CN116956648B - 一种钻井过程的ai模拟仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井过程的AI模拟仿真系统及方法，涉及数据处理技术领域，包括数据采集单元、钻井三维建模单元、仿真场景渲染单元和钻井运动轨迹生成单元；数据采集单元用于采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；钻井三维建模单元用于根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；仿真场景渲染单元用于对钻井仿真模型进行场景渲染；钻井运动轨迹生成单元用于根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹。本发明对钻井实时动态模型进行场景渲染，对场景图的各项参数进行运算，确定最终的渲染参数，完成渲染，使得仿真系统的仿真效果更加准确、直观且方便；有利于司钻操作教学以及模拟培训等。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种钻井过程的AI模拟仿真系统及方法。
背景技术
在实际应用场景中，地质勘探开发的钻井作业是一种相当复杂的工程作业，其具备现场工作量大、流程复杂、操作难度大以及不确定因素多等特点。因此，为了尽可能的避免在钻井作业中出现施工错误，在现有技术中，针对钻井作业引入了钻井作业仿真操作，从而在仿真环境下模拟钻井作业过程，以实现提前查漏补缺的目的。但现有钻井仿真系统中较少对钻井的运动模型准确搭建，且忽视仿真模型的场景渲染。
发明内容
本发明目的在于提供一种钻井过程的AI模拟仿真系统及方法,以解决上述问题。
本发明通过下述技术方案实现：一种钻井过程的AI模拟仿真系统包括数据采集单元、钻井三维建模单元、仿真场景渲染单元和钻井运动轨迹生成单元；
数据采集单元用于采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
钻井三维建模单元用于根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
仿真场景渲染单元用于对钻井仿真模型进行场景渲染；
钻井运动轨迹生成单元用于根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹。
进一步地，钻井井口的实时动态数据包括井口载荷、井口坐标和井眼直径；
钻井井下的实时动态数据包括钻柱自重产生的拉力、钻井液产生的浮力、钻压产生的压力以及钻柱与井壁之间的摩擦阻力。
进一步地，钻井的实时动态模型包括第一实时动态子模型和第二实时动态子模型。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，钻井过程中，钻井的运动情况由钻柱本体、井口和井壁等几大部分的参数决定。因此，在本发明中，钻井的实时动态模型包括反映井口所受载荷情况的第一实时动态子模型以及包含反映钻柱运动载荷情况的第二实时动态子模型。基于两种子模型，利用Simulink即可完成3D建模。
进一步地，第一实时动态子模型J的表达式为：
式中，q 0表示井口水平方向的水载荷，p 0表示井口竖直方向的水载荷，Q表示钻井液排量，x 0表示井口的横坐标，y 0表示井口的纵坐标，r表示井眼直径，ρ 0表示钻井液密度。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，第一实时动态子模型主要分析井口在水平方向和竖直方向所承受的载荷。
进一步地，第二实时动态子模型K的表达式为：
式中，R表示杆波阻，ρ 1表示钻柱的材料密度，ρ 2表示井下的空气密度，v表示井下风速，F 0表示钻柱自重产生的拉力，F 1表示钻井液产生的浮力，F 2表示钻压产生的压力，F 3表示钻柱与井壁之间的摩擦阻力，I表示单位矩阵，U表示第一载荷矩阵，V表示第二载荷矩阵。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，第二实时动态子模型主要分析在井下时钻柱受到多种载荷的共同作用，比如在轴向载荷上由自重产生的拉力、钻井液产生的浮力和因钻压产生的压力等，同时钻柱与井壁之间还存在摩擦阻力，这些压力都会产生轴向载荷。
进一步地，仿真场景渲染模型进行场景渲染包括以下步骤：
提取钻井仿真模型的场景图以及场景图的亮度、色调和光照强度；
