鉆井工程集成設(shè)計體系研究與開發(fā)

1、鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā) 劉志坤1,2 李琪1,2 張冰2 王六鵬2（1.中國石油大學(xué)石油工程教育部重點實驗室,北京102249; 2.西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院,陜西 西安710065）摘要：針對目前國內(nèi)鉆井設(shè)計的研究現(xiàn)狀，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鉆井工程設(shè)計的特點，提出在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。運用計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在統(tǒng)一的軟硬件平臺上構(gòu)建集設(shè)計依據(jù)、數(shù)據(jù)支撐、鉆井工程設(shè)計、固井設(shè)計、鉆井液設(shè)計和設(shè)計結(jié)果管理于一體的鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)，并基于VS2008和Oracle9i對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。詳細介紹了系統(tǒng)的功能和主要特點。本系統(tǒng)的應(yīng)用，使多個鉆井工程設(shè)計人員或分布在不

2、同地區(qū)的設(shè)計人員，在與地質(zhì)設(shè)計和鉆井工程實鉆過程充分信息共享的基礎(chǔ)上，按照一定的規(guī)范和流程進行協(xié)同設(shè)計成為現(xiàn)實。關(guān)鍵詞:鉆井工程；集成設(shè)計；協(xié)同設(shè)計；信息共享；網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)一、引言鉆井工程設(shè)計是完成地質(zhì)鉆探目的、開發(fā)油氣層、保證鉆井工程質(zhì)量并實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高速和經(jīng)濟鉆井的重要程序，其科學(xué)性、先進性關(guān)系到一口井鉆井工程和完井工程的成敗和效益?？茖W(xué)鉆井水平的提高，在一定程度上依靠鉆井設(shè)計水平的提高。隨著石油勘探開發(fā)進程的不斷推進，對鉆井的工藝要求越來越高，鉆井技術(shù)也因此在不斷進步，諸如欠平衡鉆井、水平井、分支井等特殊鉆井工藝的出現(xiàn)對計算機輔助鉆井設(shè)計的科學(xué)性、先進性、針對性和精確性都提出了更高的要

3、求。目前國內(nèi)各大油田應(yīng)用的設(shè)計軟件主要是LandMark的EDM平臺上的COMPASS和WellPlan以及有針對性的一些單項設(shè)計軟件，這些軟件隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展和計算機技術(shù)的進步以及語言的不同，逐漸表現(xiàn)出不能滿足新技術(shù)下鉆井設(shè)計的需要，缺乏在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下充分考慮地質(zhì)設(shè)計、鉆井工程設(shè)計和鉆井實鉆過程信息共享的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)地質(zhì)、油藏、和鉆井多領(lǐng)域設(shè)計人員或分布在不同地區(qū)的設(shè)計人員按照一定的規(guī)范和流程進行協(xié)同設(shè)計的集成設(shè)計系統(tǒng)。針對這一實際情況，筆者所在課題組在自1992年以來一直致力于鉆井信息集成應(yīng)用和基于網(wǎng)絡(luò)的決策支持及輔助設(shè)計研究的技術(shù)沉淀基礎(chǔ)上，提出利用計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在統(tǒng)一的軟

4、硬件平臺上構(gòu)建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的集設(shè)計依據(jù)、數(shù)據(jù)支撐、鉆井工程設(shè)計、固井設(shè)計、鉆井液設(shè)計和設(shè)計結(jié)果管理于一體的鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)。并利用VS2008和Oracle9i對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，使多個鉆井工程設(shè)計人員或分布在不同地區(qū)的設(shè)計人員在信息共享的基礎(chǔ)上進行協(xié)同設(shè)計成為現(xiàn)實。二、系統(tǒng)總體設(shè)計1.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)以Internet/Intranet為平臺，其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計分三層：應(yīng)用層、控制層和數(shù)據(jù)層（如圖1所示）。圖1 鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)用層：主要為鉆井工程設(shè)計人員提供各設(shè)計任務(wù)的協(xié)作環(huán)境，包括項目管理、工程設(shè)計、鉆井液設(shè)計、固井設(shè)計、設(shè)計書生成和系統(tǒng)維護六項功能。各個功能模塊的有機結(jié)

