钻井工程数据库的研究和设计.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 4 年 8 月 第3 6 卷 第8 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I A u g ． 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 8 钻 井工程数据库 的研 究和设计 史 肖燕 ，赵庆 ，宋鹏 ，蒋宏 伟 中国石油集团钻井工程技术研究阮 北京1 o o 1 9 5 [ 摘要] 随着钻 井技术和信息技术 的飞速发展 ，科学合理地利用钻 井信息对钻 井工程 管理 和决策起着 越来 越重要 的作用 。建立 一个全 面、合理 、详 细、标 准 的钻井工 程数据 库是高 效应用钻 井信 息的关键 。在 对 钻井工程数据库 的需求进行 详细分析的基 础上 ，通过 概念设 计、逻辑设 计和 物理设 计 3个 阶段分析 并设 计 了钻井工程数据 库。设计 的钻 井工程数据 库是钻 井工程 设计和 工艺软件 的数据 存储和 管理 的基础 ，支 持该软件所有 的计 算分 析模 块，达到 了各 计算模块 之 间数据共 享和减少 重复 录入的 目的；设计 的钻 井工 程数据库符合钻 井业务 流程、 内容全 面详 实、性能高 效、表结构 优化 、具 有 良好 的可扩展 性。统 一的钻 井工程数据库 的建 立使 海量钻井数据 的有效存储成 为可 能，为进 一步的钻 井数据挖 掘和 分析 奠定 基础 。 [ 关键 词]钻井工程数据库 ；钻井信息管理 ；概念设 计；逻 辑设计；物理设计 [ 中图分 类号]TE 2 [ 文献标 志码]A [ 文章编 号] 1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 4 0 8 0 0 9 1 0 4 随着石油勘探开发技术的发展和计算机信息科学的进步 ，钻井信息的管理与应用越来越显示出它的 重要性。科学合理地利用钻井信息对钻井工程管理和决策起着至关重要的作用 。高效应用钻井信息的关 键 就是要 建 立一个 全 面 、合理 、详 细 、标准 的钻 井工 程 数据 库 ，来 对 海量 的钻 井数 据 进 行存 储 和管 理 。 中国石油天然气总公司在 1 9 9 5年颁布了 S Y／ T 5 7 0 5 1 9 9 5石油钻井工程数据库文件格式 ，目前国 内各油 田的钻井数据库大都依照该行业标准开发的[ 1 ] 。然而，随着钻井技术的飞速发展和数据库技术的 快速变更 ，这些数据库结构已经不能满足现场的需要 ，也不能适应计算机科学的发展需要_ 2 ] 。因此，新 的能支持先进钻井技术和数据库技术的钻井数据库的建立有其重要意义 。 1 需求分析 笔者设计的钻井工程数据库要为钻井工程设计和工艺软件提供统一 的数据存储和管理 ，需支持该软 件所有模块 的功能和数据需求，以达到数据一次录入，多处使用的 目的；设计的钻井工程数据库要确保 数据正确地分布到数据库的表中，以便于上层软件对数据进行相应的存取操作 ，确保上层软件 的性能 ； 设计的钻井工程数据库需具有可扩展性 ，在有新的功能模块加入钻井工程设计和工艺软件时，数据库能 方便地添加新表来支持新 的业务逻辑 ，而不需要大面积地修改原有数据库结构 ；同时，所设计的钻井数 据库需支持新的钻井技术 ，如定向井技术 、分支井技术 、欠平衡技术等 ，也支持先进 的 L WD 1 o g g i n g wh i l e d r i l l i n g ，随钻 录井工 具 和 MwD me a s u r e wh i l e d r i l l i n g ，随钻 测量 工具 。 2 数据库的设计 2 ． 1 概 念 设计 概 念 结构设 计 是在需 求 分析 的基 础上 ，设 计 出独立 于计 算机 硬件 和数 据库 管理 系统 的概念 模 型 。