井眼轨迹实测数据 图 7 三维井眼轨迹仿真图 图 8 井眼轨迹底部放大旋转图 4 结束语 1 该三维井眼轨迹仿真模块采用 V B 开发 A c c e s s 2000存储和管理井眼轨迹实测数据 缩短了开发 过程 开发的系统更简便易用 2 通过曲线插值算法求得的井眼轨迹精度高 曲线平滑 更适合钻采作业 3 利用计算机图形可视化技术 通过三维透视 投影原理实现井眼轨迹的三维仿真和放大 切割放 大 缩小 旋转的功能 使用户对井眼轨迹的观察更直 观生动 取得了较好的应用效果 参考文献 1 王礼学 陈卫东 贾昭清等 井眼轨迹计算新方法 J 天然气工 业 2003 23 增刊 57 59 2 陈炜卿
12、 管志川 井眼轨迹测斜计算方法误差分析 J 中国石油 大学学报 自然科学版 2006 30 6 42 45 3 刘修善 艾池 王新清 井眼轨道的插值法 J 石油钻采工艺 1997 19 2 11 14 4 倪明天 吴良芝 计算机图形学 M 北京大学出版社 1999 5 陈锦昌 V B 计算机绘图教程 M 华南理工大学出版 2003 6 刘修善 王珊等 井眼轨道设计理论与描述方法 M 黑龙江科学 技术出版社 1993 47石油工业计算机应用 2008年第 16卷第 1期 I no i l p r o d u c t i o n i n o r d e r to ta k e h o ld o f
13、 t h e v a r ia t i o n r u le o f r e s e r v o i r b e h a v i o r t o p r o v i d e r e l i a b le b a s e fo r r e g u l a t io n o f d e v e l o p m e n t p la na n d e n s u r e o il fi e l d d e v e l o p e d r e a s o n a b l e l y a n d e ff i c ie n t ly p r o d u c t io n p e r f o r m a
14、n c e d a t a fr o mte s t in g a r e o f t e n a n a ly z e d A n a ly t i c a l s t u d y n e e d s to d r a wd i ff e r e n t k in d s o f d y n a m i c d i a g r a m s a n d c u r v e s w i t hth e a v a i la b l e d a t a T h e p a p e r d is c u s s e s h o wt o d e v e l o p t h e k e y p r o
15、 g r a mt e c h n o l o g y f o r d y n a m i c g r a p h ic s K e y w o r d s D e l p h i p e t r o l e u ms o f tw a r e o i l fi e l d d e v e l o p m e n t g r a p h i c s o f tw a r e d e v e lo p m e n t D E S I G NA N DI MP L E ME N T A T I O NO FT H ER E MO T ED A T AA C Q U I S I T I O NS Y
16、 S T E M F O RO I LWE L L S B A S E DO NA D A M 5510 M A N DG P R S Q uC h a n g b o W a n g Y o n g g u i S o f tw a r eS c h o o l o f L i a o n i n g T e c h n i c a l U n iv e r s i t y C A P 2008 16 1 27 31 T a k i n g th e p r o g r a m m a b le c o n t r o ll e r A D A M5510Mo f P Cs t r u c tu r e a s th e lo w e r c o m p u t e r o f t h e d a ta a c q u is i ti o n s y s te m c a n r e a li z e o p e r a ti n g m o d e d a ta a c q u is i ti o n s t o r a g e p r o c e s s a n dc o m m
