钻井工程设计和工艺软件一体化数据库研究及应用

2016-12-17赵庆蒋宏伟史肖燕霍宗强杨光朱伟伦

长江大学学报(自科版) 2016年35期

关键词：钻井工程钻井石油

赵庆，蒋宏伟，史肖燕，霍宗强，杨光朱伟伦

(中石油钻井工程技术研究院，北京 102206) (中石油西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000)

钻井工程设计和工艺软件一体化数据库研究及应用

赵庆，蒋宏伟，史肖燕，霍宗强，杨光朱伟伦

(中石油钻井工程技术研究院，北京 102206) (中石油西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依 834000)

钻井工程从钻前设计、钻时施工到钻后分析需要对大量钻井、录井及测井数据进行计算分析，因此对钻井工程设计、工艺软件以及一体化钻井工程数据库的依赖越来越强，统一完备的钻井工程数据库是钻井工程设计和工艺软件的基础。介绍了钻井工程设计和工艺软件中一体化钻井工程数据库的体系结构、主要特点、设计方法和应用情况。一体化钻井工程数据库支持十余套单项钻井专业分析软件一体化集成应用，可以使钻井工程各单项钻井专业分析软件数据得以充分共享，避免数据冗余和用户的重复输入，提高钻井设计人员的设计效率。为将来对海量的钻井数据进行挖掘分析奠定基础。

钻井工程设计和工艺软件；钻井工程数据库；数据库设计；钻井信息工程

钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，其特点就是高技术、高风险、高投入、高产出，是石油天然气勘探开发整体效益的重要敏感因素之一。而大量钻井工程数据和以钻井工程数据库为基础的钻井工程设计和工艺软件是钻井设计和施工作业的重要工具，是组织钻井生产且优质、安全钻井的基础。科学钻井水平的提高，除了提高钻井装备和钻井工艺技术外，在一定程度上是依靠钻井工程设计与工艺分析软件水平的提高。从国内外研发钻井工程软件的发展历程来看，统一完备的钻井工程数据库是钻井工程设计和工艺软件的重要基础[1]。

钻井工程数据库的发展趋势是信息集成一体化。信息集成一体化包括：在工作流程方面，实现设计与施工一体化，形成设计数据指导施工[2]，施工现场采集的数据又辅助设计的修改[3]；在跨学科方面，实现钻井与测井、录井数据一体化共享[4]，钻井工程师和油藏工程师可以借助软件和一体化数据库进行协同设计与施工。

1 钻井工程数据库研究现状

为了提高钻井技术水平，国外各大石油公司除了加强钻井装备和钻井工艺技术的研发外，纷纷加强钻井工程数据库的开发和钻井信息化的建设，以提高钻井数据管理和信息化水平。

国外大型石油公司研究、建立一体化钻井信息系统主要是基于钻井数据库平台，实现钻井工程设计，钻井数据采集、传输、存储和分析，并对钻井施工进行监测和决策等一体化集成功能。专家通过该信息系统对钻井复杂程度进行远程会诊并做出决策，以指挥钻井现场生产。目前国外钻井数据库系统普遍具有信息量大、覆盖面广、应用系统丰富、与生产实际结合紧密的特点。

Landmark软件是美国Halliburton公司研发的钻井工程设计软件，是以工程数据模型(EDM)数据库为核心构建数据管理平台，匹配相关的钻井分析软件，进行钻井设计及报告生成，形成一套包含知识集成系统的大型钻井设计分析软件，协助用户进行专业分析并做出智能决策。

国内大型石油企业近年来也进行了新一代钻井资料管理系统的开发与应用，但主要侧重于钻井队现场施工数据和参数统一采集、管理；而油田设计部门大多各自研发或配套了部分单项钻井专业分析软件，每个单项钻井专业分析软件建立了独立的钻井设计数据库。虽在一定程度上提高了钻井信息化水平，但仍然与国外先进钻井信息系统存在差距。主要表现在以下几个方面：

