基于本體的鉆具組合智能設(shè)計(jì)①

邵 波,段友祥,孫歧峰,李洪強(qiáng)

1(中國石油大學(xué)(華東) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院,青島 266580)

2(中石化勝利油田 鉆井工藝研究院,東營 257000)

石油鉆井工程是勘探開發(fā)石油天然氣的主要手段,它是一個(gè)投資巨大,風(fēng)險(xiǎn)性很強(qiáng)的領(lǐng)域,涉及多部門、多分支、多層次、多環(huán)節(jié),與許多相關(guān)部門有著密切的協(xié)作關(guān)系[1].鉆具組合設(shè)計(jì)是鉆井工程設(shè)計(jì)中的一個(gè)技術(shù)難度大,又非常重要的環(huán)節(jié),特別是海上和陸從式、定向井以及水平井的發(fā)展,更使鉆具組合設(shè)計(jì)成為鉆井工程關(guān)鍵問題之一[2].鉆井工程是一項(xiàng)隱蔽的地下工程,由于鉆井過程地下環(huán)境所提供的信息往往是不確定的、模糊的數(shù)據(jù),故鉆具組合設(shè)計(jì)過程中存在著大量的模糊性、隨機(jī)性和不確定性問題,它需要理論基礎(chǔ)扎實(shí)、技術(shù)全面、經(jīng)驗(yàn)豐富的領(lǐng)域?qū)＜襾硗瓿?但是目前還沒有實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)知識的充分利用[3].面對當(dāng)前智能制造的發(fā)展趨勢,為了提高鉆具組合設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量,需要一種智能化的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)對鉆具組合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)知識的繼承、共享和重用.

在基于知識的鉆具設(shè)計(jì)中,如何將鉆具設(shè)計(jì)知識與設(shè)計(jì)過程緊密結(jié)合,是實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)智能化的重要研究內(nèi)容,并愈來愈受到國內(nèi)外學(xué)者的重視.楊遼等[2]應(yīng)用專家系統(tǒng),引入面向?qū)ο蠛瓦^程相結(jié)合的知識表示方法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)針對不同地層、井眼條件的底部鉆具組合設(shè)計(jì).王正[4]引入CommonmKADS本體構(gòu)建方法以及CBR推理方法,通過構(gòu)建鉆井參數(shù)的知識模型,實(shí)現(xiàn)了智能鉆井參數(shù)優(yōu)化的決策系統(tǒng).Flett等[5]設(shè)計(jì)了一種以高度結(jié)構(gòu)化的方式存儲鉆井知識和經(jīng)驗(yàn)的方法,從而在案例庫中檢索相似的設(shè)計(jì).Tobatayeva等[6]提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對底部鉆具組合(Bottom Hole Assembly,BHA)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)測.高曉榮[7]建立了本體知識表征模型,構(gòu)建了鉆井應(yīng)急本體知識庫和案例庫,使用SWRL規(guī)則語言,通過Jena推理機(jī)實(shí)現(xiàn)在鉆井事故中鉆具組合優(yōu)選.目前,知識本體在鉆井工程中主要應(yīng)用在復(fù)雜情況分析,故障預(yù)測,鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面以上研究成果各有特色,但所述方法大多僅針對鉆具設(shè)計(jì)過程中的某個(gè)對象或某個(gè)任務(wù),無法完整有效地組織和表示鉆具設(shè)計(jì)主體、鉆具設(shè)計(jì)需求(鉆具、實(shí)例)和鉆具設(shè)計(jì)過程.

為克服上述問題,本文在分析鉆具組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識的基礎(chǔ)上,結(jié)合鉆具組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識的自身特點(diǎn)和設(shè)計(jì)過程中的知識利用方式,提出一種基于本體知識庫和案例推理的鉆具組合智能設(shè)計(jì)方法.首先基于本體表示法,分別對各個(gè)鉆具、鉆具組合設(shè)計(jì)理念和鉆具組合設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行知識本體建模,形成一種可擴(kuò)展的鉆具設(shè)計(jì)知識庫,結(jié)合基于案例的推理方法,實(shí)現(xiàn)對鉆具組合的智能選擇.

