泥浆工程设计专家系统开发与应用

D0I:10.13374/j.issnl001053x.1995.05.01 第17卷第5期 北京科技大学学报 Vol.17 No.5 199510 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct.1995 泥浆工程设计专家系统开发与应用 曾广平)李秀山)涂序彦)李国华)刘贵传2) 林永学2) 1)北京科技大学计算机系，北京1000832)地矿部石油钻井研究所，山东德州253005 摘要论述了石油泥浆设计专家系统的研制目标、关健技术以及该系统开发策略、总体方案和技 术措施·对所形成的系统的特点和初步应用效果作了简析· 关键词计算机应用，人工智能，专家系统，数据库/泥浆工程设计，知识库，模型库 中图分类号TE254,TP39 Development and Application of the Mud Engineering Design Expert System Zeng Guangping Li Xiushan)Tu Xuyan)Li Guohua?)Liu Guichuan?)Lin Yongxue2) 1)Department of Computer Science,USTB,Beijing 100083,PRC 2)Institute of Petroleum Drilling Engineering,Dezhou,Shandong 253005,PRC ABSTRACT The object,the development strategies,the general funtion frame and the technology frame of Petroleum Drilling Fluid Engineering Design Expert System (PDFEDES)are discussed.A brief analysis and introduction of its application to the special domain is also given. KEY WORDS computer applications,artificial intelligence,expert systems,databases mud engineering,knowledge base,model base 石油泥浆设计专家系统是中型专家系统，它包括泥浆选型、性能设计、固相控制、现场 管理等若干子系统，它集分析、设计、规划、决策、咨询解释诸功能于一体.专家经验和知 识取自地矿、石油两大部门的泥浆专家，石油泥浆专家系统对钻井技术进步和生产施工有重 要意义· 1石油泥浆专家系统的研究目标、开发策略和总体方案 1.1 PDFEDES研究目标 石油泥浆设计专家系统（以下简称PDFEDES)要达到的目标是：(I)及时收集整理专 家的经验知识；(2)专家经验知识在工程设计中推广应用；(3)用专家经验知识对现场技术 1994-12-22收稿第一作者男32岁高级工程师硕士 ◆国家“八五”重点科研攻关项目

第 17 卷 第 5期 北 京 科 技 大 学 学 报 一姚年 10月 oJ u r n a l o f U n ive sr ity o f s以ne ec a n d Te e h n o l o g y Be ij ni g V川 . 17 N心 . 5 0 d . 1望巧 泥 浆工 程设计专家系 统开发 与应用 ` 曾广 平 ’ ) 李秀山 ’ ) 涂序彦 ` , 李 国华 ’ ) 刘 贵传 ’ ) 林永 学 2 ) l) 北京科技大学计算机系 , 北京 1以刃8 3 2) 地矿部石 油钻井研究所 , 山东德州 25 刃) 5 摘 要 论述 了石油泥浆设计 专家系统的研制 目标 、 关键技术以 及 该系统开发策略 、 总体方 案和技 术措施 . 对所形成 的系统的特 点和 初步 应用 效果作 了 简析 . 