石油鉆機選型配置軟件研發(fā)

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(1.中國石油集團 工程技術研究院有限公司，北京 102200; 2.中油國際(乍得)有限責任公司,北京 100034)①

石油鉆機是實現(xiàn)石油鉆井，完成勘探開發(fā)任務的重要裝備，是集機、電、液、氣于一體的大型多功能聯(lián)合工作機組[1-3]。選擇鉆機型號和配置鉆機設備時僅僅考慮鉆井深度因素是不全面的，要充分綜合考慮鉆機的技術特性和所鉆井的井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)合、設計井地區(qū)的地質(zhì)條件和鉆井工藝技術要求等多方面的條件[4-8]。尤其是近年來隨著石油勘探開發(fā)范圍的擴大、鉆井條件的日益苛刻、鉆井難度的不斷提高、新工藝新技術的不斷應用，對石油鉆機的技術性能提出了更高要求，利用科學方法對鉆機選型及優(yōu)化設備配置的重要性愈加凸顯。鉆機選型與設備配置合理與否不僅影響到鉆井效率、鉆井生產(chǎn)成本、企業(yè)利潤，甚至直接影響鉆井工藝能否實現(xiàn)。將計算機信息技術和鉆機設計理論、鉆機選型配套的基本原則、相關技術標準規(guī)范等相結(jié)合，研發(fā)了一套鉆機選型配置軟件，幫助石油工程領域的技術人員從繁瑣的查表、計算、校核等工作中解放出來，高效科學地選擇鉆機型號及合理配置鉆機設備。

1 軟件功能分析

鉆機選型配置軟件是利用計算機軟件強大的計算和邏輯分析能力，將鉆機系統(tǒng)設計理論與計算機軟件技術相結(jié)合的產(chǎn)物，應在軟件設計理論研究和軟件工程的基礎上側(cè)重于石油鉆采機械和石油鉆井工程的相關理論知識。欲實現(xiàn)軟件科學選擇鉆機及合理配置鉆機設備，本軟件必須具有以下功能：豐富完整的鉆機設備技術參數(shù)供設計人員查看及選擇；成熟的鉆機配套方案知識庫供設計人員參考；科學的選型配置算法作為鉆機選型配置依據(jù)；輸出所需要的結(jié)果。因此，本軟件包括鉆機單元常量維護數(shù)據(jù)庫、鉆機預置方案知識庫、鉆機選型和信息顯示4個主要功能模塊。

2 軟件架構(gòu)及程序流程設計

2.1 軟件架構(gòu)設計

軟件結(jié)構(gòu)的規(guī)劃是軟件開發(fā)的難點，合理的結(jié)構(gòu)可以減輕開發(fā)的工作量，提高軟件的性能。本軟件的總體技術架構(gòu)如圖1所示，包括業(yè)務應用層、組件服務層、數(shù)據(jù)存儲層。數(shù)據(jù)存儲層按照業(yè)務梳理進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分類存儲與服務；組件服務層通過各類標準組件及服務實現(xiàn)框架建設，并為插件開發(fā)提供實現(xiàn)標準，使得框架與插件有機結(jié)合。業(yè)務應用層按照業(yè)務需求，構(gòu)建用戶業(yè)務操作主界面，通過用戶主界面將業(yè)務功能插件進行組合，實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務功能。

圖1 系統(tǒng)的技術架構(gòu)

2.2 軟件程序流程設計

通過對本軟件的功能需求分析和架構(gòu)設計，進一步理清各功能模塊的邏輯關系。鉆機選型配置方式可以是智能選型和手動選型，智能選型是指完成全部選型參數(shù)計算后，按照程序內(nèi)部配置算法自動生成多套配置方案供選擇；手動選型則是根據(jù)鉆機各系統(tǒng)選型參數(shù)計算結(jié)果，按鉆機設計的邏輯順序分系統(tǒng)選擇符合要求的設備。鉆機配置預置方案知識庫、鉆機單元常量維護數(shù)據(jù)庫等，為鉆機選型配置模塊提供數(shù)據(jù)支撐。鉆機選型配置模塊通過設計所要求的相關數(shù)據(jù)信息及系數(shù)的輸入或提取，完成起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)固控系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等各系統(tǒng)的選型參數(shù)計算，并按相應的選型配置算法完成鉆機選型配置。在明確軟件的功能邏輯關系后，完成本軟件開發(fā)的第一步——設計選型軟件的流程圖，流程圖明確了軟件的流程和各個步驟所完成的工作。如圖2所示。

