CN107590316A - 套管柱参数的确定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种套管柱参数的确定方法和装置，其中，该方法包括：获取目标区域的环境参数，建立套管柱的参数化力学模型；确定关于套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于套管柱的成本的第二优化目标函数、关于套管柱的重量的第三优化目标函数；将套管柱的预设抗内压、抗外挤和抗拉强度确定为应力约束函数；利用应力约束函数约束下的套管柱的参数化力学模型，确定满足第一优化目标函数、第二优化目标函数、第三优化目标函数的套管柱参数。由于该方案考虑了目标区域中多种应力的影响，建立了较为准确的参数化力学模型，引入多个优化目标函数，以确定符合施工要求的套管柱参数，从而可以高效地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱。
Description
技术领域
本申请属于油气勘探开发技术领域，特别涉及一种套管柱参数的确定方法和装置。
背景技术
在进行海洋油气的勘探开发时，常常需要在海底泥层中先布设套管柱，再进行具体钻井。所布设套管柱的性能会影响到钻井，以及油井在整个使用期间的安全性，还会对油井的效益产生影响。并且，随着海上油田勘探开发从滩海向深水、超深水发展，深井、超深井大量增加，相应的，布设时所面临的地质条件更加恶劣，工况更加复杂，对套管柱的要求也越来越多，越来越高，例如，不但要求套管柱安全可靠，还要求套管柱的施工成本经济合理。
为了布设符合施工要求的套管柱，现有方法大多是以传统套管柱设计力学模型为基础，结合线形规划理论，建立成本约束条件下的套管柱设计的数学模型，进而再利用图解法对模型进行求解。但是，上述方法往往只考虑到了成本这一个目标因素，并且，具体实施时，也没有充分地引入施工环境中多种应力对套管柱的影响。因此，现有方法具体实施时，往往存在不能高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。
针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请目的在于提供一种套管柱参数的确定方法和装置，以达到高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术效果。
本申请提供了一种套管柱参数的确定方法，包括：
获取预布设套管柱的目标区域的环境参数；
根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量；
确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数；
将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数；
利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在一个实施方式中，所述多个套管柱参数变量包括以下至少之一：套管柱的长度、套管柱的管壁厚度、套管柱的直径、套管柱的钢级。
在一个实施方式中，所述多个应力参数变量包括以下至少之一：套管柱的内压力载荷、套管柱的外压力载荷、套管柱的轴向载荷。
在一个实施方式中，所述套管柱的预设安全系数包括以下至少之一：套管柱预设抗外挤安全系数、套管柱预设抗内压安全系数、套管柱预设抗拉安全系数。
在一个实施方式中，所述套管柱预设抗外挤安全系数的取值范围为1至1.125，所述套管柱预设抗内压安全系数的取值范围为1.05至1.25，所述套管柱预设抗拉安全系数的取值范围为1.6至1.8。
在一个实施方式中，利用Python语言，建立所述套管柱的参数化力学模型。
在一个实施方式中，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数，包括：
以ABAQUS为模型运行平台，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解；
从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在一个实施方式中，所述从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数，包括：
利用第二代非劣排序遗传算法，从所述多组收敛的参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在一个实施方式中，在确定所述套管柱参数后，所述方法还包括：
根据所述套管柱参数，在所述目标区域布设套管柱。
本申请还请提供了一种套管柱参数的确定装置，包括：
获取模块，用于获取预布设套管柱的目标区域的环境参数；
建立模块，用于根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量；
第一确定模块，用于确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数；
