白 凱，夏宏南，靳國興，楊 軍

(1.長江大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.長江大學(xué) 油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

基于SOA的頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)設(shè)計

白 凱1,2,3，夏宏南2,3，靳國興1,2,3，楊 軍2,3

(1.長江大學(xué) 計算機科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.長江大學(xué) 油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏研究室，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué) 石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100)

為了科學(xué)開展涪陵地區(qū)頁巖氣的鉆井施工的總體預(yù)測和評價，提高頁巖氣鉆井決策的信息化水平，在深入研究SOA組件及其開發(fā)集成框架應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建適用于涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井技術(shù)集成模式科學(xué)評價決策系統(tǒng)的一系列思路和方法，包括體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、軟件平臺構(gòu)建方法和功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)方法等。該決策系統(tǒng)采用包含主題設(shè)計和數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法在內(nèi)的數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，主要功能模塊包括頁巖氣優(yōu)快鉆井經(jīng)濟評價、鉆井控制參數(shù)優(yōu)化計算以及復(fù)雜與事故預(yù)防與處理。在對主要功能模塊的內(nèi)容及其實現(xiàn)途徑進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對SOA中松耦合軟件開發(fā)技術(shù)和Web Service服務(wù)在決策系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了分析討論。截止目前，該決策系統(tǒng)的開發(fā)工作已基本完成，且預(yù)留有進一步擴展優(yōu)化的空間。試運行結(jié)果表明，該決策系統(tǒng)設(shè)計較為合理，可有效提高現(xiàn)場決策的效率和正確性。

SOA；Web Service；頁巖氣鉆井；決策系統(tǒng)

0 引 言

隨著國內(nèi)對頁巖氣開發(fā)的逐漸深入，在目前涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井施工過程中，信息化決策程度不高的問題越來越突出。由于缺少適應(yīng)涪陵區(qū)塊的鉆井技術(shù)集成組合以及相應(yīng)的綜合效益與速度的科學(xué)評價系統(tǒng)，已經(jīng)制約和影響了目前頁巖氣鉆井施工的總體預(yù)測和評價。因此，研究一套適用于涪陵區(qū)塊的頁巖氣優(yōu)快鉆井技術(shù)集成模式的科學(xué)評價決策系統(tǒng)，提高國內(nèi)頁巖氣鉆井信息化管理水平具有重要的實踐意義。

文中深入研究了在.NET開發(fā)環(huán)境下利用SOA組件集成開發(fā)框架設(shè)計和開發(fā)頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)軟件，提出了針對涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井的決策軟件平臺構(gòu)建方法，體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及平臺功能設(shè)計與實現(xiàn)方法。

1 現(xiàn)有鉆井決策系統(tǒng)存在的問題

在鉆井工程軟件領(lǐng)域，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)了“鉆井工程設(shè)計與計算”、“鉆井參數(shù)優(yōu)化”、“現(xiàn)場數(shù)據(jù)遠程傳輸”、“鉆井復(fù)雜和事故風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)”等的獨立軟件，這些軟件對鉆井設(shè)計和現(xiàn)場決策提供了輔助，但由于每個系統(tǒng)的功能有限，覆蓋的信息范圍比較窄，信息的處理是各自為政，導(dǎo)致信息無法有效融合，難以對鉆井工程中的重大技術(shù)決策活動提供有效幫助。目前國內(nèi)還沒有開發(fā)出集成化、整體化和智能化的軟件系統(tǒng)，油田企業(yè)只能引進國外公司的鉆井集成平臺，國外軟件價格高昂且無法進行二次開發(fā)，無法根據(jù)實際情況進行修改和擴充，導(dǎo)致現(xiàn)有軟件系統(tǒng)不能滿足目前涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井的信息化建設(shè)需求[1]。