根据场景图的亮度和色调确定临时渲染参数；
根据场景图的光照强度和临时渲染参数，确定最终渲染参数；
利用最终渲染参数对钻井仿真模型的场景图进行场景渲染。
进一步地，临时渲染参数X te 的计算公式为：
式中，M表示场景图的像素行数，N表示场景图的像素列数，g mn 表示第m行第n列像素点的亮度，s mn 表示第m行第n列像素点的色调，G m 表示第m行的最大亮度，G n 表示第n列的最大亮度，S m 表示第m行的最大色调，S n 表示第n列的最大色调，max(·)表示最大值运算，表示第m行的最小亮度，/>表示第n列的最小亮度，/>表示第m行的最小色调，/>表示第n列的最小色调，min(·)表示最小值运算。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，临时渲染参数主要由场景图的亮度和色调确定，场景图中存在众多行和列的像素点，由各行最大色调、各列最大色调、各行最大亮度和各列最大亮度这几个参数进行取最大值运算以及由各行最小色调、各列最小色调、各行最小亮度以及各列最小亮度这几个参数进行取最小值运算，再进行求和运算可确定临时渲染参数，便于后期步骤与场景图的光照强度进行大小比较，来确定最终渲染参数。
进一步地，最终渲染参数X fi 的计算公式为：
式中，W表示场景图的像素点个数，L表示场景图的光照强度，X te 表示临时渲染参数，λ w 表示第w个像素点的亮度，μ w 表示第w个像素点的色调，ε表示极小值。
上述进一步方案的有益效果是：在本发明中，在钻井仿真模型中，场景图的光照强度会极大地影响渲染结果，因此将场景图的光照强度与临时渲染参数进行大小比较，对场景图的渲染参数进行最终调整。
进一步地，最终渲染参数进行场景渲染的具体方法为：将场景图中各个像素点的灰度值与最终渲染参数相乘，作为场景图中各个像素点的最终灰度值，完成场景渲染。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明可以采集钻井运行期间钻井井口和井下两类动态数据，构建两种动态模型，以此完成3D建模，模拟钻井的真实运动情况，降低实际操作的成本；
2、本发明对钻井实时动态模型进行场景渲染，对场景图的各项参数进行运算，确定最终的渲染参数，完成渲染，使得仿真系统的仿真效果更加准确、直观且方便；
3、本发明的仿真系统针对钻井井口和井下环境完成建模，有利于司钻操作教学以及模拟培训等。
基于以上系统，本发明还提出一种钻井过程的AI模拟仿真方法，包括以下步骤：
采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
对钻井仿真模型进行场景渲染；
根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明根据钻井实时动态数据，构建钻井仿真模型，并对钻井仿真模型进行有效渲染，降低了三维模型的噪声，可以形象真实地反映钻井运行情况。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的钻井过程的AI模拟仿真系统的结构示意图；
图2为本发明的钻井过程的AI模拟仿真方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。
如图1所示，本发明提供了一种钻井过程的AI模拟仿真系统，包括数据采集单元、钻井三维建模单元、仿真场景渲染单元和钻井运动轨迹生成单元；
数据采集单元用于采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
钻井三维建模单元用于根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
仿真场景渲染单元用于对钻井仿真模型进行场景渲染；
钻井运动轨迹生成单元用于根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹。
Simulink是一款广泛使用的基于图形的模拟软件，主要用于系统建模、仿真和运动控制等领域。Simulink可以与MATLAB集成，以利用MATLAB的数据分析和算法的功能。Simulink还提供了许多有用的扩展、库和工具箱，可帮助更轻松地进行仿真。
在本发明实施例中，钻井井口的实时动态数据包括井口载荷、井口坐标和井眼直径；
钻井井下的实时动态数据包括钻柱自重产生的拉力、钻井液产生的浮力、钻压产生的压力以及钻柱与井壁之间的摩擦阻力。
