基于可视化技术的交互式钻井模拟平台应用研究

杨崴 金琦

摘 要：由于油气钻井涉及到的参数信息繁多，工艺过程复杂，井控安全要求极高，给学生的学习和实践带来很大的难度。特别在后疫情时代，如何有效运用信息可视化技术对钻井数据及作业过程进行安全、便捷、形象地仿真模拟，实现钻井信息可视化，对钻井工程学习、实践和信息展示有着非常重要的作用。本文研究目的主要是向用户提供一套轻量级的交互式操作可视化系统，通过该系统可以实现钻井的正常下钻、钻进溢流关井、压井等工艺过程模拟。有助于观察发现石油开采过程中的存在的问题，并及时做出相应的调整，将极大地降低石油开采过程中的事故发生率，保障工作人员的人身安全。同时相关人员将知识与实践相结合，更好地提高专业水平。

关键词：钻井模拟技术;可视化技术;石油钻井

引言：钻井模拟技术可为降低钻井成本和施工风险，提高钻井速度提供有力的辅助决策支持，目前仍然是国外的研究热点。握国内外技术现状和发展趋势是开展钻井模拟技术研究的重要基础。钻井工艺流程操作训练培训模拟，钻井过程模拟，钻井技术经济评价模拟等3个方向，阐述了钻井模拟技术研究现状，分析了国内外有代表性的钻井模拟系统的功能和特点;从钻井模拟模型研究，钻井培训模拟器研制，钻井模拟系统研发等3个方面，分析了我国与国外先进水平的主要差距。在此基础上，提出基于可视化技术的交互式的钻井模拟系统将是下一步钻井模拟技术研究与应用的主导方向。

1存在的主要问题

（1）传统教学课本中由于油气井涉及到的参数信息繁多，工艺过程复杂，信息表现抽象，以及行业理论综合性应用要求极高，带来的学习和实践困难问题。

（2）多变的现实复杂情况带来的危害，需要操作人员提高安全意识，实现教学理论与现实情况的有机结合。

（3）现场钻井动作难以观测，无法进一步提高实践认知。

2研究目的及意义

基于可视化技术的交互式钻井模拟平台系统是一个以现代电子技术，通信技术，图形技术为基础，以实际的钻井设备，计算机硬件和计算机软件为工具来模拟钻井平台操作的培训系统，主要用于石油天然气行业中钻井技术人员的实验，培训以及考核。

3数据数值模拟过程可视化设计

在数据数值模拟可视化的过程中需要用到大量的物理数学计算模型，主要涉及的都是有关钻井过程中的数据计算。其中比较典型的几个计算模型有钻速，摩阻，压力以及U型管的原理。

（1）钻速计算模型

纯钻速，按纯钻进时间计算的钻速称为纯钻速或机械钻速。其计算公式为：纯钻速=钻井进尺/纯钻进时间。影响纯钻速的因素主要是，地层情况（地层的可钻性，地层压力等）技术情况（泥浆性能钻井参数的配合等）及操作因素。

行程钻速，按纯钻进和起下钻时间计算的钻速称为行程钻速，用（m/台时）表示。其计算公式为：钻井进尺/纯钻进时间+起下钻时间

具体钻速公式：

（2）摩阻计算模型

摩擦阻力计算主要计算的是地层以及地面上的流体与管道之间的摩擦，在工程上也可以叫做水头损失，一半来讲讲的是沿程阻力，主要的影响因素有流体粘度，管道直径和长度，摩擦阻力的计算在工程中的应用很多，用的比较常见的就是范宁公式：

（3）压力计算模型

压力是钻井过程中必须考虑的一个因素，在钻井过程中涉及到的压力有很多，地层之间的压力，流体之间的压力，地层与机械设备之间的压力，地层与流体的压力，流体与机械设备之间的压力，这些数据关系到在钻井过程中机械设备的使用情况，钻井过程中的安全保证以及高效率的采油、采气。

主要用到的公式：静夜柱压强公式： 地层破裂压力：（休伯特. 威尼斯法） 最大井口注入压力

（4）U型管原理

当U型管压差计未与压力点连接时，U型玻璃管两侧的液位等于零刻度线。当U形管的一端与压力点相连时，U形管内的液位将发生变化。如果与压力点连接的一侧的液位下降，说明测压点处的压力为正压，反之则为负压。工程上U型管主要用来测试管道压力，在某些领域上U型管与PE管道相结合应用，同时也可作为驱动装置。

4钻井井場设备设施可视化

在数据可视化的同时，为了使我们能够更加清晰的看到钻井过程中井上井下的实时变化，我们对井场的设备设施也进行了可视化，它包括了顶驱，钻杆，液压大钳，卡瓦，管汇等井上设施以及立管，套管，等井下设施的可视化，让我们能够更加直观的看到在每个设施在不同数据的下的工作情况，实况模拟作业过程中设备设施的变化。

例如使用Adobe illustrator绘制一些设备的矢量图：

使用GDI来绘制操作界面上的控件：

6钻井工艺工况可视化

管汇和防喷器就是作业中非常重要的井控设备，在发生事故或者有需要的前提下能够进行关井，控压等一系列操作。通过调节防喷器上的阀门以及按钮开关，可以做到不同程度上的关井以及控压。

将数据可视化以及设备可视化相结合就可以更加直观的模拟工程作业中的一些情况，这也就是钻井工艺工况可视化，它包括了正常下钻、钻进溢流关井、压井等工艺过程模拟可视化，通过调节设备设施的参数进行井下作业的模拟，实况模拟井下作业时可能发生的情况，并根据此时的情况实施解决办法。

5结论

1.交互式钻井模拟平台可以模拟各种极端情况，应对各种突发情况。功能实用性高。

2.让钻井课程的学习更加高效，提高同学们的兴趣。

3.对于从事相关职业工作的人员来说，可以提高工作效率，提升钻井理论知识能力和技术水平。

参考文献

[1]孙旭， 赵金海， 滕春鸣，等. 国内外钻井模拟技术现状及展望[J]. 石油钻探技术， 2012， 40（5）：5.

[2]安静雅. 顶驱钻井模拟器图形系统的研究与实现[D]. 西南石油大学， 2011.

[3]成玲. 计算机动画技术及其在钻井井控模拟中的应用[D]. 青岛科技大学， 2008.

[4]任伟建， 滕飞， 周庆，等. 基于虚拟现实技术的油田钻井系统仿真研究[J]. 科学技术与工程， 2011， 11（13）：5

作者简介

杨崴（2001-），男，四川成都人，西南石油大学计算机科学学院在读，专业：软件工程

金琦（2000-），女，四川资中人，西南石油大学计算机科学学院在读，专业：计算机科学与技术

项目基金：西南石油大学大学生创新创业训练计划项目（S202110615099）