第二确定模块，用于将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数；
第三确定模块，用于利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在一个实施方式中，所述第三确定模块包括：
第一确定单元，用于以ABAQUS为模型运行平台，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解；
第二确定单元，用于从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
本申请提供的套管柱参数的确定方法和装置，通过先考虑了目标区域中多种应力对套管柱结构的具体影响，建立了较为准确的参数化力学模型；并结合具体施工要求，引入多个优化目标函数，以确定符合施工要求的套管柱参数，从而可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的套管柱参数的确定方法的一种实施方式的方法流程图；
图2是本申请提供的套管柱参数的确定装置的一种实施方式的组成结构示意图；
图3是在一个场景示例中应用本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法/装置确定套管柱参数的流程示意图；
图4是在一个场景示例中应用本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法/装置获得的套管柱模型的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。
考虑到现有方法通常都以传统套管柱设计力学模型为基础，没有结合具体的目标区域环境，没有综合地分析环境中多种应力对套管柱结构的具体影响。此外，现有方法往往只以成本因素这一个因素作为目标函数，进行优化确定，导致所确定的套管柱不能很好地满足当前更高的施工要求。因此，现有方法具体实施时，往往会存在无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。针对上述情况，本申请考虑可以综合考虑各种应力对套管柱结构的具体影响，并结合当前的施工要求，引入成本、安全、重量等多种因素作为目标函数，确定符合要求的套管柱参数。从而可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。
基于上述创新思想之一，本申请提供了一种套管柱参数的确定方法。具体请参阅图1所示的本申请提供的套管柱参数的确定方法的一种实施方式的方法流程图。本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法，具体可以包括以下内容。
S11：获取预布设套管柱的目标区域的环境参数。
在本实施方式中，所述目标区域具体可以是海底，但不限于是海底。对于其他环境类型，例如，也可以是湖底、山体等等，本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法同样可以适用。在本申请方式中，仅以目标区域为海底的情况进行具体说明。
在本实施方式中，在所述目标区域为海底的情况下，相应的预布设的套管柱可以是深水套管柱。在布设该套管柱前，可以根据该目标区域中的环境因素，确定具体的环境参数，结合具体的施工要求，例如，要求安全系数高、成本低、重量轻等等，先设计出符合要求的套管柱的参数，再根据上述符合要求的套管柱参数在目标区域布设具体的符合要求的套管柱。
S12：根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量。
在本实施方式中，考虑到海底中具体的环境因素，尤其是应力的影响，例如，构造应力、层间滑动、蠕变、地层塑性流变、注水后引起地应力发生变化和断层活动等。可以根据应力作用特征确定出多个不同种类应力参数，进而可以建立能较好地模拟具体施工现场环境的参数化力学模型。
在一个实施方式中，利用Python语言，建立所述套管柱的参数化力学模型。其中，上述Python语言具体是一种面向对象的解释型计算机程序设计语言，语法简洁清晰，且具有丰富和强大的库，也被称为胶水语言，能够把用其他语言制作的各种模块(例如，C/C++)很轻松地联结在一起。在本实施方式中，使用Python语言，建立所述套管柱的参数化力学模型，便于后续可以将上述参数化力学模型导入到其他软件或平台中进行具体的运行。
在一个实施方式中，所述多个载荷参数(即应力参数)变量具体可以包括以下至少之一：套管柱的内压力载荷、套管柱的外压力载荷、套管柱的轴向载荷等。在上述多个载荷参数的基础，进一步考虑到套管柱会受自重和浮力的影响，还可以引入湿重参数；考虑套管柱可能还会受到弯曲所产生的应力影响，也可以引入弯曲应力参数等。如此可以较好地考虑到多种载荷对套管柱的影响的同时，简化具体处理过程，提高处理效率。当然具体实施时，还可以考虑到海底环境中的具体环境特点，引入其他的载荷参数。