概 念模型一般用实体一 联系 E n t i t y R e l a t i o n s h i p 方法来表示 。笔者采用 自低向上方法进行概念设计 ，即 先把整个系统分成几个局部 ，设计各局部应用的 E R模型 ，然后将局部 的 E R模型集成为全局的 E R [ 收稿 日期 ]2 0 1 40 3 0 4 [ 基金项 目]国家科技重大专项 2 O l 1 Z X O 5 0 2 1 0 0 6 。 [ 作者简介]史 肖燕 1 9 7 7一 ，女 ，1 9 9 6年东南大学毕业 ，硕士 ，助理工程 师，现 主要从事钻井软件和岩石力学软件 的研发 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油 天然 气工程 2 0 1 4 年 8 月 模 型 ，最后 对全 局 E R模 型进行 优化 。 根据需求分析，设计 的钻井 工程数据库要支持钻井设计和工 艺软件 。钻 井 工程 设 计 和 工 艺 软 件 的功 能模 块 包括 钻 井 设 计 自动 生成、钻井周 期成本分析 、钻井 数 据仓 库 与数 据 挖 掘 、地 层 压 力 预 测分 析 与监 测 、井 身 结 构设 计 与分析 、井 眼 轨 迹 设 计 与 分 析 、 岩 石力 学 分 析 、钻 柱 力 学 分 析 、 钻 井 液设计 与 分 析 、井 控 设计 与 分 析 、控压 钻 井设 计 与分 析 、欠 平 衡 ／ 气 体 钻 井 设 计 与 分 析 、 固 井 设计 与分 析 、钻 井 实 时 监测 与 技 术决 策 等 ；对 这 些模 块 的 功 能 及其 数据 进 行 分 析 ，发 现这 些 模 块都 需要 有 一些 相 同的 基 础数 据 ，例 如 分 析 模 块 所 针 对 的 井 、 油 田等 信息 ，为避免 数据 冗余 ， 达 到 各 模 块 间数 据 共 享 的 目 的 ； 在 概念 设计 阶 段提 取 这 些 钻井 工 程设 计 的基 本信 息 ，建立 E R模 型 如 图 1所 示 。建 立 的 模 型 包括 区块 、油 田 、井 、井 眼等 实 体 ，一个 区块 包 含 一 个 或 多个 油 田 ，一个 油 田又包 含一 个 或 多个 注 图 中 “ 1 ” 和 “ ”表 示 一 对 多 的 关 系 。下 同 。 图 1 钻井工程设计基本信息的 E R图 井 ，为 支持分 支井 技术 ，该设 计 加入 了井 眼的概 念 ，一 个井 可 以有 多个 井 眼 。 除了这些共有数据外，每个模块都有其特有 的数据 ，例如井身结构设计 与分析需要 有井身结构明 细 、井身结构 图、井 口装置明细和井 口装置图等信息 ；钻井液设计与分析需要有钻井液性能设计 、钻井 液处理要求、钻井液处理配方设计 和钻井液用量设计等数据。对每个模块都作局部 E R模型设计 ，以 钻柱力学分析模块为例 ，图 2即是该模块的 E R模型。钻柱力学分析模块 的数据 以钻井方案为核心 ， 钻井方案包含进行钻柱力学分析所需的各种参数 井眼轨迹、井身结构、钻具组合和流体参数 ，分析所 得 的结果 也与 钻井 方案 一一对 应 ，例如 摩 阻分析 结果 、卡钻 分析 结果 和振动 分析 结果 ；分析 所需 的参 数 和分析所得的结果通过钻井方案联系起来。这样的模型具有很好的扩展性 ，当有新的分析算法加入模块 时 ，只要 增加 新 的参数 实体 和计算 结果 实体 ，而 不需要 修改 已有 的实 体 。 各局 部应 用 的 E R模 型建 立后 ，把 这些 模 型集 成 为 全局 的 E R模 型 ，并进 行 全 局优 化 。在 进 行 全 局优化时，可发现有些模块的数据可以共享 ，例如钻柱力学分析模块和井眼轨迹设计与分析模块都要用 到井眼轨迹数据 ，固井设计与分析模块和井身结构设计与分析模块都要用到井身结构明细数据 ，因此调 整设计 ，把这些共享的数据设计成单独的实体，多模块 同时与该实体建立关系。 2 ． 