CN104123406A - 一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现 - Google Patents

Abstract

本发明是一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，针对页岩气藏压裂施工，应用于石油工业领域。该仿真方法主要解决了现有条件下，页岩气压裂施工中3000型设备摆放问题。该仿真方法主要包括：a)针对3000型压裂设备，运用3D Studio Max完成设备三维模型，并与制定的设备摆放一般性原则经数据化后，一同作为仿真数据库；b)界面设计和函数关联的设定，包括压裂规模和井场条件参数输入与识别、压裂设备和摆放模式优选；c)MFC类向导与界面的选择，完成现场施工参数与数据库调用；d)利用计时器事件，完成3000型设备的动静态载入。实践表明该方法的实现具有一定的经济效益和明显的社会效益。

Description

一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现

技术领域

本发明涉及页岩气压裂开发领域，是一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现；尤其涉及的是该仿真方法在页岩气压裂施工3000型设备摆放中的实现，它适合于页岩气压裂现场设备摆放方案的快速决策。

背景技术

近几年，非常规油气藏在油气藏勘探与开发中处于越来越重要的地位。对于砂岩和碳酸岩等常规储层的压裂施工，其压裂规模较小，现场施工设备摆放可以根据丰富的现场经验进行。但是，随着页岩气、煤层气、超深层等非常规油气藏的勘探与开发，特别是对页岩气的开发，对压裂规模、设备数量以及由此导致的现场设备摆放形式等提出了新的要求。我国四川、鄂尔多斯、渤海湾、松辽、江汉、吐哈、塔里木和准噶尔等盆地均有页岩气成藏的地质条件，重点攻关开发区块位于四川盆地。四川页岩气开发区特有的山地丘陵地带的特点，使得井场可用面积受到制约，与页岩气藏大规模压裂开发所需要的多设备、大井场的特点相违背。所以，常规油气藏压裂施工设备摆放的经验已经在页岩等非常规油气藏中不能得到合理地运用，一套完善的设备摆放仿真方法及其实现对于高效开发页岩气藏至关重要。

本次发明是基于国家科技重大专项(2011ZX05048)的课题(2011ZX05048-11HZ)的研究工作，完成的“一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现”。

本次发明的一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法，具体基于最新3000型压裂车组在页岩气藏中的运用，以3D Studio Max软件作为设备模型建模平台，选用Visual C++6.0作为编程工具平台，结合Microsoft基础类库MFC与OpenGL图形图像处理技术，进行仿真动画处理。其步骤是：针对3000型压裂设备，运用3D Studio Max(简称3ds max)软件制作压裂设备三维模型；制定页岩气压裂施工摆放一般性原则，并将其与压裂设备三维模型基础资料作为数据库；界面设计和函数关联的设定，包括输入参数包括压裂规模参数和井场条件参数两大部分；MFC类向导与界面的选择，为每一个信息参数定义一个对应的变量，完成后可以在后台程序中查到对应的变量定义，包括各个压裂装备及井场的条件等参数；利用计时器事件，完成3000型压裂设备的动静态载入。

该仿真模拟方法的实现，有利于页岩气的高效开发，将对实现页岩气的商业化生产提供保障，产生良好的经济和社会效益，并具有能源战略性意义。且目的在于可以根据现场施工参数和井场情况，快速准确的确定3000型成套压裂装备施工摆放形式，满足高效、健康、安全、环保的要求，对提高成套装备利用效率利大型及超高压力储层压裂酸化施工成功率具有重要的意义。

发明内容

本发明涉及一种能够快速准确地确定3000型成套压裂装备施工摆放形式，满足高效、健康、安全、环保的要求的页岩气藏压裂施工设备摆放仿真方法及实现。

本发明的技术支持，用到以下三个方面。一是建模技术，主要为仿真提供设备模型元素；二是图形图像处理技术，用来实现模型元素的控制和仿真动画的制作；三是主体的开发语言，提供主流的开发语言作为仿真系统的基础语言平台。

本发明采用3D Studio Max(简称3ds max)软件作为设备模型的建模平台，完成基本数据库的设定；选用Visual C++6.0作为编程工具平台；结合Microsoft基础类库MFC与OpenGL图形图像处理技术，进行图形图像及仿真动画处理。

