CN103984989A - 石油钻机设备布局优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻机设备布局优化方法及系统，属于海上油气田勘探与开发技术领域。其中布局优化方法包括以下步骤：1.功能模块划分；2.简化假设；3.建立目标函数；4.调用不同算法得到不同优化方案；5.将不同结果再带入同一种算法进行比较；6.人工选取最优方案7.输出优化方案。布局优化系统主要包括功能划分模块、功能模块简化模块、目标函数建立模块、目标函数求解模块、最优解输出模块。本发明操作方便、耗时少、效率高，输出的优化方案形象直观，提高钻井平台稳定性及空间利用率、钻机作业性能、钻井效率和降低成本有重要影响，为整套石油钻机系统优化布局设计提供理论依据，对石油钻井现场优化布局规划具有重要指导意义。

Description

石油钻机设备布局优化方法及系统

技术领域

本发明涉及一种石油钻机设备布局优化方法和系统，属于海上油气田勘探与开发技术领域。

背景技术

由于国内海洋石油钻机的设计研究还不够成熟，从而技术上限制了我国油气勘探开发向深海以及超深海发展。海洋石油钻井与陆地石油钻井相比，海洋石油钻井平台空间有限、钻井工艺流程复杂、环境恶劣，并且存在潜在的可燃性和爆炸性。尤其是作业水深3000m，钻井能力12000m的第六代半潜式钻井平台钻机系统，采用设备的种类多、数量大，且相互关联、影响因素较多，钻井成本以及故障或维护工作引起的停机代价是陆地石油钻机的数十倍。目前，由于布局不合理对布局效率、钻井平台稳定性及空间利用率、钻井效率、钻机作业性能、成本有着重要的影响，且布局不合理造成的事故也层出不穷，因此，特别需要一种石油钻机设备布局优化方法和系统，从而解决以上问题。

发明内容

本发明针对目前石油钻机设备布局不合理问题及为了提高钻井平台稳定性及空间利用率、提高钻井效率、提高钻机作业性能、降低成本、更高效率的对石油钻机设备进行优化布局，提供一种石油钻机设备布局优化方法和系统，有效地解决了目标钻机设备优化布局问题，简化了布局过程，直观地输出优化布局方案，为整套海洋平台钻机系统优化布局设计提供理论依据，对海洋平台钻井现场优化布局规划具有重要的指导意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种石油钻机设备布局优化方法，包括以下步骤：

(1)对目标钻机包括动力系统、起升系统、泥浆循环系统、管子输送系统等进行功能分析，将能够完成相同功能的设备集合作为一个功能模块，对石油钻机设备进行功能划分；

(2)对功能模块进行合理的简化假设；

(3)以井口区为核心，围绕钻井工艺流程实现设备的优化布置，以钻井材料输送距离、质心横偏量、总成本、井场空间利用率、钻井效率、总重量为优化目标，建立石油钻机设备优化布局目标函数；

(4)调用智能优化布局算法，对目标函数进行智能运算求解；

(5)输出并保存目标石油钻机设备的优化布局方案。

本发明所述的石油钻机设备布局优化方法中，所述的智能优化布局算法包括：改进的粒子蚁群算法、改进的遗传模拟退火算法、改进的模拟退火粒子群算法、改进的模拟退火蚁群算法、改进的自适应遗传模拟退火算法、改进的自适应粒子群算法和改进的自适应蚁群算法等适用于石油钻机设备布局的优化算法。

本发明所述的石油钻机设备布局优化方法中，所述步骤(4)还包括：

①调用一种智能优化布局算法；

②设置算法参数，对目标函数进行求解，获得目标钻机设备的优化布局方案；

③重复步骤①和步骤②，获得不同智能优化布局算法目标钻机设备的优化布局方案；

④将得到的多个智能优化布局算法结果带入同一种智能优化布局算法进行比较，得到目标钻机设备的不同智能优化布局算法的最优布局方案。

⑤结合现场实际需要，人工选取最优布局方案。

本发明还提供一种依据上述石油钻机设备布局优化方法设计的石油钻机设备布局优化系统，包括功能划分模块、功能模块简化模块、目标函数建立模块、目标函数求解模块、最优解输出模块；

