地质建模与数值模拟成果数据库项目技术总结.docx
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地质建模与数值模拟成果数据库项目技术总结
《地质建模与数值模拟成果数据库的建立技术研究》技术总结报告
2007年10月
一、项目来源
二、研究内容与工作目标
三、国内外研究现状
四、方案设计
（一）大块数据体网络存储方案
（二）数据库结构设计原则
（三）成果数据库结构标准
（四）数据维护软件系统
（五）二维成果图形浏览系统
五、技术创新点
六、项目推广应用情况
七、下一步研究方向
一、项目来源
近年来，随着油藏精细描述工作的不断深入，随着三维建模软件、数值模拟软件的大规模引进及推广应用，油藏精细描述向规模化、定量化、可视化方向快速发展。
以油田储层细分沉积相研究、三维地质建模和百万节点数值模拟等为主要内容的多学科油藏精细描述研究，其成果数据量每年以惊人的速度迅猛增长。
但这些研究成果大多以图纸保存或以文件方式存储在个人计算机上，专业技术人员要花费大量的精力去翻阅图件、查找数据，成果数据很难共享，且由于客观原因，造成一些成果数据介质或文档丢失，这样既不方便成果的推广应用，又存在较大的信息安全隐患。
因此，急需研制开发出一套大块数据体二维成果图、三维建模与数值模拟成果存储及网络应用系统方案，按照实现油藏精细描述成果库建设规范化、标准化、系统化和网络化应用的总体要求，利用现代信息技术手段构建良好的知识管理系统和环境支持系统。
如何整合海量的二维图形、三维建模、数值模拟等成果数据资源，合理存储、快速调用，既方便成果的推广应用、又安全可靠，为地质建模、数值模拟、油藏工程分析等多学科一体化综合研究奠定基础，现代数据库管理与三维可视化等新技术是将油藏精细描述成果转化为数据资产和生产力的有效途径。
在数据库建设方面，通过对不同油田开发阶段油藏描述工作成果数据库建设状况详细梳理，还存在数据库不健全和人员应用率相对小等情况，主要表现以下几个方面：
一是已经存在的数据库的内容不全，不能反映目前对油藏的认识的结果，需要重新修订建库标准。
二是对现阶段油藏数字化的图形成果，因为缺乏规范统一的建库标准，没有形成企业数据资产，无法对其进行规范化管理不利于成果的拓展应用。
三是二维数字化成果图和三维地质模型和四维油藏数值模型是一个庞大的数据体，如何进行合理存储、快速传输和方便调用，这就需要搭建一个精细油藏研究成果信息管理平台，进行自动化规范化管理，提高工作效率，拓展成果应用。
根据2005年度油田公司开发技术座谈会精神要求，建立“四个”油藏精细描述成果库，是“十一五”时期深入搞好油藏精细描述，不断深化油藏地质认识的一项重要工作内容。
为此，油田公司开发部组织开展了地质建模、数值模拟大块数据体存储和地质图规范存储项目的研发。
本课题研究通过构建二维地质成果图、三维油藏建模、数模成果库的标准化、网络化存储与应用系统，通过规范多学科油藏精细描述成果库建设，力求实现多学科的网络化信息集成、数据资源共享、知识成果共享，推进知识创新，为加快大庆油田数字化建设创造良好条件，最终能够进行任意范围的建模、数模成果的科学化管理和实时调用。
不仅大大提高了科研人员的的工作效率，而且降低了使用难度，扩大了成果库的使用范围，为大庆油田开发后期潜力挖掘、剩余油分布描述和提高油田采收率提供重要的技术支持。
二、研究内容与工作目标
（一）主要研究内容
1、研究大块复杂数据体网络存储技术
2、研究二维地质成果图建库标准
3、研究三维建模成果建库标准
4、研究数值模拟成果建库标准
5、开发成果库Web网络应用系统
（二）工作目标
1、规范多学科油藏精细描述成果库建设。
根据《油田开发管理纲要》和有关油藏精细描述技术标准与规范，针对每个成果库，详细制定出二维图形数据库文件结构标准和三维建模、数值模拟大块数据体网络存储结构标准。
2、构建成果数据库管理系统和软、硬件环境支持系统。