2逻 辑设 计 逻辑设 计 阶段 的任 务就 是把 E R模 型转 换 为数 据 库 系统 支 持 的数 据 模 型 。在 逻辑 结 构 设计 中 ，用 数据 表来代 表 E - R模型 中 的实体 ，数 据表 中的 属性 列 就 是实 体 的属 性 ，每 个 数据 表 都有 唯一 的主 键 来 唯一标识一个实体 ；实体间的关系用表 中的主键 和外键来表示 。如图 3所示 ，钻井工程设计基本信息 E - R 图 中的区块 、油 田、井 和 井眼 的实体 被转换 成 了对应 的数 据表 ，表 的每一 行就 是一个 属性 ；以井 眼 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 6卷第 8期 史 肖燕 等 钻井工程数据库 的研 究和设计 图 2钻柱力学模块 E - R图 表为例 ，井眼表中有主键 I D和外键井 I D，主键唯一地标识一个井眼，外键指向一个井的主键 ，多个井 眼 的外 键可 以指 向同一个 井 的主键 ，这 就 实现 了实 体关 系 中一对 多 的联 系 。 油田表 区块表 井表 井眼表 P I D P R 。 。 。 一 ．．I] P R ID ． 卜 ] P K ID __一 I I __一 I ． ． ．． 一 井I D 油田名称 I． ． ．． ． 一 油田I D I- - -_ __ _ _一 区块I D 油田位置 区块名称 井型 井眼名称 测量计算方法 区块代码 井别 起始井深 扫描方法 区块密码 井 口横坐标 终止井深 误差曲面 盆地名称 井口纵坐标 起始横坐标 误差模型 地理分带编号 构造位置 起始纵坐标 误差级别 地理系统编号 测线位置 起始井斜 ●●● 地理基准编号 地面海拔 起始方位 ●●● ●●● 图 3钻井工程设计基本信 息的逻辑图 逻辑设计是关系型数据库设计 的关键步骤 ，好 的逻辑设计能为优化数据库和应用程序性能打下基 础 ，反 之会 影 响整个 系统 的性 能 。因此 在 通 过把 E R模 型转 换 ，得 到初 步 的数 据 模 型 之 后 ，需 要 以 规 范化理论为指导对数据模型进行优化。笔者设计 的逻辑数据库符合第三范式 3 NF ，遵守 3 NF标准的 数据库的表设计原则是 “ o n e f a c t i n o n e p l a c e ” ，即某个表只包括其本身基本的属性 ，不是它们本身所 具有的属性需进行分解。通过规范化的优化 ，生成的数据表减少了数据冗余 ，保证了数据的一致性和完 整性，清楚地表达了数据元素之间的关 系，节约了存储空间，并且加快了增 、删、改 的速度。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天 然 气工程 2 0 1 4年 8月 根据 钻井业 务逻 辑 ，逻辑设 计所 得 的钻井数 据库 分成 5大类 ，分 别为 钻井 工程设计 基本 信息 库 ，钻 井设计库 ，钻井工程库，实时数据库 ，辅助信息库 ；每大类 又各 自包括几个小类 ，其中钻井设计库包括 1 3个小类 钻井设计审批 、钻井地质 、定 向井、井眼轨迹、井身结构 、钻机 、钻具 、钻井液 、钻井参 数、费用预算、固井 、欠平衡 、钻柱力学 ，钻井工程库包括 1 8个小类 日常生产管理、钻井设备、钻 具管理、钻井地质 、钻井基本情况 、特殊工艺井、钻井工艺参数 、钻具使用、事故复杂、取心、测井及 录井 、固井 、完 井 、井控 、钻井 液 及完井 液 、油 层保 护 、中途 测试 、欠 平 衡 ，辅 助信 息 库包 括 1 1个 小 类 设 计 经验 、钻井 地质 、钻井 液 、钻井 设备 、仪 器仪表 、钻 具管理 、钻井 队伍 、钻 井液 及完井 液 、滩 海石 油钻 井 、油层保 护 、报表 。 2 ． 3 物 理设计 在物理设计 阶段 ，需要为逻辑数据模型选择一个符合应用要求的物理结构 包括存储结构和存取方 式 l 4 ] ，来达到提高数据库性能和节省存储空间的 目标。