本发明仿真方法设计四个模块：参数输入模块、规范参照模块、设备选择模块和图形图像处理模块：(1)参数输入模块主要设计为压裂规模参数和井场条件参数的输入功能模块，是界面模块之一。(2)设备选择模块设计为显示自动选择设备组合与手动修改设备组合的功能模块，也是界面模块之一，在确认压裂规模参数和井场条件参数之后被调用显示自动选择设备组合信息。(3)图形图像处理模块是仿真系统的核心模块，主要包括设备三维模型载入、设备模型安置、设备模型入场动画处理三大功能模块。在设备组合信息确认之后被联合调用，实现压裂现场摆放过程的仿真动画处理。(4)规范参照模块是为其它三个模块提供设置依据的导向性模块。其中设备参数和设备选择要求将参数输入模块与设备选择模块连接，实现不同工况条件下的设备选择方案。设备参数和设备摆放规范决定了图形图像处理模块中的设备模型安置及设备模型的占地与间距。

本发明页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法的思路具体包括：

(1)条件输入模块

1、建立一个窗体作为条件输入界面构架。将窗体划分为4个区域，分别是压裂规模参数输入区域、井场条件输入区域、事件按钮区域以及安全距离输入区域。其中井场条件区域义分为矩形井场和椭圆(圆)井场两种不同典型井场形状的选择。对需要输入的参数，创建参数名标签、输入文本框和单位标签。对于需要选择的参数，创建参数名标签和一系列的单选选项。事件按钮只有一个，连接后台的处理程序。

2、通过MFC的类向导，为每一个界面参数定义一个对应的变量，完成后可以在后台程序中查到对应的变量定义。这些变量将用来进行界面参数的存储、计算以及传输。

3、创建事件按钮“确认”，点击该按钮将触发后台函数的响应。在后台程序中将实现对界面传入参数的存储、计算和传递。

(2)设备选择模块

I、创建一个窗体作为车辆选择界面构架。将窗体划分为两个区域，一个是压裂设备选择信息区域，另一个是事件按钮区域。对压裂需要的设备的型号、数量等信息参数创建相应的参数名标签和输入文本框。事件按钮包括“修改”和“确认”两个按钮，分别同后台不同的事件响应程序连接进行信息处理。

2、通过MFC类向导，为每一个信息参数定义一个对应的变量，完成后可以在后台程序中查到对应的变量定义。这些变量将用来进行界面参数的存储、计算以及传输。

3、创建事件按钮“修改”和“确认”。其中“修改”按钮控制设备信息参数在界面的可编辑状态。设备选择界面初次调用时，界面上的信息参数文本框均为灰色显示，表明不可编辑。点击“修改”按钮可更改其状态为可编辑。点击“确认”按钮触发后台程序，将信息参数变量传入后续模块使用。

(3)图形图像处理模块

1、根据条件输入界面传输过来的井场条件参数确定压裂设备摆放区域的位置。这里涉及的两个因素：井场风向和井场入口位置。其中，井场风向占据主导地位，是主要影响因素；井场入口位置为次要影响因素。在压裂设备摆放仿真方法及其实现中，井场入口位置主要是作为压裂车辆进入井场的一个起始位置，选择合适的设备摆放区域可以有效减少压裂车辆进场时间即减少压裂设备准备时间，从经济角度考虑可以节约压裂成本，同时缩短到井场入口的距离有利于应对突发事件。

2、对应不同的区域划分方案，进行各个设备的坐标设定。定义存储各个设备摆放坐标的数组。在最初的构造函数里已经有了压裂施工所需所有设备的存储数组声明，数组空间大小未定，为动态存储数组。接收设备选择界面传输过来的设备数量后，在设备初始化函数里对已经声明的设备存储数组进行再定义生成同定空间大小的存储数组。该数组将贯穿在整个图形图像处理过程中，作为设备摆放坐标数据提供数据库。将车辆设备坐标的存储数组整合存入统一的一个数组，方便后面的动画编程中的坐标读取。静态场景设备的坐标仍然存储在各自的数组中。

3、依据井场大小的不同，进行视点坐标的设定。设计将视点定在井场右下角点的位置，视角设定为90度即视平线上下各45度观察角度，并且设定视点离地高度为2.5m。以此可以保证将整个井场纳入视野并且使各个设备可以呈现三维立体的展现以增强真实感。