开发配套的网络存储、加载更新与成果下载、浏览等功能模块，开发数据库管理、维护与共享应用等工具软件。
3、搭建共享平台，推广成果数据库网络化应用，强化知识管理。
开发一体化数据管理与三维可视化应用平台，力争实现海量图形数据的实时传输、成果库实时调用等多维图形数据网络应用可视化。
三、国内外研究现状
当前全球正处在知识经济迅速崛起、信息化迅速发展的时代，信息的采集、存储、共享、利用和传播成为决定企业竞争的关键因素。
国际上各大石油公司非常重视信息系统和数据库建设，把数据作为资产进行管理，加强数据质量控制、加快数据查找速度、缩短数据加载时间、共享数据资源、迅速掌握本公司生产经营动态信息、提高决策管理水平。
目前一些重要的石油天然气公司数据建设已经达到企业集成、智能决策阶段，实现了企业建立并维持竞争优势所必需具备的数据管理策略。
随着“数字油田”、“数字石化”、“数字石油”等新的石油行业信息化理念被普遍接受，全球石油石化企业信息新一轮的信息化竞赛已经进入了实力较量阶段，石油石化企业已经发展到了离开信息系统就无法生存的地步。
目前，数字油田建设已成为众多石油企业，特别是上游油田企业信息化建设的核心内容，数字油田本身也成为各油田企业信息化建设的战略目标。
数字油田和数字石化作为数字石油最重要的两方面内容，引领着新时期石油行业的信息化。
石油行业信息化建设的阶段性。
根据诺兰等学者提出的信息化发展阶段理论模型（参见图1），一个企业或组织的信息化进程可分为6个渐进的阶段：
初始期、普及期、控制期、整合期、数据管理期和成熟期。
每个阶段都是在前一阶段基础上的提高，具有不可跨越性。
其中控制期和整合期是信息化建设发展的关键阶段，在这一时期，企业主动的调整十分必要的，这项工作的缺失将在很大程度上影响企业未来信息化的发展，进而影响企业自身的长远发展。
目前，大部分国际大型石油公司已经基本完成了调整任务，进入了数据管理期，而国内大多数石油企业的信息化进程尚未进入这个阶段。
我国有些石油企业的较大规模信息化建设起步不久，大多数处于控制期，少数企业正在步入整合期。
我们必须清楚地认识到，尽管我国少数石油企业信息化建设程度相对较高，但各企业发展不平衡，总体上仍处于初级阶段，还有大量的工作要做好、做实，否则不能顺利渡过控制期和整合期，从而严重影响整个石油行业的信息化进程。
因此可以说，我国石油企业信息化建设正处于一个十分关键的阶段。
图1信息化发展阶段理论模型
自1990年左右地质建模软件诞生后，地质建模技术取得了飞速的发展。
目前股份公司各油田公司引进的商业化建模和数模软件，具有强大的构造建模技术、高精度的三维网格化技术、确定性和随机性沉积相模型建立技术、科学的岩石物理建模技术、先进的三维计算机可视化和虚拟现实技术。
2002年以来，大庆油田开展了高含水后期多学科油藏研究和现场应用试验，以油藏数字化、可视化、应用软件集成化和方案编制个性化为指导思想，把技术发展、数据库建设、计算机软硬件环境建设和油藏实例研究工作同步推进，形成了以实用相控地质建模和油藏数值模拟为主要内容、适合大庆油田开发技术流程和数据特点的多学科油藏研究技术。
相控地质建模技术解决了按沉积相约束进行油藏数值模型井间储层参数预测问题，研制出了一套以局域网为传输通道、以开发数据库为数据来源、以中文WINDOWS为图形用户界面的多学科油藏研究工作平台，利用该项技术比较精细地表征了储层和剩余油空间分布特征，其研究成果在油田开发调整应用中取得显著的效果。
今后将进一步探索地质建模与油藏数值模拟、剩余油分布、调整挖潜工作一体化研究方向，加快已成熟的油藏工程方法、油藏开发评价方法与数值模拟软件的集成，形成一套适用的工具软件和多学科油藏研究一体花工作平台。
目前已经着手建立一套规范的开发数据库（包含数字化测井曲线库）、成果图形库和模型库，逐步实现油藏数字化。
四、方案设计
