鉆完井液數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)與實(shí)踐

郭凱偉 劉文成 廖正毅 肖劍 楊小玲

中海油田服務(wù)股份有限公司 河北 三河 065201

數(shù)據(jù)是描述事物的符號(hào)記錄，而模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的抽象[1]。數(shù)據(jù)模型是對(duì)數(shù)據(jù)特征的抽象，故其既要結(jié)構(gòu)清晰、邏輯合理的模擬現(xiàn)實(shí)世界，又要滿足對(duì)數(shù)據(jù)管理與操作等方面的要求，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)約束三方面的內(nèi)容。數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)需要對(duì)業(yè)務(wù)和行業(yè)的數(shù)據(jù)模型發(fā)展歷史足夠了解，同時(shí)還需要精通數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論。

國(guó)際石油行業(yè)很早就開始了相關(guān)的研究，1988年建立的公共石油數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)研究和發(fā)布了涵蓋上游勘探與開發(fā)、下游煉油與管道集輸業(yè)務(wù)的公共石油數(shù)據(jù)模型（PPDM）。1990年由英國(guó)石油勘探公司（BP Exploration）、雪佛龍股份有限公司（Chevron Corporation）、埃爾夫阿奎坦集團(tuán)公司（Elf Aquitaine）等公司發(fā)起成立POSC組織，發(fā)布了POSC Epicentre數(shù)據(jù)模型[2]。2019年，由多家國(guó)際領(lǐng)先的油氣公司、技術(shù)公司共同組成OSDU技術(shù)聯(lián)盟，旨在為石油和天然氣行業(yè)提供一個(gè)開放的、基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下和油井?dāng)?shù)據(jù)的安全性、可靠性、全球性及高效性的訪問，加速油氣行業(yè)的深度融合與創(chuàng)新[3]。

中國(guó)國(guó)內(nèi)從1991年發(fā)布了第一版《油田勘探、開發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)字典》。中國(guó)石油借鑒POSC建模理念，結(jié)合勘探開發(fā)的實(shí)際需求形成了EPDM數(shù)據(jù)模型，以實(shí)體為主線，覆蓋勘探、開發(fā)、生產(chǎn)等大部分上游業(yè)務(wù)[4]。中國(guó)石化借鑒POSC模型的設(shè)計(jì)思想，以石油勘探開發(fā)業(yè)務(wù)對(duì)象為核心，研發(fā)形成了中國(guó)石化油氣勘探開發(fā)數(shù)據(jù)模型（SPDM）和中國(guó)石化勘探開發(fā)業(yè)務(wù)模型（SPBM）[5]。

1 研究思路與步驟

數(shù)據(jù)作為信息系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)的共享是建立數(shù)據(jù)庫(kù)的最基本動(dòng)因。雖然企業(yè)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理活動(dòng)會(huì)經(jīng)常變化，但只要企業(yè)的目標(biāo)與業(yè)務(wù)范疇不變，數(shù)據(jù)本身是基本穩(wěn)定的，變化的只是數(shù)據(jù)的處理過程。數(shù)據(jù)獨(dú)立于程序，規(guī)范、穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)模型由多個(gè)具有原子性、演繹性和規(guī)范性的“基本表”組成，保證數(shù)據(jù)從源頭采集、處理、使用和存儲(chǔ)，以達(dá)到“一次采集，無限應(yīng)用”的目的。

數(shù)據(jù)模型一般是為了某一具體的功能、應(yīng)用或系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，故其首先要滿足業(yè)務(wù)的需要，參考同行對(duì)數(shù)據(jù)模型的建立方法與步驟，建模分為以下幾步：

業(yè)務(wù)調(diào)研與業(yè)務(wù)域劃分：開展鉆完井液業(yè)務(wù)調(diào)研，按照專業(yè)、管理職能或生命周期劃分業(yè)務(wù)域，再識(shí)別不同業(yè)務(wù)域下的主要業(yè)務(wù)活動(dòng)。

數(shù)據(jù)采集情況分析：弄清相關(guān)數(shù)據(jù)填報(bào)的對(duì)象及主要頻率與內(nèi)容。

數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)：采用實(shí)體聯(lián)系模式圖（E-R）圖的方式設(shè)計(jì)概念模型，并在此基礎(chǔ)上提煉出主數(shù)據(jù)模型，再開展邏輯模型設(shè)計(jì)和在數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理化。

