本发明属于油气井钻井领域，具体涉及一种用于施工方案预演优化的钻井井下虚拟仿真方法及系统。
背景技术：
石油天然气钻井是一项地下隐蔽性工程，被喻为“入地比上天难”，尤其是在复杂地质条件下钻复杂结构井、超深井、超大位移井和特殊工艺井和超越极限时，存在着大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程“黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代高端科学技术，实现业界期盼的“看着地下打井”的愿景，尤其是在钻井之前，如何以低成本、无风险的方式对施工方案进行模拟预演，暴露潜在问题，实现方案的优化，是业界期待的技术。
专利CN102354326A公开一种高效、实时同步、形象逼真的石油钻井三维仿真方法，依次按如下步骤进行：取石油钻井设备基础工作状态传感信号数据；筛选出进行三维表现需要的传感信号数据；判断是否需要力学计算；对不需要力学计算的传感信号数据进行XML空间位置解析；采用三维引擎通过XML标记进行三维表现。该发明是对钻井设备传感器数据的三维表征，无法实现更精细的井下动态场景模拟，比如岩石、井筒流体、井壁的变化形态、风险识别、钻速预测等等，更无法用于钻井之前对地质环境及施工过程进行预演优化。
专利CN203134246U实用新型公开了一种智能化钻井装置仿真培训系统，其特征在于钻井机械配套装置涵盖钻机井架、模拟液压同步起升操作过程仿真系统、钻井液循环和固控装置动态运行仿真系统以及自动化操作控制仿真系统，展现钻机设备在现场作业的动态效果，重点展示钻井井架、底座模拟液压起升过程以及钻井液循环泵、固控装置的功能仿真、动态运行和模拟运行控制，同时应用自动化控制技术和无线遥控技术，使无线遥控和本地操作完全兼容，实现钻井机械配套装置及配套设备的真实操作和运行控制，并通过触摸人机界面实现同样的控制功能，同时显示钻机设备当前的运行状态和运行参数，达到钻井装置仿真培训系统模拟现场施工作业的效果。该发明是一套仿真硬件装置，且其软件界面都是预先固化的场景动画，无法实现真实钻井数据的驱动。
专利CN101719332A公开了一种全三维实时钻井模拟的方法，它包括以下步骤：采用三维动画建模方法建立三维钻井图形实体模型库；专门设置一个图形处理器，所述图形处理器包括图形绘制程序和视景仿真控制程序；视景仿真控制程序按照设定的数据格式与外部主控程序通讯，获取实时动画的指令和数据；视景仿真控制程序对图形绘制程序发出作业指令，图形绘制程序实现钻井模拟动画绘制及展示。本发明基于计算机仿真技术并参照钻井作业现场的实际操作流程，对钻井工艺过程和操作方法进行逼真模拟，生成高质量图形动画，用于钻井现场操作人员和在校学生的技术技能培训，提高了培训效果、缩短了培训周期、降低了培训成本。该发明是预先固化的典型场景动画拼接，只能用于培训演示，无法利用真实数据驱动模拟真实钻进过程中的各种事件。
文献“油田钻井虚拟仿真系统”公开了:利用计算机仿真技术，研究构建一个参数化的油田钻井虚拟仿真系统，对虚拟设备进行参数化的运动控制，逼真地模拟钻井工艺过程。提出了基于数字计算仿真和视景仿真混合技术的虚拟仿真系统架构，分析并建立了井架提升系统和旋转钻进系统的数学模型，利用数学模型控制虚拟钻井设备运动，实现了对缠绕在滑轮组上钢丝绳的实时变形运动控制。最后，能够初始化系统参数、实时显示并控制钻井工艺过程中参数的变化，实现系统的交互性。该技术只针对钻井地面设备的，无法实现井下状态及过程的仿真。