5、合能夠?qū)崿F(xiàn)鉆井工程的協(xié)同設(shè)計。（1）項目管理：針對設(shè)計負責(zé)人的主要職責(zé)，提供設(shè)計負責(zé)人對整個設(shè)計過程的任務(wù)分配和實時監(jiān)管功能。并將分配結(jié)果通過控制層的協(xié)同管理將各個設(shè)計角色的任務(wù)和要求存儲到設(shè)計數(shù)據(jù)庫中。（2）工程設(shè)計：提供鉆井工程設(shè)計任務(wù)（包括井眼軌道設(shè)計、水力參數(shù)計算、套管強度校核等）的設(shè)計模型、設(shè)計方法及其它設(shè)計服務(wù)功能。接收由設(shè)計人員通過人機交互提供的設(shè)計信息，執(zhí)行具體的設(shè)計任務(wù)，并將最終設(shè)計結(jié)果通過控制層的協(xié)同管理和通信控制存儲到數(shù)據(jù)庫并提供給其它相關(guān)設(shè)計人員。（3）鉆井液設(shè)計：針對鉆井液設(shè)計中有關(guān)鉆井液配方和性能設(shè)計、鉆井液管理要求和材料統(tǒng)計等設(shè)計任務(wù)提供相應(yīng)的計算模型和設(shè)計方法，

6、接收由設(shè)計人員通過人機交互提供的設(shè)計信息，執(zhí)行具體的設(shè)計任務(wù)，并將最終設(shè)計結(jié)果通過控制層的協(xié)同管理和通信控制存儲到數(shù)據(jù)庫并提供給其它相關(guān)設(shè)計人員。（4）固井設(shè)計：針對固井設(shè)計中有關(guān)套管強度校核、水泥漿設(shè)計和前置液設(shè)計等設(shè)計任務(wù)提供相應(yīng)的計算模型和設(shè)計方法，接收由設(shè)計人員通過人機交互提供的設(shè)計信息，執(zhí)行具體的設(shè)計任務(wù)，并將最終設(shè)計結(jié)果通過控制層的協(xié)同管理和通信控制存儲到數(shù)據(jù)庫并提供給其它相關(guān)設(shè)計人員。（5）設(shè)計書：主要是根據(jù)不同設(shè)計人員設(shè)計的結(jié)果，按照不同井型對應(yīng)不同標準格式的要求自動生成鉆井工程設(shè)計書，并將設(shè)計書以二進制的形式通過控制層存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便用戶的管理和查詢。（6）系統(tǒng)維護：主要

7、負責(zé)系統(tǒng)用戶的管理、設(shè)計人員信息的管理、數(shù)據(jù)的備份與恢復(fù)、系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置等功能?？刂茖樱菏窍到y(tǒng)的核心，負責(zé)對整個協(xié)同鉆井設(shè)計過程進行管理與控制，主要包括離線管理、協(xié)同管理、角色管理及通信控制。（1）離線管理：實現(xiàn)對離線用戶及其操作的管理，保證離線操作的合法性與數(shù)據(jù)的一致性。（2）角色管理：負責(zé)為登錄用戶分配相應(yīng)的角色，實現(xiàn)用戶與權(quán)限的邏輯分離，從而簡化了復(fù)雜的授權(quán)管理工作。（3）通信控制：負責(zé)信息路由、服務(wù)質(zhì)量的管理以及帶寬分配、存儲轉(zhuǎn)發(fā)等。（4）協(xié)同管理：負責(zé)整個系統(tǒng)的監(jiān)控與協(xié)同設(shè)計過程。主要實現(xiàn)共享協(xié)作信息的發(fā)布以及處理各成員之間的協(xié)作問題，包括協(xié)作沖突的檢測與消除，以及協(xié)作信息的一致性