1)国内油田企业设计部门的钻井数据库建设规模相对较小，大多局限于钻井，未能涵盖钻井工程相关的全部数据，如测井数据、录井数据、钻前准备数据、管具数据和专家决策数据等，使得钻井工程信息的应用难以得到其他信息的支持，因此很难实现基于钻井设计和施工一体化的实时专家决策支持系统。

2)国外大型石油公司钻井工程数据库采用统一和规范的数据标准体系，便于数据共享，消除信息孤岛现象，而国内油田设计部门大多根据自己的需要建立钻井数据库，兼容性不足，很难实现真正的数据共享。

3)国内油田设计部门钻井数据库缺少钻后对钻井设计数据和施工数据进一步的对比分析、经验总结和利用，缺少上层各种钻井专业分析软件的支持和应用，以满足对钻井工程设计和技术支持的需要。

为了实现国内石油企业钻井工程数据和软件在钻井设计与施工上的一体化，作为钻井工程设计和工艺软件集成研发的一项重要研究内容，建立了一体化钻井工程数据库，支持钻井工程设计和工艺软件中各单项钻井专业分析软件数据的共享及一体化集成的需要。

2 钻井工程设计和工艺软件一体化数据库体系结构

钻井工程设计和工艺软件包含：井眼轨道设计与分析、井身结构设计与分析、钻井周期成本分析、井控设计与分析、地层压力预测分析与监测、岩石力学分析、钻柱力学分析、欠平衡/气体钻井设计与分析、固井设计与分析、钻井液设计与分析、控压钻井设计与分析、钻井实时监测与技术决策等单项钻井专业分析软件。

为了支持各单项钻井专业分析软件的一体化集成，钻井工程设计和工艺软件一体化数据库在构成体系上为一个数据库。从业务逻辑上，根据石油钻井工程信息来源和信息的产生及传输过程[5]，可分为4个大类：钻井设计库、钻井工程库、钻井标准库和钻井编码库。一体化钻井工程数据库目前共有439个数据表，6573个数据项。一体化钻井工程数据库的分类与结构如图1所示。

图1 一体化钻井工程数据库分类与结构

为了保证钻井数据库的钻井设计与钻井工程部分数据相对应，在结构设计时把油田、区块、井场、井、井眼、井设计、井方案数据表从设计和施工中独立出来，作为井信息库类，成为一体化钻井工程数据库体系结构的索引部分，其他数据表都与井信息库类中的表相关联。

一体化钻井工程数据库的主体部分是钻井设计库和钻井工程库2个大类。在钻井设计库中，按设计所需的先决条件、参考信息和各个设计环节分为13个中类。在钻井工程库中，按日常的生产管理要求和钻井施工的各个工艺环节分为18个中类。

钻井标准库和钻井编码库是一体化钻井工程数据库的辅助部分，是为钻井设计和钻井工程部分的数据表服务的，其目的主要是为了减少用户输入、便于用户管理而设计的。

一体化钻井工程数据库在研究设计过程中参考了石油行业的若干标准，主要依据的标准及参考资料包括：SY/T 5705—1995《石油工程数据库文件格式》；SY/T 6192—1996《石油钻井工程信息代码》；SY/T 5752—1996《石油及天然气探井信息代码》；SY/T 6227—2005《石油工业数据库设计规范》；SY/T 6184—2000《油田开发数据库表结构》；SY/T 6329—1997《气田开发数据库逻辑结构》；SY/T 6239—1996《石油勘探数据库文件格式》。

为了支持基于一体化钻井工程数据库的各单项钻井专业分析软件便捷开发，研发了功能全面、接口统一的一体化钻井工程数据库访问层软件模块，可以实现高效、丰富的数据库访问功能，支持不同单位制系统下的单位自动转换，支持对数据库数据的加锁解锁机制、数据访问的权限管理机制、事物机制以及数据变更订阅机制等。各单项钻井专业分析软件可以直接应用一体化钻井工程数据库数据访问层软件模块集成到一体化钻井工程数据库之上，而不必分别开发类似的复杂功能模块。