2 鉆完井液業(yè)務(wù)調(diào)研及分析

2.1 業(yè)務(wù)域劃分

基于上級(jí)公司對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄的劃分，鉆完井液屬于井筒工程業(yè)務(wù)域，按照業(yè)務(wù)流程分為招投標(biāo)、設(shè)計(jì)、施工、完工總結(jié)四大階段，見圖1，人員、設(shè)備、物料貫穿所有的工作。

圖1 鉆完井液業(yè)務(wù)流程分析

招投標(biāo)主要包含項(xiàng)目招投標(biāo)和作業(yè)任務(wù)下發(fā)兩項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)，實(shí)際上相關(guān)的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)量較少。設(shè)計(jì)階段主要包括設(shè)計(jì)方案編寫及審核、質(zhì)量策劃書編寫及審核和委托試驗(yàn)三項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)。施工階段是所有流程的重點(diǎn)，主要包括作業(yè)準(zhǔn)備、施工作業(yè)、材料管理、復(fù)雜情況及處理、變更管理五項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)。完工總結(jié)階段主要包括項(xiàng)目完工總結(jié)編寫、技術(shù)案例編寫、費(fèi)用核算、資料收集與提交四項(xiàng)業(yè)務(wù)活動(dòng)。

2.2 數(shù)據(jù)采集情況分析

目前鉆完井液的招投標(biāo)、設(shè)計(jì)與完工總結(jié)基本在線下進(jìn)行，主要以報(bào)告的形式體現(xiàn)。施工階段數(shù)據(jù)通過一個(gè)單機(jī)版的軟件采集，主要分為開鉆前填寫、每日填寫、按實(shí)際發(fā)生的故障填寫、按井段填寫、按現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況填寫五部分，主要填寫的內(nèi)容和頻率，見圖2。

圖2 鉆完井液施工階段采集的數(shù)據(jù)情況

3 數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)分為概念模型設(shè)計(jì)、邏輯模型設(shè)計(jì)、物理模型設(shè)計(jì)。概念模型設(shè)計(jì)就是將調(diào)研分析得來的信息抽象為信息結(jié)構(gòu)的過程，一般采用E-R圖表示。邏輯模型設(shè)計(jì)就是把概念模型設(shè)計(jì)好的E-R圖轉(zhuǎn)換為與數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品所支持的邏輯結(jié)構(gòu)，最重要的工作就是將實(shí)體型和實(shí)體間的聯(lián)系轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式，并確定這些關(guān)系模式的屬性和碼，通常用PowerDesigner、Navicat等專業(yè)軟件設(shè)計(jì)。物理模型設(shè)計(jì)就是把一個(gè)給定的邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換最符合應(yīng)用要求的物理結(jié)構(gòu)的過程，常用的PowerDesigner等軟件可以直接將邏輯模型轉(zhuǎn)換為物理模型。

3.1 概念模型設(shè)計(jì)

對(duì)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)研、分析、劃分與歸類是概念模型設(shè)計(jì)階段最主要的工作，同時(shí)也是工作量最大、最繁瑣、最細(xì)則的工作。調(diào)研的任務(wù)是要調(diào)查現(xiàn)實(shí)世界要處理的對(duì)象、原系統(tǒng)的工作概況、用戶的需求等，同時(shí)分析清楚數(shù)據(jù)項(xiàng)的含義及處理過程，尤其要弄清用戶有無新功能的需求，因?yàn)樾滦枨蟊厝粚?duì)應(yīng)著有新的數(shù)據(jù)需求，若不提前考慮可能存在的擴(kuò)充與改變，今后很可能面臨全部推倒重來的困境。

對(duì)鉆完井液核心業(yè)務(wù)實(shí)體、屬性及聯(lián)系（見圖3），油氣田是石油工業(yè)中最核心的資產(chǎn)，通過在地面打井來開采獲取地下的油氣資源。井是在地面位置確實(shí)存在的、具有唯一地理坐標(biāo)的實(shí)體，所有的勘探開發(fā)活動(dòng)最終都通過井來實(shí)現(xiàn)價(jià)值。井筒描述了井從井口到井底的軌跡信息，用于區(qū)分地下與地面的不同概念。井段即通俗的開次，是鉆完井液的具體業(yè)務(wù)開展的對(duì)象，一個(gè)井段一般選擇同一種鉆完井液體系材料，現(xiàn)場(chǎng)也常以井段作為一次作業(yè)周期；同時(shí)井段也是核算人員費(fèi)率、物料消耗、設(shè)備使用時(shí)長(zhǎng)等的最小單元。

