楊崴 金琦

摘 要：由于油氣鉆井涉及到的參數(shù)信息繁多，工藝過程復(fù)雜，井控安全要求極高，給學(xué)生的學(xué)習(xí)和實踐帶來很大的難度。特別在后疫情時代，如何有效運用信息可視化技術(shù)對鉆井?dāng)?shù)據(jù)及作業(yè)過程進(jìn)行安全、便捷、形象地仿真模擬，實現(xiàn)鉆井信息可視化，對鉆井工程學(xué)習(xí)、實踐和信息展示有著非常重要的作用。本文研究目的主要是向用戶提供一套輕量級的交互式操作可視化系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)鉆井的正常下鉆、鉆進(jìn)溢流關(guān)井、壓井等工藝過程模擬。有助于觀察發(fā)現(xiàn)石油開采過程中的存在的問題，并及時做出相應(yīng)的調(diào)整，將極大地降低石油開采過程中的事故發(fā)生率，保障工作人員的人身安全。同時相關(guān)人員將知識與實踐相結(jié)合，更好地提高專業(yè)水平。

關(guān)鍵詞：鉆井模擬技術(shù);可視化技術(shù);石油鉆井

引言：鉆井模擬技術(shù)可為降低鉆井成本和施工風(fēng)險，提高鉆井速度提供有力的輔助決策支持，目前仍然是國外的研究熱點。握國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢是開展鉆井模擬技術(shù)研究的重要基礎(chǔ)。鉆井工藝流程操作訓(xùn)練培訓(xùn)模擬，鉆井過程模擬，鉆井技術(shù)經(jīng)濟評價模擬等3個方向，闡述了鉆井模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外有代表性的鉆井模擬系統(tǒng)的功能和特點;從鉆井模擬模型研究，鉆井培訓(xùn)模擬器研制，鉆井模擬系統(tǒng)研發(fā)等3個方面，分析了我國與國外先進(jìn)水平的主要差距。在此基礎(chǔ)上，提出基于可視化技術(shù)的交互式的鉆井模擬系統(tǒng)將是下一步鉆井模擬技術(shù)研究與應(yīng)用的主導(dǎo)方向。

1存在的主要問題

（1）傳統(tǒng)教學(xué)課本中由于油氣井涉及到的參數(shù)信息繁多，工藝過程復(fù)雜，信息表現(xiàn)抽象，以及行業(yè)理論綜合性應(yīng)用要求極高，帶來的學(xué)習(xí)和實踐困難問題。

（2）多變的現(xiàn)實復(fù)雜情況帶來的危害，需要操作人員提高安全意識，實現(xiàn)教學(xué)理論與現(xiàn)實情況的有機結(jié)合。

（3）現(xiàn)場鉆井動作難以觀測，無法進(jìn)一步提高實踐認(rèn)知。

2研究目的及意義

基于可視化技術(shù)的交互式鉆井模擬平臺系統(tǒng)是一個以現(xiàn)代電子技術(shù)，通信技術(shù)，圖形技術(shù)為基礎(chǔ)，以實際的鉆井設(shè)備，計算機硬件和計算機軟件為工具來模擬鉆井平臺操作的培訓(xùn)系統(tǒng)，主要用于石油天然氣行業(yè)中鉆井技術(shù)人員的實驗，培訓(xùn)以及考核。

3數(shù)據(jù)數(shù)值模擬過程可視化設(shè)計

在數(shù)據(jù)數(shù)值模擬可視化的過程中需要用到大量的物理數(shù)學(xué)計算模型，主要涉及的都是有關(guān)鉆井過程中的數(shù)據(jù)計算。其中比較典型的幾個計算模型有鉆速，摩阻，壓力以及U型管的原理。

（1）鉆速計算模型

純鉆速，按純鉆進(jìn)時間計算的鉆速稱為純鉆速或機械鉆速。其計算公式為：純鉆速=鉆井進(jìn)尺/純鉆進(jìn)時間。影響純鉆速的因素主要是，地層情況（地層的可鉆性，地層壓力等）技術(shù)情況（泥漿性能鉆井參數(shù)的配合等）及操作因素。

