蒸汽辅助重力泄油工具系统的CPS模型设计与管理：基于UML的图形化表示和分布式研究小组活动协调

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）68用于管理蒸汽辅助重力泄油工具系统Michael Leitch，Yishak Yusuf，YongshengMa加拿大阿尔伯塔大学机械工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月15日收到2017年9月23日收到修订版2017年11月6日接受2017年11月13日在线发布保留字：信息物理系统模型驱动的系统工程SAGD复杂的系统工程A B S T R A C T复杂的工程系统通常需要在不同的专家领域之间进行广泛的协调，以避免昂贵的设计迭代和返工。网络物理系统（CPS）工程方法可以提供有价值的见解，以帮助建模这些相互作用，并优化此类系统的设计在这项工作中，蒸汽辅助重力泄油（SAGD），一个复杂的石油开采过程，需要深入了解几个物理化学现象，检查，从而探索系统的复杂性和相互依赖性。在建立统一特征建模方案的基础上，提出了一个软件建模框架，用于管理SAGD采油工具的设计过程。应用CPS方法统一复杂现象和工程模型，所提出的CPS模型将有效的模拟与完井工具设计的嵌入式知识相结合，以优化油藏性能。系统设计采用统一建模语言（UML）的图形化表示.为了证明这个系统的能力，一个分布式的研究小组进行了描述，他们的活动协调使用所描述的CPS模型。©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍建立对复杂物理过程的全面理解通常依赖于许多不同专家领域的知识和方法的协调。在这样的系统中管理有效的信息流是具有挑战性的，因为通过并发处理获得的效率很容易被过多的迭代所抵消开发优化这些活动的方法虽然在某些情况下，这些系统由中央机构控制（即，工程公司的管理结构），许多复杂的工程问题是以分布式方式调查的，通过较小的组织和个人专家之间的正式和非正式关系，每个人都致力于更大问题的不同方面这些分布式专家系统（DES）在学术研究环境和基本问题尚未得到很好理解的行业中很常见。一个这样的问题是从加拿大阿尔伯塔省发现的油砂地层油砂是一种松散的沙子和沥青的混合物，在室温下非常粘稠。由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电 子 邮 件地 址 ：mleitch1@ualberta.ca（ M.Leitch ） ，yishak@ualberta.ca（Y.优素福），yongsheng.ma @ ualberta.ca（Y。Ma）。温度浅层油藏被挖掘出来，石油在提取设施中从沙子中分离出来。自1930年以来，阿尔伯塔省北部一直在进行这些储量的露天开采，但大约80%的资源太深，无法进行露天开采（油砂发现中心，2014年）。对于深度超过70米的储层，需要进行就地提质，以便在将沥青泵送至地面之前将沥青与地下的砂分离，或进行部分提质。大多数原位技术是热驱动的，其中沥青被加热以降低其粘度，从而使其流动。 阿尔伯塔省这个行业代表了加拿大经济的一个巨大部分，在2016年至2036年期间，加拿大的原位项目将达到3000亿美元（加拿大能源研究所，2017年）。蒸汽辅助重力泄油（SAGD）是应用阿尔伯塔省油砂的现场回收技术。SAGD占2014年阿尔伯塔省回收的所有沥青的近三分之一，是该省增长最快的提取技术，复合年增长率为25%（Holly、Mader、Soni、&Toor，2014年）。SAGD技术要求在储层中钻水平井对，垂直间隔约3m。蒸汽通过上面的井注入，将储层加热到沥青在重力作用下流动的程度https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.11.0042288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）6869到较低的井中，在那里将其收集以泵送到地面。这些井的安装和操作成本很高，必须预期可靠地操作15年以上，以最大限度地提高资源的回收率和经济回报。