1、基于 Internet 的油田注水生产过程仿真分布式协同建模技术14 石油规划设计第 15 卷第 3 期规划常玉连朱保国任福深大庆石油学院机械工程学院包丽大庆油田有限责任公司勘探开发研究院常玉连等.基于 Internet 的油田注水生产过程仿真分布式协同建模技术.石油规划设计,2004,15(3】1416摘要在对油田注水生产过程进行仿真时,通常只能集中进行建模.针对这一现状,提出了一种新的分布式协同建模方法.论述了该建模方法中客户/JIE 务模式,协同系统的协作模式,体系结构及模型结构的特征.对油田注水生产过程仿真的分布式协同建模方法的基本原理和设计实例进行了分析,提出了未来计算机支持的协同工
2、作技术应用的新领域.关键词油田注水仿真分布式协同建模模式结构技术随着油田进入高含水开发期,注水系统运行工况日趋复杂,仅依靠管理人员的经验控制注水系统的运行难以保证正常配注要求,而且存在系统耗能大的弊端.根据油田生产需要,运行新的生产方案,生产系统尤其是管网系统的改造设计,需要采用现代化信息技术来提高注水系统运行水平.仿真作为人们研究世界,认识世界的一个重要手段,在油田注水生产过程中起着重要作用.主要体现在通过建立油田注水生产的仿真模型,利用仿真计算获得的结果,指导油田注水生产,提高油田注水生产的经济效益.因此,油田注水生产过程仿真系统,既是油田注水生产的需要,也是提高油田生产管理技术水平的必然
3、要求.分布式协同建模问题的提出分布式协同建模是指位于不同地方的建模人员为某仿真任务相互协同工作,共同完成模型.分布式协同建模有两个最主要特征:分布性和协同性.分布性主要体现在建模人员地理位置的分布性;协同性则主要体现在不同建模人员为一个总的建模任务而协同工作.分布式协同建模应当具备 3 项功能:一是支持建模人员完成各自建模子任务,通过这些子任务的完成,最终实现对整个系统的建模;二是支持建模人员对已有仿真模型的重用,以提高建模效率;三是支持位于不同地方的建模人员能够透明访问所有同仿真有关的信息.油田注水生产管网模型由于其复杂性,需要不同领域的技术人员协同工作,共同完成建模.由于这些建模人员分散在
4、采油厂不同的岗位,因此油田注水管网建模本质上是需要分布式协同建模的.分布式协同建模系统的实施模式随着网络技术的广泛应用,网络环境下协同工作的先进设计模式的理论方法和应用研究工作得到许多专家学者的关注.客户/服务模式通过使用一个应用程序(客户) 和另一个程序(服务端) 交换数据;通过消息传递机制进行对话,客户向服务器发出请求,服务器进行相应的处理后将结果返回客户.在客户/服务模式的应用中,一般采用 3 层客户/HE 务模式体系结构.通常使用低层次的 Socket 来开发,使用 Socket 开发客户/服务端模式,必须设计一常玉连,男,1951 年生,教授.1992 年毕业于大庆石油学院石油机械工
5、程专业,获硕士学位,现在大庆市大庆石油学院机械工程学院工作.通信地址:大庆市大庆石油学院机械科学与工程学院,163318瓣规划瓣种包含客户端和服务端都统一的命令集协议.用Socket 建立的连接是建立在 TCP/IP 协议基础上,这样客户端和服务端可以通过这个协议进行通信.WinSock 是一组 API(应用程序接口),用于在 Internet上传输数据和交换信息.与 Web 浏览器,FTP( 网络传输协议)程序相比,通过 WinSock 编程可以获得更大的灵活性,并且不需要关心网络连接的细节.用 WinSock 编程本来是很麻烦的,但在 C+Builder中并不需要直接与 WinSock 的
6、 API 打交道.因为,TcientSocket 元件和 TserverSocket 元件封装了WinSock 的大部分 API,简化了 WinSock 编程.1 分布式协同建模系统的协作模式同步协作模式是在同步协作模式下,建模成员可以同时对同一个模型对象进行编辑,每个成员对模型的修改操作都实时地广播给组内其他成员,并使其他成员能够及时看到修改之后的结果.异步协作模式是在这种协作模式下,建模成员根据任务的划分独立完成任务.当某个成员完成相应的任务时,模型传送给服务器或者其他成员,下一个成员在前面的基础上开始设计任务.然而在一个 CSCW(计算机支持协同工作)系统中,成员之间的协作过程,并不是单
7、独地存在同步协作或者异步协作模式,大多数情况是两种协作模式共存,在异步协作过程中也包含着同步协作.系统采用了两种协作模式共存的方式,建模成员协同建模采用的是异步协作模式,而在为协同参与者提供的交流工具中,则采用同步模式.在异步模式下,建模成员可以在本地完成下发的建模任务,然后再上传给服务器,服务器再广播给其他的建模成员,保证数据的一致性.在交流工具中采用同步模式,可以实时地反映各个建模成员的不同信息.2 分布式协同建模系统的体系结构对 CSCW 系统来讲 ,计算机技术应该是支持而不是控制整个协作过程,它是协助协作成员完成协作任务的一种工具.总体上,协同系统的结构可以划分为 3 种类型(见图 1