文献“基于虚拟现实技术的油田钻井系统仿真研究”公开了:该发明探讨了基于虚拟现实技术实现钻井生产过程三维模拟仿真的理论与技术方法。采用三角网格优化算法解决场景中模型复杂度高、交互运行速度缓慢的问题。采用法线贴图代替平面贴图的方法，减小模型容量。应用Virtools软件进行交互设计，实现按照操作者的需要动态展示生产过程。整个系统操作简单，模拟效果逼真，运行速度快。该技术是对钻井地面设备进行三维可视化，无法实现井下钻井过程的仿真。
文献“钻井及井控模拟仿真平台构建”公开了:钻井及井控模拟仿真平台主要由仿真硬件系统和软件系统两大部分构成，可以进行钻进过程、井下复杂情况判断、破裂压力试验、井控操作程序(钻进、起下钻、空井等工况)及压井过程的模拟仿真。该平台的使用，不但可以激发学生学习的积极性，加深学生对钻井及井控理论知识的理解和掌握，还可以进行与钻井现场相似的模拟仿真操作，使学生身临其境，提升他们的钻井及井控工艺的基本技能，达到工程实践的目的，避免了因现场操作带来的危险等不安定因素，为学生毕业后尽快适应钻井现场工作打下坚实的基础。该技术是针对钻井技术培训，实现将特定的仿真场景动画固化到系统中，无法利用真实钻井(设计)数据驱动整个仿真过程，只能用于培训。
总之，现有技术要么是对钻井地面设备的仿真，要么是在软件中预先固化了特定的仿真场景动画，用于培训，无法基于钻井设计数据驱动，实现钻井井下状态及过程的仿真预演。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种用于施工方案预演优化的钻井井下虚拟仿真方法及系统，通过利用软件虚拟仿真技术，将地质环境、井筒结构及钻具、井下工况等静动态信息进行形象地三维表征，构建出在计算机上事先模拟钻井的仿真场景，同时通过内置计算模型实现实时风险识别、预警提示以及机械钻速预测、钻井周期预估等，实现在计算机上“预打井”的效果。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于施工方案预演优化的钻井井下虚拟仿真方法，包括：
步骤1，获取岩石属性数据体、井筒结构及施工参数；
步骤2，加载三维岩体属性数据体：读取所述岩石属性数据体，按照数据体自身格式进行解析备用；
步骤3，假设共有N套方案需要仿真对比，设定n＝0，n为钻井设计方案的序号；
步骤4，判断n<N是否成立，如果成立，则转入步骤5，否则转向步骤15；
步骤5，载入第n套钻井设计方案的数据；
步骤6，依据钻井设计方案中的轨道设计数据，从三维岩体属性数据体中抽取沿井筒的属性参数组，抽取的步长为井深1m间隔；
步骤7，按井深间隔，将钻井设计方案的数据以及抽取的岩石属性参数组合起来，每个井深点为一组，假设井深为H，则一共有H组数据；
步骤8，设数组序号h＝1；
步骤9，判断h≤H是否成立，如果成立，则转入步骤10，否则n＝n+1,然后转入步骤4；
步骤10，利用第1-h组数据进行钻井工程计算，包括：水力学计算、钻具摩阻扭矩计算、机械钻速计算；
步骤11，利用步骤7和步骤10的结果数据，计算深度h处的钻井风险数值，包括：井漏、井涌、坍塌、压差卡钻；
步骤12，在三维场景中，利用步骤2、步骤7、步骤10、步骤11的结果数据进行此刻井下状态的逼真可视化显示；
步骤13，将步骤2、步骤7、步骤10、步骤11的结果数据以及步骤12中截取的关键图形，形成仿真结果数据包并进行存储；
步骤14，设h＝h+1，转入步骤9；
步骤15，对上述N个方案的模拟结果数据包进行可视化。
所述步骤2中的自身格式采用SGY格式。
所述步骤13中的关键图形包括：井眼轨道图、井身结构图、钻具组合图；岩性剖面图、孔隙压力图、坍塌压力图、破裂压力图及水力计算结果的剖面图、钻井风险剖面图、机械钻速剖面图。