关键 词 计算机应 用 , 人工智 能 , 专家系统 , 数据 库 / 泥 浆工 程设计 , 知 识库 , 模型 库 中图分类 号 T E 254 , 仰39 块ve l o Pme n t a dn A P P lica t i o n o f hte M du E n g i ne r ign D es ig n E x eP rt S 那 tem ’ Z 川9 uG a n 卯i n g ’ ) L i 为 u hs a n ’ ) uT 为心a n ’ ) L i uG oh u a Z ) L i u uG 动 u an Z) 乙in oy ” 笋 u e Z) l ) D e P a rt m e n t o f oC m P u t e r S e i e n ce , U S T B , B e i j i n g l 0 0() 8 3 , PR C 2 ) I n s t i t u t e o f P e t or l e u m D ir l li n g E n g i n e r i n g , D e z h o u , S h a n d o n g 2 5 3 0 0 5 , P R C A B S T R A C T T h e o bj e e t , t h e d e v e l o P me n t s t r a t e g i es , t h e g e n e r a l fu n t i o n fr a me a n d t h e t e c h n o l o g y fr a me o f P e t r o l e u m D r illi n g F l u id E n g i n e e r i n g D es i g n E x P e rt S y s t e m 伊 D F E D E S ) a r e d i s e u s s e d . A b r i e f a n a l y s i s a n d i n t r o d u c t i o n o f it s a P P lica t i o n t o t h e s P e e i a l d o m a i n 1 5 a l s o g i v e n . K E Y W O R D S co m P u t e r a P P lica t i o n s , a rt iif e i a l i n t e lli g e n e , e x P e rt s y s t e srn , d a t a b a s es / m u d e n g i n e e r i n g , k n o w l e d g e b a s e , m o d e l b a s e 石 油 泥浆设 计专家系 统是 中型 专家系 统 , 它包括 泥 浆选 型 、 性 能设计 、 固相 控制 、 现 场 管理等 若干 子系 统 , 它集分 析 、 设计 、 规划 、 决 策 、 咨询 解释 诸功 能于 一体 . 专家经 验和知 识取 自地 矿 、 石 油两 大部 门的泥 浆专家 . 石油 泥浆 专家 系统 对钻井 技术 进步 和生 产施 工有重 要意 义 . 1 . 1 石油 泥浆专家 系统的研究 目标 、 开 发策略和 总体方 案 P D FE D ES 研究 目标 石 油 泥浆设 计专家 系统 ( 以 下 简称 P D F E D ES ) 要达 到 的 目标 是 : ( l) 及 时 收集 整 理 专 家 的经验 知 识 ; ( 2) 专家 经验 知 识在工 程设 计 中推广 应用 ; ( 3) 用 专家 经验知 识对 现场技术 1燮〕4 一 12 一 2 2 收 稿 第 一 作 者 男 32 岁 高级工 程 师 硕 士 国 家 “ 八五 ’ 重点 科研攻 关 项 目 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1995. 05. 012

