0 引言

随着国内外油气勘探开发的不断深入，海洋及地质条件越来越复杂多变，如何在钻井过程中快速、准确地选择井眼路径，以钻遇储油层成了油田作业的首要任务。关于三维井眼轨迹可视化研究，国内外在方法和技术上都有很大进步，可视化技术由单一到复杂再到逼真。相比之下，国外现有技术较成熟，软件方面功能也相对齐全和稳定，而国内在功能多元化和普遍适用性等方面还存在不足^[1]。因此，笔者总结归纳了三维井眼轨迹可视化技术的研究现状，并指出该技术未来的发展趋势。

1 可视化建模技术

可视化图形技术是利用计算机图形学和现代计算机的OPP、DDE、OLE技术，把空间三维物体的基本特征数据以一种有效的方式输入计算机，利用计算机屏幕观察该物体在不同三维视角下的空间形态。可视化建模是利用围绕现实想法建立模型的一种理念，以描述复杂问题结构的本质或者抽象事物^[2]。通常可视化模型的建立需要经过3个阶段，如图 1所示。

目前，以计算机技术为基础的三维可视化技术，大多通过建模算法、建模软件和应用平台的结合来实现。三维可视化的关键是建模，选取正确的建模算法与建模软件，是精确建立模型、优化模型结构的基础，辅之以合适的应用平台，达到运动、观察、分析和决策等目的^[3-4]。笔者总结的三维井眼轨迹可视化相关研究及方法(见图 2)为提高建模效率、优化模型参数以及降低成本奠定了基础。

根据不同的地质环境，选择正确的建模算法有助于优化建模图形，缩小模型与实际事物的差距；选取正确的建模工具有助于建立更加逼真、现实的事物；采用合理的应用平台可使模型能够再现事物的原有形态，使决策者能够更好地了解、认知事物的本质，并做出正确的判断。

1.1 三维井眼轨迹可视化建模算法

建模算法是井眼轨迹可视化技术的基础。井眼轨迹的计算方法有20多种，根据不同地层、不同井的结构分为直线假设算法和曲线假设算法。直线假设算法虽然简单，但是假设理论不够完善，已经很少被使用；而曲线假设算法在理论上较为合理，虽然算法复杂，但是假设合理、计算精度较高、可实现性强^[5]。因此，在钻井作业中多采用曲线假设法，这也是三维井兴起的原因之一。

井眼轨迹计算基本参数有井斜角、方位角和工具面角，基本参数计算示意图如图 3所示。

井斜角α：

(1)

高边工具面角θ_GTF：

(2)

磁工具面角θ_MTF：

(3)

方位角β：

(4)

(5)

广泛使用的计算方法有正切法、平衡切线法、校正平均角法、恒装置角法^[6]、自然参数法^[7]、圆柱螺线法^[8]、最小曲率法^[9]、切片法^[10]、三次插值及多项拟平滑法^[11]等。相比之下，正切法、平衡切线法以及校正平均角法属于直线假设法，理论上不够完善，不适用于井眼轨迹。

恒装置角法即随钻测量MWD在钻进时以恒装置角扭动模式下钻出的井眼轨迹形态，被视为恒装置角曲线。该算法公式繁杂，因而不具备优势。

自然参数法在考虑漂移轨道时假设两测点间曲线的井斜和方位变化量为常数。但其南北和东西位移会出现分母为0的情况，故应用较少。随着鲁港等^[7]提出了计算坐标增量，减少了计算误差，故而提高了计算的稳定性。

圆柱螺线法假设两测量点间为1条等变螺旋角的圆柱螺线，其处于两段点间上、下两测点的井眼方向螺线相切，且在水平投影和垂直剖面上都是圆弧。等变螺旋升角一直变化，且螺旋升角的变化与螺线长度成正比。最小曲率法在尽可能生成圆滑曲面的同时，严格地尊重数据的真实性。圆柱螺线法与最小曲率法都是基于空间假设而建立，计算精度相似，比较符合实际，且计算较简单、应用广泛。

切片法是为了修正非平滑钻井段的轨迹，把垂直于井眼轨迹轴线的断面看成切片，在井眼筒上间隔性地取出一些断面，由于轴线弯曲、各相邻断面间的法向量可能不同，故把相邻断面间的侧面用三角形图元绘制，这样就构成了无缝的井眼轨迹。