在本发明实施例中，钻井的实时动态模型包括第一实时动态子模型和第二实时动态子模型。
在本发明中，钻井过程中，钻井的运动情况由钻柱本体、井口和井壁等几大部分的参数决定。因此，在本发明中，钻井的实时动态模型包括反映井口所受载荷情况的第一实时动态子模型以及包含反映钻柱运动载荷情况的第二实时动态子模型。基于两种子模型，利用Simulink即可完成3D建模。
在本发明实施例中，第一实时动态子模型J的表达式为：
式中，q 0表示井口水平方向的水载荷，p 0表示井口竖直方向的水载荷，Q表示钻井液排量，x 0表示井口的横坐标，y 0表示井口的纵坐标，r表示井眼直径，ρ 0表示钻井液密度。
在本发明中，第一实时动态子模型主要分析井口在水平方向和竖直方向所承受的载荷。
在本发明实施例中，第二实时动态子模型K的表达式为：
式中，R表示杆波阻，ρ 1表示钻柱的材料密度，ρ 2表示井下的空气密度，v表示井下风速，F 0表示钻柱自重产生的拉力，F 1表示钻井液产生的浮力，F 2表示钻压产生的压力，F 3表示钻柱与井壁之间的摩擦阻力，I表示单位矩阵，U表示第一载荷矩阵，V表示第二载荷矩阵。
在本发明中，第二实时动态子模型主要分析在井下时钻柱受到多种载荷的共同作用，比如在轴向载荷上由自重产生的拉力、钻井液产生的浮力和因钻压产生的压力等，同时钻柱与井壁之间还存在摩擦阻力，这些压力都会产生轴向载荷。
在本发明实施例中，仿真场景渲染模型进行场景渲染包括以下步骤：
提取钻井仿真模型的场景图以及场景图的亮度、色调和光照强度；
根据场景图的亮度和色调确定临时渲染参数；
根据场景图的光照强度和临时渲染参数，确定最终渲染参数；
利用最终渲染参数对钻井仿真模型的场景图进行场景渲染。
在本发明中，在现有三维建模软件中（例如Simulink）可采用截图等方式提取场景图。
在本发明实施例中，临时渲染参数X te 的计算公式为：
式中，M表示场景图的像素行数，N表示场景图的像素列数，g mn 表示第m行第n列像素点的亮度，s mn 表示第m行第n列像素点的色调，G m 表示第m行的最大亮度，G n 表示第n列的最大亮度，S m 表示第m行的最大色调，S n 表示第n列的最大色调，max(·)表示最大值运算，/>表示第m行的最小亮度， />表示第n列的最小亮度，/>表示第m行的最小色调，/>表示第n列的最小色调，min(·)表示最小值运算。
在本发明中，临时渲染参数主要由场景图的亮度和色调确定，场景图中存在众多行和列的像素点，由各行最大色调、各列最大色调、各行最大亮度和各列最大亮度这几个参数进行取最大值运算以及由各行最小色调、各列最小色调、各行最小亮度以及各列最小亮度这几个参数进行取最小值运算，再进行求和运算可确定临时渲染参数，便于后期步骤与场景图的光照强度进行大小比较，来确定最终渲染参数。
在本发明实施例中，最终渲染参数X fi 的计算公式为：
式中，W表示场景图的像素点个数，L表示场景图的光照强度，X te 表示临时渲染参数，λ w 表示第w个像素点的亮度，μ w 表示第w个像素点的色调，ε表示极小值。W=MN。
在本发明中，在钻井仿真模型中，场景图的光照强度会极大地影响渲染结果，因此将场景图的光照强度与临时渲染参数进行大小比较，对场景图的渲染参数进行最终调整。
在本发明实施例中，最终渲染参数进行场景渲染的具体方法为：将场景图中各个像素点的灰度值与最终渲染参数相乘，作为场景图中各个像素点的最终灰度值，完成场景渲染。
基于以上系统，本发明还提出一种钻井过程的AI模拟仿真方法，如图2所示，包括以下步骤：
采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
对钻井仿真模型进行场景渲染；
根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于，包括数据采集单元、钻井三维建模单元、仿真场景渲染单元和钻井运动轨迹生成单元；
所述数据采集单元用于采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
所述钻井三维建模单元用于根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
所述仿真场景渲染单元用于对钻井仿真模型进行场景渲染；
所述钻井运动轨迹生成单元用于根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹；