4、井场设备摆放及车辆入场动画的仿真模拟显示。

①载入静态设备按照各自的摆放坐标显示在界面上，包括井场模型、井口模型、砂罐模型、缓冲罐模型和水池模型。这些都属于静态场景。

②载入动态设备，包括压裂泵车模型、管汇车模型、混砂车模型、配液车模型和仪表车模型。这些车辆模型从井场入口位置以动画形式按照一定路径移动到各自在井场的摆放坐标位置。以上过程中设备位移的变化控制在计时器事件当中。第一步，设定车辆模型的初始位置坐标在井场入口处；第二步，在每一次计时器事件触发时(间隔1ms)，车辆模型的当前坐标在上一次位置坐标的基础上x坐标增加/减少0.1个坐标单位或者y坐标增加/减少0.1个坐标单位，其中由移动路径决定是x坐标还是y坐标增减；第三步，在上一个车辆模型抵达其摆放坐标位置后，进行下一个车辆模型的移动。每个车辆模型从井场入口到指定位置的移动过程都是循环以上三步完成；第四步，完成移动的车辆设备，此时转为静态设备，在其他车辆移动入场时作为静态场景一直出现在屏幕界面中。

③当所有车辆模型全部移动到各自的摆放坐标位置时，整个井场摆放动画模拟结束。此时，结束计时器事件，所有设备呈现为静态场景。

5、需要重新输入或者更改条件并重新模拟时，从交互界面条件输入进行新一轮的操作，在触发动画模拟后台程序后，又将进行以上1到4步的仿真模拟过程，形成新的井场设备摆放方案演示图。

(4)规范参照模块

该模块是为其它三个模块提供设置依据的导向性模块。设备参数和设备摆放规范决定了图形图像处理模块中的设备模型安置及设备模型的占地与间距。

本发明具体功能：

(1)参数输入模块

1、施工压力、施工排量和施工时长三个压裂规模参数用来确定压裂泵车的数量，确定方法参照上章压裂泵车数量选择。确定压裂泵车数量后，接着确定管汇车的数量，3000型压裂车组中使用的是SGH140型管汇车，可配用8台压裂泵车。混砂车使用的是SHS20型混砂车，最大排量为20m³/min，混砂车数量选择，通常采用2台混砂车并联工作。压裂液用量作为确定液罐数量或者储水池大小的参考值。支撑剂用量作为砂罐选择的参考值。

2、井场的长度和宽度，井口在井场的位置用来确定整个设备摆放区域的划分。

3、不同井场形状的选择，此处优选现场最常见的矩形与椭圆形井场。

4、安全距离的设定，内置标准安全距离，包括车辆之间的安全距离、井口周围的最小安全距离，高压管汇到达压裂车的距离等，其界面初始化显示即为本专题根据管汇连接和相关调研设定的标准距离。

5、压裂车组的选择，通过一般情况下，常用可供选择的2000、2500型压裂车组，将增大软件的实际功能，并有利于对设备的对比和优选，为已知井场条件下的压裂设备的选择提供重要的依据。

6、增添“最大可供匹配压裂泵车数”选项，并自动默认为100。其目的是在于当已经选择所需压裂车组型号后，可提供该型号压裂车数目。当施工所需压裂泵车数大于最大可供该车型车数时，本仿真系统将自动将后续车辆和相关计算更改为其下一级别压裂车。

7、条件输入模块与图形图像处理模块建立函数关联，将参数信息传递给后台，进行图形图像以及动画的处理。

(2)设备选择模块

1、设备选择界面显示的压裂设备信息来源有两个部分。一部分是设备型号、容量等信息，这部分信息是参考3000型压裂设备的设备信息。另一部分是设备数量信息，这部分信息是通过条件输入界面的后台程序对其接收的参数进行计算处理后得到的。设备选择界面在这里主要完成的是接收、显示和传输的功能。

2、本部分差额压裂车数目的给定将为在井场大小不匹配的情况下给出超额数目，为现场后续处理提供判断依据。

3、设备选择界面主要是确认或调整压裂设备信息。在没有修改意愿的情况下点击“确认”按钮或者在修改完成后点击“确认”按钮。将触发后台的响应程序，将相应压裂设备的选择数量传递给图形图像处理模块，是界面模块利后台图形图像处理模块的连接点。

