三维可视化技术在石油矿产勘查钻探工程中的应用

祝元营 董志文 马韧

摘 要：文章将主要研究在石油矿产勘查钻探工程中应用三维可视化技术。三维可视化技术的功能强大，具有直观、快速、美观的特点，应用于钻探工程将会具有较好的优势。文章首先对三维可视化技术在钻探工程中需求进行分析，然后对三维复杂物体多边形构造方式进行分析，再分析了三维地层的构造和显示，最后通过应用实例，表明了三维可视化技术在钻探工程中具有非常重要和多样的作用。

关键词：三维可视化技术;石油;勘察钻探工程;应用

中图分类号：P624 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0170-04

Abstract：The paper will mainly study the application of three-dimensional visualization technology in oil and mineral exploration and drilling engineering. The three-dimensional visualization technology is powerful， intuitive， fast， and accurate. It will have better advantages in drilling engineering. The paper first analyzes the needs of 3D visualization technology in drilling engineering， then analyzes the polygonal construction of 3D complex objects， and then analyzes the structure and display of 3D formations.Finally， through application examples， it is shown that 3D visualization technology has a very important and diverse role in drilling engineering.

Key words：3D visualization technology; petroleum; exploration and drilling engineering; application

当前，三维可视化技术在油田钻探中的应用不断增多，提高了地质导向项目的成功应用，使得油田钻探变得更加的精确化、快速化和方便化，所以三维可视化技术的应用，将会提高钻探工程的质量和效率[1-2]。文章对三维可视化技术的应用进行分析，旨在提高我国石油领域的发展。

1 三维可视化技术在钻探工程中的需求分析

石油矿产勘查钻探工程在开工过程中，地球物理工程师和地质师为了得有某些可视化的图像，会使用相关三维可视化功能的软件进行工作，从而能够得到精确度较高地质模型，并且能够通过三维模型非常直观的了解地层结构，能够提高认识深度性。然后再工作过程中，钻探工程师没有对着这些地质模型进行利用，另外，钻探工程师某些数据表达也不能被地球物理工程师和地质师理解，于是就会造成不同工作内容的工程师之间处于独立状态，于是就会影响到钻探工程的质量和效率。所以需要加强不同工作学科之间的协作和联系。在完成钻井相关工作时将已经存在的各种数据进行综合利用，这样不仅能够提高钻井的效率，而且还能够提高钻井的质量和安全性。其中主要存在的一个问题就是如何将不同来源的数据进行综合，从而能够使得不同学科之间进行交流和理解。而三维可视化技术应用其中正好可以解决该问题。以前，三维可视化技术很少在钻探工程中进行使用，因为会受到其他方面的限制，但是如今计算机和网络通信技术应用比较成熟，从而能够给三维可视化技术的应用提供可靠支持，能够在钻探工程发挥比较重要的作用[3-4]。

如今在钻探工程中使用三维可视化技术，可以将钻探工程相关的不同方向之间内容进行紧密结合，于是能够使得不同工程师之间交流变得更加深入，联系变得更加紧密。三维可视化技术已经成为解决钻探问题的有效方式，有些企业开发了三维可视化软件，能够将石油勘察钻探工程中不同工程师共享同一个数据环境，于是每个人在同一个数据环境下进行，于是可以提高钻探工程在开发过程中的统一性，从而有利于提高工程质量和效率[5]。

2 三维复杂物体多边形构造方式

2.1 多边形建模构造方法

该方式属于最早使用一种建模方式，其模拟曲面是通过使用小平面来表示，通过用小平面来表示不同形状的三维物体[6]。小平面的形状比较多，然而矩形和三角形是使用最多的兩种种形状。使用这种方式比较简单，可以直接利用小平面创建基本的几何体，该几何体并不是最终的样本，还需要根据相关要求对其进行调整形状;当然还有其他的建造方式，即通过使用放样、曲面片造型、组合物体构造模型。从上述可以看出来，多边形建模的优势在于简单、快速和方便，直接通过下平面进行模拟曲面，但是这种方式很难生成光滑的曲面，所以这种构造方法并不适合于复杂曲面的模拟，比较适合于构造具有规则形状的物体。另外，根据虚拟现实系统的要求，该方法要想得到不同分辨率模型，操作方式非常简单，只需要对参数进行调整即可，因为虚拟场景实时显示时要有合适的分辨率。

