鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫研究及應用

趙慶，蔣宏偉，史肖燕，霍宗強，楊光 朱偉倫

(中石油鉆井工程技術研究院，北京 102206) (中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

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鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫研究及應用

趙慶，蔣宏偉，史肖燕，霍宗強，楊光 朱偉倫

(中石油鉆井工程技術研究院，北京 102206) (中石油西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆井工程從鉆前設計、鉆時施工到鉆后分析需要對大量鉆井、錄井及測井數據進行計算分析，因此對鉆井工程設計、工藝軟件以及一體化鉆井工程數據庫的依賴越來越強，統一完備的鉆井工程數據庫是鉆井工程設計和工藝軟件的基礎。介紹了鉆井工程設計和工藝軟件中一體化鉆井工程數據庫的體系結構、主要特點、設計方法和應用情況。一體化鉆井工程數據庫支持十余套單項鉆井專業分析軟件一體化集成應用，可以使鉆井工程各單項鉆井專業分析軟件數據得以充分共享，避免數據冗余和用戶的重復輸入，提高鉆井設計人員的設計效率。為將來對海量的鉆井數據進行挖掘分析奠定基礎。

鉆井工程設計和工藝軟件；鉆井工程數據庫；數據庫設計；鉆井信息工程

鉆井工程是石油天然氣勘探開發的主要手段和油氣生產的關鍵工序之一，其特點就是高技術、高風險、高投入、高產出，是石油天然氣勘探開發整體效益的重要敏感因素之一。而大量鉆井工程數據和以鉆井工程數據庫為基礎的鉆井工程設計和工藝軟件是鉆井設計和施工作業的重要工具，是組織鉆井生產且優質、安全鉆井的基礎。科學鉆井水平的提高，除了提高鉆井裝備和鉆井工藝技術外，在一定程度上是依靠鉆井工程設計與工藝分析軟件水平的提高。從國內外研發鉆井工程軟件的發展歷程來看，統一完備的鉆井工程數據庫是鉆井工程設計和工藝軟件的重要基礎[1]。

鉆井工程數據庫的發展趨勢是信息集成一體化。信息集成一體化包括：在工作流程方面，實現設計與施工一體化，形成設計數據指導施工[2]，施工現場采集的數據又輔助設計的修改[3]；在跨學科方面，實現鉆井與測井、錄井數據一體化共享[4]，鉆井工程師和油藏工程師可以借助軟件和一體化數據庫進行協同設計與施工。

1 鉆井工程數據庫研究現狀

為了提高鉆井技術水平，國外各大石油公司除了加強鉆井裝備和鉆井工藝技術的研發外，紛紛加強鉆井工程數據庫的開發和鉆井信息化的建設，以提高鉆井數據管理和信息化水平。

國外大型石油公司研究、建立一體化鉆井信息系統主要是基于鉆井數據庫平臺，實現鉆井工程設計，鉆井數據采集、傳輸、存儲和分析，并對鉆井施工進行監測和決策等一體化集成功能。專家通過該信息系統對鉆井復雜程度進行遠程會診并做出決策，以指揮鉆井現場生產。目前國外鉆井數據庫系統普遍具有信息量大、覆蓋面廣、應用系統豐富、與生產實際結合緊密的特點。

Landmark軟件是美國Halliburton公司研發的鉆井工程設計軟件，是以工程數據模型(EDM)數據庫為核心構建數據管理平臺，匹配相關的鉆井分析軟件，進行鉆井設計及報告生成，形成一套包含知識集成系統的大型鉆井設計分析軟件，協助用戶進行專業分析并做出智能決策。

國內大型石油企業近年來也進行了新一代鉆井資料管理系統的開發與應用，但主要側重于鉆井隊現場施工數據和參數統一采集、管理；而油田設計部門大多各自研發或配套了部分單項鉆井專業分析軟件，每個單項鉆井專業分析軟件建立了獨立的鉆井設計數據庫。雖在一定程度上提高了鉆井信息化水平，但仍然與國外先進鉆井信息系統存在差距。主要表現在以下幾個方面：

