基于SOA的頁巖氣優快鉆井決策系統設計

白 凱，夏宏南，靳國興，楊 軍

(1.長江大學 計算機科學學院，湖北 荊州 434023；2.長江大學 油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100；3.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

基于SOA的頁巖氣優快鉆井決策系統設計

白 凱1,2,3，夏宏南2,3，靳國興1,2,3，楊 軍2,3

(1.長江大學 計算機科學學院，湖北 荊州 434023；2.長江大學 油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100；3.長江大學 石油工程學院，湖北 武漢 430100)

為了科學開展涪陵地區頁巖氣的鉆井施工的總體預測和評價，提高頁巖氣鉆井決策的信息化水平，在深入研究SOA組件及其開發集成框架應用的基礎上，提出了構建適用于涪陵地區頁巖氣鉆井技術集成模式科學評價決策系統的一系列思路和方法，包括體系結構設計方法、軟件平臺構建方法和功能模塊設計與實現方法等。該決策系統采用包含主題設計和數據統計方法在內的數據倉庫技術，主要功能模塊包括頁巖氣優快鉆井經濟評價、鉆井控制參數優化計算以及復雜與事故預防與處理。在對主要功能模塊的內容及其實現途徑進行系統分析的基礎上，對SOA中松耦合軟件開發技術和Web Service服務在決策系統中的應用進行了分析討論。截止目前，該決策系統的開發工作已基本完成，且預留有進一步擴展優化的空間。試運行結果表明，該決策系統設計較為合理，可有效提高現場決策的效率和正確性。

SOA；Web Service；頁巖氣鉆井；決策系統

0 引 言

隨著國內對頁巖氣開發的逐漸深入，在目前涪陵地區頁巖氣鉆井施工過程中，信息化決策程度不高的問題越來越突出。由于缺少適應涪陵區塊的鉆井技術集成組合以及相應的綜合效益與速度的科學評價系統，已經制約和影響了目前頁巖氣鉆井施工的總體預測和評價。因此，研究一套適用于涪陵區塊的頁巖氣優快鉆井技術集成模式的科學評價決策系統，提高國內頁巖氣鉆井信息化管理水平具有重要的實踐意義。

文中深入研究了在.NET開發環境下利用SOA組件集成開發框架設計和開發頁巖氣優快鉆井決策系統軟件，提出了針對涪陵地區頁巖氣鉆井的決策軟件平臺構建方法，體系結構設計，以及平臺功能設計與實現方法。

1 現有鉆井決策系統存在的問題

在鉆井工程軟件領域，國內已經開發了“鉆井工程設計與計算”、“鉆井參數優化”、“現場數據遠程傳輸”、“鉆井復雜和事故風險預警系統”等的獨立軟件，這些軟件對鉆井設計和現場決策提供了輔助，但由于每個系統的功能有限，覆蓋的信息范圍比較窄，信息的處理是各自為政，導致信息無法有效融合，難以對鉆井工程中的重大技術決策活動提供有效幫助。目前國內還沒有開發出集成化、整體化和智能化的軟件系統，油田企業只能引進國外公司的鉆井集成平臺，國外軟件價格高昂且無法進行二次開發，無法根據實際情況進行修改和擴充，導致現有軟件系統不能滿足目前涪陵地區頁巖氣鉆井的信息化建設需求[1]。

國內自主研發的鉆井工程軟件平臺系統，主要存在以下技術問題：

(1)軟件的研發沒有延續性，多為一個項目一次性開發，軟件復用程度較低，存在大量重復設計與開發。

(2)傳統的基于項目的單節點應用系統建設與部署方式，已難以支撐持續推進、逐步擴展的集成信息化建設和管理。

(3)現有油田信息系統大多比較封閉，在各種不同標準信源的接入、對外來軟件模塊的集成功能存在明顯不足[2]。

針對上述問題，開發團隊采用先進的SOA開發思想，研發了具有國內特色頁巖氣優快鉆井決策支持系統。

2 頁巖氣優快鉆井決策系統總體設計

涪陵地區頁巖氣優快鉆井決策系統軟件模型設計如圖1所示。

涪陵地區頁巖氣優快鉆井決策面對的問題很多，相應的軟件系統開發很難一次性完成。各類決策系統都是以小系統組成大系統的形式存在，因此目前在此系統開發中優先解決了現場最急需解決的幾個問題，針對這幾個問題開發了相應模塊。在設計過程中，開發團隊采用了SOA架構設計技術，它是實現軟件應用集成的一個新興技術，具有標準的軟件接口，系統留有未來的擴展接口用于軟件集成，服務實現具有透明性，高度軟件資源重用能力，在系統擴展中能夠實現快速靈活的集成[3]。