行程鉆速，按純鉆進(jìn)和起下鉆時間計算的鉆速稱為行程鉆速，用（m/臺時）表示。其計算公式為：鉆井進(jìn)尺/純鉆進(jìn)時間+起下鉆時間

具體鉆速公式：

（2）摩阻計算模型

摩擦阻力計算主要計算的是地層以及地面上的流體與管道之間的摩擦，在工程上也可以叫做水頭損失，一半來講講的是沿程阻力，主要的影響因素有流體粘度，管道直徑和長度，摩擦阻力的計算在工程中的應(yīng)用很多，用的比較常見的就是范寧公式：

（3）壓力計算模型

壓力是鉆井過程中必須考慮的一個因素，在鉆井過程中涉及到的壓力有很多，地層之間的壓力，流體之間的壓力，地層與機械設(shè)備之間的壓力，地層與流體的壓力，流體與機械設(shè)備之間的壓力，這些數(shù)據(jù)關(guān)系到在鉆井過程中機械設(shè)備的使用情況，鉆井過程中的安全保證以及高效率的采油、采氣。

主要用到的公式：靜夜柱壓強公式： 地層破裂壓力：（休伯特. 威尼斯法） 最大井口注入壓力

（4）U型管原理

當(dāng)U型管壓差計未與壓力點連接時，U型玻璃管兩側(cè)的液位等于零刻度線。當(dāng)U形管的一端與壓力點相連時，U形管內(nèi)的液位將發(fā)生變化。如果與壓力點連接的一側(cè)的液位下降，說明測壓點處的壓力為正壓，反之則為負(fù)壓。工程上U型管主要用來測試管道壓力，在某些領(lǐng)域上U型管與PE管道相結(jié)合應(yīng)用，同時也可作為驅(qū)動裝置。

4鉆井井場設(shè)備設(shè)施可視化

在數(shù)據(jù)可視化的同時，為了使我們能夠更加清晰的看到鉆井過程中井上井下的實時變化，我們對井場的設(shè)備設(shè)施也進(jìn)行了可視化，它包括了頂驅(qū)，鉆桿，液壓大鉗，卡瓦，管匯等井上設(shè)施以及立管，套管，等井下設(shè)施的可視化，讓我們能夠更加直觀的看到在每個設(shè)施在不同數(shù)據(jù)的下的工作情況，實況模擬作業(yè)過程中設(shè)備設(shè)施的變化。

例如使用Adobe illustrator繪制一些設(shè)備的矢量圖：

使用GDI來繪制操作界面上的控件：

6鉆井工藝工況可視化

管匯和防噴器就是作業(yè)中非常重要的井控設(shè)備，在發(fā)生事故或者有需要的前提下能夠進(jìn)行關(guān)井，控壓等一系列操作。通過調(diào)節(jié)防噴器上的閥門以及按鈕開關(guān)，可以做到不同程度上的關(guān)井以及控壓。

將數(shù)據(jù)可視化以及設(shè)備可視化相結(jié)合就可以更加直觀的模擬工程作業(yè)中的一些情況，這也就是鉆井工藝工況可視化，它包括了正常下鉆、鉆進(jìn)溢流關(guān)井、壓井等工藝過程模擬可視化，通過調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)施的參數(shù)進(jìn)行井下作業(yè)的模擬，實況模擬井下作業(yè)時可能發(fā)生的情況，并根據(jù)此時的情況實施解決辦法。

5結(jié)論

1.交互式鉆井模擬平臺可以模擬各種極端情況，應(yīng)對各種突發(fā)情況。功能實用性高。

2.讓鉆井課程的學(xué)習(xí)更加高效，提高同學(xué)們的興趣。

3.對于從事相關(guān)職業(yè)工作的人員來說，可以提高工作效率，提升鉆井理論知識能力和技術(shù)水平。

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作者簡介

楊崴（2001-），男，四川成都人，西南石油大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：軟件工程

金琦（2000-），女，四川資中人，西南石油大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院在讀，專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)

項目基金：西南石油大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202110615099）