1 知識本體建模

本體在知識庫系統(tǒng)開發(fā)中較多應(yīng)用于開發(fā)領(lǐng)域模型或語義骨架網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過程中,它提供建模所需的基本概念,明確地顯式描述對象自身的各種特性和對象間的各種聯(lián)系[8-10].目前,知識本體在鉆具組合方面只是利用本體描述鉆具組合設(shè)計(jì)文檔,并沒有對設(shè)計(jì)知識進(jìn)行統(tǒng)一組織和管理.因此,需要通過建立知識本體有效表示鉆具組合智能設(shè)計(jì)知識.

1.1 鉆具組合本體模型設(shè)計(jì)

鉆具組合本體是對所有鉆具組合設(shè)計(jì)知識以及經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行分類與描述的概念體系,它確定領(lǐng)域內(nèi)共同認(rèn)可的概念,給出概念間相互關(guān)系的明確定義,提供對領(lǐng)域知識的共同理解.本體通常由概念、關(guān)系、函數(shù)、公理和實(shí)例五種基本元素構(gòu)成,其中函數(shù)可看作為一種特殊的關(guān)系[10].鉆具組合設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識本體的設(shè)計(jì)主要在于概念本體設(shè)計(jì)以及本體關(guān)系,鉆具設(shè)計(jì)本體關(guān)系較簡單,均可用關(guān)系描述,因此,鉆具組合設(shè)計(jì)知識本體模型可描述為一個(gè)四元組{C,R,A,I},其中：

(1)C表示鉆具組合設(shè)計(jì)知識的概念集合,包括地質(zhì)參數(shù)、井眼參數(shù)、鉆具模型、鉆具組合實(shí)例等.

(2)R表示概念間關(guān)系的集合,基本關(guān)系有：關(guān)聯(lián)關(guān)系、繼承關(guān)系、組成關(guān)系、同義關(guān)系等.① 關(guān)聯(lián)關(guān)系表示設(shè)計(jì)知識中概念之間具有某種聯(lián)系,如鉆具組合設(shè)計(jì)影響因素有地質(zhì)因素,包括屬性關(guān)聯(lián)和語義關(guān)聯(lián);② 繼承關(guān)系表示設(shè)計(jì)知識中的概念存在子類與父類的關(guān)系,如增斜井段是井身結(jié)構(gòu)的子類;③ 組成關(guān)系表示設(shè)計(jì)知識中的概念存在整體和部分的關(guān)系,如鉆具組合由鉆頭、鉆桿和扶正器等組成;④ 同義關(guān)系表示設(shè)計(jì)知識存在等價(jià)性,如扶正器又叫穩(wěn)定器.設(shè)計(jì)知識中所存在的其他的復(fù)雜關(guān)系都可以用上述的4種關(guān)系表示.

(3)A表示鉆具組合設(shè)計(jì)中公理的集合,主要指在鉆井設(shè)計(jì)知識中永遠(yuǎn)成立的聲明,如渦輪鉆具與螺桿鉆具同屬于動力造斜鉆具.

(4)I表示鉆具組合設(shè)計(jì)知識領(lǐng)域內(nèi)概念和關(guān)系的實(shí)例集合,如某油田中一口井的鉆具組合設(shè)計(jì)記錄.

1.2 鉆具組合設(shè)計(jì)領(lǐng)域本體構(gòu)建

鉆具組合設(shè)計(jì)的核心任務(wù)是根據(jù)現(xiàn)場地層情況、井眼情況以及井眼軌跡設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)出一套有效的、適用于所鉆地層和井眼,并能達(dá)到軌跡控制的鉆具組合[2].本文將參照CommonKADS[4]知識本體建模方法,采用本體構(gòu)建工具Protégé來建立,并利用本體表示語言O(shè)WL[8]進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn).根據(jù)上述的鉆具組合設(shè)計(jì)的核心任務(wù)與鉆具組合本體模型知識,確定鉆具組合設(shè)計(jì)中的主要概念、屬性和關(guān)系為：鉆具組合設(shè)計(jì)首先對地層與井眼參數(shù)進(jìn)行分析,判別當(dāng)前井段的變井斜問題為增斜、降斜、穩(wěn)斜等,給出適合當(dāng)前井段的鉆具組合結(jié)構(gòu),并根據(jù)模型知識判別設(shè)計(jì)是否合理.因此,在設(shè)計(jì)過程主要涉及地質(zhì)參數(shù)、井眼參數(shù)、鉆具模型、鉆具組合實(shí)例四個(gè)重要要素.

