双水平井SADG软件井眼轨迹仿真模块设计与实现

阳万里 刘波涛

摘要：采用“最小曲率法”对井眼轨迹进行建模，基于pandas进行数值预处理，利用Numpy进行科学计算，使用Matplotlib进行图形可视化，最后利用PyQt完成GUI开发。文中给出了模块设计的原理及算法，阐述了软件模块设计流程图，最后给出了测试实例及结果。经过实际井斜数据的验证表明，软件模块运行稳定，可视化效果良好，能有效指导实际开发过程。

关键词：SAGD;井眼轨迹仿真;python; PyQt; Matplotlib

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）03-0267-03

随着当今社会的发展，石油作为当前社会的工业血液，其需求也与日俱增。稠油作为一种非常规油气，储量丰富具有极大的开采潜力，因此稠油开采技术就成为当前石油开发技术研究的重点问题之一[1]。目前，稠油开采技术方案较多，如表面活性剂开采技术、改进的蒸汽法开采技术、微生物强化开采技术、井下催化反应法开采技术等[2]。其中，应用较为广泛的是蒸汽辅助重力泄油（Steam Assisted G ravity Drainage.以下简称SAGD）技术[3]，且多以双水平井蒸汽辅助重力泄油技术[4]为主。双水平井SACD有预热和生产2个不同的开发阶段，开发双水平井SACD软件，去揭示不同开发阶段过程中油藏的不同发育形态，可以指导SAGD开发策略，具备极大的实际应用价值。在双水平井SACD软件中，温度场与产量的计算都离不开井眼轨迹的计算和仿真，准确的井眼轨迹对于SACD的预热阶段温度场扩展，生产阶段蒸汽腔发育的状态，都有很大的影响。

对于SACD数值模拟软件来说，如CMG start，Eclipse500热采模拟器等，其主要面对的是国外海相油藏，而中国国内多是陆相油藏，有一定参考价值但略显不足。同时，该类软件售价高昂，学习成本也不低，开发SACD软件就有实际价值与意义。以下，以笔者研制的双水平井SADG软件井眼轨迹仿真为例，阐述设计思路与实现。

1 软件设计原理及算法研究

双水平井SAGD的井眼轨迹包括生产井井眼轨迹与注入井井眼轨迹，其实际上是两条三维空间的曲线，而实际油藏开发过程中，井眼轨迹数据并不是直接的三维空间数据坐标，必须经过算法转换、数值建模，才能将井眼轨迹数据转为三维空间数据，最后用以可视化显示[8]。

1.1 井眼轨迹仿真理论

井眼轨迹使用的坐标系为地理坐标系，包含正东（E），正北（N），正西（E），正南（S）和海拔高度（H）。井眼轨迹主要参数有很多，如井深，井斜角，井斜方位角，狗腿角，降斜点，增斜段等[6]。实际井眼轨迹数据是测量仪器在不同测点测量的数据，井眼轨迹在每个测点的参数包含3个，分别是测深，井斜角，井斜方位角[7]，如图1所示，A为上测点，C为下测点，0为上测点的垂线与下测点水平面的交点，下测点所在的平面为平面COD，其中，OD平行于N方向。

1.2 井眼轨迹仿真算法模型

井眼轨迹附近因蒸汽注入形成的三维温度场，在时间与空间上都影响三维蒸汽腔发育状态，所以三维井眼轨迹模型较为适用。三维井眼轨迹仿真模型[7]常用方法包括正切法、平衡正切法、最小曲率法、曲率半径法等。为了计算精确的井眼轨迹模型[8]，通常将井眼轨迹看作空间上连续的曲线或圆弧。笔者采用最小曲率算法计算井眼轨迹坐标[9]。

井轨迹空间状态一般以O-NED坐标系来描述（见图2）。其中原点0为井口，N是正北方，E是正东方，D是井垂直深度。

根据井眼轨迹测点数据，计算出每个测点在NED的偏移量，获取井眼轨迹在坐标内的真实坐标。由于测量数据是不连续的，为得到较为连续的井眼轨迹，因此需对不连续的井眼轨迹坐标进行插值处理[10]。

2 井眼轨迹仿真模块的设计与实现

井眼轨迹仿真模块属于双水平井SADG软件的一部分，其中包括GUI用户交互、数据预处理、数值计算、计算结果可视化等。主要运用Python语言，需要的工具库：CUI用户交互（Py-Qt）;井眼轨迹数据的预处理（Pandas）;井眼轨迹坐标的数值计算（Numpy）;图形化展示（Matplotlib）。