圖1 頁巖氣優快鉆井決策系統框架

3 頁巖氣優快鉆井決策系統數據倉庫設計

3.1 主題設計

數據倉庫是面向主題的，主題是決策需求歸類而確定的主要標準，決策者在此決策系統中最關注的問題[4-7]。根據涪陵地區頁巖氣鉆井決策的實際需求，可以確定的主題見表1。

表1 頁巖氣優快鉆井決策系統主題設計

3.2 數據統計方法

選擇適合于當前鉆井工程的數據統計方法[8-10]，經過統計分析后得出數據比較的結果，作為決策的依據之一，見表2。

4 決策系統中主要功能模塊解析

4.1 頁巖氣優快鉆井經濟評價

涪陵頁巖氣優快鉆井經濟費用分為以下七個部分：鉆機日費；泥漿成本；鉆頭+螺桿+井下工具(減震器、隨鉆振擊器等)；空氣鉆成本；處理井下故障復雜增加的額外費用(打撈工具等費用、特殊作業如爆炸松扣或測卡點等費用)；定向技術服務費；頂驅使用費。其中，鉆機日費包含人工工資、油料以及鉆機、井控設備、固控設備、管具、住房等攤消；總鉆機費用與鉆井所使用的鉆機型號以及鉆井周期有關。

表2 數據統計分析方法

4.2 頁巖氣鉆井控制參數優化計算

此模塊計算是根據鉆井工程中經典鉆進公式，根據頁巖氣開發現場實際獲得的地質參數，優化出直接作用于鉆進速度的機械參數(鉆壓和轉速)、水力參數(泵壓和排量)、鉆井液參數[11-13]。在該決策系統中采用多源反饋差異驅動的演化算法對輸入的鉆井參數進行優化計算，針對某一地層，可以計算出最佳參數組合，達到鉆速合理和鉆頭消耗經濟的目標。

4.3 頁巖氣鉆井復雜和事故預防與處理信息分析

基于知識庫中的規則及案例知識，使用規則和案例的混和推理模型，結合神經網絡算法進行復雜事故診斷與處理[14-15]。從關系型數據庫中讀取數據到Web Service選擇的工具是D2R。

5 SOA組件及開發框架的應用

SOA(Service-Oriented Architecture)即是面向服務的體系結構，是指為了解決網絡環境下業務集成的需求，能夠連接完成特定任務的獨立功能模塊而提出的一種軟件系統架構。SOA是設計的一個組件模型框架，它將應用程序的不同功能模塊(在SOA中即為服務)通過這些服務之間定義好的接口和約定聯系起來。為了獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統及開發編程語言，SOA中的接口采用中立的方式定義。

開發團隊在充分考慮繼承原有軟件資產與軟件設計技術和經驗的基礎上，面向頁巖氣鉆井企業信息化集成開發與部署需求，開展了基于.NET的SOA組件集成開發框架的設計和研發工作，通過技術實踐和系統應用，較好地解決了信息化應用軟件研發過程中的軟件重用與應用集成問題。SOA是一個面向服務的設計過程[16]，如圖2所示。

圖2 面向服務的設計過程

5.1 松耦合軟件開發技術

頁巖氣鉆井工程決策支持系統采用面向服務的架構技術[17]，如圖3所示。

圖3 頁巖氣優快鉆井決策系統架構

SOA封裝業務邏輯在服務中，對服務之間的松散耦合、服務接口標準化有著嚴格的要求。SOA架構的最大優勢在于實現數據庫與應用模塊之間的松耦合，即當底層數據結構、數據平臺或數據庫網絡位置發生改變時，只需要對系統中服務層進行調整，無需對分散在各用戶機器上的客戶端進行更新，有利于整個系統的快速更新或擴展。

該系統在設計中把算法模塊封裝為Web Service服務，部署在服務器上運行并向客戶端返回計算結果，提升了軟件的運行效率，對于系統中采用的算法可以統一更新和保護。

利用SOA架構技術、插件式框架技術、Web Service服務計算技術，實現了軟件的松耦合，在整個系統中易于刪除或增加模塊，讓頁巖氣優快鉆井決策支持系統開發具有未來的持續擴展優化能力。

5.2 Web Service服務

Web Service是具有一組操作接口的Web服務，即通過發布接口發送和接收XML消息實現網絡訪問數據，Web Service的接口描述了一系列的數據操作動作，采用了XML消息進行訪問的數據接口。在Web服務中，消息的傳送是通過SOAP以及WSDL包裝為對象進行的，每一個SOAP消息都使用WSDL進行描述。Web Service返回的數據由XML進行描述和發現，因此可以與其他任何支持XML消息技術的應用程序進行交互，而不用關心應用程序實際開發使用的語言以及開發平臺[18]。因此，可以把Web Service看作一種新的Web應用程序，一種通過發布接口實現查詢、調用數據的網絡方法。