本文將鉆具組合的設(shè)計(jì)知識與這四個(gè)要素相集成,利用基于本體的表示方法構(gòu)建地質(zhì)參數(shù)、井眼參數(shù)、模型知識以及鉆井工程實(shí)例的本體模型,以方便知識的繼承與重用,如圖1所示.

圖1 鉆具組合設(shè)計(jì)知識部分本體結(jié)構(gòu)圖

(1)地質(zhì)參數(shù)信息[1]在鉆具組合設(shè)計(jì)中起重要作用,主要考慮地層可鉆性的各向異性對井斜產(chǎn)生的影響,需要對地質(zhì)參數(shù)的屬性進(jìn)行建模表示.影響鉆具組合設(shè)計(jì)的地質(zhì)參數(shù)中主要包括地質(zhì)特征、油氣層信息、地層巖性特征信息等.地質(zhì)特征包括地層的各向異性與縱向變化,是產(chǎn)生井斜的重要因素,同時(shí)地層巖性的可鉆性與物性會產(chǎn)生地層方位漂移,此時(shí)設(shè)計(jì)鉆具組合需要考慮鉆具組合的增方位效應(yīng)與地層方位漂移效應(yīng)[2],否則會使所鉆軌跡偏離目標(biāo)點(diǎn).

(2)井眼參數(shù)信息[1]在鉆具組合設(shè)計(jì)中起決定性作用,鉆具組合的初步設(shè)計(jì)主要依據(jù)井身結(jié)構(gòu)判斷某井段的軌道類型選取合適的功能鉆具,并且在鉆進(jìn)過程中,井眼軌跡的偏移也需要對鉆具組合進(jìn)行調(diào)整,因此需要對井眼參數(shù)進(jìn)行建模表示.井眼參數(shù)主要包括井身結(jié)構(gòu)、井眼軌跡兩部分.其中井身結(jié)構(gòu)指設(shè)計(jì)軌道類型,主要分析目標(biāo)段所處的是穩(wěn)斜,造斜等井段.井眼軌跡主要包括井深、井斜角、方位角等參數(shù),用來判別在實(shí)鉆過程中軌跡是否發(fā)生偏移.

(3)鉆具是石油鉆井工程的必要工具,其功能參數(shù)直接影響鉆進(jìn)參數(shù)以及鉆井工況,同時(shí)也是鉆具組合的組成部分[1].通過對鉆具本體的知識建模,將鉆具按功能和類別區(qū)分,根據(jù)所鉆井過程中井眼參數(shù)以及地層參數(shù)的不同,合理選取井下鉆具,實(shí)現(xiàn)井下鉆具性能與鉆進(jìn)參數(shù)相匹配.鉆具知識本體模型主要包括三維模型,基本信息、功能參數(shù).

(4)同一個(gè)井場的鉆具組合設(shè)計(jì)通常要借鑒臨井的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)結(jié)果,而相關(guān)設(shè)計(jì)信息因地下信息的復(fù)雜性以及鉆井操作特殊性,具有分布廣、難以集成等問題,通過對鉆具組合設(shè)計(jì)理論知識本體建模,可有效表示鉆具組合與其他設(shè)計(jì)知識本體之間關(guān)系.鉆具組合實(shí)例本體模型主要包括鉆具集合信息,基本信息,功能參數(shù).功能參數(shù)主要是利用白家祉教授提出的彈性力學(xué)縱橫彎曲梁法[11]分析鉆具受力變形方法進(jìn)行求解.采用三維平面簡化物理模型,結(jié)合數(shù)值計(jì)算方法求解.