功能划分模块：用于将目标钻机设备进行功能区域划分，将能够完成某个功能的设备集合作为一个功能模块；

功能模块简化模块：用于将目标钻机设备的功能模块进行合理的简化假设，便于建立目标函数；

目标函数建立模块：用于建立目标钻机设备的优化布局目标函数；

目标函数求解模块：用权利要求3所述的智能优化布局算法对目标函数进行求解，得到目标钻机设备的优化布局方案；

最优解输出模块：用于输出目标钻机设备的优化布局方案。

本发明所述的石油钻机设备布局优化系统中，所述的功能模块简化模块，包括目标钻机设备功能模块信息和平台信息，目标钻机设备功能模块信息包括设备尺寸、数量、重量等信息，平台信息包括钻台和各层甲板尺寸、承载能力等信息，可实现目标钻机设备功能模块、钻台、各层甲板信息的添加、修改、删除等操作。

本发明所述的石油钻机设备布局优化系统中，所述的目标函数建立模块，包括目标函数和约束条件的添加、修改、删除等操作。

本发明所述的石油钻机设备布局优化系统中，所述的目标函数求解模块简化模块，包含所述的多种类型的智能优化布局算法模块，调用不同的智能优化布局算法，可以得到不同的优化布局方案。

本发明所述的石油钻机设备布局优化系统中，所述的最优解输出模块包括参数输出模块和图形输出模块；

文本输出模块用于以文本形式将计算得到的优化布局方案的功能模块的坐标信息、横竖状态和重量矩信息显示出来，并将结果保持到系统的数据库中；

图形输出模块用于以图形形式将计算得到的优化布局方案显示出来，点击其中某一个模块，可显示该模块的中心点坐标、横竖状态以及重量矩信息，并将结果保持到系统的数据库中。

本发明的有益效果是：提供了一种石油钻机布局优化方法和系统，将目标钻机设备进行功能区域划分，得到相应的功能模块，对功能模块进行合理的简化假设，建立目标钻机设备的优化布局目标函数，并调用不同智能优化布局算法得到钻井设备的不同优化布局方案，将不同结果再带入同一种智能优化布局算法进行比较，得到目标钻机设备的不同智能优化布局算法的最优布局方案，结合现场实际需要，人工选取最优布局方案。该过程操作方便、耗时少、效率高，输出的优化方案形象直观，对提高提高钻井效率、提高钻井平台稳定性、提高钻机作业性能、提高钻井现场空间利用率、降低成本有着重要的影响，为整套海洋平台钻机系统布局设计提供理论依据，对海洋平台钻井现场布局规划具有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明石油钻机设备布局优化方法流程图；

图2是本发明石油钻机设备布局优化方法目标函数求解流程图；

图3是本发明石油钻机设备布局系统结构示意图；

图4是本发明石油钻机设备布局优化方法待布物的横竖状态表示图；

图5是本发明石油钻机设备布局优化方法遗传模拟退火算法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图3所示，一种石油钻机设备布局优化方法，包括以下步骤：

S1：目标钻机包括动力系统、起升系统、泥浆循环系统、管子输送系统等进行功能分析，将能够完成某个功能的设备集合作为一个功能模块，在功能划分模块中，对石油钻机设备进行功能划分。

S2：对功能模块进行合理的简化假设，假设如下：假设需要布置n个物体F_i，需要布置的设备与生活设施称为待布物，要求将给定的n个待布物最优的配置于各层平台上。使总体布局满足以下要求：①平台和待布物视为质量均匀的矩形，各自边长已知；②采用比实际物体稍大的包容盒作为待布物；③各待布物的中心线与平台中心线平行；④假定矩形的质心处在矩形的形状中心，布局是对待布物进行正交布局(即矩形的各边与坐标轴平行)。在平面直角坐标系x-o-y中，第i个矩形的位置可用X(x_i,y_i,v_i)表示，x_i,y_i表示待布物的质心坐标，v_i表示待布物的横、竖(横、竖定义为：如果待布物的长边l_i与x轴平行，宽边w_i与y轴平行，则物体的布局状态为“横”，记v_i＝0；反之记v_i＝1)，如图4所示；⑤任意两个待布物不能交叠；⑥待布物不超出平台边界；⑦质心偏量小于许用值；⑧满足其它功能约束要求；

在功能模块简化模块中，添加、修改、删除目标钻机设备功能模块的尺寸、数量、重量等信息，添加、修改、删除钻台和各层甲板尺寸、承载能力等信息。

S3：以井口区为核心，围绕钻井工艺流程实现设备的优化布置，建立钻机设备优化布局目标函数，优化目标包括：钻井材料输送距离、质心横偏量、总成本、井场空间利用率、钻井效率、总重量；