1)國內油田企業設計部門的鉆井數據庫建設規模相對較小，大多局限于鉆井，未能涵蓋鉆井工程相關的全部數據，如測井數據、錄井數據、鉆前準備數據、管具數據和專家決策數據等，使得鉆井工程信息的應用難以得到其他信息的支持，因此很難實現基于鉆井設計和施工一體化的實時專家決策支持系統。

2)國外大型石油公司鉆井工程數據庫采用統一和規范的數據標準體系，便于數據共享，消除信息孤島現象，而國內油田設計部門大多根據自己的需要建立鉆井數據庫，兼容性不足，很難實現真正的數據共享。

3)國內油田設計部門鉆井數據庫缺少鉆后對鉆井設計數據和施工數據進一步的對比分析、經驗總結和利用，缺少上層各種鉆井專業分析軟件的支持和應用，以滿足對鉆井工程設計和技術支持的需要。

為了實現國內石油企業鉆井工程數據和軟件在鉆井設計與施工上的一體化，作為鉆井工程設計和工藝軟件集成研發的一項重要研究內容，建立了一體化鉆井工程數據庫，支持鉆井工程設計和工藝軟件中各單項鉆井專業分析軟件數據的共享及一體化集成的需要。

2 鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫體系結構

鉆井工程設計和工藝軟件包含：井眼軌道設計與分析、井身結構設計與分析、鉆井周期成本分析、井控設計與分析、地層壓力預測分析與監測、巖石力學分析、鉆柱力學分析、欠平衡/氣體鉆井設計與分析、固井設計與分析、鉆井液設計與分析、控壓鉆井設計與分析、鉆井實時監測與技術決策等單項鉆井專業分析軟件。

為了支持各單項鉆井專業分析軟件的一體化集成，鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫在構成體系上為一個數據庫。從業務邏輯上，根據石油鉆井工程信息來源和信息的產生及傳輸過程[5]，可分為4個大類：鉆井設計庫、鉆井工程庫、鉆井標準庫和鉆井編碼庫。一體化鉆井工程數據庫目前共有439個數據表，6573個數據項。一體化鉆井工程數據庫的分類與結構如圖1所示。

圖1 一體化鉆井工程數據庫分類與結構

為了保證鉆井數據庫的鉆井設計與鉆井工程部分數據相對應，在結構設計時把油田、區塊、井場、井、井眼、井設計、井方案數據表從設計和施工中獨立出來，作為井信息庫類，成為一體化鉆井工程數據庫體系結構的索引部分，其他數據表都與井信息庫類中的表相關聯。

一體化鉆井工程數據庫的主體部分是鉆井設計庫和鉆井工程庫2個大類。在鉆井設計庫中，按設計所需的先決條件、參考信息和各個設計環節分為13個中類。在鉆井工程庫中，按日常的生產管理要求和鉆井施工的各個工藝環節分為18個中類。

鉆井標準庫和鉆井編碼庫是一體化鉆井工程數據庫的輔助部分，是為鉆井設計和鉆井工程部分的數據表服務的，其目的主要是為了減少用戶輸入、便于用戶管理而設計的。

一體化鉆井工程數據庫在研究設計過程中參考了石油行業的若干標準，主要依據的標準及參考資料包括：SY/T 5705—1995《石油工程數據庫文件格式》；SY/T 6192—1996《石油鉆井工程信息代碼》；SY/T 5752—1996《石油及天然氣探井信息代碼》；SY/T 6227—2005《石油工業數據庫設計規范》；SY/T 6184—2000《油田開發數據庫表結構》；SY/T 6329—1997《氣田開發數據庫邏輯結構》；SY/T 6239—1996《石油勘探數據庫文件格式》。

為了支持基于一體化鉆井工程數據庫的各單項鉆井專業分析軟件便捷開發，研發了功能全面、接口統一的一體化鉆井工程數據庫訪問層軟件模塊，可以實現高效、豐富的數據庫訪問功能，支持不同單位制系統下的單位自動轉換，支持對數據庫數據的加鎖解鎖機制、數據訪問的權限管理機制、事物機制以及數據變更訂閱機制等。各單項鉆井專業分析軟件可以直接應用一體化鉆井工程數據庫數據訪問層軟件模塊集成到一體化鉆井工程數據庫之上，而不必分別開發類似的復雜功能模塊。