存在导致SAGD系统的操作的低于最佳水平这些包括：造成油井故障的微粒运移、孔隙堵塞、防砂堵塞和蒸汽突破（Kaiser、Wilson、Venning，2002年; Romanova Ma，2013年; Taubner、Subramanian、Kaiser，2015年还表明，SAGD井的性能对井下完井设计非常敏感，可以采用模块化配置设计方法来实现所需的产量水平（Renpu，2011）。了解这些问题的根本原因，并改进SAGD完井的设计和操作是一个正在进行的研究领域由于SAGD过程的复杂性，该研究通常以分布式方式进行，利用各个机构的主题专家，并将集成工作留给最终用户（石油生产商）。然而，仅在一个领域取得的进展在综合系统中的适用性有限，而整合独立专家领域的工作是一项重大挑战。此外，管理从概念验证阶段到商业化的技术开发是一项重大挑战。本文提出了一种基于网络物理系统（CPS）方法的建模框架，用于管理多学科设计过程，该过程是有效优化复杂系统（如重油工业中的复杂系统）性能所必需的。我们的目标是突出一个工具集，可以帮助协调分布式专家系统和仿真的努力，最有效地管理设计过程。该工具集是在高度定制的SAGD生产工具系统的背景下描述的。由此产生的知识模型旨在使用统一特征建模方法（Ma，2013）识别面向对象的结构，以嵌入在协作和并行工程设计过程中管理SAGD性能的数学原理。从不同的功能观点来表示储层条件，以便为开采系统的总体设计提供实质性信息。然后，可以基于所选择的设计参数来预测和优化重要的工艺参数，诸如油采收率、蒸汽与油比、温度和压力分布。利用这种模拟方法节省了大量的时间和成本，否则将花费在实验室或现场实验。本文共分为五个部分：第二部分对SAGD技术的相关理论和文献进行了综述，以确定系统的需求。并对现有的建模技术进行了评价.第3节详细描述了由此产生的SAGD知识模型。类被定义为使用UML符号表示相关现象，属性和函数用于表示功能相关的专家系统。第4节讨论了该模型的使用和影响。第五部分总结了本文的研究意义和新颖性，并简要讨论了本研究的局限性和今后的工作方向。2. 理论2.1. 蒸汽辅助重力泄油2.1.1. SAGD现象蒸汽辅助重力泄油工艺包括在沥青地层（油砂）中钻一对水平井垂直间隔约3米。上部（注入）井用于向矿床中注入蒸汽，以将沥青加热至粘度足够低以在重力作用下流动的程度，而下部（生产）井排出热沥青并将其泵送至地表（Azom，2013年）。储层的地质性质、沥青矿床的物理和化学性质、操作条件（压力、温度和蒸汽注入速率）以及完井工具的设计属性对生产率有显著影响（Nguyen、Bae 、 Tran 、 Chung ， 2011 年 & 图 图 1 来 自 Gates 和 Larter（2014），示出了SAGD水平井对的横截面的良好标称示意图。虽然概念上简单，但使用蒸汽来改变沥青的性质（降低其粘度）对储层的影响更广泛。由蒸汽和热水的引入所引起的系统的化学和地质的变化可以显著地影响通过多孔介质的多相流的性质，特别是在长时间段此外，运营商不断试验新的强化采油方法，旨在提高SAGD系统的性能，如蒸汽提取和电热动态汽提（SandsDiscovery Center，2014）。理解这种表示中的内在域是具有挑战性的，事实上，这些领域中的每一个都是正在进行的重要研究的主题因此，一个真正的挑战出现时，试图描绘整个系统的细节，其中涉及许多关联的复杂性。Butler（1994）开发的SAGD模型假定在蒸汽饱和区（称为蒸汽室）的边缘存在传导传热。蒸汽室在注入蒸汽时形成，并随着时间的推移膨胀，形成一个温度与注入蒸汽温度基本相等的区域（Al-BahlaniBabadagli，2009年）。对于每个特定时间和蒸汽室形状，流速和产油率之间的关系可以由物质平衡方程的计算得出（Azad Chalaturnyk，2009; Patel，Aske，Fredriksen，2013）。他们得出的方程是一个涉及描述储层孔隙度和几何形状的重要参数的方程。 SAGD操作的能量平衡计算的结果是蒸汽-油比（SOR），这是油藏性能的主要测量。每个SAGD井都有两个功能子系统。防砂完井，通常在一公里长的数量级，水平安装在储层的“产层”内防砂完井具有两个功能，Fig. 1.蒸汽辅助重力泄油（SAGD）工艺的横截面。Gates and Larter（2014）70M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）68稳定井眼并从采出液中滤出砂。