·460 北京科技大学学报 1995年No.5 人员进行指导培训. 为了实现上述目标，从用户角度来看，该系统应具有下述的功能：(1)应用专家知识和 经验进行推理，求解泥浆设计问题；(2)对推理过程进行解释，便于用户学习专家经验知识 及解题方法；(3)完成石油井的泥浆工程设计，形成正式的指导生产施工的设计书文本， 12 PDFEDES的开发策略 (1)泥浆领域经验知识采集策略 研究中采用了以下3种知识采集形式：①直接走访专家；②通信问访专家；③专家评 审会· (2)系统开发策略 采取“逐步进化，逐步反馈”的开发策略（如图1所示）， 利用反馈信息，对系统各个部分进行增删、修改、补充、更新，提高其服务用户的质 量、增强智能水平， PDFEDES最小系统 原型系统 进化系统 反馈 反馈 图1系统开发策略 13 PDFEDES的功能总体方案 根据石油泥浆工程设计的需求分析，PDFEDES的总体功能及其结构如图2所示.它具 有问题分析决策，工程规划设计和提问咨询解释3部分功能， PDFEDES 分析决策 规划设计 咨询解释 岩性与岩层 泥浆漏失 泥浆配方 泥浆性能 翼 固相控制 成本费用 泥浆参数 最 图2 PDFEDES功能总体方案 2 PDFEDES的信息流程 经过对泥浆工程设计过程和求解泥浆问题的详细解剖，映射到计算机上的信息流程如图 3,其中每一步可取得相应的技术信息和文件资料. 原始参数输人：4次开钻需给出原始参数108个，包括地层地质信息、地温压力信息， 钻具及石油套管信息、井眼信息、地下水信息等，这些信息将作为计算、设计、推理的依据

· 46 0 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 5年 N o . 5 人 员进行 指导培训 . 为 了实现上述 目标 , 从用 户 角度来看 , 该系 统应具 有下 述的功 能 : ( l) 应用 专家 知识 和 经 验进行 推理 , 求解 泥浆设计问题 ; ( 2) 对推理过程进行 解 释 , 便 于用 户学 习专家 经验 知识 及 解题方 法; ( 3) 完 成石 油井 的泥 浆工 程设计 , 形 成正式 的指 导生 产施 工 的设 计书文本 . 1 2 的开 发策略 ( l) 泥浆领 域经验 知识采 集策略 研究中采用 了以下 3 种 知识 采集形 式 : ① 直接走访专家; ② 通信问访 专家 ; ③ 专家 评 审 会 . ( 2) 系统 开发 策略 采 取 “ 逐 步进 化 , 逐步反 馈 ” 的 开发策略 (如 图 l 所示 ) . 利 用 反馈信息 , 对系统各 个部 分进 行 增 删 、 修改 、 补 充 、 更 新 , 提 高其服 务 用 户 的 质 量 、 增 强智 能 水平 . 图 1 系统开发策略 13 的功能总体方案 根据 石 油泥 浆工 程 设计的需 求分 析 , PD F E D ES 的总体功能 及其结 构如 图 2 所示 . 它具 有 问题分析决策 , 工 程规划设计和提 问咨询解 释 3 部 分功 能 . P D 十七口 E S 分析决 策 咨询解释 岩 泥 泥 井 内 固 成 泥 管 性 浆 浆 复 杂 相 本 浆 理 与 配 性 情 况 控 费 参 参 岩 方 能 处 理 制 用 数 数 层 图 2 n DI 随)I E S 功能总 体方案 2 P D F E D E S 的信息流 程 经 过 对泥浆 工程 设计过 程和 求解 泥浆 问题的详 细解剖 , 映射到计 算机 上的信 息 流程如 图 3 , 其中每一步可取 得 相应的技 术信息和 文件 资料 . 原始参数输 人 : 4 次开 钻需 给 出原 始参 数 10 8 个 , 包 括地 层 地 质 信 息 、 地 温 压 力 信息 , 钻具及石油 套 管信息 、 井 眼信息 、 地 下水信 息等 . 这些信 息将 作 为计 算 、 设计 、 推理 的依据

Vol.17 No.5 曾广平等：泥浆设计专家系统开发与应用 .461. 存放在原始数据库文件中· 开始 输人原始参数 原始参数文件 确定岩性与地层 地层及岩性文件 确定漏失情况 漏失文件 选择泥浆类型和泥浆配方 类型、配方及故障揭示文件 成本费用计算 成本文件 泥浆选择认可 咨询解释 泥浆性能设计 泥浆性能文件 性能维护与处理 性能维护文件 固相控制 固相文件 复杂情况预防与处理 复杂情况文件 现场管理 现场管理报告 文本输出 泥浆工程设计书 结束 图3 PDFEDES信息流程图 确定岩性与地层：根据原始数据，用泥浆知识库进行推理，确定地层的漏失方式和程度· 泥浆类型选择、配方确定及井内故障提示：用原始数据和地层与岩性推理的二次数据、 漏失推理的二次数据，并启用泥浆和化学配方模型库，结合泥浆知识进行推理，确定使用的 泥浆类型和泥浆化学配方，同时提示钻井过程中可能出现的故障. 知识库(KB):存人约700条泥浆经验知识. 模型库(MB):内装9大泥浆类型近300种泥浆的化学配方， 数据库(DB):内装近200种泥浆材料和化学处理剂有关数据， 材料成本计算：启用泥浆材料数据库，计算所有泥浆的成本，用户根据成本费用、现场 库存材料等实际情况来决定配方是否可行， 泥浆性能设计：设计所选泥浆的性能指标，包括密度、固相含量、流变参数、滤失量、 酸碱度、般土含量、含砂量、泥饼摩阻系数等10类21个参数.在钻井过程要保证这21个 参数的相对平衡稳定， 泥浆性能维护与处理：用知识库推理求解，得出泥浆性能的维护措施与步骤