國內(nèi)自主研發(fā)的鉆井工程軟件平臺系統(tǒng)，主要存在以下技術(shù)問題：

(1)軟件的研發(fā)沒有延續(xù)性，多為一個項目一次性開發(fā)，軟件復(fù)用程度較低，存在大量重復(fù)設(shè)計與開發(fā)。

(2)傳統(tǒng)的基于項目的單節(jié)點應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)與部署方式，已難以支撐持續(xù)推進、逐步擴展的集成信息化建設(shè)和管理。

(3)現(xiàn)有油田信息系統(tǒng)大多比較封閉，在各種不同標準信源的接入、對外來軟件模塊的集成功能存在明顯不足[2]。

針對上述問題，開發(fā)團隊采用先進的SOA開發(fā)思想，研發(fā)了具有國內(nèi)特色頁巖氣優(yōu)快鉆井決策支持系統(tǒng)。

2 頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)總體設(shè)計

涪陵地區(qū)頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)軟件模型設(shè)計如圖1所示。

涪陵地區(qū)頁巖氣優(yōu)快鉆井決策面對的問題很多，相應(yīng)的軟件系統(tǒng)開發(fā)很難一次性完成。各類決策系統(tǒng)都是以小系統(tǒng)組成大系統(tǒng)的形式存在，因此目前在此系統(tǒng)開發(fā)中優(yōu)先解決了現(xiàn)場最急需解決的幾個問題，針對這幾個問題開發(fā)了相應(yīng)模塊。在設(shè)計過程中，開發(fā)團隊采用了SOA架構(gòu)設(shè)計技術(shù)，它是實現(xiàn)軟件應(yīng)用集成的一個新興技術(shù)，具有標準的軟件接口，系統(tǒng)留有未來的擴展接口用于軟件集成，服務(wù)實現(xiàn)具有透明性，高度軟件資源重用能力，在系統(tǒng)擴展中能夠?qū)崿F(xiàn)快速靈活的集成[3]。

圖1 頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)框架

3 頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫設(shè)計

3.1 主題設(shè)計

數(shù)據(jù)倉庫是面向主題的，主題是決策需求歸類而確定的主要標準，決策者在此決策系統(tǒng)中最關(guān)注的問題[4-7]。根據(jù)涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井決策的實際需求，可以確定的主題見表1。

表1 頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)主題設(shè)計

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

選擇適合于當前鉆井工程的數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法[8-10]，經(jīng)過統(tǒng)計分析后得出數(shù)據(jù)比較的結(jié)果，作為決策的依據(jù)之一，見表2。

4 決策系統(tǒng)中主要功能模塊解析

4.1 頁巖氣優(yōu)快鉆井經(jīng)濟評價

涪陵頁巖氣優(yōu)快鉆井經(jīng)濟費用分為以下七個部分：鉆機日費；泥漿成本；鉆頭+螺桿+井下工具(減震器、隨鉆振擊器等)；空氣鉆成本；處理井下故障復(fù)雜增加的額外費用(打撈工具等費用、特殊作業(yè)如爆炸松扣或測卡點等費用)；定向技術(shù)服務(wù)費；頂驅(qū)使用費。其中，鉆機日費包含人工工資、油料以及鉆機、井控設(shè)備、固控設(shè)備、管具、住房等攤消；總鉆機費用與鉆井所使用的鉆機型號以及鉆井周期有關(guān)。

表2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

4.2 頁巖氣鉆井控制參數(shù)優(yōu)化計算

此模塊計算是根據(jù)鉆井工程中經(jīng)典鉆進公式，根據(jù)頁巖氣開發(fā)現(xiàn)場實際獲得的地質(zhì)參數(shù)，優(yōu)化出直接作用于鉆進速度的機械參數(shù)(鉆壓和轉(zhuǎn)速)、水力參數(shù)(泵壓和排量)、鉆井液參數(shù)[11-13]。在該決策系統(tǒng)中采用多源反饋差異驅(qū)動的演化算法對輸入的鉆井參數(shù)進行優(yōu)化計算，針對某一地層，可以計算出最佳參數(shù)組合，達到鉆速合理和鉆頭消耗經(jīng)濟的目標。

