鉆井工程數(shù)據(jù)庫的研究和設(shè)計(jì)

史肖燕，趙慶，宋鵬，蔣宏偉（中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195）

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)信息科學(xué)的進(jìn)步，鉆井信息的管理與應(yīng)用越來越顯示出它的重要性?？茖W(xué)合理地利用鉆井信息對(duì)鉆井工程管理和決策起著至關(guān)重要的作用。高效應(yīng)用鉆井信息的關(guān)鍵就是要建立一個(gè)全面、合理、詳細(xì)、標(biāo)準(zhǔn)的鉆井工程數(shù)據(jù)庫，來對(duì)海量的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。中國石油天然氣總公司在1995年頒布了 《SY／T 5705—1995石油鉆井工程數(shù)據(jù)庫文件格式》，目前國內(nèi)各油田的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫大都依照該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的［1］。然而，隨著鉆井技術(shù)的飛速發(fā)展和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的快速變更，這些數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要，也不能適應(yīng)計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展需要［2］。因此，新的能支持先進(jìn)鉆井技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫的建立有其重要意義。

1 需求分析

筆者設(shè)計(jì)的鉆井工程數(shù)據(jù)庫要為鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝軟件提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，需支持該軟件所有模塊的功能和數(shù)據(jù)需求，以達(dá)到數(shù)據(jù)一次錄入，多處使用的目的；設(shè)計(jì)的鉆井工程數(shù)據(jù)庫要確保數(shù)據(jù)正確地分布到數(shù)據(jù)庫的表中，以便于上層軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存取操作，確保上層軟件的性能；設(shè)計(jì)的鉆井工程數(shù)據(jù)庫需具有可擴(kuò)展性，在有新的功能模塊加入鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝軟件時(shí)，數(shù)據(jù)庫能方便地添加新表來支持新的業(yè)務(wù)邏輯，而不需要大面積地修改原有數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；同時(shí)，所設(shè)計(jì)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫需支持新的鉆井技術(shù)，如定向井技術(shù)、分支井技術(shù)、欠平衡技術(shù)等，也支持先進(jìn)的LWD（logging while drilling，隨鉆錄井工具）和 MWD（measure while drilling，隨鉆測(cè)量工具）。

2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

2.1 概念設(shè)計(jì)

概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在需求分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出獨(dú)立于計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的概念模型。概念模型一般用實(shí)體－聯(lián)系（Entity－Relationship）方法來表示。筆者采用自低向上方法進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，即先把整個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)局部，設(shè)計(jì)各局部應(yīng)用的E－R模型，然后將局部的E－R模型集成為全局的E－R模型，最后對(duì)全局E－R模型進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)的鉆井工程數(shù)據(jù)庫要支持鉆井設(shè)計(jì)和工藝軟件。鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝軟件的功能模塊包括鉆井設(shè)計(jì)自動(dòng)生成、鉆井周期成本分析、鉆井?dāng)?shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘、地層壓力預(yù)測(cè)分析與監(jiān)測(cè)、井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、井眼軌跡設(shè)計(jì)與分析、巖石力學(xué)分析、鉆柱力學(xué)分析、鉆井液設(shè)計(jì)與分析、井控設(shè)計(jì)與分析、控壓鉆井設(shè)計(jì)與分析、欠平衡／氣體鉆井設(shè)計(jì)與分析、固井設(shè)計(jì)與分析、鉆井實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與技術(shù)決策等［3］；對(duì)這些模塊的功能及其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些模塊都需要有一些相同的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如分析模塊所針對(duì)的井、油田等信息，為避免數(shù)據(jù)冗余，達(dá)到各模塊間數(shù)據(jù)共享的目的；在概念設(shè)計(jì)階段提取這些鉆井工程設(shè)計(jì)的基本信息，建立E－R模型（如圖1所示）。建立的模型包括區(qū)塊、油田、井、井眼等實(shí)體，一個(gè)區(qū)塊包含一個(gè)或多個(gè)油田，一個(gè)油田又包含一個(gè)或多個(gè)井，為支持分支井技術(shù)，該設(shè)計(jì)加入了井眼的概念，一個(gè)井可以有多個(gè)井眼。