圖3 鉆完井液核心業(yè)務(wù)實(shí)體、屬性及聯(lián)系圖

3.2 主數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)

主數(shù)據(jù)作為企業(yè)中具有高業(yè)務(wù)價(jià)值的、跨越各業(yè)務(wù)部門被重復(fù)使用的數(shù)據(jù)，是企業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享的“語言”，一般在概念模型設(shè)計(jì)后進(jìn)行識(shí)別、提取與建立[6]。

鉆完井液業(yè)務(wù)屬于油田服務(wù)行業(yè)，作為生產(chǎn)施工單位，地質(zhì)、工程等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于甲方，在模型設(shè)計(jì)上應(yīng)該繼承甲方的結(jié)構(gòu)。本次主數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)以實(shí)體為主線，依次分為甲方業(yè)務(wù)單位、地質(zhì)單元、井、井筒、井段、完鉆層位。這六個(gè)基本實(shí)體之間存在著向下包含的父子約束關(guān)系，將鉆完井液的所有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機(jī)的、完整的結(jié)合起來，形成一體化的數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足各個(gè)層級(jí)的應(yīng)用需求。

地質(zhì)單元實(shí)體主要參考甲方，既包括了勘探上的盆地、構(gòu)造、圈閉等構(gòu)造單元，也包括開發(fā)上的油氣田、開發(fā)區(qū)、區(qū)塊等油氣單元，各層級(jí)根據(jù)實(shí)際需求劃分，方便管理與統(tǒng)計(jì)分析[7]。井是石油行業(yè)最關(guān)心的實(shí)體，一口井可以包含多個(gè)井筒，以解決實(shí)際上存在的一井多筒的情況。完井層位包括勘探上的完井層段和開發(fā)上的生產(chǎn)層段，完井層段決定了后期的生產(chǎn)層段，共設(shè)計(jì)了主數(shù)據(jù)表15張，數(shù)據(jù)項(xiàng)213個(gè)。

3.3 邏輯模型設(shè)計(jì)

基于設(shè)計(jì)好的E-R圖和主數(shù)據(jù)模型，為了保證各個(gè)階段數(shù)據(jù)表不遺漏，在每張?jiān)O(shè)計(jì)圖上先標(biāo)注清楚本圖中內(nèi)容所處的業(yè)務(wù)域、業(yè)務(wù)活動(dòng)與業(yè)務(wù)對(duì)象，再對(duì)某一具體的業(yè)務(wù)對(duì)象開展分析，遵從數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的三大范式，依次開展相關(guān)數(shù)據(jù)表、字段、關(guān)系的設(shè)計(jì)，可以同時(shí)將相關(guān)附表設(shè)計(jì)出來，見圖4。

圖4 鉆完井液邏輯模型設(shè)計(jì)圖（部分）

邏輯模型設(shè)計(jì)經(jīng)歷兩輪，首輪先盡量列全所有的數(shù)據(jù)表、字段、關(guān)系，第二輪中再進(jìn)行合并、規(guī)范和優(yōu)化。邏輯模型的設(shè)計(jì)并不是唯一的，其規(guī)范化程度并不是越高越好，為了方便使用，通常會(huì)做一些適度的冗余與合并設(shè)計(jì)[8]，如將油田相關(guān)的信息都劃到了油田信息表中，本次共設(shè)計(jì)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表236張，數(shù)據(jù)項(xiàng)3329個(gè)。

4 結(jié)束語

通過對(duì)石油行業(yè)數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)思路的理解，對(duì)鉆完井液業(yè)務(wù)的調(diào)研與梳理，采用E-R圖開展鉆完井液概念模型設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上提煉出主數(shù)據(jù)模型，進(jìn)而完成邏輯模型設(shè)計(jì)，共設(shè)計(jì)主數(shù)據(jù)表15張，數(shù)據(jù)項(xiàng)213個(gè)；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表236張，數(shù)據(jù)項(xiàng)3329個(gè)。同時(shí)完成了邏輯模型在人大金倉(cāng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的物理化，遷入部分歷史數(shù)據(jù)，目前整套模型運(yùn)行良好，較好的支撐了業(yè)務(wù)的需求。