在一个实施方式中，为了更加准确地确定出符合要求的套管柱，具体实施时，上述多个套管柱参数变量具体可以包括以下至少之一：套管柱的长度、套管柱的管壁厚度、套管柱的直径、套管柱的钢级等。如此，可以多个维度限定符合施工要求的套管柱，以便根据套管柱参数所布设的套管柱准确、可靠。当然，上述所列举的套管柱参数只是为了更好地说明本申请实施方式，具体实施时，也可以根据具体情况结合具体施工要求引入其他参数作为上述套管柱参数。
S13：确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数。
在本实施方式中，为了确定符合施工要求的套管柱参数，在考虑成本因素的同时，也对套管柱的成本、套管柱重量进行了考虑。因此，具体实施时，可以构建关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数，构建关于所述套管柱的成本确的第二优化目标函数，构建关于所述套管柱的预设重量的第三优化目标函数。如此，具体实施时，可以同时以预设安全系数所表征的安全要求、预设成本所表征的成本要求、预设重量所表征的重量要求作为优化的目标，确定出能同时符合安全要求、成本要求、重量要求的套管柱参数。进而，可以在目标区域中布设适应于深水环境条件、满足当前施工要求的套管柱。
具体的，为了能确定出同时符合安全要求、成本要求、重量要求，即确定出安全性较高，成本较低，重量较轻的套管柱，具体实施时可以按照以下方式设置对应的第一优化目标函数、第二优化目标函数、第三优化目标函数：
上式中，S(i)为套管柱中编号为i的套管受到的应力，DF(i)为套管柱的预设安全系数中编号为i的套管的安全系数，Sy(i)为套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度中编号为i的套管的所要求承受的最大压力，Cost为套管柱的成本，Li为套管柱中编号为i的套管的长度，T为套管柱中套管的总段数，P(i)为套管柱中编号为i的套管的单位长度的价格，W(i)套管柱中编号为i的套管的单位长度的重量。
在一个实施方式中，所述套管柱的预设安全系数具体可以包括以下至少之一：套管柱预设抗外挤安全系数、套管柱预设抗内压安全系数、套管柱预设抗拉安全系数。需要说明的是，具体实施时可以根据具体情况和施工要求，将上述预设安全系数中的一种或多种进行组合作为本申请实施方式中的套管柱的预设安全系数，也可以在上述所列举的预设安全系数的基础上，引入其他相关的安全系数作为多种预设安全系数的一种。具体的，例如，还可以根据具体的施工需要，引入三轴安全系数作为预设安全系数中的一种。
在一个实施方式中，根据具体施工情况和施工要求，具体实施时，所述套管柱预设抗外挤安全系数的取值范围具体可以设为1至1.125，所述套管柱预设抗内压安全系数的取值范围具体可以设为1.05至1.25，所述套管柱预设抗拉安全系数的取值范围具体可以设为1.6至1.8。此外，在引入三轴安全系数作为预设安全系数的情况下，三轴安全系数的取值范围具体可以设为1.125至1.25。
S14：将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数。
在本实施方式中，为了保证所确定套管柱能在目标区域中稳定使用，具体实施时，可以根据目标区域中的常规的环境载荷(即环境中受到的各种应力)，结合一些环境中其他偶然因素可能引起的载荷变化，以及具体的施工要求，确定上述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度作为上述应力约束函数。如此，具体实施时，可以以上述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度作为模型的边界条件，对参数化力学模型进行约束，以确定出符合施工要求的套管柱参数。当然，具体实施时，除了考虑将套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度作为应力约束函数对参数化力学模型进行约束外，还可以根据具体情况，设置其他的约束函数作为边界条件，以确定出符合施工要求的套管柱参数。具体的，例如可以根据具体的施工要求设置相应的段数约束函数或者长度约束函数对所述套管参数化力学模型进行相应的约束。
具体的，例如可以设置如下的应力约束函数：
S(i)*DF(i)≤Sy(i)
上式中，S(i)为套管柱中编号为i的套管受到的应力，DF(i)为套管柱的预设安全系数中编号为i的套管的安全系数，Sy(i)为套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度中编号为i的套管的所要求承受的最大压力。
在上述应力约束函数的基础上，根据具体的施工要求还可以设置其他相关的相关约束函数，具体可以参见以下所列的约束函数：
上式中，H为套管柱总长的约束值，Li为套管柱中编号为i的套管的长度，T为套管柱中套管的总段数，Q为套管的段数约束值，Lmin为套管柱中单段套管的长度约束值，D为套管柱通径，Dmin为套管柱通径的约束值。