三次插值及多项拟合平滑法从曲线结构计算模型的微元分析角度出发，要求坐标增量测点间隔井深不宜过长，且确保离散造成的误差足够小。在原始测斜数据间隔较大时，需采用三次样条插值函数来增加数据点，以弥补测斜点不足。最后通过数据平滑处理，精确井眼轨迹。

在选择井眼轨迹的建模算法时，首先要考虑地形地质，其次要考虑井眼的钻进形态。笔者对现有的井眼轨迹建模算法进行对比分析，得出切片法、圆柱螺线法、最小曲率法与三次插值及多项拟合平滑法计算精度较高，普遍适用性和可实现性更强。

1.2 建模软件及应用平台简介与研究现状

MATLAB具有强大的数学建模能力，主要面对科学计算、数据可视化和交互式程序设计的高科技计算环境，对于图形处理有自己的特殊性^[12]。

早期在井眼轨迹方面，MATLAB软件就被应用于定向井、水平井的二维可视化。2006年侯喜茹等^[13]利用MATLAB结合模糊控制建立了井眼轨迹数学模型，实现了对井眼轨迹的有效控制。2012年王定贤等^[14]利用MATLAB优化了井眼轨迹设计，并提出了“直-增-稳”型井眼轨迹的数学优化模型。2016年李宇腾等^[15]利用MATLAB设计了井眼轨迹绘制方法，对水平井井眼轨迹及响应曲线进行了绘制。

图 4和图 5是用MATLAB建立的井眼轨迹及地层三维可视化模型。MATLAB区别于其他建模软件，需加入指定算法，将相应函数导入其中；或根据描点法，将现场实时数据绘制成EXE格式，并在MATLAB中运行，生成一条平滑曲线。其优点是建模迅速，可直观呈现总体趋势，缺点是不能完整反映地形地貌和井眼轨迹。

OpenGL是国内应用最广泛的可视化建模软件，也是一个功能强大，调用方便的底层图形库^[16]。此外，OpenGL可以应用真实感手段对建立的可视化仿真模型进行着色、阴影和纹理等处理。

国内有一些OpenGL软件的应用成果：2002年，胜利油田和上海交通大学联合开发了基于VC++6.0的井眼轨迹设计与监测三维可视化系统^[17]。该系统能够三维立体显示井眼轨迹、地层及旧井眼轨迹和实钻井眼轨迹，可以实现旋转、平移、缩放和改变填充方式等操作。2009年，何小兵等^[18]在Visual Basic 6.0平台上，利用OpenGL基于平移、缩放和旋转等交互操作功能，通过光照渲染了三维效果。

图 6~图 12为OpenGL实现的三维可视化井眼轨迹效果图。OpenGL虽然是一个集成建模、渲染、可视化的强大软件，但其自身也存在一些局限性：要求实际数据点足够多；其函数库未获取用户输入和可执行窗口任务的功能；不能直接提供用于描述三维物体模型的高级函数(例如地层、井架、钻杆或者钻头的某个零件等)；不能细致描绘井眼轨迹实际段落间的情况。

2010年，唐可伟等^[19]将Visual C++2005和Open Inventor开发包相结合，读取Access数据库中的测斜数据，采用最小曲率法实现了井眼轨迹的三维可视化，并添加了坐标和平面。2011年，张德^[20]在井眼轨迹描述中加入了地层的三维效果图，增强了井眼轨迹的真实性和直观性。

2013年，李洋等^[21]在Visual Studio平台上采用WPF与OpenGL软件，开发了可读取Excel文件的三维井眼轨迹可视化系统，较准确地绘制了井眼轨迹。2015年，王志军等^[22]综合多种井眼轨迹算法，开发了基于OpenGL的三维可视化系统，该系统能够以水平、垂直投影的方式绘制井眼轨迹，并能够打印输出井眼轨迹数据和图形。2017年，蒋必辞等^[23]在QT平台上，利用OpenGL将测井信息与井眼轨迹相结合，实现了快速运行程序、三维显示及跨平台应用功能。