开槽衬管是SAGD井最常用的防砂完井类型（Bennion、Gupta、Gittins、&Hollies，2009年; 2014年11月; Xie等人，2007年）。流动控制完井可以安装在防砂完井内，以调节沿井的长度的流动，改变流出/流入的分布以适应储层中的非均匀性，并防止蒸汽突破。完井设计的一个例子如图所示。 2（能源，2016）。图1是带有流量控制端口的割缝衬管防砂完井的短剖面图。3.第三章。强调这些系统的极高纵横比是有益的井对的直径约为0.2 m，沿1000 m的长度间隔3 m一个典型的割缝衬管完井可能包含超过350，000个单独的槽。2.1.2. SAGD储层建模完整的SAGD系统可以表示为图1所示的框图。 四、蒸汽被泵入注入井筒，在注入井筒中，蒸汽在通过槽流入储层之前，通过流量控制完井沿防砂环空分布SAGD现象将在通过生产完井设备后，可以将其泵送到地面，在那里，生产的油被分离水和任何生产的固体的设施接收。开发SAGD系统的综合模型的主要挑战是理解和定量预测复杂和多学科的现象发生，不能容易地通过实验建模。大多数现有的商业模型被设计成辅助整个系统的子集内的专家的专门工作，并且这些独立模型的协调是这项工作的中心挑战。以下各节中介绍的综述并不打算对每个可用领域进行全面的介绍。相反，一些主要领域的积极兴趣进行了调查，以突出必须在一个统一的模型进行交互的工作类型。大多数已发表的SAGD模型关注的是油藏规模下蒸汽向乳状液的转化。讨论了Butler（1985）和Reis（1992）提出的排水模型由Azad和Chalaturnyk（2009）。这两种理论都假定蒸汽室为三角形，并预测产 油 速 率 恒 定 ， 因 此 累 积 产 油 量 是 时 间 的 线 性 函 数 。 Azad 和Chalaturnyk（2009年）给出了Reis模型的修改版本然而，这些储层模型不能同时代表所有适当的物理规模或复杂度的整个系统例如，Butlervan Essen、Van den Hof和Jansen（2013年）提出，成功建立生产优化模型的重大障碍是储层响应的不确定性、储层寿命早期的次优性能以及储层模型的粗糙性已使用数值储层模拟器（如CMG STARS（Carlson，2006;Computer Modelling Group ， 2011; Edmunds Peterson ，2007）和EXOTHERM）对几种热采过程（包括SAGD）进行了建模，EXOTHERM允许详细分析三维储层的热性能，说明储层中的岩石物理性质（Mojarab、Harding、Maini，2011）。下一个研究最广泛的领域是完井的另一侧，涉及对井筒内的多相流进 行 建 模 。 有 几 种 商 业 上 可 用 的 井 筒 模 型 ， 其 中 Flexwell（ Shahamiri， Heidari， Buchanan ， Nghiem ， 2015 ） ， Q-Flow（VanderValk Yang，2007）和TWBS（Medina，2013）是最突出的。这些模型通常基于经验相关性，例如Beggs-Brill模型来预测流动的行为（Tan，Butterworth，Yang，2002）。这种方法已被证明是失去准确性时，流动是在两个制度之间的边界。其他井眼模型，例如正如Taubner等人（2015年）提出的机械模型研究了井筒水力学对产量分布和沿井筒的过冷（液位）分布的影响。耦合不同的储层水平和井筒模型已经引起了很大的兴趣。Vicente等人描述了一种设计用于同时求解储层和井筒域的模型（Vicente、Sarica、Ertekin，2001）。 Rahmati等人提出了一种方法，其中代码的中间层协调两个离散数值模型，在这种情况下，STARS热储层模型与FLAC地质力学模型耦合，以评估盖层完整性（Rahmati、Nouri、Fattahpour、Trivedi，2016年）。2.1.3. SAGD现象前面描述的域中最重要的遗漏是对近井动态的充分整合。数值模拟器需要相对粗糙的元素，在米的数量级上，以合理的计算效率捕获储层的行为。这种粒度完全包含了在毫米甚至微米尺度上相关的近井眼效应。这些效应虽然在几何尺度上很小，但在很大程度上是SAGD性能随时间退化的原因，因为图二. 流量控制装置完成方案。能源（2016）。M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）6871图三. 