4.3 頁巖氣鉆井復(fù)雜和事故預(yù)防與處理信息分析

基于知識庫中的規(guī)則及案例知識，使用規(guī)則和案例的混和推理模型，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行復(fù)雜事故診斷與處理[14-15]。從關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)到Web Service選擇的工具是D2R。

5 SOA組件及開發(fā)框架的應(yīng)用

SOA(Service-Oriented Architecture)即是面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，是指為了解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下業(yè)務(wù)集成的需求，能夠連接完成特定任務(wù)的獨立功能模塊而提出的一種軟件系統(tǒng)架構(gòu)。SOA是設(shè)計的一個組件模型框架，它將應(yīng)用程序的不同功能模塊(在SOA中即為服務(wù))通過這些服務(wù)之間定義好的接口和約定聯(lián)系起來。為了獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)及開發(fā)編程語言，SOA中的接口采用中立的方式定義。

開發(fā)團隊在充分考慮繼承原有軟件資產(chǎn)與軟件設(shè)計技術(shù)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，面向頁巖氣鉆井企業(yè)信息化集成開發(fā)與部署需求，開展了基于.NET的SOA組件集成開發(fā)框架的設(shè)計和研發(fā)工作，通過技術(shù)實踐和系統(tǒng)應(yīng)用，較好地解決了信息化應(yīng)用軟件研發(fā)過程中的軟件重用與應(yīng)用集成問題。SOA是一個面向服務(wù)的設(shè)計過程[16]，如圖2所示。

圖2 面向服務(wù)的設(shè)計過程

5.1 松耦合軟件開發(fā)技術(shù)

頁巖氣鉆井工程決策支持系統(tǒng)采用面向服務(wù)的架構(gòu)技術(shù)[17]，如圖3所示。

圖3 頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)架構(gòu)

SOA封裝業(yè)務(wù)邏輯在服務(wù)中，對服務(wù)之間的松散耦合、服務(wù)接口標準化有著嚴格的要求。SOA架構(gòu)的最大優(yōu)勢在于實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用模塊之間的松耦合，即當?shù)讓訑?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)平臺或數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)位置發(fā)生改變時，只需要對系統(tǒng)中服務(wù)層進行調(diào)整，無需對分散在各用戶機器上的客戶端進行更新，有利于整個系統(tǒng)的快速更新或擴展。

該系統(tǒng)在設(shè)計中把算法模塊封裝為Web Service服務(wù)，部署在服務(wù)器上運行并向客戶端返回計算結(jié)果，提升了軟件的運行效率，對于系統(tǒng)中采用的算法可以統(tǒng)一更新和保護。

利用SOA架構(gòu)技術(shù)、插件式框架技術(shù)、Web Service服務(wù)計算技術(shù)，實現(xiàn)了軟件的松耦合，在整個系統(tǒng)中易于刪除或增加模塊，讓頁巖氣優(yōu)快鉆井決策支持系統(tǒng)開發(fā)具有未來的持續(xù)擴展優(yōu)化能力。

5.2 Web Service服務(wù)

Web Service是具有一組操作接口的Web服務(wù)，即通過發(fā)布接口發(fā)送和接收XML消息實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)訪問數(shù)據(jù)，Web Service的接口描述了一系列的數(shù)據(jù)操作動作，采用了XML消息進行訪問的數(shù)據(jù)接口。在Web服務(wù)中，消息的傳送是通過SOAP以及WSDL包裝為對象進行的，每一個SOAP消息都使用WSDL進行描述。Web Service返回的數(shù)據(jù)由XML進行描述和發(fā)現(xiàn)，因此可以與其他任何支持XML消息技術(shù)的應(yīng)用程序進行交互，而不用關(guān)心應(yīng)用程序?qū)嶋H開發(fā)使用的語言以及開發(fā)平臺[18]。因此，可以把Web Service看作一種新的Web應(yīng)用程序，一種通過發(fā)布接口實現(xiàn)查詢、調(diào)用數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)方法。