所述步骤15中的可视化包括对钻井设计方案的数据、钻井风险数值、机械钻速的可视化。
所述方法进一步包括：
步骤16，从N套方案中选出最优方案，将该最优方案输出。
所述最优方案为风险低而机械钻速高的方案。
一种实现上述方法的系统，包括：
系统初始化模块：设定模拟项目，启动系统；
岩石属性数据体读取模块：读取岩石属性数据体文件，并进行解析形成结构化数据；
钻井设计方案数据采集模块：录入或导入钻井设计方案数据，包括：井眼轨道、井身结构、钻具组合、钻井施工数据，所述钻井施工数据包括钻头、钻井液、钻井水力参数、钻井机械参数；
沿井筒的岩石属性获取模块：以钻井设计的井眼轨道数据为基础，以设定的深度间隔，从岩石属性数据中抽取每个深度点的一维岩石属性参数，或者手工录入该一维参数；
数据分组模块：将上述岩石属性、钻井设计方案数据按深度进行聚合，形成每个深度点一组数据的二维数组；
钻井工程计算接口模块：利用每一组数据分别计算出钻井工程计算参数，包括：井筒环空循环压力当量密度、钻具摩阻、扭矩和机械钻速；
钻井风险计算模块：利用每一组的岩石属性、钻井设计方案数据、钻井工程计算参数，计算每个深度点的钻井风险数值；
钻井三维仿真显示模块：在三维场景中对岩石体、井筒结构、钻具、井筒流体、风险进行动态显示，同时辅助以二维曲线对钻进过程中的关键参数进行表征，虚拟钻进的真实过程，所述关键参数包括岩性分层、井身结构、孔隙压力、坍塌压力、破裂压力及井筒环空循环压力当量密度
所述系统进一步包括：
钻井设计参数交互调整模块：用于在钻井仿真过程中对钻井设计方案数据中的某些参数进行调整，并将调整项更新到数据分组模块生成的所述数组中。
所述系统进一步包括：
仿真结果存储模块：将本次仿真所涉及的所有原始数据、计算数据统一存储到钻井仿真数据库；
仿真结果对比模块：如果存在多套方案，该模块将各方案的数据及仿真结果以图、表方式进行对比显示；
方案终选及输出模块：选择最优方案，并将该最优方案的设计数据及其仿真结果输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可用于钻井方案设计阶段，设计人员可以利用本系统和方法针对不同的设计方案进行仿真模拟对比优选，或者对关键参数边调整边模拟，使得整套设计方案在风险控制和钻井效率方面达到最优；本发明也可用于钻井施工队伍在施工前的仿真预演，从而使得参与施工的人员对整个施工过程以及关键环节、风险环节有个直观的认识和预判，提高应急预案的针对性，提高施工效率和安全性。
附图说明
图1本发明方法的步骤框图
图2本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明一种用于钻井方案预演仿真优化的虚拟仿真方法及系统，具体包括三维地质数据体可视化、三维空间的井筒实体仿真、井筒周缘岩石仿真、沿井筒的地质参数自动提取、钻井过程水力参数实时计算、钻井过程的风险预测、数据驱动的井筒实体动作仿真、数据驱动的井筒内流体仿真、数据驱动的岩石形态仿真、钻井过程中的风险提示、钻井机械钻速预测、钻井周期预测等方法，以及数据加载、三维可视化、二维曲线显示、交互调整、分布计算、数据驱动的仿真引擎等软件模块，构建出在计算机上事先模拟钻井的仿真场景，实现在计算机上“预打井”的效果。本发明利用钻井真实数据驱动仿真场景的展现，无需人为设定动画场景。
本发明所述仿真方法的步骤如图1所示：