除了這些共有數(shù)據(jù)外，每個(gè)模塊都有其特有的數(shù)據(jù)，例如井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析需要有井身結(jié)構(gòu)明細(xì)、井身結(jié)構(gòu)圖、井口裝置明細(xì)和井口裝置圖等信息；鉆井液設(shè)計(jì)與分析需要有鉆井液性能設(shè)計(jì)、鉆井液處理要求、鉆井液處理配方設(shè)計(jì)和鉆井液用量設(shè)計(jì)等數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)模塊都作局部E－R模型設(shè)計(jì)，以鉆柱力學(xué)分析模塊為例，圖2即是該模塊的E－R模型。鉆柱力學(xué)分析模塊的數(shù)據(jù)以鉆井方案為核心，鉆井方案包含進(jìn)行鉆柱力學(xué)分析所需的各種參數(shù)：井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合和流體參數(shù)，分析所得的結(jié)果也與鉆井方案一一對(duì)應(yīng)，例如摩阻分析結(jié)果、卡鉆分析結(jié)果和振動(dòng)分析結(jié)果；分析所需的參數(shù)和分析所得的結(jié)果通過鉆井方案聯(lián)系起來。這樣的模型具有很好的擴(kuò)展性，當(dāng)有新的分析算法加入模塊時(shí)，只要增加新的參數(shù)實(shí)體和計(jì)算結(jié)果實(shí)體，而不需要修改已有的實(shí)體。

各局部應(yīng)用的E－R模型建立后，把這些模型集成為全局的E－R模型，并進(jìn)行全局優(yōu)化。在進(jìn)行全局優(yōu)化時(shí)，可發(fā)現(xiàn)有些模塊的數(shù)據(jù)可以共享，例如鉆柱力學(xué)分析模塊和井眼軌跡設(shè)計(jì)與分析模塊都要用到井眼軌跡數(shù)據(jù)，固井設(shè)計(jì)與分析模塊和井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析模塊都要用到井身結(jié)構(gòu)明細(xì)數(shù)據(jù)，因此調(diào)整設(shè)計(jì)，把這些共享的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)成單獨(dú)的實(shí)體，多模塊同時(shí)與該實(shí)體建立關(guān)系。

圖1 鉆井工程設(shè)計(jì)基本信息的E－R圖

2.2 邏輯設(shè)計(jì)

邏輯設(shè)計(jì)階段的任務(wù)就是把E－R模型轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持的數(shù)據(jù)模型。在邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，用數(shù)據(jù)表來代表E－R模型中的實(shí)體，數(shù)據(jù)表中的屬性列就是實(shí)體的屬性，每個(gè)數(shù)據(jù)表都有唯一的主鍵來唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)實(shí)體；實(shí)體間的關(guān)系用表中的主鍵和外鍵來表示。如圖3所示，鉆井工程設(shè)計(jì)基本信息E－R圖中的區(qū)塊、油田、井和井眼的實(shí)體被轉(zhuǎn)換成了對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，表的每一行就是一個(gè)屬性；以井眼表為例，井眼表中有主鍵ID和外鍵井ID，主鍵唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)井眼，外鍵指向一個(gè)井的主鍵，多個(gè)井眼的外鍵可以指向同一個(gè)井的主鍵，這就實(shí)現(xiàn)了實(shí)體關(guān)系中一對(duì)多的聯(lián)系。