Web Service在分布式系統(tǒng)中屬于基礎(chǔ)構(gòu)件，可以將Web Service作為一個可開發(fā)維護和部署的Web組件。與其他組件相比，Web Service也提供了重用功能，同時還可以作為不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的一個數(shù)據(jù)訪問紐帶，將不同平臺不同功能的應(yīng)用程序集成在一起，提高了系統(tǒng)之間的互操作性。

6 軟件實現(xiàn)情況

基于以上計算機軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)的頁巖氣優(yōu)快鉆井決策支持系統(tǒng)，根據(jù)實際情況需要可以包括若干個一級模塊，在每個一級模塊下再分若干個二級模塊，各模塊均開發(fā)成為系統(tǒng)插件，用戶可以任意選取其中的部分模塊組成不同功能的子系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)場對于鉆井開發(fā)的不同決策[19-20]。

根據(jù)涪陵地區(qū)頁巖氣鉆井的技術(shù)資料，以下是目前該決策系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成的經(jīng)濟評價模塊運行后截圖。

在此模塊中，可以按時間把所有井的信息列出，包括信息有井號、開鉆日期、總進尺、總鉆時、平均鉆速、鉆速對比、總成本、每米成本、成本對比、新工藝。在頁面上通過計算后顯示出所有井的平均鉆速和單位進尺成本，這兩個指標作為比較的依據(jù)。

井的經(jīng)濟評價分為按開次評價、技術(shù)評價、井開次比較、井綜合比較4種方式。

點擊進入按技術(shù)比較，可以查看各種新技術(shù)的提速情況，在選擇評價技術(shù)中選擇空氣鉆井，如圖4所示。

圖4 空氣鉆井情況對比

7 結(jié)束語

為有效提高頁巖氣開采的信息化決策水平，應(yīng)用B/S訪問模式、SQL Server數(shù)據(jù)庫和C#語言等技術(shù)手段，構(gòu)建了.NET平臺下的SOA框架頁巖氣優(yōu)快鉆井決策系統(tǒng)，以方便用戶在油田企業(yè)局域網(wǎng)內(nèi)進行授權(quán)訪問，實現(xiàn)了頁巖氣鉆井工程遠程管理和決策。該系統(tǒng)平臺運用了數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建思想，采用了多源反饋差異驅(qū)動的演化算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化算法，通過內(nèi)嵌的專家系統(tǒng)模型來實現(xiàn)重大決策的智能化計算和分析。利用SOA在開發(fā)中的可復(fù)用性、靈活性及可擴展性，針對現(xiàn)場需求逐步設(shè)計開發(fā)各功能模塊，目前已實現(xiàn)的功能模塊包括頁巖氣鉆井技術(shù)的經(jīng)濟評價、鉆井參數(shù)優(yōu)化和復(fù)雜情況預(yù)測三類。該決策系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，其能夠滿足頁巖氣優(yōu)快鉆井決策所需技術(shù)參數(shù)快速準確計算的需要，可輔助鉆井工程師快速、準確地做出決策；SOA在已有功能模塊中發(fā)揮的作用明顯，有效促進了相關(guān)軟件開發(fā)質(zhì)量的提高。

[1] 肖 莉,楊傳書,趙金海,等.鉆井工程決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].石油鉆探技術(shù),2015,43(2):38-43.

[2] 馬鵬鵬,周英操,蔣宏偉,等.現(xiàn)代信息技術(shù)在石油鉆井中的應(yīng)用研究—關(guān)于鉆井信息工程學(xué)的探討[J].石油天然氣學(xué)報,2014,36(7):89-95.

[3] Kralzig D,Banke K,Slama D.Enterprise SOA中文版:面向服務(wù)架構(gòu)的最佳實戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006:95-135.

[4] Ozbayrak M，Bell R.A knowledge-based decision support system for the management of parts and tools in FMS[J].Decision Support System,2003,35(4):487-515.

[5] 高洪深.決策支持系統(tǒng)理論與方法[M].第2版.北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[6] Irmin E.Intelligent decision support methods:the science of knowledge work[M].Upper Saddle River,NJ,USA:Prentice Hall,1997.