以增斜鉆具組合為例,某一種增斜鉆具組合為塔式鉆具組合[12]：鉆頭+近鉆頭穩(wěn)定器+無磁鉆鋌+鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+隨鉆震擊器+加重鉆桿+鉆桿.鉆具組合實(shí)例相關(guān)概念、概念屬性(約束)及概念之間的類屬關(guān)系,其表達(dá)形式如表1.

表1 增斜鉆具組合概念模型

其中ID為領(lǐng)域本體中增斜鉆具組合概念本體的唯一標(biāo)識符,利用概念本體和關(guān)系集描述領(lǐng)域概念,定義自上而下縱向的一個(gè)層次分類關(guān)系;本體關(guān)系集合如Kind-of(x,y)表示類別上的從屬關(guān)系;Part-of(x,y)用于指出“部分”與“整體”的關(guān)系;Infer(x,y)用于表征兩個(gè)框架所描述事物之間的邏輯推理關(guān)系,用它可以表示產(chǎn)生式規(guī)則[13];屬性集合定義對象屬性的集合.

2 基于鉆具組合本體知識庫的案例推理

2.1 本體間映射關(guān)系

在基于本體的鉆具組合知識庫中,由于匹配過程中所涉及的鉆具本體、地質(zhì)參數(shù)本體、井眼參數(shù)本體以及鉆具組合實(shí)例本體存在異構(gòu)問題,為實(shí)現(xiàn)四種本體間的相互聯(lián)系與操作,對四種本體中的知識進(jìn)行共享和復(fù)用,需要建立它們之間的映射關(guān)系,如圖2所示.本文所建立的本體映射是指鉆具組合本體和鉆具實(shí)例本體之間存在語義上的概念關(guān)聯(lián),通過建立異構(gòu)本體間的映射規(guī)則,計(jì)算兩個(gè)本體之間的相似度,對資源知識(鉆具和實(shí)例本體等)做出定量判斷,從而實(shí)現(xiàn)從知識庫中返回滿足需求的知識的過程.其中圖2中的關(guān)鍵技術(shù)在于本體間的映射關(guān)系,本體間映射關(guān)系建立的關(guān)鍵在于比較實(shí)體中概念之間語義的相似程度[14],令為鉆具組合本體A中的一個(gè)概念集,為待選鉆具組合或者實(shí)例本體B中的一個(gè)概念集,則兩個(gè)概念之間的相似度[15]為：

式中為兩個(gè)本體間的概念中共有詞的數(shù)目為概念中詞的數(shù)目.當(dāng)時(shí),兩個(gè)概念間的相似度說明為相同概念,或者概念包含概念即概念完全滿足概念當(dāng)時(shí),兩個(gè)概念間的相似度說 明 概 念bj部 分 滿 足 概 念ai;當(dāng)時(shí),兩個(gè)概念間的相似度說明概念bj完全不滿足概念ai.

圖2 鉆具組合設(shè)計(jì)知識本體映射關(guān)系

2.2 案例推理相似度計(jì)算

案例推理[14]主要依據(jù)鉆具組合設(shè)計(jì)知識庫、鉆具組合設(shè)計(jì)案例庫,利用相似度算法推算案例相似度盡可能地檢索到最符合當(dāng)前實(shí)例的相似案例.案例相似度必須考慮組成一個(gè)案例的各個(gè)屬性相似度綜合在一起的效應(yīng),且案例的相似度也常常是通過距離來定義的.本文采用海明距離[10]計(jì)算相似度,可形式化為：

其中,權(quán)重wi代表第i個(gè)屬性的重要度,特征權(quán)值需要專家參與確定;xi與yi代表新舊兩個(gè)案例的某個(gè)屬性的屬性值;n是案例中屬性的個(gè)數(shù),標(biāo)準(zhǔn)的dist(xi,yi)通常表示如下：

對于實(shí)例的特征屬性值,maxi和 mini分別代表實(shí)例第i個(gè)屬性的最大值和最小值.對于符號屬性值,如果xi=yi,則d ist(xi,yi)=0,否則為 1.