3 鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫主要特點

鉆井工程設計和工藝軟件及其一體化鉆井工程數據庫主要應用于油田和鉆探企業鉆井工程設計中心、鉆井工程現場及鉆井工程科研院所等。要求鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫涵蓋從鉆井設計到完井整個施工周期內所有業務數據，支持鉆前設計、鉆時施工和鉆后分析。一體化鉆井工程數據庫設計具有以下主要特點：

1)一體化鉆井工程數據庫數據模型設計合理，內容齊全，分類清晰，涵蓋鉆井業務各個環節的數據，符合石油行業規范及石油行業相關標準；為各單項鉆井專業分析軟件研究開發建立了統一的數據庫數據模型，滿足各單項鉆井專業分析軟件信息共享的需求，實現鉆井工程數據的一次輸入，多處應用。

2)實現了鉆井工程數據庫在整體上支持多井眼、多設計等復雜層次E-R邏輯關系結構，實現了對復雜井設計和特殊鉆井工藝分析的支持。

3)建立了較為完備的預定義鉆具設備庫[6]，支持靈活的鉆具組合存儲方式。

4)規范了命名規則，優化了主鍵、外鍵、索引等內容，數據間關系優化，約束合理、明確，從而保證了數據完整性，降低了數據冗余。

5)數據入庫統一采用國際單位制，便于數據管理、使用和移植。

4 鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫設計原則

鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫為了支持各單項鉆井專業分析軟件數據庫的集成設計，需要遵循以下主要設計原則。

1)數據的完整性 數據的完整性是指數據的正確性和相容性，是在數據庫設計過程中將實際業務中的實體(包括業務單據、設備等承載信息的事物)映射到數據庫的數據表中[7]。鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫涉及的鉆井工程業務領域廣泛，數據關聯關系復雜，對于數據的完整性驗證需要經過反復理論論證和多次現場測試。

2)數據的標準化 一體化鉆井工程數據庫的建立以石油行業標準為基礎，兼顧國際化標準和各單項鉆井專業分析軟件數據模型。同時基于數據庫第三范式設計數據庫結構，有利于消除數據冗余，在綜合考量應用性能和可擴展性上達到最優平衡。鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫以其覆蓋全面、內容細致、結構合理、數據項收錄全面，申請并形成了新的國家行業標準SY/T 6192—2012《石油鉆井工程數據項名稱規范》，通過了石油信息與計算機應用專業標準化委員會審核，經國家能源局審核批準，已經正式發布實施。

3)數據的可擴展性 數據庫在運行中會因實際業務需求情況的變化進行調整，這就要求鉆井數據庫需要具備可擴展性，在設計階段就需要根據鉆井技術的發展趨勢和業務規則，將數據庫結構設計的足夠全面和靈活，并在鉆井工程數據庫訪問層設計相應的接口，從而在業務流程需求發生變化時，對數據庫結構的改動最小，原有業務模塊數據可以繼續應用，降低軟件維護成本。

《石油鉆井工程數據項名稱規范》和一體化鉆井工程數據庫為石油鉆井行業的信息交流共享提供了統一的數據平臺，對行業技術進步有積極的促進作用，也可為行業節約大量因數據差異而造成的應用成本，對石油鉆井行業的數字化、信息化、網絡化具有重要的現實意義。

5 應用情況

鉆井工程設計和工藝軟件數據庫可以部署在本機(臺式機、筆記本電腦)或者網絡中的服務器上。從而可以方便井場的便攜性、靈活性和移動性，也適合鉆井工程設計中心的網絡數據共享。一體化鉆井工程數據庫在鉆井工程設計和工藝軟件中進行了初步集成應用，支持各單項鉆井專業分析軟件的數據共享，達到數據一處輸入，隨處使用，基本滿足了對鉆井工程數據共享的需求。鉆井工程數據庫訪問層軟件模塊功能全面，可以大大節省各單項鉆井專業分析軟件與鉆井工程數據庫連接的研發時間。圖2是基于一體化鉆井工程數據庫和鉆井工程數據庫訪問層模塊開發的井眼軌道設計和繪制模塊。井眼軌道設計和繪制模塊是根據數據庫里的井眼軌跡、測井、地層等數據進行繪制。其中井眼軌跡數據由鉆井工程一體化軟件中的另一個井眼軌道設計模塊進行設計分析，并把設計結果保存到數據庫，該過程體現了一體化數據庫支持各模塊共享數據，一次錄入、多次使用的優越性。

