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(1.中国石油集团 工程技术研究院有限公司，北京 102200; 2.中油国际(乍得)有限责任公司,北京 100034)①

石油钻机是实现石油钻井，完成勘探开发任务的重要装备，是集机、电、液、气于一体的大型多功能联合工作机组[1-3]。选择钻机型号和配置钻机设备时仅仅考虑钻井深度因素是不全面的，要充分综合考虑钻机的技术特性和所钻井的井身结构、钻具结合、设计井地区的地质条件和钻井工艺技术要求等多方面的条件[4-8]。尤其是近年来随着石油勘探开发范围的扩大、钻井条件的日益苛刻、钻井难度的不断提高、新工艺新技术的不断应用，对石油钻机的技术性能提出了更高要求，利用科学方法对钻机选型及优化设备配置的重要性愈加凸显。钻机选型与设备配置合理与否不仅影响到钻井效率、钻井生产成本、企业利润，甚至直接影响钻井工艺能否实现。将计算机信息技术和钻机设计理论、钻机选型配套的基本原则、相关技术标准规范等相结合，研发了一套钻机选型配置软件，帮助石油工程领域的技术人员从繁琐的查表、计算、校核等工作中解放出来，高效科学地选择钻机型号及合理配置钻机设备。

1 软件功能分析

钻机选型配置软件是利用计算机软件强大的计算和逻辑分析能力，将钻机系统设计理论与计算机软件技术相结合的产物，应在软件设计理论研究和软件工程的基础上侧重于石油钻采机械和石油钻井工程的相关理论知识。欲实现软件科学选择钻机及合理配置钻机设备，本软件必须具有以下功能：丰富完整的钻机设备技术参数供设计人员查看及选择；成熟的钻机配套方案知识库供设计人员参考；科学的选型配置算法作为钻机选型配置依据；输出所需要的结果。因此，本软件包括钻机单元常量维护数据库、钻机预置方案知识库、钻机选型和信息显示4个主要功能模块。

2 软件架构及程序流程设计

2.1 软件架构设计

软件结构的规划是软件开发的难点，合理的结构可以减轻开发的工作量，提高软件的性能。本软件的总体技术架构如图1所示，包括业务应用层、组件服务层、数据存储层。数据存储层按照业务梳理进行结构化数据与非结构化数据的分类存储与服务；组件服务层通过各类标准组件及服务实现框架建设，并为插件开发提供实现标准，使得框架与插件有机结合。业务应用层按照业务需求，构建用户业务操作主界面，通过用户主界面将业务功能插件进行组合，实现系统业务功能。

图1 系统的技术架构

2.2 软件程序流程设计

通过对本软件的功能需求分析和架构设计，进一步理清各功能模块的逻辑关系。钻机选型配置方式可以是智能选型和手动选型，智能选型是指完成全部选型参数计算后，按照程序内部配置算法自动生成多套配置方案供选择；手动选型则是根据钻机各系统选型参数计算结果，按钻机设计的逻辑顺序分系统选择符合要求的设备。钻机配置预置方案知识库、钻机单元常量维护数据库等，为钻机选型配置模块提供数据支撑。钻机选型配置模块通过设计所要求的相关数据信息及系数的输入或提取，完成起升系统、旋转系统、循环固控系统、动力系统等各系统的选型参数计算，并按相应的选型配置算法完成钻机选型配置。在明确软件的功能逻辑关系后，完成本软件开发的第一步——设计选型软件的流程图，流程图明确了软件的流程和各个步骤所完成的工作。如图2所示。