步骤1，针对钻井方案预演仿真业务，梳理所需的岩石属性数据体(基于区域地震数据、多口井的测井解释数据进行岩石属性建模，形成属性数据体，具体构建方法可参照专利201510276067.2)、井筒结构及施工参数(通过数据读取或采集模块加载到系统中)、沿井筒的岩石属性参数、三维仿真显示素材(每种岩石类型的微观结构图像，通过岩心扫描得到)等各类数据需求，设计其数据结构及其相互关系，将所有数据有机组织起来；
步骤2，三维岩体属性数据体加载：读取岩石属性数据体，按照数据体自身格式(一般为SGY格式)进行解析备用；
步骤3，假设共有N套方案需要仿真对比，设定n＝0，n为钻井设计方案的序号；
步骤4，判定n<N？，为真，则转入步骤5，为假则转向步骤15；
步骤5，载入第n套钻井设计方案数据；
步骤6，依据钻井方案中的轨道设计数据，从三维岩体属性数据体中抽取沿井筒的属性参数组(包括但不限于岩性、孔隙度、渗透率、地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力、裂缝宽度、裂缝长度)，抽取的步长一般为井深1m间隔；
步骤7，按井深间隔，将钻井设计方案数据(如轨道数据、井身结构数据、钻具组合数据、钻头数据、钻井施工参数等)以及抽取的岩石属性参数组合起来，每个井深点为一组，假设井深为H，则一共有H组数据；
步骤8，设h＝1(h为数组序号)；
步骤9，判定h≤H？，为真则转入步骤10，为假则n＝n+1，然后转入步骤4；
步骤10，利用第1-h组数据计算钻井工程计算，包括水力学计算、钻具摩阻扭矩计算、机械钻速；
步骤11，利用步骤7和步骤10的结果数据，计算深度n处的钻井风险数值，包括井漏、井涌、坍塌、压差卡钻)，可以采用行业通用的计算方法，也可以采用专利申请201510163437.1、201510163640.9、201510166650.8、201510166570.2中的方法来计算；
步骤12，在三维场景中，利用步骤2、7、10、11的结果数据，调用实体仿真模型(岩石、管具、流体等)(在步骤1中得到的模型)，进行此刻井下状态的逼真可视化显示(结果输入到模型中仅仅提供了可视化所需的数据，可视化是在三维场景中将他们形象地虚拟表征出来，表征方法行业内常见，表现得越逼真流畅，越有身临其境的效果)，包括岩石仿真、井壁仿真、套管仿真、钻具及其动作仿真、钻井液及岩屑流动仿真、井壁坍塌等风险仿真等，为用户提供一个身临其境的钻井井下虚拟场景；
步骤13，步骤2、7、10、11的结果数据以及步骤12中截取的关键图形(①钻井设计方案的主要图件，即井眼轨道图、井身结构图、钻具组合图；②与风险预测、机械钻速预测紧密相关的参数剖面图及预测结果，即岩性剖面图、地层三压力及水力计算结果的剖面图、钻井风险剖面图、机械钻速剖面图)，自动形成(利用软件模块以相应的结构存入数据库，且均标记为方案n)仿真结果数据包进行存储；
步骤14，设h＝h+1，转入步骤9；
步骤15，对上述N个方案模拟结果数据包进行可视化(这里的可视化目的是让技术人员方便对多方案进行直观对比，方法是先从数据库中分别读取每套方案的数据包，然后按照数据分类在同一井深坐标轴下，横向排列每套方案的数据及图件)，包括钻井设计方案数据、钻井风险数值、机械钻速；
步骤16，利用智能算法或人工从N套方案中选出最优方案(方案最优的基本判别标准：风险低而机械钻速高，但也可以人工设定一些具体条件)、输出，结束。
步骤16为可选步骤。
本发明所述仿真软件系统如图2所示，包括：
系统初始化模块：设定模拟项目(设定要模拟的井号，如果有多种计算模型可供选择，则选定本次准备使用的计算模型)，启动系统；
岩石属性数据体读取模块：读取岩石属性数据体文件，并进行解析形成结构化数据；
钻井设计方案数据采集模块：录入或导入钻井设计方案数据，包括井眼轨道、井身结构、钻具组合，钻井施工数据(如钻头、钻井液、钻井水力参数、钻井机械参数等)；