S15：利用应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在本实施方式中，为了确定符合施工要求的套管柱参数，具体实施时，可以利用上述应力约束函数作为边界条件，对所述套管柱的参数化力学模型进行约束；同时以第一优化目标函数、第二优化目标函数、第三优化目标函数作为优化方向，运行所述上述套管柱的参数化力学模型，得到符合施工要求的套管柱参数，即可以确定出适应于目标区域的安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱。
在一个实施方式中，具体实施时，确定套管柱参数变量的数值过程可以包括以下内容。
S15-1：以ABAQUS为模型运行平台，利用应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解。
在本实施方式中，上述ABAQUS具体可以是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，该软件能够的解决问题的范围可以包括相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。具体的，ABAQUS包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并可以拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具。此外，ABAQUS除了能解决大量结构(应力/位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透/应力耦合分析)及压电介质分析等。在本实施方式中，利用ABAQUS运行套管柱的参数化力学模型可以得到较为准确的运行效果，进而可以确定出较为准确的符合施工要求的套管柱参数。
S15-2：从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数变量的数值。
在本申请实施方式中，相较于现有方法，通过先考虑了目标区域中多种应力对套管柱结构的具体影响，建立了较为准确的参数化力学模型；并结合具体施工要求，引入多个优化目标函数，以确定符合施工要求的套管柱参数，从而可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。
在一个实施方式中，上述从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数变量的数值，具体可以包括：利用第二代非劣排序遗传算法，从所述多组收敛的参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数变量的数值。
在本实施方式中，上述第二代非劣排序遗传算法，即NSGA-Ⅱ，具体可以是一种多目标遗传算法，可以降低了非劣排序遗传算法的复杂性，且具有运行速度快、解集的收敛性好的优点。基于上述特点，在本实施方式中，可以通过第二代非劣排序遗传算法快速、准确地确定出符合施工要求的套管柱参数。
在一个实施方式中，在确定所述套管柱参数后，所述方法还可以包括：根据所述套管柱参数，在所述目标区域布设套管柱。具体实施时，可以按照所确定的套管柱参数在目标区域布设对应的套管柱。如此，可以在目标区域布设安全性较高、成本较低、重量较轻的套管柱。
从以上的描述中，可以看出，本申请提供的套管柱参数的确定方法，通过先考虑了目标区域中多种应力对套管柱结构的具体影响，建立了较为准确的参数化力学模型；并结合具体施工要求，引入多个优化目标函数，以确定符合施工要求的套管柱参数，从而可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题；还通过对套管柱的多个参数进行优化确定，提高了所确定的套管柱的可靠性；又通过利用第二代非劣排序遗传算法，确定套管柱参数，提高了处理效率。
基于同一发明构思，本申请还提供了一种套管柱参数的确定装置，如下面的实施方式所述。由于装置解决问题的原理与套管柱参数的确定方法相似，因此，套管柱参数的确定装置的实施可以参见套管柱参数的确定方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施方式所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。请参阅图2所示的本申请提供的套管柱参数的确定装置的一种实施方式的组成结构示意图。该装置具体可以包括：获取模块21、建立模块22、第一确定模块23、第二确定模块24、第三确定模块25，下面对该结构进行具体说明。
获取模块21，具体可以用于获取预布设套管柱的目标区域的环境参数。
建立模块22，具体可以用于根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量。
第一确定模块23，具体可以用于确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数。
第二确定模块24，具体可以用于将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数。