完成细节（概念性）。见图4。 SAGD系统框图。单个槽的水平可直接与细粉的输送、堵塞、腐蚀和结垢有关。这些现象通常是主题专家独立调查的主题。防砂装置的设计相当重要，因为不良的设计可能由于堵塞或不希望的出砂而对井产生灾难性影响。由Coberly在20世纪30年代首次探索并由其他人从那时起完善的砂保留模型在很大程度上依赖于经验研究（Fattahpour等人，2016年）。Bennion等人开发的防砂设计模型。（2009）和Fermaniuk（2013）的动机是对防砂设备性能的关注，并依赖于实验性防砂测试。Mahmoudi等人使用多槽砂滞留试验来研究槽几何形状对孔隙的影响空间堵塞（Mahmoudi，Fattahpour，Nouri，Leitch，2017）。Kaiser等人（2002年）研究了石油流入生产井的特性和槽排列的影响，以优化槽密度和方向方面的设计。在他们的半经验工作中，他们考虑了两种类型的流动的耦合Ansari、Rashid、Waghmare、Ma和Nobes（2015年）研究了由于槽几何形状的变化导致的牛顿流体和非牛顿流体通过槽的流速分布变化。利用粒子图像测速技术，通过速度分布的发展，确定了不同位置的流动变化结果讨论了射流的形成，72M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）68ð- Þ槽几何形状和测试流体的剪切稀化性质的变化。流量控制装置（FCD）安装在注入井上，以改善蒸汽放置和腔室生长，并提高SAGD工艺的长期生产率。Li、Lange和Ma（2015年）专门针对流出（注入）控制装置进行了计算流体动力学建模，特别参考了它们在SAGD操作中的性能。在使用商业软件的一系列模拟中使用了该器件的简化模型介绍了控制机理和流量分布，并对不同的流量模型进行了比较Zhu等人试图通过对防污涂层的有效性的一系列研究来解决来自非常直接的科学研究和现场测试的结果之间的差距（Zhu&等人，2016年）。将一系列腐蚀和结垢测试的实验室结果与从SAGD井中回收的样品进行比较。虽然这项研究试图解决实验室和现场之间的差距的复杂性，但没有提出涂层结垢的预期速率等问题。上述研究只是以改进SAGD过程的名义进行的工作的一个样本然而，这些工作必须以某种方式与商业油藏模型相结合，以充分实现这些进步的力量有两种方法，使这些专家系统可以用来提高已建立的商业模型：通过叠加额外的现象学考虑，提高模型的准确性;和填补模型之间的拓扑差距。在我们的SAGD系统的情况下，我们希望实现以下两者：（1）实现向转换模型增加精度和准确度的能力（例如，诸如向STARS热储层模型添加比例生成函数）;以及（2）改进现有域模型之间的接口（例如，在储层模型和井筒模型之间应用近井筒模拟器以改进近井筒表示）。2.2. 分布式系统认识到这一领域的大部分优化工作是以分布式方式进行的，即，独立的研究小组，工程公司和咨询公司可以使用网络物理方法来帮助协调这些努力。所采用的方法应该是轻量级的，以确保其使用不会过于繁琐或资源密集型的设置和应用，符合可扩展性，互操作性，模块化和可扩展性的要求（Zappia，Parlanti，&Paganelli，2011）。这样的系统必须提供足够的结构，使研究人员能够有效地协调和整合他们的工作（或为整合做准备），而不会将他们的知识产权交给一个集中的整合机构。不同领域的耦合模型是一种常用的多物理场方法，也是石油（Kumar，Oballa，Card，2010; Oballa，Coombe，&Buchanan，1997; Swarbrick Muller，2016）。这种方法在涉及数值软件模型的情况下是有利的，因为耦合软件可以自动地将每个专家系统的运行作为黑盒来管理，而不必访问其中的专有代码。多物理方法的核心挑战是管理不同“专家”模型之间的复杂性和互操作性（Ma等人，2007年），并确保所有相关现象得到正确整合。这种方法的挑战随着交互系统数量的增加而呈指数级增长。互联系统网络的交互次数为n n1，其中必须在系统的所有元素之间设计耦合链接。当协调的模型不是基于计算机的，而是经验或实验性质时，概念上的“耦合”方法就不那么简单了。或者，所有元素都由一个中央集线器协调的系统将交互数量显著减少到2n。这个中心，或语义模型，允许一个可扩展的框架，使不同这种集成的语义建模方法在整个工作中被采用，如图5所示，并反映在后面案例研究部分的类实例和对象图中。