(3)图形图像处理模块

1、根据条件输入界面传输过来的井场条件参数确定压裂设备摆放区域的位置

2、对应不同的区域划分方案，进行各个设备的坐标设定。

(4)规范参照模块

本模块只做技术支持，及数据库中数据。通过科学严谨的调研和现场试验以及相应计算判断，得到最匹配放置区域最大设备摆放情况，如下表：

表1

本发明的优点：

(I)该仿真方法及其实现，集成3Dmax、VC++、Microsoft基础类库MFC与OpenGL相关技术，实现运用于页岩气压裂施工3000型设备摆放的仿真方法的确定利实现。

(2)针对页岩气等致密油气，结合3000型压裂设备，该仿真方法及其实现，完整的以动画的形式模实现了在不同的井场条件以及压裂规模(施工参数)条件下的压裂设备的摆放设定和形式。现场试验表明该仿真软件在压裂施工现场的快速、简单、合理、准确性，且满足高效、健康、安全、环保的要求，对提高成套装备利用效率和页岩气压裂施工成功率具有重要的意义。

(3)该仿真方法及其实现，解决我国页岩气高效开发的主要问题之一，不但具有经济效益，而且具有明显的社会效益。

附图说明

图1是本发明井场摆放形式示意图。

图2是本发明仿真方法整体实现流程图。

图3是本发明仿真方法及实现条件输入模块流程图。

图4是本发明仿真方法及实现设备选择模块流程图。

图5是本发明仿真方法及实现中图形动画处理流程图。

图6是本发明仿真方法及实现中根据国内某口页岩气压裂井相关参数实践效果图。

具体实施方式

本发明一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现的具体步骤包括：

(1)利用3ds max2010软件，结合3000型压裂设备几何参数和形状参数，建立设备3维模型，并利用通过3D Exploration软件转换为Visual C++可识别的.cpp文件。该.cpp文件中主要包含两部分内容，一部分为模型文件；另一部分为模型读取函数。

(2)设定页岩气压裂3000型设备摆放形式一般性原理，即规范参照模块，结合设备3维一并成为该仿真方法的主要数据库基础。

(3)联合Visual C++和OpenGL共同建立的一个通用基础框架程序，在其基础上开发各种图形图像处理功能。首先，需要在Visual C++6.0中新建一个工程，在新建对话框中选定工程类别为MFCAppWizard(exe)，键入工程名和目录地址，其他选取默认进入应用程序向导。然后进行OpenGL的初始设置。先要完成OpenGL基础库的设置。在程序的头文件中添加OpenGL头文件的引用，引入“g1.h”和“glu.h”头文件。点击Project(工程)→Settings(设置)打开Project Settings对话框，选择Link(连接)页面，添加两个OpenGL库文件(OpenGL32.lib glu32.lib)到Object/Library modules(对象/库模块)。之后按照程序需要添加变量和函数，并且设置像素格式，特别是双缓存项的设置，这是保证动画效果流畅的必要设置。最后，将仿真软件需要的各种设备模型导出编制成为程序的头文件，作为仿真过程中可以直接引用使用的代码形式。并且，在主体程序中添加相应的模型读取函数，将模型和动画显示连接起来，确保整个仿真过程可以顺利实现。

(4)建立一个窗体作为条件输入界面构架。将窗体划分为4个区域，分别是压裂规模参数输入区域、井场条件输入区域、事件按钮区域以及安全距离输入区域。对需要输入的参数，创建参数名标签、输入文本框和单位标签。对于需要选择的参数，创建参数名标签和一系列的单选选项。事件按钮只有一个，连接后台的处理程序。此步骤完成条件输入模块的建立，见图3。

(5)创建一个窗体作为车辆选择界面构架。将窗体划分为两个区域，一个是压裂设备选择信息区域，另一个是事件按钮区域。对压裂需要的设备的型号、数量等信息参数创建相应的参数名标签和输入文本框。事件按钮包括“修改”和“确认”两个按钮，分别同后台不同的事件响应程序连接进行信息处理。此过程完成设备选择模块的建立，见图4。

