石油鉆機選型配置軟件研發

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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

石油鉆機是實現石油鉆井，完成勘探開發任務的重要裝備，是集機、電、液、氣于一體的大型多功能聯合工作機組[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構、鉆具結合、設計井地區的地質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、鉆井生產成本、企業利潤，甚至直接影響鉆井工藝能否實現。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、相關技術標準規范等相結合，研發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，將鉆機系統設計理論與計算機軟件技術相結合的產物，應在軟件設計理論研究和軟件工程的基礎上側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；輸出所需要的結果。因此，本軟件包括鉆機單元常量維護數據庫、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 軟件架構及程序流程設計

2.1 軟件架構設計

軟件結構的規劃是軟件開發的難點，合理的結構可以減輕開發的工作量，提高軟件的性能。本軟件的總體技術架構如圖1所示，包括業務應用層、組件服務層、數據存儲層。數據存儲層按照業務梳理進行結構化數據與非結構化數據的分類存儲與服務；組件服務層通過各類標準組件及服務實現框架建設，并為插件開發提供實現標準，使得框架與插件有機結合。業務應用層按照業務需求，構建用戶業務操作主界面，通過用戶主界面將業務功能插件進行組合，實現系統業務功能。

圖1 系統的技術架構

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計算后，按照程序內部配置算法自動生成多套配置方案供選擇；手動選型則是根據鉆機各系統選型參數計算結果，按鉆機設計的邏輯順序分系統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據庫等，為鉆機選型配置模塊提供數據支撐。鉆機選型配置模塊通過設計所要求的相關數據信息及系數的輸入或提取，完成起升系統、旋轉系統、循環固控系統、動力系統等各系統的選型參數計算，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研現有鉆機選型配置的基礎上，參照了設計專家的經驗總結和成熟可行的鉆機設備配置方案的研究成果，規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，若設計的區塊與鉆機預置方案知識庫中預存的方案為同一區塊，或設計井與歷史井的井型相同時，可直接調用該配置方案，或對參考配置方案稍作修改形成新的配置方案，以提高設計效率，確保設計質量。鉆機預置方案的數據可根據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

該模塊實現常用鉆機單元常量維護功能。設備數據庫的設計主要是進行關系型數據庫結構設計。設備數據庫以鉆機八大系統進行分類，包括鉆機八大系統的所有主要設備的技術參數和廠家信息，按所屬系統和類型實現樹形展示。設備數據庫具有錄入、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、設計規范、國家和行業標準等要求。設備匹配時既要滿足功能上匹配，又要滿足技術參數匹配，技術參數的匹配是以參數計算為依據。基于參數計算的選型配置方式可以是智能選型和手動選型。

1) 選型參數計算。參數計算是鉆機選型配置實現的基礎，以輸入或提取井的鉆井設計基本信息數據為計算起點，根據鉆機系統設計、鉆井設計等理論計算設備的極限參數，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、最大轉矩、動力機的最大功率等。參數計算時要考慮冗余度。參數計算的數據輸入可根據設計要求手動輸入，也可提取鉆井設計或其他文檔的數據。本軟件建立的選型參數計算涉及起升系統、旋轉系統、循環固控系統和動力系統等關鍵設備的參數計算，各系統參數計算有一定關聯，起升系統的參數計算是基礎。

2) 智能選型。全面分析鉆機設備匹配的所有約束條件，將其轉化為數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。依據選型參數計算系統的計算結果，通過調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，然后經比對分析選擇其中的某個最佳方案，或對所選擇方案編輯后形成新的方案，編輯時所查詢的鉆機設備數據從鉆機單元常量庫提取。

3) 手動選型。根據鉆機設備匹配的所有約束條件，梳理鉆機各大系統的選型要求，分別建立起升系統、旋轉系統、循環系統、動力系統、井控系統等各系統主要設備的選型配置算法。依據各系統的相關參數計算結果，調用鉆機單元管理數據庫，過濾無效設備，通過查看優選計算后的設備常量表，分系統按鉆機設計的邏輯順序，逐個篩選出符合條件的主要設備，選好后關聯預設的設備連接規則選擇輔助裝置，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的設備詳細參數表。

4 結語

本文介紹了中國石油集團工程技術研究院有限公司研發的鉆機選型配置軟件，軟件以豐富的鉆機單元管理數據庫作數據支撐，先進的鉆機預置方案知識庫作參考、完善強大的參數計算和選型配置算法為科學依據。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，有據可循；使設計的鉆機配置方案更加科學、實用、經濟，提高了設計質量和效率，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。