为了保证成果数据的安全，又要充分利用公司开发部统一配备的存储设备，项目组成员调查、走访了第四采油厂、第五采油厂地质大队的相关技术人员，在公司开发部领导的指导下，多次召集各厂相关专业技术人员开会讨论方案，通过详细地交流、分析，弄清了三维地质建模、数值模拟的数据来源和工作流程。
并与GTP公司技术人员合作，联合探讨了二维成果图浏览模块开发细节。
三维建模的流程如下：
首先，准备基础数据，包括井位数据、分层数据、小层数据、井斜数据、断点数据和沉积相数据等。
第二，利用基础数据，通过基础数据与Petrel软件接口，进行渗透率归一化处理、小层数据匹分、判别微相、孔渗饱赋值处理、数据离散化处理、井斜校正和补心海拔校正处理、最后处理为建模所需的标准基础数据：
wellhead（井头数据）、welllog（井曲线数据）、welldev（井轨迹数据）、welltop（层位数据）。
第三，利用基础数据与FCM软件接口，在利用FCM对沉积相带图数字化的基础上进一步实现沉积相带图网格化。
第四，建立高精度的三维可视化构造模型，包括断点组合、断层模拟、层面模拟和构造模型。
一是，充分利用Petrel建模软件可视化和人机交互功能，在三维空间中直接判断任意一个断点归类，再在二维平面上通过显示断层实际资料图或剖面图的方式反复校验，极大的提高了断点组合效率和组合精度；二是，在进行断层模拟时，根据断层面形态手工设计KeyPillars，将KeyPillars设计成沿断点数据弯曲的形状。
第五，将沉积相网格数据载入Petrel，建立沉积相带模型。
第六，利用Petrel软件建立沉积相约束下的岩性模型和岩性模型约束下的孔、渗、饱等属性模型。
最后，粗化储层三维地质模型，提供给Eclipse进行油藏数值模拟，并依据油藏数值模拟结果进一步完善储层三维地质模型，为精细描述剩余油分布和指导开发调整提供技术支持。
应用Eclipse软件进行数值模拟操作流程如下：
首先，粗化Petrel所建立的地质模型。
在前处理模块flogrid中，定义模型网格和属性，包括顶部深度，厚度，孔隙度，渗透率，净毛比。
第二步，准备静态数据。
在PROPS模块中准备流体PVT及岩石数据，流体PVT包括油、气体积系数，水的体积系数，粘度，油、气、水地面密度等。
岩石数据是相渗曲线和毛管压力。
第三步，进行初始化运算。
在SOLUTION模块根据参考深度，参考深度对应的原始压力，油水界面，油水界面处的毛管压力，气水界面，气水界面处的毛管压力等数据，计算原始条件下压力分布，油，气，水饱和度；计算原始油，气，水储量及各分区储量。
第四步，准备动态数据。
在SCHEDULE模块中，准备油水井生产史、油水井措施、油水井射孔等数据，进行模拟计算。
第五步，历史拟合。
将实际生产数据与运算数据相对比，修正模型参数，进行单井及全区的压力、含水以及累计产油拟合。
在此基础上，制定了系统数据流程（图2）。
项目组按照数据存储策略、二维油藏地质图形存储、三维建模成果存储、数模成果存储，数据接口以及网络应用维护系统等五部分进行了详细设计。
在设计中要求系统能够保存所有在用的二维成果图形数据；既能够保存三维建模全过程数据，又能够分类保存网格坐标、断层、属性等分类数据；既能够保存数值模拟数据流数据，又能够保存网格坐标、模拟曲线等分类数据。
项目组在系统设计中按照“标准完善、灵活存储、方便调用、普适性好、扩展性强”的原则，完成了项目的全面方案设计和系统开发，并于2006年在采油1～10厂开展了推广应用。
图2系统数据流程图
（一）大块数据体网络存储方案
1、网络存储技术（NAS）介绍
网络存储是一种专业的网络文件存储及文件备份设备，或称为网络直联存储设备、网络磁盘阵列。
一个NAS里面包括核心处理器，文件服务管理工具，一个或者多个的硬盘驱动器用于数据的存储。
NAS可以应用在任何的网络环境当中。
主服务器和客户端可以非常方便地在NAS上存取任意格式的文件，包括SMB格式（Windows）、NFS格式（Unix,Linux）和CIFS格式等等。