沿井筒的岩石属性获取模块：以钻井设计的井眼轨道数据为基础，以一定的深度间隔，从岩石属性数据中抽取每个深度点的一维岩石属性参数(如岩性、孔隙度、渗透率、地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层破裂压力、裂缝宽度、裂缝长度等等)，或者手工录入该一维参数；
数据分组模块：将上述岩石属性、钻井设计方案数据按深度进行聚合，形成每个深度点一组数据的二维数组；
钻井设计参数交互调整模块：该模块为可选模块，在钻井仿真过程中如需对钻井设计方案数据中的某些参数进行调整，则利用该模块进行，并将调整项更新到数据分组模块所述数组中；
钻井工程计算接口模块：利用每一组数据，分别调用钻井水力计算、钻井摩阻扭矩计算、钻井机械钻速计算软件，计算出ECD(井筒环空循环压力当量密度)、钻具摩阻、扭矩、机械钻速等参数；
钻井风险计算模块：利用每一组的岩石属性、钻井工程设计参数、钻井工程计算参数(即钻井工程计算接口模块计算得到的ECD、钻具摩阻、扭矩、机械钻速)，计算每个深度点的钻井风险(井涌、井漏、坍塌、压差卡钻、断钻具)；
钻井三维仿真显示模块：在三维场景中对岩石体、井筒结构、钻具、井筒流体、风险进行逼真动态显示，同时辅助以二维曲线对钻进过程中的关键参数(岩性分层、井身结构、地层三压力及ECD)进行表征，虚拟钻进的真实过程；
仿真结果存储模块：将本次仿真所涉及的所有原始数据、计算数据统一存储到钻井仿真数据库；
仿真结果对比模块：如果存在多套方案，该模块将各方案的关键数据及仿真结果以图、表方式对比显示，便于技术人员直观优选其中最合适的方案；
方案终选及输出模块：利用智能化的优选算法或人工选定某套方案，系统自动将该方案设计数据及其仿真结果输出。
上述模块中，仿真结果存储模块、仿真结果对比模块和方案终选及输出模块为可选模块。
本发明的实施例如下：
实施例1：钻井设计人员已经完成了A井的工程设计初稿，该设计包含两套可选方案A-1和A-2,为了优选出一套方案(包括风险低、周期短、轨迹控制精度高等等)，组织相关专家，利用本系统进行方案对比论证，专家们可以根据自己的疑问对局部参数或全井参数进行钻井仿真，查看可能存在的风险、预测机械钻速等，最终优选一套方案。
实施例2：钻井设计人员在对疑难井B井的设计过程中，对某部分参数及局部设计没把握，为了使方案最优，组织相关专家，利用本系统进行方案论证优化，专家们可以根据自己的疑问对局部参数或全井参数进行钻井仿真，对不满意的参数进行修改后重新方针，查看可能存在的风险、预测机械钻速等，最终确定一套最优的参数组合，方案定稿。
实施例3：井C是一口疑难重点探井，该井的施工和监督队伍为了事先对全井的施工过程有个更准确地把握，训练施工人员，以做好更有针对性的预案、提高施工效率，组织所有团队成员，利用本系统在计算机上“预打井”一遍，使得各位成员对施工过程心中有数，确保顺利高效施工。
石油天然气钻井是一项地下隐蔽性工程，被喻为“入地比上天难”，在石油勘探中，钻井的花费达到50-70％，尤其是在复杂地质条件下钻复杂结构井、超深井、超大位移井和特殊工艺井和超越极限时，存在着大量非均质性、不确定性、非结构性、非数值化的难题，解决这些工程“黑箱”问题迫切需要信息技术、智能技术和当代高端科学技术，实现业界期盼的“看着地下打井”的愿景。为了尽量减少事故、提高钻井效率和成功率，预先在计算机上仿真打井成为了业界普遍认同的技术趋势，将有广泛应用。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。