8、).a 集中式体系结构 b 分布式结构 c 混合式结构图 1 协同系统的结构示意(1)集中式体系结构.集中式体系结构采用C|ient/Server 结构,系统当中有一台服务器 ,主要功能是管理建模任务和建模成员.建模成员在开始协同建模时,首先要连接到服务器上,模型数据统一存放在服务器中,每个建模成员对模型的修改都实时地传送到服务器.集中式结构的优点是管理简单,易于实现存取管理和保证数据的一致性;同时,能够实时地将某个建模成员对模型的修改反映到其他协作者.但是集中式结构也存在着缺点:系统缺乏灵活性;系统的可靠性较差;系统的可扩展性较差.(2)分布式体系结构.分布式结构与集中式结构不同的地方在于当
9、多个用户同步对一个协同任务进行建模的时候,每个用户分别保存该模型的一个副本,而且这些模型副本保持与实时数据一致.与集中式相比,分布式系统具有较好的灵活性,可靠性,可扩展性,然而,它的实现比较复杂.(3)混合式结构.集中式和分布式结构分别具有各自优缺点,单纯地采用某种结构都不能很好地实现一个协同系统.因此,采用将集中式和分布式结合在一起的混合式体系结构.对于参与协同工作的用户信息和模型数据采用集中式管理,而每个建模成员的模型数据的保存则采用分布式管理.采用这种结构,可以避免分布式用户加入系统时的不便,由于每个建模成员保存同步修改的模型数据副本,这样可以解决集中式结构中服务器负载过重的问题.然而混
10、合式结构也存在着协同设计数据可能出现不一致的问题,需要在系统设计中加以解决.3 分布式协同建模系统的模型结构油田注水系统运行工况及结构复杂,工艺依赖性强,如果针对各区块独立地建立油田注水的模型系统,将会耗费大量的时间和人力,延长系统的开发时间.因此,利用网络工具和现代设计方法学的有关理论,总结油田注水的共性特征,构建一些通用的协同建模应用构件,以此快速地生成自己的模型系统.针对这种需要,分析,提炼了分布式协同建模系统的一些共性应用,构建了分布式协同建模系统(见图 2).客户工作站是地理位置上分散的通过 Internet 连接起来的企业或企业的一部分,根据某种任务的需要而结成动态联盟.系统采用
11、C/S(客户端,服务器)模式和 ISAPI(应用程序接口) 技术来构建远程分布式协同建模系统,通过开放式数据库连接(OpenDatabaseConnectivity,ODBC)与数据库服务器连接,进行服16 石油规划设计第 15 卷第 3 期羹规划客户工作站!应用服务器 i 数据库服务器个性f_1 服务 I_卉_矗两n_套莓羹e安全r.Da策略SSWO.墓 BC)serDaSsworcljUI 一一一.图 2 协同建模系统的模型结构数据库系统(access)务器端应用程序的开发.由于该结构采用了 3 层 C/S模式,主要的网络管理功能和应用软件等都集中在服务器端,所以客户端的分布显得相当简单,
12、只需在需要接人的地点安装瘦客户端程序和一些简单的设置,并为每个用户在管理数据库中增加人口即可.由于采用了 C/S 模式,使得系统间的集成变得容易,而且一旦接口确定,将不受各自应用实现变化的影响;所有应用内容可采用一种客户机软件,使多个信息源的信息可同时出现在一个屏幕上,便于远程建模的协同.分布式协同建模方法1 分布式协同建模油田注水生产过程仿真分布式协同建模是将一个复杂系统按照一定原则分解为不同子系统,然后对不同的子系统进行建模,再将建模得到的各个子系统仿真模型按照相互连接的接口关系组装成为一个完整的系统模型.其中的子系统还可以根据需要分解为更小的子系统,然后对这些更小规模的子系统进行建模,再
13、将得到的模型组装成为子系统模型.通常在系统分解的时候就可以确定下一级子系统相互连接的接口关系,这些接口关系可以作为建模任务的一部分直接提交给建模人员,供建模人员建模的时候使用.但有时系统分解的时候,只能初步确定下一级子系统相互之间的连接关系,详细的接口关系则要等到具体建模的时候由建模人员相互协商,逐步明确.建模人员接受建模任务,通过创建新的仿真模型对象,完成自己的建模,这是分布式协同建模的核心.基于油田注水生产过程仿真的分布式协同建模是位于不同地方的建模人员根据自己的建模子任务不断创建分布式仿真模型对象的过程,它通过对仿真模型的创建,从而形成一个迭代过程,最终构建出一个完整系统的油田注水生产过