(6)载入静态设备按照各自的摆放坐标显示在界面上，包括井场模型、井口模型、砂罐模型、缓冲罐模型利水池模型。这些都属于静态场景。载入动态设备，包括压裂泵车模型、管汇车模型、混砂车模型、配液车模型和仪表车模型。这些车辆模型从井场入口位置以动画形式按照一定路径移动到各自在井场的摆放坐标位置。以上过程中设备位移的变化控制在计时器事件当中。第一步，设定车辆模型的初始位置坐标在井场入口处；第二步，在每一次计时器事件触发时(间隔1ms)，车辆模型的当前坐标在上一次位置坐标的基础上x坐标增加/减少0.1个坐标单位或者y坐标增加/减少0.1个坐标单位，其中由移动路径决定是x坐标还是y坐标增减；第三步，在上一个车辆模型抵达其摆放坐标位置后，进行下一个车辆模型的移动。每个车辆模型从井场入口到指定位置的移动过程都是循环以上三步完成；第四步，完成移动的车辆设备，此时转为静态设备，在其他车辆移动入场时作为静态场景一直出现在屏幕界面中。此步骤完成图形图像处理模块的建立，见图5。

(7)基于本发明，可以完成以下工作。

按照表中的国内某口页岩气压裂井井场及压裂参数，利用本发明，即一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，可得到3000型设备摆放模式仿真结果。

表2压裂规模

得到在该压裂规模下：共动用3000型压裂泵车15台，混砂车1台，管汇车2台，配液车1台，仪表车1台，立式砂罐1个，储液罐27个，酸罐6个，建议水池2500方，最终优化摆放形式结果见图6。

Claims (5)

1.一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，其特征在于：以3000型成套压裂设备为基础，针对其在页岩气压裂施工中的运用，涉及三个主要方面的技术支持，一是建模技术，主要为仿真提供设备模型元素；二是图形图像处理技术，用来实现模型元素的控制和仿真动画的制作；三是主体的开发语言，提供主流的开发语言作为仿真系统的基础语言平台。

针对3000型压裂设备在页岩气压裂施工中的运用，采用3D Studio Max(简称3ds max)软件作为3000型压裂设备模型的建模平台：选用Visual C++6.0作为编程工具平台；结合Microsoft基础类库MFC与OpenGL图形图像处理技术，进行图形图像及仿真动画处理。

2.根据权利要求1所述的一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，其特征在于：以3000型成套压裂设备为基础，包括参数输入模块、规范参照模块、设备选择模块和图形图像处理模块。

参数输入模块主要设计为页岩气压裂规模参数和井场条件参数的输入功能模块，是界面模块之一；设备选择模块设计为显示自动选择设备组合与手动修改设备组合的功能模块，也是界面模块之一，在确认压裂规模参数和井场条件参数之后被调用显示自动选择设备组合信息；图形图像处理模块是仿真系统的核心模块，主要包括设备3000型成套压裂设备三维模型载入、设备模型安置、设备模型入场动画处理三大功能模块。在设备组合信息确认之后被联合调用，实现压裂现场摆放过程的仿真动画处理；规范参照模块是为其它三个模块提供设置依据的导向性模块。其中设备参数和设备选择要求将参数输入模块与设备选择模块连接，实现不同工况条件下的设备选择方案。设备参数和设备摆放规范决定了图形图像处理模块中的设备模型安置及设备模型的占地与间距。

3.根据权利要求1所述的一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，其特点在于：以3000型成套压裂设备性能与形状参数及页岩气压裂井场条件为基础，完成外部数据的接收、传递和处理。接收外部压裂规模参数和压裂井场条件参数，传输到后台处理函数中，结合3000型压裂设备的参数处理计算，最终得到针对该井场的该次压裂所需的设备类型及其数量。

4.根据权利要求1所述的一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，其特征在于：针对页岩气藏与3000型压裂设备，制定3000型设备的摆放一般性原则，并与设备三维模型数据一同作为仿真系统的数据库基础，实现页岩气压裂施工设备摆放的仿真模拟。

5.根据权利要求1所述的一种页岩气压裂施工3000型设备摆放仿真方法及实现，其特点在于：3000型压裂设备摆放场景的载入。将压裂设备在计时器事件中实现动静态设备的输入及转换。实现在不同工况及井场条件下，页岩气压裂施工现场设备摆放形式的仿真模拟。