Анализ и обработка геолого-технологической информации средствами виртуальной реальности

Авторы: О.Ю. Динариев, Н.В. Евсеев, Е.И. Храпова (ООО "Сервис-нафта"),

На современном этапе информационного обеспечения разработки нефтяных и газонефтяных месторождений актуально создание постоянно-действующих геолого-технологических моделей (ПДГТМ). Процедура построения ПДГТМ, предусмотренная Регламентом по созданию постоянно-действующих геолого-технологических моделей месторождений, включает использование средств визуализации геологической и технологической информации во всем ее объеме (3D) и с учетом изменения во времени (4D).

Разработчики большинства современных графических программных приложе-ний для визуализации геолого-геофизической информации пошли по пути автоматизации функций человека-чертежника с помощью компьютера. Это визуализация посред-ством построения геологических карт и профилей, а также визуализация посредством проектирования трехмерной модели объекта на плоскость, с возможностью выводить отдельные сечения этой модели. Такой подход является этапом естественного развития средств визуализации и, безусловно, неоценимым шагом вперед по сравнению с рисо-ванием карт и сечений вручную. Однако, современный уровень развития аппаратных и программных средств вычислительной техники открывает новые потенциальные воз-можности в области компьютерной графики, которые, к сожалению, пока что не нашли своего полноценного применения в визуализации нефтяных и газонефтяных месторождений.

Современные быстродействующие компьютеры с тактовой частой процессора 500 и более Мгц, с объемами оперативной памяти более 100 Мб, оснащенные самыми последними аппаратными ускорителями трехмерной графики, позволяющие в реаль-ном времени перерисовывать изображение, подобно тому как это делает кинопроектор на экране кинозала, способны уже сегодня реально воплотить в жизнь самые смелые фантазии людей о так называемой виртуальной реальности, еще совсем недавно не покидавшей пределов страниц научно-фантастических произведений. Использование виртуальной реальности позволяет воссоздать исследуемый объект с любой требуемой степенью детализации и предоставляет человеку возможность видеть этот объект в том виде, в каком он привык видеть окружающей мир. Это раскрывает поистине неограниченные возможности в исследованиях. Если бы закладываемая в компьютер информация об изучаемом объекте (месторождении) была абсолютно достоверной, то те возможности, которые предоставляет исследователю виртуальная реальность, были бы сравнимы разве что с теми, которые исследователь имел бы, если бы он лично спус-титься на глубину в 2 км и "прогулялся" по месторождению.

Впервые идея виртуальной реальности нашла свое применение при создании ряда нашумевших игровых программ, наиболее типичными представителями которых явились Doom, Quake, Hexen, Unreal и ряд других. Практически одновременно виртуальная реальность начала завоевывать свое место и в других областях человеческой деятельности, в том числе в технике. В армии США будущие пилоты военных самоле-тов обучаются на тренажерах, являющихся симуляторами не только обстановки кабины, но и реального полета, реальных боевых действий. На голову пилота надевается шлем, в котором он с помощью специально приспособленных средств видит смоделированные программой условия полета. Программа реагирует на действия пилота, адекватно отображая меняющуюся в соответствии с ними обстановку. Таким образом, у пилота создается неотличимое от реального впечатление полета и участия в нем. Существуют программы тренировки танкистов, работающие по аналогичному принципу.

Помимо этого, появляется все больше программ так называемых виртуальных путешествий. В этих программах нашли свое отражение наиболее часто посещаемые туристами места нашей планеты. На экране компьютера перед человеком (виртуальным путешественником) разворачивается та картина, которую он увидел бы, если бы лично находился на месте путешествия. Однако, в отличие от художественного или документального фильма, виртуальный путешественник сам является "участником" и "режиссером" своего путешествия. Он сам выбирает куда ему пойти, а не просто следует взглядом за режиссерской камерой. С точки зрения программной реализации, обычно это достигается путем использования так называемых навигационных клавиш компьютера, т.е. стрелок, либо мыши. С помощью них человек управляет собственным перемещением по просторам виртуального мира.

В настоящее время виртуальная реальность является магистральным направлением в компьютерной графике, применяемым в самых различных областях науки и техники.

Компания ООО "Сервис-нафта" впервые применила и реализовала идею наблюдателя, исследующего виртуальное пространство с помещенными в него объектами, для визуализации нефтяных месторождений. Отделом математического моделирования компании была разработана методика, и на ее основе создана программа визуализации геолого-геофизической информации в режиме виртуальной реальности "VR-Geo". При создании программы учитывались новейшие достижения в области разработки и создания программного обеспечения. Программа использует современные ап-паратные средства, включающие аппаратную поддержку известного графического стандарта OpenGL. Существует версия программы, использующая для изображения графики стандартные средства Windows и собственную графическую библиотеку. Функционируя в среде Windows 95/98/NT, программа удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным программным продуктам.

Остановимся подробнее на сути предлагаемого подхода визуализации, применительно к визуализации нефтяных и газонефтяных месторождений.

Основными понятиями виртуальной реальности, необходимыми для понимания принципа визуализации, являются понятия объекта, объектного пространства и наблюдателя.

Объект физически представляет собой некоторый участок месторождения, подлежащий визуализации. В программу он загружается в виде совокупности конечного числа ячеек.

В реальном месторождении объект со всех сторон окружен соприкасающимися с ним породами. В виртуальной реальности программы объект рассматривается в отрыве от этих пород, т.е. предполагается, что он не окружен ничем (находится в неограниченной пустоте). Используя терминологию программы объект помещается в объектное пространство.

Наблюдатель это некоторый воображаемый человек (исследователь, Вы), который считается также помещенным в объектное пространство. Он может произвольным образом перемещаться в нем, облетать объект со всех сторон и даже "залезать" внутрь. При этом на экране компьютера отображается та картина, которую в данный момент видит наблюдатель.