第三确定模块25，具体可以用于利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
在一个实施方式中，所述第三确定模块25具体还可以包括以下结构。
第一确定单元，具体可以用于以ABAQUS为模型运行平台，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解；
第二确定单元，具体可以用于从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。尤其，对于系统实施方式而言，由于其基本相似于方法实施方式，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。
需要说明的是，上述实施方式阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，在本说明书中，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
此外，在本说明书中，诸如第一和第二这样的形容词仅可以用于将一个元素或动作与另一元素或动作进行区分，而不必要求或暗示任何实际的这种关系或顺序。在环境允许的情况下，参照元素或部件或步骤(等)不应解释为局限于仅元素、部件、或步骤中的一个，而可以是元素、部件、或步骤中的一个或多个等。
从以上的描述中，可以看出，本申请提供的套管柱参数的确定装置，通过建立模块考虑了目标区域中多种应力对套管柱结构的影响，建立了较为准确的参数化力学模型，并结合具体施工要求，通过第一确定模块引入多个优化目标函数，以确定符合要求的套管柱参数，从而可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题；还通过第三确定模块对套管柱的多个参数进行优化确定，提高了所确定的套管柱的可靠性；又通过利用第二代非劣排序遗传算法，确定套管柱参数，提高了处理效率。
在一个具体的实施场景中，应用本申请提供的套管柱参数的确定方法和装置设计某一目标区域的套管柱。具体可以参阅图3所示的在一个场景示例中应用本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法/装置确定套管柱参数的流程示意图以及图4所示的在一个场景示例中应用本申请实施方式提供的套管柱参数的确定方法/装置获得的套管柱模型的示意图，具体的实施过程可以包括以下内容。
S1：建立深水套管柱参数化力学模型(即套管柱参数化力学模型)。
在本实施方式中，考虑到深水套管柱(即套管柱)在全寿命周期内可能的经受的载荷十分复杂。套管柱在下套管、固井、钻井、采油和修井等作业过程中所受到的各种外载荷具体可分类归结为三种类型：内压载荷、外压载荷和轴向载荷，同时套管柱还受自重和浮力引起的载荷，以及弯曲产生的应力。为能对引起套管柱损坏的影响因素进行针对性力学分析，可以引入有限元分析软件ABAQUS作为深水套管柱力学分析的平台。其中，ABAQUS软件不仅可以满足套管柱各种受力工况分析的要求，还可以提供功能丰富的脚本接口和用户子程序接口，允许用户进行二次开发。
在本实施方式中，参数化建模具体可以认为是实现优化过程的前提和基础，将力学模型参数化的目的是方便用户对多变量的模型进行结构参数的定义和控制。例如，图4所示的深水套管柱的模型示意图。其中，Pint表示套管柱内压，Pext表示套管柱外压，Fpul表示套管柱轴向拉力，Fw表示套管柱湿重。
在本实施方式中，具体实施时可以基于ABAQUS软件平台，使用Python语言建立深水套管柱参数化力学模型。具体实施时，可以包括以下内容。
S1-1：调用ABAQUS软件CAE模块，建立深水套管柱的力学模型；
S1-2：打开CAE自动生成的扩展名为.jnl的Python脚本文(即利用Python语言建立的套管柱的参数化力学模型)；
S1-3：将套管柱的几何参数和载荷参数转换为变量，从而实现深水套管柱力学模型的参数化建模。
在本实施方式中，需要说明的是，深水套管柱力学模型的几何可变参数(即套管柱参数)具体可以包括：套管柱长度L(套管柱长度可以包括各段套管的长度Li)、套管柱的管壁厚度W、套管柱的直径D、套管柱的钢级G。此外，应力参数可以包括：套管柱的内外压力载荷Pint和Pext。具体实施时，可以通过ABAQUS用户子程序DLOAD进行定义，并利用变量JLTYP区分内外压力类型。具体的，例如，当JLTYP＝＝PINU时，可以定义内压载荷Pint；当JLTYP＝＝PENU时，可以定义外压载荷。
S2：设定深水套管柱多个多优化目标(即确定套管柱的多个目标函数)和约束条件。
在本实施方式中，深水套管柱优化设计的目标函数可设定为：套管柱广义安全系数DFi最大、费用Cost(即成本)最省、重量Weight最轻，作为优化目标，其目标函数可用下式表示：
上式中，S(i)为套管柱中编号为i的套管受到的应力，DF(i)为套管柱的预设安全系数中编号为i的套管的安全系数，Sy(i)为套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度中编号为i的套管的所要求承受的最大压力，Cos t为套管柱的成本，Li为套管柱中编号为i的套管的长度，T为套管柱中套管的总段数，P(i)为套管柱中编号为i的套管的单位长度的价格，W(i)套管柱中编号为i的套管的单位长度的重量。