在开发这些语义图时，假定了面向对象的数据和方法共享。2.2.1. 特征造型功能可以定义为工程模式的表示，该模式使用面向对象的软件建模术语将相关数据之间的关联形式化（Sajadfar，Xie，Liu，Ma，2013）。例如，在产品建模中，一个特征可以通过引用一组信息属性和用于构建表单的相关方法来描述产品表单的某个方面。除了几何属性之外，特征还可以编码工程设计意图，并引用其他特征。当各种类型的特征被关联和组合以形成数据结构树时，它们形成特征模型。因此，特征模型包含可识别的实体，这些实体具有特定的表示，旨在支持作为工作系统的特定应用目的。构成完整模型的要素的数量和类型取决于旨在支持，这使得特征模型具有内在的模块化和可伸缩性。一般来说，过程或产品的任何部分，其变化可以具有工程意义，使系统以不同的方式表现，都可以称为特征。2.2.2. 分粒学模拟Mereo-operandi 理 论 被 提 出 来 考 虑 系 统 的 操 作 和 架 构 元 素（Pourtalebi&Horváth，2016）。从体系结构的角度来看，这种方法试图捕获系统的所有物理实体。捕获图五. 语义建模框架。M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）6873Ll另一方面，业务方面则要求描述行为者以及原因、挑战和存在的相互作用。Pourtalebi和Horváth（2016）最近的一项工作描述了如何使用系统表现特征来建模系统的物理和计算组件之间的复杂交互。系统表现特征是用语义上有意义的单元来定义的，这些单元代表了系统可以分解的架构和操作方面（Horváth&Pourtalebi，2015）。在部分建模中，假设组成网络物理系统的组件与系统中包含的所有实体进行交互，与外部环境没有太多接口。为了开发关于操作方面的组件或系统模型，对操作的非详尽而非详尽的描述也被认为是足够的。经验上可观察的架构关系和物理操作的域必须与它们各自的属性一起被识别。然后，可以通过形态属性和描述系统架构的物理组件（例如几何结构）之间的识别关系来建立每个域之间和每个域内的交互。这种建模方法的最终输出可以是系统针对所需功能的操作的顺序流程（HorváthPourtalebi，2015）。2.2.3. 研究对象管理工作流管理工作流程并确保参与设计项目的专家领域的依赖性可能具有挑战性。必须确保专家领域之间的数据流遵循所需的依赖关系和其他共享政策。基于研究对象的概念构建的系统正在出现，其目的是与传统出版物一起保存科学工作流（Belhajjame& 等人， 2015年）。现有的工具提供了共享的能力，并整合了整个研究活动。对于涉及大量数据共享和并发的研究和设计工作的管理，无疑将受益于这种数据共享系统。2.2.4. 现象特征综合上述概念，提出了现象特征模型，用于对描述复杂工程过程的各种现象和专家系统进行概念建模和协调。对于一个被建模为学科现象组合的过程，信息学建模允许一个多层次的框架，我们可以在其中找到一个或与另一个相关每个域的参数、属性、约束以及它们的行为都可以用计算机可解释的数据结构来表示，即：现象特征，通过面向对象的软件工程方法。每个都可以被视为一个实例，或子类，一个通用的现象特征类型。因此，对于可以利用父子关系的复杂工程系统的成功建模，需要一个可以用于描述所有这些类的类定义，而不管它们的实例属性值和使用特征建模方法，可以将描述不同物理现象的独立模型聚集在一起，以协调和综合的方式描述整个系统。通过这种方式，系统模型可以很容易地扩展，以包括新的现象，因为这些模型是由研究人员开发的，随着更成熟的模型的可用而更新，或者如果怀疑com...宠物现象模型可以改善整体结果。的3. SAGD生产工具语义模型的开发鉴于上面讨论的建模和信息学概念，可以看出，有机会考虑相当复杂的工程设计问题。本文表明，SAGD中涉及的不同现象可以被视为特征，使用关联将组件相互关联，并使基于特征的建模技术的应用能够描述它们的相互作用。第一步是开发语义模型。物理系统和软件系统都可以在这样的模型中映射。接下来，可以识别作为SAGD工具系统的复杂设计过程的一部分的不同专家领域，并且在系统工程中以统一的标记语言表示它们的特征属性、相关约束和功能（即特征）然后，以一致和完整的方式确定它们的最重要的是，一个协作信息系统可以协调系统地开发工程模块或组件的工作，无论是计算机模型、数值模拟器、实验系统还是人类团队。