8、。數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層是鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)的核心存儲單元，在設(shè)計過程中考慮到鉆井工程設(shè)計、地質(zhì)設(shè)計和鉆井實鉆過程的信息共享，兼顧鉆井工程設(shè)計需要一些諸如套管數(shù)據(jù)手冊、鉆井工具手冊等常量信息的支撐，將數(shù)據(jù)庫分為鉆井設(shè)計數(shù)據(jù)庫、地質(zhì)設(shè)計數(shù)據(jù)庫、鉆井實鉆數(shù)據(jù)庫和常量數(shù)據(jù)庫。2.系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)計本系統(tǒng)的應(yīng)用程序模式采用C/S+ B/S混合模式，運行環(huán)境如圖2所示。圖2 鉆井工程集成設(shè)計運行環(huán)境提供鉆井工程設(shè)計任務(wù)的客戶端軟件安裝在設(shè)計科室的個人計算機上，通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和 Web服務(wù)器利用Web Service與數(shù)據(jù)服務(wù)器進行連接，采用的是C/S模式。項目管理功能及設(shè)計書的發(fā)布直接采用B/S模式部署在Web

9、服務(wù)器上。3.系統(tǒng)功能模塊設(shè)計鉆井工程設(shè)計軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念進行設(shè)計，按照業(yè)務(wù)功能將系統(tǒng)劃分為設(shè)計項目管理、鉆井工程設(shè)計、鉆井液設(shè)計、固井設(shè)計、設(shè)計書生成和系統(tǒng)維護6個模塊（如圖3所示）。圖3 鉆井工程集成設(shè)計功能模塊設(shè)計（1）設(shè)計項目管理設(shè)計項目管理主要實現(xiàn)系統(tǒng)管理人員新建設(shè)計項目、實時監(jiān)管項目進度、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入和分專業(yè)、分人員分配項目的功能，為實現(xiàn)多人協(xié)同完成設(shè)計工作奠定技術(shù)管理平臺。（2） 鉆井工程設(shè)計鉆井工程設(shè)計模塊的主要功能是針對具體井進行工程設(shè)計，包括軌道設(shè)計、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆機選型、鉆具組合設(shè)計、鉆頭選型、水力參數(shù)計算、井控裝置設(shè)計、井控要求設(shè)計、井控主要措施設(shè)計、取心

10、井段及工具設(shè)計、取心鉆具組合及鉆進參數(shù)設(shè)計、取心技術(shù)措施設(shè)計、地層壓力監(jiān)測、地層漏失試驗、中途測試、油氣層保護設(shè)計、施工要點及要求 、健康、安全、環(huán)境保護、完井設(shè)計、棄井要求、鉆井工程進度計劃、工程預(yù)算等內(nèi)容。（3）鉆井液設(shè)計鉆井液設(shè)計是鉆井工程設(shè)計的重要組成部分，主要是根據(jù)不同井段的地質(zhì)條件和工程施工要求對鉆井液體系進行選擇，設(shè)計鉆井液的性能，給出鉆井液的材料計劃并選用合適的固控系統(tǒng)。主要包括完成不同井段鉆井液類型、常規(guī)性能、流變參數(shù)、配方及處理方法與維護的設(shè)計，明確鉆井液的配備管理要求，按照井段確定鉆井液材料類型及用量。（4）固井設(shè)計固井工程設(shè)計內(nèi)容主要包括固井施工主要難點、固井工藝要求、

11、套管強度設(shè)計、套管串結(jié)構(gòu)、固井附件與扶正器、水泥漿性能與配方、水泥用量、前置液與頂替液用量、水泥外加劑等設(shè)計內(nèi)容。（5）設(shè)計書生成利用自動模版技術(shù)，根據(jù)設(shè)計的結(jié)果和有關(guān)常量數(shù)據(jù)，自動生成不同井型對應(yīng)的不同標準格式的設(shè)計書。包括將生成的設(shè)計書以二進制的形式存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時為了方便用戶查找設(shè)計書，提供了滿足不同用戶需求的設(shè)計書查詢功能。（6）系統(tǒng)維護系統(tǒng)維護模塊是確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行的重要功能模塊，普通用戶只需要和本模塊中的系統(tǒng)幫助功能打交道，其他功能都需要具有高級權(quán)限的用戶才能操作，系統(tǒng)維護模塊的主要功能包括：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲、字典維護和用戶管理。三、系統(tǒng)的主要功能特點根據(jù)“鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)”的