NAS系统可以根据服务器或者客户端计算机发出的指令完成对内在文件的管理。
另外的特性包括：
独立于操作平台，不同类的文件共享，交叉协议用户安全性/许可性，浏览器界面的操作/管理，和不会中断网络的增加和移除服务器的数据传输率仍可达到105Mb/s以上，表现出非常好的性能。
NAS（NetworkAttachedStorage）方式全面改进了以前低效的DAS存储方式，它是采用独立于PC服务器，单独为网络数据存储而开发的一种文件服务器。
NAS服务器中集中连接了所有的网络数据存储设备（如各种磁盘阵列、磁带、光盘机等），存储容量可以较好地扩展，同时由于这种网络存储方式是NAS服务器独立承担的，所以，对原来的网络服务器性能基本上没什么影响，以确保整个网络性能不受影响。
它提供了一个简单、高性价比、高可用性、高扩展性和低总拥有成本（TCO）的网络存储解决方案。
NAS作为一个网络附加存储设备，内置优化的独立存储操作系统，可以有效、紧密地释放系统总线资源，全力支持I/O存储，同时NAS设备一般集成本地的备份软件，可以不经过服务器将NAS设备中的重要数据进行本地备份，而且NAS设备提供硬盘RAID、冗余的电源和风扇以及冗余的控制器，可以满足保证NAS的稳定应用。
NAS设备主要用来实现在不同操作系统平台下的文件共享应用，与传统的服务器或DAS存储设备相比，NAS设备的安装、调试、使用和管理非常简单，采用NAS可以节省一定的设备管理与维护费用。
NAS设备提供RJ-45接口和单独的IP地址，可以将其直接挂接在主干网的交换机或其它局域网的Hub上，通过简单的设置（如设置机器的IP地址等）就可以在网络即插即用地使用NAS设备，而且进行网络数据在线扩容时也无需停顿，从而保证数据流畅存储。
NAS提供海量数据的存储空间，解决了大量数据的高速、安全存储问题，主要应用在需要海量数据存储的领域。
NAS的架构拓扑图
2、方案设计
主要目标是构建成果库数据存储硬件环境及软件环境支持系统，保证系统的可靠性和大批量数据的访问速度。
为了更好地满足各采油厂实际需要，设计了两套存储方案。
第一套方案采用oracle数据库+NAS结构，为单机服务器结构。
在一台服务器上安装ORACLE数据库系统，数据表空间文件建立在NAS存储设备上。
这套方案的特点是实现起来简单方便、易于维护（见图2）。
第二套方案拟采用NAS存储器作为共用存储设备，采用Oracle10g数据库网格进行数据管理（见图3）。
OracleRAC是具有共享缓存体系结构的集群数据库，它运行在通过集群互联和共用存储器子系统连接在一起的多台机器上。
对于用户来说，OracleRAC数据库不仅看起来像一个独立的标准OracleDatabase10g，而且用于维护独立的OracleDatabase10g的工具和流程同样可以用于整个集群。
所有标准的备份和恢复操作，都通过RAC透明地进行，并且还能够根据业务处理需要添加或删除节点，从而保证整个数据库系统的安全性和高效性。
两台数据网格服务器分别安装Linux操作系统和Oracle10g数据库系统，同时安装ORACLE公司提供的用来组成集群网格系统的RAC（RealApplicationCluster）组件。
NAS存储器作为共享存储设备，直接连接到企业INTRANET上。
为了构成集群网格，两台服务器需分别安装两块网卡，一块用于网络连接，用来访问NAS共享存储系统，另一块用于相互侦听各自的运行状态，当一台服务器发生故障时，另一台服务器会自动接管其数据访问服务，不会影响整个数据库系统的正常运行。
通过综合比较，方案2虽然性能较高，但实现起来技术要求较高，而且需要在软、硬件上投入资金，全面推广有一定的难度。
方案1易于维护，比较符合各采油厂实际，因此，系统开发时选择了方案1。
在建立数据服务器的过程中，充分利用最新的数据库管理技术，以满足各采油厂的不同需求，最大限度地提高数据库系统的实用性。