Web Service在分布式系統中屬于基礎構件，可以將Web Service作為一個可開發維護和部署的Web組件。與其他組件相比，Web Service也提供了重用功能，同時還可以作為不同應用系統之間的一個數據訪問紐帶，將不同平臺不同功能的應用程序集成在一起，提高了系統之間的互操作性。

6 軟件實現情況

基于以上計算機軟件開發的關鍵技術開發的頁巖氣優快鉆井決策支持系統，根據實際情況需要可以包括若干個一級模塊，在每個一級模塊下再分若干個二級模塊，各模塊均開發成為系統插件，用戶可以任意選取其中的部分模塊組成不同功能的子系統，以滿足現場對于鉆井開發的不同決策[19-20]。

根據涪陵地區頁巖氣鉆井的技術資料，以下是目前該決策系統已經開發完成的經濟評價模塊運行后截圖。

在此模塊中，可以按時間把所有井的信息列出，包括信息有井號、開鉆日期、總進尺、總鉆時、平均鉆速、鉆速對比、總成本、每米成本、成本對比、新工藝。在頁面上通過計算后顯示出所有井的平均鉆速和單位進尺成本，這兩個指標作為比較的依據。

井的經濟評價分為按開次評價、技術評價、井開次比較、井綜合比較4種方式。

點擊進入按技術比較，可以查看各種新技術的提速情況，在選擇評價技術中選擇空氣鉆井，如圖4所示。

圖4 空氣鉆井情況對比

7 結束語

為有效提高頁巖氣開采的信息化決策水平，應用B/S訪問模式、SQL Server數據庫和C#語言等技術手段，構建了.NET平臺下的SOA框架頁巖氣優快鉆井決策系統，以方便用戶在油田企業局域網內進行授權訪問，實現了頁巖氣鉆井工程遠程管理和決策。該系統平臺運用了數據倉庫的構建思想，采用了多源反饋差異驅動的演化算法和神經網絡等優化算法，通過內嵌的專家系統模型來實現重大決策的智能化計算和分析。利用SOA在開發中的可復用性、靈活性及可擴展性，針對現場需求逐步設計開發各功能模塊，目前已實現的功能模塊包括頁巖氣鉆井技術的經濟評價、鉆井參數優化和復雜情況預測三類。該決策系統的應用結果表明，其能夠滿足頁巖氣優快鉆井決策所需技術參數快速準確計算的需要，可輔助鉆井工程師快速、準確地做出決策；SOA在已有功能模塊中發揮的作用明顯，有效促進了相關軟件開發質量的提高。

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Design of Shale Gas Optimal and Fast Drilling Decision System Based on SOA

BAI Kai1,2,3,XIA Hong-nan2,3,JIN Guo-xing1,2,3,YANG Jun2,3

(1.School of Computer Science,Yangtze University,Jingzhou 434023,China;2.Leak Resistance and Sealing Technology Laboratory of Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory,Yangtze University,Wuhan 430100,China;3.School of Oil Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China)

In order to carry out scientific prediction and assessment of drilling shale gas in Fuling region and improve its information decision-making level,a series of ideas and methods to build scientific evaluation and decision-making system for shale gas drilling technology integrated mode suitable for Fuling region have been proposed based on in-depth investigation on SOA components and its applications in integrated development framework,including architecture design methods,software platform construction methods and function modules.Data warehouse has been employed in this system,including theme designs and statistical methods.The main function modules consist of shale gas drilling economic evaluation,drilling control parameters optimization,preventions and treatments of complex circs and accident.Based on a systematic analysis on contents of the main function modules and its realization approach,applications of the loosely coupled SOA software development technology and Web Service services in the decision-making system have been analyzed and discussed.Presently the development of the system has been basically completed and reserved spaces for further expansion and optimization.Experimental results show that the design of decision-making system is reasonable and its efficiency and correctness of shale gas drilling decision-making can be enhanced.

SOA;Web Service;shale gas drilling;decision system

2016-04-27

2016-07-12

時間：2017-03-07

國家自然科學基金資助項目(41502126)

白 凱(1980-)，男(滿族)，講師，博士生，研究方向為鉆井工程信息化；夏宏南，教授，博士生導師，研究方向為鉆井工藝技術。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0920.004.html

TP39

A

1673-629X(2017)04-0017-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.004