在本实施方式中，套管优化设计的约束条件具体可以包括：广义强度安全约束、几何约束和库存/特殊约束等。在本实施方式中，套管柱设计的首要任务是：必须保证在整个使用期内，套管柱任一点的强度大于该点所承受的载荷，其约束式(即应力约束函数)可以表示为：
S(i)*DF(i)≤Sy(i)
上式中，S(i)为套管柱中编号为i的套管受到的应力，DF(i)为套管柱的预设安全系数中编号为i的套管的安全系数，Sy(i)为套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度中编号为i的套管的所要求承受的最大压力。
在本实施方式中，需要说明的是，DF(i)具体确定时，可以根据“石油天然气安全规程”(AQ2012—2007)要求，在根据以下数据确定：抗挤压安全设计系数DFC＝1.0～1.125，抗内压安全设计系数DFB＝1.05～1.25，抗拉安全设计系数为1.6～1.8，三轴安全系数为1.125～1.25。
除上述压力约束外，还可以包括套管柱的几何约束，例如，套管总长约束、复合套管柱段数约束、最小段长约束和最小套管柱通径约束等。具体的，可以表示为：
上式中，H为套管柱总长的约束值，Li为套管柱中编号为i的套管的长度，T为套管柱中套管的总段数，Q为套管的段数约束值，Lmin为套管柱中单段套管的长度约束值，D为套管柱通径，Dmin为套管柱通径的约束值。
S3：基于CAE技术的对深水套管柱进行多目标优化分析，确定套管柱参数。
具体实施时，可以包括以下内容：通过在优化分析软件平台Isight建立深水套管柱多目标优化分析流程。Isight通过GUI控件形式，将深水套管柱参数化力学模型Python脚本与ABAQUS软件连接，实现变量及目标设定、优化方法设置和过程监控等操作。进而可以进行具体的优化分析，具体过程可以包括：过程集成、优化设定和分析监控。其中，过程集成可以包括编写应用程序自动启动和软件接口数据交换命令；设置输入、输出文件，实现输入文件自动更新和输出文件结果提取；定义计算过程和进行流程控制。优化设定可以包括：优化目标设定、定义设计变量上下限和设置优化算法NSGA-Ⅱ参数。分析监控可以包括：监控计算过程，进行深水套管柱多目标优化结果的Pareto解集后处理，确定深水套管柱最终设计方案(即确定符合施工要求的套管柱参数)。
在本实施方式中，需要说明的是，上述CAE技术(computer aided engineering，计算机辅助工程)具体可以是要把工程的各个环节有机地组织起来，即将有关的信息集成，使其产生并存在于工程的整个生命周期。上述Isigh自身并不会进行计算，但是它可以通过相应的方法调用其他软件，例如ABAQUS、ANSYS等进行具体计算，可以在不用人工干预的情况下不断的调用相应的工程计算软件进行计算。上述GUI(Graphical User Interface，图形用户界面，又称图形用户接口)具体可以是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。
在本实施方式中，需要补充的是，在确定了上述的目标函数和约束函数后，为了确定符合施工要求的套管柱参数，具体进行优化处理时，优化算法可以选择使用NSGA-Ⅱ(即第二代非劣排序遗传算法)。该算法的基本思想是将多个目标值直接映射到适应度函数中，通过比较目标值的支配关系，寻找问题的有效解。其最突出的特点是采用快速非优超排序和排挤机制，前者驱使搜索过程收敛到Pareto最优前沿，后者保证Pareto最优解的多样性。其中，Pareto来自于Pareto定律，该定律认为绝大多数的问题或缺陷产生于相对有限的起因。就是常说的80/20定律，即20％的原因造成80％的问题。
通过上述的场景示例，验证了本申请提供的套管柱参数的确定方法和装置，通过考虑了目标区域中多种应力对套管柱结构的影响，建立了较为准确的参数化力学模型，并结合具体施工要求，引入多个优化目标函数，确定符合要求的套管柱参数，确实可以解决现有方法中存在的无法高效、准确地确定出安全系数较高、成本较低、重量较轻的套管柱的技术问题。
需要说明的是，尽管本申请内容中提到不同的具体实施方式，但是，本申请并不局限于必须是行业标准或实施方式所描述的情况等，某些行业标准或者使用自定义方式或实施方式描述的实施基础上略加修改后的实施方案也可以实现上述实施方式相同、等同或相近、或变形后可预料的实施效果。应用这些修改或变形后的数据获取、处理、输出、判断方式等的实施方式，仍然可以属于本申请的可选实施方案范围之内。
虽然本申请提供了如实施方式或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施方式中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施方式或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