为了保证数据的安全可靠，针对NAS设备的特点，在十个采油厂的NAS设备上都统一安装了数据库服务器，建立了稳定、安全的成果数据库管理系统平台，有力地保护了公司的多学科成果数据资产。
NAS设备的稳定性和ORACLE数据库的安全性为数据资产提供了双重保护。
（二）数据库结构设计原则
1、设计思想
通过广泛调研，制定了油田公司统一的成果数据库结构标准。
首次在油田公司范围内研究并制定了二维成果图、三维地质建模以及数值模拟成果库结构标准。
标准原则上遵循“油田开发数据库结构标准”，同时又考虑到其特殊性，基本满足了各采油厂的实际应用需求。
成果库结构标准共包含三个大类14个数据表，基本涵盖了全油田各采油厂在用的各类多学科研究成果，使得多学科研究成果的管理由非结构化到系统结构化，实现了成果库建设与管理的标准化、规范化。
2、设计原理
关系型数据库是当前广泛应用的数据库类型，关系数据库设计是对数据进行组织化和结构化的过程，核心问题是关系模型的设计。
对于数据库规模较小的情况，我们可以比较轻松的处理数据库中的表结构。
然而，随着项目规模的不断增长，相应的数据库也变得更加复杂，关系模型表结构更为庞杂，这时我们往往会发现我们写出来的SQL语句的是很笨拙并且效率低下的。
更糟糕的是，由于表结构定义的不合理，会导致在更新数据时造成数据的不完整。
因此，在设计数据库时要按照数据库的规范化流程，减少冗余的数据，提高数据库的存储效率，数据完整性和可扩展性。
数据库设计（DatabaseDesign）是指对于一个给定的应用环境，构造最优的数据库模式，建立数据库及其应用系统，使之能够有效地存储数据，满足各种用户的应用需求（信息要求和处理要求）。
在数据库领域内，常常把使用数据库的各类系统统称为数据库应用系统。
数据库是信息系统的核心和基础，把信息系统中大量的数据按一定的模型组织起来，提供存储、维护、检索数据的功能，使信息系统可以方便、及时、准确地从数据库中获得所需的信息。
数据库是信息系统的各个部分能否紧密地结合在一起以及如何结合的关键所在。
数据库设计是信息系统开发和建设的重要组成部分。
数据库设计人员应该具备的技术和知识：
数据库的基本知识和数据库设计技术；计算机科学的基础知识和程序设计的方法和技巧；软件工程的原理和方法；应用领域的知识。
1）数据库设计的特点
数据库建设是硬件、软件和干件的结合；
三分技术，七分管理，十二分基础数据；
数据库设计应该与应用系统设计相结合。
传统的软件工程忽视对应用中数据语义的分析和抽象，只要有可能就尽量推迟数据结构设计的决策，早期的数据库设计致力于数据模型和建模方法研究，忽视了对行为的设计。
如图：
2）数据库设计方法简述
设计关系数据库时要遵守一定的规则，尤其是数据库设计范式。
主要包括1NF（第一范式），2NF（第二范式），3NF（第三范式）和BCNF。
第一范式（1NF）：
在关系模式R中的每一个具体关系r中，如果每个属性值都是不可再分的最小数据单位，则称R是第一范式的关系。
例：
如职工号，姓名，电话号码组成一个表（一个人可能有一个办公室电话和一个家里电话号码）规范成为1NF有三种方法：
一是重复存储职工号和姓名。
这样，关键字只能是电话号码。
二是职工号为关键字，电话号码分为单位电话和住宅电话两个属性。
三是职工号为关键字，但强制每条记录只能有一个电话号码。
以上三个方法，第一种方法最不可取，按实际情况选取后两种情况。
第二范式（2NF）：
如果关系模式R（U，F）中的所有非主属性都完全依赖于任意一个候选关键字，则称关系R是属于第二范式的。
例：
选课关系SCI（SNO，CNO，GRADE，CREDIT）其中SNO为学号，CNO为课程号，GRADEGE为成绩，CREDIT为学分。
由以上条件，关键字为组合关键字（SNO，CNO）。
在应用中使用以上关系模式有以下问题：
a.数据冗余，假设同一门课由40个学生选修，学分就重复40次。