12、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要功能設(shè)計，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下利用Oracle9i數(shù)據(jù)庫構(gòu)建了鉆井設(shè)計數(shù)據(jù)庫，并利用VS2008開發(fā)平臺開對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)。所開發(fā)的“鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)”從應(yīng)用角度具有如下主要功能特點：1. C/S+B/S混合模式“鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)”用戶群從職責(zé)上分為兩部分：一部分是鉆井設(shè)計的管理人員，主要進行鉆井設(shè)計的任務(wù)分配和協(xié)同工作管理，包括建井時的任務(wù)分配、設(shè)計過程監(jiān)控和最終設(shè)計結(jié)果的網(wǎng)上審批，系統(tǒng)采用B/S模式來處理。另外一部分的用戶群體是鉆井工程設(shè)計人員，主要從事涉及到軌道設(shè)計、水力參數(shù)、套管強度校核等一些人機交互性較強的輔助計算功能的具體鉆井工程設(shè)計，系統(tǒng)在設(shè)計和實現(xiàn)時采用 C/

13、S模式。2.設(shè)計模塊自動篩選圖4 新建設(shè)計井系統(tǒng)針對整個油田按照區(qū)域構(gòu)造建立了設(shè)計井號管理的樹狀結(jié)構(gòu)，設(shè)計負責(zé)人可在樹狀結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的構(gòu)造內(nèi)新建設(shè)計井（圖4所示），并錄入井型、井別等基本信息，系統(tǒng)會根據(jù)這些基本信息自動篩選設(shè)計模塊。例如，如果井型為定向井則在具體模塊中出現(xiàn)“軌道設(shè)計”模塊，而直井則不出現(xiàn)。如果是欠平衡鉆井則在具體的設(shè)計模塊中出現(xiàn)“欠平衡設(shè)計”，否則不出現(xiàn)。設(shè)計負責(zé)人可以在此基礎(chǔ)上進行設(shè)計任務(wù)的分配。3.充分的信息共享系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計時就已經(jīng)考慮到信息共享的問題，按照這一指導(dǎo)思想，實現(xiàn)了地質(zhì)設(shè)計、鉆井工程設(shè)計和鉆井實鉆過程信息的共享，在網(wǎng)絡(luò)連通的情況下進行鉆井工程設(shè)計時，系統(tǒng)可以

14、自動從地質(zhì)設(shè)計中提取有關(guān)設(shè)計依據(jù)、質(zhì)量要求等地質(zhì)設(shè)計的內(nèi)容，如圖5所示。也可以從鄰井實鉆數(shù)據(jù)庫中按照人機交互指令選定的鄰井井號自動從鄰井實鉆數(shù)據(jù)中統(tǒng)計鄰井的事故復(fù)雜、井身結(jié)構(gòu)、鉆頭數(shù)據(jù)和鉆井液性能等信息，如圖6所示。圖5 鉆井設(shè)計與地質(zhì)設(shè)計信息共享圖6 鉆井設(shè)計與鄰井實鉆信息共享圖7 套管庫4.有力的手冊數(shù)據(jù)支撐根據(jù)鉆井工程設(shè)計的特點，系統(tǒng)在設(shè)計時考慮到建立包括常用工具和數(shù)據(jù)的“常量數(shù)據(jù)庫”，根據(jù)國內(nèi)外的鉆井手冊整理歸納了包括套管數(shù)據(jù)（API標準數(shù)據(jù)491條，如圖7所示）、鉆桿數(shù)據(jù)、鉆井泵參數(shù)、鉆機參數(shù)等數(shù)據(jù)。常量數(shù)據(jù)庫在設(shè)計過程中具有很重要的數(shù)據(jù)支撐作用，例如在套管設(shè)計過程中，設(shè)計人員可以從