最后，可以预期，在未来的系统实现中，初始条件将被应用，假设将被简化，操作的顺序将被实例化和管理，界面和协作模式将被开发，并且进一步的系统设计变更将被管理。本节概述了SAGD生产工具语义模型开发的主要步骤。3.1. 特征模型结构为了建立语义模型的框架，通常可以将复杂的现象分解为专家领域的集合。使用高级数学关系作为基础来开始分解过程是有帮助的。SAGD工艺技术中的石油生产本身是一种联合输送现象，对于这种现象，必须满足几个方面的主要条件，例如传热和传质以及通过多孔介质的多相流。生产率，这可能是SAGD生产的最重要的措施，可以使用石油生产模型进行预测和优化。储层性质、温度和压力分布、流体性质以及流动状态和方案将产生可用于求解定义系统的守恒和控制方程的参数。SAGD 工 艺 与 所 有 油 砂 提 取 工 艺 一 样 ， 严 重 依 赖 达 西 根 据Darcy，穿过深度L的多孔介质的压力减小P与多孔介质和流体的固有性质（分别为渗透率j和粘度l）以及横截面积A成比例。关系式如下：Q¼ -AjDP 1其中Q是总放电。Butler从他的理论中得到的预测生产率的方程是：为此目的，提出了关联特征的概念，它使基于特征关系的动态系统设计成为可能（Ma Tong，2003）。Q¼s2/DS0jgahfð2Þmms74M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）68RRw其中Q是产油率;j是渗透率;a是储层热扩散率;u是孔隙度;DS 0是初始油饱和度和残余油饱和度之间的差;h是模型的高度;m是取决于油的粘度-温度关系的无量纲因子;并且ms是油的运动粘度。当油朝向井眼排出时，其朝向井眼径向会聚。在这一点上，达西定律的整合给出：2pjhDP每个元素都应该考虑到这些问题;确定模型元素紧密耦合的位置，需要专家领域之间的积极合作才能有效解决。为了本文的目的，我们选择了四个专家领域，正在积极研究相关的研究小组在阿尔伯塔大学作为一个焦点，以展示我们的综合努力。这些是流量控制装置的计算流体动力学模型（Carlos Lange，PI）Li等人，2015年;确定流动对槽失效机制影响的实验研究（DavidNobes，PI）Ansari等人， 2015年，一位专家--Q¼llnRWð3Þ室内防砂试验系统（Alireza Nouri，PI）Mahmoudi等， 2017;以及腐蚀模型（Jingli Luo，PI）Luo等人， 2015年。其 中 DP 是 储 层 和 井 筒 之 间 的 压 力 变 化 ， 并 且 rw 是 井 筒 半 径（Matanovic、Cikes、Moslavac，2012）。为了解释这种理论模型与实际情况之间的偏差，van Everdingen和Hurst提出了表皮系数S的概念，该概念将所有近井现象合并为一个可以测量的单一系数（van Everdingen，1953）。将该表皮系数项加入方程中。（3）：我们不会深入探讨这些专家领域中的每一个，因为没有必要非常详细地了解每个专家领域。相反，我们的重点是定义这些专家系统之间的关系，开发中的语义模型是以语义模型作为前面描述的“马车轮”方法中的中心来构建的，如图所示。 六、3.2. 现象特征定义Q¼2pjhD Pð4Þ为SAGD功能布局概念模型，这项工作llnrS这种通用表皮因子可以分解为以下组件：S¼S1S2S3.. . þ S nð5Þ其中每个分量表示特定现象对总表皮因子的贡献。Datta和Bhuyan将S分解为几个因素，包括：从流动测试中获得的表皮;由于钻井泥浆造成的地层损害引起的表皮;以及由于非达西流动引起的表皮（Datta Bhuyan，1980年）。Ohen和Civan讨论了由于细粒迁移和粘土膨胀引起的皮肤损伤（Ohen Civan，1991）。这个概念可以很容易地扩展到包括任何增加储层流动阻力的现象。例如，防砂、局部流动会聚和防砂堵塞都已被证明影响SAGD井的总压降，并因此影响生产率（Kaiser等人，2002; Romanova &Ma，2013）。实际上，每种现象对总表皮系数的贡献很少随时间或储层性质而恒定，并且许多现象相互依赖。使用特征建模概念，我们可以开始理解皮肤的影响因素之间的关系，并将能够预测现象行为的专家模型集成到一个统一的模型中，从而更好地描述整个系统。