以钻井材料输送距离和质心横偏量为例，建立目标函数如下：

其中：①Min F(x)＝ω₁f_d(x)+ω₂f_center(x)为总目标函数，ω₁为各分目标的权重系数，f_d(x)钻井材料输送距离，f_center(x)为平台的质心横偏量；

②布局约束条件g₁(x)：所有物体必须布置在甲板上，且不超过甲板边界：

③布局约束条件g₂(x)：待布物之间不相互干涉：

④布局约束条件g₃(x)：钻台区在布局面上的坐标范围，式中，a,b均为大于0的实数；

⑤布局约束条件g₄(x)：隔水管立放区在布局面上的形心坐标取值范围，式中，x_gl,y_gl分别表示隔水管立放区在布局面上的形心坐标，w_gl、w_z分别表示隔水管立放区和钻台区的宽度；

⑥布局约束条件g₅(x)：管子输送机在布局面上的形心坐标取值范围，式中，x_gz,y_gz分别表示管子输送机在布局面上的形心坐标，lgz表示管子输送机的长度；

⑦布局约束条件g₆(x)：防喷器和采油树处理系统在甲板上的布置方式有两种，首先考虑防喷器和采油树处理系统在月池同一侧的情况，防喷器和采油树处理系统统称水下器具区，则水下器具区在布局面上的形心坐标取值范围为：

$g_6\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}-a\≤x_{\mathrm{sx}}\≤a\\ -b+(l_z+w_{\mathrm{sx}})/2\≤y_{\mathrm{sx}}\≤b+(l_z+w_{\mathrm{sx}})/2\\ -b-(l_z+w_{\mathrm{sx}})/2\≤y_{\mathrm{sx}}\≤b-(l_z+w_{\mathrm{sx}})/2\end{array}\right.$

式中，x_sx、y_sx分别表示水下器具区在布局面上的形心坐标，l_z和w_sx分别表示钻台区的长度和水下器具区的宽度；

⑧防喷器、采油树处理系统分别布置在月池两侧时，防喷器处理系统在布局面上的形心坐标取值范围为：

$g_6\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}-a\≤x_f\≤a\\ -b\±(l_z+w_f)/2\≤y_f\≤b\±(l_z+w_f)/2\\ -a\≤x_c\≤-a\\ -b\±(l_z+w_c)/2\≤y_c\≤b\±(l_z+w_c)/2\end{array}\right.$

式中，x_f,y_f分别表示防喷器处理系统在布局面上的形心坐标，l_z,w_f分别表示钻台区的长度和防喷器处理系统的宽度；

⑨采油树处理系统在布局面上的形心坐标取值范围为：

$\left\{\begin{array}{c}-a\≤x_c\≤-a\\ -b+(l_z+w_c)/2\≤y_c\≤b+(l_z+w_c)/2\\ -b-(l_z+w_c)/2\≤y_c\≤b-(l_z+w_c)/2\end{array}\right.$

式中，x_c、y_c分别表示采油树处理系统在布局面上的形心坐标，l_z和w_c分别表示钻台区的长度和采油树处理系统的宽度；

在目标函数建立模块中，输入建立的目标函数和约束条件。

S4：调用智能优化布局算法，对目标函数进行智能运算求解，步骤如图2所示：

S41：调用一种智能优化布局算法，智能优化布局算法包括：改进的粒子蚁群算法、改进的遗传模拟退火算法、改进的模拟退火粒子群算法、改进的模拟退火蚁群算法、改进的自适应遗传模拟退火算法、改进的自适应粒子群算法和改进的自适应蚁群算法等适用于石油钻机设备布局的优化算法；

S42：设置算法参数，对目标函数进行求解，获得目标钻机设备的优化布局方案；以遗传模拟退火算法为例，求解过程如图5所示：(Ⅰ)初始化基本参数，随机生成初始种群P(k)，Gen＝0；(Ⅱ)计算适应度函数fit，利用适应度函数评价当前群体；(Ⅲ)确定遗传算子Pc和变异算子Pm；(Ⅳ)实施复制、交叉和变异算子，生成种群P1(k)；(Ⅴ)计算种群P1(k)的适应度fit1；(Ⅵ)根据Boltzmann的生存机制，对初始群体的个体进行替换，生成新一代种群P(k+1)；(Ⅶ)计算新一代种群P(k+1)的钻井材料输送距离和质心横偏量，若不满足收敛准则，转步骤(Ⅱ)，进行新一轮迭代，Gen＝Gen+1；若满足收敛准则，则获得最优解，迭代结束；