b.更新异常，若调整了某课程的学分，相应的元组CREDIT值都要更新，有可能会出现同一门课学分不同。
c.插入异常，如计划开新课，由于没人选修，没有学号关键字，只能等有人选修才能把课程和学分存入。
d.删除异常，若学生已经结业，从当前数据库删除选修记录。
某些门课程新生尚未选修，则此门课程及学分记录无法保存。
原因：
非关键字属性CREDIT仅函数依赖于CNO，也就是CREDIT部分依赖组合关键字（SNO，CNO）而不是完全依赖。
解决方法：
分成两个关系模式SC1（SNO，CNO，GRADE），C2（CNO，CREDIT）。
新关系包括两个关系模式，它们之间通过SC1中的外关键字CNO相联系，需要时再进行自然联接，恢复了原来的关系。
第三范式（3NF）：
如果关系模式R（U，F）中的所有非主属性对任何候选关键字都不存在传递信赖，则称关系R是属于第三范式的。
例：
如S1（SNO，SNAME，DNO，DNAME，LOCATION）各属性分别代表学号，姓名，所在系，系名称，系地址。
关键字SNO决定各个属性。
由于是单个关键字，没有部分依赖的问题，肯定是2NF。
但这关系肯定有大量的冗余，有关学生所在的几个属性DNO，DNAME，LOCATION将重复存储，插入，删除和修改时也将产生类似以上例的情况。
原因：
关系中存在传递依赖造成的。
即SNO->DNO。
而DNO->SNO却不存在，DNO->LOCATION,因此关键辽SNO对LOCATION函数决定是通过传递依赖SNO->LOCATION实现的。
也就是说，SNO不直接决定非主属性LOCATION。
解决目地：
每个关系模式中不能留有传递依赖。
解决方法：
分为两个关系S（SNO，SNAME，DNO），D（DNO，DNAME，LOCATION）
注意：
关系S中不能没有外关键字DNO。
否则两个关系之间失去联系。
BCNF：
如果关系模式R（U，F）的所有属性（包括主属性和非主属性）都不传递依赖于R的任何候选关键字，那么称关系R是属于BCNF的。
或是关系模式R，如果每个决定因素都包含关键字（而不是被关键字所包含），则RCNF的关系模式。
例：
配件管理关系模式WPE（WNO，PNO，ENO，QNT）分别表仓库号，配件号，职工号，数量。
有以下条件
a.一个仓库有多个职工。
b.一个职工仅在一个仓库工作。
c.每个仓库里一种型号的配件由专人负责，但一个人可以管理几种配件。
d.同一种型号的配件可以分放在几个仓库中。
分析：
由以上得PNO不能确定QNT，由组合属性（WNO，PNO）来决定，存在函数依赖（WNO，PNO）->ENO。
由于每个仓库里的一种配件由专人负责，而一个人可以管理几种配件，所以有组合属性（WNO，PNO）才能确定负责人，有（WNO，PNO）->ENO。
因为一个职工仅在一个仓库工作，有ENO->WNO。
由于每个仓库里的一种配件由专人负责，而一个职工仅在一个仓库工作，有（ENO，PNO）->QNT。
找一下候选关键字，因为（WNO，PNO）->QNT，（WNO，PNO）->ENO，因此（WNO，PNO）可以决定整个元组，是一个候选关键字。
根据ENO->WNO，（ENO，PNO）->QNT，故（ENO，PNO）也能决定整个元组，为另一个候选关键字。
属性ENO，WNO，PNO均为主属性，只有一个非主属性QNT。
它对任何一个候选关键字都是完全函数依赖的，并且是直接依赖，所以该关系模式是3NF。
因为ENO->WNO，主属性ENO是WNO的决定因素，但是它本身不是关键字，只是组合关键字的一部分。
这就造成主属性WNO对另外一个候选关键字（ENO，PNO）的部分依赖，因为（ENO，PNO）->ENO但反过来不成立，而P->WNO，故（ENO，PNO）->WN
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