图2 软件程序流程

3 软件功能

3.1 钻机配置预置方案知识库

钻机配置预置方案知识库是在查阅大量文献资料与调研现有钻机选型配置的基础上，参照了设计专家的经验总结和成熟可行的钻机设备配置方案的研究成果，规划出若干套钻机配置方案算法作为钻机配置参考。设计人员在钻机选型配置设计时，若设计的区块与钻机预置方案知识库中预存的方案为同一区块，或设计井与历史井的井型相同时，可直接调用该配置方案，或对参考配置方案稍作修改形成新的配置方案，以提高设计效率，确保设计质量。钻机预置方案的数据可根据实际情况增加或删除，还可将新设计的钻机配置方案成果入库，以确保设计的先进性。

3.2 钻机装备单元常量维护

该模块实现常用钻机单元常量维护功能。设备数据库的设计主要是进行关系型数据库结构设计。设备数据库以钻机八大系统进行分类，包括钻机八大系统的所有主要设备的技术参数和厂家信息，按所属系统和类型实现树形展示。设备数据库具有录入、修改、删除、查询、存储等基本功能，可供用户后期维护扩展，进一步增加设备的厂家和型号，并可删除掉落后设备，提高设备常量库的实时有效性。

3.3 钻机选型及配置

钻机选型及设备配置是按照一定的约束条件进行匹配的，选型约束条件包括选型原则、选型要求、设计规范、国家和行业标准等要求。设备匹配时既要满足功能上匹配，又要满足技术参数匹配，技术参数的匹配是以参数计算为依据。基于参数计算的选型配置方式可以是智能选型和手动选型。

1) 选型参数计算。参数计算是钻机选型配置实现的基础，以输入或提取井的钻井设计基本信息数据为计算起点，根据钻机系统设计、钻井设计等理论计算设备的极限参数，如最大钩载、最大快绳拉力、最大泵压、最大泵组排量、最大泵组功率、最大转矩、动力机的最大功率等。参数计算时要考虑冗余度。参数计算的数据输入可根据设计要求手动输入，也可提取钻井设计或其他文档的数据。本软件建立的选型参数计算涉及起升系统、旋转系统、循环固控系统和动力系统等关键设备的参数计算，各系统参数计算有一定关联，起升系统的参数计算是基础。

2) 智能选型。全面分析钻机设备匹配的所有约束条件，将其转化为数学限制条件或者逻辑限制条件，建立智能选型配置算法模型库。依据选型参数计算系统的计算结果，通过调用智能选型配置算法模型库及钻机配置预置方案知识库进行选择组合，自动从预置方案知识库中筛选推介出符合要求的多个可选方案，然后经比对分析选择其中的某个最佳方案，或对所选择方案编辑后形成新的方案，编辑时所查询的钻机设备数据从钻机单元常量库提取。

3) 手动选型。根据钻机设备匹配的所有约束条件，梳理钻机各大系统的选型要求，分别建立起升系统、旋转系统、循环系统、动力系统、井控系统等各系统主要设备的选型配置算法。依据各系统的相关参数计算结果，调用钻机单元管理数据库，过滤无效设备，通过查看优选计算后的设备常量表，分系统按钻机设计的逻辑顺序，逐个筛选出符合条件的主要设备，选好后关联预设的设备连接规则选择辅助装置，然后综合形成配套方案。

3.4 信息显示模块

为全面地给设计人员提供帮助，信息显示模块提供软件运行过程中各种信息显示、图形生成、文档输出及打印等功能。例如对于设计完成的每套钻机配套方案中，可以显示及生成基于Excel的设备详细参数表。

4 结语

本文介绍了中国石油集团工程技术研究院有限公司研发的钻机选型配置软件，软件以丰富的钻机单元管理数据库作数据支撑，先进的钻机预置方案知识库作参考、完善强大的参数计算和选型配置算法为科学依据。本软件的应用可帮助设计人员建设钻机配置的信息化解决方案，在钻机选型时快速、便捷、准确，有理可依，有据可循；使设计的钻机配置方案更加科学、实用、经济，提高了设计质量和效率，减轻设计人员的劳动强度。本软件可以单独使用，也可嵌入到其他软件，例如钻井工程设计软件中作为一个模块插件应用。