Таким образом, программа имитирует присутствие наблюдателя в объектном пространстве и предоставляет ему возможность изучать объект как со стороны, так и изнутри. Наблюдатель может удалиться от объекта и обойти его с любой стороны - тогда он увидит его в целом. Также он может подлететь к объекту вплотную и зайти внутрь. При этом все ячейки, расположенные в некоторой непосредственной близости от наблюдателя вырезаются, что и предоставляет ему возможность видеть внутреннюю структуру объекта. Это подобно тому, как крот, вгрызаясь в землю, выбрасывает окружающую породу, что позволяет ему продвигаться вглубь, с той лишь разницей, что в нашем случае, когда наблюдатель выйдет из объекта все вынутые ячейки вернутся на прежнее место.

На приведенных рисунках демонстрируются несколько изображений различных объектов, построенных с помощью программы "VR-Geo".

Кровля месторождения, видимая наблюдателем из некоторой точки над объектом. Отчетливо различимы особенности рельефа кровли.

Демонстрация внутренности объекта - такой наблюдатель ее увидит, если он войдет внутрь месторождения. На рисунке показано распределение запасов в объеме резервуара. Красному цвету соответствуют большие запасы, желтому меньшие, и так далее до фиолетового. Таким образом, продвигаясь по объекту, наблюдатель может легко проанализировать особенности распределения запасов в объеме резервуара, выявить целики.

Призабойная зона скважины с вырезанным сегментом, видимая со стороны.

Предлагаемая разработчиками методика визуализации геологической информации на основе виртуальной реальности имеет ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными методами визуализации с помощью построения геологических карт или проекций на плоскость трехмерных моделей, непосредственно вытекающих из специфики подхода. При этом виртуальная реальность интегрирует в себя все упомянутые традиционные средства визуализации.

Исследователь может с произвольной степенью разрешения изучить любой отдельный участок месторождения, независимо от его размеров, конфигурации и положения в объекте. Это позволяет выявить локальные особенности объекта, которые не могут быть обнаружены с помощью карт или традиционных средств трехмерной визуализации. Путешествуя по объекту в виртуальной реальности, исследователь может лучше "почувствовать" объект, точнее понять его структуру и конфигурацию.

Виртуальная реальность позволяет проводить детальный анализ распределения свойств в объеме резервуара, выявлять целики нефти. Это дает возможность проводить эффективное планирование дальнейшего процесса разработки месторождения. Даваемая виртуальной реальностью возможность проведения детальных исследований особенностей строения резервуара, позволяет проводить адекватное планирование гидроразрыва пласта.

Следуя регламенту по созданию ПДГТМ и стремясь получить полноценное средство по созданию и ведению ПДГТМ, разработчики программы "VR-Geo" наряду с визуализацией включили нее средства гидродинамического моделирования, адаптации модели и формирования отчетной документации.

Структурно программа состоит из нескольких подсистем:

  • подсистемы управления прикладными задачами (УПЗ),
  • подсистемы ввода исходных данных (ВИД),
  • подсистемы визуализации в режиме виртуальной реальности (ВВР),
  • подсистемы управления базой данных промысловой информации (УБДПИ),
  • подсистемы математического моделирования и адаптации (ММА), подсистемы построения геологических карт (ПГК).

Подсистема УПЗ предназначена для организации работы пользователя с программой. Она позволяет вызывать другие подсистемы программы, менять параметры этих подсистем.

Подсистема ВИД предназначена для создания рабочего проекта программы, содержащего всю необходимую информации о месторождении, необходимую для визуализации, математического моделирования и адаптации модели. Она включает в себя средства загрузки исходных данных пользователя и преобразования их в формат программы с целью включения в проект.

Подсистема ВВР предназначена для визуализации в режиме виртуальной реальности геолого-геофизической информации, загруженной в проект. В качестве визуализируемых объектов могут выступать:

  • поля различных параметров (2D);
  • поля динамических параметров с учетом изменений во времени (3D);
  • трехмерные модели объектов (3D);
  • трехмерные модели объектов с учетом изменений во времени (4D);

Подсистема УБДПИ предназначена для загрузки, хранения, визуализации и редактирования промысловой информации по отдельным скважинам. Она позволяет:

  • загружать данные пользователя и преобразовывать их в формат базы данных
  • выполнять запросы по различным промысловым параметрам и отображать их в виде графиков
  • редактировать графики промысловых параметров с занесением изменений в базу данных

Подсистема ММА позволяет:

  • осуществлять интерполяцию требуемого параметра по значениям в заданных точках (на скважинах) методом весовых функций, позволяющим минимизировать нежелательные дефекты интерполяции, такие как резкие пики и впадины
  • проводить гидродинамическое моделирование по фильтрационной модели месторождения
  • с помощью подсистемы УБДПИ сравнивать расчетные промысловые показатели с фактическими и проводить адаптацию модели

Подсистема ПГК позволяет строить карты различных параметров, как в изолиниях, так и в сплошном цвете, отображать на них расположение скважин, используемую цветовую палитру, диапазон изменения параметра, текстовые комментарии. Построенная карта может быть выведена в файл графического формата, пригодный для вставки в отчет и печати.

Таким образом, программа "VR-Geo" предназначена для использования на рабочих местах пользователей — геологов и разработчиков нефтяных и газонефтяных месторождений, сотрудников научно-исследовательских и проектных организаций нефтедобывающей отрасли - для решения задач оперативного геолого-промыслового анализа месторождений, создания и ведения ПДГТМ с использованием средств визуализации геолого-геофизической информации на базе принципиально нового подхода - виртуальной реальности.