经过对数据存取时间、数据库维护代价和存储 空间利用率的权衡 ，采用 S QL S e r v e r 2 0 0 8数据库。 建立索引是物理设计 的基本任务。为保证主键唯一性检查和引用完整性检查，该设计为数据表的主 键 和外 键都建 立 了索引 。为提 高数 据访 问性 能 ，对 于查 询 中常 需 要 作 为查 询 条 件 的字 段 也 考虑 建 立 索 引 ；例 如在用 户设 计井 下工具 组合 时 ，经 常会 以钻 头尺 寸为查 询条件 来选 择合 适 的钻 头 ，因此 该设计 为 钻 头表 的钻 头尺 寸 B i t S i z e 字段 建立 索 引 。 主键和外键的设计对物理数据库的性能和可用性有重要的影响。该设计用全局唯一标识符 G U I D 作为 主键和外键，它是一个 1 6 字节的十六进制数，在所有的表、数据库和服务器中都是唯一的。相比较用 自增属 性字段作为主键 ，用 G U I D作主键有更高的唯一性，自增属性字段的唯一性仅限于本表，而 G U I D的唯一性 是全局的，这样可以消除联接错误表却返回数据而导致的联接错误_ 4 ；使用 G UI D作主键还可以方便处理分 布式数据的提交 ，这样就可以支持不 同的用户对 同一 口井 同时进行钻井设 计 ；使 用 G UI D作主键还便 于系统 的迁移和数据恢复。在逻辑设计 阶段，在规范化理论的指导下，设计的数据库结构尽可能的避免数据冗余， 但是在物理设计阶段，需要根据业务规则，结合性能要求，折衷考虑。为了提高系统的响应时间，合理的数 据冗余也是必要的。例如在井眼轨迹数据表中 ，井 深 、井 斜角和方位角是 用户的基本输入 ，而垂深 、北坐标 和南坐标可通过井深、井斜角和方位角计算得到，按照 3 N F理论，井眼轨迹数据表应该只包括井深、井斜角 和方位角这三列 ，然而井眼轨迹设计模块需要频繁使用垂深、北坐标和南坐标等信息，而且每一 口井的轨迹 点数量很大，如果每次使用这些信息都需要为大量的轨迹点逐点计算，必然是十分费时的，为提高程序的响 应效率，可在轨迹设计表增加三列来储存垂深、北坐标和南坐标。 3 结论 1 基于对钻井工程数据库需求的分析 ，采用 自底 向上 的方法设计数据库的概念结构首先 为数据 库 所需 支持 的每 个钻井 分析模 块建 立局 部 的 E R模 型 ，然 后 综 合局 部 E R模 型 ，进 行 全局 优 化 ，最 后 得 到全 局 的 E R模 型 。 2 根据 概念设 计 中得 到的 E R模 型 ，以规范 化理论 为 指导 ，设 计 钻井 工 程数 据 库 的逻辑 结 构 。设 计的逻辑数 据库符 合第 三范式 3 NF ；按 照业务 逻辑 ，可把逻 辑数 据库 的 4 1 7张表分 为 5大类 ， 4 2小类 。 3 物理设计为逻辑数据模型选择符合应用要求的物理结构 ；为数据表建立索引，选择合适的主键 和外键的数据类型，通过合理的反范式来优化数据库性能。 4 所设计 的钻井数据库数据表结构优化、内容齐全标准、分类合理 、符合钻井业务流程 ，是钻井 工程设计和工艺软件的数据存储和管理的基础。统一的钻井数据库的建立改变了国内单项钻井软件数据 库各 自独立造成的 “ 信息孤岛”局面 ，使得钻井各设计部门的信息得 以充分共享；统一的钻井数据库的 建立也使海量的钻井数据进行有效存储成为可能 ，为进一步根据钻井历史数据进行数据挖掘和分析_ 5 ] ， 为将 来 的钻井 工作 提供有 效 指导奠 定基 础 。 下转 第 1 0 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 6 石 油天然 气工程 2 0 1 4 年 8 月 2 抗高 温低 密度水 包油 钻井 液体 系在深 层致 密气 藏储 层 段钻 进 过 程 中应 用效 果 良好 ，其 体 系 流 变 性稳 定 ，环空 压耗低 ，润滑性 好 ，储层 伤害 小 ，不仅解 决 了深井水 平段 作业 过程 中的摩 阻 、扭矩较 大 和 环空压耗过高引起井漏的问题 ，还取得 了优异的储层保护效果 ，实现了优快钻井 的 目标。