因此，在这种工业情况下，特征模型的主要贡献可以被确定为：定义皮肤贡献者之间的关系和依赖关系;使用这些关系来确定设计模型执行期间所需的操作顺序和预期迭代;识别和巩固模型元素之间的简化假设;定义初始条件（IC）集定义了一个新的通用功能类型，其交互可以使用SAGD生命周期过程作为模板进行演示。现象特征的定义如图7所示。元素/组件、条件和假设可用于描述现象。其行为的基本原理然后，可以应用现象的行为见图7。 现象特征的定义。SAGD语义模型...见图6。SAGD语义建模框架。专家系统腐蚀模型（微观物理模拟）防砂测试（实验系统）FCD模型（CFD模型）实验流体力学M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）6875求解控制方程、对其功能建模以及预测和/或优化其输出。基于所描述的学科主要现象特征的概念和所识别的重要组分，图8中所示的现象特征采油的四个子类被构造成具有它们各自的和相关的属性和方法。在SAGD系统中发生的流动和传热现象的物理学是构建这些子类的明显基础。每个子类中的方法要么定义良好，要么是当前研究的主题，在这种情况下，存在合理的模型来近似它们的行为。尽管如此，面向对象方法的模块化特性允许对每个子类进行细化，每个子类本身代表一个专家领域。为了完成模型并满足目标，需要进一步包括SAGD系统的井工具组件3.3. 统一模型SAGD过程可以表示为一组现象特征。然而，为了捕获系统的全部复杂性，可以调用分层或分层方法，这是数据建模中的常见方法（West，1996）。必须仔细定义特征之间的关联，以便在模型分析期间准确地表示依赖关系。 与对象初始条件相关的对象属性的初始化方法的集合也可以在此时定义基于以上部分中给出的定义，整个SAGD现象形成最顶层，并且可以预期相关现象构成较低水平;图9中示出了最简单的表示。顶层形成了模型的核心概念层，并被设计为与外部专家模块交互，外部专家模块调用对特定现象进行建模的各种专家系统。当我们从现象模型转移到设计模型时，我们必须使用相同的方法来定义与现象接口的组件。该产品规格的实施是为了达到控流、防砂、保证井筒强度和稳定性对于特定的完井方法，需要在储层和井内保持相应的条件，以达到可接受的水平工作温度下的压力和流量控制性能水平图9中所示的类之间的关系是基于属性和/或输出参数（在相应的方法部分中示出）的依赖性和聚合来建立的这样的模块构成了SAGD过程的集成系统的最终模型，但是当考虑新的现象时，可以容易地实现附加的类，以便进一步细化所得到的设计模型。4. 讨论4.1. 迄今完成的工作这种方法已部署在加拿大阿尔伯塔大学的多学科研究小组。研究团队是完全独立的，并且由于他们深刻的学科专业性，他们的活动并不总是语义一致的。 协调这些不同团体的工作所面临的挑战是本文所述模式的灵感来源流动控制装置之间的流动相互作用的计算流体动力学（CFD）模型需要沿着整个井筒仔细描述温度、压力和地质条件（Li等人，2015年）。这种地质条件高度依赖于防砂性能，而防砂性能尚未得到充分的数字模拟。在这种情况下，通常的做法是使用实验性的防砂测试，以便评估防砂装置对近井眼空间的细粒迁移和堵塞的影响（Fattahpour等人，2016年）。腐蚀已被确定为一个严重的问题，并且正在评估新的涂层，以提高防砂设备的性能。显然，环境流体的压力、温度和成分起着重要作用在这种现象中（Luo等人，2015年）。如果改进几何形状如果要寻找完井上的槽，则应通过发展对流体力学后果的理解来进行。正在进行一项实验研究，以确定这种槽几何形状（纵横比）的影响，以得出其对压力损失影响的数学描述（Yusuf等人， 2017年）。通过中心枢纽协调这些专家领域，测试不同的假设并识别新的敏感性见图8。 定义了SAGD模拟的现象特征类别76M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）68见图9。 复杂SAGD生产工具系统的语义模型框架。可以主动地更新相关联模型的要求和约束例如，最近显示pH值和盐度在近井眼堵塞趋势中发挥重要作用（Mahmoudi、Fattahpour、Nouri、Leitch，2016），这是系统中其他节点的重要考虑因素这项研究的一个目标是开发一种符合轻量化系统要求的方法，如果它被任何人使用的话，所以现在将通过这些要求中的每一个来讨论模型。4.2. 互操作自计算机辅助工程出现以来，互操作性一直是一个重大挑战（Ma，2013）。 