圖2 鉆柱力學(xué)模塊E－R圖

圖3 鉆井工程設(shè)計(jì)基本信息的邏輯圖

邏輯設(shè)計(jì)是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，好的邏輯設(shè)計(jì)能為優(yōu)化數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序性能打下基礎(chǔ)，反之會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此在通過把E－R模型轉(zhuǎn)換，得到初步的數(shù)據(jù)模型之后，需要以規(guī)范化理論為指導(dǎo)對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化。筆者設(shè)計(jì)的邏輯數(shù)據(jù)庫符合第三范式（3NF），遵守3NF標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫的表設(shè)計(jì)原則是：“one fact in one place”，即某個(gè)表只包括其本身基本的屬性，不是它們本身所具有的屬性需進(jìn)行分解。通過規(guī)范化的優(yōu)化，生成的數(shù)據(jù)表減少了數(shù)據(jù)冗余，保證了數(shù)據(jù)的一致性和完整性，清楚地表達(dá)了數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系，節(jié)約了存儲(chǔ)空間，并且加快了增、刪、改的速度。

根據(jù)鉆井業(yè)務(wù)邏輯，邏輯設(shè)計(jì)所得的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫分成5大類，分別為鉆井工程設(shè)計(jì)基本信息庫，鉆井設(shè)計(jì)庫，鉆井工程庫，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，輔助信息庫；每大類又各自包括幾個(gè)小類，其中鉆井設(shè)計(jì)庫包括13個(gè)小類：鉆井設(shè)計(jì)審批、鉆井地質(zhì)、定向井、井眼軌跡、井身結(jié)構(gòu)、鉆機(jī)、鉆具、鉆井液、鉆井參數(shù)、費(fèi)用預(yù)算、固井、欠平衡、鉆柱力學(xué)，鉆井工程庫包括18個(gè)小類：日常生產(chǎn)管理、鉆井設(shè)備、鉆具管理、鉆井地質(zhì)、鉆井基本情況、特殊工藝井、鉆井工藝參數(shù)、鉆具使用、事故復(fù)雜、取心、測(cè)井及錄井、固井、完井、井控、鉆井液及完井液、油層保護(hù)、中途測(cè)試、欠平衡，輔助信息庫包括11個(gè)小類：設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、鉆井地質(zhì)、鉆井液、鉆井設(shè)備、儀器儀表、鉆具管理、鉆井隊(duì)伍、鉆井液及完井液、灘海石油鉆井、油層保護(hù)、報(bào)表。

2.3 物理設(shè)計(jì)

在物理設(shè)計(jì)階段，需要為邏輯數(shù)據(jù)模型選擇一個(gè)符合應(yīng)用要求的物理結(jié)構(gòu)（包括存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)和存取方式）［4］，來達(dá)到提高數(shù)據(jù)庫性能和節(jié)省存儲(chǔ)空間的目標(biāo)。經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)存取時(shí)間、數(shù)據(jù)庫維護(hù)代價(jià)和存儲(chǔ)空間利用率的權(quán)衡，采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫。

建立索引是物理設(shè)計(jì)的基本任務(wù)。為保證主鍵唯一性檢查和引用完整性檢查，該設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)表的主鍵和外鍵都建立了索引。為提高數(shù)據(jù)訪問性能，對(duì)于查詢中常需要作為查詢條件的字段也考慮建立索引；例如在用戶設(shè)計(jì)井下工具組合時(shí)，經(jīng)常會(huì)以鉆頭尺寸為查詢條件來選擇合適的鉆頭，因此該設(shè)計(jì)為鉆頭表的鉆頭尺寸（BitSize）字段建立索引。