V b l . 17 N o . 5 曾广平等二 泥浆设计 专家系 统开 发 与应 用 存放 在 原始 数据 库 文件 中 . 输甲人原始参数 原始参 数文件 确定岩性与地层 地层及岩性文件 确定漏失情况 漏失文件 选择泥浆类型和 泥浆配方 类型 、 配方及故障揭示 文件 成本费用计算 成本文件 泥 浆选择认可 咨询解释 泥 浆性能设 计 泥浆性能文件 性 能维护与处理 性能维护文件 固相控制 固相 文件 复杂情况预防与处理 复杂情况文件 现 场管理报告 泥浆工 程设计 书 理一出 孵工橄鞭l ] 现一文厂l ì 图 3 P D F E D E S 信息流程图 确定 岩 性 与地层 : 根 据原 始数据 , 用 泥浆知识库进行 推理 , 确定地层的漏失方式和程度 . 泥浆 类型选 择 、 配方 确定 及井 内故 障提 示 : 用 原始数据和地 层 与岩 性 推理 的二 次数据 、 漏失 推理 的二 次 数据 , 并 启用 泥浆和化学 配方模型 库 , 结 合泥 浆知 识进行 推理 , 确 定使用的 泥浆类型 和 泥浆 化学 配方 , 同时提 示钻 井过 程 中可能 出现 的故障 . 知识 库 (K B ) : 存人 约 70 条 泥浆 经验 知识 . 模 型库 ( M B ) : 内装 9 大 泥浆类 型近 3 0 0 种泥 浆 的化学配 方 . 数据 库 ( D )B : 内装 近 20 种泥浆 材料 和化 学处 理剂有 关数 据 . 材料 成本计算 : 启 用泥浆 材 料数据 库 , 计算所有 泥浆的成 本 . 用户根据 成本费 用 、 现 场 库存材料 等实 际情况来 决定 配方 是否 可行 . 泥 浆性 能设计 : 设计所 选泥 浆 的性 能 指标 , 包 括密 度 、 固 相 含 量 、 流 变参 数 、 滤 失 量 、 酸 碱度 、 般 土含量 、 含 砂量 、 泥饼摩 阻系 数等 10 类 21 个 参 数 . 在 钻 井 过程 要 保 证 这 21 个 参数的相对平衡 稳定 . 泥浆性 能 维护 与处理 : 用 知识 库推理 求 解 , 得 出泥 浆性 能 的维护措 施 与步 骤

·462· 北京科技大学学报 1995年No.5 井内复杂情况预防与处理：推理求解井下事故预防措施及出现事故后的处理方法， 现场泥浆管理：提出现场泥浆问题的常规处理程序和处理措施，如数据采集与处理，一 般计算和对泥浆性能进行跟踪，从而决定相应的处理方法· 文本设计书输出：按泥浆设计书的格式、要求把整个设计文本打印出来， 3 PDFEDES的技术总体方案 PDFEDES技术总体方案如图4所示，它是以推理机为核心，以综合知识库和工作数据 库为后援，以咨询和工程设计为系统任务的人一机协调系统，所含的主要技术有多库协同、 广义知识表达和知识推理等技术1~. 原始数据静态恽 中可数据 动心件 推理机 工作数据库调 度机制 综合知识库调度机制 KB M DB 操作 操作操作 咨询服务机制 KB 提理作示 问解答教 综合知识库维护机制 工程设计运作机制 KB维户 DB MB维护 参数分析 规划结果 维护 输入决策 设计处理 领域专家访问口 普通专家访问口 键盘 多级菜单 化仪 人机接口 拾人 活动窗口 /0工具方式 输出 动态显示 屏幕 打印 图形显示 领域专家 普通专家 图4 PDFEDES技术总体方案 (I)多库协同技术PDFEDES包含了知识库(KB)、数据库(DB)和模型库(MB), KB、DB、MB三库协同工作.KB用于推理，DB给推理提供数据，MB模型库供设计时使 用，另外，工作数据库作为设计、计算和信息输入输出提供缓冲， (2)广义的知识表达技术泥浆经验知识大部分适合产生式规则来表达，有些则不尽然