15、套管庫中篩選套管的類型，系統(tǒng)會自動提取有關(guān)技術(shù)參數(shù)進行強度校核。這樣一方面方便了設(shè)計人員的應(yīng)用，另外一方面規(guī)范了數(shù)據(jù)，減少人為輸入?yún)?shù)的失誤，增加設(shè)計的準確性。5.自動圖形繪制系統(tǒng)在實現(xiàn)時針對設(shè)計過程中需要繪制的井口裝置圖（如圖8所示）、井身結(jié)構(gòu)圖（如圖9所示）、施工進度圖、套管強度校核圖、井眼軌道示意圖等專業(yè)圖形，開發(fā)了繪制這些圖形的專用控件，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)自動繪制圖形。圖8 井口裝置圖繪制工具圖9 井身結(jié)構(gòu)圖自動生成6.有機關(guān)聯(lián)和銜接的集成設(shè)計針對鉆井工程設(shè)計過程中有關(guān)井眼軌道設(shè)計（如圖10所示），套管強度校核（如圖11所示）、水力參數(shù)設(shè)計（如圖12所示）等計算量較大的設(shè)計過程，系統(tǒng)在

16、充分考慮模塊之間有機關(guān)聯(lián)和銜接的基礎(chǔ)上，根據(jù)行業(yè)標準要求，對這些設(shè)計計算過程進行計算機建模，并在統(tǒng)一的集成設(shè)計平臺上實現(xiàn)人機交互性強的設(shè)計功能。例如在水力參數(shù)計算過程中，系統(tǒng)將自動按照當(dāng)前鉆頭鉆達井深所對應(yīng)的鉆具組合提取有關(guān)鉆具組合的詳細清單及常量數(shù)據(jù)庫中提供的鉆具外徑、內(nèi)徑等技術(shù)參數(shù)，根據(jù)已設(shè)計的鉆井液參數(shù)和有關(guān)泵參數(shù)，按照設(shè)計者選定的優(yōu)選標準進行水力參數(shù)計算。整個設(shè)計過程充分考慮與鉆具組合設(shè)計、鉆井液設(shè)計、鉆機設(shè)備選擇等設(shè)計模塊有機關(guān)聯(lián)和銜接。從而保證設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性和重用性，提高設(shè)計的準確性，減少設(shè)計任務(wù)的重復(fù)工作量。圖10 井眼軌道設(shè)計圖11 套管強度校核圖12 水力參數(shù)計算7.自動生

17、成設(shè)計書根據(jù)“鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)”提供的協(xié)同設(shè)計結(jié)果，按照不同的井型對應(yīng)的設(shè)計書的規(guī)范格式，利用自動模板技術(shù)實現(xiàn)整本設(shè)計書的自動生成，設(shè)計人員也可以根據(jù)需要選擇生成的內(nèi)容（如圖13所示）。圖13 設(shè)計書自動生成四、結(jié)論根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鉆井工程設(shè)計的特點，充分考慮新技術(shù)下的鉆井設(shè)計需要地質(zhì)、油藏、和鉆井多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同工作的需要以及計算機軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)是非常必要的，而且在技術(shù)上可行。本文在前期研究工作的基礎(chǔ)上充分考慮地質(zhì)設(shè)計、鉆井工程設(shè)計和鉆井實鉆過程信息的共享，運用計算機數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在統(tǒng)一的軟硬件平臺上研究并開發(fā)了集設(shè)計依據(jù)、數(shù)據(jù)支撐、鉆井工程設(shè)計、固井設(shè)計、鉆井液設(shè)計和設(shè)計結(jié)果管理于一體的鉆井工程集成設(shè)計系統(tǒng)，基于VS2008和Oracle9i對系統(tǒng)進行了實現(xiàn)，使多個鉆井工程設(shè)計人員或分布在不同地區(qū)的設(shè)計人員在信息共享的前提下進行協(xié)同設(shè)計成為現(xiàn)實，為實現(xiàn)鉆井設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化、科學(xué)化提供了良好的技術(shù)平臺。參考文獻：1李琪, 徐英卓. 計算機支持的協(xié)同鉆井工程設(shè)計系統(tǒng)模型研究. 計算機應(yīng)用研究,2005,22(12).2