在多物理过程中，专家系统之间的互操作性显然是有利的，这一问题是本研究的主要动机。在定义的系统中，互操作性是通过使用面向对象的方法提供给我们的继承和关联机制来实现的。通过认识到系统结构中专家领域之间的重叠每个专家系统自动地与共享输入和/或输出的其它专家系统相关联。这个想法不一定是硬编码的专家系统在一起。这在某些情况下可能是合理的，但在物理/实验系统与网络系统接口的情况下然而，通过定义关系，专家可以在充分了解系统中可以控制/影响他们的输入的其他活动的情况下进行他们的工作，同样，他们的活动如何控制/影响其他人。无论是否通过代码自动化，该系统都有助于丰富的工程思想的交流，即使在分布式社区中也可以进行有效的协作 图图10显示了将地质数据和几何估计整合到三个功能评估模块（即流动力学、细粒运移和表面化学）中的途径。4.3. 可扩展性、模块化和可伸缩性由于采用了面向对象的方法，该框架具有良好的可扩展性.它可以很容易地容纳额外的功能-M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）6877见图10。 显示路径的对象图。无论是适应新的现象还是新的专家系统，都必须具有所需的灵活性。类结构本质上是模块化的，允许添加具有类似抽象级别的新类。这种模块化还适应了分布式工程系统的需要，这些系统必须能够在自己的专家领域内独立运行。为了放大（或缩小）系统，只需要实例化一组新的现象对象。该系统的规模仅受对其作出贡献的专家系统的规模的限制。该系统非常适合可重复性：目前有数万口SAGD井在生产，仅明年就计划有数百口SAGD井根据作者这个建议的专家系统允许有效地部署协调良好的系统，以适当地配置尽可能多的井所需。4.4. 变更管理这项技术带来的一个重大机遇是能够正式跟踪工程系统中的变化，以及正确预测不同系统中变化的影响。由于系统跟踪系统元素之间的依赖关系和交互，分布式系统中的独立专家可以立即了解他们领域中的变化如何影响其他专家领域背景下的更广泛的系统。4.5. 迭代管理这个框架提供的最大的机会是管理操作顺序和并发性的能力在复杂的系统中管理昂贵的迭代过程。在知识模型中识别的依赖性允许系统参与者识别过程是否是：紧密耦合的，保证迭代;松散耦合的，有迭代的风险在过程是紧密耦合或松散耦合的情况下，可以测量各种系统的敏感性，并可以计算迭代的风险。5. 结论本文提出了一种CPS模型，提供了一个框架，集成专家系统中发现的SAGD石油开采过程中的各个工程领域。已知影响系统性能的储层中发生的主要现象被协调，以促进系统的多学科优化。采用面向对象的统一特征建模方法，识别模型中的各组成部分，建立各组成部分之间的关系。选择这种方法的原因是预见到在模型扩展中适当应用关联特征的概念该模型是轻量级的，这意味着它是可扩展的，可伸缩的，模块化的，并提供了一个框架，以确保专家系统之间的互操作性。与大多数知识管理和项目管理计划不同的是，拟议框架不需要集中的项目管理或控制。它可以轻松地部署在分布式工程系统中，该系统由独立的工作单元组成，这些工作单元在不同的专家领域中运行。该模型已在一个分布式研究小组中实施，该研究小组研究了蒸汽辅助重力泄油采油过程中生产效率的各个方面。已经表明，有助于系统性能的现象78M. Leitch et al./ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）68不同的专家系统可以交流和协调他们的活动，同时最大限度地减少昂贵的迭代的风险所述系统正在积极开发中。接下来的阶段包括几个不同的现象的正式集成，这些现象被认为是紧密耦合的;然后，一些计算机系统/接口（原型）的开发将随之而来。基于所创建的拟议语义模型，分析模块计划帮助团队协调其工作的操作顺序，以最大限度地减少过度简化假设的使用，并最大限度地减少开发迭代。利益冲突作者声明不存在利益冲突确认作者要感谢加拿大自然科学和工程研究委员会（NSERC），RGL水库管理和阿尔伯塔大学的财政支持。我们也要感谢D博士。诺贝斯角Lange，A. Nouri，J. Luo，和H.曾先生感谢他们在这项工作的概念化过程中提供的技术投入。引用Al-Bahlani，A. M.，&巴巴达格利（2009年）。SAGD实验室实验和数值模拟研究：现状和未来问题的回顾。石油科学与工程杂志，68（3 -4），135-150。阿尔伯塔能