圖2 一體化鉆井工程數據庫的應用

6 結論及建議

1)鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫對改變國內各業務部門的單項軟件各自建立數據庫造成的“信息孤島”現狀，提高國內鉆井工程的全面信息化水平，實現遠程現場作業過程實時監控，提高鉆井工程技術人員的工作效率和決策水平，具有重要的現實意義和應用價值。

2)以國內自主研究、原始創新、集成創新為主，初步構建了一體化鉆井工程數據庫和數據訪問層軟件模塊。一體化鉆井工程數據庫可以實現對多井眼、多設計方案的支持，并在各數據表模型中建立更為完備的基于油田、區塊、井場、井、井眼、設計方案的邏輯結構，實現對復雜井設計和特殊鉆井工藝的支持，同時建立了較為完備、便捷的鉆具設備和鉆具組合庫，解決了沒有預定義鉆具數據庫的難題；實現了各單項鉆井工程計算分析軟件信息共享的需求，支持鉆井工程用戶數據一次輸入、多處應用，從而節省鉆井工程設計和計算分析的數據重復檢索和錄入時間，并能更好地確保大量鉆井工程數據的一致性及可重用性。

3)為了提高我國鉆井工程核心競爭力、鉆井數據完整性和有效性，保護寶貴的油田數據資產，實現鉆井方案的設計與優化、鉆井施工措施和鉆井參數的實時分析與優化、現場與基地的遠程實時技術決策，保障鉆井安全，促進鉆井施工決策的科學性，推動我國鉆井工程信息化的快速發展，有必要在一體化鉆井工程數據庫統一數據底層的基礎上，繼續搭建鉆井工程軟件集成平臺，不斷加強鉆井工程軟件一體化進程，不僅從數據層面上實現鉆井專業分析軟件一體化、系統化，更要從軟件層面上實現鉆井功能模塊共享，業務協作智能化的目標；進一步加強對已研發鉆井工程數據庫的豐富和改進優化，最終形成擁有自主知識產權的鉆井工程設計和工藝分析一體化軟件；同時要加快現場測試、應用和推廣的步伐。

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[2]樊洪海，紀榮藝，劉鵬，等.新一代鉆井井史管理系統的設計與展望[J]．石油鉆探技術, 2008,36(2)：1～3.

[3]樊洪海，劉鵬，紀榮藝，等．新型鉆井數據庫設計[J]．斷塊油氣田，2010，17(3)：382～384.

[4]紀榮藝，周英操，樊洪海，等.鉆井工程數據庫的擴展與深化[J]．信息技術，2011，34(2)：4～11.

[5]鉆井手冊編寫組.鉆井手冊[M].第2版.北京：石油工業出版社，2013.

[6]趙金洲，張桂林.鉆井工程技術手冊[M].北京：中國石化出版社，2005.

[7]薩師煊，王珊.數據庫系統概論[M].北京：高等教育出版社，2005：203～229.

[8]劉鵬，樊洪海，紀榮藝.淺談對目前鉆井數據庫的修改建議[J]．甘肅石油和化工,2009,12(4)：41～44.

[9]孫海芳，錢浩東，楊成新，等.利用鉆井數據庫搭建遠程鉆井輔助決策規劃[J].鉆采工藝, 2011,34(6): 1～3.

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[編輯] 帥群

2016-03-20

國家科技重大專項(2016ZX05020-006)。

趙慶(1970-)，男，碩士，高級工程師，從事鉆井軟件管理及研發工作，zhaoqingdri@cnpc.com.cn。

TE22

A

1673-1409(2016)35-0075-05

[引著格式]趙慶，蔣宏偉，史肖燕，等.鉆井工程設計和工藝軟件一體化數據庫研究及應用[J].長江大學學報(自科版),2016,13(35):75～79.