圖2 軟件程序流程

3 軟件功能

3.1 鉆機配置預置方案知識庫

鉆機配置預置方案知識庫是在查閱大量文獻資料與調(diào)研現(xiàn)有鉆機選型配置的基礎上，參照了設計專家的經(jīng)驗總結(jié)和成熟可行的鉆機設備配置方案的研究成果，規(guī)劃出若干套鉆機配置方案算法作為鉆機配置參考。設計人員在鉆機選型配置設計時，若設計的區(qū)塊與鉆機預置方案知識庫中預存的方案為同一區(qū)塊，或設計井與歷史井的井型相同時，可直接調(diào)用該配置方案，或?qū)⒖寂渲梅桨干宰餍薷男纬尚碌呐渲梅桨?，以提高設計效率，確保設計質(zhì)量。鉆機預置方案的數(shù)據(jù)可根據(jù)實際情況增加或刪除，還可將新設計的鉆機配置方案成果入庫，以確保設計的先進性。

3.2 鉆機裝備單元常量維護

該模塊實現(xiàn)常用鉆機單元常量維護功能。設備數(shù)據(jù)庫的設計主要是進行關系型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計。設備數(shù)據(jù)庫以鉆機八大系統(tǒng)進行分類，包括鉆機八大系統(tǒng)的所有主要設備的技術參數(shù)和廠家信息，按所屬系統(tǒng)和類型實現(xiàn)樹形展示。設備數(shù)據(jù)庫具有錄入、修改、刪除、查詢、存儲等基本功能，可供用戶后期維護擴展，進一步增加設備的廠家和型號，并可刪除掉落后設備，提高設備常量庫的實時有效性。

3.3 鉆機選型及配置

鉆機選型及設備配置是按照一定的約束條件進行匹配的，選型約束條件包括選型原則、選型要求、設計規(guī)范、國家和行業(yè)標準等要求。設備匹配時既要滿足功能上匹配，又要滿足技術參數(shù)匹配，技術參數(shù)的匹配是以參數(shù)計算為依據(jù)?；趨?shù)計算的選型配置方式可以是智能選型和手動選型。

1) 選型參數(shù)計算。參數(shù)計算是鉆機選型配置實現(xiàn)的基礎，以輸入或提取井的鉆井設計基本信息數(shù)據(jù)為計算起點，根據(jù)鉆機系統(tǒng)設計、鉆井設計等理論計算設備的極限參數(shù)，如最大鉤載、最大快繩拉力、最大泵壓、最大泵組排量、最大泵組功率、最大轉(zhuǎn)矩、動力機的最大功率等。參數(shù)計算時要考慮冗余度。參數(shù)計算的數(shù)據(jù)輸入可根據(jù)設計要求手動輸入，也可提取鉆井設計或其他文檔的數(shù)據(jù)。本軟件建立的選型參數(shù)計算涉及起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)固控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等關鍵設備的參數(shù)計算，各系統(tǒng)參數(shù)計算有一定關聯(lián)，起升系統(tǒng)的參數(shù)計算是基礎。

2) 智能選型。全面分析鉆機設備匹配的所有約束條件，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學限制條件或者邏輯限制條件，建立智能選型配置算法模型庫。依據(jù)選型參數(shù)計算系統(tǒng)的計算結(jié)果，通過調(diào)用智能選型配置算法模型庫及鉆機配置預置方案知識庫進行選擇組合，自動從預置方案知識庫中篩選推介出符合要求的多個可選方案，然后經(jīng)比對分析選擇其中的某個最佳方案，或?qū)λx擇方案編輯后形成新的方案，編輯時所查詢的鉆機設備數(shù)據(jù)從鉆機單元常量庫提取。

3) 手動選型。根據(jù)鉆機設備匹配的所有約束條件，梳理鉆機各大系統(tǒng)的選型要求，分別建立起升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、井控系統(tǒng)等各系統(tǒng)主要設備的選型配置算法。依據(jù)各系統(tǒng)的相關參數(shù)計算結(jié)果，調(diào)用鉆機單元管理數(shù)據(jù)庫，過濾無效設備，通過查看優(yōu)選計算后的設備常量表，分系統(tǒng)按鉆機設計的邏輯順序，逐個篩選出符合條件的主要設備，選好后關聯(lián)預設的設備連接規(guī)則選擇輔助裝置，然后綜合形成配套方案。

3.4 信息顯示模塊

為全面地給設計人員提供幫助，信息顯示模塊提供軟件運行過程中各種信息顯示、圖形生成、文檔輸出及打印等功能。例如對于設計完成的每套鉆機配套方案中，可以顯示及生成基于Excel的設備詳細參數(shù)表。

4 結(jié)語

本文介紹了中國石油集團工程技術研究院有限公司研發(fā)的鉆機選型配置軟件，軟件以豐富的鉆機單元管理數(shù)據(jù)庫作數(shù)據(jù)支撐，先進的鉆機預置方案知識庫作參考、完善強大的參數(shù)計算和選型配置算法為科學依據(jù)。本軟件的應用可幫助設計人員建設鉆機配置的信息化解決方案，在鉆機選型時快速、便捷、準確，有理可依，有據(jù)可循；使設計的鉆機配置方案更加科學、實用、經(jīng)濟，提高了設計質(zhì)量和效率，減輕設計人員的勞動強度。本軟件可以單獨使用，也可嵌入到其他軟件，例如鉆井工程設計軟件中作為一個模塊插件應用。