14、程仿真模型.2 分布式协同建模系统应用实例以文中提出的方法为理论依据,利用上述技术原理,采用 C+Builder5 编程 ,构建了以 WindowsNT为操作系统,开发了某采油厂注水生产系统分布式协同建模系统,系统通过专线接人 Internet.系统可以实现仿真软件设计单位与采油厂合作进行远程分布式协同建模.分布式协同建模系统应用实例的结构见图 3.建模成员 1ll 建模成员 21.一 l 建模成员 nWeb 服务器 kI 应用 JlL 务器数据库 t 务器图 3 分布式协同建模系统应用实例结构首先对整个采油厂仿真模型系统进行建模任务分解,然后把分解的模型作为建模子任务分配给不同的建模人员.位
15、于不同地方的建模人员则各自完成自己的建模子任务,各建模人员在创建各个仿真模型对象的过程中,可以充分重用已有的仿真模型对象,实现快速建模.分布式协同建模服务器将各个子系统模型整合,并负责校验管网模型,最终实现该采油厂注水生产过程仿真模型的建立.通过与由建模人员单机建模相比,分布式协同建模能够实现多个建模成员共同完成模型的建立,节约建模时间,方便建模成员的交流,具有较高的建模效率,应用前景非常好.结 6“-油田注水生产过程仿真分布式协同建模是信息技术,计算机网络与油田注水生产过程仿真建模技术结合的新领域.油田注水生产过程仿真分布式协同建模系统充分发挥网络优势,改变油田注水生产过程仿真建模的传统工作
16、模式,为油田注水生产过程仿真建模提供新的工作方法.虽然是针对油田注水生产管网系统研究的分布式协同建模,但其思想完全可以用于整个石油生产系统.因为石油生产系统多数为覆盖地域广阔的大型工程系统,无论其设计和运行都需要多领域,多专业的技术人员协同工作.因此,计算机支持的协同工作技术在石油工程领域具有十分广阔的应用前景.(下转第 21 页)瓣设计瓣石油规划设计 2004 年 5 月 21地面工程方案分析KD12,KD401 这两个处于水深 4in 以内,单井液量较小(15 20t/d),具有相似特性的产能区块,由于地域环境和周边可依托的油区的布局情况不同,油气集输方式的差异,使得其地面工程的总投资也有
17、较大的差异.通过投资估算可以看出,KD12 区块(水深在 04in)方案 2(海上平台 +海底管道)的投资比方案 1(人工岛+进海路)的投资要低 1300 万元.按照有关的定额来测算,海上钻井的费用取 4200 元/m,陆上钻井的费用是 1800 元/m,每口井进尺 1200in,按 27 口井计算,则海上平台的钻井费用比人工岛的费用高 7776 万元;同时,修井作业也需依托平台修井船来完成,平台及海底管道的建设需要依托大型浮吊及铺管船来保证施工,海上施工的工程量较大;另外,平台导管架及上部组块,平台管网,电气设备的安装等均需在平台就位后进行,而海上工程部分的年施工周期只有 200d,受海洋气
18、候的影响较大,这些都增加了海上施工的难度.这种区块的开发,仅仅从地面工程的投资上还不能作出准确的推断,我们认为需要对整个区块的油藏,钻井,采油等部分进行整体的经济评价后,才能最终确定依据哪种方案是有效益的.KD401 区块(水深 12in)方案 1(人工岛+进海路)的投资比方案 2(海上平台+海底管道)的投资低 2560 万元.按照每口井进尺 1200in,9 口井计算,则海上平台的钻井费用比人工岛的要多 2592 万元.因此,在这个区块的开发上还是倾向于人工岛方案.对于水深在 12in 的范围内,由于海上钻井作业的船舶以及铺管船均难以作业.因此,采用人工岛加进海路的方法后,钻井,修井作业,人
19、员生活等均可以依托进海道路,采用陆地建设的方式进行,这样就极大程度的减少了作业及维护费用,提高了油井开采的经济性.这两种方案特点分析见表 4.表 4 各种方案优缺点对比通过这两个区块的地面工程方案分析,我们认为在胜利滩海油田的建设上,对于 33.5m 水深的浅海区域,海上平台方案的地面工程投资比人工岛方案的投资略低.但是相差不是太大,确定哪种方案,应从油藏,钻井,采油工艺,作业,管理等各个方面进行综合评价来确定.在小于 2.5m 水深的区域,人工岛方案的地面工程投资比海上平台方案有较大幅度的降低.收稿日期:2003-1119编辑:马三佳(上接第 16 页)参考文献【1】常玉连等.油田注水系统生产过程仿真软件 ISPPS.系统仿真,1999,11(6):450453【2】蔡猛等.多机协同空战仿真的分布式虚拟环境研究.系统仿真,2001,13(6):690692【3】李键等.基于网络的协同设计方法研究.清华大学(自然科学版),2000,4O(9):9396【4】陈晓波等.基于分布式仿真模型对象的分布式协同建