上述实施方式阐明的装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块的组合实现等。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
此外，本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将上述方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，移动终端，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。
本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。
虽然通过了多种不同实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请可以有许多变形和变化，但并不脱离本申请的精神，希望所附的不同实施方式所包括这些变形和变化不脱离本申请所保护的范围。
Claims (11)
1.一种套管柱参数的确定方法，其特征在于，包括：
获取预布设套管柱的目标区域的环境参数；
根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量；
确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数；
将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数；
利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个套管柱参数变量包括以下至少之一：套管柱的长度、套管柱的管壁厚度、套管柱的直径、套管柱的钢级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个应力参数变量包括以下至少之一：套管柱的内压力载荷、套管柱的外压力载荷、套管柱的轴向载荷。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述套管柱的预设安全系数包括以下至少之一：套管柱预设抗外挤安全系数、套管柱预设抗内压安全系数、套管柱预设抗拉安全系数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述套管柱预设抗外挤安全系数的取值范围为1至1.125，所述套管柱预设抗内压安全系数的取值范围为1.05至1.25，所述套管柱预设抗拉安全系数的取值范围为1.6至1.8。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用Python语言，建立所述套管柱的参数化力学模型。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数，包括：
以ABAQUS为模型运行平台，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解；
从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数，包括：
利用第二代非劣排序遗传算法，从所述多组收敛的参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定所述套管柱参数后，所述方法还包括：
根据所述套管柱参数，在所述目标区域布设套管柱。
10.一种套管柱参数的确定装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取预布设套管柱的目标区域的环境参数；
建立模块，用于根据所述环境参数，建立套管柱的参数化力学模型，其中，所述套管柱的参数化力学模型包括：多个套管柱参数变量、多个应力参数变量；
第一确定模块，用于确定关于所述套管柱的安全系数的第一优化目标函数、关于所述套管柱的成本的第二优化目标函数、关于所述套管柱的重量的第三优化目标函数；
第二确定模块，用于将所述套管柱的预设抗内压强度、抗外挤强度和抗拉强度确定为应力约束函数；
第三确定模块，用于利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的所述多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第三确定模块包括：
第一确定单元，用于以ABAQUS为模型运行平台，利用所述应力约束函数对所述套管柱的参数化力学模型进行约束，并根据约束后的套管柱的参数化力学模型，确定多组收敛的套管柱参数解；
第二确定单元，用于从所述多组收敛的套管柱参数解中，确定满足所述第一优化目标函数、所述第二优化目标函数、所述第三优化目标函数的多个套管柱参数变量的数值作为所述套管柱参数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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