2.3 案例推理流程

如圖3所示,基于案例的鉆具組合設(shè)計(jì)流程是在所建立的鉆具組合設(shè)計(jì)知識庫、鉆具組合設(shè)計(jì)案例知識庫以及本體間的相似度算法的基礎(chǔ)上,結(jié)合井場參數(shù)利用案例知識庫推理出合理的鉆具組合結(jié)構(gòu).CBR推理過程最重要的是案例檢索過程,而案例檢索[16]主要依據(jù)的是案例推理相似度計(jì)算.當(dāng)輸入井場參數(shù)后,首先經(jīng)過本體知識庫處理后,經(jīng)過Protégé支持的RacerPro推理機(jī),結(jié)合相似度計(jì)算實(shí)現(xiàn)案例匹配確定合適的相似案例;然后使用修正技術(shù)修正相似案例,從而得出鉆具組合的設(shè)計(jì)方案.

圖3 基于案例鉆具組合設(shè)計(jì)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)分析

例如通過輸入井場參數(shù)為井深段1300～1500 m,井徑 0.4 m,井斜角 13°～18°,方位角 300°～350°,地層各向異性使用地層傾角表示30°,地層硬度為中硬,巖性為泥巖.系統(tǒng)首先根據(jù)井場參數(shù)中的井徑確定鉆頭直徑為0.4 m,并依據(jù)地層巖性與硬度選擇鉆頭型號為PDC鉆頭.通過井斜角與方位角判斷出需要設(shè)計(jì)增斜鉆具組合,因此可以從案例知識庫中搜尋與案例相似的設(shè)計(jì)組合,但由于地層的各向異性會產(chǎn)生井斜以及增方位效應(yīng),從而在設(shè)計(jì)過程中需要考慮使用鉆具組合增斜的同時(shí)穩(wěn)方位,最終設(shè)計(jì)出的鉆具組合為：PDC鉆頭(0.44 m)+近鉆頭穩(wěn)定器1(12")+無磁鉆鋌(12")+鉆鋌(12"*8 m)+穩(wěn)定器2(12")+鉆鋌(12"*8 m)+穩(wěn)定器3(12")+…,最后通過力學(xué)模型知識庫判斷當(dāng)前所設(shè)計(jì)的鉆具組合是否符合井場條件.下面給出兩種井場參數(shù)條件下的鉆具組合設(shè)計(jì)與實(shí)際設(shè)計(jì)對比：

表2是直井段設(shè)計(jì)常用的塔式鉆具組合,對于造斜點(diǎn)較淺且地層穩(wěn)定、井斜角較小的情況,鉆頭和鉆桿之間只需加3根鉆鋌.表3是造斜井段使用的鉆具組合,一般采用動力鉆具組合,從表2和表3可看出,程序所設(shè)計(jì)的鉆具組合與實(shí)際相差不大,由于未考慮到井噴情況發(fā)生,沒有設(shè)計(jì)回壓凡爾.但是在表3中專家系統(tǒng)只考慮了一般的增斜鉆具組合,沒有考慮實(shí)用動力鉆具,出現(xiàn)與實(shí)際情況不符合現(xiàn)象.

表2 直井段鉆具組合設(shè)計(jì)實(shí)例

表3 造斜井段鉆具組合設(shè)計(jì)實(shí)例

4 結(jié)論

本文針對鉆具設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)知識的局限性和難以重用的問題,提出一種基于本體的鉆具組合智能設(shè)計(jì)方法,利用CommonKADS知識模型構(gòu)建方法以及Protégé本體構(gòu)建工具構(gòu)建鉆具組合設(shè)計(jì)知識庫,完成了對鉆具組合設(shè)計(jì)知識的組織、推送和嵌入.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明通過構(gòu)建鉆具組合本體知識庫以及使用CBR推理,可以得出本系統(tǒng)可以得出基本的鉆具組合設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對鉆具組合的智能選擇.

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