2.2 参数化曲面构造方法

使用该方法描绘曲面时，使用的是统一表达式，使得曲面具有参数化。这种构造方式中常常使用的是NURBS，即是一个基于非均匀有理B样条曲面表达的构造方法[7]。这种建模方法在三维动画中运用得比较多，它的主要优势在于能够创建光滑、复杂的曲面模型，所描述的图像将会非常逼真，具有非常广泛的使用范围。当然该方法也存在一定的缺陷，具有很强的局限性，只能够使用曲面片作为建模的基本建模单位;拓扑结构只有几种，导致比如带空洞的物体就很难进行制作;当模型比较复杂时，由于其曲面片属于网格状，于是就会造成控制点急剧增加不能控制;该方法比较难以建造“带有分支”的物体;比较复杂的模型构造需要不断对曲面进行裁剪，于是可能会导致计算机出现错误现象。

2.3 细分曲面构造方法

该构造方式是在NURBS技术的基础上进行开发的一种方式，于是其可以解决NURBS技术的局限性。细分曲面构造方法能够用任何一种多面体作为控制网格，再以该网格为基础，建造一个平滑的曲面。由于对网格形状不受到限制，所以就可以构建出不同的拓扑结构，而且整个曲面还会继续保持光滑性。该构造方式还有比较重要的优势在于能够增加细节物体的光滑性，而且增加细节时只针对曲面局部地方，不用像之前的方式针对的是整个屋面，这样就不会造成整体物体变得更加复杂。

3 三维地层的构造和显示

3.1 三维地层的构造

三维集成构成中需要使用到相关的地层数据，并且这些数据将通过地质人员进行测量，将这些数据保存在数据文件中需要以规则的采样点阵的形式进行保存。另外，需要注意的是一个数据文件中只保存一块地层的数据信息，这样更加方便查询。

地层采样点阵是从起点平面坐标开始，需要对每个采样点进行采集相关数据和记录，其中记录内容包含深度值、孔隙度、饱和度、可见性标识、渗透率等。为了使得样本点阵更加的有序、整齐、明了，可以使用如图1所示的采样点阵组成的网格进行表示，首先将采样点阵组成一个规则的三角形网格，网格中将会存在很多个点，每个点都将代表一个采样点，然后三个相邻的点即可以形成一个三角形网格，每个点只能使用一次，于是三角形网格可以模拟真实地层表面。

图1中仅仅只是一个网格，为了能够三维场景中显示起伏状态，如图2所示为带起伏表面的三角形网格，于是需要将每个点显示其深度值，就能够描述为一个三维坐标。

三角形网格中每个顶点都需要有三维坐标、法向量、纹理坐标、可见性标识、颜色和渗透率，有了这些信息之后才能建立模型。然后建立索引列表，目的在于构建一个三角形网格。三角形绘制时可以使用索引缓冲来索引顶点。使用这种方式绘制三角形能够减使用顶点的数量，另外当需要对地层显示形状进行修改时，也就是对某些样点的可见性标识进行修改，该修改方式非常简单，只需要对索引列表修改即可，于是能够构建新的三角形网格形状，这种修改方式既简单，又能够提高系统工作效率，应用于钻探工程中将会更加合适。

由于每个三角形之间会存在缝隙，为了能够使其呈现出光滑的效果，需要有一个很好的过渡，于是需要计算出每个顶点的法线，于是将其应用到计算光照和纹理效果中，然后每一个法线的计算方式如图3所示。如果需要计算出顶点P的法线，该步骤为：首先找到顶点P周围的四个顶点，即距离顶点P最近的四个点，从图中可以看出即为顶点P1、P2、P3、P4，找到该四个顶点之后即知道每个点的三维坐标;然后再将P2的三维坐标减去P1的三维坐标得到一个三维向量V1，再将P4的三维坐标减去P3的三维坐标得到另外一个三维向量V2;最后就是对两个三维向量V1和V2进行叉积处理，处理完成后得到的结果进行单位化，于是能够获取顶点P的法线。

3.2 三维地层的着色方法

在钻探工程中运用三维可视化技术时，其中颜色的显示通常情况有包含两种，分别为纹理映射和直接差值着色。地层在显示过程中某些情况下会以比较简单化的方式进行显示，于是使用层网格线表示比较合适。在地层中具有非常重要的属性就是孔隙度、饱和度和渗透率，对这些属性进行表达时可以根据颜色的变化进行描述。在显示过程中需要其有非常快的速度，而圖案的形象程度要求却不高，于是通过直线差值着色的方式模拟这些属性的显示正好能够满足其要求。而对于其他比较特殊的对象，比如地震体的描述，可以通过使用纹理映射的方法进行描述。因此，地层颜色显示分成四种不同的显示，即渗透率、网格显示、饱和度和孔隙度。下面将分别对其进行分析：