· 4 62 . 北 京 科 技 大 学 学 报 199 5 年 N o . 5 井 内复杂情 况 预 防与处理 : 推理 求解井 下 事故 预防措施及 出现 事故后 的处理 方法 . 现 场泥浆管理 : 提 出现场泥浆问题 的常规处理程 序 和处理措施 , 如 数据 采集 与处理 , 一 般计算和 对泥 浆性 能 进行跟 踪 , 从而 决定相 应的处理 方法 . 文本设计书输 出: 按 泥浆设 计书的格式 、 要 求把 整个 设计文本 打印 出来 . 的技术总体方案 P D F E D ES 技术 总体方案如图 4 所 示 . 它是 以 推理 机为 核心 , 以 综合知 识库和 工 作 数据 库为后援 , 以咨 询和 工程 设计为 系统任务的人 一 机 协调系 统 . 所 含 的主 要 技 术有 多库协同 、 广义 知 识表 达和 知识 推理 等技 术 【’ 一 4 ] . 原 始 数据 静 态 库 , 卜问 数 据 动 态库 推 理 机 工 作数 据库 调 度机 制 K B M B 操 作 操 作 K B 、 I B D B 禽 理 作 不 解 答 教 综 合知 识 库 维 护 机 制 工 程 设 计 运 作 机 制 K B 维 护 M B 维 护 参 数 分析 规 划 结 果 愉 人 决 策 设 计 处 理 令贞域 专家 访 问 日 键 盘 鼠 标 多 级 莱 单 数 字 人 机接 口 活动 窗 口 化 仪 箱人 动态显 示 图 形 显 示 I / 0 工 具 方 式 输出 屏 幕 l 打 印 机 领 域 专 家 普 通 专家 图 4 P D F E D ES 技术总体方案 ( l) 多 库协同技 术 P D F E D ES 包含 了知 识库 (K B ) 、 数 据库 (D )B 和 模型 库 ( M )B , K B 、 D B 、 M B 三 库协同 工作 . K B 用 于推理 , D B 给推理 提供 数据 , M B 模 型 库供设计 时使 用 . 另外 , 工作 数据 库作 为设 计 、 计算 和信 息输 入 输 出提 供缓 冲 . ( 2) 广 义的知识 表 达技术 泥 浆经验 知 识大部 分 适合 产生式规则来表达 , 有些则不尽然

Vol.17 No.5 曾广平等：泥浆设计专家系统开发与应用 .463. 为了便于推理使用，PDFEDS把全部泥浆知识表达成统一的广义产生式规则，这种类产生式 规则的统一知识表达式为： F<空条件><条件1>条件2><…，条件N> THEN<空结论><结论> (3)推理技术推理技术包括环境控制与管理、知识库的搜索、推理过程跟踪与再现及 中间数据的管理与结论输出· ①环境控制与管理完成内存清理、环境状态初始化等工作， ②知识库的搜索是求解问题的推理过程，分为正向、逆向和双向，数据驱动时用正向 推理；目标驱动时用逆向推理；工程设计时（给出部分原始参数和目标要求）采用双向混合 推理，推理的每一步结论是终极结论或者非终极结论，若为后者则继续推理.搜索的对象是 泥浆知识库、模型库及数据库· ③推理过程跟踪是把用过的全部规则记录在内存中，以备后用（示教或解释），同时 给出所遍历过的规则提示， ④推理过程再现是把跟踪下来的推理过程按用户的要求再显示给用户，起到质疑或示 教的作用，再现可以是局部再现（单步再现），也可是全部再现(1个结论的全部规则再 现). ⑤中间数据的管理与结论输出机制.推理过程中所产生的数据分为结论性的和非结论 的两种.结论或结论性的数据将输出到磁盘上，供后续软件处理（或运算或作解释）；非结 论性的数据存入中间（缓冲）数据库驻留内存，作为下一步的推理依据，中间数据库是一个 不断更新变化的数据区， (4)智能接口技术遵照“人机协调”思想，实行人机合理分工、人机智能结合和人机 友好交互，以文字、图像等有效方式与用户对话，并为领域专家设置专门的系统访问通道· 4 PDFEDES的特点及其现场应用效果 PDFEDES的原型系统于1994年初首次在新疆塔里木石袖泥浆工程设计中使用· PDFEDES的设计结果与其他手段的设计结果对比，设计周期缩短86.7%（从原来的设计周 期约15d缩短到1~2d),机上设计周期则从原来的15d左右缩短到2h左右（机上设计速度 提高50~100倍)，实现了泥浆设计的计算机化与自动化，设计书格式与内容规范化.同 时，该成果的成功应用，使钻井施工周期降低了33%以上，钻井周期由230d以上降至150d 左右，井内事故大大减少，使油气层损害程度由原来较严重至现在的轻微或无损害，原油产 量有了较大的提高， 5结论 PDFEDES系统目标明确、技术思路和实施策略可行，所采集的专家经验知识比较全面 准确，系统做出的泥浆设计在现场施工应用后缩短了钻井周期，大大降低油气层损害程度， 提高了原油产量· (下转468页)