S43：重复步骤①和步骤②，获得不同智能优化布局算法目标钻机设备的优化布局方案；

S44：将得到的多个智能优化布局算法结果带入同一种智能优化布局算法进行比较，得到目标钻机设备的不同智能优化布局算法的最优布局方案；

S45：结合现场实际需要，人工选取最优布局方案；

S5：输出并保存目标钻机设备的优化布局方案；在文本输出模块中，将计算得到的优化布局方案的功能模块的坐标信息、横竖状态和重量矩信息显示出来，并将结果保持到系统的数据库中；在图形输出模块中，将计算得到的优化布局以图形的形式结果显示出来，点击其中某一个模块，可显示该模块的中心点坐标、横竖状态以及重量矩信息，并将结果保存到系统的数据库中。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种石油钻机设备布局优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对目标钻机包括动力系统、起升系统、泥浆循环系统、管子输送系统进行功能分析，将能够完成相同功能的设备集合作为一个功能模块，对石油钻机设备进行功能划分；

(2)对功能模块进行简化假设；

(3)以井口区为核心，围绕钻井工艺流程实现设备的优化布置，建立石油钻机设备优化布局目标函数；

(4)调用智能优化布局算法，对目标函数进行智能运算求解；

(5)输出并保存目标石油钻机设备的优化布局方案。

2.根据权利要求1所述的石油钻机设备布局优化方法，其特征在于，所述的优化布局目标包括：钻井材料输送距离、质心横偏量、总成本、井场空间利用率、钻井效率、总重量。

3.根据权利要求1所述的石油钻机设备布局优化方法，其特征在于，所述的智能优化布局算法包括：改进的粒子蚁群算法、改进的遗传模拟退火算法、改进的模拟退火粒子群算法、改进的模拟退火蚁群算法、改进的自适应遗传模拟退火算法、改进的自适应粒子群算法和改进的自适应蚁群算法。

4.根据权利要求1所述的石油钻机设备布局优化方法，其特征在于，所述步骤(4)还包括：

①调用权利要求3所述一种智能优化布局算法；

②设置算法参数，对目标函数进行求解，获得目标钻机设备的优化布局方案；

③重复步骤①和步骤②，获得不同智能优化布局算法目标钻机设备的优化布局方案；

④将得到的多个智能优化布局算法结果带入同一种智能优化布局算法进行比较，得到目标钻机设备的不同智能优化布局算法的最优布局方案；

⑤结合现场实际需要，人工选取最优布局方案。

5.一种依据上述石油钻机设备布局优化方法所设计的石油钻机设备布局优化系统，其特征在于，包括功能划分模块、功能模块简化模块、目标函数建立模块、目标函数求解模块、最优解输出模块；其中，

功能划分模块：用于将目标钻机设备进行功能区域划分，将能够完成某个功能的设备集合作为一个功能模块；

功能模块简化模块：用于将目标钻机设备的功能模块进行合理的简化假设，便于建立目标函数；

目标函数建立模块：用于建立目标钻机设备的优化布局目标函数；

目标函数求解模块：用权利要求3所述的智能优化布局算法对目标函数进行求解，得到目标钻机设备的优化布局方案；

最优解输出模块：用于输出目标钻机设备的优化布局方案。

6.根据权利要求5所述的石油钻机设备布局优化系统，其特征在于，所述的功能模块简化模块，包括目标钻机设备功能模块信息和平台信息，目标钻机设备功能模块信息包括设备尺寸、数量、重量信息，平台信息包括钻台和各层甲板尺寸、承载能力信息，可实现目标钻机设备功能模块、钻台、各层甲板信息的添加、修改、删除。

7.根据权利要求5所述的石油钻机设备布局优化系统，其特征在于，所述的目标函数建立模块简化模块包括目标函数和约束条件的添加、修改、删除操作。

8.根据权利要求5所述的石油钻机设备布局优化系统，其特征在于，所述的目标函数求解模块简化模块包括权利要求3所述的智能优化布局算法模块，调用不同的智能优化布局算法，得到不同的优化布局方案。

9.根据权利要求5所述的石油钻机设备布局优化系统，其特征在于，所述的最优解输出模块包括参数输出模块和图形输出模块；

(1)文本输出模块用于以文本形式将计算得到的优化布局方案的功能模块的坐标信息、横竖状态和重量矩信息显示出来，并将结果保持到系统的数据库中；

(2)图形输出模块用于以图形形式将计算得到的优化布局方案显示出来，点击其中某一个模块，可显示该模块的中心点坐标、横竖状态以及重量矩信息，并将结果保存到系统的数据库中。