[7] 張冬梅,周英操,紀榮藝,等.面向鉆井工程技術(shù)的數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用探討[J].信息技術(shù),2012(3):6-9.

[8] 徐英卓.數(shù)據(jù)倉庫在鉆井工程決策中的應(yīng)用研究[J].計算機工程與應(yīng)用,2003,39(25):199-201.

[9] Nicolaou A.Theoretical framework for data mining[J].ACM Explorations Newstetter,2009,1(2):30-32.

[10] 劉學(xué)成.試論鉆井工程決策中關(guān)于數(shù)據(jù)倉庫的應(yīng)用[J].中國石油和化工標準與質(zhì)量,2012(5):70.

[11] 王 杰,李 廣,朱曉東.基于分層模糊推理的石油鉆井事故預(yù)警系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,9(4):177-178.

[12] 伊 鵬,劉衍聰,郭 欣,等.基于改進自適應(yīng)遺傳算法的鉆井參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].石油機械,2010(2):30-33.

[13] 沙林秀.基于快速自適應(yīng)量子遺傳算法的鉆井參數(shù)優(yōu)化[J].石油機械,2013(2):32-36.

[14] 陳明亮,施太和,陳 平.鉆井工程事故診斷機理及專家系統(tǒng)推理模型探討[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報,1993，15(3):58-62.

[15] 廖明燕.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多參數(shù)融合的鉆井過程狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷[J].中國石油大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2007,31(4):149-152.

[16] 李 歆.基于SOA開發(fā)電力地理信息系統(tǒng)[J].測繪,2009(4):159-164.

[17] Ba Sulin.Enterprise decision support using intranet technology[J].Decision Support Systems,2010(9):56-61.

[18] 白 凱,王華兵,李 敏.基于Web Services的RFID企業(yè)信息服務(wù)平臺的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2013,21(4):65-67.

[19] 劉志坤,李 琪,高曉榮.導(dǎo)向鉆井遠程決策指揮中數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)的應(yīng)用研究[J].鉆采工藝,2007,30(3):13-15.

[20] 賈 蓉.基于面向油田開發(fā)決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)倉庫[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(4):902-907.

Design of Shale Gas Optimal and Fast Drilling Decision System Based on SOA

BAI Kai1,2,3,XIA Hong-nan2,3,JIN Guo-xing1,2,3,YANG Jun2,3

(1.School of Computer Science,Yangtze University,Jingzhou 434023,China;2.Leak Resistance and Sealing Technology Laboratory of Oil and Gas Drilling Technology National Engineering Laboratory,Yangtze University,Wuhan 430100,China;3.School of Oil Engineering,Yangtze University,Wuhan 430100,China)

In order to carry out scientific prediction and assessment of drilling shale gas in Fuling region and improve its information decision-making level,a series of ideas and methods to build scientific evaluation and decision-making system for shale gas drilling technology integrated mode suitable for Fuling region have been proposed based on in-depth investigation on SOA components and its applications in integrated development framework,including architecture design methods,software platform construction methods and function modules.Data warehouse has been employed in this system,including theme designs and statistical methods.The main function modules consist of shale gas drilling economic evaluation,drilling control parameters optimization,preventions and treatments of complex circs and accident.Based on a systematic analysis on contents of the main function modules and its realization approach,applications of the loosely coupled SOA software development technology and Web Service services in the decision-making system have been analyzed and discussed.Presently the development of the system has been basically completed and reserved spaces for further expansion and optimization.Experimental results show that the design of decision-making system is reasonable and its efficiency and correctness of shale gas drilling decision-making can be enhanced.

SOA;Web Service;shale gas drilling;decision system

2016-04-27

2016-07-12

時間：2017-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(41502126)

白 凱(1980-)，男(滿族)，講師，博士生，研究方向為鉆井工程信息化；夏宏南，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為鉆井工藝技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170307.0920.004.html

TP39

A

1673-629X(2017)04-0017-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.04.004