主鍵和外鍵的設(shè)計(jì)對(duì)物理數(shù)據(jù)庫的性能和可用性有重要的影響。該設(shè)計(jì)用全局唯一標(biāo)識(shí)符（GUID）作為主鍵和外鍵，它是一個(gè)16字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)，在所有的表、數(shù)據(jù)庫和服務(wù)器中都是唯一的。相比較用自增屬性字段作為主鍵，用GUID作主鍵有更高的唯一性，自增屬性字段的唯一性僅限于本表，而GUID的唯一性是全局的，這樣可以消除聯(lián)接錯(cuò)誤表卻返回?cái)?shù)據(jù)而導(dǎo)致的聯(lián)接錯(cuò)誤［4］；使用GUID作主鍵還可以方便處理分布式數(shù)據(jù)的提交，這樣就可以支持不同的用戶對(duì)同一口井同時(shí)進(jìn)行鉆井設(shè)計(jì)；使用GUID作主鍵還便于系統(tǒng)的遷移和數(shù)據(jù)恢復(fù)。在邏輯設(shè)計(jì)階段，在規(guī)范化理論的指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)盡可能的避免數(shù)據(jù)冗余，但是在物理設(shè)計(jì)階段，需要根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則，結(jié)合性能要求，折衷考慮。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，合理的數(shù)據(jù)冗余也是必要的。例如在井眼軌跡數(shù)據(jù)表中，井深、井斜角和方位角是用戶的基本輸入，而垂深、北坐標(biāo)和南坐標(biāo)可通過井深、井斜角和方位角計(jì)算得到，按照3NF理論，井眼軌跡數(shù)據(jù)表應(yīng)該只包括井深、井斜角和方位角這三列，然而井眼軌跡設(shè)計(jì)模塊需要頻繁使用垂深、北坐標(biāo)和南坐標(biāo)等信息，而且每一口井的軌跡點(diǎn)數(shù)量很大，如果每次使用這些信息都需要為大量的軌跡點(diǎn)逐點(diǎn)計(jì)算，必然是十分費(fèi)時(shí)的，為提高程序的響應(yīng)效率，可在軌跡設(shè)計(jì)表增加三列來儲(chǔ)存垂深、北坐標(biāo)和南坐標(biāo)。

3 結(jié)論

1）基于對(duì)鉆井工程數(shù)據(jù)庫需求的分析，采用自底向上的方法設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的概念結(jié)構(gòu)：首先為數(shù)據(jù)庫所需支持的每個(gè)鉆井分析模塊建立局部的E－R模型，然后綜合局部E－R模型，進(jìn)行全局優(yōu)化，最后得到全局的E－R模型。

2）根據(jù)概念設(shè)計(jì)中得到的E－R模型，以規(guī)范化理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)鉆井工程數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的邏輯數(shù)據(jù)庫符合第三范式（3NF）；按照業(yè)務(wù)邏輯，可把邏輯數(shù)據(jù)庫的417張表分為5大類，42小類。

3）物理設(shè)計(jì)為邏輯數(shù)據(jù)模型選擇符合應(yīng)用要求的物理結(jié)構(gòu)；為數(shù)據(jù)表建立索引，選擇合適的主鍵和外鍵的數(shù)據(jù)類型，通過合理的反范式來優(yōu)化數(shù)據(jù)庫性能。

4）所設(shè)計(jì)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)優(yōu)化、內(nèi)容齊全標(biāo)準(zhǔn)、分類合理、符合鉆井業(yè)務(wù)流程，是鉆井工程設(shè)計(jì)和工藝軟件的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的基礎(chǔ)。統(tǒng)一的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫的建立改變了國內(nèi)單項(xiàng)鉆井軟件數(shù)據(jù)庫各自獨(dú)立造成的 “信息孤島”局面，使得鉆井各設(shè)計(jì)部門的信息得以充分共享；統(tǒng)一的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫的建立也使海量的鉆井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)成為可能，為進(jìn)一步根據(jù)鉆井歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析［5］，為將來的鉆井工作提供有效指導(dǎo)奠定基礎(chǔ)。

［1］樊洪海，劉鵬，紀(jì)榮藝，等 .新型鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) ［J］.斷塊油氣田，2010，17（3）：382～384.

［2］錢浩東，龔俊，彭軾 .國內(nèi)鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展應(yīng)用前景初探 ［J］.鉆采工藝，2010，33（1）：100～102.

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