3 钻井工程设计和工艺软件一体化数据库主要特点

钻井工程设计和工艺软件及其一体化钻井工程数据库主要应用于油田和钻探企业钻井工程设计中心、钻井工程现场及钻井工程科研院所等。要求钻井工程设计和工艺软件一体化数据库涵盖从钻井设计到完井整个施工周期内所有业务数据，支持钻前设计、钻时施工和钻后分析。一体化钻井工程数据库设计具有以下主要特点：

1)一体化钻井工程数据库数据模型设计合理，内容齐全，分类清晰，涵盖钻井业务各个环节的数据，符合石油行业规范及石油行业相关标准；为各单项钻井专业分析软件研究开发建立了统一的数据库数据模型，满足各单项钻井专业分析软件信息共享的需求，实现钻井工程数据的一次输入，多处应用。

2)实现了钻井工程数据库在整体上支持多井眼、多设计等复杂层次E-R逻辑关系结构，实现了对复杂井设计和特殊钻井工艺分析的支持。

3)建立了较为完备的预定义钻具设备库[6]，支持灵活的钻具组合存储方式。

4)规范了命名规则，优化了主键、外键、索引等内容，数据间关系优化，约束合理、明确，从而保证了数据完整性，降低了数据冗余。

5)数据入库统一采用国际单位制，便于数据管理、使用和移植。

4 钻井工程设计和工艺软件一体化数据库设计原则

钻井工程设计和工艺软件一体化数据库为了支持各单项钻井专业分析软件数据库的集成设计，需要遵循以下主要设计原则。

1)数据的完整性数据的完整性是指数据的正确性和相容性，是在数据库设计过程中将实际业务中的实体(包括业务单据、设备等承载信息的事物)映射到数据库的数据表中[7]。钻井工程设计和工艺软件一体化数据库涉及的钻井工程业务领域广泛，数据关联关系复杂，对于数据的完整性验证需要经过反复理论论证和多次现场测试。

2)数据的标准化一体化钻井工程数据库的建立以石油行业标准为基础，兼顾国际化标准和各单项钻井专业分析软件数据模型。同时基于数据库第三范式设计数据库结构，有利于消除数据冗余，在综合考量应用性能和可扩展性上达到最优平衡。钻井工程设计和工艺软件一体化数据库以其覆盖全面、内容细致、结构合理、数据项收录全面，申请并形成了新的国家行业标准SY/T 6192—2012《石油钻井工程数据项名称规范》，通过了石油信息与计算机应用专业标准化委员会审核，经国家能源局审核批准，已经正式发布实施。

3)数据的可扩展性数据库在运行中会因实际业务需求情况的变化进行调整，这就要求钻井数据库需要具备可扩展性，在设计阶段就需要根据钻井技术的发展趋势和业务规则，将数据库结构设计的足够全面和灵活，并在钻井工程数据库访问层设计相应的接口，从而在业务流程需求发生变化时，对数据库结构的改动最小，原有业务模块数据可以继续应用，降低软件维护成本。

《石油钻井工程数据项名称规范》和一体化钻井工程数据库为石油钻井行业的信息交流共享提供了统一的数据平台，对行业技术进步有积极的促进作用，也可为行业节约大量因数据差异而造成的应用成本，对石油钻井行业的数字化、信息化、网络化具有重要的现实意义。