（1）网格显示。上文已经说明过在地层三维数据中原始数据是以三维点阵的形式进行保存，所以在显示地层时也以三维点阵的方式进行显示。形成地层网格的方式就会显得非常简单，即将三维点阵中的点进行连接即可。地层网格能够表示不同顶点的具体位置，能够非常快速简单的表述出地层基本形态。

（2）孔隙度、饱和度和渗透率的模拟现实。孔隙度、饱和度和渗透率作为钻探工程重要的指标，需要在地层上非常直观快速的表达出来，于是最好的表达方式就是使用不同颜色进行表述。因此使用直接差值着色方式能够较好的表示出这三个指标的变化情况。

（3） 纹理显示。对于比较特殊的地层，比如岩性剖面、地震体等，这些地层会非常复杂，其描述过程也会比较难，最好的方式就是首先通过使用图案编辑软件构建地层表面图案，再将纹理图案映射到正确的地层上，这样所获得地层将会具有较好的描述性，能够得到效果较好的地层。纹理图案映射步骤方式主要分为3步，第1步，对映射的纹理文件进行读入操作，然后将其基本参数进行保存;第2步，将图像相关的数据进行转换，将其变为一维数组;第3步，纹理的显示坐标通过使用包围盒的角点坐标进行表述，于是即完成映射步骤，实现地层和纹理的相互对应。

4 应用实例

图4即为应用三维可视化技术描述钻探工程的模型，主要作用就是在统一的平台上，工程师能够将所有成果在平台上进行呈现，然后有助于互相讨论。通过改进的细分曲面构造方式能够更加有效、精确的显示出钻探地层的曲面信息，然后还通过使用曲面着色方法对油藏信息进行描述，比如渗透率、孔隙度和饱和度等，另外颜色的不同还表示渗透率从高到底的过渡。

石油矿产勘查钻探工程开发时，钻井轨迹需要按照开工前的施工图纸进行钻探，不然会影响到工程的实施，于是在开工过程中需要了解钻井的轨迹情况，并且还要能显示出钻井的各个相关信息[8]。还需要做好各种辅助性描述手段，比如井眼实钻轨迹、地层剖面、深度、半透明柱面图、设计轨迹和标尺等，因为这些方面能够检测井眼轨迹是够与工程相符合，是否能够与满足地质要求。还需要进行防碰扫描，对设计轨迹和实际情况的钻探进行对比分析，从而及时发现问题。另外，还能够较好的描述出不同靶体形状，图5即为轨迹、靶点的精细化描述。

另外，三维可视化技术还能够对石油矿产勘查钻探工程中比较复杂的对象进行描述，能够对上面所研究的每个对象进行位置调整和数据查新等操作。三维可视化技术在钻探工程中还有其他方面的应用，如图6所示，比如对数据进行实时分析和决策、优化设计、预防和处理井下复杂情况等。所以说三维可视化技术的技术强大，能够在石油矿产勘查钻探工程发挥重要的作用。

5 结语

如今钻探工程开发变得更加的困难，会面临不同地址、力学环境的影响，为了能够提高钻探的效率和质量，并且降低钻探费用，使用三维可视化技术能够起到很好的作用，能够提高精确、快速的描述出地层结构，供工程师们合理做成更好的决策。通过上文分析，三维可视化技术的功能强大，应用于钻探工程中能够提高地层图像的呈现效果，能够描述更为复杂的地形特征，能够提高钻探工程的工作效率。总之将三维可视化技术应用于钻探工程中有利于石油开采的效率，并且降低其开采成本。

参考文献

[1]杨坤，吴晓东，师俊峰，等.应用井简三维可视化技术设计油井扶正器安装位置[J].石油钻采工艺，2009，031（05）：56-59.

[2]李洋，唐建华.三维可视化技术在准噶尔盆地地震解释中的应用[J].新疆石油地质，2000（03）：235-237+258.

[3]李巍，孟令愚，郑善奇，等.基于MongoDB的电网信息三维可视化系统数据管理[J].计算机与数字工程，2019，47（01）：253-257+265.

[4]熊书敏.地下矿生产可视化管控系统关键技术研究[D].长沙：中南大学，2012.

[5]吴军.三维可视化地质建模软件系统研制[D].成都：成都理工大学，2009.

[6]闫铁，高磊，毕雪亮，等.基于多边形建模构造方法的井眼轨道可视化技术研究[J].西部探矿工程，2010，22（03）：51-54.

[7]宋天琦.自由曲面最优参数化研究[D].济南：山东大学，2017.

[8]谢国民，张良万，杜远洋，等.定向井实用三维设计─方位比较法[J].石油学报，2000（03）：77-82+111-112.