其中，所述仿真场景渲染单元进行场景渲染包括以下步骤：
提取钻井仿真模型的场景图以及场景图的亮度、色调和光照强度；
根据场景图的亮度和色调确定临时渲染参数；
根据场景图的光照强度和临时渲染参数，确定最终渲染参数；
利用最终渲染参数对钻井仿真模型的场景图进行场景渲染；所述临时渲染参数X te 的计算公式为：；式中，M表示场景图的像素行数，N表示场景图的像素列数，g mn 表示第m行第n列像素点的亮度，s mn 表示第m行第n列像素点的色调，G m 表示第m行的最大亮度，G n 表示第n列的最大亮度，S m 表示第m行的最大色调，S n 表示第n列的最大色调，max(·)表示最大值运算，/>表示第m行的最小亮度，/>表示第n列的最小亮度，/>表示第m行的最小色调，/>表示第n列的最小色调，min(·)表示最小值运算；
所述最终渲染参数X fi 的计算公式为：；式中，W表示场景图的像素点个数，L表示场景图的光照强度，X te 表示临时渲染参数，λ w 表示第w个像素点的亮度，μ w 表示第w个像素点的色调，ε表示极小值。
2.根据权利要求1所述的钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于：所述钻井井口的实时动态数据包括井口载荷、井口坐标和井眼直径；
所述钻井井下的实时动态数据包括钻柱自重产生的拉力、钻井液产生的浮力、钻压产生的压力以及钻柱与井壁之间的摩擦阻力。
3.根据权利要求1所述的钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于：所述钻井的实时动态模型包括第一实时动态子模型和第二实时动态子模型。
4.根据权利要求3所述的钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于：所述第一实时动态子模型J的表达式为：；式中，q 0表示井口水平方向的水载荷，p 0表示井口竖直方向的水载荷，Q表示钻井液排量，x 0表示井口的横坐标，y 0表示井口的纵坐标，r表示井眼直径，ρ 0表示钻井液密度。
5.根据权利要求3所述的钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于：所述第二实时动态子模型K的表达式为：；/>；；式中，R表示杆波阻，ρ 1表示钻柱的材料密度，ρ 2表示井下的空气密度，v表示井下风速，F 0表示钻柱自重产生的拉力，F 1表示钻井液产生的浮力，F 2表示钻压产生的压力，F 3表示钻柱与井壁之间的摩擦阻力，I表示单位矩阵，U表示第一载荷矩阵，V表示第二载荷矩阵。
6.根据权利要求1所述的钻井过程的AI模拟仿真系统，其特征在于：所述最终渲染参数进行场景渲染的具体方法为：将场景图中各个像素点的灰度值与最终渲染参数相乘，作为场景图中各个像素点的最终灰度值，完成场景渲染。
7.一种钻井过程的AI模拟仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集钻井井口和钻井井下的实时动态数据，并生成钻井的实时动态模型；
根据钻井的实时动态模型进行3D建模，生成钻井仿真模型；
对钻井仿真模型进行场景渲染；
根据场景渲染后的钻井仿真模型生成钻井运动轨迹；
其中，仿真场景渲染单元进行场景渲染包括以下步骤：
提取钻井仿真模型的场景图以及场景图的亮度、色调和光照强度；
根据场景图的亮度和色调确定临时渲染参数；
根据场景图的光照强度和临时渲染参数，确定最终渲染参数；
利用最终渲染参数对钻井仿真模型的场景图进行场景渲染；所述临时渲染参数X te 的计算公式为：；式中，M表示场景图的像素行数，N表示场景图的像素列数，g mn 表示第m行第n列像素点的亮度，s mn 表示第m行第n列像素点的色调，G m 表示第m行的最大亮度，G n 表示第n列的最大亮度，S m 表示第m行的最大色调，S n 表示第n列的最大色调，max(·)表示最大值运算，/>表示第m行的最小亮度，/>表示第n列的最小亮度，/>表示第m行的最小色调，/>表示第n列的最小色调，min(·)表示最小值运算；
所述最终渲染参数X fi 的计算公式为：；式中，W表示场景图的像素点个数，L表示场景图的光照强度，X te 表示临时渲染参数，λ w 表示第w个像素点的亮度，μ w 表示第w个像素点的色调，ε表示极小值。
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