国外对于井眼轨迹研究起步较早，很多大公司都建立了相对成熟的建模软件，如Schlumberger公司的Osprey Drilling软件、Halliburton公司的Landmark Software软件、Paradigm公司的Sys-drill软件以及Petris公司的Drill NET软件等均代表了世界最先进的钻井技术^[24-26]。

Osprey Drilling是Schlumberger公司设计的一款基于Web的钻井软件，其Drilling Office系统能在三维地质环境中实现井眼轨迹设计、可视化、防碰扫描、测斜计算、井筒编辑与BHA和摩阻扭矩优选等九大功能^[27]。

Landmark Software是Halliburton公司研发的一套专业钻井知识集成系统兼钻井工程服务软件。其利用所集成的知识库，协助使用者进行专业数据分析和智能决策。其Decision Space系统能够在三维地质环境中对井眼轨迹进行可视化设计和实钻监控^[28]。

Sys drill是Paradigm公司开发的一款将地质数据与钻井数据融为一体的、在井眼轨迹可视化中能够实现三维地质信息显示的钻井软件。

Drill NET是Petris公司一款专业为钻井与完井工程设计的软件，能够实现复杂井眼轨道设计、井眼轨迹防碰设计、套管强度设计、下套管计算、注水泥设计、复杂井眼钻具寿命计算、井眼内扭矩及拉力计算、钻井水力学压力控制设计及井控设计等一系列强大功能。

图 13和图 14为国外钻井公司实现的三维井眼可视化效果图。它与国内井眼轨迹效果图相比，无论是从井轨迹细腻程度，还是预测轨迹数量，或是实现井轨迹可视化的技术水平上都遥遥领先。因此，提高井眼轨迹可视化技术是实现智慧钻井的重要发展趋势。

2 井眼轨迹可视化发展趋势

如何在钻井过程中快速、准确地选择路径成了当今油田作业的首要任务。特别是在下钻井过程中，需要通过MWD定时、定性、定量地反馈钻井数据，以便更好地选取路径，减少成本，给实际钻井带来一定的预测效果。因此，将虚拟现实技术与数据仓库、决策支持和分布计算等技术紧密结合，研究并建立适合地质导向钻井的可视化环境及交互模型就显得尤为重要。

随着大数据、云计算和互联网技术的高速发展，钻井地上和地下的海量数据为基于虚拟现实技术的三维井眼轨迹交互式优化、钻井控制优化提供了数据支撑，也为数据挖掘实现智慧油田管理模块化提供了可能^[29]，因此井眼轨迹可视化应向以下两个方向发展。

(1) 从二维平面显示向三维立体显示转化，从单一数据分析向人机交互发展。随着二次元空间、图像处理和计算机技术的成熟，钻井轨迹已不能仅通过数字和图像来决策。尤其是虚拟现实技术的出现，为钻井作业开启了一扇新的大门。凭借全息投影及VR沉浸式显示技术，使地层、井轨迹显示达到了一个新的高度，增强了人机交互效果，对实际环境实现了精准判断，建立完善了钻井信息，为井眼轨迹优化技术提供了重要依据。

(2) 采集海量油田数据进行同步云计算，逐步实现钻井由数字化向智慧化转变。在实际钻井过程会产生海量实时数据，会出现不同地质、地震、气候、设备和计算方法等多方面信息。利用大数据技术来获取、储存、管理和分析海量钻井数据；利用云计算技术对海量数据进行分布式处理；根据统计数据，对现有地层数据进行整合分析，预测一条更加精准的钻井轨迹，实现相邻井眼轨迹防碰撞处理，实现对新井眼轨迹进行精准纠偏处理，防止与相邻老井碰撞。

3 结论

(1) 建模算法是井眼轨迹可视化技术的基础。通过对比常用井眼轨迹计算方法，结合实际钻井轨迹特征，选择了切片法、圆柱螺线内插法、最小曲率法、三次样条插值及多项拟合平滑法。

(2) 与国外技术相比，国内在井眼轨迹可视化研究方面仍然存在差距，主要表现在：①可视化软件的开发不具备普遍适用性，仅针对自身项目或者工程而研发；②图形显示单一，地质地层模型不够完善，井眼轨迹模型细致程度有待提高。

(3) 大数据、云计算、互联网以及虚拟现实技术是井眼轨迹可视化技术的发展趋势。