加之其低毒 性 、对环 境友 好 的特点 ，具有 一定 的推 广和应 用前 景 。 。 [ 参考文献] [ 1 ]贾承造 ，郑民 ，张永峰 ．中国非常规油气资源与勘探开发前景 [ J ]．石油勘探与开发 ，2 0 1 2 ， 3 9 2 1 2 9 ～1 3 6 ． [ 2 ]徐海霞 ，王建君 ，齐梅 ．加拿大致密气资产储量评价方法及应用 [ J ]．石油天然 气学报 江汉石油学 院学 报 ，2 0 1 2 ，3 4 8 5 7 ～ 6 1 ． [ 3 ]潘建国 ， 卫平生 ，蔡忠贤，等 ．塔 中地 区中一 下奥陶统碳 酸盐 岩孔洞一 裂缝储集系统 划分 及其特征 [ J ]．地球 科学 中 国地质 大学学 报 ，2 0 1 2 ， 3 7 4 7 5 1 ～ 7 6 2 ． [ 4 ]李皋 ， 孟英峰 ，唐洪明 ．低渗透致密砂岩水 锁损害机理及评价技术 I- M]．成都 四J I I 科学技术出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 5 ]康毅力 ，罗平亚 ．中国致密砂 岩气藏勘探开发关键工程技术现状 与展望 [ J ]．石油勘探与开发，2 0 0 7 ， 3 4 2 2 3 9 ～2 4 5 ． [ 6 ]杨虎 ， 王利 国 ．欠平衡钻井基础理论与实践 [ M]．北京 石油 工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． ． [ 7 ]王健 ， 徐博韬 ，刘兆华 ， 等 ．保护 低孔低渗油气层的钻井液体系 [ J ]．石油 天然气学报 江汉石油学 院学报 ， 2 0 1 1 ，3 2 6 2 7 7 ～ 2 7 9 ． [ 8 ]马勇，崔茂荣 ， 孙 少亮 ．水包油钻井 液国内研究应用进展 [ J ]．断块油气 田，2 0 0 6 ，1 3 t 4 ～6 ． [ 9 ]石林 ， 杨雄文 ，周英操 ，等 ．国产精细控压钻井装备在塔里木盆地 的应用 [ J ]．天然气工业 ， 2 0 1 2 ，3 2 8 6 ～1 0 ． [ 编辑] 帅群 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 5 [ 5 ] [ 6 ] 上接 第 9 4页 [ 参考文献] 樊洪海 ，刘鹏 ，纪荣艺，等 ．新型钻井数 据库设计 [ J ]．断块油气 田，2 0 1 0 ，1 7 3 3 8 2 3 8 4 ． 钱浩东 ，龚俊 ，彭轼 ．国内钻井数据库发展现状及发展应用前景初探 [ J ]．钻采工艺 ，2 o 1 o ，3 3 1 I O 0 t1 0 2 ． 张冬梅 ，周 英操，赵庆 ，等 ．钻井工程设计与工艺软件的发展现状 [ J ]．重庆科技 学院学报 自然科学版 ，2 0 1 2 ，1 4 2 6 6 ～ 6 8 ． Ni e l s e n P a u 1 ．S QL S e r v e r 2 0 0 8宝典 [ M]．马振晗，等译 ．北京 清华大学 出版社 ，2 0 1 1 ． 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 ，2 0 1 1 ，3 4 6 1 ～3 ． 王英伟 ，王满 ．钻井数据库结构 的分析与设计 [ A]．2 0 1 0 3 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o mp u t a t io n a l I n t e l l i g e n c e a n d I n d u s t r i a l Ap p l i c a t i o n P ACI I A[ c ]．武汉 ，2 o 1 0 1 2 - o 4 ～0 5 ． [ 编辑] 黄鹂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m