5 应用情况

钻井工程设计和工艺软件数据库可以部署在本机(台式机、笔记本电脑)或者网络中的服务器上。从而可以方便井场的便携性、灵活性和移动性，也适合钻井工程设计中心的网络数据共享。一体化钻井工程数据库在钻井工程设计和工艺软件中进行了初步集成应用，支持各单项钻井专业分析软件的数据共享，达到数据一处输入，随处使用，基本满足了对钻井工程数据共享的需求。钻井工程数据库访问层软件模块功能全面，可以大大节省各单项钻井专业分析软件与钻井工程数据库连接的研发时间。图2是基于一体化钻井工程数据库和钻井工程数据库访问层模块开发的井眼轨道设计和绘制模块。井眼轨道设计和绘制模块是根据数据库里的井眼轨迹、测井、地层等数据进行绘制。其中井眼轨迹数据由钻井工程一体化软件中的另一个井眼轨道设计模块进行设计分析，并把设计结果保存到数据库，该过程体现了一体化数据库支持各模块共享数据，一次录入、多次使用的优越性。

图2 一体化钻井工程数据库的应用

6 结论及建议

1)钻井工程设计和工艺软件一体化数据库对改变国内各业务部门的单项软件各自建立数据库造成的“信息孤岛”现状，提高国内钻井工程的全面信息化水平，实现远程现场作业过程实时监控，提高钻井工程技术人员的工作效率和决策水平，具有重要的现实意义和应用价值。

2)以国内自主研究、原始创新、集成创新为主，初步构建了一体化钻井工程数据库和数据访问层软件模块。一体化钻井工程数据库可以实现对多井眼、多设计方案的支持，并在各数据表模型中建立更为完备的基于油田、区块、井场、井、井眼、设计方案的逻辑结构，实现对复杂井设计和特殊钻井工艺的支持，同时建立了较为完备、便捷的钻具设备和钻具组合库，解决了没有预定义钻具数据库的难题；实现了各单项钻井工程计算分析软件信息共享的需求，支持钻井工程用户数据一次输入、多处应用，从而节省钻井工程设计和计算分析的数据重复检索和录入时间，并能更好地确保大量钻井工程数据的一致性及可重用性。

3)为了提高我国钻井工程核心竞争力、钻井数据完整性和有效性，保护宝贵的油田数据资产，实现钻井方案的设计与优化、钻井施工措施和钻井参数的实时分析与优化、现场与基地的远程实时技术决策，保障钻井安全，促进钻井施工决策的科学性，推动我国钻井工程信息化的快速发展，有必要在一体化钻井工程数据库统一数据底层的基础上，继续搭建钻井工程软件集成平台，不断加强钻井工程软件一体化进程，不仅从数据层面上实现钻井专业分析软件一体化、系统化，更要从软件层面上实现钻井功能模块共享，业务协作智能化的目标；进一步加强对已研发钻井工程数据库的丰富和改进优化，最终形成拥有自主知识产权的钻井工程设计和工艺分析一体化软件；同时要加快现场测试、应用和推广的步伐。

[1]王同良，王汉良，邹衡岳.石油信息技术进展[M].北京：石油工业出版社，2006：128～135.

[2]樊洪海，纪荣艺，刘鹏，等.新一代钻井井史管理系统的设计与展望[J]．石油钻探技术, 2008,36(2)：1～3.

[3]樊洪海，刘鹏，纪荣艺，等．新型钻井数据库设计[J]．断块油气田，2010，17(3)：382～384.

[4]纪荣艺，周英操，樊洪海，等.钻井工程数据库的扩展与深化[J]．信息技术，2011，34(2)：4～11.

[5]钻井手册编写组.钻井手册[M].第2版.北京：石油工业出版社，2013.

[6]赵金洲，张桂林.钻井工程技术手册[M].北京：中国石化出版社，2005.

[7]萨师煊，王珊.数据库系统概论[M].北京：高等教育出版社，2005：203～229.

[8]刘鹏，樊洪海，纪荣艺.浅谈对目前钻井数据库的修改建议[J]．甘肃石油和化工,2009,12(4)：41～44.

[9]孙海芳，钱浩东，杨成新，等.利用钻井数据库搭建远程钻井辅助决策规划[J].钻采工艺, 2011,34(6): 1～3.

[10]纪荣艺，樊洪海，周英操，等.钻井工程信息化的数据透视技术[J]. 石油机械，2010,38(12):38～41.

[编辑] 帅群

2016-03-20