V b l . 17 N o . 5 曾广 平等 : 泥浆设 计专家系统开发与 应用 · 46 3 · 为 了便于 推理使用 , P D F E L 6 把 全部 泥浆知 识表 达成 统一 的广义产生式规则 . 这 种 类产 生式 规则 的统一 知识 表达式 为 : IF < 空条件 > < 条件 1 > 条 件 2 > < · ” 一 , 条件 N > T H E N < 空结 论 >l < 结论 > ( 3) 推 理技 术 推理 技术包括环 境控 制 与管理 、 知 识库 的搜 索 、 推理过 程跟踪 与再 现及 中间数据的管理 与结论输出 . ① 环 境控 制 与管理 完成 内存清理 、 环 境状态初始 化等工作 . ② 知识库 的搜索是 求解 问题 的推理过 程 , 分 为正 向 、 逆 向和 双 向 . 数据 驱 动 时用 正 向 推理 ; 目标驱 动时用 逆 向推理 ; 工程设 计时 (给 出部分原始 参数和 目标要 求 ) 采用 双 向混合 推理 . 推理 的每一步结论 是终极 结论或者非终极结论 , 若为后者则继续推理 . 搜索的对象是 泥浆知识 库 、 模 型库及数据库 . ③ 推理过 程跟踪是 把用过 的全部 规则 记 录 在 内存 中 , 以 备后 用 (示 教 或解 释 ) , 同 时 给 出所遍 历过 的规则 提示 . ④ 推理过程再 现是 把跟踪 下来 的推理 过程 按 用户 的要 求 再 显 示 给用 户 , 起 到 质疑 或 示 教 的作 用 . 再现 可 以 是 局部 再 现 (单步 再 现 ) , 也 可 是全 部 再现 ( 1 个 结 论 的全 部 规 则 再 现 ) . ⑤ 中间数据 的管理 与结论输出机制 . 推理 过程 中所 产 生 的数 据 分 为 结 论 性 的 和 非 结论 的两 种 . 结论或结论性 的数据将输出到 磁盘 上 , 供后 续软件 处理 (或运 算或 作 解 释 ) ; 非 结 论性 的数据存 入 中间 (缓冲 ) 数据库驻 留内存 , 作为 下一步 的推 理依据 , 中间数据库是一 卜 不 断更 新变 化的数据 区 . ( 4) 智 能接 口 技术 遵 照 “ 人机 协调 ” 思 想 , 实行 人机合 理分 工 、 人机 智能 结合 和 人机 友好 交 互 , 以文 字 、 图像等有 效 方式 与用户 对话 , 并 为领 域专 家设置专 门的 系统访 问通 道 . 4 P D F E D ES 的特点及 其现场 应用 效果 P D F E D ES 的 原 型 系 统 于 19 94 年 初 首 次 在 新 疆 塔 里 木 石 油 泥 浆 工 程 设 计 中 使 用 . P D F E D ES 的设计结果 与其他手 段 的设计 结 果 对 比 , 设计周 期 缩 短 86 . 7 % ( 从原来 的设 计周 期 约 15 d 缩短到 l 一 Z d) , 机上设计周 期则从原来的 1s d 左右缩 短到 Z h 左右 (机 上设计速度 提 高 50 一 10 倍) , 实现 了泥浆设计 的计算 机化 与 自动化 , 设 计书 格 式 与 内容 规范 化 . 同 时 , 该 成果 的成功 应用 , 使钻井 施工 周期 降低 了 3 % 以上 , 钻井周期 由 2 30 d 以上 降至 150 d 左右 , 井 内事 故大 大减 少 , 使油 气层 损害程 度 由原来 较 严重至 现在 的轻微 或 无损害 , 原油产 量有 了较大 的提 高 . 5 结论 P D F E D ES 系 统 目标 明确 、 技术 思路 和实施 策 略可 行 , 所采集 的专 家经 验 知 识 比 较 全 面 准确 , 系 统做 出 的泥浆 设计在现 场施 工应 用后 缩短 了钻 井周期 , 大 大 降 低油 气 层 损 害 程 度 , 提高 了原 油产 量 . ( 下转 4 6 8 页 )