2.1 模块的流程框图

模块整体流程如图3所示。由图可知，该流程主要分为六大步，分别是加载数据、显示数据、计算坐标、插值处理、显示数据。

2.2 模块的实现

为方便具体的用户使用，整个井眼轨迹仿真模块主要的功能实现由三个子模块实现：子模块一实现井眼轨迹数据的加载与录入功能;子模块二根据1.2章节最小曲率算法模型，实现井眼轨迹坐标的计算与插值处理;子模块三实现在桌面显示井眼轨迹与和用户交互的功能。

2.2.1 子模块一的实现

假設井眼轨迹控制类名称为main_frame，实现如下：

obtain_we11_3D_coordinate_by_well_deviation（listReadedDa -ta1。

该函数的作用是将入读的井斜数据listReadedData转为真实的空间坐标。

2.2.2 子模块二的实现

实现如下：

1） get_all_coordinate_point_3d（row_well_arr）。第一个参数为3*N的井眼轨迹的数据，包含井深，井斜角方位角。根据最小曲率算法，计算出相关的井眼轨迹每个点的空间坐标。

2） hole_trajectory_interpolation（well_coordinate， point_times）。该函数有两个参数，well—coordinate代表插值的坐标数，point_times代表将点插值的倍数。

2.2.3 子模塊三的实现

实现如下：

1） draw_2d_well_by_data（well_datas. tab_canvas. is_scatter=True。x_label=N，y-label=TVD，axes_title=None）。该函数包含6个参数，well_datas井眼轨迹坐标数据，tab_canvas代表要绘制的画布类，is_scatter代表的是绘制散点还是直线图，true绘制散点图，false绘制连续曲线图，x_labe代表x轴的标签，默认值为“N”，y_label代表ylabel的标签，默认值为“TVD”（true verticaldepth），axes_title代表当前图像的标题。返回绘制完成之后的画布。

2） draw_3d_well_by_data（well_datas. tab_canvas. is_scatter=True，x_label=N，y-label=TVD，axes_title=None）。该函数包含6个参数，well_datas井眼轨迹坐标数据，tab_canvas代表要绘制的画布类，is_scatter代表的是绘制散点还是直线图，true绘制散点图，false绘制连续曲线图，x_labe代表x轴的标签，默认值为“N”，y_label代表ylabel的标签，默认值为“TVD”（true verticaldepth），axes_title代表当前图像的标题。返回绘制完成之后的画布。

3 实例与分析

点击井眼轨迹仿真模块，输入生产井井斜数据，注入井井斜数据之后，点击绘制井眼轨迹，可观察图形化结果。对现场生产井与注入井3101、310P数据进行应用，软件具体运行结果如下图4所示。

由图可知，蓝色曲线为注入井，红色曲线为生产井，曲线较为光滑，双水平井的井眼轨迹空间状态展示良好，能反映实际情况。

4 结论

（1）基于最小曲率算法建立了双水平井SACD的井眼轨迹仿真模型。

（2）系统地给出了设计与实现双水平井SACD软件井眼轨迹仿真模块的开发思路，功能模块流程图，基本运行界面。

（3）应用研制的软件模块对现场注入井3101与生产井310P进行了应用，应用结果显示，该软件模块具有很好的使用价值。

参考文献：

[1]王陆新，潘继平，娄钰.近十年中国石油勘探开发回顾与展望[J]国际石油经济，2018，26（07）：65-71.

[2]贾学军.高粘度稠油开采方法的现状与研究进展[J].石油天然气学报（江汉石油学院学报），2008（02）：529-531+537.

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[4]边晓强.双水平井SAGD超稠油生产优化研究[D].成都：西南石油大学， 2017.

[5]何亮亮.超稠油SAGD蒸汽腔扩展研究[D].成都：西南石油大学，2018.

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[8]沙林秀，邱顺，何雪.三维井眼轨迹可视化研究现状与发展趋势[J]石油机械，2019，47（02）：33-39+48.

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[11]魏佳，段友祥，李卿，孙歧峰，李洪强，面向地质导向的三维井筒可视化[J].计算机系统应用，2017，26（04）：9-15.